建築・土木における「負圧」完全ガイド：原理・設計・施工・安全管理
エバープレイ編集部はじめに — 「負圧」とは何か
負圧（ふあつ）は、周囲の大気圧よりも低い圧力状態を指します。建築・土木の現場では換気・空調、隔離室や塵埃管理、真空揚重、トンネルや塀内の脱水・排気、さらには地盤工学における土壌吸力（マトリックサクション）など、多様な場面で「負圧」という概念が用いられます。本稿では、物理的原理から設計・測定、現場での運用とリスク管理までを深掘りし、実務で使える視点を中心に整理します。
負圧の基礎物理と単位
圧力は力を面積で割ったもので、国際単位系ではパスカル（Pa）を使います。1 Paは1 N/m2に相当し、大気圧は約101325 Pa（約101 kPa）です。工学で使う「負圧」は通常、周囲大気圧との差（ゲージ圧）を表し、-10 Paのように示します。空気は可 compressible ですが、建築の範囲での小さな圧力差（数 Pa〜数十 Pa）では密度変化は小さく、流速や漏気の計算に慣用式を使えます。
代表的な関係式（単純化）:
- ピトー式的な見積り：V ≈ sqrt(2·Δp/ρ)（Δpは圧差、ρは空気密度 ≈1.2 kg/m3）
- 流量：Q = V·A（Aは開口面積）
例：Δp = 10 Pa のとき、V ≈ sqrt(2·10/1.2) ≈ 4.1 m/s。開口が小さくとも、微小な圧差であっても実用的な風速・流量が生じることがわかります。
建築・換気分野での負圧の実務用途
- 隔離病室・汚染区域：感染性エアロゾルを外部へ拡散させないため、周囲より室内を負圧に保つ。ガイドラインでは負圧維持に加え一定の換気回数（ACH）を求める例が多い（後述の参考文献参照）。
- 塵埃・臭気管理：工事現場や実験室で局所排気を行い、作業域を負圧にして粒子や臭気の外部拡散を抑える。
- 塗装ブース・クリーンブース：外部からの汚染を防ぐ場合は正圧、内部の飛散を防ぐ場合は負圧を用いるなど運用に応じて選択。
- フォースドラフト（排気）による室内圧制御：送風（給気）・排気のバランスで建物全体や特定ゾーンを負圧に保つ。
負圧を作る方法と設計上のポイント
主要な手段は「機械排気（ファン）」による空気量差の作成です。一般的な構成要素は給気・排気経路の設計、気密化（シール）、圧力制御装置、圧差計測器です。設計上の主要ポイントは以下の通りです。
- 目標圧差の明確化：用途により必要な圧差が異なる。例えば隔離室では負圧を維持しつつ所定の換気回数を確保することが重要。
- 気密性の確保：ドア隙間やダクト取り合いでの漏気があると必要なファン容量が増える。防水・気密処理、セルフシーリング機構を考慮する。
- 給排気バランス制御：排気量を固定して給気をVAVなどで調整する方式が安定しやすい。逆に給気過多にすると負圧が失われる。
- 段差設計（エアロック）：人や資材の出入りが多い場合、バッファーゾーンを設けて圧変動を緩和する。
測定・検査・計算の実務
圧差測定は差圧計・マノメータ（U字管、電子差圧計）で行います。測定点は目標ゾーンの代表位置とドア際など変動が出やすい場所に配置します。自動監視では差圧センサーを常時監視・記録し、アラーム設定を行います。
漏気・流量の見積りには前述の単純モデルや、空気侵入係数を用いた経験式を使います。詳細設計では CFD（数値流体解析）や実測を組み合わせると精度が向上します。計測では温度・風向・外気圧の影響も考慮してください。
地盤・土木分野における「負圧（吸力）」の意味
土木では「負圧」が大気に対する負圧を示す場合と、土壌中のマトリックサクション（土壌吸力）を指す場合があります。後者は飽和していない土の吸引力で、強度や沈下、透水性に影響します。測定にはテンシオメータ、センサー、フィルターペーパー法などが用いられ、単位は通常kPaが使われます。吸力が変化すると土の有効応力やせん断強さが変わり、斜面安定解析や盛土設計で重要となります。
実例と数値の目安（現場で使える指標）
- 隔離室（医療）：多くのガイドラインは負圧維持に加え換気回数を要求します。圧差の目安例としては数 Pa（1〜15 Pa）程度が実務上採られることが多いが、運用条件により設定は異なります（参考文献参照）。
- 塗装ブースや局所排気：局所的には-10 Pa程度の制御が行われることがある。製品や作業環境に合わせて設計。
- 真空揚重機：板材などの吸着に用いる真空はしばしば-50 kPa〜-80 kPa（ゲージ）といった大きな負圧が使われる。これは空気をほぼ抜いた状態に近い強い負圧領域であり、機器の安全弁や冗長化が必要。
- 土壌吸力：飽和近傍では数 kPa、乾燥時には数百〜数千 kPaになることがある（材料や条件に依存）。設計では測定データを用いることが不可欠。
施工・維持管理での注意点とリスク
- 圧変動によるドアの衝撃や開閉困難：ドアの仕様やヒンジ、アプローチを設計時に検討する。
- 構造物への影響：大きな負圧や真空状態は薄膜や仮設シートに力を与える。風圧との組合せで破損する可能性があるため安全係数を取る。
- 火災・排気ガスの逆流リスク：排気系統の故障で負圧が外部の汚染物質を引き込む恐れがある。監視と二重系統化を検討する。
- 凝縮・結露：冷たい表面で負圧による湿った空気が流入すると結露が発生し、カビや腐食を招く。温湿度管理が重要。
- 定期校正と点検：差圧センサー、ファン、ダクト、シール材は定期的に点検・校正し、記録を保持する。
監視・運用のベストプラクティス
自動差圧監視、ログ保存、しきい値アラーム、目視での簡易チェック（ドアのすり合わせ、煙紙やスモークの挙動確認）を組み合わせます。運用マニュアルには起動・停止手順、緊急時対応、定期点検項目と頻度を明記してください。また、施工後の実働試験（ブロワー試験、換気回数測定、負圧継続時間確認）が品質保証上重要です。
まとめ
負圧は建築・土木の多くの分野で使われる重要な概念であり、適切な設計・測定・運用が不可欠です。小さな圧差でも有意な空気流が生じ、目的に合わせた気密化、給排気バランス、監視体制が成功の鍵になります。また、地盤分野での吸力や真空機器の高負圧など、用途によって物理的スケールが大きく異なるため、それぞれの領域に応じた専門的検討が必要です。
参考文献
- CDC — Guidelines for Environmental Infection Control in Health-Care Facilities: Air
- WHO — Natural Ventilation for Infection Control in Health-Care Settings
- ASHRAE — American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (基準・ガイドライン)
- Soil suction — Wikipedia（入門解説：土壌吸力・測定法）
- Vacuum lifter — Wikipedia（真空揚重の概説）
投稿者プロフィール
