バス車内における模擬飛沫核粒子の挙動や換気回数を測定

国立研究開発法人 産業技術総合研究所【理事長 石村 和彦】（以下「産総研」という）安全科学研究部門【研究部門長 緒方 雄二】 リスク評価戦略グループ 篠原 直秀 主任研究員、内藤 航 研究グループ長は、いすゞ自動車株式会社【代表取締役社長 片山 正則】（以下「いすゞ自動車」という）とともに、空調によって車内空気を循環させることにより、CO₂の増加と比較して模擬飛沫核粒子の増加は小さいことが確認され、粒子がフィルターや空調内部へ沈着して模擬飛沫核濃度が減少していることが示唆された。また、新型コロナウイルス感染対策として実施している窓開けなどによる換気回数が、車速・窓開け量に比例して増加することを確認した。

実際のバス車両を用いて実験的に窓開けの換気効果を調査した今回の結果から、路線バスの走行時の窓開けなどの対策の効果や換気以外の感染対策の可能性が明らかになった。今回得られた知見は、公共交通機関などの新型コロナウイルス感染リスク評価、対策技術の開発への貢献が期待される。

新型コロナウイルス感染の終息が見えない中、３密（密集・密閉・密接）が生じやすい環境では、どのような対策をどの程度まで実施すれば良いかを知ることは重要で、社会的にも関心が高い。不特定多数の人が利用する地下鉄やバスなどの公共交通機関の車両内で、咳（せき）や会話などで発生した飛沫核がどのように挙動するかについては、対策を検討するうえでも重要な情報であるが、これまでに評価した研究事例はない。また、バス車両の換気については、車内で煙を発生させて煙が見えなくなる時間から換気性能を確認している事例はあるが、これらは揮発により煙が消えていくため、換気の効果をかなり過大評価している可能性があり、現時点において、実際の運行バス車両を用いてCO₂濃度減衰法により換気の効果を評価した研究事例はない。

バス車両内で、咳や会話などで発生した飛沫核がどのように挙動するか、CO₂などで計測される空気と同様の挙動を示すのかを明らかにするため、産総研は、いすゞ自動車と連携して、実際のバス車両を用いて、車内での模擬飛沫核粒子とCO₂を一定速度で発生させ、それらの量を測定する実証実験を実施した。さらに、走行中の車両内の換気や、窓開けなどの対策の効果はどの程度なのかを把握するための実証実験を実施した。

なお、本調査の実施にあたって、国立保健医療科学院 金 勲 上席主任研究官、東京工業大学 鍵 直樹 教授の協力を得た。また、マネキンの使用にあたり、株式会社 大洋工芸の協力を得た。

乗客の会話や咳により発生した飛沫核の挙動を把握するため、乗客の顔の位置を想定した一カ所から、CO₂と模擬飛沫核粒子（ポリスチレンラテックス粒子、1.3 μｍ）を発生させ、車内5カ所での粒子計測と車内24カ所でのCO₂濃度計測により、粒子濃度とCO₂濃度の時間減衰を平均値で評価した（図1）。粒子計測器とCO₂計測器の設置高さは立席と座席を想定し、それぞれ床面から150 cmと70 cmにした。また、各種条件下での換気回数をボンベから発生させたCO₂濃度をブロワーにより均一にした後の減衰からCO₂濃度減衰法により推定した。

空調によって車内空気を循環させた場合に、CO₂の増加と比較して模擬飛沫核粒子の増加が抑えられ、換気回数として7倍程度に相当する効果が見られることが分かった（図２）。一方、空調を稼働させない場合には、CO₂の増加と模擬飛沫核粒子の増加に顕著な違いは見られなかった。このことは空調により飛沫核粒子の低減化が期待できることを示唆している。

換気回数は、車速や窓開け面積に比例して増加した（図３・図４）。窓開け量に比例して、換気回数は増加し、窓を5枚全て開けると、窓を閉めた場合と比べて、はるかに換気回数が大きくなった（本測定の際の窓閉め時の車内外温度差が小さかったため窓閉め時の換気回数が極めて小さかった）。窓を2枚を開けた場合は、対角に開けると平行に開けた場合と比べて換気回数が増加したが、その差はわずかであり有意なものではなかった。換気扇の稼働でも換気回数は増加したが、前後の換気扇を両方給気にしていると換気回数は小さく、前後の換気扇を両方排気もしくは給気と排気にしていると換気回数は大きくなった（図５）。

今回の調査は、実際のバス車両内での粒子の飛散状態を実験的に計測したことに意義があり、空気循環による模擬飛沫核粒子の低減化の可能性を示すデータが得られたことは重要である。今回得られた結果は、路線バスなどの走行時の窓開けなどの対策、公共交通機関などの新型コロナウイルス感染リスク評価、対策技術の開発への貢献が期待される。

いすゞ自動車と共同で、いすゞ自動車の開発している低圧損でも車内の飛沫核粒子を効率的に低減化できるフィルターについて、実車へ適用してその効果の実証試験を実施している。

国立研究開発法人 産業技術総合研究所
安全科学研究部門 リスク評価戦略グループ
主任研究員 篠原 直秀　　E-mail：n-shinohara*aist.go.jp（*を@に変更して送信下さい。）

◆換気回数

換気量（一定時間で室内に外気を取り込む量、もしくは室内空気を屋外に排出する量）を対象となる室の容積で割ったものを換気回数という。室の容積分の外気が一時間当たり何回室内に取り込まれるか、もしくは室の容積分の室内空気が一時間当たり何回屋外に排出されるかを表している。室内にCO₂の発生源がない場合、CO₂濃度減衰法では室内濃度の時間変化は、次の式で表現される。

C_{in_0}は測定開始時、C_{in_t}は時間tでの室内濃度 [ppm]、C_outは室外濃度 [ppm]、Vは室内の体積 [m³]、Qは換気量 [m³/h]、t は時間 [h]であり、換気回数はQ/V [回/h]で表される。 この式を変形して解くと、次の式となり、

測定で得られた室内外濃度差の減衰を指数関数でフィッティングして、換気回数Q/Vを求めることができる。
また、CO₂や粒子を一定速度で発生させ、次の式にフィッティングすることでも相当換気回数の推定を行っている。[参照元へ戻る]

◆CO₂濃度減衰法

CO₂濃度が室内全体で均一になるまでCO₂を室内に放出・攪拌し、室内外のCO₂濃度差の減衰と時間との関係から換気回数を計算する方法。[参照元へ戻る]

1) N. Shinohara，T. Kataoka，K. Takamine，M. Gamo. (2011). Distribution and variability of the 24-h average air exchange rates and interzonal flow rates in 26 Japanese residences over 5 seasons. Atmospheric Environment, 45 (21): 3548-3552.