今回はストーブの４回目として、ストーブを稼働させたときの室内の二酸化炭素濃度の影響について検討します。前回は開放式ストーブの燃料消費特性からエアコンとの併用について検討し、二酸化炭素の排出（ここでは温室効果ガスとして）を減少させることが難しいことを報告しました（「ストーブ(3)－エアコンとの併用」を参照ください）。
開放式ストーブは排ガスを室内に排出するため、室内の二酸化炭素濃度を上昇させることが問題です。そのため、ここではまず二酸化炭素濃度が人の健康等に与える影響を文献により整理します。そして、実際にストーブを燃焼させた場合の二酸化炭素濃度を測定し、その対策について検討します。
現在の建築物には2003年の建築基準法改正によって24時間換気システムが導入されています（「湿度の管理(1)－結露対策」を参照ください）。24時間換気システムは高気密な建築物におけるシックハウス症候群のために導入されたものです。ゆっくりと換気されるので、開放式ストーブから排出される二酸化炭素の換気などには効果がないと考えられているようです。そのため、高気密の建築物では開放式ストーブの使用は推奨されておりません。本検討は、2003年以前に建てられた低気密、低断熱の建築物における開放式ストーブによる二酸化炭素濃度の上昇に対する対策の検討を行うものです。
二酸化炭素の人の健康等への影響
二酸化炭素は大気中に0.04％（400ppm）程度存在しています。二酸化炭素は毎年上昇していますので、正確には2020年の二酸化炭素濃度は413ppm（世界中の138観測点の平均）です1)。2019年の測定値と比べると2.5ppm増加しています。工業化以前の1750年には278ppmでしたので、既に約1.5倍に増加しているということが分かります。
日本においても産業活動がそれほど活発でなく、人的な影響がない地点で二酸化炭素濃度が観測されており、年々増加していることが分かります2)。下図に示すように季節変動があり、夏と冬で10～15ppm程度の差があります。夏季に植物の光合成が活発化することで濃度が減少し、冬季には呼吸・分解活動が優勢となって濃度が上昇するためです。
この二酸化炭素濃度の上昇が地球温暖化の原因であるとして、その排出を削減するというのが我々の喫緊の課題になっています。しかし、ここでは大気中の二酸化炭素濃度ではなく室内の二酸化炭素濃度について、特に人の健康や作業効率に与える影響について検討します。
室内では二酸化炭素は、人の呼吸やストーブでの燃焼によって発生し、大きな濃度になることがあります。後に示すように、密閉された室内では開放式石油ストーブを燃焼させると室内の二酸化炭素濃度が急激に増加していきます。このような濃度上昇が人間の健康に与える影響はどうなのでしょうか。
室内環境における人の健康等への影響について、建築系の参考文献として下表があります3)。同表では人間の呼吸に影響を与える二酸化炭素濃度は4～5％（40,000～50,000ppm）とされています。8％（80,000ppm）になると「強度の呼吸困難・顔面紅潮・ 頭痛を起こす」とされています。
表-1 二酸化炭素濃度と人体への影響
| 濃度（％） | 意 義 | 適 用 |
|---|---|---|
| 0.07 | 多数継続在室する場合の許容濃度 | 二酸化炭素そのものの有害限度ではなく、空気の物理的・化学的性状が二酸化炭素の増加に比例して悪化すると仮定したときの汚染の指標としての許容濃度を意味する |
| 0.1 | 一般の場合の許容濃度 | |
| 0.15 | 換気計算に使用される許容濃度 | |
| 0.2～0.5 | 相当不良と認められる | |
| 0.5以上 | 最も不良と認められる | |
| 4~5 | 呼吸中枢を刺檄して、呼吸の深さや回数を増す。呼吸時間が長ければ危険。酸素の欠乏を伴えば、被害は早く生じて決定的となる | |
| ～8～ | 10分間呼吸すれば、強度の呼吸困難・顔面紅潮・頭痛を起こす。酸素の欠乏を伴えば，障害はなお顕著となる | |
| 18以上 | 致命的 | |
それ以下の濃度については、「二酸化炭素濃度そのものの有害限度ではなく、空気の物理的・化学的性状が二酸化炭素濃度の増加に比例して悪化すると仮定したときの汚染の指標としての許容濃度を意味する」とされています。その際の許容濃度は0.1％（1,000ppm）、換気の設計に用いられる許容濃度は0.15％（1,500ppm）とされています。
また、これより低濃度の作業環境では集中力が散漫になり作業効率に影響を与えるという報告もあります4)5)6)。60分間のタイピング作業において、二酸化炭素濃度が3,500ppmの環境下では、600ppm、2,000ppmに比べて総入力文字数が5%、正解入力文字数が３％減少したとされています4)。また、オフィス室内において22名の学生を600ppm、1,000ppm、2,500ppmの二酸化炭素濃度で1日合計7.5時間暴露させたところ、1,000ppmで有意に意思決定能力が低下したと報告されています5)。また、20名の学生に1,000ppm、2,000ppm、4,000ppmの二酸化炭素濃度の環境下で15分間の日本語単語の分類作業を行った結果、濃度別に回答数には有意の差はなかったとの報告があります6)。これらからは作業効率（能力）には二酸化炭素濃度と暴露時間が影響していると思われます。
二酸化炭素濃度の法規制については、1970年に制定された「建築物における衛生的環境の確保に関する法律」（建築物衛生法）において、「建築物環境衛生管理基準」が規定され、二酸化炭素の空気環境基準として1,000ppmが定められています7)。なお、建築物衛生法の対象は特定建築物です。特定建築物とは、興行場、百貨店、店舗、事務所、学校等の多数の人が利用する建築物であり、延べ床面積が3,000m2以上（学校の場合は8,000ｍ2以上）の建物とされています。
一方、労働安全衛生法（1972年法律第57号）の省令43号で定められた「事務所衛生基準規則」では、第3条で「労働者を常時就業させる室では二酸化炭素濃度を5,000ppm以下」とするとされています8)。また第5条では「空気調和設備または機械換気設備を設けている場合は、室に供給される空気が1,000ppm以下」とされています。
これらの法律はいずれも事務所などの大勢の人が集まる建築物内でのことであったり（建築物衛生法）、長期的な暴露を前提としたものであったり（事務所衛生基準規則）するため、一般の住居にどのように適用すべきは明確ではありません。
しかし、一般の住居においても、換気設備の設計時には、この建築物衛生法の基準（1,000ppm）が使われているようです。また、前述の参考文献５では世界中の基準値（指針値）を調べており、表-2に示すようにカナダの基準（3,500ppm）を除いて多くの国で1,000ppmを指針値としていると報告されています5)。
表-2 諸外国における室内の二酸化炭素濃度の指針値
| 諸外国 | 設定年 | 室内濃度の指針値（ppm） | 対 象 |
|---|---|---|---|
| カナダ保健省 | 1987 | 3,500以下（許容可能な長期曝露範囲） | 居住空間 |
| カナダ保健省 | 1995 | 1,000未満（換気の指標） | オフィス環境 |
| シンガポール環境省 | 1996 | 1,000未満(8時間平均，換気の指標） | 空調設備を有するオフィスピル |
| ノルウェー厚生省 | 1999 | 1,000未満（最大値，室内空気汚染の指標） | 居住空間 |
| 中国環境保護総局 | 2002 | 1,000未満（24時間平均） | 住宅とオフィス |
| 中国香港特別行政区 | 2003 | 8時間平均 最良質：800未満 良質：1,000未満 | 機械換気や空調設備を有する建物や閉鎖空間 |
| 韓国環境部 | 2003 | 1,000以下 | 大規模店舗，医療機関等 |
| ドイツ連邦環境庁 | 2008 | 1,000未満（無害とみなされる） 1,000~,2000（有害性が上昇する） 2,000超（許容できない） | |
| 台湾環境保護庁 | 2012 | 1,000以下（8時間平均） | 公共の室内空間 |
石油ストーブ燃焼時の二酸化炭素濃度の測定
（１）測定対象の石油ストーブ
ここでは、前回の報告で消費電力を測定した開放式石油ストーブを燃焼させた場合の二酸化炭素濃度を測定します。その石油ストーブは（株）コロナの石油ファンヒータ（FH-G3215Y）です。その仕様を下表に示します。石油ファンヒータは灯油を気化させ、空気との混合ガスに変えて燃焼させ、発生した熱を送風ファンによって室内に送り出す仕組みになっています。その原理や燃焼特性の詳細については、前回の報告を参照ください（「ストーブ(3)－エアコンとの併用」）。
表-3 測定に用いた開放式石油ストーブの仕様（再掲）
| 項 目 | 内 容 | |
|---|---|---|
| 型 式 | FH-G3215Y | |
| メーカー | 株式会社コロナ | |
| 種 類 | 強制通気形開放式石油ストーブ | |
| 点火方式 | 高圧放電点火 | |
| 使用燃料 | 灯油 (JIS 1号灯油） | |
| 燃料消貴璽 | 最大 | 3.19kW (0.310L/h) |
| 最小 | 0.66kW (0.064L/h) | |
| 暖房出力 | 最大 | 3.19kW |
| 最小 | 0.66kW | |
| 騒音 | 35dB（最大燃焼時）／21dB（最小燃焼時） | |
| タンク容量 | 5.0L | |
| 燃焼継続時間 | 16.1時間（最大燃焼時） | |
| 暖房のめやす | 木造 15m2 (9畳）まで | |
| コンクリート 20m2 (12畳）まで | ||
| 外形寸法 | 高さ426 mm 幅394 mm 奥行き324mm | |
| 質量 | 9.3kg | |
| 電源電圧及び周波数 | 100V 50/60Hz | |
| 定格消費電力 | 点火時最大650W・燃焼時20W | |
| 待機時消費電力 | 0.8W | |
| 販売年 | 2016年 | |
出所）株式会社コロナ、石油ファンヒータ取扱説明書
（２）二酸化炭素濃度の測定方法
測定を行った時の石油ストーブ、各種センサー類、換気用の窓の配置を下図に示します。部屋は4.8ｍ×4.22ｍの20.3m2です。東側にドアがあり、西側に窓があります。石油ファンヒータは南西の窓側にあり、二酸化炭素濃度計と温度計は北西の窓側に配置されています。
測定に用いた二酸化炭素濃度計の仕様を下表に示します。本製品は中国製のPG-L28A-CO2ですが、非分散型赤外線方式（NDIR）のセンサーです。経済産業省は二酸化炭素濃度測定器の選定に関するガイドライン9）を通知しており、その選定基準は以下の通りです。
●検知原理がNDIR等の光学式であること
●校正用の機能が付帯していること
本測定器は自動校正機能を有していますが、初回起動時は手動で校正を行います（屋外での濃度420ppmを確認）。
表－4 二酸化炭素濃度計の仕様
| 項 目 | 内 容 | 外 観 |
|---|---|---|
| 型 式 | PG-L28A-CO2 |  |
| センサー | 非分散型赤外線方式 NDIR (Non Dispersive InfraRed) |
|
| 測定範囲 | 400～5,000ppm | |
| 測定感度 | １ppm | |
| 電 源 | 内臓リチウム電池1,200mAh | |
| 寸 法 | 70mm×90mm×35mm | |
| 質 量 | 140g |
（３）二酸化炭素濃度の測定結果
石油ストーブを燃焼させた時の二酸化炭素濃度の測定結果を下図に示します。測定開始2分後に石油ストーブのスイッチをONにし、その後2分30秒は予熱しているため、温風が放出されるのは測定開始の4分30秒後です。
二酸化炭素濃度はスイッチON時の560ppmからスイッチOFF時（44分後）の2,110ppmまで直線的に上昇します(測定開始前にストーブを利用していたため、初期濃度が若干高くなっています)。スイッチOFF後は濃度が自然に低下していき、測定開始1時間20分後には1,393ppmまで低下しました。
この濃度の低下が比較的速いのは、測定中にドアから人が出入りしていることや、低気密の建築物であるためと思われます。しかし、石油ストーブの燃焼していた44分間で二酸化炭素濃度が1550ppmも増加しており、建築物衛生法に示された指針値（1,000ppm）を軽く超えてしまっています。
次に、二酸化炭素濃度を表-1の換気計算に使用される許容濃度（0.15％: 1,500ppm）を目標として換気を行った時の濃度と室温を観察しました。下図は二酸化炭素濃度が1,500ppmを上回ったときに、配置図にある西側の窓を開放して4～5分程度換気したときの二酸化炭素濃度と室温の変化です。
これを見ると、換気により二酸化炭素濃度は500～600ppm程度まで下がりますが、直ぐに上昇し1,500ppmを越えてしまいます。そのため、換気を15分に1回程度行わなければならないことになります。その結果、室温は20℃から16～17℃まで低下するため、燃料に用いている灯油の消費量が増加することが想定されます。
本機の機能に、1時間経過後に換気のアラートが点灯される機能がついており、暖房機メーカーは1時間に1回の換気を推奨しているようです。また、2時間経過した時にはスイッチが切れる機能がついています。下図に二酸化炭素濃度の上昇しているグラフを外挿して長時間燃焼させた場合の濃度を推計しました。この図から1時間後の二酸化炭素濃度は3,000ppm未満であり、2時間後には5,000ppmを超えることが分かります。
（4）室内の二酸化炭素濃度上昇への対策
これまでの文献値から、長時間の暴露を前提とした場合には二酸化炭素濃度を1,000ppm以下にすることが必要であることが分かっています。しかし、1,000ppmを遵守しようとすると、換気を頻繁に行わなければなりません。そして、換気を頻繁に行う場合、室温が低下するために石油ストーブの灯油消費量を増加させてしまうことになります。
そこで石油ストーブのメーカーの設計思想は、「室内での長時間の暴露を避けて直ぐに換気することとし、1,000ppmを超過する濃度を許容する」というものと思われます。具体的には石油ストーブの1時間経過後の換気アラートのように、最大暴露時間を1時間として、今回の測定結果のように3,000ppm未満までを許容するという考え方です。これまでの低断熱、低気密の建築物においては、生活上の利便性や省エネを考慮してやむを得ないのではないかと思われます。
ただし、室内で勉強や注意力を伴う作業などを行う際は、集中力の低下に注意することが必要です。また、二酸化炭素はストーブのような暖房機だけでなく調理器具（ガスコンロ等）や人の呼気からも排出されますので、リビングでのガスコンロの使用や大勢人が集まるときの二酸化炭素濃度には十分に留意する必要があります。
これらのことから、二酸化炭素濃度を心配しなくても良い根本的な対策は、開放式のストーブを利用せず寒冷地で使用されている密閉式または半密閉式のストーブ（排気を室外に排出するストーブ）を利用することです。また、温暖地であれば断熱性を高めてエアコンを使った暖房に切り替えることが有効と言えます。
これまで、二酸化炭素濃度を測定したことはなかったのですが、今回の測定によって換気がいかに重要かということが分かりました。2003年建築基準法の改正前の低断熱、低気密の建築物においては開放式石油ストーブを使っていくこともやむを得ないと思われますが、室内環境を室温だけでなく空気質も快適に保つために、今後はこのようなセンサーを使って、健康と快適性を維持していくことが必要です。
まとめ
本報告では、燃料を使った開放式ストーブを稼働させた時の二酸化炭素濃度の人への影響について取り上げました。そして、実際に石油ストーブを燃焼させた時の二酸化炭素濃度を測定し、その影響と対策について検討しました。
まず、文献により二酸化炭素濃度の人の健康への影響を調べました。二酸化炭素が4～5%（40,000～50,000ppm）のレベルで、生理的な影響として「呼吸中枢を刺檄して、呼吸の深さや回数を増す、呼吸時間が長ければ危険。酸素の欠乏を伴えば、被害は早く生じて決定的となる」とされています。また、低濃度でも作業効率や判断能力の低下が報告されています。ただし、これは濃度と暴露時間が影響を与えているようです。
日本の（建築物衛生法）において、「建築物環境衛生管理基準」が規定され、二酸化炭素の空気環境基準として1,000ppmと定められており、住居に対してもこの基準を用いて換気設備等の設計が行われています。また、世界的にもカナダの3,500ppmを除いてほとんどの国が1,000ppmを室内環境の指針値としています。
実際に石油ストーブを用いて燃焼時の二酸化炭素濃度を測定しました。二酸化炭素濃度は測定開始時の560ppmからスイッチOFF時（44分後）の2,110ppmまで直線的に上昇します。スイッチOFF後は濃度が自然に低下していき、測定開始1時間20分後には1,393ppmまで低下しました。濃度上昇の実績値を外挿すると、燃焼1時間で3,000ppm未満、2時間で5,000ppm程度になることが推計されました。
二酸化炭素濃度の過度な上昇を避けるため、1,500ppmを超えると換気を行うという方法で濃度を測定した結果、15分ごとに換気をする必要がありました。4～5分間の換気後は500～600ppm程度に低下するのですが、換気終了後は直ぐに上昇し1,500ppmを超過してしまいます。その結果、冷気が室内に入るため、室温は16～17度まで低下してしまいます。このことから、二酸化炭素の室内環境の指針値を遵守することは、生活の利便性や省エネの面からかなり難しいことが分かりました。
文献における作業効率性の実験結果は濃度と暴露時間が大きな影響を与えているようでした。石油ストーブには稼働1時間後に換気のアラームが点灯するという機能があります。低断熱で低気密の住居においては、この機能を利用して必ず換気を行うことで長時間の暴露を防止すれば、室内環境の指針値を超過する濃度を許容することも可能ではないかと思われました。
ただし、室内で勉強や注意力を要する作業などを行う際は、集中力の低下に注意することが必要です。また、二酸化炭素はストーブのような暖房器具だけでなく調理器具（ガスコンロ等）や人の呼気からも排出されますので、リビングでのガスコンロの使用や大勢人が集まるときの二酸化炭素濃度には十分に留意する必要があります。
しかし、根本的な対策は開放式ストーブを使わずに、密閉式または半密閉式のストーブを利用することです。これらは排気を室外に排出するため、室内の二酸化炭素濃度は上がりません。また、比較的温暖な地域では住居の断熱性を高めて、エアコンのみで暖房を賄うことが有効です。
これまで、二酸化炭素濃度を測定したことはなかったのですが、今回の測定によって換気がいかに重要かということが分かりました。室内環境を室温だけでなく空気質も快適に保つために、今後はこのようなセンサーを使って、健康と快適性を維持していくことが必要です。
＜参考文献＞
1）世界気象機関： 2020 年 12 月までの世界の観測結果に基づく大気中の温室効果ガスの状況（気象庁訳）、WMO 温室効果ガス年報、第17号、2021年10月25日
2）気象庁：二酸化炭素濃度の経年変化、2021年10月25日、https://ds.data.jma.go.jp/ghg/kanshi/ghgp/co2_trend.html
3）宇田川光弘、他：建築環境工学－熱環境と空気環境（改訂版）、朝倉書店、2020．
4）三村凌央、近本智行：教室の学習環境と学習効果に関する研究（9報）、CO2濃度変化及び温熱環境が作業性と生理心理量に及ぼす影響、空気調和・衛生工学会学術講演論文集、Vol.8 、2018年9月
5）東賢一：室内環境における二酸化炭素の吸入暴露によるヒトへの影響、室内環境、Vol.21、No.2、2018.
6）竹村明久：室内CO2が知的作業効率とストレスに及ぼす影響、一般財団法人大成学術財団、2018 年度助成研究梗概書
7）1970年政令第304号「建築物の衛生的環境の確保に関する法律施行令」
8）1972年労働省令43号「事務所衛生基準規則」
9）経済産業省、産業用ガス検知警報器工業会：二酸化炭素濃度測定器の選定等に関するガイドライン、2021年11月1日