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2021.12

換気扇はなぜ強い風で換気能力が落ちることがあるのか｜風圧力の計算式から逆流防止対策まで解説

屋外に設置した換気扇が、あるとき急に「風が強い日だけ換気が効かない」というトラブルを起こすことがあります。
実はこれ、建築基準法施行令が換気扇の構造そのものに求めている基準と、風がつくる圧力の物理計算まで遡ると仕組みが見えてきます。
定期検査ではこの検査事項を「壊れているか壊れていないか」だけで見てしまいがちですが、背景にある考え方を知ると立会いの説明が変わります。
風圧力の計算式と換気扇の換気力を比べる視点を、この記事でまとめて解説します。

うちのビルの換気扇、風の強い日だけ全然効いてない気がするんです。
故障ですかね。

故障とは限りません。
換気扇は、風がつくる圧力に負けて空気を送れなくなることがあるんです。

風の圧力って、そんなに簡単に計算できるものなんですか。

建築基準法施行令に計算の考え方が定められています。
数字を追うと、換気扇と風のどちらが強いか見積もれますよ。

この記事の結論

換気扇の判定基準は施行令第129条の２の５第２項第四号が根拠で、外気の流れで著しく換気能力が低下しない構造を求めている
風がつくる風圧力は、施行令第87条の考え方にならい速度圧に風力係数を掛けて見積もることができる
給気口と排気口（換気扇）の位置関係によって、風の影響の大きさは大きく変わる
一般的な住宅用の圧力扇の換気力は、風速わずか数メートル毎秒の風圧力で相殺されてしまうことがある
稀な逆流には逆流防止ダンパー、高頻度の逆流には換気扇そのものの見直しで対応する

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換気扇の判定基準になぜ外気の流れが出てくるのか

機械換気設備の検査結果表には「換気扇による換気の状況」という項目があり、判定基準が独特な言い回しになっています。
まずはこの検査事項がどんな条文にもとづくのかを確認します。

問１　直接外気に開放された給気口又は排気口に換気扇を設ける場合、施行令第129条の２の５第２項第四号はどのような構造にすることを求めているか。

答１　外気の流れによつて著しく換気能力が低下しない構造とすることを求めている。

換気扇は風に負けてはいけない、という趣旨の条文です。
検査結果表の判定基準も「外気の流れにより著しく換気能力が低下する構造となっていること」を要是正の条件とし、この条文をそのまま検査項目に落とし込んだ形になっています。
数値そのものは条文に書かれていませんが、屋外に露出した給気口・排気口に換気扇を付けるときは風の影響を織り込んで選定するという設計上の考え方が背景にあります。
定期検査では、この換気扇が実際に風の影響を受けやすい場所にあるかどうかをまず見極めることが出発点になります。
次の章では、その「風の影響」を数字で見積もる方法を見ていきます。

数値の基準がないなら、検査員の感覚で判定してるってことですか。

感覚ではなく、風圧力を計算式で見積もる考え方があります。
次でその式を紹介しますね。

風が建物に与える圧力はどうやって計算するのか

建物が風から受ける圧力には、構造計算の世界で使われる計算の考え方があります。
換気扇と風の力比べをする前に、この考え方を押さえておきます。

問２　施行令第87条は、建築物が風から受ける風圧力をどのような式で計算するとしているか。

答２　風圧力は、速度圧に風力係数を乗じて計算しなければならないとしている。

風圧力は「風の速さがつくる圧力」と「建物の形が受けやすさを増減させる係数」の掛け算です。
このうち速度圧は、空気の密度と風速の２乗に比例する物理量で、常温（20℃）の空気の密度を用いると速度圧はおおむね0.6×風速の２乗という式に近似できるとされています。
施行令第87条が定める正式な速度圧の計算では、地域ごとに国土交通大臣が定める30メートル毎秒から46メートル毎秒までの設計用の風速を使いますが、これは建物の構造強度を決めるための数値です。
換気扇が実際に負ける風かどうかを見積もるときは、この0.6×風速の２乗という考え方に、その場で吹いている風速を当てはめて目安を立てます。
風力係数は建物の断面や平面の形によって国土交通大臣が数値を定めるか、風洞試験で決めることになっています。

速度圧に風力係数を掛けるということは、同じ風速でも建物の形で圧力が変わるんですね。

そのとおりです。
換気扇がどの面に付いているかで、影響の大きさがまったく違ってきます。

換気扇の設置場所によってなぜ影響の大きさが変わるのか

同じ強さの風でも、換気扇の付き方次第で受ける圧力は大きく変わります。
基準書が示す独立家屋の例で確認します。

問３　給気口である窓と、排気口である換気扇が同じ面に開いている場合と、反対の面にある場合とで、風による影響はどう違うか。

答３　同じ面に開いている場合は風による影響はないと考えてよいが、反対の面にある場合は風による影響が大きい。

窓と換気扇が同じ壁にあれば風は素通りするだけですが、反対の壁にあると風の圧力差がそのまま換気扇にのしかかります。
独立家屋の例では、風上側の壁でおよそ0.8、風下側の壁でおよそマイナス0.4という風力係数が示されており、換気扇が風下側にあるとこの２つの係数を合計した値が効いてきます。
係数を合計すると1.2になるため、先ほどの0.6×風速の２乗という式に当てはめると、風圧力はおよそ0.72×風速の２乗という値になります。
風向きに影響されにくくしたいときは、換気扇の排気を屋上まで風道で抜いてしまうという設計上の工夫も紹介されています。
次の章では、この式に実際の風速を入れて、換気扇の換気力と比べてみます。

うちの換気扇、たしかに窓と反対側の壁に付いてます。
それでいつも風の影響を受けてたんですね。

そうかもしれません。
実際の数字で圧力の大きさを比べてみましょう。

換気扇の換気力は風の力にどこまで対抗できるのか

式で見積もった風圧力を、実際の換気扇の性能と比べてみます。
数字にすると換気扇の非力さが見えてきます。

問４　換気扇の中でも換気力の高い圧力扇の締切静圧と、風速５メートル毎秒の風がつくる風圧力を比べると、どちらが大きいか。

答４　圧力扇の締切静圧はおよそ16パスカルだが、風速５メートル毎秒の風はおよそ18パスカルの圧力を生み、換気力は相殺されてしまう。

住宅用クラスの換気扇は、たった秒速数メートルの風で負けてしまうほど非力です。
締切静圧とは、換気扇が風量をゼロまで絞られても出せる最大の圧力のことで、圧力の高い圧力扇でもおよそ16パスカル程度にとどまります。
一方、長い風道につながる大きな送風機であれば換気力は数百パスカルから数千パスカルにもなり、多少の風では影響を受けません。
つまり同じ「換気扇による換気」でも、住宅用の小さな換気扇と業務用の大きな送風機とでは、風に対する強さがまったく違います。
検査では、設置されている機器がどちらのタイプかを踏まえたうえで、風の影響を受けやすい立地かどうかを見ることが大切です。

数千パスカルも出せる送風機があるなら、最初からそれを付ければいいのでは。

設置スペースやコストの都合で難しいことも多いんです。
だからこそ、逆流を防ぐ工夫が必要になります。

風による逆流を防ぐにはどうすればよいのか

風に負ける可能性がある換気扇を、実務ではどう扱えばよいのでしょうか。
基準書が示す対応の考え方を見ていきます。

問５　換気扇が風の影響で逆流を起こす場合、どのような対応が考えられるか。

答５　稀に逆流が生じる場合は逆流防止ダンパーやシャッターなどを設けることで防止できるが、高頻度で起こる場合は十分な換気力を有する換気扇への変更などを管理者と協議する。

逆流の頻度によって、対策の重さを変えるという考え方が大切です。
逆流防止ダンパーやシャッターは、めったに起きない一時的な逆流を抑える部品としては有効ですが、風の強い立地で日常的に逆流が起きているなら根本原因は換気力の不足にあります。
基準書には、市街地か広い平地か、建物が低いか高いかによって、設計に使う地域の基準風速がおよそ４メートル毎秒から10メートル毎秒程度まで差があるという目安の表も示されています。
風の強い土地や高い建物ほど風圧力は大きくなりやすいため、そうした立地の換気扇は特に注意して検査する必要があります。
定期検査で逆流やにおい戻りの訴えを聞いたときは、部品交換の前に、まず風の影響が疑われる立地かどうかを確認するとよいでしょう。

うちは高い建物なので、風の影響も受けやすいということですね。

そのとおりです。
次回の検査で換気扇の設置状況もあわせて確認しましょう。