コロナ禍の次なるジレンマ：建物の通気性を向上する方法

トロント大学の機械工学者ジェフ・シーゲル氏は、大型店の天井に登りながら、パンデミック後の空調システムの未来を目の当たりにしているとは夢にも思っていなかった。室内空気質を研究しているシーゲル氏は、同僚とともに店内の空気を検査していた。どの店舗かは明かさなかったが、その暗い未来像が浮かび上がってきた。彼らが天井で発見したのは、6基のHVAC（暖房、換気、空調）ユニットのうち1基が、まさに上下逆さまに設置されていたことだ。仕様から180度も逆さまだった。「フィルターにアクセスするためのドアは完全に開けることができず、フィルターの交換も不可能でした」とシーゲル氏は語る。

チームが6か月後に再テストを行ったとき、「フィルターはホコリやその他の物質で完全に詰まっていました。文字通り、フレームを切断するためのソーザルなしでは交換する方法がありませんでした」とシーゲル氏は言います。 当時、シーゲル氏はそれが何を意味するかを理解していました。店内の空気はそれだけ悪くなるでしょう。ある意味、それはシーゲル氏が見てきた他の何千もの HVAC のミスと同じでした。建物に外気を取り入れるダンパーが錆びて開いたり閉じたりしていたり​​、フィルターの取り付けが悪く、空気が縁を通り抜けてしまったり、強制空気ファンが稼働している時間がわずか18%だったりしました。理論上は、HVAC は暖房と空調を行います。しかし実際には、常に換気やろ過を行っているわけではありません。

しかし、パンデミックウイルスであるSARS-CoV-2は、他の多くの呼吸器系ウイルスと同様に、屋内、つまり混雑した換気の悪い空間で最も容易に感染するという点で、世界中の科学者がほぼ一致している今、時折発生する多面的な不具合は、はるかに深刻な問題を意味します。米国で新型コロナウイルス感染症（COVID-19）の感染者数が記録を更新し、外出自粛の子どもたちや苦境に立たされた事業主たちが少しでも普通の生活を求める中、かつては退屈だった住宅、学校、オフィス、工場の中枢にある換気・フィルターシステムが議論の的となっています。人々は、たとえマスクを着用し、互いに6フィート（約1.8メートル）離れていても、建物内に戻り​​たいのであれば、ウイルスが混入している可能性のある空気を排出する何かが必要だと認識しています。これはHVAC（暖房換気空調）への新たな関心の高まりを意味し、しばしば見過ごされてきた科学分野に新たな未来が訪れる可能性を示唆しています。もしかしたら、そうかもしれません。「世界最高のHVACでも、メンテナンスが不十分だと性能が低下します。そして、通常の基準は『メンテナンスが不十分』です」とシーゲル氏は言います。 「パンデミックの今、私たちが目にしているのは、人々が HVAC に助けを求めているということです。ちょっと待ってください。体系的に投資が不足していて、適切に機能するシステムを持つために必要なことが行われていないのです。」

一方、これは換気の新たな未来が出現していることを意味しているのかもしれないし、それとともに建築設計とエンジニアリングの未来を見る新たな方法も生まれているかもしれない。なぜなら、家やオフィスを新型コロナウイルス対策に努めることで、他のさまざまな面でも改善される可能性があるからだ。

SARS-CoV-2は呼吸器系のコロナウイルスで、その感染経路の一つとして、病気の症状がない人が排出する鼻水や唾液、あるいは乾燥したタンパク質の目に見えない泡となって気流に乗って漂う、ほぼ確実に蒸気のような形で移動する能力があることがほぼ確実だ。感染は屋外ほど頻繁に空気の入れ替えが行われない屋内で最もよく起こる。そのため、感染を減らしつつ人々が安全に学校や職場に戻れるようにするための最も重要なアイデアの一つは、レストラン、劇場、書店といった場所はもちろんのこと、換気、つまり空気中の感染の可能性があるウイルス粒子を排出し、きれいな空気を取り入れることだ。「この分野の我々は何十年もの間、屋内環境に注意を払う必要があると主張してきており、人々がその重要性を認識し始めていることを大変嬉しく思っています。しかし、ここからそこに到達するには、多額の投資が必要になるでしょう」と、コロラド大学ボルダー校で室内空気を研究している機械工学者のシェリー・ミラー氏は述べている。 「私たちは外の空気と水を共有財と見なしています。これは皆が共有するものです。建物内の空気と何が違うのか、私にはよく分かりません。なぜなら、建物内の空気は多くの人が共有しているからです。ただ、私たちはそういう見方をしていなかっただけです。」

この技術の基礎は既に存在し、病院などの特殊な環境で導入されている。ペンシルベニア州立大学の建築エンジニアであり、この分野の標準化団体である米国暖房冷凍空調学会（ASHRAE）の疫学対策委員会委員長を務めるウィリアム・バーンフレス氏は、「これは、汚染物質や微粒子を希釈するために空間に送り込まれる屋外の空気、ろ過された空気、そして消毒された空気の合計である、等価空気交換、つまりクリーンエア供給という概念です」と説明する。バーンフレス氏をはじめとする室内空気管理に携わる人々は、新型コロナウイルスの空気感染経路が明らかになるにつれ、一躍注目を集めている。誰もが建物の防御を強化したいと考えているのだ。

そのための1つの方法は、空気交換率と呼ばれる指標、つまり外気から取り込まれた新しい空気が室内の古い空気と入れ替わる頻度を高めることです。基本的なアプローチは、たくさんの窓を開けることです。しかし、これは窓がきちんと設置されていて、しかも山火事の時のように外気がさらに悪化していない場合に限ります。2つ目の方法は、すでに室内にある空気を高性能フィルターで浄化することです。高性能フィルターは、セントラル空調システムに内蔵されているか、壁掛け式か、誰でも購入できる（あるいは自分で作ることもできる）ポータブル空気清浄機に内蔵された独立型ユニットで設置できます。バーンフレス氏によると、高効率微粒子空気（HEPA）フィルターは高価で、一般的なHVACシステムで使用するにはエネルギー消費量が多すぎる可能性が高いとのことです。そのため、現在多くのアドバイスが「最小効率報告値」（MERV）13のフィルターに焦点を当てています。このフィルターは、新型コロナウイルスの捕捉には十分です。

簡単そうに聞こえますが、実際はそうではありません。たとえあなたの家にセントラルエアコンがあったとしても（多くの家には設置されていませんが）、システムは1時間に1回も空気を入れ替えることはないでしょう。ましてや、他の屋内空間でウイルス対策として新たに推奨されているように、6回も入れ替えるなんて、考えられません。より多くの空気を動かすには、より大きなファンをより頻繁に稼働させる必要があります。また、フィルターを大きくすると、システム内に圧力降下と呼ばれる現象が生じ、空気の流れが遅くなります。これを克服するためにも、より大きなファンが必要になります。HVACシステムの主眼は、空気を快適にし、温度を上げたり下げたりすることです。こうしたことはすべて、システムのコストとエネルギー消費量を増加させます。

3つ目の選択肢は、ダクト内または室内に設置し、実際に微生物を除去する何らかの装置です。紫外線はウイルスの遺伝物質を分解し、波長254ナノメートル（いわゆるUV-C）では細菌を死滅させることができます。さらに波長の短い「遠紫外線C」はコロナウイルスを死滅させることができます。しかし、空気中のウイルス粒子に対処するための最適な照射量と設置場所については、まだ明確な答えは出ていません。双極イオン化フィルターや水酸化イオン発生器は、化学的に反応性のある粒子、あるいは電荷を帯びた粒子を空気中に放出しますが、その効果に関する綿密で厳密な研究はまだ行われていません。

こうした状況にもかかわらず、これらの選択肢は爆発的な人気を博している。「空気清浄やコロナウイルス殺菌を謳う技術の市場は、まさに無法地帯です。人々がこれらの技術に群がるのは、非常に低コストでありながら、フィルターのように圧力損失を招かないからです。そのため、空調システムを再調整したり再設計したりする必要がありません」と、イリノイ工科大学の建築エンジニアで室内空気質研究者のブレント・スティーブンス氏は言う。「しかし、こうした技術の多くは、効果に関する十分な試験や規制がされていません。」

もう一つのアプローチ、おそらくさらに費用がかかるかもしれないが、建物全体の設計方法を再考する、あるいはより正確には、再考することかもしれない。建築の歴史は、不快な気候に対処するための新しい方法を見つけてきた歴史と言えるだろう。アメリカ南部のショットガンハウスは、湿度の高い夏に前方から後方への空気の流れを考慮して設計されていた。赤道に近い地域で好まれた高い天井は、居住空間から熱気を放出する一方、北部の建物の低く狭い空間は熱を閉じ込める。厚い壁と中庭は涼しさをもたらし、各部屋に備えられた暖炉は、燃料が高価な時期には局所的な暖房の調整を可能にしている。

その歴史には、半ば秘密めいた暗流が流れている。特に近代（そしてモダニズムの伝統）の建物は、健康を念頭に置いて設計されてきた。少なくとも1860年代には、ある医師が「人間の呼吸」の危険性と換気不足が病気の蔓延に何らかの形で関与していると講義していた。公衆衛生の根底にある物語――ロンドンの医師ジョン・スノーがコレラの発生原因を公共の水道ポンプに求めていたこと――は、地理と都市計画の物語でもある。そして、より新しい研究の流れは、初期モダニズムの大きな窓があり、風通しがよく、洗練された様式が、結核や1918年のスペイン風邪（新型コロナウイルス感染症の前兆となる空気感染性疾患）からの回復を助けるために建てられた病院に由来していることを示している。 1920 年代初頭までに、科学者たちは、高品質の住宅に住む人々は、集合住宅に住む人々よりも呼吸器系や胃腸系の疾患の発生率が低いことを理解しました。この結論により、住宅はより広くて換気のよいものになりましたが、同時に、衛生を装った人種差別的な「スラム街の一掃」も起こりました。

1920年代から1930年代にかけて、「モダニズムはインフルエンザと健康への懸念を背景に、近代化を推進し、社会に有益な力となるという野心を持って発展しました」と、ペンシルベニア大学の建築・環境史家で『近代建築と気候：空調以前のデザイン』の著者であるダニエル・バーバーは述べています。「例えば、隣接するネオバロック様式の建物よりも健康的な空間を実現できる建物の能力は、モダニズムが顧客層に魅力的なセールスポイントであり、理由の一つでした。」

そして20世紀半ば頃、空調が登場しました。「暖房・換気・空調（HVAC）が利用可能になり、機械システムが建物の気候を管理できるようになったため、建築家は気にする必要がなくなりました」とバーバーは言います。ある意味、それは解放的でした。気候が建物を文字通り形作る力はなくなり、建築家はポストモダン的な奇抜な発想をすることができました。建物内の暖房や冷房を管理する機械設備はすべてエンジニアに任せたのです。「今日の建築文化では、空調のことなど考えられません。もはや要素ではなく、当然のことなのです」とバーバーは言います。

その結果、合成素材で満たされたほぼ気密の建物、開かないこともある窓、そしてしばしば濾過されていない高濃度の循環空気が生み出される。それでも一貫性はない。建築基準法は基準の最低限の遵守のみを求める傾向があるからだ。だから、ある建物は他の建物よりも優れているが、ある建物は本当に人々を病気にする。これに、米国の都市が十分な住宅を建設できないこと（人々が過密な環境での生活を強いられること）を加えると、新型コロナウイルス感染症やますます厳格化する（そして必要不可欠な）エネルギー効率要件以前から、空気の悪いペトリ皿のような国ができあがっている。「私たちは病気にならないように水を処理し、病気を伝染させないように廃棄物を処理します。そしてその後、私たちは基本的にそれを止めてしまい、90パーセントの時間を屋内で過ごす都市社会の健康のために大したことをしていません」とミラーは言う。 「1950年代に、屋外の大気汚染が人々の命を奪うという現実に気づき、私たちは屋外の汚染に重点的に取り組みました。排出ガス規制を始め、自動車や発電所、産業にも規制を課しました。しかし、屋内環境は所有者、賃借人、居住者の判断に委ね、「それは個人の領域だ、好きなようにしろ」と言い続けてきたのです。」

これらすべてを解決するには、新しい空気清浄機だけでは不十分だ。新型コロナウイルス感染症のパンデミックによって明らかになった他の多くの問題と同様に、建物内の空気に対する人々の考え方を根本的に変える必要がある。既存のHVACシステムの改修は一見簡単そうに見えるが、容易ではない。HVACオタクの話をしよう。標準的な空調システムでは、フィルターを収納するラックの深さはわずか2インチ（約5cm）だ。しかし、バーンフレス氏らがウイルス粒子を捕集するために推奨しているMERV-13フィルターは、性能を維持するために実際には4インチ（約10cm）の厚さが必要だ。あるいは、静電気を帯電させてろ過能力を高めるように製造された2インチ（約5cm）のフィルターを使うこともできる。「しかし、フィルターは消耗します」とバーンフレス氏は言う。「そのレベルで稼働させ続けるには、かなり頻繁に交換する必要があります」。これは、シーゲル氏がメンテナンスで目にしてきたような問題につながる。そして、4インチ（約10cm）厚のフィルターに交換することは、全体的な圧力損失の増加を意味し、システム全体を強化するために費用がかかることを意味する。

新型コロナウイルスに関連した換気システムの変更は、おそらく複雑で、ほぼ確実に高額になるだろうが、新しい技術は必要ないかもしれない。より多くの電力が必要になるかもしれないが、それは困ったものだ。なぜなら、建物は米国で最大の電力消費源であり、地球規模の気候変動の原因である温室効果ガス排出量の40％を占めているからだ。ニューヨーク市など一部の当局はすでに、一部の商業ビルに対してより厳しい排出ガスおよびエネルギー効率基準を課そうとしている。世界的な「パッシブハウス」運動は、より少ない電力で室内の気候と空気の質を和らげるために、断熱材を強化するなどの革新を提唱している。これは実際には、エアコンが登場する前の古いアイデアに非常に似ているが、より高級な材料が使われている。「断熱性が高く、気密性が高く、窓がしっかりした家を建てれば、冷暖房はほとんど必要なくなりますが、常に外気を取り入れ、熱交換器を使って濾過しているのです」とミラーは言う。 （これは、異なる温度の空気が混ざることなく熱を交換できる装置です。冬の寒い日には、家の中に取り込まれた外の空気が排気される室内の空気によって温められ、最初から暖房するエネルギーを節約できます。逆もまた同様です。）「彼らが解決しなければならない唯一の問題は、調理中にキッチンから排出される排気ガスをどうやって排出するかということです。」

こうしたシステムレベルの変化は、新型コロナウイルス感染症への対応をはるかに超える効果をもたらす可能性がある。パンデミック以前、室内空気質の研究者たちは、様々な問題を懸念していた。インフルエンザなどの空気感染症はもちろんのこと、より深刻な問題も懸念されていた。粒子状汚染物質やアレルゲンは、小児喘息の発生率を高める可能性がある。不完全燃焼や故障したストーブやヒーターの副産物である一酸化炭素は、警報アラームが設置されるほど危険であることは、ほとんどの人が理解している。しかし、私たち人間が呼吸する際に排出する二酸化炭素でさえ、室内に蓄積する可能性があり、その濃度が高くなりすぎると、認知能力を低下させる可能性がある。換気の悪い生活空間や職場では、二酸化炭素だけがガスではない。人間の体は様々な奇妙な物質を排出しており、その全てが、いつものどこかユーモラスで悪臭を放つガスだけではない。「二酸化炭素単体の影響を示す研究はごくわずか_だ。多くの研究は、二酸化炭素単体の影響は示していない」とシーゲル氏は言う。 「しかし、多くの研究が全般的に換気の低下の影響を示しています。」

しかし今のところ、換気に関する自治体の条例に盛り込まれている基準は、ASHRAEなどの団体による勧告をそのまま、あるいはほぼそのまま引用していることが多い。そしてバーンフレス氏によると、それらの基準は依然として極端というよりは最低限の基準に過ぎないという。住宅やオフィス向けに提案されているルールは、ウイルスなどの問題を人々が非常に気にしているであろう医療施設向けの提案とは理念さえ異なっている。住宅やオフィスの基準は、1人あたりおよび1平方フィートあたりの換気量を計測しており、空気の質の認識、つまり悪臭に重点を置いている。一方、病院の基準は、部屋または建物全体の完全な空気交換とろ過に重点を置いており、医療施設では、手術室などの高リスクエリアに1時間あたり最大20回の空気交換に相当するシステムを組み込む場合がある。「この空気交換の概念は、住宅や商業ビルの現在の設計基準にはほとんど浸透しておらず、これが今後の方向性となるかどうかは興味深いところです」とバーンフレス氏は言う。 「新型コロナウイルス感染症での経験が、医療以外の建物の基準を改善し、医療管理を向上させる動機となると信じたい。しかし、それがどこまで進むかは分からない。」

つまり、テクノロジーは社会学や政治ほど複雑ではないということです。伝説によると、ジョン・スノーはロンドンでコレラに汚染されたポンプのハンドルを取り外し、ポンプを使用不能にすることで流行を食い止めました。もし彼が、水道設備のある家々に押し入って蛇口を押収しようとしていたら、もっと大変なことになったかもしれません。

もっと現実的に考えると、これらの変更の費用を誰が負担するのかは誰にもわかりません。家主？政府の基金？政府、ビル所有者、そして賃借人の間で、これらの変更を実施するインセンティブは完全には一致していません。お金を使うかもしれない人々が、必ずしも直接的な恩恵を受ける人々とは限りません。換気と濾過を改善することで、認知能力や認知的影響が改善され、生産性が向上し、病気による欠勤が減るというのは事実かもしれません。しかし、それらはすべてオフィスで働き、そのスペースを借りている人々にとって良いことであり、超高層ビルを所有し、より強力でエネルギー効率が高く、より魔法のようなHVACシステムを設置しなければならない人々にとっては良いことではありません。これらのシステムを義務付ける新しい規則は、それらを構築、販売、そして維持する人々にとっては素晴らしいものですが、それらを購入せざるを得ない人々にとってはあまり良いことではないかもしれません。

とはいえ、この提案は説得力がある。人々が多くの時間を過ごす建物に新鮮な空気を取り入れる新しいシステムは、今回のパンデミックだけでなく、もしかしたら次のパンデミックも撃退できるかもしれない。同時​​に人々の健康状態を向上させ、地球温暖化対策にも貢献する。まさに今、空気中に漂う変化なのだ。

2020年11月12日午後6時10分（太平洋標準時） ウィリアム・バーンフレスのASHRAEでの役割とその組織の性質、総空気交換量における空気源の混合、および元の記事の「遠紫外線C」ではなくUV-Cの使用について明確にするために更新されました。

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