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窓開け等による車内換気効果に関する数値シミュレーション(試算)（その２）

(公財)鉄道総合技術研究所令和2年10月28日


研究の背景と目的

背景：換気促進のためには、窓の開口が有効であることが経験的にわかっている。しかし、列車走行時の窓開け換気の効果が実際にどの程度なのかについての定量的な知見は得られていない。

空気の乱れの可視化

（色は速度の大きさ）

目的：鉄道総研が開発した空気流シミュレーターを用い、窓開け換気の定量的な評価を試みる。具体的には、換気量の予測および換気促進方法を検討する。

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今回のシミュレーションの概要

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○前回のシミュレーションの結果（6月5日公表）窓開けのみによる空車時の換気効果を試算した結果、

• 窓の開口面積および列車速度に対して換気量は概ね比例して増加することを確認した。

• 標準的な通勤型車両が左右 3カ所、合計 6カ所の窓を10cm程度開けて速度約70km/hで走行した場合、換気量は0.3～0.4 m3/s、車内の空気が概ね5～6分に1回入れ替わることとなった。

○今回のシミュレーションの結果（10月28日公表）

前回のシミュレーションと同様に合計6ヶ所の窓を10cm程度開けて速度70km/hで走行した場合において、車内混雑度による換気効果への影響、空調装置の併用による換気効果への影響についてシミュレーションを実施した。

・車内混雑度による換気効果への影響については、乗車率が高くなるほど換気回数は多くなり、また換気量はほぼ変わらなかった。

・窓開けに加え、空調装置による強制換気(強制換気量:毎秒0:43m3)を併用した場合、換気量は毎秒約0.8m3、車内の空気は概ね2～3分に1回入れ替わることとなった。(空車時)

・今後、これらの場合の車内各所における空気の流れ等について詳細に評価を行う予定である。


・乗車率100%(160人)（車内の空気体積91m3）全座席に旅客が着席、ドア付近および座席間の全ての位置の旅客が吊り革、手すり、柱等につかまれる程度に立った状態

・乗車率50%(80人) （車内の空気体積103m3）全座席に旅客が着席、ドア両側全てに旅客が立ち、さらに数名が座席前に立った状態

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※ 空車（乗車率0%）における車内の空気体積 114m3

車内混雑度による換気効果への影響の評価①

車内の混雑度(乗車率)によって車内の空気体積は変化する。空車時の車内の空気体積は114m3に対し、乗車率50％では103m3、乗車率100％では91m3となる。


車内混雑度による換気効果への影響の評価②

換気回数と混雑度（乗車率）の関係

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※ 標準的な通勤型車両（窓6枚、窓幅1.2m）で窓を10cm程度開けて速度約70km/hで走行した場合、開口面積は約0.7m2

0.7※

車内の混雑度が窓開けによる換気量にどのように影響を及ぼすかについて、乗車率が0%（空車）、50%、100%の３つのケースでシミュレーションを行った。


車内混雑度による換気効果への影響の評価③

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乗車率

空車（0%） 50% 100%

①換気回数（車内の空気が

入れ替わる時間）

11.2回/h（5.3分）

11.9回/h（4.8分）

13.1回/h（4.5分）

②車内の空気体積 114 m3 103m3 91m3

③換気量（空気の流れ）

0.36m3/s 0.35m3/s 0.34m3/s

・シミュレーションの結果、標準的な通勤型車両(窓6枚、窓幅1.2m)で窓を10cm程度開けて速度約70km/hで走行した場合、下表のとおり、乗車率が高くなるほど換気回数は多くなり、また換気量はほぼ変わらなかった。

・これは、混雑度(乗車率)が高くなるほど、車内の空気体積が少なくなることにより車内の空気が入れ替わる回数が多くなるためと考えられるが、車内の各所における空気の流れについては引き続き詳細な評価を行う予定である。


空調装置の併用による換気効果への影響の評価①

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空気循環なし

外気導入なし

空気循環あり

外気導入なし

①換気回数（車内の空気が

入れ替わる時間）

11.2回/h（5.3分）

11.2回/h（5.3分）

②車内の空気体積 114 m3 114m3

③換気量（空気の流れ）

0.36m3/s 0.35m3/s

換気回数と空気循環の有無(外気導入なし)の関係

0.7※

※ 標準的な通勤型車両（窓6枚、窓幅1.2m）で窓を10cm程度開けて速度約70km/hで走行した場合、開口面積は約0.7m2

・空調装置や送風機による車内の空気循環（強制換気なし）が窓開けによる換気量にどのように影響を及ぼすかについてシミュレーションを行った。その結果、空調による空気循環の有無による換気量への影響には有意な差は見受けられなかった。


空調装置による空気循環

強制換気

送風機による空気循環

窓換気窓換気

強制換気

空調装置・送風機による空気循環

空調装置

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送風機

・この結果から、車内の空調（強制換気なし）により空気を循環させても窓開けによる換気量が変わらないことから、窓開けに加え空調装置によって強制的に空気の換気を行う場合の換気量は、窓開けのみによる換気量に、空調装置による強制換気量を足し合わせることによって評価できるものと考える。

車内換気量＝窓開けによる換気量＋空調装置による強制換気量

空調装置の併用による換気効果への影響の評価②


空調装置の併用による換気効果への影響の評価③

※ 標準的な通勤型車両（車両の長さ20m、窓6枚、窓幅1.2m）で窓を10cm程度開けて速度約70km/hで走行した場合

注窓を開けず空調装置による強制換気のみの場合、車内の空気が概ね5分に1回入れ替わる。(空車時の計算結果)

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• 標準的な通勤型車両の空調装置における強制換気量は毎秒0.43m3である。これを窓開けによる換気量※に加えると、乗車率０％の場合は換気量が毎秒0.8m3(毎分45～50m3)となる。

• この換気量では、車内の空気が概ね2～3分に1回入れ替わることになる。


今後の予定

【今後の検討事項】

◆ 混雑時の空調装置併用による換気効果の整理、詳細評価

◆ 列車の加減速を考慮した換気効果の評価

◆ 現車計測によるシミュレーションの検証

◆ 新幹線・特急車両における換気装置による換気効果の評価

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今回は車内混雑度や空調装置の併用が換気効果に及ぼす基礎的な影響について評価したものである。

今後、立った状態の旅客の頭の高さや着座の旅客の頭の高さにおける空気の流れが空調装置の有無によってどのように変わるかなど、車内の空気の流れについて詳細に分析を行っていく予定である。


以降、参考資料

【６月５日、公表資料】

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窓開け等による車内換気効果に関する数値シミュレーション（試算）

(公財)鉄道総合技術研究所令和2年6月5日

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研究の背景と目的

背景：換気促進のためには、窓の開口が有効であることが経験的にわかっている。しかし、列車走行時の窓開け換気の効果が実際にどの程度なのかについての定量的な知見は得られていない。

空気の乱れの可視化

（色は速度の大きさ）

目的：鉄道総研が開発した空気流シミュレーターを用い、窓開け換気の定量的な評価を試みる。具体的には、換気量の予測および換気促進方法を検討する。

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空気流シミュレーションによる試算結果

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• 走行時の窓開けによる車内換気効果を評価した。

• 窓の開口量および列車速度に対して換気量は概ね比例して増加することを確認した。

• 標準的な通勤型車両が左右3カ所、合計6カ所の窓を10cm程度開けて速度70km/hで走行した場合、換気量0.3～0.4m3/sと試算された。これは車内の空気が概ね5～6分に１回入れ替わることを示す。

ここでは、窓開けによる換気効果の評価（空車の場合）を実施車内の空調機を併用した時の換気効果、車内混雑度の影響、列車の加減速の影響、駅でのドア開放時の換気効果についても、今後、検討予定


解析プログラム：鉄道総研が開発した空気流シミュレーター（スーパーコンピュータCray XC50を使用）

計算格子：車両近傍を密にした不等間隔の直交格子計算格子数： 3760×270×275= 約3億点

（最大の計算ケースでは約9億点も実施）

空気流シミュレーターによる試計算

解析対象➢ 車両：通勤型車両3両編成（評価対象は中間車両（2両目））➢ 走行速度： 72km/h (20m/s)、 45km/h (12.5m/s)➢ 評価項目：窓の開口面積➢ 窓位置：左右3カ所、合計6カ所

車内のモデル化

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シミュレーション結果（換気量の評価例）

窓の開口面積および列車速度にほぼ比例して換気量が増加

全ての窓（6箇所）の

開口量は同一とする

窓の開口面積に対する換気量列車速度に対する換気量

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窓開け

窓幅窓幅窓幅

0.7

0.3～0.4


シミュレーション結果に基づく試算例

このシミュレーション結果に基づけば、

・時速約70km程度で走行する標準的な通勤型車両（窓6枚、窓幅1.2m）で、窓を10cm程度開けた場合、開口面積は約0.7m2となり、このときの換気量は毎秒約0.3～0.4m3(毎分約20～25m3)となる。

・この換気量では、約20mの長さの車両（車内の容積は約120m3）においては、車内の空気が概ね5～6分に1回入れ替わることになる。

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