建築熱・空気環境 1【CT#02】

 ▶ 在室者による空気汚染対策

1. 新鮮外気の酸素濃度は【 21 】%、二酸化炭素濃度は【 350~400 】ppmと言われており、空気の密度はおよそ【 1.2 】kg/m³である。

※ 乾燥空気の主な組成は、ISO 2533:1975 Standard Atmosphereに示されている。その中で二酸化炭素（CO2）は、現在420 ppm（2023年、気象庁）まで上がっており、地球温暖化への対策が求められている。 成分 化学式 体積比割合 [vol%] 窒素 N2 78.084 酸素 O2 20.9476 アルゴン Ar 0.934 二酸化炭素 CO2 0.0314 (2023年：0.0420) ネオン Ne 1.818 × 10-3 ヘリウム He 524.0 × 10-6 クリプトン Kr 114.0 × 10-6 キセノン Xe 8.7 × 10-6 水素 H2 50.0 × 10-6 一酸化二窒素 N2O 50.0 × 10-6 メタン CH4 0.2 × 10-3 オゾン（夏季） O3 < 7.0 × 10-6 オゾン（冬季） O3 < 2.0 × 10-6 二酸化硫黄 SO2 < 0.1 × 10-3 二酸化窒素 NO2 < 2.0 × 10-6 ヨウ素 I2 < 1.0 × 10-6

2. 人からの二酸化炭素発生量は一般に【 20 】L/(h·人) ＝【 0.02 】m³/(h·人)であり、最低値として【 13 】L/(h·人)である。

※ 人体からのCO2発生量を下表に示す。一般に20 L/(h·人) = 0.020 m3/(h·人)であり、建築基準法では最小値である13 L/(h·人) = 0.013 m3/(h·人)を人体からのCO2発生量として必要換気量を計算している。 作業程度 CO2発生量 [m3/(h·人)] 安静時 0.0132 極軽作業 0.0132 ~ 0.0242 軽作業 0.0242 ~ 0.0352 中等作業 0.0352 ~ 0.0572 重作業 0.0572 ~ 0.0902

3. 在室者がある室で、CO₂濃度を在室者による空気汚染指標とした場合に、その許容濃度は【 1,000 】ppmであり、このための必要換気量は一般の場合【 30.8 】m³/h、建築基準法では【 20 】m³/hとされる。

※ この問題は、CO2の体積収支式を用いて在室者一人当たりの必要換気量を求める。① 一般の必要換気量（人体からのCO2発生量を20 L/(h·人) = 0.020 m3/(h·人)とする場合）と、② 建築基準法の必要換気量（人体からのCO2発生量を13 L/(h·人) = 0.013 m3/(h·人)とする場合）に分けて計算すると、以下のように在室者一人当たりの必要換気量が計算される。ただし、外気のCO2濃度は350 ppmとする。

① 一般の必要換気量（人体からのCO2発生量を20 L/(h·人) = 0.020 m3/(h·人)とする場合） \def\arraystretch{2.0}\begin{array}{cc}\begin{aligned} Q &= \frac{M}{(C_{\mathrm{i}}-C_{\mathrm{o}})}\\\ &=\frac{0.020}{(1,000-350) \times 10^{-6}} \\\ &=\frac{20,000}{650}\\\ &\approx 30.8 \; [\mathrm{m^{3}/(h \cdot 人)}]\end{aligned}\end{array} ② 建築基準法の必要換気量（人体からのCO2発生量を13 L/(h·人) = 0.013 m3/(h·人)とする場合） \def\arraystretch{2.0}\begin{array}{cc}\begin{aligned} Q &= \frac{M}{(C_{\mathrm{i}}-C_{\mathrm{o}})}\\\ &=\frac{0.013}{(1,000-350) \times 10^{-6}} \\\ &=\frac{13,000}{650}\\\ &= 20.0 \; [\mathrm{m^{3}/(h \cdot 人)}]\end{aligned}\end{array}

4. 天井高さ2.5 mで面積100 m²の教室に50人の生徒が居る場合に、室内CO₂濃度を1,500 ppm（学校環境衛生基準）に保つのに必要な換気回数はいくらとなるか？

※ この問題は、人体からのCO2発生量を20 L/(h·人) = 0.020 m3/(h·人)とし、CO2の体積収支式を用いて換気量を求めた上、必要な換気回数を計算する。 \def\arraystretch{2.0}\begin{array}{cc}\begin{aligned} Q &= \frac{M}{(C_{\mathrm{i}}-C_{\mathrm{o}})}\\\ &=\frac{0.02 \times 50}{(1,500-350) \times 10^{-6}} \\\ &\approx 869.57 \; [\mathrm{m^{3}/h}]\end{aligned}\end{array} \therefore \; N= \frac{869.57}{2.5 \times 100}=3.48 \; [\mathrm{回/h}]

※ 空気環境に関する「建築物環境衛生管理基準」と「学校環境衛生基準」の比較（学校環境衛生管理マニュアル「学校環境衛生基準」の理論と実践［平成30年度改訂版］） 検査項目 建築物環境衛生管理基準 学校環境衛生基準 浮遊粉じん 0.15 mg/m3以下 0.10 mg/m3以下 一酸化炭素 6 ppm以下 6 ppm以下 二酸化炭素 1,000 ppm以下 1,500 ppm以下 温度 (1) 18 °C以上、28 °C以下 (2) 居室における温度を外気の温度より低くする場合は、その差を著しくしないこと。 18 °C以上、28 °C以下 相対湿度 40％以上、70％以下 30％以上、80％以下 気流 0.5 m/秒以下 0.5 m/秒以下 ホルムアルデヒド 100 μg/m3以下 100 μg/m3以下

5. 外気の絶対湿度が0.01 kg/kg(DA)の条件で、500 m³/hで換気している室の絶対湿度が0.03 kg/kg(DA)であったとすると、この室の水蒸気発生量はいくらとなるか？

※ この問題は、下記に示す水分収支式を用いて計算する。 \def\arraystretch{2.0}\begin{array}{cc}\begin{aligned} Q & = \frac{m}{\rho(x_{\mathrm{i}}-x_{\mathrm{o}})} \\\ 500 &= \frac{m}{1.2\times(0.03-0.01)}\end{aligned}\end{array} \therefore \; m=12.00 \;[\mathrm{kg/h}]

6. 外気温度5 ºCの条件で600 m³/hの換気を行っている室の内部発熱が3 kWであった場合に、室温は何度となるか？但し、室は断熱条件とする。

※ この問題は、下記に示す熱収支式を用いて計算する。 \def\arraystretch{2.0}\begin{array}{cc}\begin{aligned} Q &= \frac{H}{c \rho(T_{\mathrm{i}}-T_{\mathrm{o}})} \\\ 600 &= \frac{3\times3,600}{1.0\times1.2\times(T_{\mathrm{i}}-5)}\end{aligned}\end{array} \therefore \; T_{\mathrm{i}}=20 \;[\mathrm{°C}]

[例題 1] 室の二酸化炭素濃度を1,000 ppmに維持するのに要する在室者一人当たりの必要換気量を求めなさい。ただし、外気の二酸化炭素を350 ppmとしなさい。

※ この問題は、CO2の体積収支式を用いて在室者一人当たりの必要換気量を求める。① 一般の必要換気量（人体からのCO2発生量を20 L/(h·人) = 0.020 m3/(h·人)とする場合）と、② 建築基準法の必要換気量（人体からのCO2発生量を13 L/(h·人) = 0.013 m3/(h·人)とする場合）に分けて計算すると、以下のように在室者一人当たりの必要換気量が計算される。

① 一般の必要換気量（人体からのCO2発生量を20 L/(h·人) = 0.020 m3/(h·人)とする場合） \def\arraystretch{2.0}\begin{array}{cc}\begin{aligned} Q &= \frac{M}{(C_{\mathrm{i}}-C_{\mathrm{o}})}\\\ &=\frac{0.020}{(1,000-350) \times 10^{-6}} \\\ &=\frac{20,000}{650}\\\ &\approx 30.8 \; [\mathrm{m^{3}/(h \cdot 人)}]\end{aligned}\end{array} ② 建築基準法の必要換気量（人体からのCO2発生量を13 L/(h·人) = 0.013 m3/(h·人)とする場合） \def\arraystretch{2.0}\begin{array}{cc}\begin{aligned} Q &= \frac{M}{(C_{\mathrm{i}}-C_{\mathrm{o}})}\\\ &=\frac{0.013}{(1,000-350) \times 10^{-6}} \\\ &=\frac{13,000}{650}\\\ &= 20.0 \; [\mathrm{m^{3}/(h \cdot 人)}]\end{aligned}\end{array}

[例題 2] 在室者のある室の二酸化炭素濃度が1,000 ppmであったとすると、このときの室の酸素濃度はいくらとなるか。ただし、外気のO₂濃度を21%としなさい。

※ この問題は、人体からのCO2発生量を20 L/(h·人) = 0.020 m3/(h·人)とし、体積収支式を用いて在室者一人当たりの必要換気量を求める。 \def\arraystretch{2.0}\begin{array}{cc}\begin{aligned} Q &= \frac{M}{(C_{\mathrm{i}}-C_{\mathrm{o}})}\\\ &=\frac{0.02}{(1,000-350) \times 10^{-6}} \\\ &\approx 30.8 \; [\mathrm{m^{3}/h}]\end{aligned}\end{array} その後、人体のO2摂取量を20 L/(h·人) = 0.020 m3/(h·人)とし、室の酸素濃度を計算する。 \def\arraystretch{2.0}\begin{array}{cc}\begin{aligned} C_{\mathrm{i}}' &= C_{\mathrm{o}}' + \frac{M'}{Q}\\\ &= 0.21 + \frac{-0.02}{30.8} \\\ &\approx 0.20935 \; [\mathrm{-}] \\\ &\approx 20.9 \; [\%]\end{aligned}\end{array}

[例題 3] 在室者のある室の酸素濃度が19%であったとすると、そのときの換気量と二酸化炭素濃度を求めなさい。ただし、外気のCO₂濃度を350 ppm、O₂濃度を21%としなさい。

※ この問題は、人体のO2摂取量を20 L/(h·人) = 0.020 m3/(h·人)とし、体積収支式を用いて換気量を求める。 \def\arraystretch{2.0}\begin{array}{cc}\begin{aligned} Q &= \frac{M'}{(C_{\mathrm{i}}'-C_{\mathrm{o}}')}\\\ &=\frac{-0.02}{(0.19-0.21)} \\\ &= 1.0 \; [\mathrm{m^{3}/h}]\end{aligned}\end{array} その後、人体のCO2発生量を20 L/(h·人) = 0.020 m3/(h·人)とし、室の二酸化炭素濃度を計算する。 \def\arraystretch{2.0}\begin{array}{cc}\begin{aligned} C_{\mathrm{i}} &= C_{\mathrm{o}}+\frac{M}{Q}\\\ &= 350 \times 10^{-6} + \frac{0.02}{1.0} \\\ &= 0.020350 \; [\mathrm{-}] \\\ &= 2.035 \; [\%] \end{aligned}\end{array}

[例題 4] 25 m³の室に4人の在室者がいるとき、室の二酸化炭素濃度を1,000 ppmに維持するのに要する換気回数はいくらとなるか。ただし、外気の二酸化炭素濃度を350 ppmとしなさい。

※ この問題は、人体からのCO2発生量を20 L/(h·人) = 0.020 m3/(h·人)とし、体積収支式を用いて換気量を求め、必要な換気回数を計算する。 \def\arraystretch{2.0}\begin{array}{cc}\begin{aligned} Q &= \frac{M}{(C_{\mathrm{i}}-C_{\mathrm{o}})}\\\ &=\frac{0.02 \times 4}{(1,000-350) \times 10^{-6}} \\\ &\approx 123.08 \; [\mathrm{m^{3}/h}]\end{aligned}\end{array} \therefore \; N= \frac{123.08}{25}=4.92 \; [\mathrm{回/h}]

[例題 5] 水蒸気発生量 mが0.6 kg/hの室を100 m³/hで換気した場合に、室の絶対湿度はいくらとなるか。ただし、外気の絶対湿度を0.005 kg/kg(DA)としなさい。

※ この問題は、下記に示す水分収支式を用いて計算する。 \def\arraystretch{2.0}\begin{array}{cc}\begin{aligned} Q & = \frac{m}{\rho(x_{\mathrm{i}}-x_{\mathrm{o}})} \\\ 100 &= \frac{0.6}{1.2\times(x_{\mathrm{i}}-0.005)}\end{aligned}\end{array} \therefore \; x_{\mathrm{i}}=0.01 \;[\mathrm{kg/kg(DA)}]

[例題 6] 6 kWの内部発熱のある室の温度を30 °Cに維持するために必要な換気量を求めなさい。ただし、室は断熱条件とし、外気温度を20 °Cとしなさい。

※ この問題は、下記に示す熱収支式を用いて計算する。 \def\arraystretch{2.0}\begin{array}{cc}\begin{aligned} Q &= \frac{H}{c \rho(T_{\mathrm{i}}-T_{\mathrm{o}})} \\\ &= \frac{6\times3,600}{1.0\times1.2\times(30-20)} \\\ &\approx 1,800 \; [\mathrm{m^{3}/h}]\end{aligned}\end{array}

Written by Sihwan Lee
[Associate Professor, Tokyo University of Science]