高断熱高気密住宅の難しさ

長年仕事で暮らした長野県塩尻市から 東京都世田谷区の自宅に戻れることになったものの、 高齢の親の介護と看取りも塩尻でせざるをえなかったため、親も居なくなって 長年無人になってしまった自宅は廃虚と化して人が住める状態ではなく、 建て替えしかありません。

私自身は自宅を建てた経験がないのですが、 省エネルギと機能性重視で、 高断熱高気密住宅の第1種機械換気と エアコンによる集中冷暖房で割り切ることにしました。

空調(air conditioning)には実に多くの手法があって、 それぞれ一長一短ですが、選択したのは下記の手法です。

停電したら終りですが、換気システム停止の警報は バッテリバックアップの CO2 監視装置に頼ることにして、 東京ですから冬期なら衣類と寝具、 停電時換気は窓開放で対処と割り切りました。 全熱交換の換気だと空気中の水蒸気の冷却加熱のエネルギが大幅に減りますから、 ランニングコストを気にせずに、冷暖房をエアコンだけでも賄えます。

住宅自体の設計施工は難しくなりますが、 この方向で技術開発を行っている工務店もあって、 そのうち一社にお願いすることにしました。

結果としては、最大消費電力 1.5 kW のエアコン1台で 2階建て述べ床面積 190 m^2 の家屋の冷暖房ができて(注1)、 年間と通して不快指数(Temperature-Humidity Index) 65〜70 を維持できますから、 住み心地は非常によく感じます。 ただし、冬期の加湿器と夏期の除湿器は必要で、 これらの組み合わせで人間より敏感なピアノの 調律とアクションは非常に安定します。

しかし、実際に暮らして見ると、高断熱高気密住宅の難しさもあって、 家屋の建築技術に比べて建築法規や住宅設備が遅れていると思いますし、 高気密住宅では部屋毎の CO2 濃度センサの設置が必須 といった問題にさえ気づかずに暮らしている人も多いようですから、 ここでは、住み始めてから痛感した課題のいくつかに触れてみたいと思います。

以下、

といった経験談になります。

1. 換気の難しさ

前記の方式だと、住宅の換気系は下記の構造になります。 利点は外気の取り入れ口にかなり厳重なフィルタを設置できることで、 花粉時期の暮らしは非常に楽になります。 PM2.5 等の微粒子もかなり捕捉できます。

                  +<- エアコン <- 小屋裏空間 <- 階段、廊下など
  外気 -> 熱交換ユニット ->+-> 給気ダクト -> 給気グリル -> 居室 
          \/      +-> 給気ダクト -> 給気グリル -> 居室 
          /\      +-> ..
  外気 <- 熱交換ユニット <-+<- 排気ダクト <- 排気グリル <- 居室 
                  +<- 排気ダクト <- 排気グリル <- 居室 
                  +<- ..

1図 CO2 環流がある換気系

全熱交換ユニットとエアコンは小屋裏(2階と屋根の間の空間)に置かれていて、 エアコンは1、2階の玄関、廊下、階段、リビング、キッチン、洗面、バスなどから 小屋裏に流入した空気を熱交換ユニット経由で取り込んだ外気と一緒に 給気ダクトを通って居室に戻します。

給気ダクトと排気ダクトはドアで仕切られた居室毎に最低一組は必要で、 先端に開度調整可能なグリルが付いていて、 若干の風量調整はできます。

空気の比熱が小さいため、 冷暖房に必要な風量が換気に必要な風量の 4 倍程度になって、 居室内で発生した CO2 は一部が排気ダクト経由で外気に戻り、 その 4 倍程度はドアのアンダーカットなどの隙間から、 廊下、階段を通ってエアコンの吸入口に戻って、 家屋全域に広がります。

このエアコンによる CO2 の環流により 居室から見た新鮮空気の CO2 濃度が外気より高くなって、 換気風量を増やさざるをえなくなるのですが、 この問題を回避する方法がありません。 (注2)

2 年弱の居住経験でわかってきた高断熱高気密住宅の換気の難しさは、

にあります。

まず頭に入れておかなければならないことは、 窓を開けない限り、外気の入口は熱交換ユニットしかなくて、 この住宅では常時 260 m^3/h の外気を屋内に取り込みます。 (注3)

収容人員の一時的増加などによる CO2 急増対策として、 一時的に 300 m^3/h に増加することもできますが、 15 % の増加にしかなりません。 住人 3 人に 1 人来客があれば CO2 発生量は 33 % 増加します。

また、この家屋の相当隙間面積 (C) は 0.25 cm^2/m^2 ですから、 隙間からの流入は期待できません。

一方、必要な換気風量は定常状態で下記のようになります。

  Q = M / (K - K0)                                    (1)
  ここに、
	Q = 換気量 (m^3/h)
	M = CO2 発生量 (m^3/h)
	K = 室内の汚染濃度 (m^3/m^3) .. ppm なら 1e-6 倍)
	K0 = 導入空気の汚染濃度 (m^3/m^3) .. ppm なら 1e-6 倍)
室内の汚染濃度 K は 1,000 ppm 以下にするのが建築基準法の原則ですが、 他の法律も同様で、国際的な基準になっています。 (注4)

導入空気の汚染濃度 K0 は外気にエアコン環流 CO2 が加わった値ですが、 多くの規則で大気の平均的な CO2 濃度である 400 ppm が使われています。 私が以前暮らしていた長野県塩尻市の住宅街と農地の境界あたりとか、 子供の一人が暮らす横浜市神奈川区の比較的海に近い場所では 400 ppm でした。

しかし、この住宅がある東京都世田谷区の住宅地(小田急線豪徳寺駅近く)だと、 幹線道路もないのに、外気 CO2 濃度は 500 ppm 前後が普通で、 無風状態だと 700 ppm に達することがあって、驚きます。 こういうときは寝苦しかったり、かなり換気系の調整をしても、 エアコンが止まると CO2 センサの警報で起こされることもあります。 屋外 CO2 濃度は風向きと風速の影響が大きいようで、 冬期だと 400 ppm を僅かに下回ることもあって、 こういう時だけは爽快です。 (注5)

1図の換気系では発生した CO2 の一部が発生源に環流しますから、 見掛け上の外気 CO2 濃度が増加し、 発生した CO2 の排気速度の低下と定常濃度の増加を生じます。 今までの経験だと、住人 2 人でも、 見掛け上の外気 CO2 濃度増加率は 20 % を超えるようです。

CO2 発生量 M については、例えば、空気調和・衛生工学会規格(HASS 102-1996)だと

  作業程度  CO2 発生量(m^3/(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

といった目安がありますが、 この値は外気と室内の CO2 濃度実測値を元に (1) 式から計算した M とよく合います。

この住宅で暮らせる人数、つまり、許容人員は、 家庭ですから重作業はしないことにして、CO2 発生量が 0.04 m^3/h/人なら、 外気 CO2 濃度 400 ppm で 260 m^3/h の換気量で 4 人、 外気 CO2 濃度 600 ppm だと 2.6 人に減ってしまいます。

軽作業で 0.03 m^3/h なら 33 % の余裕ができますから、 目安としては 4 人なら家屋全体としては間に合うことになります。 さらに人が増えれば窓を開けるしかありませんが、 花粉や埃が入ってきます。

以上が建築基準法が対象とする「家屋全体の換気」ですが、 実際に住んでみると、これでは済まなくなります。 換気は部屋毎に条件が違うのです。 建築基準法が要求する「家屋全体として 1000 ppm を確保」しても、 個々の部屋となると問題が出ます。

2. 給排気風量配分の難しさ

建築基準法の 2 時間で家屋内空気を入れ換えるという規則で、 住宅全体として必要な CO2 濃度は確保できるのですが、 個々の部屋を考えると、それだけでは済みません。 この問題は塩尻市の 2x4 借家住宅時代にも遭遇したことがあって、 そこで使っていた CO2 濃度計を引っ越し荷物に入れてきました。

そして、夫婦 2 人が引っ越してまもなく、 CO2 濃度計をリビングに置いていたのですが、 来客でリビングが 4 人なってまもなく、 CO2 濃度計が 1000 ppm 警報を出しました。 リビングにはドアがなく、廊下やキッチンに開放されていますし、 この時間はキッチンを使っていません。 このときは、換気風量を 15 % 増やして、 しばらくしたら 1000 ppm を僅かに切ることができました。

こうなるとドアで仕切られた狭い寝室(22〜25 m^3)はかなり危険だと気づいて、 CO2 濃度計を寝室に移動してみると、 寝ていくらもしないうちに 1000 ppm を超えて、 警報で寝られなくなります。 これで、真面目に調べるしかなくなりました。

まず、居室時間が長い部屋と屋外、 エアコンと換気システムがある小屋裏のすべてに CO2 センサを設置して、 24 時間連続稼働のサーバーで CO2 濃度を測定し、 その変動を 10 分間隔で記録できるようにしました。 (注6)

やってみて解ったのが、

でした。

CO2 は FTIR (Fourier transform infrared spectrometer - 赤外分光光度計) で分析の障害になる分子ですし、 この分析機器と本質的と同じ方法で測定するわけですから、 人の存在と活動状況に極めて敏感に反応し、 熟睡から目覚めた後、ちょっとしたストレッチをする程度でも、 明瞭にわかります。

当初は給気と排気の風量を測定しながら、 ダクト末端のグリル開度調整を行えばよいだろうと思ったのですが、 部屋毎の CO2 濃度は住人と生活様式の違いで全く変わってくる上に、 エアコンの運転状況による大きな外乱があって、 しかも、エアコンは負荷に応じて送風量が変化し、 止まってしまう場合さえあるという始末ですから、 全居住空間の CO2 濃度を 24 時間監視、記録し、 その変化を見ながら、調整を繰り返すしかありません。

この調整を数ヵ月続けて、 この住宅では住人 2 人ならほぼ完全に対応できるようになったのですが、 熱交換ユニットの換気風量だけでは 1000 ppm を確保できず、 寝室についてはエアコンの送風量を増やして、 ドアの隙間から CO2 を他の部屋に追い出すことで対応しています。 ただ、エアコンの風量を増やすと、 寝室内部の風速が増加して喉を痛めるなどの健康障害が出ますから、 ベッドの配置を工夫して、 必要最小限の風量を見出すしかありません。 寝室のドアを開放すれば問題解決ですが、 個室の意味がなくなります。

また、停電を考えると、 バッテリバックアップ可能で音響警報機能のある CO2 濃度計が必須です。

3. 真の解決手段

CO2 の発生源は動物の存在と活動で、 居場所と活動状況によって変化し、 外気の供給量が限られている以上、 最も無駄が少ない換気方法は、 換気を必要とする CO2 の発生場所の換気量だけを増やす on demand 換気です。

エネルギ消費から見たら、 屋内で発生する CO2 を屋外に排出するために必要な最低限の換気量にすべきですが、 CO2 の発生場所は住人の居場所によって変化します。 どこに居ても良いような多量の換気は無駄ですから、 住人の居場所だけを重点的に換気すればよいわけ3です。

この実現に必要な手段は、 CO2 センサ、リモート制御可能なシャッタやダンパー、コンピュータだけで、 今では、これらの全てが極めて安価に作れます。

これで換気量を極限まで減らすことができて、 しかも国家レベルでは莫大な電力削減ができます。

ただ、政治家も官僚も、 自分で勉強しないし、 自分の利権にならないことには興味がない。 その彼らに奉仕することで生活の糧を得る御用学者も同様。

続く

平林 浩一, 2017-10-03

注1 - エアコンの電力消費量

2016/10〜2017/09 までの年間電力量は 3,364 kWh でした。 現時点の電力単価は東京ガスで 27.0 円/kWh ですから、 電力料金は年間 90,700 円程度になります。 季節変動は次ぎのとおりで、冬期の暖房より夏期の冷房負荷が大きくなります。 夏期の湿度が高いのが原因でしょうか。 エアコンのドレインからは多量の水が排出されます。

月    1     2     3     4     5     6     7     8     9    10    11    12
---------------------------------------------------------------------------
kWh 372.7 272.9 265.6 108.9 174.2 173.8 600.9 508.3 264.1 193.6 180.0 249.7

なお、換気系全体としては全熱交換気の電力 74.5 kW が常時稼働していて、 年間 653 kWh になります。

注2 - 排気の環流があるシステム

2図 CO2 環流のある換気系

  a = 屋内 CO2 発生量 (m^3/h)
  V = 屋内気積(空気容積) (m^3)
  b = 換気量 (m^3/h) .. 換気系による屋内空気排出量 = 換気系による屋外空気吸気量
  k = CO2 移行率  (0 <= k <= 1)
    = CO2 環流量 / 換気量 .. JIS B 8628 の二酸化炭素移行率
  C(t) = 時刻 t に於ける屋内 CO2 量 (m^3) .. C(t)/V が屋内 CO2 濃度
  dt = 時間微分 (s)
とすると、この系の C(t) は単純な1次線形微分方程式
  dC(t)/dt + (1 - k) * b / V * C(t) = a                     (1)
で表現できて、
  C(t) = C1 + C0 * exp(-t / T)                              (2)
  ここに、
	C0 = 初期条件 (m^3)
	C1 = 定常状態 (m^3)
	   = a * T                                          (3)
	T = 時定数
	T = V / ((1 - k) * b
ですから、(3) 式を変形して
  C1 / V - a * k / (1 - k) = a / b                          (4)
と書き換えると、 外気の CO2 濃度が a * k / (1 - k) だけ増加したのと同等の効果になることがわかります。

この家屋での実測では、k = 0.35 〜 0.45 程度になるようです。 この中には熱交換ユニットの CO2 移行率 0.06 が含まれています。 熱交換ユニット自体は給排気間の熱エネルギと水蒸気を交換するものですが、 CO2 も一部交換されてしまいます。

注3 - 260 m^3/h になった理由

この数値は建築基準法で「有効換気量が住宅の居室容積の 0.5 倍 (m^3/h)」 を義務つけているためと思われます。 計算してみると、この家屋の気積が 523 m^3 ですから、 256 m^3/h 以上の換気量を要求されることになります。 有効換気量ですから CO2 環流分を引かなければなりませんが、 そこまでは考慮しないようです。

この有効換気量規定は外気 CO2 濃度を 400 ppm で室内 CO2 汚染 1000 ppm を確保できる換気量を (1) 式から求めたようですが、 この「2 時間に 1 回居室の空気を入れ換えればよい」という規定 を狭い寝室に適用すると、 安静時に必要な換気量さえ満たせなくなりますから、 とんでもないことになります。 それでも、現在の審査はこの基準で行われているようで、 この住宅でも、 寝室の換気量設計値は1000 ppm 確保に必要な風量の 1/2 程度になっていました。

これは建築基準法の重大な欠陥で、目的である CO2 濃度を規定するのでなく、 手段の一つでしかない換気量を規定するという馬鹿な規則になっているわけですが、 役人と御用学者は頭脳を持つのは自分たちだけと考えるようで、 天下り先が関係したりすると、 よく、こういった悪質な規則を作ります。

注4 - CO2 の管理基準

アメリカの ASHRAE (American Society of Heating and Air-Conditioning Engineers - 暖房冷凍空調学会) や OSHA (Occupational Safety and Health Administration - 労働安全衛生管理局) など 1000 ppm を閾値にしている規格が多いのですが、 敏感な人だと 600〜1000 ppm で空気の淀みを感じ、 1000〜2500 ppm になると眠け集中力低下が始まります。 2500〜5000 ppm になると健康への影響が顕著になりますが、 5000〜10000 ppm で 8 時間、30000 ppm で 15 分ぐらいは耐えられるようです。 30000〜40000 ppm で呼吸や脈拍数の増加や吐き気の中毒症状が出て、 50000 ppm で視力障害が加わり、 100000 ppm で意識不明から死亡といった調査があるようですが、 換気不足なら、それ以前に酸素欠乏で楽に死ねると思います。 高気密住宅が自殺手段の一つとして認知させることになるかもしれません。

注5 - 外気 CO2 濃度の変動

過去 2 年近くの観測結果では、 屋外 CO2 濃度が風速に大きく依存することがわかりました。 高気圧に覆われて無風状態が続くと屋外 CO2 濃度は大幅に上昇するのです。 これは、風による空気の流れが 東京都世田谷区という広さのレベルでの換気を行っているということで、 季節風の強い冬期で CO2 が下がり、 他の季節では上昇します。 また、炊事などの影響かと思いますが、 夕方には高くなるという日単位の周期変動もあります。

将来の気候変動や都市計画などの住宅環境の変化によっては、 家屋自体の酸素吸入といった SF 的世界が出現する可能性もあります。

注6 - CO2 濃度の監視

当初から住宅の省エネルギを最重点にしたため、 エネルギ計測手段が必要で、 個別 ON/OFF 可能でコンピュータ制御もできる照明器具と窓シャッタ、 コンピュータによる全配電回路の電力、電圧、電流、位相と、 水道、都市ガスの流量計測、 屋外、屋内の気象データ収集、 照明や窓シャッタなどの制御を行うための小さなサーバーを動かしていましたので、 使いやすい CO2 センサが見つかれば、 後は簡単でした。

少し前までだと CO2 濃度測定は面倒でしたが、 最近は dual beam 式の CO2 センサが量産されるようになったため、 家庭用の準標準器を含めて、 低コストで測定できるようになっています。

なお、これらのシステムは全て自分で作っています、 市販の HEMS システムも調べては見ましたが、 とても使える代物ではありません。 もっと open で広範囲に使えるようにしないとダメでしょう。

私の方針をマニアックだと思う人も居るようですが、 かなり控え目にやっていますし、 私がいなくなった後、コンピュータ技術が嫌いな住人が暮らす場合は、 マニュアル操作だけで対応できるように設計してあります。

平林 浩一, 2017-10-05