屋内空気質センサーで CO2 濃度をモニタリング

CO2 レベルを測定することで、空気質を制御することができます。これにより、エネルギーを節約しながら健康的な屋内環境を保つことができます。

CO2 センサー

私たちは生活している時間の大半を部屋・教室・オフィス・店舗といった屋内で過ごしています。室内にいる人が多いほど、CO2 が多くなります。換気が不十分だと空気の質が悪くなり、人にとって危険であるだけでなくその人の生産性レベルや意思決定のパフォーマンスにも影響を及ぼしてしまいます。このため、室内の「空気の質」、「換気」は重要です。

とはいっても、換気をし過ぎると必要以上に空調のエネルギーを使いますし、費用もかかります。 換気に費やされる費用と、悪い空気の質によって影響を受ける健康レベルの最適なバランスを見つけることが大切です。

そこで、室内環境の CO濃度を空気質の基準として測定し、空調の換気システムの動作を最適化することが必要になるのです。

換気しないと私たちはどうなってしまうのか?

世界各国で室内空気質についてのガイドラインが定められており、CO2 濃度についても基準が決められています。

例えば日本の場合、厚生労働省の建築物環境衛生管理基準において、建築物では CO2 濃度を 1000 ppm 以下に保つよう定められています。この濃度を超えると不快と感じるようになり、さらに濃度が高くなると血中酸素濃度の低下を引き起こし、眠気・頭痛・倦怠感を引き起こし、人体に様々な影響が出てきます。また仕事や勉強においても生産性低下を引き起こします。睡眠にも影響が出ます。

実際に、COが人体に与える影響について、下記のような様々な文献が発表されています。

屋内で 500〜800ppm の CO₂ 濃度であれば、低濃度で人体には無害であるとみなされます。しかし、濃度が上がるにつれ、眠気を引き起こし、学習パフォーマンスや意思決定力の低下といった私たちの認知能力に影響を与えます。 40,000〜50,000 ppm を超えるレベルでは意識を失い、最終的には死に至ります。

換気しないと私たちはどうなってしまうのか?

意思決定能力についての文献 

CO2 濃度が 1500ppm ~ 3000ppm で人間の能力・健康への影響がみられることが分かります。

#1  1500ppm~ : 意思決定能力を計測するテストでスコアが悪化 
#2  2500ppm~ : 試験の合格率が低下
#3  2500ppm~ : 意思決定能力を計測するテストでスコアが悪化 
#4  3000ppm~ : 自律神経のバランスと相関がある心周期変動の特定周波数成分が変化 

(#1 ハーバード公衆衛生大学院 2016 年 1 月) 
(#2 ハーバード公衆衛生大学院 2018 年 1 月)
(#3 ニューヨーク州立大学 2012 年 12 月)
(#4 ブタペスト工科州立大学 2012 年 3 月)

CO2濃度とパフォーマンスの関係 CO2濃度とパフォーマンスの関係

CO2濃度と眠気・睡眠の関係についての文献  

CO2 濃度 2500ppm以上で眠気が増加し、1500ppm 以上で睡眠の質が低下することが分かります。

#1  1500ppm~ : 主観的な睡眠効率が低下
#2  1700ppm~ : 主観的な睡眠の質が低下
#3  2500ppm~ : 主観的な眠気が増加
#4  2700ppm~ : 眠気の進行を示す脳波が増加
#5  3500ppm~ : 主観的な眠気が増加 *自動車実走行で検証

(#1 早稲田大学 2018 年 9 月)
(#2 デンマーク工科大学 2014 年 10 月)
(#3 タンペレ工科大学 2016 年 1 月)
(#4 サウサンプトン大学 2018 年 11 月)
(#5 台北医科大学 2020 年 1 月)

空気質と省エネを両立しよう

オフィスでの空気質と省エネ オフィスでの空気質と省エネ

建物内での CO2 発生源は、主に室内にいる人たちの呼吸です。 通常は  CO2 濃度は 400 (誰もいない部屋での CO2 濃度) 〜 2,500ppm の範囲です。CO2 濃度は人が増えるほど増加していきます。

まずは「窓を開ける」ことも大事ですが、さらに換気をコントロールするシステムの導入をお勧めします。CO2 センサーで CO濃度を測定し、換気装置や可変定風量装置 (VAV : Variable Air Volume system) に信号を送り、個々のファン・ダンパー・バルブなどを制御することで部屋に必要な換気レベルをコントロールします。

もちろん空気は COだけで構成されているわけではありませんが、部屋を換気するとウイルスやバクテリアの数が減少するため、結果的に室内の空気の質も向上します。

高気密・高断熱先進国で住宅の省エネ化が進んでいる欧米では、ZEH (ネット・ゼロ・エネルギー・ハウス) に関する規制・目標が制定されています。このため、新築住宅に対しては厳しい断熱義務基準が設けられています。アメリカでは新築住宅は 2020 年までに ZEH 化させる政策目標を取っており、EU に関しては2020年までに新築住宅・新築建築物の ZEH 化を加盟各国に法制度等の整備をしています。高気密・高断熱の住宅は密閉され保温性が良いため、冷暖房機器を効率よく使うことができ、快適な室内環境を保ちながら、エネルギーも軽減できます。

しかし、高気密になればなるほど風通しも悪く、室内の空気は汚れやすくなり空気の質が低下します。換気が行われなければ、室内の CO2 濃度が上昇したり、化学物質やダニの浮遊、カビの発生しやすい状況にもなり室内の環境はどんどん悪くなります。ZEH 化が進むことで、ますます適切な換気を行う必要性が増しています。

換気をする上で、季節によって暖房・冷房の需要も変化しますし、オフィスビル・教室・映画館などの商業ビルでは訪れる人の数も日によって大きく異なります。最大人数を前提に換気を行うと、部屋に誰もいないときのエネルギーが無駄になってしまいます。そこで、CO2 センサーをうまく使うことで、各部屋ごとの状況に応じて必要な空気量を見積もり、換気制御することができます。 

AKM では、実際の飲食店や家屋での実証実験で、弊社の CO2 センサーが空気質の把握と改善に効果的であることを確認しました。

換気で消費されるエネルギーは?

国際エネルギー機関 (IEA:International Energy Agency) の「建物・地域システムの省エネプログラム」に参加している 13 カ国では、すべての建物の換気に起因する一次エネルギー消費量は、各国の一次エネルギー消費量全体の 9% に相当すると推定されています。

米国の住宅の換気には、年間推定3エクサジュール (EJ : ジュールの 10 の18 乗 ) のエネルギーが使用されており、これはこれらの建物で使用される全エネルギーの約 30% にあたります。米国のサービス業 ( 商業施設、機関、政府機関などの建物 ) では、換気のために消費されるエネルギーは 1.5 EJ と推定され、サービス業の建物の総エネルギー使用量の約 4 分の 1 を占めています。また、換気に起因する年間の二酸化炭素排出量は、米国の住宅部門で約 1,000 トン、サービス部門で約 8 億トンとなっています。

換気の温度調整に必要なエネルギーは、気候に大きく影響されます。欧州では、このエネルギーのほとんどが換気用空気の加熱に使用されます。米国では、暖房と冷房の両方にかなりのエネルギーが使用されています。湿度の高いマイアミの気候では、エネルギーの 86% が換気用空気の水分除去に使われています。

地球環境のためにはこれらのエネルギーを如何に抑えるかを考慮し、行動することが必要となります。

How much energy does ventilation use?

部屋のどこにセンサーを置けば良いのか ?

Where should sensors be placed in rooms?

CO2 濃度を測定する上で、どこにセンサーを設置するかは、その空間の広さによっても異なります。レストランやロビーなどの大きなエリアであれば、換気システムの場所に設置して排出される空気の CO2 濃度を検知する方が理にかなっています。片側の壁にセンサーを設置すると、反対側の CO2 レベルを誤認してしまう可能性が高いからです。 一般的な広さの部屋では、壁にセンサーを設置すれば十分です。

尚、CO2 と温度の分布には違いがあります。温度は部屋全体で均一になります。一方、CO₂ 濃度は、部屋の一端で 3,000ppm、もう一端で 600ppm と異なる場合があることを認識しておく必要があります。

.

空気清浄機を使う場合でも CO2 濃度にご注意を

すべての窓やドアを閉めるている部屋の場合、たとえ空気清浄機で汚染物質を除去しても、CO2 濃度が危険なレベルにまで上昇してしまう可能性があります。誠実な空気清浄機メーカーはその事実をアナウンスしています。最適な空気質を実現するには、空気清浄機と CO2 センサーとの併用をお勧めします。

Be careful regarding CO2 concentration when using air purifiers, as well.

室内空気質測定のための CO2 センサー例

Examples of CO2 sensors used to measure indoor air quality

新型コロナウイルスなど感染症の対策が叫ばれている今、「換気」は重要なキーワードとなっています。室内の CO2 濃度を精度よく測定するために、さまざまなメーカーが CO2 センサー機器を発売しています。その中でも、私たちのセンサーが搭載された製品をご紹介していきます。

採用事例  SAF Tehnika

センスエア (Senseair) について

2018 年に旭化成エレクトロニクス (AKM) グループの一員となったセンスエアは、NDIR : Non-Dispersive InfraRed (非分散型赤外線) 方式の技術を用いたガスセンサーの世界的なリーディングプロバイダーです。常に新しいガスセンサーの技術開発および量産化を目指しています。