05 換気量の目安と計画試案 -Ventilation volume guidelines and planning drafts-
The English description is after the Japanese description.#english
①最近は在宅ワークも多くなってきたが、どうにも家では生産性が上がらない。部屋を整理したり、おもちゃを隠したり、気が散る原因は割と整理したが、やはり落ち着かない。。。。
②家族が感染症ウイルスに感染してしまった。。。
③掃除をした後はほこりが舞ってしまって、鼻がむずむずする。。。
良くあるような3つの状況。建築的な操作で改善できることがあります。
室内の「空気質」の悪化が、上記の様な状況の原因となっている場合があります。
「空気質」が原因の場合は「換気」で対処ができます。
そのために「窓を空けましょう」とよく言われますが、どの程度・どのくらいの時間、窓を開けなければならないのか分からない方が多いと思います。目安も無いのが実状ですが、特に冷暖房が聞いている部屋だと、窓を開けたくない場合もあると思います。そこで、どの程度窓を開けた方が良いかを提示してみたいと思います。整理すると下記の現状があります。
上記の3つの状況
→原因＝空気質の悪化
→対処法＝換気＝窓を開ける
→でも実際どのくらい空けて良いか不明
根拠となる計算は後に回すとして、平均的な2階建て住宅にお住まいの方向けには、以下の様な目安を提示したい。
①生産性を向上させるための換気目安は、１・２階の両方の掃き出し窓（ベランダの床までの窓）を仕事の間中、常に7㎝幅で開けておくこと。
②感染症対策のための換気目安は、１・２階の両方の掃き出し窓を、常に25㎝幅で開けておくこと。
③ほこりっぽい部屋の換気目安は、１・２階の両方の掃き出し窓を全開にして約8分開けること。
以下、計算等の根拠・目安をまとめておきます。特に自然換気量は外部条件にも大きく影響を受けるので、平均的と思われる事例を元にした計算であり、実状とは異なる場合があることを承知ください。
〈換気量に関する基準・目安〉
まずは前提として、現在存在している（換気に関する）基準や目安について、わかる範囲で列挙すると以下の通り。
A）建築基準法で定める居室の換気回数：0.5回/h以上（シックハウス対策のために必要な換気量。）
B）建築基準法で定める居室の換気量：20m3/h・人（※成人男子が静かに座っている時のCO2排出量に基づいた必要換気量）
C）厚生労働省がコロナ対策で推奨している換気回数は、2回/時以上。換気量は30m3/h・人。（※1）
D）ASHRAE基準：20cfm/m・人（34m3/h・人）
E）WELL認証：26cfm/m・人（44m3/h・人）（※2：ASHRAE基準の30%以上として）
F）「Healthy Building」で推奨の換気量：30cfm/m・人（51m3/h・人）（※2）
G）認知機能と換気による生産性向上の経済効果を推計した論文における推奨換気量：40cfm/m・人（68m3/h・人）（※3）
〈換気をする場合の状況と目的の整理〉
公共建築など大型施設の場合、機械換気であることが多く、上記のビル管法などの基準に従い、換気量を設定・計画する。最近では省エネのために自然換気を取り入れた大規模施設の計画もあるが、その場合は機械設備設計の専門家にお願いする必要がある。一方で住宅や小規模施設に関する換気計画をここでは考えてみたい。
自然換気計画の悩ましいポイントは、外部風速や室内外気温による換気量変動が大きいことである。一方で、風速や換気量が大きすぎても、不快になったり、エネルギー効率が悪化（暖房・冷房等による電気使用量の増加）したりするため、適切な目標設定が必要である。
風・換気が欲しいタイミングは、①夏場にエアコンを付けるまでもないが多少暑いという状況か、②ウイルス感染症等対策のため、③掃除後の空気の入れ替えやニオイが発生する場合に換気が必要な時であると想定する。また、生産性を向上（ぼーっとしない様に）するためには十分な新鮮空気が必要とも言われており、それを④生産性向上のためとして、これら４パターンを考えてみる。前提条件として、2階建て住宅、6人居住とする。各パターンに対して、どのようにしたら目標換気量を達成できるか、様々な方法で検討し、その検討の成否も記す。
①〈夏場の通風〉
この場合、「換気」が欲しいのではなく、穏やかな「自然通風」が欲しいと整理できる。そのため、換気量を確保する目的ではなく、体感温度を下げることが目的なので、風（＝風速）を求めていると、整理できる。換気量とは少しテーマが異なるため、「快適な風速」については、後項で考えてみたい。
②〈ウイルス対策を行う場合〉
厚労省推奨基準の2回/hの換気量を目標とする。
検討例①：（基準・目安-Aに準拠する場合）建築基準法で定める24時間換気（0.5回/h）のみで換気する場合、1時間で部屋の半分の空気しか入れ替えができていない。つまり、基準法のシックハウス対策（24時間換気）のみでは、ウイルス対策には不十分であることが分かる。
検討例②：（基準・目安-Bに準拠する場合）自然換気可能なように、窓を2か所設け、建築基準法の最低限の換気量（20m3/h・人）を確保する場合、この住宅では20×6=120m3/h。120/300=0.4回/hとなり、24時間換気と合わせても、0.9回/hである。つまり、基準法に準拠するのみの換気量では、ウイルス対策には不十分であることが分かる。
検討例③：（重力換気で必要換気量を確保する場合）開口部を常時開放して、目標換気量を確保するための換気計画を考えてみる。温度差換気（※この場合、給気部の外構を日陰にするなど、常時外気よりも低い温度に保つ計画も必要である。）を用いる場合、以下の条件で住宅を計画することで確保できる。
条件として、室内上下温度差4℃、１・２階一体型換気確保可能なプラン（300m3）、1階開口部：4m2、2階開口部：2m2とする。その場合、24時間換気をONにしている前提で、給排気口共に0.5m2を常時開放するとウイルス対策の基準を満たすことができる。
計算結果は、割と現実的な数字となった。例えば、床までの引違い戸（H=2m）であれば、25cmほど開けておくことで、厚労省の推奨基準を満たすことができる。
③〈掃除後などの場合〉
掃除中（前）の換気はほこりが舞い上がってしまうので、掃除後に舞い上がっているほこりを追い出す場合や、ニオイの発生を伴う作業を行った場合には、極力早く空気を入れ替えたいと思う。換気計画としてに言い換えると、意図したタイミングで極力大きな換気量を獲得することを目的として計画してみる。前検討の通り24時間換気は、シックハウス以外に期待するのはNGのため、省略。
検討例①：（基準・目安-Bに準拠する場合）自然換気可能なように、窓を2か所設け、建築基準法の最低限の換気量（20m3/h・人）を確保する場合、この住宅では20×6=120m3/h。120/300=0.4回/hとなり、24時間換気と合わせても、0.9回/hであるため、1時間たっても室全体の空気の入れ替えができていないため、通常、換気に1時間も待てる人も少ないかと思われるため、不十分であると言える。
検討例②：（重力換気で必要換気量を確保する場合）日常の換気の目安とされる5～10分の換気（※4）で十分な換気が確保できるように住宅を計画してみる。
条件として、室内上下温度差4℃、１・２階一体型換気確保可能なプラン（300m3）、1階開口部：4m2、2階開口部：2m2とする。その場合、給排気口共に1m2を常時開放すると約8分で住宅内全ての空気を入れ替えることができる。（＝7.5回/hの換気能力。）
開口部が引き違い戸（窓）であった場合、その戸（窓）を全開にすると、可能となり、条件を満たすことができる。
④〈生産性向上のための換気量を確保する場合〉
目標換気量＝68×6=408m3/h=1.36回/h（※基準・目安-Gが目標となる。）
検討例①：温度差換気で考えてみると、上述の通り7.5回/h程度の換気は確保できるため、1.36回/h換気は十分に確保できる。ウイルス対策と同様の常時開放ができれば、一応、目標値を満たすことはできる。
ただし、中間期であれば問題ないが、夏・冬に常時開放は難しい。ウイルスや掃除時だけであれば、夏冬でも、その時だけだからと、常時開放も我慢できるとしても、日常的に常時開放は難しいかもしれない。
検討例②：夏冬の空調を付けている場合、自然換気量が大きくなるにつれて、空調に係るエネルギーロスが大きくなるデメリットがある。このような場合、給排気ともに機械換気を導入することも選択肢となる。メリットは目標とする適切な換気量を確実に確保できることと、全熱交換器を使用して、換気に伴う空調負荷のエネルギーロスを減らすことができる点である。デメリットやコストがかかることであるが、案件ごとの特性・要望等に応じての検討となる。
※1）厚生労働省HP：https://www.mhlw.go.jp/stf/newpage_15102.html
※2）Joseph G. Allen & John D. Macomber (2020) Healthy buildings. the President and Fellows of Harvard College.
※3）P. MacNaughton et al., “Economic, Environmental and Health Implications of Enhanced Ventilation in Office Buildings,” International Journal of Environmental Research and Public Health 12, no. 11 (2015): 14709-14722.
※4）ダイキンHP：https://www.daikin.co.jp/air/life/ventilation
Ventilation volume guidelines and planning drafts
(1) I have been working from home more and more recently, but I can’t seem to be productive at home. I can’t sort out the causes of my distractions rather well, and I don’t know what causes I can think of…..
(2) A family member has contracted an infectious disease virus…..
(3) After cleaning, dust has been blown around and my nose is itchy…..
In fact, the cause in these cases may be the ‘air quality’ in the room. And if the cause is ‘air quality’, it can often be dealt with by ‘ventilation’, and for this reason people are sometimes told to ‘open the windows’. On the other hand, there are no guidelines as to how much windows should be opened and kept open. Especially if the room is air-conditioned, you will want to open the window at least as much as possible. In other words, you are likely to fall into the following cycle.
The above three situations → Cause = air quality → Remedy = ventilation = open windows → But it is unclear how much to actually leave open.
We will leave the underlying calculations for later, but for those living in an average two-storey house, we would like to offer the following guidelines.
(1) The ventilation guideline for improving productivity is to keep both first- and second-floor sweep windows open at 7 cm wide at all times throughout the working day.
(2) The ventilation guideline for preventing infections is to keep both first and second floor sweep windows open at 25 cm wide at all times.
(3) The standard ventilation guideline for dusty rooms is to open both first and second floor sweepers fully for approximately 8 minutes.
The following is a summary of the basis and guidelines for calculations and other information. Please note that the calculations are based on examples that are considered average and may differ from actual conditions, especially as natural ventilation rates are greatly influenced by external conditions.
Standards and guidelines on ventilation levels
First of all, as a prerequisite, the following is a list of currently existing (ventilation-related) standards and guidelines, as far as they are known.
(A) Ventilation frequency in living rooms as specified by the Building Standard Law: 0.5 times/h or more (ventilation required to prevent sick building syndrome.)
(B) Ventilation volume in living rooms as specified by the Building Standard Law: 20 m3/h/person (*Required ventilation volume based on CO2 emissions when an adult male is sitting quietly.)
(C) Ventilation frequency recommended by the Ministry of Health, Labour and Welfare for corona control: 2 times/hour or more. The ventilation rate is 30 m3/h/person. (*1)
(D) ASHRAE standard: 20 cfm/m/person (34 m3/h/person).
(E) WELL certification: 26 cfm/m-person (44 m3/h-person) (*2: as 30% above ASHRAE standard).
(F) Ventilation recommended for ‘Healthy Building’: 30 cfm/m-person (51 m3/h-person) (*2)
(G) Recommended ventilation in a paper estimating the economic benefits of cognitive function and productivity gains from ventilation: 40 cfm/m person (68 m3/h person) (*3)
Arrangement of the situation and purpose of ventilation when ventilation is used
Large facilities such as public buildings are often mechanically ventilated, and ventilation levels should be set and planned in accordance with the Building Pipe Law and other standards mentioned above. Recently, some large-scale facilities have been planned to incorporate natural ventilation to save energy, but in such cases it is necessary to ask a specialist in mechanical equipment design. On the other hand, ventilation plans relating to housing and small-scale facilities are considered here.
A distressing point in natural ventilation planning is the large fluctuations in ventilation volumes due to external wind speeds and indoor and outdoor temperatures. On the other hand, if the wind speed or ventilation volume is too large, it can be uncomfortable and energy efficiency can deteriorate (increased electricity consumption due to heating/cooling etc.), so appropriate targets need to be set.
It is assumed that the timing when wind/ventilation is required is (1) in summer when it is somewhat hot, although it is not necessary to turn on air conditioning, (2) to prevent viral infections, etc., or (3) when ventilation is necessary to change the air after cleaning or when odours are generated. It is also said that sufficient fresh air is necessary to improve productivity (so that people do not feel faint), so let us consider these four patterns as (4) for improving productivity. Assumptions include a two-storey house with six occupants. For each pattern, we will consider how to achieve the target ventilation levels using various methods, and also note the success or failure of these considerations.
(1) Draft ventilation in summer.
In this case, it can be organised that the building does not want “ventilation”, but rather gentle “natural ventilation”. Therefore, it can be organised that the objective is not to secure the amount of ventilation, but to lower the temperature of the body, so wind (i.e. wind speed) is sought. As the theme is slightly different from that of ventilation volume, ‘comfortable wind speed’ will be considered in a later section.
(2) In the case of anti-virus measures
Aim for a ventilation rate of 2 times/h, which is the standard recommended by the Ministry of Health, Labour and Welfare.
Example of consideration (1): (When complying with the standard/guideline – A) When ventilating only with the 24-hour ventilation (0.5 times/h) specified in the Building Standard Law, only half of the air in the room is replaced in one hour. This means that the sick house measures (24-hour ventilation) in the Standard Law alone are insufficient to prevent viruses.
Study example 2: (When complying with Standard/Guideline – B) If two windows are provided to allow natural ventilation and the minimum ventilation rate of the Building Standard Law (20 m3/h/person) is ensured, 20×6 = 120 m3/h in this house. 120/300 = 0.4 times/h, which, together with 24-hour ventilation, is 0.9 times/h. . This means that the ventilation volume only in compliance with the Standard Law is insufficient to prevent viruses.
Study example 3: (When securing the required ventilation volume by gravity ventilation) Consider a ventilation plan to secure the target ventilation volume by keeping the openings open at all times. Temperature differential ventilation (*In this case, it is also necessary to plan to keep the temperature lower than the outside air at all times, e.g. by shading the exterior of the air supply area). can be ensured by planning the house under the following conditions.
The conditions are as follows: indoor vertical temperature difference of 4°C, a plan that can ensure integrated ventilation of the first and second floors (300 m3), openings on the first floor: 4 m2, openings on the second floor: 2 m2. In this case, assuming that 24-hour ventilation is switched on, 0.5 m2 of both air supply and exhaust vents can be opened at any time to meet the standards for antivirus protection.
The calculation results show a rather realistic figure. For example, if a sliding door (H=2m) is up to the floor, it is possible to meet the MHLW’s recommended standard by opening it by 25 cm.
(3) After cleaning in the room
Ventilation during (before) cleaning causes dust to fly up, so if dust that is flying up is expelled after cleaning, or if work has been carried out that involves the generation of odours, the air should be replaced as quickly as possible. Rephrased as a ventilation plan, the aim of the plan is to try to obtain as large a ventilation volume as possible at the intended timing. As per the previous study, 24-hour ventilation is omitted because it is not to be expected except for sick building.
Example 1: (In accordance with Standard/Guideline-B) If two windows are provided to allow natural ventilation and the minimum ventilation volume (20 m3/h/person) of the Building Standard Law is secured, 20×6 = 120 m3/h in this house. 120/300 = 0.4 times/h, which is 0.9 times/h when combined with 24-hour ventilation. Therefore, even after one hour, the air in the entire room has not been replaced, which is inadequate, as few people would normally be able to wait an hour for ventilation.
Example 2: (When securing the required ventilation volume by gravity ventilation) Plan the house so that sufficient ventilation can be secured with 5-10 minutes of ventilation (*4), which is considered to be the standard for daily ventilation.
The conditions are as follows: indoor vertical temperature difference of 4°C, a plan that can ensure integrated ventilation of the first and second floors (300 m3), openings on the first floor: 4 m2, openings on the second floor: 2 m2. In this case, if 1 m2 of both air supply and exhaust vents are opened at any time, all the air in the house can be replaced in approximately 8 minutes. (= ventilation capacity of 7.5 times/h.)
If the opening is a sliding door (window), fully opening the door (window) makes it possible and fulfils the condition.
(4)When the ventilation volume is to be secured to improve productivity
Target ventilation volume = 68×6 = 408 m3/h = 1.36 times/h (*Standard/guideline – G is the target.)
Example 1: Considering temperature difference ventilation, 1.36 times/h ventilation can be secured sufficiently, as 7.5 times/h ventilation can be secured as described above. If the room can be opened at all times, as in the case of virus countermeasures, the target value can be met in one way or another.
However, while this is not a problem in the middle of the year, constant opening in summer and winter is difficult. If it is only during viruses or cleaning, it may be difficult to open the air conditioning constantly on a daily basis, even if it can be tolerated in summer and winter because it is only at that time.
Example 2: If air conditioning is installed in summer and winter, there is a disadvantage that as the amount of natural ventilation increases, the energy loss associated with air conditioning increases. In such cases, introducing mechanical ventilation for both supply and exhaust air is an option. The advantages are that the targeted adequate ventilation volume can be ensured and the energy losses in the air-conditioning load associated with ventilation can be reduced by using a total heat exchanger. The disadvantages and costs are that they are more expensive, but this is a consideration that depends on the characteristics and requirements of each project.