人間・建築を中心とした環境概論7：2021/05/23, 13:40‐15:10• 建築関連の空気環境リスク，特に，COVID‐19問題で伝えたいこと飛沫(Droplet)と飛沫核(Droplet Nuclei)••

飛沫感染：5μm以上の粒子の飛散に伴う感染
飛沫核感染(空気感染)：5μm以下の粒子の飛散に伴う感染•COVID‐19パンデミック以前には，恐らく，エアロゾル感染といった医学用語はな
かった– エアロゾル：気体中に浮遊する微小な液体または固体の粒子と周囲の気体の混合体

Droplet Dispersion and Droplet Nuclei Dispersion
204.0 [μm]Dp=20μm, constantInitial Dp=20μm, Evaporation
1004.0 [μm]Dp= 100μm, constantInitial Dp=100μm, Evaporation

Temp [K]Dp [m]

呼吸器系の感染防御
粒径別の健康影響：上気道沈着(数m以上)，肺深部まで侵入(0.1m以下)→ アンダーセンサンプラのコンセプト

鼻腔

咽頭

呼吸器の7つの異物除去機構(1)鼻毛(2)鼻腔内の粘膜･線毛(3)くしゃみ反射(ハクション！)(4)Waldeyer(ワルダイエル)咽頭輪
鼻腔背後と咽頭入口に並ぶ扁桃の輪

気管支(5)気管支の粘液･線毛(6)咳嗽反射(ゴホッ，ゴホッ)(がいそう)

肺胞(CJ Ma, 2009)(7)肺胞マイクロファージ
4

気道内沈着の粒径依存性• サルとヒトの上気道内粒子沈着確率– ブラウン拡散と重力沈降

Monkey Airway model

Human Airway modelRepresentative Contaminant Concentration?

Qout = Qin[kg/s]

Qin

Contaminant
generation source 6(A)

Qout

Qout

Qout
Qin

6(B)

Qin

6(C)

qC
Q
Perfect Mix. (=q/Q)

 Volume Averaged Con.  Point Con. at center

Gas‐phase Formaldehyde Concentration Criteria in Indoors

3100μg/m
Time‐averaged HCHO concentration for 30min at a certain point in a room

Heterogeneity / Non‐uniformity in Indoor Environmental Quality

0.25m/s
70% of air from Floor
Max.

Unsteady Re‐breathing region
0.2[m/s]

120.0[μg/m3]00

Velocity distribution

Uin=0.1m/s
Tin=25 degC

Formaldehyde concentration distribution

What is the Representative Concentration to Control?
0.3[m/s]

0280.0[μg/m3]0.3[m/s]

Perfect Mix. Con (Ext. outlet)
Room (Vol.)‐averaged Con
Breathing Air Con
0 (at Nostril)
distribution
Con. Velocity
at Nasal
Mucosal Tissue
Con. at Alveoli 100.0[μg/m ]
Con. In Blood
3：100.0μg/m3(air)：91.1μg/m3(air)：62.7μg/m3(air)
： ?
： ?
： ?
80.0
[μg/m2/s]0Formaldehyde adsorption flux distribution(1 breathing cycle)
00

Formaldehyde concentration distribution

CO2濃度をセンシングする価値はあるか？
400ppm1000ppm

298K

310K

Outdoor air supply
at 30 [m3/h/p]

Carbon Dioxide

Temperature呼吸空気の勢力範囲•

鼻呼吸する場合，呼吸する空気は室下部から輸送されてくる

PWE内の流れ場解析結果

呼吸域勢力範囲(定常解析) 呼吸域勢力範囲(非定常解析)

Human Body in Indoor Environment (Air Quality)

Ratio of “Ventilation Rate”
Ventilation:13.5m3/h(0.5ACH)(human ventilation (respiration)/room ventilation)= 3.3‐6.6%
3.0m

Inhalation
Exhalation:0.9m3/h(15L/min)

CO2/Bio‐effluentEmission
3.0m

法定換気量による濃度制御• 建築基準法： 20m3/h/人• 建築物衛生法： 30m3/h/人q
室内完全混合濃度： C Q

• 在室者数と感染者数が比例する場合• 床面積に関わらず在室者数が一定の場合

BA

30m3/h/p×3p=90m3/h

30m3/h/p×3p=90m3/hFloor Area: 30m3

Floor Area: 60m3

法定換気量による濃度制御• 建築基準法： 20m3/h/人• 建築物衛生法： 30m3/h/人q
室内完全混合濃度： C Q

• 例えば，感染者数が1の場合• 床面積と在室者数が比例する場合

BA

30m3/h/p×6p=180m3/h

30m3/h/p×3p=90m3/h

Floor Area: 30m3

Floor Area: 60m3

Contact Probability

32,461
5,110,000= 0.00276 = 0.6%1167

SIR型疫学モデルとWells‐Rileyモデル
SIR (KM) model

Wells-Riley model

CIqpt)PI   1  exp(SQ

SusceptibledS   SIdt

InfectivedI  I   SIdt

(2)RecovereddR
Idt

(3)

I  I 0  S0  S0 exp(  It )Basic Reproduction
numberRo  S0(4)

PI (1)(5)

感染初期でI=const.,  =0を仮定

S0  I 0  S  I
：contact rate, ：recover rate

S  S0 exp(  It )I  I0 1  exp(  It )
S0q
p
Q
濃度次元

(6)

PI:感染確率[-]I:感染者数[person]
C:新たな感染者数[person]
p:呼吸量[m3/s]
Q:換気量[m3/s]
q:quanta 発生量[quanta/s]
t:曝露時間[s]Preliminary Calculation by Wells‐Riley model
Iqpt
PI  1  exp()QPIIpQqt: 感染確率[‐]: 感染者数[person]: 呼吸量[m3/h]: 換気量[m3/h]: quanta 発生量[quanta/h/person]: 曝露時間[h]PI  1  exp(Iqpt)  1  exp( pCres  t )QInhalation Dose: pCres

PI  1  exp(pIqt )  1  exp( q ' t )Q

p 0.5 1
Dilution Efficiency:  
Q 30 60

Preliminary Calculation by Wells‐Riley model
Iqpt
PI  1  exp()Q

I=1 [person]
p=0.5 [m3/h]
Q=30 [m3/h/person]×residents [person]

1 quanta = 1,000 viral RNA Copies

4人家族が住宅で8時間過ごす場合

[P]
1.2

(Super Spreader/Emitter)

Without Mask
99.3%

1

SARS‐CoV‐2: 300 ‐ 2000 quanta/h(Mara Prentiss et al, 2020)

0.8

71.3%
With Mask

0.6

52.8%

0.4
0.2

17.1%

00

12

34

56

78

[hours]Cluster Events by Super Spreader/Emitter

1.2

[P]

映画館で100人が8時間過ごす場合

1.2

11

0.8

0.8

0.6

0.6

0.4

18.1%

0.2

4.8%

Without Mask

[P]

Without Mask

0.4

00012

34

56

78

39.3%

11.7%
1.9%

0.2

2.9%

教室で40人が8時間過ごす場合

0127.2%
3[hours]

PI  1  exp(Iqpt)  1  exp( pCres  t )Q

45With Mask
678[hours]

全体換気と局所換気•••

室内は瞬時一様拡散，感染混合か？
清浄空気の供給か，発生汚染物質の効率的な排出か？
汚染源は特定できているか？

Age of air distribution

Scalar velocity distribution

Human Body in Indoor Environment (Air flow)

9.0m2

Ratio of Area

Volume Ratio(2D human body/2D room)(3D human body/3D room)

=5.5%

=3%
3.0m

0.5m2
1.75m

3.0m

Reproduction of human body geometry is essentially important for
detailed analysis of indoor air flow (and vice versa)

Impact of Human body on Indoor Air Flow

0.3[m/s]

0.3[m/s]

Flow pattern in displacement ventilated indoor environment with/without human body飛沫･飛沫核による感染伝播に換気制御は有効か•••

COVID‐19対策として換気規準 30m3/h/personを目安とするならば，換気が出来ることは，汚染物質発生量の1/60～1/30希釈
室内には平均濃度の3倍以上の高濃度領域が存在，希釈効率にも明確な不均一性あり
SARS‐CoV‐2の詳細感染メカニズムが不明であれば，(化学物質曝露を参考にして)有害性評価の閾値無しモデルのVSD (Virtually Safe Dose：実質安全率)，
即ち，発生量の1/100,000希釈が一定の目安