Natural Air Ventilation 自然換気

風力や温度差を利用する自然換気は、建物の省エネ性と快適性を高めます.効果的な自然換気を行うためには、風の流れを適切に計画することが必要です.

1. 換気の必要性

近年、省エネルギーの観点から建築物の高断熱・高気密化が進んできました. その反面、隙間による換気量(漏気量) 減少がシックハウス問題を引き起こす一因となっています.このような背景から、平成15年7月改正の建築基準法では居室への換気設備の設置が原則義務付けられることになりました.
同時に、ホルムアルデヒド発散材料の使用制限やクロルピリホス添加材料の使用禁止が定められています. そこで、建築基準法では居室部分の必要換気回数を0.3 回/hあるいは0.5 回/h以上とすることを定めています.空調設備による必要換気量は在室人数と換気量により、中央式空調設備では在室人数× 30㎥ /h、機械換気設備の場合で在室人数×20 ㎥ /hにて考えます( 表-1, 2 ).室内で発生する熱や日射による温度上昇、閉ざされた空間の圧迫感などは不快感につながります.汚染物質や熱の排出・空間の開放といった観点から、快適な空間を保つためにも換気の必要性に着目されるようになっています.


2. 自然換気と省エネ

一口に換気といっても、その方法は4 つに大別されます(図-1).なかでも、近年は省エネの観点から第四種換気(自然給気/ 自然排気)への関心が非常に高くなっています.
在室者がいる限り、室内空気質を維持するための換気は常時行わなければなりません.機械による換気では送風機を運転し続けることになります.日本は島国であり四季があります.建物の外部には、四季を通じて風が吹いています.特に春や秋と言った中間期と呼ばれる季節は心地良い風が吹いており、この風を利用して換気を行い快適な室内環境作り出すことが可能です.自然換気を行う時間帯では、空調や換気設備を止めておくことで搬送動力エネルギーを削減することができます.また、ナイトパージ※1 を代表とする外気冷房効果による空調立ち上り時の負荷低減も見込めます.自然換気を行うことにより、建築物の省エネ性が大きく向上します.



※1 ナイトーパージ(適温外気の積極的取入れ) 外気温度の低い夜間(空調時間外)にビルコンクリート躯体や居室に蓄積された熱を夜 の冷気で冷却することで冷房負荷を軽減し、省エネルギーを図る手法.

出典:一般財団法人 省エネルギーセンターホームページ


3. 自然換気の駆動力

自然換気は重力換気と風力換気に大別されます.重力換気は、下部より取り入れた冷たい空気が室内で暖められて軽くなり上部へと流れる上昇気流を利用した換気方式です.高さの差が大きいほど温度差も大きくなり、高い効果が得られます.上部と下部に給気口や換気口を設置する場合や、たてに長い換気口を設置する場合などに有効です(図-2).
一方、風力換気は風によって発生する圧力差( 静圧) を利用した換気方式です.風は圧力の高いところから低いところに向かって流れます.建物においては、風上側は正圧となり風下では負圧になります.この時、室内圧との圧力差が発生し換気口を通じて風が流れることになります.圧力差の発生する二つの面に対して適切な給排気口の配置と室内空気経路が必要です(図-3).
では、間仕切りなどを設けて室内換気経路の無い場合はどうなるのでしょう.従来の圧力差を利用した風力換気方式では風が流れないことになります.しかし、最近の研究によると、壁面に衝突した風は壁面に沿って流れる横風に変わることがわかってきました.その横風の運動エネルギーを利用できれば、圧力差に比べ効率は劣るものの、今まで諦めていた領域でも自然換気が可能になります.
自然換気では駆動力として重力と風の強さを利用します.年間を通じての平均的風向や風速(図-4)を元に風の出入口配置を計画しますが、自然の風は常に平均的に吹くわけではありません. 特に強風や突風に対する室内の安全性は課題となっています. 風速が高くない状態ではできる限り多くの風を取り入れたいが、風が強くなったときに書類が飛んだり、不快な風は入れたくない.建物が高くなるにつれ風速も高くなるためこのような状況が顕著に現れます.対策としては、ある風速以上の強風になると室内に入る空気の量を一定にする定風量機能などの風をコントロールする機構が必要となります.

表-1:呼吸のための必要換気量の目安 表-2:機械空調による換気回数の目安 図-1:換気の種類 図-2:重力換気 図-3:圧力換気
図-4:年平均風速と風配置