パッシブ換気とは、機械的なシステムを使用せずに屋内空間への空気の供給と排出を行うプロセスです。これは、自然の力によって生じる 圧力差の結果として、外気が屋内空間に流れ込むことを指します。

建物内で発生する自然換気には、風力換気と浮力換気の2種類があります。風力換気は、建物や構造物の周囲に風が吹き付ける圧力差によって発生するもので、周囲に開口部が形成され、そこから空気が建物内を循環します。浮力換気は、室内と屋外の温度差によって生じる方向性のある浮力によって発生します。^{[ 1 ]}

内部と外部の温度差を生み出す内部熱の増加は、人間の発する熱を含む自然のプロセスによって発生し、風の影響は変化するため、自然換気の建物は「呼吸する建物」と呼ばれることもあります。

空気の静圧は、自由に流れる気流中の圧力であり、天気図では等圧線で表されます。静圧の差は、地球規模および微気候の熱現象によって生じ、風と呼ばれる気流を作り出します。動圧は、風が丘や建物などの物体に接触したときに発生する圧力であり、次の式で表されます。^{[ 2 ]}

${\displaystyle q={\tfrac {1}{2}}\,\rho \,v^{2},}$

ここで（SI単位系を使用）：

${\displaystyle q\;}$	=動圧（パスカル）
${\displaystyle \rho \;}$	= 流体の密度（kg/m 3）（例：空気の密度）、
${\displaystyle v\;}$	= 流体の速度（m/s）。

風が建物に与える影響は、換気量や浸入率、そしてそれに伴う熱損失や熱取得に影響を及ぼします。風速は高度とともに増加し、摩擦抵抗により地表付近では低くなります。実際には、風圧は大きく変化し、自然環境（樹木、丘陵）や都市環境（建物、構造物）との相互作用によって複雑な空気の流れや乱流が生じます。様々な気候帯の伝統的な建築物は、密閉空間における快適な温熱環境を維持するために、自然換気に大きく依存しています。 ^{[ 3 ]}

設計ガイドラインは建築規制やその他の関連文献に記載されており、次のような多くの特定の領域に関するさまざまな推奨事項が含まれています。

• 建物の位置と向き
• 建物の形状と寸法
• 屋内の仕切りとレイアウト
• 窓の種類、操作、位置、形状
• その他の開口部の種類（ドア、煙突）
• 施工方法と詳細（浸透）
• 外部要素（壁、スクリーン）
• 都市計画条件

以下の設計ガイドラインは、国立建築科学研究所のプログラムである建物全体の設計ガイドから選択されたものである。^{[ 4 ]}

• 夏の風に対して垂直に建物の棟を配置することで、風による換気を最大限にする
• 自然換気ゾーンの幅は狭くする必要がある（最大13.7メートル[45フィート]）
• 各部屋には、それぞれ独立した給気口と排気口を設ける必要があります。排気口は吸気口よりも高い位置に設置し、煙突効果を最大限に高めます。窓は部屋の反対側に配置し、互いにずらして配置することで、室内の空気の流れを阻害する要素を最小限に抑えながら、混合効果を最大限に高めます。
• 窓の開口部は居住者が操作できるものでなければならない
• 高窓や通気口付きの天窓の使用を検討してください。

風力換気は、通風換気と片面換気に分類できます。風力換気は、風の挙動、建物外壁との相互作用、そして開口部や吸気口、風受けなどの換気装置に依存します。

建物内の空気質と温熱的快適性を評価するには、都市の気候学、すなわち建物周囲の風に関する知識が不可欠です。空気と熱の交換は、建物のファサードにかかる風圧に依存するためです。式（1）に示されているように、建築プロジェクトが建設される都市部では、空気の交換は風速に比例します。自然換気型の建物の設計には、通常、CFD（数値流体力学）ツールとゾーンモデリングが用いられます。ウィンドキャッチャーは、建物の内外に空気を導くことで、風力駆動型換気を補助します。

浮力駆動換気は、主に温度差に起因する内外の空気密度の差によって発生します。隣接する二つの空気層に温度差があると、暖かい空気は密度が低く浮力が高くなるため、冷たい空気よりも上昇し、上昇気流を形成します。建物内での強制上昇流による浮力駆動換気は、伝統的な暖炉で行われます。パッシブスタック換気装置は、浴室など、屋外に直接アクセスできない空間で広く使用されています。

浮力駆動換気によって建物を適切に換気するには、内外の温度差が必要です。室内が外気よりも暖かい場合、室内の空気は上昇し、高い開口部から建物の外に排出されます。低い開口部がある場合は、より冷たく密度の高い外気がそこから建物内に入り込み、上昇流置換換気が行われます。しかし、低い開口部がない場合、高い開口部から流入と流出の両方が発生します。これは混合換気と呼ばれます。この後者の換気方式でも、流入する冷気は室内空気と混合しますが、常に室内空気全体よりも密度が高いため、床に落ちるため、新鮮な空気は低いレベルに到達します。浮力駆動換気は、温度差が大きいほど、また置換換気の場合は高い開口部と低い開口部の間の高さが高いほど、効果が大きくなります。高い開口部と低い開口部の両方がある場合、建物内の中立面は、風がない場合、内圧が外圧と同じになる高い開口部と低い開口部の間の位置になります。中立面より上方では、内部の空気圧は正圧となり、中間層に形成された開口部から空気が流出します。中立面より下方では、内部の空気圧は負圧となり、中間層に形成された開口部から外部の空気が流入します。浮力駆動換気には、いくつかの重要な利点があります。{Linden, P Annu Rev Fluid Mech, 1999 参照}

• 風に依存しないため、最も必要とされる静かで暑い夏の日に開催できます。
• 安定した空気の流れ（風に比べて）
• 吸気エリアの選択におけるより優れた制御
• 持続可能な方法

浮力駆動換気の限界:

• 最も風の強い日の風換気に比べて規模は小さい
• 温度差（室内/屋外）を利用する
• 設計上の制限（高さ、開口部の位置）があり、追加コストが発生する可能性がある（換気口、高いスペース）
• 建物内に取り込まれる空気の質は、例えば都市部や工業地帯に近いために汚染されている可能性がある（ただし、これは風力換気の要因にもなり得る）。

建物内の自然換気は、主に風の強い状況での風圧の差に頼ることができますが、浮力効果は a) このタイプの換気を増強し、b) 風のない日に空気の流量を確保することができます。浮力駆動換気は、建物への空気の流入が風向のみに依存しない方法で実装できます。この点で、都市などの一部の汚染された環境では空気の質が改善される可能性があります。たとえば、空気は建物の裏側または中庭から取り入れられるため、通りの正面からの直接的な汚染や騒音を回避できます。風は浮力効果を増強しますが、その速度、方向、および空気入口と出口の設計によっては浮力効果を減じることもあります。したがって、煙突効果換気を設計する際には、卓越風を考慮する必要があります。

2つの異なる高さの通気口を持つ浮力駆動型自然換気の自然換気流量は、次の式で推定できる：^{[ 5 ]}

${\displaystyle Q_{S}=C_{d}\;A\;{\sqrt {2\;g\;H_{d}\;{\frac {T_{I}-T_{O}}{T_{I}}}}}}$

英語単位：

どこ：
QS​	= 浮力駆動換気流量、ft 3 /s
あ	= 開口部の断面積、平方フィート（入口と出口の面積が等しいと仮定）
CD​	= 開口部の排出係数（標準値は0.65）
グラム	=重力加速度、地球上では約32.2 ft/s²
H d	= 下部開口部の中点から上部開口部の中点までの高さ、フィート
T私	= 入口と出口の間の平均室内温度、°R
に​	= 屋外温度、°R

SI単位：

どこ：
QS​	= 浮力駆動換気流量、m 3 /s
あ	= 開口部の断面積、m 2（入口と出口の面積は等しいと仮定）
CD​	= 開口部の排出係数（標準値は0.62）
グラム	=重力加速度、地球上では約9.81 m/s²
H d	= 下部開口部の中点から上部開口部の中点までの高さ、m
T私	= 入口と出口の間の平均室内温度、K
に​	= 屋外温度、K

自然換気された空間の性能を測定する方法の 1 つは、内部空間での1 時間あたりの空気交換回数を測定することです。換気が効果的であるためには、屋外の空気と室内の空気が交換される必要があります。換気の有効性を測定する一般的な方法は、トレーサーガスを使用することです。^{[ 6 ]} 最初のステップでは、空間内のすべての窓、ドア、開口部を閉じます。次に、トレーサーガスを空気に追加します。参考文献である米国材料試験協会(ASTM) 規格 E741: トレーサーガス希釈による単一ゾーンの空気交換量の測定の標準試験方法では、この種の試験に使用できるトレーサーガスについて説明し、化学的特性、健康への影響、および検出の容易さに関する情報が提供されています。^{[ 7 ]} トレーサーガスが追加されたら、混合ファンを使用してトレーサーガスを空間全体にできるだけ均一に分散させることができます。減衰テストを行うには、まずトレーサーガスの濃度が一定のときにトレーサーガスの濃度を測定します。次に、窓とドアを開け、一定時間間隔で空間内のトレーサーガス濃度を測定し、トレーサーガスの減衰率を決定します。トレーサーガス濃度の経時変化を観察することで、空気の流れを推定することができます。この試験方法の詳細については、ASTM規格E741を参照してください。^{[ 7 ]}

自然換気はファンによる電力消費を削減しますが、自然換気システム全体のエネルギー消費量は、熱回収機能を備えた現代の機械換気システムよりも高くなることがよくあります。典型的な現代の機械換気システムは、ファンの運転に必要な熱量はわずか2000 J/m ^{3ですが、寒冷地では、}回収装置を用いて排気から新鮮な給気へ熱を伝達することで、これよりもはるかに多くのエネルギーを回収できます。

換気による熱損失は次のように計算できます。

${\displaystyle \theta =C_{p}\cdot \rho \cdot \Delta T\cdot (1-\eta ).}$

どこ：

• ${\displaystyle \theta}$換気による熱損失はW
• ${\displaystyle C_{p}}$空気の比熱容量（約1000 J/(kg*K)）
• ${\displaystyle \rho }$空気密度（約1.2 kg/m ³）
• ${\displaystyle \Delta T}$室内と屋外の温度差（Kまたは℃）
• ${\displaystyle \eta}$熱回収効率です（通常、熱回収ありの場合は約 0.8、熱回収装置を使用しない場合は 0）。

したがって、全体的なエネルギー効率の点で自然換気を上回るために熱回収機能を備えた機械換気に必要な屋内と屋外の空気の温度差は、次のように計算できます。

${\displaystyle \Delta T={\frac {SFP}{C_{p}\cdot \rho \cdot (1-\eta )}}}$

どこ：

SFPは、Pa、J/m ³、またはW/(m ³ /s) 単位の特定のファン電力です。

熱回収効率 80%、SFP 2000 J/m ³の一般的な快適換気条件下では、次のようになります。

${\displaystyle \Delta T=2000/(1000*1.2*(1-0.8))=8.33[K]}$

室内温度と室外温度の平均絶対差が約10℃を超える気候では、機械換気ではなく自然換気を選択することの省エネ効果は疑問視される可能性があります。しかしながら、暖房エネルギーは電気よりも安価で環境に優しい場合があることに留意する必要があります。これは特に地域暖房が利用可能な地域で当てはまります。

熱回収機能を備えた自然換気システムを開発するには、まず 2 つの固有の課題を解決する必要があります。

1. 非常に低い駆動圧力で効率的な熱回収を実現します。
2. 給気流と排気流を物理的または熱的に接続します。（煙突換気では通常、給気口と排気口をそれぞれ低い位置と高い位置に配置しますが、風力による自然換気では通常、効率的な通風のために建物の反対側に開口部を配置します。）

熱回収を特徴とする自然換気システムの開発を目指した研究は、1993年という早い時期から行われており、シュルツら^{[ 8 ]}は、波形亜鉛メッキ鋼板製の大型向流式熱交換器を用いて熱を回収しながら、煙突効果を利用する煙突型設計を提案し、試験しました。給気と排気は、空調設備のない屋根裏空間から行われ、排気は天井高で排出され、給気は垂直ダクトを通して床レベルで行われました。

この装置は、戸建て住宅に十分な換気量と約40%の効率で熱回収を実現できることがわかった。しかし、この装置は実用化するには大きすぎて重すぎ、熱回収効率も当時の機械式システムと競合するには低すぎた。^{[ 8 ]}

その後の試みでは、より高い圧力ポテンシャルを持つ風を主な駆動力として用いることが主に検討されました。しかし、これにより駆動圧力に大きな変動が生じるという問題が生じます。

換気スペースの屋根に設置された風力タワーを使用することで、供給と排気を小さなタワーの反対側に近接して配置することができます。^{[ 9 ]}これらのシステムでは、フィン付きヒートパイプが使用されることが多いですが、これにより理論上の最大熱回収効率が制限されます。^{[ 10 ]}

排気と給気の間の間接的な熱接続を実現するために、液体結合ランアラウンドループも試験されている。これらの試験はある程度成功しているものの、液体結合では作動流体を循環させるためにエネルギーを消費する機械式ポンプが必要となる。^{[ 11 ] [ 12 ]}

市販のソリューションの中には長年提供されているものもありますが^{[ 13 ] [ 14 ]、}メーカーが主張する性能は、独立した科学的研究によって検証されていません。これが、自然換気と高い熱回収効率を謳うこれらの市販製品が市場への影響力を発揮していない理由かもしれません。

オーフス大学では現在、熱交換チューブを建物の床間の構造用コンクリートスラブに組み込むという、熱回収機能を備えた自然換気への根本的に新しいアプローチが開発されています。^{[ 15 ]}

換気率に関する基準については、米国ではASHRAE規格62.1-2010「許容可能な室内空気質のための換気」を参照してください。^{[ 16 ]} これらの要件は、「一戸建て住宅、地上3階建て以下の集合住宅、車両、航空機内の空間を除く、人が居住することを意図したすべての空間」を対象としています。^{[ 16 ]} 2010年の規格改訂では、セクション6.4が変更され、空間を自然に調整するシステムを備えるように設計されたほとんどの建物は、「[ASHRAE 62.1-2010の]換気率またはIAQ手順を満たすように設計された機械換気システムも備えている必要がある」と規定されました。機械システムは、極端な外気温、騒音、およびセキュリティ上の懸念のために窓が閉じられている場合に使用されます。^{[ 16 ]}規格では、自然に調整された建物が機械システムを必要としない2つの例外として、次の場合が挙げられています。

• 6.4項の要件を満たす自然換気口は、常時開いているか、予想される居住期間中に開口部が閉じられないようにする制御を備えているか、または
• このゾーンには暖房または冷房設備はありません。

また、管轄当局は、機械的なシステムを持たず、自然システムのみに依存する空調システムの設計を許可することができる。^{[ 16 ]} 空調システムの制御の設計方法に関する基準では、「自然換気システムと機械換気システムの運用を適切に調整する」ための措置を考慮しなければならないと規定されている。^{[ 16 ]}

もう一つの参考文献は、ASHRAE規格62.2-2010「低層住宅における換気と許容室内空気質」である。 ^{[ 17 ]} これらの要件は「プレハブ住宅やモジュール住宅を含む、地上3階建て以下の一戸建て住宅および集合住宅」を対象としており、「ホテル、モーテル、老人ホーム、寮、刑務所などの一時的住宅」には適用されない。^{[ 17 ]}

換気率に関する基準については、米国ではASHRAE規格 55-2010: 人間の居住環境に関する温熱環境条件を参照してください。^{[ 18 ]} 改訂を通じて、その適用範囲は現在明示されている目的、「空間内の居住者の大多数が許容できる温熱環境条件を生み出す、屋内温熱環境要因と個人的要因の組み合わせを特定すること」と一致しています。^{[ 18 ]} この規格は、ASHRAE 研究プロジェクト RP-884: 温熱的快適性と嗜好の適応モデルの開発のフィールド調査結果から、居住者の温熱反応、衣服の変化、制御の可用性、居住者の期待の変化に関して、自然空調空間と機械的空調空間の間には違いがあることが示されたことを受けて、2004 年に改訂されました。^{[ 19 ]} 規格に追加された5.3「自然換気空間における許容温熱条件の決定のための任意方法」では、自然空調空間の許容動作温度範囲を指定することにより、自然空調の建物に適応的な温熱快適性アプローチを採用しています。 ^{[ 18 ]}その結果、自然換気システムの設計はより実現可能になり、ASHRAEによって持続可能でエネルギー効率が高く、居住者に優しい設計を促進する方法として認められました。^{[ 18 ]}

ウィキメディア コモンズには、建築における換気に関連するメディアがあります。

現在、自然換気に関する研究を行っている大学研究センター：

1. カリフォルニア大学バークレー校建築環境センター（CBE）。http ://www.cbe.berkeley.edu/ 2010年2月11日 アーカイブ、 Wayback Machineより
2. ローレンス・バークレー国立研究所、カリフォルニア州バークレー。http ://www.lbl.gov/
3. マサチューセッツ工科大学建築学部。http ://architecture.mit.edu/building-technology/program/research-topics
4. オーストラリア、シドニー大学建築・デザイン・計画学部。https ://web.archive.org/web/20111107120122/http://sydney.edu.au/architecture/research/research_archdessci.shtml

自然換気ガイドライン:

1. 建物全体の設計ガイド、国立建築科学研究所 http://www.wbdg.org/resources/naturalventilation.php 2016年11月21日アーカイブ、 Wayback Machine
2. 「医療現場における感染制御のための自然換気」、自然換気を備えた医療施設に関する世界保健機関による報告書（設計ガイドラインを含む）。http ://whqlibdoc.who.int/publications/2009/9789241547857_eng.pdf