喫煙室の換気効率に関する研究
（その２）静穏気流における呼出し煙の到達距離の測定
橋本幸博* 高橋秀典** 篠原佑輔*** 藤本義勝****
Study on Ventilation Efficiency for a Smoking Room
(Part2) Measurements of the Throw Distance of Exhaled Mainstream Smoke
Yukihiro HASHIMOTO Hidenori TAKAHASHI Yusuke SHINOHARA Yoshikatsu FUJIMOTO Abstract: This paper discusses how far exhaled mainstream smoke of a smoker reaches. The throw distance of exhaled smoke affects
ventilation efficiency for a smoking room. Flow visualization, velocity measurement with an ultrasonic anemometer and measurement of particle concentrations are carried out to estimate how far exhaled mainstream smoke can reach. As a result, the rough throw distance is observed 1.0m from the mouth of a smoker horizontally.
Keywords: Throw, Mainstream Smoke, Ventilation Efficiency, Ultrasonic Anemometer, Particle Concentration
１．はじめに 受動喫煙の防止を目的とした分煙化が求められる 中で、喫煙室の問題も顕在化している。厚生労働省 の「職場における喫煙対策のためのガイドライン」 1)によると、喫煙室の空調システムには定められた換 気方式の規定はなく、喫煙者自身の健康に及ぼす影 響を最小限に抑えるためにも適切な換気方式を明確 にすることが必要であると考えられる。 汚染物質を含むタバコ煙は、主流煙（タバコを通 って口の中に入れられる煙）と副流煙（タバコの先 端から立ち上る煙）に分けられ、発生する有害物質 は主流煙より副流煙のほうが多い。主流煙は酸性 （pH6 前後）であるが、副流煙はアルカリ性（pH9 前後）のため目や鼻の粘膜を刺激する。副流煙と呼 出煙（喫煙者が吐き出した煙）を合わせて環境タバ コ煙（ETS: Environmental Tobacco Smoke）と呼 んでいるが、これが周囲の非喫煙者にも影響を与え ている。自分でタバコを吸わなくても喫煙者の近く にいるだけで、タバコの煙の影響を受けることにな り、これを受動喫煙と呼んでいる2)。これは喫煙室 でも同じであり、喫煙者は互いにタバコ煙の影響範 囲に置かれていることが多い。つまり、多数の人間 が喫煙を行う喫煙室では、タバコ煙が喫煙者相互に 与える影響は大きいと考えられる。また、喫煙室に 滞在した喫煙者の衣服と人体表面には本人及び他の 喫煙者の呼出し煙によるミストが付着して、非喫煙 空間に移動した際に、タバコ煙に含まれる汚染物質 及び臭気を放出する可能性が高い。そのため、喫煙 室の空気質を維持することは、非喫煙空間の空気質 を維持するためにも有意義であると考えられる。 ところで、分煙空間に関する研究3)や喫煙室の換 気方式に関する研究4)は多数存在するが、喫煙者の 呼出し煙の影響範囲について検討した文献は極めて 少ない。林ら4)は、CFD により置換換気と混合換気 における喫煙者の呼出し煙の影響範囲を比較検討し ている。しかしながら、実際の喫煙者によって、実 験的に呼出し煙の到達距離を測定した文献はほとん どない。喫煙室の換気効率を検討する上で、喫煙者 からの呼出し煙の影響範囲を調べることは基礎的デ ータとして重要である。 そこで本研究では、喫煙者の口から吐き出された 呼出し煙が水平方向へどの程度到達するのか、喫煙 * 職業能力開発総合大学校 新成長分野系 建築環境エネルギーユニット Polytechnic University ** 職業能力開発総合大学校 建築・造形専攻 Graduate Student, Polytechnic University
*** （独）高齢・障害・求職者雇用支援機構 青森職業能力開発促進センター Aomori Polytechnic Center, JEED **** 東洋熱工業（株）大阪支店 Osaka Branch, Tonets Corporation
実験によって一定条件の下で評価することを目的と する。 ２．実験概要 2.1 呼出し煙到達距離の測定の概要 呼気到達距離測定実験では、呼出し煙の可視化、 気流速度の測定及び粉じん濃度の測定によって、呼 出し煙到達距離を測定し、呼出し煙が影響する範囲 を推定する。 空調による吹出し気流の影響を調べるために、煙 などを用いた気流可視化実験5)が行われることがあ る。ところで、喫煙者の口から吐き出される呼出し 煙は、それ自体が可視化されているので、煙が見え る範囲を目視によって調べれば、呼出し煙の影響範 囲を推定することができる。 呼出し煙は周囲の静穏気流の速度より卓越した初 速を有している。これが、乱流拡散によって口から の距離に依存して減衰する。そこで、喫煙者の口か らの水平距離を置いた位置の気流速度を精密に測定 すれば、呼出し煙の到達距離を把握できる。 呼出し煙に含まれる汚染物質についても同様であ り、乱流拡散によって汚染物質濃度が距離減衰する ことから、喫煙者の口からの水平距離を置いた位置 の汚染物質濃度の減衰傾向を測定すれば、呼出し煙 の影響範囲を調べることができる。 2.2 実験方法 職業能力開発総合大学校1 号館 350 号教室の実験 室を喫煙室と仮定し、以上の実験を行う。実験には 図1 に示すように、ビニールシートで仕切られた 5.4m×5.3m×2.5m 天井高さの空間の奥半分のスペ ースを使用する。ここでは、基礎データとして静穏 気流状態における呼出し煙の影響範囲を調査するた めに、空調及び換気運転は行わない。ただし、喫煙 実験が終了する度に、タバコ煙の排気のために、十 分な時間換気を行う。室温は予め22±2℃に調整し ておく。喫煙実験の被験者は、20 代前半の男性 10 名である。 2.2.1 呼気の初期状態の測定 喫煙者の口から吐き出される呼出し煙は、噴流と 見なすことができる。ただし、空調のノズルなどか ら吹き出す連続的な気流と異なり、一呼吸毎に断続 的に発生する。そこで、熱線式風速計の検出部にガ ーゼを薄く巻いて保護したものを被験者の口に当て て、喫煙時を想定した呼気を吹きかけてもらい、呼 気風速を計測する。呼気の初期温度を測定するため に、図2 に示すように、被験者に太さ直径 6mm 長 さ100mm のストローを口にくわえてもらい、熱電 対で呼気温度を測定する。呼気風速及び呼気温度の 測定は、3 回の平均値とする。 2.2.2 呼出し煙の可視化実験 呼出し煙可視化実験では、図3 に示すように、実 験室の壁にタバコ煙を可視化しやすいように、暗幕 図2 呼気温度計測装置 図 3 呼気到達距離測定 スケール 喫煙者の立ち位置 粉じん計 図 1 実験室平面図
と水平方向のスケールを張り付けた。喫煙者は左手 の壁を背にして立ち、右手の喫煙者正面にアイマー カーを設置して、喫煙者の身長に合わせて、目の高 さに調節する。喫煙者はそれを見ながら、なるべく 水平方向に呼出し煙を吐く。手前には広角レンズ付 きのビデオカメラを三脚で設置して、記録動画から 呼出し煙の可視化到達距離を目視によって測定する。 2.2.3 呼出し煙の気流速度の測定 被験者は指定された立ち位置から三次元超音波風 向風速計のプローブに向かって喫煙時を想定した呼 気を吹きかける。実験開始時は三次元超音波風向風 速計からの距離を1000mm とし、以後 100mm ずつ 被験者自身が床のスケールを参考に後退し、 1600mm まで同実験を繰り返す。1000～1600mm の 距離で各5 回、喫煙時を想定した呼気を吐き、吐き 出す方向の最大風速の平均値を求め、基準風速であ る0.25m/s注1)まで減衰した距離を呼気の到達距離と する。各距離において、被験者全員の風速のデータ での平均値を求める。なお、1600mm という距離は 文献6)に記された喫煙者と受動喫煙者の人体間距離 1300mmに対し±300mmを見込んだ最大距離である。 三次元超音波風向風速計の風速データはRS232C を 介しパソコンに0.1 秒毎に記録される。 2.2.4 粉じん濃度の測定 粉じん計は、三脚の上に設置して、呼吸域である 床上1200mm の高さで喫煙者から 1500mm 及び 2500mm の距離に配置する（図 3）。喫煙者から 1500mm 及び 2500mm 離れた距離における粉じん 濃度は、粉じん計から3 秒毎に出力されるアナログ 信号で、最大値を含む上位5 個の値の平均値とする。 次に0 距離での粉じん濃度 9.99 mg/㎥(粉塵計の測定 範囲の上限値)を 100％とし、各点での粉じん濃度の 減衰率を百分率で比較する。 表1 に実験で使用した計測器の仕様を示す。 ３．実験結果と考察 3.1 呼気の初期状態 呼気温度の測定結果を表 2 に、呼気風速の測定結 果を表3 に示す。 図4 呼出し煙の気流速度の測定 表1 計測器の仕様 種類 仕様 メーカー型式 熱線式風速計 気流速度0.1～20m/s 温度0～50℃ KANOMAX MODEL6004 超音波風向風速計 時分割送受切替型超音波 パルス式 分解能0.005m/s 以下 KAIJO TR-90T 熱電対 T-CC 0.32Φ 粉じん計 光散乱式 0.001～9.999mg/m3 KANOMAX MODEL3432 表2 呼気温度の実験結果 被験者 呼気温度[℃] 1 回目 2 回目 3 回目 平均値 A 31.5 32.9 32.7 32.4 B 32.9 32.8 33.2 33.0 C 32.6 32.1 31.2 32.0 D 30.7 30.4 30.8 30.6 E 30.7 30.4 30.5 30.5 F 29.8 30.2 32.3 30.8 G 27.6 27.9 28.6 28.0 H 32.5 32.6 33.2 32.8 I 31.1 32.8 32.7 32.2 J 31.8 32.8 33.6 32.7 平均値 31.1 31.5 31.9 31.5 標準偏差 1.53 表3 呼気風速の実験結果 被験者 呼気風速[m/s] 1 回目 2 回目 3 回目 平均値 A 2.32 3.20 2.63 2.72 B 3.65 3.99 5.83 4.49 C 3.73 3.70 4.83 4.09 D 2.26 2.32 1.09 1.89 E 6.48 6.15 5.71 6.11 F 3.34 3.35 7.33 4.67 G 4.30 4.85 2.81 3.99 H 4.64 4.20 4.03 4.29 I 3.23 2.48 2.31 2.67 J 3.81 3.63 4.15 3.86 平均値 3.78 3.79 4.07 3.88 標準偏差 1.20
呼気温度の被験者平均値は31.5℃、標準偏差は 1.53℃である。また、呼気風速最大値の被験者平均 値は3.88m/s、標準偏差は 1.20m/s である。Olmedo ら7)は、サーマルマネキンで呼気を設定するときに、 呼気温度を34℃、呼気風速の最大値を 4.0～4.7m/s 程度としている。また、文献4)では、CFD の与条件 として、呼気温度を32℃、呼気風速を 4.0m/s とし ている。実験結果は、いずれも文献7)の値よりやや 小さいが、文献4)の値とほぼ同じである。 呼出し煙のアルキメデス数 Ar とフルード数 Fr を 計算することで、呼出し煙の流体力学的な性状を検 討する。アルキメデス数は流体の浮力と慣性力の比 を示す無次元数で次式で表される。
]
[
2 0−
∆
=
U
L
g
Ar
β
θ
(1) ここで、g は重力加速度[m/s2 ]、β は体膨張率[K-1]、Δθ は吹出し温度差[K]、L は代表長さ[m]、U0 は吹出し 風速[m/s]である。 本実験では、Δθ を呼出し煙温度と室温の差、L を 天井高さ、U0を呼び出し風速とすると、Ar 数は以下 のようになる。057
.
0
88
.
3
5
.
2
)
0
.
22
5
.
31
(
273
1
8
.
9
2 2 0=
×
−
×
×
=
∆
=
U
L
g
Ar
β
θ
また、フルード数は流体の慣性力と重力の比を示 す無次元数で次式で表される。]
[
0−
=
gL
U
Fr
(2) ここで、代表長さL を喫煙者の口の直径（=0.01m） とすると、4
.
12
01
.
0
8
.
9
88
.
3
0=
×
=
=
gL
U
Fr
以上から、呼出し煙のAr 数は小さく、慣性力と比 較して浮力の影響は小さく、Fr 数は大きいので、呼 出し煙の慣性力と比べて重力の影響は小さいことが 表4 呼出し煙の可視化到達距離 喫煙者 呼出し煙到達距離[mm] A 700 B 1300 C 1300 D 500 E 1500 F 1100 G 1200 H 1000 I 800 J 900 平均値 1030 標準偏差 309 図5 呼出し煙の可視化到達距離の測定 表5 被験者からの距離における水平方向の最大風速[m/s] 距離[m] 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 A 0.441 0.137 0.285 0.312 0.268 0.252 0.139 B 0.847 0.142 0.389 0.223 0.298 0.268 0.117 C 0.631 0.647 0.221 0.477 0.242 0.237 0.209 D 0.817 0.292 0.219 0.069 0.473 0.315 0.123 E 0.415 0.470 0.577 0.611 0.666 0.754 0.339 F 0.756 0.519 0.789 0.618 0.522 0.483 0.242 G 0.146 0.415 0.275 0.427 0.554 0.514 0.304 H 1.047 1.216 1.197 0.966 0.889 0.500 0.383 I 0.250 0.279 0.085 0.090 0.019 0.021 0.054 J 0.791 0.458 0.360 0.142 0.409 0.065 0.031 平均値 0.614 0.458 0.440 0.394 0.434 0.341 0.194 標準偏差 0.146 0.312 0.333 0.285 0.245 0.223 0.121 わかる。以上から、静穏気流下では、呼出し煙の影 響は水平方向のみを考慮すればよいと考えられる。 3.2 呼出し煙の可視化到達距離 ビデオカメラの画像（図5）から判断した呼出し 煙の可視化到達距離を表4 に示す。呼出し煙の可視 化到達距離の平均値は、約1m であるが、喫煙者に よって0.5～1.5m と大きくばらついている。呼出し 煙がなるべく水平に吐き出されるようにアイマーカーを設置したが、体格差や癖などの個人差が大きい。 ただし、最大値と最小値を除いた8 名の平均値もほ ぼ同じ値なので、タバコ煙のミストの可視化到達距 離としては概ねこの値を目安にできるものと考えら れる。 3.3 水平方向の風速による到達距離 表5 に被験者からの水平距離における水平方向の 最大風速を示す。被験者平均値では、水平距離1.5m で0.341m/s、1.6m で 0.194m/s であることから、最 大風速が0.25m/s まで減衰する距離は、1.5m と 1.6m の間であることがわかる。 3.4 粉じん濃度の距離減衰 粉じん濃度は、呼出し煙を吐き出した直後に上昇 してから減衰するので、図6 に示すように 3 分間の 喫煙時間について粉じん濃度の計測を行い、各喫煙 者について距離1500mm 及び 2500mm における最 大値を含む上位5 個の値の平均値を採用した。表 6 に喫煙者10 名の各距離における粉じん濃度を示す。 また、粉じん計の維持管理上、呼出し煙を直接粉じ ん計に吹きかけることはできないので、呼出し煙の 初期粉じん濃度を粉じん計の最大レンジ 9.99mg/m3 と見なしたときの減衰率を表6 の減衰率とする。こ れより、喫煙者から水平に2.5m 離隔しても、呼出し 煙に含まれる粉じんの影響が大きいことがわかる。 本実験では、基礎的データとして静穏気流におけ る呼出し煙の到達距離を把握するため、換気を行わ ない条件とした。各喫煙者の可視化到達距離と距離 2500mm における粉じん濃度の相関を調べると、正 の相関（R=0.87）が得られる。また、呼気の初速と 可視化到達距離は、R=0.91 と高い正の相関が認めら れる。従って、呼気の初速による慣性力によって、 呼出し煙に含まれる粉じんは室内の離れた位置まで 輸送されることがわかる。主流煙に含まれる粒子状 物質の粒径分布は、0.1～1μm2)であることから、呼出 し煙に含まれる粒子状物質は重力の影響を受けにく く、流体の慣性力の影響を受けやすい。この呼出し 煙の粉じんの影響が水平方向へ及ぶことを阻止する ような気流の形成を換気によって行う必要がある。 経過時間[分] 図6 粉じん濃度の時間変化（喫煙者 C） 表6 喫煙者からの距離における粉じん濃度[mg/m3] 喫煙者 距離1500mm 距離2500mm A 8.37 3.90 B 8.98 8.42 C 9.40 8.70 D 7.33 1.59 E 9.07 8.51 F 8.97 7.36 G 8.57 7.40 H 8.85 7.84 I 7.89 2.85 J 6.59 3.21 平均値 8.40 5.98 減衰率[%] 84.0 59.8 置換換気システムでは、室内の発熱体により形成さ れる垂直上向きの気流によって汚染物質の水平方向 への拡散を抑制することから、粒径の小さいタバコ 煙を対象とした喫煙空間の換気方式として好ましい ものと考えられる8)。 ４．まとめ 静穏気流における呼出し煙の到達距離を様々な方 法で推定した。また、呼気の初期温度と初速を測定 した。 ① 呼気の初期温度は 31.5℃、初速の最大値は 3.88m/s である。 ② ミスト状の呼出し煙の可視化到達距離は、約 1.0m である。 ③ 呼出し煙の最大風速を 0.25m/s としたときの到 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 1 2 3 粉塵計1500 粉塵計2500 [mg/m3]
達距離は、1.5m と 1.6m の間である。 ④ 呼出し煙による粉じん濃度は、喫煙者より2.5m 離隔した位置でも減衰は小さい。 今後は換気を行った条件における呼出し煙の到達 距離を測定して、喫煙室における呼出し煙の影響範 囲について検討する予定である。 謝辞 実験に協力して頂いた職業大の学生の皆様に深謝致します。 注1) Koestel は、空調吹出し口からの吹出し気流を自由噴流と見な したとき、この影響範囲を端末風速が 0.25m/s まで減衰した距離で 規定し、これを到達距離と定義した9)。呼気は数秒周期で反復するの で、連続的に吹き出される空調吹出し口からの吹出し気流とは性状が 異なるが、気流の影響範囲を推定するためには有効と考えられるので、 ここでは呼気の最大風速が 0.25m/s まで減衰する距離を呼気の到達 距離と見なした。 本研究に関連する既往発表文献 1) 篠原佑輔、藤本義勝：置換換気による喫煙空間の換気効率に関す る研究 －汚染物質除去効率及び呼気到達距離の検討－、平成23 年 度職業能力開発総合大学校卒業研究論文、2012 年 3 月 参考文献 1) 厚生労働省安全衛生部環境改善室編：職場における喫煙対策― 新ガイドラインと解説―,中央労働災害防止協会,2003 2) WHO Regional Office for Europe: Air Quality Guidelines
Second Edition, Chapter 8.1, 2000
3) 例えば、Skistad H. and Bernier M.: Ventilation for Tobacco Smoking –a Case Study, pp.749-752, ROOMVENT2002, 8th
International Conference on Air Distribution in Rooms, Copenhagen, Denmark, 2002 4) 林立也、加藤信介、村上周三、曽潔：CFD を用いた人体周辺微 気象解析による受動喫煙の研究、日本建築学会計画系論文集、 第533 号、pp/17-21、2000 年 7 月 5) 可視化情報学会編：流れの可視化入門、朝倉書店、1996 年 12 月 6) 朱晟偉、加藤信介、村上周三、林立也、高島伸成：換気方式の 違いによる人体呼吸域空気質のCFD 解析、日本建築学会大会学 術講演梗概集 環境工学Ⅱ、pp605~606、1999 年
7) Olmedo I., Nielsen P.V., de Adana M.R. Grzelecki P. and Jensen R.L.: Experimental study about how the thermal plume affects the air quality a person breathes, ROOMVENT2011, Trondheim, Norway, 2011 8) REHVA(Federation of European Heating and
Air-conditioning Associations)編：置換換気ガイドブック―基礎 と応用―、社団法人 空気調和・衛生工学会、2007 年 3 月 9) 空気調和・衛生工学会編：空気調和・衛生工学便覧 第 14 版 空
