室内環境におけるウイルス⾶沫感染の予測とその対策
課題責任者
理化学研究所／神⼾⼤学 坪倉

2020年8⽉24⽇記者勉強会配布資料

誠謝辞
本研究は以下の⽀援を受けて⾏っている．ここに謝意を表する．
「新型コロナウイルス対策を⽬的としたスーパーコンピュータ「富岳」の優先的な試⾏的利⽤について」（⽂部科学省/理研）「スマートライフ実現のためのAI等を活⽤したシミュレーション調査研究」（内閣官房）

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おねがい
本資料に含まれる図やアニメーションは，研究の主旨に沿った報道であれば⾃由に⽤いて頂いてかまいません．ただし利⽤する際は，媒体名と企画内容について，予め理研計算科学研究センター広報申請フォー
ムにて申請願います．
https://krs2.riken.jp/m/fugaku-corona-dl-0824
また，本研究に関する取材については，理研計算科学研究センター広報まで連絡をお願いします．
https://krs2.riken.jp/m/media-form
坪倉 誠 の所属表記は 下記の例のように理研と神⼾⼤を併記するようお願いします。
（例）・理化学研究所計算科学研究センター チームリーダー／神⼾⼤学⼤学院システム情報学研究科
・理化学研究所チームリーダー／神⼾⼤学教授
・理研／神⼾⼤教授3

研究の概要研究の概要• ウイルス⾶沫・エアロゾル感染の予測とその対策提案をシミュレーションを⽤いて⾏う．
• 公共施設（オフィス，教室，病室等）や公共交通機関（通勤電⾞，バス，航空機等）等の室内環境を想定する．
• ⽬に⾒えない⾶沫を可視化し，社会に発信することで，⾶沫・エアロゾルに対する正しい理解とリスク認知，感染予防の啓発を⾏う．
本⽇の内容• マスク性能評価• 病室• オフィス• 教室• 多⽬的ホール

4

マスクの効果
実施内容• ⾶沫・エアロゾル感染リスクを低減するためのマスク等の効果に関する評価を⾏う．マスクの素材による影響の他，フェースガードによる代替効果やマスクの被感染リスク低減効果についても検討を⾏う．

マスク⾮着⽤時の空気の流れ

マスク着⽤時の空気の流れ

提供︓理研・豊橋技科⼤・神⼾⼤，協⼒︓京⼯繊⼤・阪⼤・⼤王製紙5マスクの効果

提供︓理研・豊橋技科⼤・神⼾⼤，協⼒︓京⼯繊⼤・阪⼤・⼤王製紙

不織布マスクと⼿作り布マスクの⽐較• マスクの素材の違いによる⾶沫抑制効果について調べる（⿐まで覆われています）
不織布マスク

⼿作り布マスク（ポリエステル相当）

⼿作り布マスク（綿相当）

⾊は粒径

⻩︓隙間放出
⾚︓マスク・顔付着
⻘︓マスク透過6

不織布マスクと⼿作り布マスクの⽐較• 粒径ごとのマスク透過率
不織布マスク

マスクの効果⼿作り布マスク（ポリエステル相当）

⼿作り布マスク（綿相当）

粒径（ミクロン）
隙間放出（個）マスク透過（個）マスク
顔付着（個）

隙間放出含むエアロゾル

不織布⾶沫

• 不織布の⽅が⼿作りマスクより，⾶沫の粒⼦数でみた場合の全般的な性能（⾚）は⾼い．ただし⾶沫の体積でみるとどちらも8割の⾶沫が捕集されており，布マスクでもリスク低減効果は期待できる．
• 布マスクは不織布マスクより空気抵抗が少なく，その分マスクのフィルタ部分に⼊る（緑・⾚）する粒⼦も多い．⼀⽅，不織布マ
スクはフィルタの空気抵抗が⼤きいため，隙間からの漏れが多い．
• 両者ともエアロゾル粒⼦は全体の約40〜50%程度が漏れる。

布(ポリ)

隙間放出

不織布

マスク透過

ポリ相当

マスク
顔付着

綿相当

提供︓理研・豊橋技科⼤・神⼾⼤，協⼒︓京⼯繊⼤・阪⼤・⼤王製紙7

マスクの効果
フェースシールドの⾶沫⾶散防御効果• マスクに対して，フェースシールドによる⾶沫⾶散抑制の代替効果について調べる（⿐まで覆われています）
不織布マスク• 50ミクロン以上の⼤きな⾶沫については捕集効果は⾒込めるが効果は限定的である．エアロゾルについてはほぼ漏れている．

隙間放出
マスク透過

フェースシールド

⻩︓隙間放出
⾚︓マスク・顔付着
⻘︓マスク透過

マスク
顔付着

隙間放出
シールド
顔付着

提供︓理研・豊橋技科⼤・神⼾⼤，協⼒︓京⼯繊⼤・阪⼤・⼤王製紙8マスクの効果
マスクによる被感染防御効果について• ⼈の上気道をモデル化，深呼吸時にどの程度の⾶沫が上気道に取り込まれるかを評価する．
• ⿐と⼝で同時呼吸を想定．
マスク無し

不織布マスク（密着）

不織布マスク（顔隙間あり）

提供︓理研・豊橋技科⼤・神⼾⼤，協⼒︓京⼯繊⼤・阪⼤・⼤王製紙9マスクの効果
マスクによる被感染防御効果• 呼吸6秒後の⾶沫付着個数（顔の周りに200ミクロン以下の⾶沫を⼀様に同じ粒径分布で配置）

⿐腔(nasal cavity)
⼝腔(oral cavity)• マスクなし︓⼤きな⾶沫は⿐腔や⼝腔にほぼ付着するが，20ミクロンより⼩さな⾶沫は気管奥にまで到達する．
• マスクを顔に隙間なく着⽤した場合︓吸引する⾶沫・エアロゾルはほぼブロックすることができる（図無し）• マスクと顔に隙間がある場合︓マスクを着⽤することで上気道に⼊る⾶沫数を三分の⼀にすることができる．特に⼤きな⾶沫については侵⼊をブロックする効果は⾼い．ただし20ミクロン以下の⼩さな⾶沫に対する効果は限定的であり，隙間からの侵⼊を阻⽌することはできない．
マスク無し

不織布マスク（顔隙間あり）

咽頭(pharynx)

喉頭(larynx)
粒径（ミクロン）

気管奥提供︓理研・豊橋技科⼤・神⼾⼤，協⼒︓京⼯繊⼤・阪⼤・⼤王製紙10病室
実施内容
⼀般病室（四床）内での、⾶沫、及びエアロゾル感染のリスク評価を⾏っている。⼀般の病室では，各種法令等により⼀定基準を満たした外部空気との換気（ここでは4⼈在室時に⼀⼈当たり50m3/h，8⼈在室時に25m3/h）がなされている．しかし室内の流れは⼀様ではなく換気効率の「むら」も発⽣する．エアコン
運転と窓の開閉による換気がリスク低減に与える影響を検討することで、その低減対策について提案を⾏う。特に即効性のある対策としてサーキュレーターや扇⾵機等の活⽤による、リスク低減に効果的な空気の流れを誘起する⽅法を提案すると共に、⻑期的には病室設備のより効果的な配置や換気装置の設置についても検討を⾏う。
提供︓理研・神⼾⼤，協⼒︓⿅島建設・阪⼤
空調運転条件

四床病室モデル（82.5m3）

中央カセット

体温︓34℃，室温︓24℃，湿度︓60%

新鮮空気
換気⼝

吹出⾓度

ユニット数ユニット流量

総流量

外部換気

In-30°

4

202.5m3/h

810m3/h0m3/h

Out+90°1-810m3/h-810m3/h

In-90°

1200m3/h

200m3/h

Out+90°1-200m3/h

200m3/h

200m3/h

エアコンは外部換気無し．換気⼝により外部換気11

病室
エアコンON時とOFF時の換気効果の⽐較•

仮想的に汚染空気（⾚）で部屋を満たした後に換気を⾏った場合の，230秒後の⽐較（⻘が清浄空気）．床から160cmの⾼さを，上から⾒た可視化．
室内空気排出⼝

新鮮空気供給⼝••

エアコンOFF時

室内空気排出⼝

エアコンON時

新鮮空気供給⼝

提供︓理研・神⼾⼤，協⼒︓⿅島建設・阪⼤

同じ新鮮空気の流⼊量であってもエアコンをつけて空気を循環させることで，室内の換気は進む．
仕切りカーテンの影響で換気むらができるので，こういった場所は扇⾵機等で空気を循環させるのがよい．

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病室
エアコンON時とOFF時の実換気量の⽐較•

供給される新鮮空気の量は同じ（200m3/h）でも，エアコン（換気能⼒無し）のON/OFFで実際の換気量は異なる．エ
アコンをつけて空気を循環させた⽅が，部屋全体の実換気量は良くなる．

汚染空気を満たした状態から換気を⾏った場合の汚染空気の時間変化（1が汚染された状態，0が清浄化された状態）
1

設計換気量と実換気量の⽐較（m3/時）
250
2000.9

150

設計換気量

0.8

エアコンON時

1000.7

5000.60.50

エアコンOFF時

設計換気量

100200

300

400

500

エアコンON時

エアコンOFF時

提供︓理研・神⼾⼤，協⼒︓⿅島建設・阪⼤

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オフィス
実施内容
オフィス（18⼈，269m3）を対象に，⾶沫、及びエアロゾル感染のリスク評価を⾏う。⼀般のオフィスでは，各種法令により⼀定基準を満たした外部空気との換気がなされている（20〜30m3/h/⼈）．しかし不適
切な設備運転や整備不良の他，室内の流れは⼀様ではなく換気効率の「むら」も発⽣する．従ってここでは，着席の⼯夫（千⿃配置）やパーティション，サーキュレーター等の付加物による感染リスク低減法を
体温︓33℃，室温︓25℃，外気温︓30℃
提案する
Anemo_outlet (0.49)
Peri_inlet (2.31)

1.9m

Peri_Outlet (0.58)
Anemo_inlet (0.56)1.2m
体温︓34℃，室温︓24℃，湿度︓60%

アネモ
空調
ペリ
空調

吹出⾓度

ユニット数

ユニット流量

総流量

外部換気

吹出⾵速

In

0°

6

225m3/h

1350m3/h

540m3/h

0.56m/s

Out+90°9In-90°20m3/h2.31m/s

Out+90°3-1350m3/h
400m3/h

800m3/h-800m3/h

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オフィス
パーティション⾼さの影響
パーティションの⾼さが⾶沫・エアロゾル⾶散に与える影響を調べる．1.2mでは不⼗分であり，1.4m程度の⾼さは必要であるが，1.4mと1.6mではほとんど効果は変わらない．

提供︓理研・豊橋技科⼤，協⼒︓京⼯繊⼤，阪⼤

パーティション無し

パーティション1.4m

パーティション1.2m

パーティション1.6m

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オフィス
室内の局所換気効率
室内の空気がどの程度換気されているかの指標である空気齢モデルを⽤いて，室内の局所的な換気効率を評価する．ここでは室内におかれた備品（パーティション160cm）が局所換気に与える影響を検討する．
パーティションあり（160cm）

パーティションなし

提供︓神⼾⼤・理研，協⼒︓⿅島建設・ダイキン⼯業

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オフィス

換気量の⽐較
• 空調設備の換気性能（外部空気の取り⼊れ量，設計換気量）と実際の換気量との違い．
• 実換気量は室内に空気の流れの淀みを作ることで悪化する（空気⼊れ替えにより⻑い時間がかかる）．
• 全体としての換気量はパーティションの有無にはあまり影響しない（パーティション有りの⽅が若⼲悪くはなる）．
提供︓神⼾⼤・理研，協⼒︓⿅島建設・ダイキン⼯業
汚染空気を満たした状態から機械換気を⾏った場合の汚染空気の時間変化（1が汚染された状態，0が清浄化された状態）
パーティションなし

機械の換気性能（設計換気量）と実際の換気量との違い
パーティションあり（160cm）

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オフィス

室内の汚染空気が清浄化されていく様⼦• 室内の空気が⼀様に汚れた状態（Time:0秒）で換気を開始．⻘くなるほど清浄．
• 室内では局所的に換気の悪い場所ができ，特にパーティションを⼊れた場合は場所の差が⼤きい．
• こういった換気むらをできるだけ少なくすることが，エアロゾル感染リスク低減において重要．
提供︓神⼾⼤・理研，協⼒︓⿅島建設・ダイキン⼯業

パーティションあり（160cm）

パーティションなし

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オフィス

室内の汚染空気が清浄化されていく様⼦• 室内の空気が⼀様に汚れた状態（Time:0秒）で換気を開始．⻘くなるほど清浄．
• 室内では局所的に換気の悪い場所ができ，特にパーティションを⼊れた場合は場所の差が⼤きい．
• こういった換気むらをできるだけ少なくすることが，エアロゾル感染リスク低減において重要．
提供︓神⼾⼤・理研，協⼒︓⿅島建設・ダイキン⼯業

パーティションあり（160cm）パーティションなし

19教室
実施内容
公⽴学校モデル（⽣徒40⼈，8m×8m×3m=192m3）を対象に，エアロゾル感染のリスク評価を⾏う。ここでは機械式換気が⼗分ではない場合を想定し，エアコンの併⽤や窓開けによる換気促進によるリスク低減効果を評価する．
対象とする教室モデル

SA
0.7m

RA0.4m

エアコンオン時の気流の様⼦

吹出/吸込個数

吹出/吸込風速 （m/s）

合計風量（m3/h）

SA2

2.612160

RA2-0.87-2160

外付けエアコン２機（SA, RA）稼働
提供︓京⼯繊⼤，協⼒︓神⼾⼤，⿅島建設，理研

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教室
窓開け換気効果の評価• 窓から流速1m/sで⼀様に外気が流⼊する条件
Case 1Case 2

流⼊部⾯積 (𝑚! )Case 1

3.28

Case 2

0.41

Case 3

1.64

Case 43.28

窓開け換気の様⼦

廊下側は欄間のみ全開，窓側左右20cm対⾓に開け（廊下側前扉20cm，窓側後⽅窓20cm）

Case 3

Case 4

廊下側前後扉10cm，窓側左右10cm

廊下側前後扉40cm窓側左右20cm
提供︓京⼯繊⼤，協⼒︓神⼾⼤，⿅島建設，理研

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教室
エアロゾルに対する窓開け換気効果の評価

Case 1
窓全開-欄間Case 2窓-扉(対⾓)Case 3窓-前後扉(10cm)

Case 4
窓全開-前後扉

提供︓京⼯繊⼤，協⼒︓神⼾⼤，⿅島建設，理研

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教室
エアロゾルに対する窓開け換気効果の評価

Case 1
窓全開-欄間Case 2窓-扉(対⾓)Case 3窓-前後扉(10cm)

Case 4
窓全開-前後扉

提供︓京⼯繊⼤，協⼒︓神⼾⼤，⿅島建設，理研

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教室
エアロゾルに対する窓開け換気効果の評価
汚染空気を満たした状態から窓開けを⾏った場合の汚染空気の時間変化（1が汚染された状態，0が清浄化された状態）

提供︓京⼯繊⼤，協⼒︓神⼾⼤，⿅島建設，理研窓全開-欄間•••

窓-扉(対⾓)窓-前後扉(10cm)

窓全開-前後扉

Case1とCase4（窓側を20cm開放）では100秒程度で，Case2とCase3（窓側窓開けを限定）では500秒程度で室内空気の⼊れ替えが可能である．
Case2はCase3に対して，廊下側の開放⾯積が同じ，窓開放⾯積が1/4であるにも関わらず，同程度の実換気がされており，対⾓換気の有効性が⽰唆されている．冷暖房効率を考えるとCase2を推奨．
Case2で連続換気した場合（1190m3/h），⼀時間で⼀⼈当たり約30m3は確保されており，法令等で定められた⼀般的なオフィスの換気条件と同じレベルにすることができる．

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多⽬的ホール
ホール内気流・換気解析• 実在の多⽬的ホール（約14000m3）を対象に，2000⼈程度の観客が着席した状態で，空調設備による換気性能の評価を⾏い，ホールにおけるエアロゾル感染に対するリスク評価を⾏う．

InletsVelocity (m/s)

Stage inlets0.261

Inlets on 1st&2nd Floor under Chairs

0.136

Square Inlets on 2nd Floor

1.25

Inlets on 3rd Floor under Chairs

0.192

Inlets on 4th Floor under Chairs

0.151

Anemo

1.111/0.278

Outlets

Velocity (m/s)

Stage Outlet-1.404

Seating Area Outlets-0.212

提供︓神⼾⼤・⿅島建設，協⼒︓理研・川崎市

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多⽬的ホール
ホール内気流・換気解析• 速度分布と温度分布
ホール中央断⾯• 観客の頭上には，客席下からのエアコン吹き出しと観客体温により，0.4m/s程度の弱い上昇気流が発⽣する．
• 流れは客席からステー
ジ側に向かい，その後，ホール上部の排気⼝より回収される．

ステージ左側
バルコニー席付近

提供︓神⼾⼤・⿅島建設，協⼒︓理研・川崎市

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多⽬的ホール
ホール内の汚染空気が清浄化されていく様⼦• 仮想的にホール内の空気が汚染された状態（Time:0sec)で機械換気を開始．⻘くなるほど清浄．
• 客席下のエアコンから清浄な空気を送り込むことで客席から換気が進む．
• 数分で客席は清浄化．
• 舞台の端や上⽅で⼀部，換気の遅い部分があるが，⼈の少ない部分であるので問題ないレベル．
• 10分程度でほぼ清浄化．

提供︓神⼾⼤・⿅島建設，協⼒︓理研・川崎市

27

多⽬的ホール

提供︓理研・神⼾⼤，協⼒︓豊橋技科⼤・京⼯繊⼤・⿅島建設

ステージ上での⾶沫・エアロゾル拡散の様⼦• ステージ上で⽴った状態で強い咳を連続して2回した場合（歌唱時のワーストケースと想定）• ⼤きな⾶沫（10ミクロン以上）についてはほぼ⼈の⾝⻑の範囲に落下• ⼩さな⾶沫（5ミクロン以下）については2メートル以上⾶散し，拡散する28

多⽬的ホール
客席での⾶沫・エアロゾル拡散の様⼦• 強い咳を連続して2回，これを2秒ごとに8回繰り返した場合

提供︓理研・神⼾⼤，協⼒︓豊橋技科⼤・京⼯繊⼤・⿅島建設

1階席（エアコン⾵が弱いケース）
マスク無の場合

マスク有の場合

AC flow• マスク無の場合は，⼤きな⾶沫が前列まで到達する．前列左右の観客のリスクが⼤きい• マスク有の場合は，⼩さな⾶沫のみ感染者の周りを漂うが，体温とエアコン気流により上昇拡散していく29

多⽬的ホール
客席での⾶沫・エアロゾル拡散の様⼦• 強い咳を連続して2回，これを2秒ごとに8回繰り返した場合

提供︓理研・神⼾⼤，協⼒︓豊橋技科⼤・京⼯繊⼤・⿅島建設

4階席（ステージに向けてエアコン⾵があるケース0.3m/s）

ACfl

マスク無の場合

ow

マスク有の場合

ACflow• マスク無の場合は，⼤きな⾶沫が前列まで到達，前列左右の観客のリスクが⼤きい• マスク有の場合は，⼩さな⾶沫のみ感染者の周りを漂う．エアコン⾵にのってある程度前⽅に運ばれる

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配布資料はここまで

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