建築物の換気測定に関する最近のトピックス

講義 E
建築物の換気測定に関する最近のトピックス
一ーとくに常気附による換気状況の把擦について一一
l
J大学鉱山学部
秋l
助教授佐々木久郎
1.はじめに
ご存じのように、省エネルギーと温熱環境の向上を目的として建築物は次第に高気
密・高断熱化へと変化し、室内環境が年間を通して平均化されてきています。一方、
r
w
i
気密な室内空間では、ややもすると室内で発生する炭酸ガス、ホルムアルデヒト、浮遊
'
t
.
j
判、ダニ、アレルゲン、粉じんなど)、水蒸気などが蓄積され室内
粒子状物質(制問、 J
の空気質が悪化する傾向があります。最近、微生物の予期せぬ多量発生によって、新た
な健康障害の原因が形成される可能性も話題になっています。
私の主な教育・研究テー?の 1つが地下空間の換気・空調で、fJ&下環境工学J と名づ
品性、防音性、遮断性、放射線遮間性、気密性、防爆性、
けております。地下空間は、恒i
不燃性、防震性などの滞在 tl~J な特徴によって安定した環境を得るのに適しますが、地上
の大気と太陽光線から隔絶され、また高 j
昆・高温度となることから、新鮮で快適な空気
の供給と人工照明が不可欠なまさにホ人工空間申です。この而から見ますと、高気密化
也1
.空 1
1
1
1とも共通点があるように忠‘われます。
してきた I
本講演では、まず地下空
uの換気に関する歴史的側而を簡単に紹介した後に、建築物
の室内気質に￨期する依近のトピックスなどを取り上げ、とくにトレーサガス法による空
気齢の意味について説明することにします。
2
. 地下空間の換気に関する歴史的側面
12)
人類は地球上』こ 1
0
0万年続 J
Jtの!悟史を刻んでおり、その H
キ代における技術レベルで地下
日が地下に入る場合、本能的ともいえる時間や呼i
吸などにつ
に利用してきています。人 u
-16ー
いての不安、押しつぶされそうな空間に対する心理的圧迫感の克服のため、経験的および
技術的な工夫が多くなされてきた歴史があります。例えば、古代エジプトの金鉱山では、
たき火法などで岩を砕き、極力小さな断而で
鉱床に沿った折れ曲がりの大きい坑道を掘っ
たため、換気が不十分で死者を多数出したよ
うです。 日本の金・銀 1
1
1なども同様で、石見
銀山ではたがねとっちを用いて揃削した坑道
の寸法は縦 1
.3m、横 1m
程度に過ぎず、当時
の鉱夫は酸欠や一酸化炭素 '
1
"哉、鉱石粉によ
Jや
るじん肺などによって「気絶え(けだえ )
「よろけ J と呼んで恐れた慢性的な病状と短
命に苦しんだようです。ただし、偶然に坑道 図 l 日本の江戸時代の地下鉱山(秋田大
が外部または他の鉱山へ貰.通したことで自然
学鉱業博物館蔵) (上:佐渡金山絵
巻、下:院内銀山坑内図)
の通気循環ができ、「気絶え J が減少した記録が尾去沢鉱山などにあります。すなわち、
換気量の増加こそが地下空間での唱万能楽。であることが実感されたものと言えます。
しかしながら、地下では電気照明が導入されるまでは燈灯による照明が必要不可欠で、
i
l
k煙が空気質の悪化原因となったため、当時の鉱山
管理者も試行錯誤による多くの工夫をしています。
例えば、 G.アグリコラが者:述したデ・レ・メタリカ
(
15
5
6
)1)には、'I:J-j止ヨーロッパの地下鉱山の通風を
改普するために考案された数々の技術(人力による
ベロー送風機、人力や水車で 1
m転駆動させる外周に
穴を設けたドラム送風機など)が紹介されています
し
、 日本の鉱山でも貫通坑道を揃ったり、枯れしの
竹を煮沸して ~fh 分を抜き illl 燥を減少させるなどの燈
灯素材の改良がなされています。また、石見銀 l
l
Jで
7
2
61ドに「唐箕(とうみ )J と「風箱」を用いた強
図 2 デ・レ・メタリカに記述されは 1
ている中世ヨーロッパの鉱山
通風技術 1)
制j
並J
!
tを開始した記録がありますで。 1
8世紀に入ると、
ヨーロッパでは j
産業革命による石炭の需要が急増
-17一
し、炭鉱の酸欠とメタンガス爆発が深刻な社会問題となります。 通風宣;をより多く確保
6
5
0年頃のベルギーで・は地上に 1
.
5
m問方で長さ 9mほどの煙突で火を焚き、
するため、 1
j
)を利用した通風を実施した記録もあります。ただし依然として通風量が不足
その上昇.
したため、イギリスでは、 1
8
0
3年に‘ブロージョージ'と呼ばれた蒸気動力式空気ポン
プ(風i
ま:約 1
6
m
'
/
m
i
n程度)が、 1
8
3
5年には現在の羽般を付けた軸を回転させる送風機
の
J
j
ji
~t~ がW. フォーネスによって発明され、炭鉱に導入されています。その後は次第に
規模を拡大させたこの方式の送風機を用いた機械送風が実施されてきています。明治維
新後の日本の炭鉱でもヨーロッパの方式が実施されましたが、残念ながら昭和 6
0年頃ま
ではガス爆発事故によって多数の炭鉱労働者が亡くなっています。
f
i
Iからみて、人間はより快適な瓶熱環境をもっ居住・労働空間を求め、同時
!罷史的側 i
に新鮮な空気をより多く獲得する努力をしてきたといえます。今後も環境基準が質・量
ともにヲ￨き上げられていくことは必然と忠われます。
3
.不快臭とアロマテラピー
7)-9)
3. I 不快臭
従来、不快央の測定は人 I~日の鼻に頼らなければなりませんでしたが、ガス分析や「に
おいセンサー」などの機株による測定も進歩してきています。
問
r
J
l8)によると、学校における不快臭の多くは、トイレと建材からの臭いが多いと報
告されています。とくにトイレのアンモニア臭は床のコンクリートに浸透した場合に
は清掃によってもとれにくいとされています。
体臭は{同人臭などの先天的なものと食物などの後天的なものに分られます。健康・へ
の影響.というよりも不快感の問題ですが、直接的指標もないため炭酸ガス濃度を間接
的指標とする場合が多いようです。"。清水ら 6)の教室における測定によって、炭酸ガ
ス濃度が2
0
0
0酬を越えると統計的にみて「少し体臭が気になる J レベルになるという
結果が得られています。教室内における炭酸ガス濃度基準 1
5
0
0
p
p
mはこの面からも意味
をもっています。
3
. 2 香りとアロマラテピー(芳香療法) 7)-9)
人類はもともと森林から発生したとされていることから、森林に近い環境にいると
-18-
きに生理的に落ち着き、
深い 1乎l
岐による雌L
'
"酸素
濃度の上昇などにより、
表 ￨ 香りの特徴
香りの主調
シトラス
例
徴
t.~
柑禍{レモン.ライム，
オレンジ)
さわやかさ
心身への刺激
高鵠効果
快適で自然のリズムによ
グリーン
草，ハープ
って体調が整えられると
附さわやかさ
消化生邸・代謝に b
l
影響
ウッディ
木香，白檀，檎，嫌林
されています(岩橋ηなど)。
フローラル
消潔感
監l
平感
安らぎ，リフックス
鎖静
すなわち、温度・温度な
どが完全な人工がJ な温葬~~
環境下よりも森林の中の
l
花，パラ，チューリップ，
ラベンダー
フルーティ
自然らしさ
果物<t
l
t
楠以外)
気分の引き締め
スパイシー スパイス，タイム，
クロープ
1
9
9
5
)
7
) :香りと膿境，耳目工学社， P
f
J
.123-125
出典:岩橋 (
ほうがすがすがしいと感じるようです。最近、このような人体の l
県党に対する生理的
影響を「アロマテラピー」という言葉で表現し、オフィスビルなどでは人工的な香り
を発生させた香りの効用に関する試験的な試みが多くなされてきています。表 lにそ
れぞれの香りの特徴を示します。ひょっとしたら学校においても学留意欲が高まる香
りの研究などがなされるかもしれません。梅の花、木材や生け花などの槌物の香りは
心理E
的に和らげる効用をもつことから、自然の香りを積極的に利用するのも良いよう
に忠われます。
4. 微 生 物 4)
細菌、ウィルス、かぴ、ダニなどの徴生物粒子の大きさは 1μ 以下から数 μ に至るま
ロ1日 自 の に 採 集 散
であり、ダスト粒子に付着して
7
0
~2 日目のダニ採集敏
4
ι
. I 学校敏室における夕ダ"
-2)
室内じん中のチリダニは、
気管支端息を惹起させること
が知られています。高岡ら 2)は
、
r-
50
。
1階
3
0
2階
3階
4陪
5階
図 3 埼玉県にある男女共学高校におけるダニと
湿度の分布 2)
1日目:夏休みの登校 n
21'1日:登校 u
の翌日(休校 1
1)
-19一
白
。
司
4
なる場合もあります。仰a
討1
刊
ド
4
骨)
札}
法制明
3
4
必i
UFa
FOFD
却端がレジオネラ閣の培養器と
6
5
EEE4EEEEEEEJE
3200
qO
削昆皮のエリアで増摘し易く、冷
3
8
FaqM
掘
0・ 出 関
~"r 浮遊しています。これらは、
l昭和 159 年の夏季に埼玉県下の 51情処てのリi久:JI~ 学の高校でダニに関する調査をしてい
ます。その結果、約 2
4種のダニを検出し、その内チリダニ科が約半数を占めること、
L
f
l
.するほどダニ数が減少し、その分布は淑皮との相関(湿度が低いほどダニ数
附が_
が減少)が見られたことを報告しています(図 3参照)。また、学校では家庭内のダニ
が生徒によって運搬され、持ち込まれるとの結果も得ています。有効な対策としては、
換気をす-分に実施し、淑!支を下げることが必要とされています。
4
. 2 細菌・真菌 3)-5)
n
最近、病院などでの微生物(紺 萄・真凶)の汚染が注目されていることはご存じの
通りです。室内における制限i
の発生淑は主に人体で、十分に換気がなされていない室
内に多人数が在室して活動すると細菌濃度は当然増加します。真菌は、直接・人体か
ら発生するものより建築物内部でのおり露部分などで噌殖した菌が掃除などで室内に飛
散・浮遊する場合が多いとされています。強制換気を行っている建築空間では空調ダ
クトからの閣の放出が問題になることもあります。とくに、日照がなく、多人数が通
過する地下鉄駅構内などで濃度が高くなることが知られています(吉沢ら 5))。
5
.空気齢と換気効率 10)
教室などの換気量は、炭酸ガス濃度の測定値、空間の有効体積および人体の代謝によ
る炭酸カース放出畳の総和から推定できます。この方法は、人体の呼吸によって発生する
炭酸ガス量をもとに、室内濃度が定常になった段階で換気量や換気回数を測定するもの
です。このような換気回数の測定により、私達は空間に供給される換気量を概ね知るこ
とができますが、空間中の気流状態や、流入空気がどのように効率的に生かされて排出
l
Iの温
されるかについてはわかりにくいのが普通です。供給された空気の瓶度、空間の r
n
度勾配、給排気ダクトの事 類や位筒、室内の事務機器、家具などによって、気流は必ず
しも望ましくない性状になることがあります。すなわち、室内に入ってきた新鮮な空気
が、室丹jの人閉までどのような経路と経過時
nで届くかによって、同じ換気長であって
も空間全体が効率良〈換気できる場合と一部分だけしか換気されない効率が惑い場合も
あります。
教室などにおいて、全ての場所へ新鮮な空気を供給する場合や空気汚染のレベルを低
qL
n
u
〈保持したい場合には、換気空気を効率的に分布させる必要があります。これによって
冬場や夏場の温熱環境も制御し易くなります。
5
. I 空気齢 (
A
g
e0
1A
i
r
)
最近、空気齢という概念
によってより的確に空間の
換気状況を判定する試みが
多くなされてきており、私
どもも地下空間の換気状況
図 4 局所空気齢の考え方
の測定に適用しています。
時間の長さとして定義されます。
空気齢は、ある空気が当該の空間中に滞留していた l
一般には、最も新しい空気(空気齢が低い)は外気が室内に入ってきた場所に存在し、
古い空気(空気齢が高い)は室内の空気が淀んだ場所で見つかることになります(図
4参照)。
空気齢は、正確には 2つの意味で使われます。 1つは、空間の給気口(窓あるいは
換気口)から室内の任意の局所までに移動するのにかかる平均時間jτ(s) であり、こ
局所空気齢」と定義します。また、!空間における局所平均空気齢の平均値〈 τ〉
れを r
(
s
)を「空間平均空気齢 J と呼んで区別します。局所空気t
f
告の空間分布の測定からは、
できます。また、空間平均空気齢
換気経路および局部的な空気の停滞領域などを詳細i
からは空間の換気効率が推定できます。
5
. 2 空気齢の測定法
去によって測定します。トレーサガス法と
局所平均空気齢τは、一般にトレーサガス j
は、環境中に存在しない不活性で無害なガス(トレーサガス)を一定割合で空 1¥1に注
H
J変 化 I
H
I線を基に空気齢を i
U
t
J
定する方法で
入し、空間の任怠の局所における濃度の時 I
す。トレーサガスには、一般に SF
6を用いる場合が多いようです。トレーサガスの放出
方法には濃度減家法、パルス発生法、濃度上昇j
去の 3つの方法があります。
濃度減衰法は、最もよく m いられます。この方法では、最初に ~nH の安気にトレー
サガスを均一に fi~判f し、その後に局所においてトレーサガス濃度のか北京カーブを測定
-21-
する方法で、空間的な空気齢分布の大小関係から局部的な換気状態を知る場合や、空
間から空間へ流れる換気流などの状況を把援するのにも使用できます。パルス発生法
では、空間への給気口で流入する空気に一定の時間間隔でトレーサガスをパルス的に
注入し、空間の局所~WI 定点で、トレーサガスを検知し、ガスの平均的な到達時間をピー
クをもっ濃度分布から τを測定します。この利点は、使用するトレーサガス量が少なく
てすむことですが、低いトレーサカ'ス濃度を短い間隔ですばやく測定する必要があり
ます。
トレーサガス濃度上昇法では、給気口で流入する空気にトレーサガスを連続的
に注入し、百五い濃度レベルをもっ時間上昇カーブを測定することで、空気齢を測定し
ます。この方法は、体育館などのトレーサガス濃度を均一にすることが難しい大空間
に対して有効ですが、外部から供給される空気の空間分布だけしか測定できない欠点
をもちます。
Q(m'/s) ら、理論的に空間の有効体積 V (m3) を排気口の局所
なお、空間の換気却t
始Tで害J
Iった似 V
/τから求められます。
平均空気i
5. 3 換気効率 (
A
i
rChange E
f
f
i
c
e
n
c
y
)
図 5は基本的に用いられる空間換気に関する 3つ
のモデルを示します。ある空間が、 a) の理想的な
換気モデルである押出し換気されると仮定し、この
8) 押出し換気
s
)ら
、
ときの換気に必要とする換気時間的 (
t
n
=V
/
Qとなります。通常これをこの空間の公称 l
時定数と
呼ぶこともあります。一般に、抑出し換気の換気時
間に対する割合を換気効率 ε(%) と定義します。す
なわち、換気効率は理惣 tl~J な ~IIJill し換気のときに 100
b
) 完全混合換気
図 5 基本的な空間換気のモデル
c
) 短絡誠による徴気
u) 押出し換気(新鮮な空気が全く混合しない状態で汚れた空気を排気口
)
， b) 完全混合換気{空間に入った
へ排出させる最も効串的な換気モデ Jレ
新鮮な空気が空間内の空気と瞬時に完全に混合する換気モデル，空間平均
1¥し換気の掛合の 2f
音，換気効串 50
%
， c) 短縮減
担気僻と挽気時聞は抑 1
による換気(モデル空 1
1
1
1内に淀んだ関脇をもっ換気モデノレ.局所平均空気
荷台の分布幅が大，空間平均空気怖が大，換気効率低)
-22一
%になります。また、空間の換気1制U
Jは、理論から空間平均空気齢〈 τ〉の 2俗である
ことがわかっていますから、
ε(%)=
1
0
0Xln/ (2 <μ>)
によって換気効率は算定されます。また、換気量の測定が困難である場合の換気効率
は、排気の局所空気齢を空間平均空気齢の
2
1
音で割ることで算出できます。このよう
に、生・内の空気齢分布を測定することによって、室内の換気流の分イ'tjについて詳しく
知ることができます。
6.アメリカにおける学校娩気に関する動向
11)
W
h
e
e
l
e
rll)は、教室の換気・空調に￨期して、 ASHRAE
規格に基づいて検討しています。
2
教室の標準的モデルは、クラス標準花蜜者数2
3人
、 j
ボ而積75m
、天井高さ 2.7m、ファン
駆動VAV
換気で、日本と比較するとかなり余裕があります。また、冷暖房設備が盤って
いる学校が多いこともあり、
ASHRAE
規格では 2
5.5m/h・人(13
.7m/h・
m床I
面積)
3
3
2
3
の換気量を要求しており、現在の日本の規格 (
1
0
m
/h・人以上)に比較すると 2倍以上
になっています。湿度につい
15
0
0
ては、 60%以下が多く、むし
ろ冬季の低温度が学童欠席の
E
原因となっていることが問題
幽
0
.
となっているため、 j
昆分の付
加が考慮、されています。図 6
は
、 2
5.5m/h・人の換気量に
3
モデル①
1
2
5
0
1
0
0
0
要 750
~ミ
錨
起
保準的なジュニアハイスクールの教室
(
5
0
分授業. 1
0
分休憩)
O
l
8
j
段皮は 1
2
7
0
P
I
l
l
l
lに判lさえられて
1
3
時 刻
対する教室内炭酸ガス濃度の
推移を予測したもので、最高
1
2
停止
図 6 米国における標準的な教室内の炭酸ガス濃度の
推移予測川
モデル(0:換気砧 1
71
s3
j
h・人，モデル(2):換気回:
2
5
.
5I
叫ん・人
います。
7.おわりに
ここでは、地下空間の換気に関する雌史的側而、建築物の室内空気質に￨期して「香り
の効用」や窓気齢の怠昧とトレーサガス法による測定法などを紹介しました。学校の教
-23-
'
‘
護では自然換気によって「アロマテラピー J の効果が高い新鮮な空気を十分取り入れる
ことが理想ですが、高気密な空間と換気・空調設備の導入が今後増加するようにも思わ
れます。将来的には、省エネルギーと換気効率などを空気齢に基づいて判定する場合も
でてくることも予測され、本講演がその理解の一助となれば幸いです。
参考文献
1
)A
g
r
i
c
o
l
a，
G
.t
r
a
n
s
l
a
t
e
dbyHoover，
H
.
C
.& Hoover，
L
.
H
.(
19
5
0
):DERE
v
e
rp
u
b
l
i
c
a
t
i
o
n
sI
n
c
. (NewYork)
METALLICA，o
E倣ほか(19
8
5
) :崎玉県下における家屋内ダニ類の ~I:休学的研究一学校の教室
2)お￨珂 j
内眼中のダニキ1
[とその動態について一，埼玉衛生研究所報， 1
9， p
.
5
5
.
8
3
) :室内鹿中のダニ類の分布と季節的消長について，微生動物， 3
4
3)松山市・佐藤(19
.
1
3
3
-2，p
19
9
2
) :室内空気質，空調・
4
)P
.
E
.McNa11 (福山訳) (
f~Î~I: 工学会誌66-10 ，
p
.
7
4
1
8
3
):地下鉄駅構内の安気微生物汚染，防関￨坊微， 11-4
5)古沢背原(19
8
2
):建築物における必要換気量に関する研究， 日本建築学会大会学術
6)消水ほか(19
講演傾概集， p
.
2
7
2
9
5
):香りと環境，理工学社
7)岩橋(19
8) 問問(19
9
2
):臭気対策に関する最近の理論と技術，環境技術研究協会， p
.
3
8
9
5
):生活と臭い香り，理工学社
9)岡田(19
1
0
) 例えば、空気調和・衛生工学会 (
1
9
9
4
):シンポジウム 1
主宅とオフィスにおける換
気効率の~ItIJ~主例と問題点(東京)ー要旨集
1
1
)A
.
E
.Wheeler (
1
9
9
2
) :EnergyC
o
n
s
e
r
v
a
t
i
o
nandA
c
c
e
p
t
a
b
l
el
n
d
o
o
rAirQ
u
a
l
i
t
y
o
u
r
n
a
l，A
p
r
i
l
i
nt
h
eClassroom，ASHRAEJ
1
9
9
6
) :地下環境，秋田大学鉱山学者I~ 通信教育論肢テキスト
1
2
) 佐々木 (
-24-
.
講師紹介
ささき
$.，うろう
ご芳名:佐々木久郎
生 年 月 日 : 昭 和3
0年 6月1
8日
ご 住 所 : 秋 田 市 高 陽 幸 町 2-12
電 話 番 号 :0
188-63-9359
勤務先:秋田大学鉱山学部
J1-1
勤務先住所:秋旧市手形学[量!日I
電 話 番 号 :0
188-33-5261
F A X :0188-37-0401
l
昭和 5
41p3H
北海道大学工学部機械工学科卒業
H
百
平U
5
61J三3月
北海道大学工学部機械工学専攻fl!
J
てI
:
i
i
i
j期課税修了
昭和 5
9
年 3月
北海道大学工学部機械工学専攻博士後期謀総修了
昭和 5
9
年 3月
工学博士(北海道大学)
H
召和 5
9.
1
ド
4H
株式会社東芝
原子力事業部原子力システム設計部エンジニア
昭和 6
0年 4月
秋田大学助手鉱山学部
昭和 6
3年 4J
C
J
秋I
I
I大学識自i
l 鉱山学部
昭和 6
3年 4月
秋凶大学鉱山学部研究科修士謀程組 ~I (別荘に至る)
平成 2年 2月 -8月
カナダアルパータ大学工学部博士研究員
0月
平成 4年 1
秋田大学助教授鉱山学部(現在に至る)
平成 6年 4月
秋田大学鉱山学部研究科博士謀程t
n当(現在に至る)
所属学会..節目{・素材学会、空気刺和・衛生工学:会、 E
I本機械学会、安全工学協会、流
れの計測、資源物性学会
社会的 i
l
J:
ω石炭技術研究所
保安胞設機器開発研究委 l~ 会委l.~t
。ゅ秋川県資拡wトH~機柿J也ド・附報データベース化研究総討部会委 11
] 1C A資源開発コース集凶研修講師
H
H和 6
1
1
1
三3月
日本機械学会奨励賞
平成 51
.
j
三 3月
資減素材学会奨励賞
平成 7i
J
三3H
資源素材学会論文賞
-25-