| 学会誌・論文集 トップへ |
|
|
|---|---|---|
| 2/4 |
|
2.湿り空気の湿度表示 湿り空気中の水蒸気量すなわち湿度の表し方は、大きく 以下の三つに分類できる。
物理学などでは、絶対湿度hａ(Absolute Humidity)は体 積1m3中の水蒸気量"kg"を、相対湿度  (Relative Humid
ity)は体積1m3中に含まれる水蒸気質量とその温度にお
ける飽和水蒸気質量との百分率比[%]、すなわち"絶対湿
度hａ/飽和絶対湿度hａ、ｓの百分率比"を示している。しか
しながら絶対湿度hａは、ベースの体積が温度によって大
きく変化するので、空調では計算上都合が悪いので使われ
ない。同様に、湿度の相対表示法の一つとしての比較湿度 、 "絶対湿度x/飽和絶対湿度xｓの百分率比"も使用できる が、空調では気象データを用い、また測定機器もそれらに 準じており、気象学上の定義の"蒸気圧とそのときの気温 における水の飽和蒸気圧の百分率比"、すなわち相対湿度 を用いている。
2.1 水蒸気分圧と飽和水蒸気圧 湿り空気を理想気体としての乾き空気と水蒸気の混合気 体とみなすと、"湿り空気の圧力はドルトンの法則に従 い、乾き空気の圧力と水蒸気の圧力の和に等しい"、いい 換えると"水蒸気分圧で水蒸気量を、すなわち湿度"を表す こともできる。 図‐2で定義される1)空気中の水蒸気分圧Pｗと飽和水蒸 気圧Pｗｓが以下の関係にあるとき、空気は 1) 水蒸気分圧Pｗ＜飽和水蒸気圧Pｗｓ→不飽和空気 2) 水蒸気分圧Pｗ=飽和水蒸気圧Pｗｓ→飽和空気 3) 水蒸気分圧Pｗ=0→乾き空気 ということができる。 水蒸気圧は昔からデータがそろっており、湿度を質量で 表すよりも便利なことからしばしば利用され、また他の湿 度表示法に変換するときにも必ず用いられる。飽和水蒸気 圧は、1981年ASHRAE Handbook2)に載っているNBSの Wexler-Hylandの計算式を用いて求めることができる。 なお、本学会便覧"基礎編"3)には表が示されている。
前述したように空調では、絶対湿度xを利用し、その 際、乾き空気は絶対湿度x=0の状態をいう。物理学でい う本来の絶対湿度hａとは、定義も値も異なるので注意が 必要である。図-3に両者の比較を示す。 (1) 絶対湿度x 湿り空気の絶対湿度xは、ダルトンの法則と上記の定義 から次の式で表される。絶対湿度は、空気中の水蒸気量を 質量で表しているため、加湿や除湿の量の計算などに用い られる。  ここで、 x ：絶対湿度 [kg/kg(DA)] P ：湿り空気の全圧力 [kPa] Pａ：乾き空気分圧 [kPa] Pｗ：水蒸気分圧 [kPa] Mａ：乾き空気の見かけの分子量 [=28.96kg(DA)/kmol] Mｗ：水蒸気の分子量 (=18.01kg/kmol) この絶対湿度hａは、湿り空気1m3中の水蒸気量"kg"を 表す。  ここで、 hａ：絶対湿度 [kg/m3] Pｗ:水蒸気分圧 [kPa] Pｏ:大気圧 [kPa] ただし、気体の膨張係数0.003 66℃-1、標準状態の 水蒸気の密度0.804 kg/m3
湿り空気は、そのなかの水蒸気の圧力が飽和蒸気圧より 低ければ、飽和蒸気圧に達するまで水蒸気を含むことがで きる。そこで、空気中の水蒸気の量を示す度合い、すなわ ち湿度として、"飽和水蒸気圧に対して、空気中の水蒸気 分圧がどの割合[%]となるかを圧力比で示したのが相対湿 度 "である。相対湿度=0%は乾き空気、相対湿度=
100%は飽和空気である。相対湿度 は、以下の式で求める。 ここで、 :相対湿度 [%]Pｗ:水蒸気分圧 [kPa] Pｗｓ:同じ温度の飽和空気の水蒸気分圧 [kPa] また、絶対湿度hａから相対湿度 を次の式で求めるこ
とができる(図-3)。 ここで、 hａｓ:飽和水蒸気の絶対湿度 [kg/m3] 相対湿度 は、テレビの天気予報などでもしょっちゅ
う耳にするなじみが深い湿度の単位で、人間の快適感に
とっても重要な値である。そこで、空気調和設備の設計条
件なども相対湿度で表されることが多い。
2.4 比較湿度(飽和度) ある温度の空気の絶対湿度xと、それと同じ温度の飽和 空気の絶対湿度Xsとの割合[%]を示す値を比較湿度また は飽和度という。比較湿度  =0%は乾き空気を、比較湿
度=100%は飽和空気を表している。比較湿度は、下式で求める(図-3)。  比較湿度は相対湿度とほぼ同じ値を示すが、正確には相 対湿度とは異なる。なお、空調では、比較湿度が用いられ ることはほとんどない。 2.5 湿球温度 湿式温度tｗは、実用的には温度計の感温部(アルコール や水銀のたまり部)を湿ったガーゼなどで覆った乾湿球温 度計やアスマン温湿度計などの湿球の温度を表す。 湿球温度を正確に説明する。図-4に示すような周りを 断熱して外から熱の出入りのない長い管の中に空気を流 し、他方管の下には水があるものを考える。流れる空気の 温度より水の温度が低いと、熱伝達によって空気から水に 熱が伝えられて水の一部が蒸発し、他方空気は温度が下が り、湿度が上がって行き、長い管の中を流れている間につ いには飽和空気になる。この間、水は大量にあって温度が 変化しないものとすると、空気の温度も水温と同じにな る。この温度を熱力学的飽和温度といい、これが正確な意 味での湿球温度の定義である。 この状態変化を熱的にみてみると、この装置と外部の間 では熱の出入りがなく、空気の熱の一部を利用して少量の 水が蒸発しているので、次の式が成り立つことがわかる。  ここで、 h、x: 流入空気の比エンタルピーおよび絶対湿度 h'ｓ、x'ｓ:飽和空気の比エンタルピーおよび絶対湿度 hｃ: 水の比エンタルピー 上の式の右辺は、もともと蒸発した温度tの水分が 持っていた熱量(エンタルピー)が、空気中に新たに持ち込 まれ、その分だけ空気の比エンタルピーが増したことを表 している。 図-5に、乾球温度と湿球温度が何を示すかを具体的に 説明した。 乾球温度は、空気温度と周りの壁表面温度の影響を受け るが、風速を早めて乾球の対流熱伝達率を大きくし、近似 的に空気温度のみを示すとみなしている。 また湿球温度は、飽和蒸気圧と水蒸気圧との差で起こる 蒸発により低下した温度を示している。すなわち、湿球温 度は、上にも述べたように空気が多量の水と接触しながら 流れ、湿球温度と同じ温度の水から絶えず空気に水蒸気が 供給され、水と同じ温度の飽和空気になって出てきた飽和 空気の温度を示す。 湿球温度は、主として湿りコイルや冷却塔などのよう に、水分と熱の同時移動が伴う場合に、計算が容易なこと から設計条件として用いられることが多い。
冬の寒い日に電車の中で子どもが窓ガラスに息を吹き付 けて曇らせ、指でその上にいたずら書きをしているのを見 ることがある。息を吹き付けてガラスが曇り始めるとき の、冷えた空気の温度が露点温度である。すなわち露点温 度tｄは、空気中の水蒸気が結露する温度、空気中の水蒸 気分圧Pｗと等しい飽和水蒸気分圧Pｗｓを持つ飽和空気の 温度をいう。 湿度の測定では、霧点温度を測定する方法が最も精度が よい。そのため、露点温度を計り、その値から相対湿度な どの別の形で表した湿度を求めることが多い。 通常は、露点温度と乾球温度から飽和水蒸気分圧を求 め、他の湿度表示に変換する。図‐6にいろいろな湿度の 表し方の間の関係を示す。 ガラスや壁の温度が露点温度以下になると、水蒸気が凝 縮を始めるため、露点温度は特に結露発生の有無の判断に 重要な指標となる。
|
| このページの先頭に戻る |
|---|
