パッシブ換気

パッシブ換気とは、機械的なシステムを使用せずに屋内空間に空気を供給したり、屋内空間から空気を除去したりするプロセスです。これは、自然の力によって生じる圧力差の結果として、屋外の空気が屋内空間に流れることを指します。

建物内で発生する自然換気には、風力換気と浮力換気の2種類があります。風力換気は、建物や構造物の周囲の風によって生じるさまざまな圧力と、建物の周囲に形成される開口部から発生する空気の流れによって発生します。浮力換気は、内部と外部の温度差によって生じる方向性のある浮力によって発生します。^[1]

内部と外部の温度差を生み出す内部熱の増加は、人間の熱を含む自然のプロセスによって発生し、風の影響は変化するため、自然換気された建物は「呼吸する建物」と呼ばれることもあります。

空気の静圧は自由に流れる気流内の圧力であり、天気図では等圧線で表されます。静圧の差は地球規模および微気候の熱現象から生じ、風と呼ばれる空気の流れを作り出します。動圧は風が丘や建物などの物体に接触したときに発生する圧力であり、次の式で表されます。^[2]

${\displaystyle q={\tfrac {1}{2}}\,\rho \,v^{2},}$

ここで（SI単位系を使用）：

風が建物に与える影響は、建物の換気と浸入率、およびそれに伴う熱損失や熱取得に影響します。風速は高度とともに増加し、摩擦抵抗のため地面に近づくにつれて低くなります。実際には、風圧は大きく変化し、自然環境（木、丘）や都市環境（建物、構造物）の要素との相互作用により複雑な空気の流れと乱流を生み出します。さまざまな気候地域の伝統的な建物は、密閉された空間で快適な温度を維持するために自然換気に大きく依存しています。 ^[3]

設計ガイドラインは建築規制やその他の関連文献に記載されており、次のような多くの特定の領域に関するさまざまな推奨事項が含まれています。

• 建物の位置と向き
• 建物の形状と寸法
• 室内の仕切りとレイアウト
• ウィンドウのタイプ、操作、位置、形状
• その他の開口部の種類（ドア、煙突）
• 施工方法と詳細（浸透）
• 外部要素（壁、スクリーン）
• 都市計画条件

以下の設計ガイドラインは、国立建築科学研究所のプログラムである「建物全体の設計ガイド」から抜粋したものです。^[4]

• 夏の風に対して垂直に建物の棟を配置することで、風による換気を最大限にする
• 自然換気ゾーンの幅は狭くする必要がある（最大13.7メートル[45フィート]）
• 各部屋には、2 つの独立した給気口と排気口が必要です。排気口を吸気口より高く配置して、煙突効果を最大化します。窓を部屋の反対側に向け、互いにオフセットして配置することで、室内の混合を最大化し、室内の空気の流れを妨げる障害を最小限に抑えます。
• 窓の開口部は居住者が操作できるものでなければならない
• 高窓や通気口付きの天窓の使用を検討してください。

風力換気は、交差換気と片側換気に分類できます。風力換気は、風の挙動、建物の外壁との相互作用、および開口部や、吸気口や風受けなどのその他の空気交換装置に依存します。

空気と熱の交換はファサードにかかる風圧に依存するため、建物内の空気の質と温熱的快適性を評価するには、都市の気候学、つまり建物の周りの風に関する知識が重要です。方程式 (1) に示されているように、空気の交換は、建築プロジェクトが建設される都市部での風速に比例します。CFD (数値流体力学) ツールとゾーンモデリングは、通常、自然換気の建物を設計するために使用されます。ウインドキャッチャーは、建物の内外に空気を導くことで、風力による換気を補助することができます。

浮力駆動換気は、主に温度差から生じる屋内と屋外の空気の密度差によって発生します。隣接する 2 つの空気量に温度差がある場合、暖かい空気は密度が低く浮力が高くなるため、冷たい空気より上に上昇し、上昇気流を形成します。建物内の強制上昇流浮力駆動換気は、従来の暖炉で行われます。パッシブ スタック換気装置は、ほとんどの浴室や屋外に直接アクセスできないその他のタイプのスペースでよく使用されます。

浮力駆動換気によって建物が適切に換気されるためには、内部と外部の温度が異なっていなければなりません。内部が外部よりも暖かい場合、屋内の空気は上昇し、高い開口部から建物から排出されます。低い開口部がある場合は、外部からの冷たく密度の高い空気がそこから建物に入り、上向きの置換換気が行われます。ただし、低い開口部がない場合は、高いレベルの開口部から流入と流出の両方が発生します。これは、混合換気と呼ばれます。この後者の戦略では、流入する冷気は内部の空気と混合されますが、常に内部の空気全体よりも密度が高く、床に落ちるため、依然として新鮮な空気が低レベルに到達します。置換換気の場合、浮力駆動換気は、温度差が大きいほど、また高い開口部と低い開口部の間の高さが高いほど増加します。高い開口部と低い開口部の両方がある場合、建物の中立面は、内部圧力が外部圧力と同じになる高い開口部と低い開口部の間の場所に発生します (風がない場合)。中立面より上では、内部の空気圧は正圧となり、中間レベルの開口部から空気が流れ出ます。中立面より下では、内部の空気圧は負圧となり、中間レベルの開口部から外部の空気が空間に引き込まれます。浮力駆動換気には、いくつかの重要な利点があります。{Linden、P Annu Rev Fluid Mech、1999 を参照}

• 風に頼らないので、最も必要とされる静かで暑い夏の日に開催できます。
• 安定した空気の流れ（風に比べて）
• 空気取り入れ口の選択におけるより優れた制御
• 持続可能な方法

浮力駆動換気の限界:

• 最も風の強い日の風換気に比べて規模は小さい
• 温度差（屋内/屋外）を利用する
• 設計上の制限（高さ、開口部の位置）があり、追加コストが発生する可能性がある（換気装置スタック、高いスペース）
• 建物内に取り込まれる空気の質は、例えば都市部や工業地帯に近いために汚染されている可能性がある（ただし、これは風力換気の要因にもなり得る）。

建物内の自然換気は、主に風の強い状況での風圧の差に頼ることができますが、浮力効果により、a) このタイプの換気を増強し、b) 風のない日に空気の流量を確保することができます。浮力駆動型換気は、建物への空気の流入が風向だけに依存しない方法で実装できます。この点で、都市などの一部の汚染された環境では空気の質が改善される可能性があります。たとえば、空気は建物の裏側または中庭から引き込まれ、通りの正面からの直接的な汚染や騒音を避けることができます。風は浮力効果を増強しますが、その速度、方向、および空気入口と出口の設計に応じてその効果を低下させることもできます。したがって、煙突効果換気を設計する場合は、卓越風を考慮する必要があります。

2つの異なる高さの通気口を持つ浮力駆動型自然換気の自然換気流量は、次の式で推定できます。^[5]

${\displaystyle Q_{S}=C_{d}\;A\;{\sqrt {2\;g\;H_{d}\;{\frac {T_{I}-T_{O}}{T_{I}}}}}}$

英語単位:

SI単位:

自然換気された空間の性能を測定する方法の 1 つは、室内空間での1 時間あたりの空気の入れ替え回数を測定することです。換気が効果的であるためには、屋外の空気と室内の空気が交換される必要があります。換気の有効性を測定する一般的な方法は、トレーサーガスを使用することです。^[6] 最初のステップは、空間内のすべての窓、ドア、開口部を閉じることです。次に、トレーサーガスを空気に追加します。参考文献である米国材料試験協会(ASTM) 規格 E741: トレーサーガス希釈による単一ゾーンの空気交換量の測定に関する標準試験方法では、この種の試験に使用できるトレーサーガスについて説明し、化学的特性、健康への影響、検出のしやすさに関する情報を提供しています。^[7] トレーサーガスを追加したら、混合ファンを使用してトレーサーガスを空間全体にできるだけ均一に分散させることができます。減衰試験を行うには、まずトレーサーガスの濃度が一定のときにトレーサーガスの濃度を測定します。次に窓とドアを開け、空間内のトレーサーガスの濃度を一定の時間間隔で測定し、トレーサーガスの減衰率を決定します。トレーサーガスの濃度の経時変化を見ることで、空気の流れを推測することができます。この試験方法の詳細については、ASTM規格E741を参照してください。^[7]

自然換気はファンによって消費される電気エネルギーを排除しますが、自然換気システムの総エネルギー消費量は、熱回収機能を備えた現代の機械換気システムのそれよりも高くなることがよくあります。典型的な現代の機械換気システムは、ファンの動作にわずか 2000 J/m ^{3しか使用せず、寒い天候では、}回収装置を使用して廃棄排気から新鮮な給気へ熱を伝達する形で、これよりもはるかに多くのエネルギーを回収できます。

換気による熱損失は次のように計算できます。

${\displaystyle \theta =C_{p}\cdot \rho \cdot \Delta T\cdot (1-\eta ).}$

どこ：

• ${\displaystyle \theta}$換気による熱損失はWで表されます
• ${\displaystyle C_{p}}$空気の比熱容量（約1000 J/(kg*K)）
• ${\displaystyle \rho}$空気の密度（約1.2 kg/m ³）
• ${\displaystyle \デルタT}$室内と屋外の温度差（Kまたは℃）
• ${\displaystyle \eta}$熱回収効率です（通常、熱回収ありの場合は約 0.8、熱回収装置を使用しない場合は 0）。

したがって、全体的なエネルギー効率の点で自然換気を上回るために熱回収機能を備えた機械換気に必要な屋内と屋外の空気の温度差は、次のように計算できます。

${\displaystyle \Delta T={\frac {SFP}{C_{p}\cdot \rho \cdot (1-\eta )}}}$

どこ：

^{SFPは、Pa、J/m 3}、またはW/(m ³ /s) 単位のファンの特定の電力です。

^{熱回収効率 80%、SFP 2000 J/m 3}の一般的な快適換気条件下では、次のようになります。

${\displaystyle \Delta T=2000/(1000*1.2*(1-0.8))=8.33[K]}$

屋内と屋外の平均絶対温度差が約 10K を超える気候では、機械換気よりも自然換気を選択することによるエネルギー節約の議論は疑問視される可能性があります。ただし、暖房エネルギーは電気よりも安価で環境に優しい可能性があることに留意する必要があります。これは、地域暖房が利用できる地域で特に当てはまります。

熱回収機能を備えた自然換気システムを開発するには、まず 2 つの固有の課題を解決する必要があります。

1. 非常に低い駆動圧力で効率的な熱回収を実現します。
2. 物理的または熱的に給気流と排気流を接続します。(スタック換気では通常、給気口と排気口をそれぞれ低く、高く配置しますが、風力による自然換気では通常、効率的な交差換気のために建物の反対側に開口部を配置します。)

熱回収を特徴とする自然換気システムの開発を目指した研究は、1993年にすでに行われており、シュルツら^[8]は、波形亜鉛メッキ鉄板で作られた大型の逆流熱交換器を使用して熱を回収しながら、煙突効果を利用する煙突型設計を提案し、テストしました。給気と排気は両方とも空調されていない屋根裏空間から行われ、排気空気は天井の高さで抽出され、空気は垂直ダクトを通じて床レベルで供給されました。

この装置は、一戸建て住宅に十分な換気空気量と、約40%の効率で熱回収ができることがわかった。しかし、この装置は実用的であるには大きすぎて重すぎ、熱回収効率も当時の機械システムと競合するには低すぎた。^[8]

その後の試みでは、圧力の潜在性が高いことから、風を主な駆動力として主に利用することになりました。しかし、これにより駆動圧力に大きな変動が生じるという問題が発生します。

換気スペースの屋根に設置された風力タワーを使用すると、小さなタワーの反対側に給気口と排気口を近づけて設置することができます。^{[9]これらのシステムでは、フィン付き}ヒートパイプが採用されることが多いですが、理論上の最大熱回収効率には限界があります。^[10]

排気と給気の間の間接的な熱接続を実現するために、液体結合ランアラウンドループもテストされています。これらのテストはある程度成功していますが、液体結合では、作動流体を循環させるためにエネルギーを消費する機械式ポンプが導入されます。^{[11] [12]}

市販されているソリューションの中には何年も前から提供されているものもありますが、^{[13] [14]}メーカーが主張する性能は、独立した科学的研究によってまだ検証されていません。これが、自然換気と高い熱回収効率を実現すると主張するこれらの市販製品が市場に影響を与えていないように見える理由かもしれません。

オーフス大学では現在、建物の床間の構造用コンクリートスラブに熱交換チューブを組み込むという、熱回収機能を備えた自然換気の根本的に新しいアプローチが開発されています。^[15]

換気率に関する基準については、米国ではASHRAE規格62.1-2010「許容可能な室内空気質のための換気」を参照してください。^[16] これらの要件は、「一戸建て住宅、地上3階建て以下の集合住宅、車両、航空機内の空間を除く、人が居住することを意図したすべての空間」を対象としています。^[16] 2010年の規格改訂では、セクション6.4が変更され、空間を自然に調整するシステムを備えるように設計されたほとんどの建物には、「[ASHRAE 62.1-2010の]換気率またはIAQ手順を満たすように設計された機械換気システムも含まれている必要がある」と指定されました。機械システムは、屋外の極端な気温、騒音、およびセキュリティ上の懸念のために窓が閉まっているときに使用されます。^[16]この規格では、自然に調整された建物に機械システムが必要ない2つの例外として、次の場合が規定されています。

• セクション6.4の要件に準拠する自然換気口は、恒久的に開いているか、予想される占有期間中に開口部が閉じられないようにする制御を備えているか、または
• このゾーンには暖房や冷房の設備はありません。

また、管轄当局は、機械的なシステムを持たず、自然システムのみに依存する空調システムの設計を許可することができる。^[16] 空調システムの制御をどのように設計すべきかについては、規格では「自然換気システムと機械換気システムの操作を適切に調整する」ための措置を考慮しなければならないと規定されている。^[16]

もう一つの参考文献は、ASHRAE規格62.2-2010「低層住宅の換気と許容室内空気質」です。 ^[17] これらの要件は、「プレハブ住宅やモジュラー住宅を含む、地上3階建て以下の一戸建て住宅および集合住宅」を対象としていますが、「ホテル、モーテル、老人ホーム、寮、刑務所などの一時的住宅」には適用されません。^[17]

換気率に関する基準については、米国では、ASHRAE規格 55-2010: 人間の居住環境に関する温熱環境条件を参照してください。^[18] 改訂を通じて、その適用範囲は現在明示されている目的、「空間内の居住者の大多数にとって許容できる温熱環境条件を生み出す、屋内温熱環境要因と個人的要因の組み合わせを指定すること」と一致しています。^[18] この規格は、ASHRAE 研究プロジェクト RP-884: 温熱快適性と嗜好の適応モデルの開発のフィールド スタディの結果を受けて 2004 年に改訂されました。この結果、自然空調空間と機械的空調空間では、居住者の温熱反応、衣服の変化、制御の可用性、居住者の期待の変化に関して違いがあることが示されました。^[19] この規格に追加された 5.3: 自然換気空間の許容できる温熱条件を決定するためのオプションの方法^[18]その結果、自然換気システムの設計がより実現可能となり、ASHRAEによって持続可能でエネルギー効率が高く、居住者に優しい設計をさらに進める方法として認められました。^[18]

ウィキメディア・コモンズには、建築における換気に関連するメディアがあります。

現在、自然換気に関する研究を行っている大学研究センター：

1. カリフォルニア大学バークレー校建築環境センター (CBE)。http://www.cbe.berkeley.edu/
2. ローレンス・バークレー国立研究所、カリフォルニア州バークレー。http://www.lbl.gov/
3. マサチューセッツ工科大学建築学部。http://architecture.mit.edu/building-technology/program/research-topics
4. オーストラリア、シドニー大学建築・デザイン・計画学部。https://web.archive.org/web/20111107120122/http://sydney.edu.au/architecture/research/research_archdessci.shtml

自然換気ガイドライン:

1. 建物全体の設計ガイド、国立建築科学研究所http://www.wbdg.org/resources/naturalventilation.php
2. 「医療現場における感染制御のための自然換気」、自然換気医療施設に関する世界保健機関の報告書（設計ガイドラインを含む）。http://whqlibdoc.who.int/publications/2009/9789241547857_eng.pdf