流体・熱・湿り空気・音振動・腐食の応用計算
日射及び日射遮蔽に関する次の記述のうち、適当でないものはどれか。
解答正解 3
日射遮蔽係数は、厚さ3mmの透明フロート板ガラスの日射熱取得を1.0とした場合の比率で表すため、値が小さいほど遮蔽効果が大きい。窓ガラスの性能指標は「小さいほど良い」（日射遮蔽係数・熱貫流率）と「大きいほど良い」（日射反射率）が混在するので、基準となる量が何かを押さえて判断する。方位別の日射量は太陽高度で決まり、夏は高度が高いため水平面が卓越し、冬は高度が低いため南面鉛直面が卓越する。
ヒートアイランド現象に関する次の記述のうち、適当なものはどれか。
解答正解 1
ヒートアイランド現象は、人工排熱の増加、地表面被覆の人工化による潜熱放散（蒸発散）の減少、天空率低下による夜間放射冷却の阻害、風通しの悪化が重なって生じる都市固有の局地的現象である。地球温暖化が地球規模かつ長期の現象であるのに対し、ヒートアイランドは都市スケールの現象であり、原因も対策も異なる点で混同しやすい。
建築基準法に基づくシックハウス対策に関する次の記述のうち、適当なものはどれか。
解答正解 4
ホルムアルデヒド発散建築材料は夏季の発散速度で第一種から第三種に区分され、第一種（0.12mg/m²h超）は居室の内装仕上げへの使用が原則禁止、第二種・第三種は床面積に応じた使用面積制限、0.005mg/m²h以下のF☆☆☆☆は規制対象外で制限を受けない。あわせて建築基準法施行令第20条の8により換気設備の設置が義務付けられ、換気回数は住宅等の居室0.5回/h以上、その他の居室0.3回/h以上である。区分と換気回数の組合せが入れ替えて出題されやすい。
建築物省エネ法（建築物のエネルギー消費性能の向上等に関する法律）に関する次の記述のうち、適当なものはどれか。
解答正解 2
2025年4月以降に着工する原則すべての新築住宅・非住宅に省エネ基準適合が義務付けられた。基準の構成は用途で異なり、非住宅は一次エネルギー消費量基準、住宅は外皮性能基準と一次エネルギー消費量基準の両方に適合する必要がある。BEIは設計一次エネルギー消費量を基準一次エネルギー消費量で除した値で、分子・分母を逆に覚えると適否の判断が反転するので注意する。
流体の性質に関する次の記述のうち、適当なものはどれか。
解答正解 1
液体の粘性は分子間の凝集力に支配されるため昇温で低下し、気体の粘性は分子の運動量輸送に支配されるため昇温で増大する。液体と気体で温度依存性が逆向きになるのが要点で、両者を同じ向きと覚えると誤答する。体積弾性係数は圧力変化に対する体積変化のしにくさを表し、値が大きいほど圧縮されにくい。
大気に開放された水槽の側壁に、内径40mmの小口径オリフィスを設けた。オリフィス中心から水面までの高さが5.0mで一定に保たれているとき、オリフィスからの流出速度及び流出流量の組合せとして適当なものは、次のうちどれか。ただし、重力加速度は9.8m/s²とし、流入時の損失及び縮流の影響は無視するものとする。
解答正解 2
水面とオリフィス出口にベルヌーイの定理を適用すると、両点とも圧力は大気圧で水面の速度は無視できるので位置水頭がすべて速度水頭に変わり、v＝√(2gh)＝√(2×9.8×5.0)＝9.9m/s となる。流量はこれに断面積を掛け、A＝π×(0.040/2)²＝1.257×10⁻³m² より Q＝9.9×1.257×10⁻³＝1.24×10⁻²m³/s＝12.4L/s。√の中の係数2を落とす誤りと、内径を半径として断面積を4倍にする誤りが典型的な失点要因である。
内径15mmの円管内を、動粘度1.0mm²/sの水が平均流速0.12m/sで流れている。このときのレイノルズ数及び流れの状態の組合せとして適当なものは、次のうちどれか。ただし、層流と乱流の判別は臨界レイノルズ数を約2,000として行うものとする。
解答正解 1
レイノルズ数は Re＝vd/ν で求める。単位を揃えると d＝15mm＝0.015m、ν＝1.0mm²/s＝1.0×10⁻⁶m²/s であるから、Re＝0.12×0.015/(1.0×10⁻⁶)＝1,800 となり、臨界レイノルズ数約2,000を下回るので層流である。管内流れは乱流であることが多いため反射的に乱流と答えやすいが、低流速・小口径では層流域に入る。動粘度がmm²/sで与えられている場合、10⁻⁶を掛けてm²/sに直す換算を忘れると桁が1,000倍ずれる。
円管内を水が満流で流れるとき、次に示す条件のうち、管の単位長さ当たりの圧力損失が最も大きいものはどれか。ただし、圧力損失はダルシー・ワイスバッハの式によるものとし、水の密度は1,000kg/m³とする。
解答正解 4
ダルシー・ワイスバッハの式 Δp＝λ(L/d)(ρv²/2) を単位長さ当たりに直すと Δp/L＝λρv²/(2d) となる。各選択肢を計算すると、1は0.02×1,000×1.0²/(2×0.2)＝50Pa/m、2は0.02×1,000×1.0²/(2×0.1)＝100Pa/m、3は0.03×1,000×1.5²/(2×0.2)＝169Pa/m、4は0.03×1,000×2.0²/(2×0.3)＝200Pa/m となり、4が最大である。圧力損失は流速の2乗に比例し内径に反比例するため、内径が大きくても流速が速ければ損失は大きくなる。内径の大小だけで判断すると誤る。
ポンプの有効吸込みヘッド（有効NPSH）及び必要吸込みヘッド（必要NPSH）に関する次の記述のうち、適当でないものはどれか。
解答正解 3
有効NPSHは配管系側が用意できる余裕水頭で、（大気圧－飽和蒸気圧）の水頭から吸込み実揚程と吸込み管の損失水頭を差し引いて求める。必要NPSHはポンプ羽根車の形状で決まるポンプ側の要求値だが一定値ではなく、吐出し量が増えて羽根車入口の相対速度が大きくなるほど大きくなる。したがって、吐出し量が過大になる運転点ではキャビテーションが起こりやすい。「ポンプ固有の値＝常に一定」と短絡しないことが判断の分かれ目である。
熱力学に関する次の記述のうち、適当なものはどれか。
解答正解 2
熱力学の第一法則はエネルギー保存則であり、系に加えた熱量は内部エネルギーの増加と外部にした仕事の和に等しいことを表す。第二法則は変化の向きを規定する法則で、クラウジウスの表現では熱が自然に低温側から高温側へ移動することはなく、トムソンの表現では受け取った熱をすべて仕事に変えて他に変化を残さない機関（第二種永久機関）は存在しない。第一法則と第二法則の内容の入替えが定番の誤答パターンである。
次の条件の外壁について、熱貫流率及び面積20m²当たりの貫流熱量の組合せとして適当なものは、次のうちどれか。 ・室内側熱伝達抵抗 0.11m²・K/W ・屋外側熱伝達抵抗 0.04m²・K/W ・コンクリート 厚さ150mm、熱伝導率1.5W/(m・K) ・断熱材 厚さ30mm、熱伝導率0.04W/(m・K) ・室内温度20℃、外気温度0℃
解答正解 1
各層の熱抵抗を合計すると、0.11＋0.04＋0.150/1.5＋0.030/0.04＝0.11＋0.04＋0.10＋0.75＝1.00m²・K/W となり、熱貫流率はその逆数で K＝1.0W/(m²・K)。貫流熱量は Q＝K×A×Δt＝1.0×20×(20－0)＝400W である。両表面の熱伝達抵抗を加え忘れると熱抵抗0.85、熱貫流率約1.2となり過大評価になる点と、材料厚さをmmのままm に直さない誤りに注意する。断熱材30mmだけで全熱抵抗の75%を占めることも読み取っておきたい。
蒸気圧縮冷凍サイクルにおいて、圧縮機吸込み蒸気の比エンタルピーが400kJ/kg、圧縮機吐出しガスの比エンタルピーが440kJ/kg、凝縮器出口（膨張弁入口）液の比エンタルピーが250kJ/kgであり、冷媒循環量が0.20kg/sである。このときの冷凍能力及び冷凍サイクルの成績係数（COP）の組合せとして適当なものは、次のうちどれか。ただし、膨張弁における比エンタルピーの変化はないものとし、圧縮は断熱圧縮とする。
解答正解 3
膨張弁は等エンタルピー変化であるから蒸発器入口の比エンタルピーは250kJ/kgとなり、冷凍効果は400－250＝150kJ/kg、冷凍能力は150×0.20＝30kW。圧縮仕事は440－400＝40kJ/kgで理論圧縮動力は8kW、成績係数は150/40＝3.75となる。凝縮器の放熱量（440－250＝190kJ/kg）を冷凍効果と取り違えると38kW、ヒートポンプとしてのCOP（190/40＝4.75）を冷凍サイクルのCOPと混同すると4.75となる。両者は常に1だけ差がある関係にある。
空気調和機において、外気と室内還気を質量流量比で3：7の割合で混合したのち、冷却コイルで冷却減湿している。外気は乾球温度32℃・比エンタルピー81.0kJ/kg(DA)、室内還気は乾球温度26℃・比エンタルピー53.0kJ/kg(DA)、冷却コイル出口空気の比エンタルピーは41.4kJ/kg(DA)であり、空気の質量流量は2.0kg/sである。混合空気の乾球温度及び冷却コイルの冷却熱量の組合せとして適当なものは、次のうちどれか。
解答正解 2
混合状態は質量流量比による加重平均で求める。乾球温度は 0.3×32＋0.7×26＝27.8℃、比エンタルピーは 0.3×81.0＋0.7×53.0＝61.4kJ/kg(DA)。冷却熱量は全空気量に混合空気とコイル出口の比エンタルピー差を乗じて、2.0×(61.4－41.4)＝40.0kW となる。外気の割合が小さいのに単純平均（29.0℃）としたり、外気と還気の比率を逆に当てはめる（30.2℃）誤りが多い。冷却熱量は外気だけでなく混合後の全風量に対して計算する点も要注意である。
次の文中の（ ）内に当てはまる用語の組合せとして、適当なものはどれか。 「冷却コイルによる湿り空気の状態変化を湿り空気線図上に表し、入口と出口の状態点を結ぶ直線を延長して飽和線と交わる点の温度を（イ）という。コイル出口空気の状態はこの点に達しない中間の点となり、コイルに接触せずに通過する空気の割合に相当する値を（ロ）という。また、室内の顕熱負荷を全熱負荷で除した値を（ハ）という。」
解答正解 4
装置露点温度は、冷却コイルの状態変化線を飽和線まで延長した交点の温度で、コイル表面温度に相当する仮想的な温度である。バイパスファクタはコイルに接触せず素通りする空気の割合に相当し、コンタクトファクタはその補数（1－バイパスファクタ）である。顕熱比SHFは顕熱負荷を全熱負荷で除した値であり、単位絶対湿度変化当たりの比エンタルピー変化を表す熱水分比とは別の量である。バイパスファクタはコイルの列数を増やすと小さく、コイル通過風速を上げると大きくなる。
建築物の結露に関する次の記述のうち、適当でないものはどれか。
解答正解 3
内部結露は、壁体内を透過してきた水蒸気の分圧が、その位置の温度における飽和水蒸気圧を超えると生じる。冬期は室内側が高温高湿であるため水蒸気は室内から屋外へ流れる。したがって防湿層は水蒸気の侵入する側、すなわち断熱材の高温側（室内側）に設けるのが原則である。屋外側に設けると水蒸気が断熱材内部で行き止まりとなり、かえって内部結露を助長する。表面結露が「表面温度と露点温度の比較」、内部結露が「水蒸気圧と飽和水蒸気圧の比較」で判断される点も区別して押さえる。
ある機械室内に、単独運転時にいずれも同一地点で音圧レベル70dBを示す同一機種の機器が4台設置されている。4台を同時に運転したときの合成音圧レベルと、この音源を点音源とみなしたときに測定点までの距離を4倍にした地点の音圧レベルの組合せとして適当なものは、次のうちどれか。ただし、log₁₀2＝0.30とし、反射や吸音の影響は無視する。
解答正解 1
同一音圧レベルの音源がn台あるときの合成音圧レベルは L＋10log₁₀n であるから、70＋10log₁₀4＝70＋10×0.60＝76dB となる。点音源からの距離減衰は距離が2倍になるごとに約6dB（20log₁₀2）であり、距離4倍では20log₁₀4＝12dB減衰して76－12＝64dB。音圧レベルは対数量であるから単純な加算はできず、また距離減衰は点音源が6dB/倍距離、線音源が3dB/倍距離である点を区別する。
音及び振動に関する次の（イ）〜（ニ）の記述のうち、適当なものの数として適当なものは、次のうちどれか。 （イ）均質な単層壁の音響透過損失は、質量則によれば壁の面密度が2倍になるとおよそ6dB大きくなる。 （ロ）NC値は、その値が大きいほど室内が静かであることを示す。 （ハ）防振材の上に据え付けた機器の振動伝達率を1より小さくするには、機器の強制振動数を防振系の固有振動数の√2倍より大きくする必要がある。 （ニ）同じ荷重を支持する場合、金属コイルばねは防振ゴムに比べて防振系の固有振動数を高くできるため、低速回転機器の防振に適している。
解答正解 2
適当なものは（イ）と（ハ）の2つである。質量則では面密度または周波数が2倍になるごとに透過損失が約6dB増加する。振動絶縁は強制振動数と固有振動数の比が√2を超えて初めて振動伝達率が1を下回り、この比が大きいほど絶縁効果が高い。NC値は許容される室内騒音の評価値であり小さいほど静か、金属コイルばねは静的たわみを大きく取れるため固有振動数を低くでき、低速回転機器の防振に適する。「大きいほど良い／低いほど良い」の方向を取り違える誤りが集中する論点である。
配管の腐食に関する次の記述のうち、適当なものはどれか。
解答正解 4
コンクリート中の鋼は高アルカリ環境で電位が貴となり、土壌中の鋼は卑となるため、両者が電気的につながると大きな腐食電池（マクロセル）が形成され、卑側である土壌中の部分がアノードとなって腐食する。異種金属接触腐食も同じ電気化学的機構で卑な金属側が腐食し、卑な金属の面積が小さいほど腐食速度は大きくなる。防食は絶縁継手による電気的絶縁、塗覆装、電気防食（流電陽極方式・外部電源方式）を条件に応じて使い分ける。
配管用鋼管のJIS規格に関する次の記述のうち、適当でないものはどれか。
解答正解 4
圧力配管用炭素鋼鋼管（JIS G 3454）の適用範囲は350℃程度以下で使用する圧力配管であり、これを超える温度域には高温配管用炭素鋼鋼管（JIS G 3456）を用いる。配管用炭素鋼鋼管（JIS G 3452）は使用圧力の比較的低い一般配管用で、圧力・温度条件が厳しい系統には使えない。規格名称が似ているため、「圧力配管用＝350℃程度以下」「高温配管用＝350℃超」という温度の境界で区別する。
弁類の構造と選定に関する次の記述のうち、適当なものはどれか。
解答正解 3
リフト式逆止め弁は弁体が自重で弁座に垂直に着座する構造であるため、原則として水平配管に取り付ける。これに対しスイング式は弁体がヒンジで回転するため水平配管のほか上向き流れの立て管にも使用できる。弁の選定は「全開時の圧力損失の小ささ（仕切弁）」「流量調整性（玉形弁）」「省スペース性（バタフライ弁）」「取付姿勢の制約（逆止め弁の形式）」を条件と突き合わせて判断する。