JP7291355B1

JP7291355B1 - 清浄環境システムおよびエネルギー環境システム

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Publication number: JP7291355B1
Application number: JP2022067912A
Authority: JP
Inventors: 晃石橋
Original assignee: C' STEC CORPORATION; HIEI KENSETSU CORPORATION; ISHIBASHI KENCHIKU JIMUSHO CORPORATION; KINDAI SETSUBI SEKKEI JIMUSHO CORPORATION
Current assignee: C' STEC CORPORATION; HIEI KENSETSU CORPORATION; ISHIBASHI KENCHIKU JIMUSHO CORPORATION; KINDAI SETSUBI SEKKEI JIMUSHO CORPORATION
Priority date: 2022-04-15
Filing date: 2022-04-15
Publication date: 2023-06-15
Anticipated expiration: 2042-04-15
Also published as: JP2023157784A

Abstract

【課題】エネルギー効率が高く、断熱性が高い清浄環境システムを提供する。【解決手段】ガス交換ユニットと、ファンフィルターユニットとを含み、前記ガス交換ユニットは、外界との間で気流としてのガス交換のない孤立閉鎖系を構成する部屋または閉空間の気体と、前記外界の気体との間の少なくとも一部に配置され、前記部屋または閉空間の気体と前記外界の気体との濃度勾配によって気体分子を交換しダスト微粒子を実質的に通さないガス交換膜を有し、当該ガス交換膜を伝導により横切る熱量が、在来換気を適用した場合の換気で失われる熱量より小さく、前記ファンフィルターユニットは、前記部屋または閉空間に配置される、清浄環境システム。【選択図】図１

Description

本発明は、清浄環境システムおよびエネルギー環境システムに関する。

地球は、宇宙空間に浮かぶ孤立閉鎖系であるが、現代文明の進歩に伴い、地球サイズ／ヒューマンアクティビティは、かつてのように無限大とみなすことができず、有限であるとして対策を立てねばならない状況となってきている。

２０２１年のノーベル物理学賞は、地球に降り注ぐ太陽光エネルギーによる地温の上昇、対流、地表からの黒体輻射、その大気中のＣＯ_２などによる吸収を総合的に解析しての地球温暖化の上記ＣＯ_２濃度などのパラメータ依存性、定量的解析に与えられた。同様の解析は、降り注ぐ太陽光エネルギーのビル・建屋、道路等都市構成要素による吸収、都市ビル群・建屋での室内空調等によるエネルギー消費の低減などを考慮することで、都市気候悪化の緩和にも有効である。

本来、地球人類は、宇宙空間に置いて太陽という地球外遠隔地にあって大出力でかつ長期的に安定である完全な核融合炉を有していると捉えることができる。太陽・地球間は、真空であり、空間伝送時のエネルギーロスはない。この核融合炉の利用上の課題は、その最終段階即ち、当該核融合エネルギーによる黒体輻射の地球上におけるディテクター（即ち太陽電池）の効率が高くないことと、太陽光エネルギー密度が低いことである。この後者の欠点のため、大出力の太陽光発電システムは、非常に広い太陽電池設置面積を必要とする。従来の典型的（すなわち非集光の）系太陽光発電では、太陽光を受けた場所で電子。ホールペアが生成し、発電を行っている。つまり受光と光電変換の機能が空間的に縮退している。このため、大出力の太陽を行うには、即ち、メガソーラーを設置するには、きわめて広い敷地が必要となっている。

上記の低エネルギー密度であることに対する一つの方策は、レンズやパラボラアンテナによって光を集めて光密度を上げた集光系太陽光発電システムを組むことであるが、受光部と発電部が三次元的光伝搬でつながっており非常にバルキーとなるため、メトロポリタンエリアに導入することは極めて難しい。

狭い国土の日本では、面積確保が難しく、無理な太陽光発電用造成を行って、災害を招くなどの悲劇も起こっている。両面発電太陽電池の有効性が提案され、一部すでに実施が進んでいる（非特許文献１，２）が、これは、構造上、表と裏の２方向からに留まっており、四方からの光を受け得るというところまでは至っていない。また、折角発電した電気エネルギーの効率的な活用に向け、送電ロス（非特許文献３）を未然に防ぐ意味でも、エネルギー版の“地産地消”も必要であるが、本来大規模発電所が立地して然るべき、一大電力消費地である都会には、太陽光発電システムを大規模に導入するための有効な方策が打ち出せていない。一つの方策は、都市の建物の側面を利用することがあげられる。しかし太陽光パネルをそのままビル側面に張り付けるのは、数十棟に１～２棟ならまだしも、ほとんど全てのビルに適用することは、パネルが濃い紺色あるいは黒色であることを考慮すると、都市景観上、人々に受け入れられることはないと思われる。

以前より、フラクタルの概念を用いた解析も進み、都市空間構造や道路網の解析、あるいは、その形態の分類等の分野へ応用され、都市形態を客観的に定量化することがなされて来たが、喫緊の課題である都市気候変化の緩和や都市におけるエネルギー・環境問題へ絡めた展開には至っていなかった（非特許文献４、５）。

他方、メトロポリタンエリアが大電力消費地であることに起因するヒートアイランド現象や都市気候の悪化傾向の緩和に向け、最近、高反射率の白色ペイントが報告され、実際に当該ペイントを施された物体・壁の温度を、周りの温度に比べて低く保つことが可能であることが示されている（非特許文献６）。この反射により周囲に戻された太陽光成分を、今後もし発電に回すことができれば、より効果的なエネルギー利用と都市気候悪化の緩和につなげることができると期待される。

環境側の面について考察すると、人類は現在、コンピュータ技術の発展に伴い、情報処理・通信環境に関しては、有史以来かつてない高度で便利な環境を実現し、いわば脳にとっては刺激的かつ申し分のない良好な場を実現していると言えようが、反面、体にとっての環境としては、汚染物質の増加や空気中の塵埃、感染性の細菌の浮遊等、現代社会は必ずしも良好な環境とは言い難い。

クリーン環境としては、大規模な半導体製造用として従来から存在している。しかし、これは、プロユース、つまり工業用であり、一般住宅などに用いられるいわゆる民生用としては導入されていない。かつて計算機の世界で、ビジネス用大型コンピューターメインフレームと一線を画する形で、“Computer for the rest of us”を掲げてパーソナルコンピューターが勃興したように、２１世紀に入り、環境の重要性が益々高まる中、パーソナルコンピューターの“クリーン環境版”というものが現れても良い。事実、高性能化されて久しい大規模クリーンルームというまさに“メインフレーム”の対極にあるパーソナルクリーンスペースというのは、今後、純粋な民生用に限らず、病院や養護老人施設等の感染症のリスク回避が重要な場面で必ず重要になってくる。特に、ＰＭ２．５問題、花粉症対策、更には、喘息症状の緩和や細菌性肺炎の防止などの観点からも、生活空間の微生物存在（microbial)環境（マイクロビアル環境）も含めて空気環境を制御することは、このように今後益々重要となってくる。このため、我々はクリーンユニットシステムプラットフォーム（ＣＵＳＰ）を提案し、清浄環境としての進歩をもたらしてきたが（特許文献１、２、３）。

都市気候変化の緩和、ＳＤＧｓ実現の要素の一つであるゼロエネルギービルディング／ハウス（ＺＥＢ／ＺＥＨ）の実現に向けて、エネルギーコンサンプションを低減する為にも、自然換気、機械換気に続く第３の換気法の実現が望まれる。在来の清浄環境システム（クリーンルーム）の技術では、空気濾過と外気導入の機能が空間的に縮退している。このため在来型クリーンシステムで用いられるファンフィルターユニット（ＦＦＵ）では、フィルター部での圧力損失が大きい。

即ち、新型コロナ対策に向け、中性能フィルターではなく、ＨＥＰＡフィルターを、更にはＵＬＰＡフィルターを用いて、より細かい浮遊塵埃・菌の除去を目指す必要があるが、目が細かいフィルターであればあるほど、同時に、それを空気が通過する為に大きな圧力が必要であり、フィルター通過後は大きな圧力損失が生ずる。この際の気流を送り込むためのファンモータの電力も大きくならざるを得ない。即ち、濾過膜に対して気流を押し付けて、濾過を行う在来技術では、濾過の緻密さを上げれば上げるほど物質濾過量は増えるものの圧力損失も増大し（非特許文献７）、大電力が必要とされる問題を抱えている。半導体製造のクリーンルームの例を引き合いに出すまでもなく、在来技術では、高清浄度実現と低消費電力化は互いに相入れない２つの要求ということができる。

根本的には、室内の空気質を維持するには外界の酸素を取り入れ、室内の増大した二酸化炭素を排出すればよい。つまり、空気中の窒素は人間活動に対し、中立なバイスタンダーであるにも拘わらず、従来の換気は、空気中の酸素や二酸化炭素のみならず窒素も含めて丸ごと室内外で入れ替えているために、無駄な送風エネルギーならびに、本来不要の室内空調エネルギー消費を伴うため、エネルギー効率が高くなかった。根本的には酸素と二酸化炭素の変化分（減少した酸素と増大した二酸化炭素）のみを入れ替えればよいので、本来は換気に伴う室内空調エネルギー消費はミニマイズできるはずであるが、これが実現できていない。

これまでのビルなどの建屋内換気法は、自然換気や機械換気など気流によるものしかなく、分子の拡散によるものは、エネルギー利用効率の観点からは、十分に解析されておらず、本来の優れた特性を１００％生かされている状況ではなかった。

よい比較対象となる熱電変換素子では、温度差による発電を行うところ、熱伝導を担うフォノンと電子について、フォノンにほる熱伝導を極力抑えることが高出力につながる（非特許文献８）が、この換気版というものはまだ定式化されていない。我々は拡散換気の新概念を以って、室内空気の酸素・二酸化炭素濃度を良好に保つガス交換ユニットを実現してきた（特許文献１、３）。

また、熱力学第２法則を見据えつつ、リニューワブルエネルギー特に太陽光発電を活用した新しいエネルギー・環境システムを構築して、ネットゼロエネルギービルディング／ハウス（ＺＥＢ／ＺＥＨ）の実現、都市機構変化の緩和、ひいてはエネルギー利用効率をあげることによる地球温暖化防止へつなげていくことが重要である。効率的な最適解を求めねばならない。

米国特許第１０６７７４８３号明細書国際公開第２０１４／０８４０８６号特許第６２９２５６３号公報

「bifacial-solar-cells」［令和３年１２月２２日検索］、インターネット〈ＵＲＬ：https://www.futurity.org/bifacial-solar-cells-panels-power-2237612/〉「両面太陽光発電発電量推移実績データ」［令和３年１２月２２日検索］、インターネット〈ＵＲＬ：http://www.nishiyama-s-denki.co.jp/data/hokuto_kuranuma_all.pdf〉「送電ロスとは」［令和３年１２月２２日検索］、インターネット〈ＵＲＬ：http://nanoc.imr.tohoku.ac.jp/column.html〉黒岩孝、宮本和樹、大内宏友、松原三人、「３次元都市空間における街区モデルのフラクタル性に関する研究」、環境情報科学論文集１６巻、ｐ．４９、２００２年：［令和３年１２月２２日検索］〈ＵＲＬ：https://acaddb.com/articles/articles/11442326〉水野節子，掛井秀一「都市街路形態のフラクタル解析」、日本建築学会計画系論文報告集第414号 pp.103-108(1990年8月): ［令和３年１２月２２日検索］〈ＵＲＬ：https://www.jstage.jst.go.jp/article/aijax/414/0/414_KJ00004075306/_pdf/-char/ja〉 Xiangyu Li, Joseph Peoples, Peiyan Yao, and Xiulin Ruan, "Ultrawhite BaSO4 Paints and Films for Remarkable Daytime Subambient Radiative Cooling", ACS Applied Materials & Interfaces 2021 13 (18), 21733-21739DOI: 10.1021/acsami.1c02368 「環状多層型グラニュラフィルタの微粒子捕集特性、Fig.3右（縦軸名が潰れているがΔPb [Pa]を表している）」［令和３年１２月２２日検索］、インターネット〈ＵＲＬ：https://www.jstage.jst.go.jp/article/scej/2007f/0/2007f_0_1059/_pdf/-char/ja〉「熱電変換とは」［令和３年１２月２5日検索］、インターネット〈ＵＲＬ：https://staff.aist.go.jp/a.yamamoto/mypage/aboutTE.html〉

この発明が解決しようとする課題は、太陽光発電を活用した新しいエネルギー・環境システムを構築して、ネットゼロエネルギービルディング／ハウス（ＺＥＢ／ＺＥＨ）、都市機構変化の緩和、ひいてはエネルギー利用効率をあげることによる地球温暖化を防止することである。一大電力消費地である都会には、太陽光発電システムを、大規模で且つ景観を損なうことなく利用できる方策を提供することである。

上記を実現する為の要素項目として、この発明が解決しようとする他の課題は、エネルギー効率が高く、断熱性が高い清浄環境システムを提供することである。また、その清浄環境システムと、太陽光発電システムとを組み合わせることによって、エネルギー効率が高く、断熱性が高い次世代のエネルギー環境システムを構築することである。

本発明の発明者は、在来太陽光発電における受光機能と発電機能の空間的な機能縮退を解いて、両者を二次元的に繋ぐ（2-Dimensional PhotoRecepto-Conversion System: 2DPRCSの実現）と共に、在来清浄環境システムにおける濾過機能とフレッシュエア導入機能の空間的な機能縮退を解き、その上で、機能縮退を解いたエネルギー系要素項目と環境系要素項目を襷がけで繋ぐことで、高効率に発電ができるエネルギー技術と消費電力が極めて小さい清浄環境技術を結合した次世代のエネルギー環境システムを構築することができることを見出した。ここで、空間的な機能縮退を解くとは、同一の場所で発現する２つの機能を分離して、物理的に離れた位置でその機能を独立に発現させることを意味する。さらに、清浄環境システムのフレッシュエア導入機能として気体の濃度勾配によって気体分子を交換するダスト微粒子を実質的に通さない特定のガス交換膜を用い、濾過機能として部屋や閉空間に配置されたファンフィルターユニット（ＦＦＵ）を用いることによって、エネルギー効率が高く、断熱性が高い清浄環境システムを構築することが可能となることを見出した。
したがって、上記の課題を解決するために、本発明は下記の態様を提供する。

［１］ガス交換ユニットと、ファンフィルターユニットとを含み、前記ガス交換ユニットは、外界との間で気流としてのガス交換のない孤立閉鎖系を構成する部屋または閉空間の気体と、前記外界の気体との間の少なくとも一部に配置され、前記部屋または閉空間の気体と前記外界の気体との濃度勾配によって気体分子を交換しダスト微粒子を実質的に通さないガス交換膜を有し、当該ガス交換膜を伝導により横切る熱量が、在来換気を適用した場合の換気で失われる熱量より小さく、前記ファンフィルターユニットは、前記部屋または閉空間に配置される、清浄環境システム。

［２］ガス交換ユニットと、ファンフィルターユニットとを含み、前記ガス交換ユニットは、外界との間で気流としてのガス交換のない孤立閉鎖系を構成する部屋または閉空間の気体と、前記外界の気体との間の少なくとも一部に配置され、前記部屋または閉空間の気体と前記外界の気体との濃度勾配によって気体分子を交換しダスト微粒子を実質的に通さないガス交換膜を有し、前記ガス交換膜の面積をＡ、前記ガス交換膜の厚みをＬ、前記ガス交換膜の密度をρ_Ｍ、前記ガス交換膜の比熱をＣ_Ｍ、前記ガス交換膜の熱拡散係数をＤ_Ｔとし、ｋをボルツマン定数、空気の比熱をＣ_ｐ、空気の密度をρ、空気中の分子種ｉのガス分子拡散係数をＤ_ｉ、空気中の分子種ｉの単位体積当たりの数をφ_ｉ、前記ガス交換膜を横切る方向の微分演算子をδ／δ_ｘ、前記部屋または閉空間に在来換気を適用した場合の必要換気風量をＦとしたときに、下記の式（１）を満足し、前記ファンフィルターユニットは、前記部屋または閉空間に配置される、清浄環境システム。

［３］アボガドロ数をＮ_Ａ、系内の圧力における１モル当たりの気体体積をＣ、二酸化炭素の熱拡散係数をＤ_ＣＯ２としたときに、下記の式（２）を満足する、上記［２］に記載の清浄環境システム。

［４］前記部屋または閉空間の気体を前記ガス交換膜の表面に沿う第１方向に流す送風機と、前記外界の気体を前記ガス交換膜の表面に沿う第２方向に流す送風機とを有し、前記第１方向に流れる気体の速度ベクトルと前記第２方向に流れる気体の速度ベクトルの内積が負である、上記［１］～［３］のいずれかに記載の清浄環境システム。

［５］前記部屋または閉空間の体積をＶ、前記ガス交換膜の酸素のガス分子拡散係数をＤ、前記ガス交換膜の厚みをＬとした時、上記体積Ｖと前記ガス交換膜の面積Ａとを、｛（Ｖ／Ａ）／（Ｄ／Ｌ）｝でスケーリングさせて設計が行われ、前記部屋または閉空間の酸素消費レートをＢ、前記外界と平衡状態にあり前記部屋または閉空間で酸素消費の無いときの酸素体積をＶＯ２、前記部屋または閉空間内における目標酸素濃度をη（η＞０．１８）としたとき、前記ガス交換膜の面積Ａが下記の式（３）を満足するように設定される、上記［１］～［４］のいずれかに記載の清浄環境システム。

［６］フレッシュエア導入機能と濾過機能の空間的な機能縮退が解かれた清浄環境システムと、受光機能と発電機能の空間的な機能縮退が解かれ、且つ二次元的に接続された太陽光発電システムとからなる、エネルギー環境システム。

［７］前記濾過機能のための電力を上記発電機能により供給することで前記濾過機能と前記発電機能を結合し、上記フレッシュエア導入機能の上記［１］または［２］に記載のガス交換ユニットによる実施と、前記太陽光発電システムの前記受光機能の部屋または閉空間を有する建築物の外面への付与とにより、相乗的断熱性向上を可能とした、上記［６］に記載のエネルギー環境システム。

本発明の清浄環境システムによれば、それが適用される部屋または閉空間が孤立閉鎖系（クローズドエアフローシステム）であるので、空気質向上の内、塵埃捕集に関しては、室内気体を何回もファンフィルターユニットに通過させることにより、当該ファンフィルターユニットの塵埃捕集効率γ（０＜γ＜１）を下げても悪影響が出にくい。例えば、γ＝０．５（或いは０．９）であって、５割（或いは１割）を取り逃すとしても、室内塵埃数は、全室内空気がファンフィルターユニットを１０回通過する（内気が１０回転する）ことで、（０．５）^１０～１／１０００（或いは（０．1）^３～１／１０００）となる。ファンフィルターユニットの通過回数が２０回（或いは６回）では約１００万分の１とでき、また通過回数が３０回（或いは９回）では１０億分の１となり、ＨＥＰＡフィルターやＵＬＰＡフィルターを１回通過させたときよりも室内塵埃数を遥かに低減させることが可能となる。γの低下にともない、圧力損失を低減させうることから、気体のフィルター通過に伴うエネルギー散逸が減少し、これに対応して風量を維持するためのファン駆動電力も小さくて済むことから、ファンフィルターユニットの消費電力もトータルに極小化できる。

また、本発明の清浄環境システムでは、フレッシュエアの導入を行うガス交換膜およびガス交換ユニットにおいて、上記分子拡散と熱拡散を独立に制御する。即ち分子拡散係数Ｄ_Ｍと熱拡散係数Ｄ_Ｔを変数として、独立に２つの拡散方程式を書き下して、室内空気のガス分子濃度と温度について制御する。これにより、十分なガス交換能力を持ちながら、熱交換を極小化するとともに、消費電力の小さい究極の室内ガス分子濃度制御を行うことができる。

さらに、本発明の清浄環境システムでは、外界と内部との間で気流としてのガス交換のない孤立閉鎖系を構成する部屋または閉空間に対して、内部と外界を仕切る二次元面のガス交換膜に対し、これを横切るようにではなく、これに沿うように内気と外気が流れることで圧力損失を排して電力の増大を回避することができる。上記の土台として、温度差による発電を行う熱伝素子では、熱伝導を担うフォノンと電子について、フォノンによる熱伝導を極力抑えることが高出力につながるが、これに似て、換気においても、熱伝導を担うフォノンとガス分子について、フォノンによる熱伝導をできるだけ抑えることが、エネルギー利用効率の高い換気につながることを見出した。換気の本質は、生命機能維持のために酸素と二酸化炭素を交換し、微量な有害ガス分子を部屋または閉空間の外に排出することであり、人間活動に対する中立なバイスタンダーである窒素の移動、加熱・冷却を極小化することで、換気に伴う室内空調エネルギー消費は室内空調エネルギー消費をミニマイズし、高効率の次世代ＺＥＢ、ＺＥＨを実現する。即ち、本発明のガス交換ユニットによれば、エネルギーコンサンプション低減を実現する為に、窒素を動かさない換気を実現する。これは本発明のガス交換ユニットが適用される部屋または閉空間が、外界と内部との間で気流としてのガス交換のない孤立閉鎖系（クローズドエアフローシステム）であることによって実現可能となる。

本発明のエネルギー環境システムでは、在来太陽光発電システムにおける機能縮退を解いたのちの太陽光を受光する受光部を、例えば、建築物の外面に張り付けることによって空調機能を担う清浄環境システムを含むシステム全体として高い断熱性を実現する（襷掛けその１）ことができる。また、当該受光部端にきわめて少ない物質量をもって光電変換を行う発電部を構成するとともに、当該発電部からの電力を、従来型清浄環境システムにおける機能縮退を解いた後のファンフィルターユニットの駆動電力として使用することができる（襷掛けその２）。

また、本発明のエネルギー環境システムでは、空気質向上の内、室内ガス分子濃度制御に関しても、外気・フレッシュエア導入時の期待の流れが、室内外を仕切る二次元面に対し、これを横切るようにではなく、これに沿うように流れることで、無用の圧力損失を回避することによって省電力の抑制を行う。部屋（閉空間）内部のガス分子濃度の制御は、外気の気流（フロー）としての導入ではなく、気体分子の拡散によって、これを行う。熱力学第２法則に従って、分子拡散は系のエントロピーが増大する向きに起こることを利用して、注目するガス分子のガス交換膜中の拡散に要するエネルギーを室温Ｔにおける熱エネルギー（ｋＴ）にて賄うことで、在来型機械換気によるものと全くの好対照を成し、付加的な電力使用を回避して究極の低消費電力化を実現することができる。

更に、都市部の建築物の外面を利用して発電することで、送電ロスのない電力の地産地消が可能となる。このためのエネルギーが、室温の熱エネルギーにより賄われる超低エネルギー換気が可能となる。γと１との差を大きくすることが可能で、圧力損失が局所化されることで、低消費電力の空気浄化が可能となる。断熱能のある建築物の外面と太陽光を二次元的に捕集するリディレクション導波路やパラボリックミラー等の微小表面構造を結合することで、殆ど消費電力が発生しない清浄化興技術と太陽光発電技術が結合する。都市気候の変化を緩和することのできるＳＤＧｓ実現に資するシステムが可能となる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る清浄環境システムを閉空間に適用した実施例を示す断面図である。図２は、本発明の第１実施形態に係る清浄環境システムで用いられるファンフィルターユニットのダスト微粒子捕集能力を示すグラフである。図３は、本発明の第１実施形態に係る清浄環境システムの高清浄度実現能力を実証した実験結果である。図４は、本発明の第１実施形態に係る清浄環境システムで用いられるガス交換ユニットの一例を示す側面図である。図５は、図４のＶ－Ｖ線断面図である。図６は、図４に示すガス交換ユニットを内気入口側から見た正面図である。図７は、図４に示すガス交換ユニットに用いられているガス交換部の側面図である。図８は、図７のVIII－VIII線断面図である。図９は、図８の要部拡大断面である。図１０は、図７に示すガス交換部を内気入口側から見た正面図である。図１１は、本発明の第１実施形態に係る清浄環境システムで用いられるガス交換ユニットのガス交換能力のシミュレーション結果である。図１２は、本発明の第１実施形態に係る清浄環境システムのガス交換能力を実証した実験結果である。図１３は、本発明の第２実施形態に係るエネルギー環境システムを部屋へ適用した実施例を示す断面図である。図１４は、図１３のXIV－XIV線断面図である。図１５は、図１３のXV－XV線断面図である。図１６は、本実施形態のエネルギー環境システムを都市空間に適用した実施例を示す概念図である。図１７は、本発明に係るエネルギー環境システムと在来の清浄環境システムのエネルギー収支を示す概念図である。

以下、本発明の実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。

図１は、本発明の第１実施形態に係る清浄環境システムを閉空間に適用した実施例を示す断面図である。
図１において、清浄環境システム１００は、ガス交換ユニット２０と、ファンフィルターユニット３０とを有する。ガス交換ユニット２０と、ファンフィルターユニット３０とは、閉空間１０に配置されている。閉空間１０は、例えば、プレハブ、倉庫、テント、移動媒体のような壁で閉じられた空間を意味する。移動媒体の例としては、車両（バス、自動車）、鉄道、船舶、飛行機などが挙げられる。清浄環境システム１００は、濾過機能（ダスト微粒子の除去）とフレッシュエア導入機能（酸素の吸気と二酸化炭素の排気）の両機能の空間的な機能縮退が解かれている。即ち、濾過機能は、閉空間１０（閉空間１０の内部１１）に置かれたファンフィルターユニット３０によって発現され、フレッシュエア導入機能は、閉空間１０と外界１２との間でダスト微粒子を実質的に通さず、気体分子は通す膜（ガス交換膜）で隔てるガス交換ユニット２０によって発現される。これにより、濾過機能とフレッシュエア導入機能とが物理的に離れた別の場所で発現される。清浄環境システム１００が適用される閉空間１０は、外界１２との間に気流としてのガス交換のない孤立閉鎖系（クローズド・エアフロー・システム）であるが、分子としてのやり取りは存在する。分子導通的には、オープンシステムになる（即ちオープン・モレキュラー・ディフュージョン・システムである）ということで、在来換気とは一線を画するシステムである。なお、閉空間１０は、窓や扉を有していてもよい。本実施形態において孤立閉鎖系（クローズド・エアフロー・システム）とは、窓や扉を閉じた状態で、内部１１と外界１２との間で気流としての気体の出入りが無い系であるが、ガス交換膜やガス交換ユニットを通じて、分子としての気体の出入りは許容する系である。

ここで、在来換気とは、建築基準法など法令で定められた換気を意味する。建築基準法では、換気回数を住居の居室等は０．５回／ｈ以上、これ以外（非居住等）は０．３回／ｈ以上とすることが求められている。換気回数は、居室等の全体の空気が１時間あたりに入れ替わる回数が「換気回数」である。また、建築物における衛生的環境の確保に関する法律（ビル管理法）では、二酸化炭素濃度を１０００ｐｐｍ以下と設定することで、居室の適切な換気量を確保することが求められている。また、学校環境衛生基準では、換気の基準として、二酸化炭素濃度を１５００ｐｐｍ以下とすることが求められている。

ガス交換ユニット２０（ＧＥＵ）は、ガス交換膜２５を備える。ガス交換膜２５は、閉空間１０の内部１１と外界１２との境界面、すなわち閉空間１０の気体（内気１ａ）と外界１２の気体（外気２ａ）との間の少なくとも一部に配置されている。ガス交換膜２５は、閉空間１０の気体（内気１ａ）と外界１２の気体（外気２ａ）の濃度勾配によって気体分子を交換する。閉空間１０の内部１１で酸素が消費されて酸素濃度が低下し、二酸化炭素が排出されて二酸化炭素濃度が上昇した場合、ガス交換膜２５は、外気２ａから内気１ａに向けて酸素を移動させ、内気１ａから外気２ａに向けて二酸化炭素を移動させることによってフレッシュエアを導入する。ガス交換ユニット２０は、内気１ａを取り込む内気入口と、ガス交換膜２５によって生成したフレッシュエア１ｂを放出するフレッシュエア出口とを有する。また、ガス交換ユニット２０は、外気２ａを取り込む外気入口と、ガス交換膜２５によって生成した酸素濃度が低く、二酸化炭素濃度が高い排ガス２ｂを放出する排ガス出口とを有する。ガス交換ユニット２０は、外気２ａをガス交換膜２５の外界１２側の表面に沿う方向に流す外界用送風装置（不図示）と、内部１１の気体をガス交換膜２５の内部１１側の表面に沿う方向に流す内部用送風装置（不図示）とを備える。空気の約７８体積％を占める窒素は、閉空間１０の内部１１と外界１２で濃度に差がないかあってもごくわずかである。このため、ガス交換ユニット２０では、内気１ａと外気２ａとの間で窒素は移動しないか移動してもごくわずかである。閉空間１０の内部１１と外界１２との間で交換される気体分子は、ほぼ酸素と二酸化炭素である。このため、閉空間１０と外界１２との気体分子の交換に伴う熱の拡散が起こりにくい。また、内気１ａおよび外気２ａは、ガス交換膜２５の表面に沿う方向に対向して対称的に流れ、ガス交換膜の両側での圧力差はほぼゼロであるので、気流に乗って移動する気中のダスト微粒子がガス交換膜を横切るための気流がゼロである。更に、内気１ａおよび外気２ａ中のダスト微粒子は（エアロゾルとして空気中を浮遊する新型コロナ等のウイルスを含め）空気の構成分子に比べ桁違いの大きさでありこれらが不織布等ならなる目の極めて細かいガス交換膜をブラウン運動を伴う微粒子拡散プロセスによって横切る確率もほぼゼロである。こうして、ガス交換膜２５の厚み方向の（エアロゾルとして空気中を浮遊する新型コロナ等のウイルスを含む）ダスト微粒子拡散はほぼ無視することができる。即ち、ガス交換膜２５は、ダスト微粒子を実質的に通さない。

ガス交換膜２５としては、例えば、不織布や和紙を用いることができる。特に不織布がポーラスな構造を持ち、空気層がガス交換膜面に垂直方向には相対的に大きな比率を占めると共に、不織布繊維は、専らガス交換膜面に沿った方向に延び、繊維に沿って走るフォノンが額交換膜面に垂直では無く、水平方向に主に伝搬するよう構成されたものが断熱性向上に向けて有効である（図８の構造は、この一つの極限的な例であると見做せる）。

清浄環境システム１００で用いるガス交換ユニット２０は、分子拡散と熱拡散を独立に制御する。次に、従来換気とガス交換ユニット２０とを分子拡散と熱拡散の観点から説明する。

従来換気として、温度がＴ_ｏｕｔにある外界の空気を、閉空間の内部に風量Ｆ（単位：ｍ^３／ｓ）で導入する場合を想定する。時刻ｔ＋δｔにおける部屋の内部温度をＴ（ｔ＋δｔ）とし、閉空間の内部体積をＶ（単位：ｍ^３）、空気の密度をρ（単位：ｋｇ／ｍ^３）、比熱をＣ_ｐ（単位：Ｊ／（ｋｇ・Ｋ））とすると、時刻ｔ＋δｔにおける閉空間の内部の熱量ρＶＣ_ｐＴ（ｔ＋δｔ）（単位：Ｊ）は、下記の式（Ｉ）で表される。

式（Ｉ）から、下記の式（II）が得られる。

さらに、式（II）から、下記の式（III）が得られる。

これに対して、ガス交換ユニット２０を適用した閉空間１０において、内部１１に人がいて酸素を消費し、二酸化炭素を排出している場合を想定する。閉空間１０の壁や窓（図示せず）など外界１２と接する構造体部分の断熱性は十分高く、これらを介した熱の出入りはゼロとみなせるものとする。またガス交換ユニット２０に関しても、ガス交換膜以外の部分、即ち筐体やダクト継手など部分の断熱性も十分高く、これらを介した熱の出入りは近似的にゼロとみなせるものとする。この場合、熱の出入りはガス交換膜２５を介してのものとなり、ガス交換膜２５の密度をρ_Ｍ、ガス交換膜２５の比熱をＣ_Ｍとしてガス交換膜２５の熱伝導及び気体分子の出入りに伴う熱量の増減を考慮すると、時刻ｔ＋δｔにおける閉空間内の熱量ρＶＣ_ｐＴ（ｔ＋δｔ）（単位：J）は、下記の式（IV）で表される（内部で例えば人が活動しているとすると、ガス交換膜２５を介して酸素分子は流入、二酸化炭素分子は流出する）。

ただし、式（IV）において、Ｖは閉空間１０の内部１１の体積（単位：ｍ^３）、Ｔ（ｔ）は時刻ｔにおける閉空間内部の温度（単位：Ｋ）、Ａはガス交換膜２５の面積（単位：ｍ^２）、Ｄ_Ｔはガス交換膜２５の熱拡散係数（単位：ｍ^２／ｓ）、Ｊ_ｉは、閉空間１０の内部１１と外界１２の濃度勾配（濃度差）に応じてガス交換膜を介して出入りするガス分子種ｉのフラックス（流束）（単位：１／（ｍ^２・ｓ））である。もし、ガス交換ユニットのガス交換膜以外の部分、即ち筐体やダクト継手などその他の部分を通じて部屋（閉空間）と外界の間に有限の熱伝導が残存する場合でも、これらの部分からの熱伝導分をガス交換膜を介した熱伝導分に加えたガス交換ユニット全体での熱伝導に対して改めてＤ_Ｔと定義することで以下の解析式はそのまま成立する。右辺第２項は、ガス交換膜２５を介した熱伝導による熱の出入りを、また、第３項は、分子一個あたり、オーダーにして約１ｋＴの熱エネルギーを運ぶとして、閉空間１０を出入りする分子に伴う熱の出入りを示す（ε_ｉは、分子が流出する際には－１、流入する際には、＋１を取る）。ここで、温度Ｔ_ｉは、分子種ｉの分子の移動元の温度、即ち、分子が流出するときは閉空間内部の温度Ｔ_ｉｎ、流入する際には、外部温度Ｔ_ｏｕｔを取る。人の活動に関わらない窒素の濃度は閉空間１０の内部１１と外界１２で共通であり、通常は、酸素と二酸化炭素を考えればよいので、式（IV）は、下記の式（Ｖ）に示すように簡略化できる。

ただし、式（Ｖ）において、Ｊ_Ｏ２は酸素のフラックス（単位：１／（ｍ^２・ｓ））、Ｊ_ＣＯ２は二酸化炭素のフラックス（単位：１／（ｍ^２・ｓ））であり、関数形としては、各々の拡散係数を用いて、下記の式（VI）で与えられる。δＴ／δ_ｘを考えるに際しては、位置座標の原点として内外界面を取り、外側を正、内側を負ととる。右辺の第３項、第４項は、ガス交換膜２５を介した各々酸素分子、二酸化炭素分子の移動（拡散）に伴う熱量の出入りである。例えば、菌類・植物の成長やヒトの呼吸等に伴う水分の発生も厳密に考慮する場合は、上式の二酸化炭素の項の後に、同じく負号を伴う水蒸気のフラックスの項を追加してもよい。

ただし、式（VI）において、φは閉空間１０の内部１１の単位体積当たりの当該ガス分子数（単位：１／ｍ^３）、Ｄはガス分子拡散係数（単位：ｍ^２/ｓ）であり、ガス交換膜２５に垂直な方向をｘ軸としたとき、∇はこのｘ軸方向の微分演算子である。

式（Ｖ）より、下記の式（VII－ａ）と、酸素と二酸化炭素以外のガス分子も考慮した一般式（VII－ｂ）が得られる。

段落００５２における議論から分かるように、上記の式（VII－ａ）及び、式（VII－ｂ）において、右辺第１項はガス交換膜の熱伝導による項で、右辺第２項は、ガス分子交換による熱伝導による項であることに留意されたい。

呼吸または燃焼による酸素、二酸化炭素の変化の比は、呼吸商の値からも分かる通り、良い近似で１とみなせるので、δｔ→０の極限を取ると、式（VII－ａ）と、一般形の式（VII－ｂ）から式（VIII－ａ）と、一般形の式（VIII－ｂ）が得られる。

ガス交換膜２５の厚みＬは、閉空間１０のサイズに比べると２桁以上小さいので、δＴ／δ_ｘは、下記の式（IX）で示す差分で置き換えることがよい近似となる。

在来換気の熱流入の式（II）と、ガス交換ユニット２０を用いた拡散換気の熱流入の式（VIII－ａ）と比較すると、式（IX）を踏まえて、下記の式（Ｘ）が得られる。

また、在来換気の熱流入の式（II）と、ガス交換ユニット２０を用いた拡散換気の熱流入の式（VIII－ｂ）と比較すると、同じく式（IX）を踏まえて、下記の式（１）が得られる。

上記の式（Ｘ）または式（１）を満たすようにガス交換膜（或いは段落００５２に記したガス交換ユニット全体）の熱拡散係数Ｄ_Ｔを有するガス交換ユニット２０は、在来換気と比較して温度変化を小さくすることができ、空調の消費電力を下げることができる。

ここで、式（Ｘ）は、後述の式（XIV）と式（XV）を結んだ際と同様の式変形によって、更に下記の式（XI）へと導かれる。

さらに、式（XI）は、下記の式（XII）で表すことができる。

これまでの式変形及び議論から分かるように、式（XII）において、左辺第１項はガス交換膜の熱伝導に起因する項で、左辺第２項は、ガス分子交換による熱伝導に起因する項である。ガス交換膜の熱伝導に起因する式（XII）の左辺第１項は、Ｄ_Ｔを小さくすることで十分小さくできる。他方、左辺第２項のｋＮ_Ａは気体定数Ｒ（＝８．３１４Ｊｍｏｌ^－１Ｋ^－１）に等しい。Ｃは、気体１モルあたりの体積で、２２．４Ｌ／ｍｏｌが良い近似である。ρは気体の密度で空気では１．３Ｋｇ／ｍ^３（二酸化炭素もほぼ等しいオーダーであり１．９Ｋｇ／ｍ^３）である。比熱Ｃ_ｐは、空気では約１０００ＪＫｇ^－１Ｋ^－１（二酸化炭素は、約８３７ＪＫｇ^－１Ｋ^－１）である。よって、式（XII）中のＫＮ_Ａ／ＣρＣ_ｐは、８．３１４Ｊｍｏｌ^－１Ｋ^－１／（２２．４Ｌ／ｍｏｌ・１．９Ｋｇ／ｍ^３・８３７０ＪＫｇ^－１Ｋ^－１）＝０．２３３～Ｏ（１）、即ち１のオーダーの数である。ＡＤ_ＣＯ２／Ｌは、クリーンユニットシステムプラットフォーム（ＣＵＳＰ）の換気性能への要求から在来系の要求換気風量（即ち、式（XII）の右辺のＦ）に等しいかややこれより大きいが、いずれにせよオーダーＦの量である。他方、η_ｉｎ－η_ｏｕｔは、閉空間１０の内部１１の二酸化炭素のバックグラウンド（或いは外界１２の二酸化炭素濃度）からの増分で、法令などにより１０００或いは１５００ｐｐｍであることが求められ、通常は、多くても数千ｐｐｍ以下であり、１万ｐｐｍ（１％）を超えることは健康維持の観点からも厳に忌避されている。従って、ガス分子交換による熱伝導に起因する式（XII）の左辺第２項は右辺に比べ２桁以上小さく、（上述の十分小さくできる式（XII）左辺第１項と相俟って）機械換気に比べて部屋内と外界の間で入れ替える気体分子の総量が圧倒的に小さいGEUに基づく拡散換気の有効性が定量的に示された。なお、η_ｉｎ－η_ｏｕｔが１万ｐｐｍである場合、式（XII）は下記の式（２）で表される。

上記の式（XII）および式（２）から、ガス交換を実現する分子移動に伴う熱量の移動は、つまり、左辺第２項の大きさは、本発明の技術的思想である拡散換気では、室内空気を全部入れ変えることによる在来換気に比べ、百分の一以下とできることが判る。トータルでの熱のロスを最小にするには、式（XII）および式（２）の左辺第１項が示す、ガス交換膜２５を介した熱伝導を極力小さくすることが有効であることが判る。上述の通り、薄手のガス交換膜２５を間に空気層を挟んで二重にしたり、ポーラスな不織布、あるいは長めの繊維がガス交換膜の膜面方向に走ることで、面に垂直な方向のフォノン伝導が抑えられた不織布などがこれに寄与する。これにより、式（XII）の不等式が成立し、在来換気に比べ、換気に伴う熱量の損失を少なくすることができる（ＳＤＧｓ実現などに向け、貢献することができる）。

ガス交換ユニット２０は、外界１２との間で気流としてのガス交換のない孤立閉鎖系を構成する閉空間１０の気体と、外界１２の気体との間の少なくとも一部に配置され、閉空間１０の気体と外界の気体との濃度勾配によって気体分子を交換しダスト微粒子を実質的に通さないガス交換膜２５を有し、ガス交換膜２５を伝導により横切る熱量は、在来換気法を適用した場合の換気で失われる熱量に比べて十分に小さい。

ガス交換ユニット２０はまた、外界１２との間で気流としてのガス交換のない孤立閉鎖系を構成する閉空間１０の気体と、外界１２の気体との間の少なくとも一部に配置され、閉空間１０の気体と外界の気体との濃度勾配によって気体分子を交換しダスト微粒子を実質的に通さないガス交換膜２５を有し、ガス交換膜２５の面積をＡ（単位：ｍ^２）、ガス交換膜２５の厚みをＬ（単位：ｍ）、ガス交換膜２５の密度をρ_Ｍ（単位：ｋｇ／ｍ^３）、ガス交換膜２５の比熱をＣ_Ｍ（単位：Ｊ／（ｋｇ・Ｋ））、ガス交換膜２５の熱拡散係数をＤ_Ｔ（単位：ｍ^２／ｓ）とし、ｋをボルツマン定数、空気の比熱をＣ_ｐ（単位：Ｊ／（ｋｇ・Ｋ））、空気の密度をρ（単位：ｋｇ／ｍ^３）、分子種ｉの拡散係数をＤ_ｉ（単位：ｍ^２/ｓ）、空気中の分子種ｉの単位体積当たりの数をφ_ｉ（単位：１／ｍ^３）、ガス交換膜２５を横切る方向の微分演算子をδ／δ_ｘ、閉空間１０に在来換気を適用した場合の必要換気風量をＦ（単位：ｍ^３／ｓ）としたときに、上記の式（１）を満足する構成とされている。

また、ガス交換ユニット２０は、アボガドロ数をＮ_Ａ、系内の圧力における１モル当たりの気体体積をＣ（単位：ｍ^３）、二酸化炭素の熱拡散係数をＤ_ＣＯ２（単位：ｍ^２/ｓ）としたときに、上記の式（２）を満足する構成とされている。

次に、閉空間１０の内部１１のガス分子濃度について説明する。閉空間１０の内部１１のガス分子濃度η（ｔ）は、下記の式（XIII）の微分方程式を満足する。

ただし、式（XIII）において、Ａはガス交換膜２５の面積（単位：ｍ^２）、Ｌはガス交換膜２５の厚み（単位：ｍ）、Ｄはガス交換膜２５中の注目するガス分子（酸素分子等）の拡散係数（単位：ｍ^２／ｓ）、Ｂは閉空間１０の内部１１での呼吸等による酸素消費・二酸化炭素発生レート（消費される酸素では正の値となり、二酸化炭素やその他の体外に放出されるガスでは負の値となる）（単位：ｍ^３／ｓ）、η_０は閉空間１０の外界１２の当該ガス分子濃度（単位：無次元）である。

孤立閉鎖系を構成する閉空間１０の内部１１においては、アボガドロ数をＮ_Ａ、系内の圧力（～１気圧）における１モル当たりの気体体積をＣ（単位：ｍ^３）、ガス交換膜２５を通して閉空間１０の内部１１に導入される注目するガス（酸素等）のフラックス（流束）をｊ（単位：１／（ｍ^２・ｓ））とすると、時刻ｔ＋δｔにおける当該ガスの体積Ｖη（ｔ＋δｔ）は、時刻ｔにおける当該ガスの体積Ｖη（ｔ）を使って、下記の式（XIV）で表される。

閉空間１０の内部１１では、ファンフィルターユニット３０により発生する空気流により、閉空間１０の内部の空気は十分早くかき回され十分早く空間的に均一化するので、閉空間１０の内部１１内の空気を構成するガス分子濃度の空間座標依存性を良い近似で無視することができる。上記式（XIV）の右辺第３項は、ガス交換膜２５の両側（即ち閉空間１０の内部１１と外界１２）での当該ガスの濃度差（濃度勾配）のために流入してくる当該ガスの分子の数である（空気流としてではなく、分子の拡散として当該ガスが閉空間１０の内部１１に入ってくるのである）。式（XIV）において、ｊは、前出の式（VI）で与えられる。式（XIII）中のＬは、ガス交換膜２５の厚みであり、１００μｍオーダーであり、極めて薄く、閉空間１０の空間の差し渡し（数ｍ～数十ｍ）に比べ３桁以上程度小さい。このため、式（XIV）は、下記の式（XV）と高い精度で近似することができる。

境界条件としてｔ＝０の時の濃度η（０）は、外部の濃度η_０に等しく、式（XIII）と式（XIV）におけるのと同様に、当該ガスが酸素（または二酸化炭素）である場合は通常２０．９％程度（または４４０ｐｐｍ）である。式（XIV）より、下記の式（XVI）の微分方程式が導かれる。

式（Ｖ）式の厳密解は、下記の式（XVII）で表される。

ここで、右辺のｅｘｐ（－［ＡＤ／Ｌ］ｔ／Ｖ）＝０とおくと、時刻ｔにおける当該ガスの濃度（例えば酸素濃度）は、下記の式（XVIII）で表される（式（XVII）でｔ→∞とした場合に一致する）。

例えば、式（XVIII）において、人が閉空間１０の内部１１に滞在することで、消費される酸素のようなガスの場合は、Ｂは正であるが、二酸化炭素のように閉空間内で生成するガスの場合は、Ｂは負の値を取る。

式（XVIII）より、在来換気における機械換気風量Ｆ（単位：ｍ^３／ｓ）に当たる量は拡散換気ではＡＤ／Ｌ［次元解析を行うと、ｍ^２・ｍ^２／ｓ・１／ｍ＝ｍ^３／ｓであり、風量の次元に一致するもの］であり、Ｆ＝ＡＤ／Ｌの対応関係が成り立つ。当該拡散は、室温Ｔに対応する熱エネルギーｋＴによって、熱力学第２法則に従ってエントロピー増大の方向に生じるもので、原理的には電力を必要としない。拡散換気は、機械換気に比べ圧倒的に消費電力はより少なくて済む。

即ち、図１に示す清浄環境システム１００のガス交換ユニット２０では、孤立閉鎖系を構成する閉空間１０の一部にガス交換膜２５を用いた分子拡散を通じて、閉空間１０の内部１１のガス分子濃度を制御することができる。ガス交換ユニット２０では、少なくともその一部に面積Ａ、厚みＬ、分子拡散係数Ｄを有するガス交換膜２５を用いることで、上記のＦ＝ＡＤ／Ｌなる対応原理（スケーリング則）に従って機械換気風量Ｆと同等の換気が実現できる。ガス分子濃度を空気流の出し入れに頼ることなく、対応の必要な分子のみに着目してその濃度を制御できる。窒素や室内空気に含まれる水蒸気成分も含め一回合切を入れ替えていた在来型機械換気と対照的に、本発明では、環境中立な成分である窒素を動かさず（かつ、内気の水蒸気成分も室内外水分子濃度に応じて、その差分のみ出し入れし）、また拡散を引き起こすものは空気を構成するガス分子の熱運動であるので特に付加的な電力も要しない、極めて省エネ効果の大きい重要な技術である。
したがって、ガス交換ユニット２０は、閉空間１０の内部１１の体積をＶ（単位：ｍ３）、ガス交換膜２５の酸素の拡散係数をＤ（単位：ｍ^２／ｓ）、前記気体交換膜の厚みをＬ（単位：ｍ）としたとき、体積Ｖとガス交換膜２５の面積Ａ（単位：ｍ^２）とを、｛（Ｖ／Ａ）／（Ｄ／Ｌ）｝でスケーリングさせて設計が行われ、閉空間１０の内部１１の酸素消費レート（単位：ｍ^３/ｓ）をＢ、外界１２と平衡状態にあり閉空間１０の内部１１で酸素消費の無いときの酸素体積をＶ_Ｏ２（単位：ｍ^３）、閉空間１０内における目標酸素濃度（単位：無次元）をη（η＞０．１８）としたとき、ガス交換膜２５の面積Ａが下記の式（３）を満足するように設定されている構成とされている。

ファンフィルターユニット３０は、閉空間１０の内気１ａを吸引する開口と、吸引された内気１ａを粒子数密度および分子濃度の双方に関して清浄化処理後、その全量を、清浄空気１ｃとして、再び、閉空間１０の内部１１に戻す吹き出し口とを有する。塵埃捕集効率γは０＜γ＜１である。ファンフィルターユニット３０としては、中性能フィルターを用いたファンフィルターユニット（ＦＦＵ）を利用することができる。ファンフィルターユニット３０は、閉空間１０の内気１ａを取り込んで、内気１ａ中のダスト微粒子を捕集して、ダスト微粒子濃度が低減した清浄空気１ｃを閉空間１０の内部１１に導入する。ここで、ダスト微粒子には、閉空間１０の内部１１に浮遊する微生物（ウイルスや細菌）、粉塵（ダニ、花粉、放射性物質を含む塵埃等）等を含む微粒子全般が含まれる。

図１に示すような、少なくとも内外境界面の一部がガス交換膜２５により形成された閉空間１０の内部１１におけるダスト微粒子の数密度ｎ（ｔ）は、下記の式（XIX）なる微分方程式で表される。

ただし、式（XIX）において、Ｖは閉空間１０の内部の体積（単位：ｍ^３）、Ｓは、使用者の衣服や家具などの外表面積と閉空間１０の内部１１の表面積の和（単位：ｍ^２）、σは単位面積・単位時間当たりのダスト微粒子発生量（単位：１／（ｍ^２・ｓ））、Ｆ_ｃはファンフィルターユニットの風量（単位：ｍ^３／ｓ）、γはファンフィルターユニットのダスト微粒子捕集効率（単位：無次元）である。

式（XIX）を解くと、下記の式（XX）が得られる。

ただし、式（XX）において、ｔ＝０のときのダスト微粒子の数密度ｎ（０）＝Ｎ_０とした。ｔ＝∞のときのダスト微粒子の数密度ｎ（∞）は、下記の式（XXI）で表される。

在来系クリーンルームの濾過で使用されているＨＥＰＡフィルターやＵＬＰＡフィルターは、γが極めて１に近く目詰まりしやすいのみならず、圧力損失も大きくならざるを得ないのに対し、本実施形態のシステムでは、式（XXI）より分かるように、γが１に近いことは、必ずしも重要ではない。例えば、γ＝０．９の中性能フィルターであっても、１／０．９＝１．１１であり、理想的なγ＝１の場合（これは実際には目詰まり耐性の観点上、不可能である）に比べても、１１％しか劣化しないが、目の相対的な粗さにより、圧力損失的には大きく減少し、消費電力はより少なくて済む。更に、実際には、ファンフィルターユニットの運転を開始してから十分に時間が経った時（ｔ＞１０Ｖ／γＦ_ｃ）には実質的に式（XXI）の究極のダスト微粒子数密度が得られる。フィルターの目詰まりが僅少で痛まない、電力消費も極小の静穏清浄空間が実現し、ＳＤＧｓに大いに資することができる。

清浄環境システム１００は、クローズドエアフローシステムであるため、ファンフィルターユニット３０から導入された清浄空気１ｃの全量が、内気１ａとしてファンフィルターユニット３０の吸気口に還流する。このため、ファンフィルターユニット３０を連続的に作動させて、ファンフィルターユニット３０に内気１ａを繰り返し通過させることによって高い濾過効果を得ることができる。

図２は、本発明の第１実施形態に係る清浄環境システムで用いられるファンフィルターユニットのダスト微粒子捕集能力を示すグラフである。図２には、閉空間１０の内気１ａをファンフィルターユニット３０に通過させたときのダスト微粒子捕集能力を示す。ファンフィルターユニット３０のフィルターとしては、中性能フィルター、ＨＥＰＡフィルター、ＵＬＰＡフィルターを用いた。ファンフィルターユニット３０に内気１ａの全量を１回通過させたときのダスト微粒子捕集能力を実線で示す。中性能ファンフィルターユニット（ＦＦＵ）を用いたファンフィルターユニット３０に内気１ａの全量を２～８回まで繰り返し通過させたときのダスト微粒子捕集能力を破線で示す。
図２の横軸は、ダスト微粒子の粒子径（Particle Size、単位：μｍ）であり、縦軸は透過率（Transmissivity、単位：％）と濾過効率（Filtrating Efficiency、単位：％）である。濾過効率は、１から透過率を減じた値である。
図２のグラフから、中性能ファンフィルターユニット（ＦＦＵ）を使用した場合でも、ファンフィルターユニット３０に内気１ａを多数回通過させることによって、ＨＥＰＡやＵＬＰＡを使用したときを上回る濾過効率が得られることがわかる。

図３は、本発明の第１実施形態に係る清浄環境システムの高清浄度実現能力を実証した実験結果である。図３に、閉空間１０の内気１ａを、ダスト微粒子捕集効率が約９５％の市販の空気清浄機に繰り返し通過させたときのダスト微粒子カウント数（Particle counts、単位：１/ｃｆ）の時間変化を示す（ダスト微粒子のサイズ：０．３μｍ、０．５μｍ、１．０μｍ）。なお、図３において、ダスト微粒子カウント数が０の場合、対数プロットでは－∞に発散するので、便宜上０．１にプロットした。
閉空間１０の内部１１の体積は約３ｍ^３、ファンフィルターユニット３０の風量は約３ｍ^３／分の条件で内気１ａ中のダスト微粒子を捕集した。内気１ａ中のダスト微粒子カウント数は、“ＭＥＴＯＮＥＨＨＰＣ３＋”パーティクルカウンターを用いて測定した。
図３のグラフから、ダスト微粒子捕集効率が約９５％の市販の空気清浄機を用いても短時間で内気１ａの清浄度が向上することが示された。このグラフに示す結果から、式（XX）から予測されるＦ／Ｖ～１のときのダスト微粒子の減少レートとよく一致することがわかる。

図４は、本発明の第１実施形態に係る清浄環境システムで用いられるガス交換ユニットの一例を示す側面図である。図５は、図４のＶ－Ｖ線断面図であり、図６は、図４に示すガス交換ユニットを内気入口側から見た正面図である。図７は、図４に示すガス交換ユニットに用いられているガス交換部の側面図である。図８は、図７のVIII－VIII線断面図であり、図９は、図８のIX部の拡大図であり、図１０は、図７に示すガス交換部を内気入口側から見た正面図である。図４～図１０では便宜上、左手系を用いた。以下、ガス交換ユニットおよびガス交換部の内気入口側を正面、外気入口側を背面ということがある。

図４～図６に示すように、ガス交換ユニット４０は、筐体４１と、筐体４１に収容されたガス交換部５０、間仕切り衝立４２ａ、４２ｂを有する。筐体４１の正面の上下方向（ｚ方向）の下方には内気入口４３ａが、上方には排ガス出口４４ｂが配置されている。また、背面の上下方向（ｚ方向）の下方には外気入口４４ａが、上方にはフレッシュエア出口４３ｂが配置されている。フレッシュエア出口４３ｂには内部用送風装置４３ｃが設けられ、排ガス出口４４ｂには外界用送風装置４４ｃが設けられている。

内気入口４３ａと排ガス出口４４ｂとの間に配置された間仕切り衝立４２ａは、内気１ａと排ガス２ｂとが接触するのを防止する。フレッシュエア出口４３ｂと外気入口４４ａとの間に配置された間仕切り衝立４２ｂは、フレッシュエア１ｂと外気２ａとが接触するのを防止する。

内気入口４３ａから導入された内気１ａは、ガス交換部５０に供給される。また、外気入口４４ａから導入された外気２ａは、ガス交換部５０に供給される。ガス交換部５０にて、内気１ａの二酸化炭素と外気２ａの酸素とが置換され、内気１ａは、酸素濃度が上昇し、二酸化炭素濃度が低減したフレッシュエア１ｂとして、外気２ａは、酸素濃度が低減し、二酸化炭素濃度が上昇した排ガス２ｂとして、ガス交換部５０から取り出される。フレッシュエア１ｂは、フレッシュエア出口４３ｂを通って閉空間１０に戻される。一方、排ガス２ｂは、排ガス出口４４ｂを通って外界１２に放出される。

図７～図１０に示すように、ガス交換部５０は、２枚のガス交換膜２５が空気スペーサ層５１を挟んで積層されたガス交換膜積層体５２が間隔５３をあけて周期的に配置された構造体とされている。間隔５３の距離は、例えば、３～１５ｍｍの範囲内である。間隔５３の正面側または背面側のいずれか一方の端部に交互に気流ブロック５４が設けられている（図８を参照）。気流ブロックは、気体がガス交換部５０内に侵入することを防止する。また、気流ブロック５４は、上下方向（ｚ方向）の中央に配置された間仕切り５６に対して上下方向で交互に異なる位置に設けられている（図１０参照）。例えば、ガス交換部５０に送られた内気１ａは、正面側の下方側の間隔５３ａを通ってガス交換部５０の内部に入る（図１０参照）。一方、背面側では、下方側の間隔５３は、気流ブロック５４が設けられているため気体は通過できない。このため、ガス交換部５０の内部で生成したフレッシュエア１ｂは背面側では上方側の間隔５３を通って外部に出る。同様に、外気２ａは、背面の下方側の間隔５３からガス交換部５０の内部に入り、ガス交換部５０の内部で生成した排ガス２ｂは、正面の上方側の間隔５３ｂを通って外部に出る。内気１ａが正面の下方側から背面の上方側に向かう方向（第１方向）に流れ、外気２ａが背面の下方側から正面の上方側に向かう方向（第２方向）に流れることによって、第１方向に流れる内気１ａの速度ベクトルと第２方向に流れる外気２ａの速度ベクトルの内積が負（対向流）となる（図４を参照）。

ガス交換ユニット４０の内部と外界を隔てる部分は、ガス交換膜２５、筐体４１を含め、断熱性能の高い素材を用いることで、熱の拡散をより抑えることができる。空気の熱伝導率は、金属やその他固体に比べ、３桁～２桁低いので、熱伝導を気体分子によるもののみに抑えることができる（この気体分子はガス交換を担うものであるので、これをゼロとすることはできないので、これが熱伝導抑制の下限であり、式（VII-ａ、VII-ｂ）の右辺第２項に対応する）。ガス交換膜積層体５２におけるガス交換膜２５・空気スペーサ層５１・ガス交換膜２５の多層構造は、ポロシティー（空隙率）と厚みを制御した単体不織布によって置き換えることも可能である。

また、ガス交換ユニット４０においては、ガス交換膜２５に沿って室内気流、外気流が流れるため、フィルターを横切って外気が室内に導入される在来換気に比べ、基本的に圧力損失が非常に小さいが、さらに圧力損失を下げるために、乱流発生の効果による圧力損失を抑えることが有効である。図９に示すように、ガス交換部５０の内気１ａが入る間隔５３ａの周囲に気流整流器５５を配置することによって圧力損失を抑えることができる。また、図示しないが、同様にガス交換部５０の外気２ａが入る間隔５３の周囲に気流整流器５５を配置することによって圧力損失を抑えることができる。さらに、ガス交換部５０のフレッシュエア１ｂおよび排ガス２ｂが出る間隔５３の周囲に気流整流器５５にも設けることにより乱流発生を抑えることができ、圧力損失の低減に有効である。

図４に破線矢印で示す外気２ａの速度ベクトルと内気１ａの速度ベクトルは、対向流であることから、内積が負となる。内気１ａと外気２ａの速度ベクトルの内積が負となる、すなわち内気１ａと外気２ａとを反平行の方向に流した場合、内気１ａと外気２ａとを同一方向に流した場合と比較して、特に、後述の拡散時間Ｔ_Ｄとトランジット時間Ｔ_Ｔの間にＴ_Ｔ＞Ｔ_Ｄなる関係を成立させることで、ガス交換効率が大きく向上する。

図１１は、本発明の第１実施形態に係る清浄環境システムで用いられるガス交換ユニットのガス交換能力のシミュレーション結果である。この図１１に示すグラフから、内気１ａと外気２ａの速度ベクトルの内積が負となる方向（内気１ａと外気２ａの速度ベクトルが対向する方向）に流すことによってガス交換効率が大きく向上することがわかる。内気１ａと外気２ａの速度ベクトルの内積が負となる方向に流すことによってガス交換効率が大きく向上する理由は、次のように考えられる。まず、ガス交換ユニット４０において、気体のガス交換部５０内のトランジットタイムＴ_Ｔに比べ、注目するガス分子がガス交換膜２５を横切る拡散時間Ｔ_Ｄが十分小さくなる（Ｔ_Ｄ＜Ｔ_Ｔとなる）ように設定されている。このため、ガス交換部５０の出口で分子拡散が十分完了している状態（ガス交換膜の両側でガス分子濃度が平衡に達した状態）が実現し、内気１ａと外気２ａとを同一方向に流した場合については、内気１ａの流れと外気２ａの流れが、ガス交換膜積層体５２を挟んで互いに線対称の配置となる。よって、その対称軸の端点であるガス交換部５０の出口での内気（フレッシュエア１ｂ）及び外気（排ガス２ｂ）の注目するガス分子濃度は、ガス交換部５０の入口での内気１ａと外気２ａの各濃度の平均値となる。
これに対して、内気１ａと外気２ａとを対向する方向に流した場合（内気１ａと外気２ａの速度ベクトルの内積が負となる場合）については、内気１ａの流れと外気２ａの流れが、ガス交換膜積層体５２を挟んで互いに点対称の配置となる。その対称性の中心であるガス交換部５０の中心で内気１ａと外気２ａ中の注目するガス分子濃度は、入り口での各濃度の平均値となる。この結果、図１１に示すように、反平行性が高い対向流ほど、内気１ａと外気２ａの間で、注目するガス分子濃度が、入り口と出口で入れ替わるような効率の高いガス交換が実現する（この時、ガス交換膜中の分子拡散定数に応じて、Ｔ_Ｄ＜Ｔ_Ｔとなるようにガス交換ユニット４０を流れる風量は決定される）。

図１２は、本発明の第１実施形態に係る清浄環境システムのガス交換能力を実証した実験結果である。図１２には、ガス交換ユニット４０を用いたガス交換能力の実験結果が示されている。ガス交換ユニット４０のガス交換部５０は、ガス交換膜２５は、炭化水素系の繊維からなる不織布（厚み：約１６０μｍ）を、多数枚重ねて、内気１ａと外気２ａとのガス交換が可能な部分の面積が約３ｍ^２となるように構成した。閉空間での人の呼吸を模して火を炊き、その後、消火したときの閉空間の酸素濃度と二酸化炭素濃度を測定した。その結果を図１２に示す。図１２のグラフから、火を炊いた時の酸素濃度の減少と二酸化炭素濃度の増加、消火後の酸素濃度の回復と二酸化炭素濃度の減少が見て取れる。この結果から、ガス交換ユニット４０のガス交換能力が実証された。

したがって、ガス交換ユニット４０は、閉空間１０の気体（内気１ａ）をガス交換膜２５の表面に沿う第１方向に流す送風機と、外界１２の気体（外気２ａ）をガス交換膜２５の表面に沿う第２方向に流す送風機とを有し、第１方向に流れる気体の速度ベクトルと第２方向に流れる気体の速度ベクトルの内積が負である構成とされていてもよい。

図１３は、本発明の第２実施形態に係るエネルギー環境システムを部屋へ適用した実施例を示す断面図であり、図１４は、図１３のXIV－XIV線断面をガス交換ユニット側の部屋外から見た図であり、図１５は、図１３のXV－XV線断面を上方から見た図である。
図１３～図１５に示すように、部屋１１０は、壁１１１で囲われ、上方に天井１１２を有する。部屋１１０は、内部１１５と外界１１６との間で気流としてのガス交換のない孤立閉鎖系を構成する。部屋１１０の壁１１１の一部は断熱材１２０で覆われている。

エネルギー環境システム２００は、清浄環境システムと太陽光発電システムとを備える。
清浄環境システムは、フレッシュエア導入機能と濾過機能の空間的な機能縮退を解いた分離型清浄環境システムであり、フレッシュエア導入機能を有するガス交換ユニット４０と、濾過機能を有するファンフィルターユニット３０とを備える。ガス交換ユニット４０とファンフィルターユニット３０は、上述のとおり、部屋１１０の内部１１５の高清浄度化、ガス分子濃度の制御を行う。ガス交換ユニット４０は部屋１１０の天井１１２の上の天井空間１１３に配置されている。ファンフィルターユニット３０は、部屋１１０の内部１１５の内部に配置されている。ガス交換ユニット４０は、外界１１６に接続している。部屋１１０は、建築物内の空間の区画であり壁や天井などで仕切られた空間であり、外界１１６との間で気流としてのガス交換のない孤立閉鎖系を構成する。ガス交換ユニット４０およびファンフィルターユニット３０としては、上述の清浄環境システム１００で用いられるものを用いることができる。

太陽光発電システムは、受光機能と発電機能の空間的な機能縮退を解いて、両者を二次元的に繋いだ２ＤＰＲＣＳであり、受光機能を有する受光部１３０と発電機能を有する発電部（不図示）とが二次元的に接続されている。受光部１３０は、太陽光を受光し、受光した太陽光を発電部に二次元的に送る光導波路としても作用することが好ましい。受光部１３０が光導波路としても作用することによって、部屋１１０の外界（建築物の外面）に広範囲で配置することができる。建築物の外面は、例えば、建築物の側面、屋上などである。受光部１３０としては、例えば、リディレクション導波路およびパラボリックミラーを用いることができる。受光部１３０のサイズは、例えば、レンガ大のサイズから、ビル側壁材のサイズである１ｍ四方くらいまでのサイズとすることができる。発電部は光電変換素子であり、受光部１３０から送られた太陽光を用いて発電する。得られた電気エネルギーは、清浄環境システム（ガス交換ユニット４０とファンフィルターユニット３０）で利用できる。これによって、ファンフィルターユニット３０を連続的に作動することができる。このため、中性能フィルターを用いても部屋１１０の内部１１５のダスト微粒子の量を低減させることができる。また、ガス交換ユニット４０は断熱性を有するので、部屋１１０の内部１１５の熱を外界１１６に放出しにくい。さらに、太陽光発電システムの受光部１３０は、壁１１１を通じて部屋１１０に持ち込まれる太陽光エネルギーを、光のまま発電部へと導き、電気エネルギーに変換するので、受光部１３０と部屋１１０の壁１１１の間に置かれた断熱材１２０の効果と相まって、建築物に付与される太陽光の照射熱を断熱して、部屋１１０の内部１１５の温度上昇を抑止する効果を持つ。清浄環境システムを夜間でも安定して作動させるため、太陽光発電システムは蓄電器を有していて、昼間に発電した電気エネルギーを蓄電して夜間に利用できるようにしてもよい。

本実施形態のエネルギー環境システム２００は、在来換気による清浄環境システムにおけるフレッシュエア導入機能と濾過機能の空間的な機能縮退を解いた分離型清浄環境システムと、前記分離型清浄環境システムを作動させるための電気エネルギーを供給する太陽光発電システムと、を備え、前記分離型清浄環境システムが上述の清浄環境システムであり、前記太陽光発電システムが受光機能と発電機能の空間的な機能縮退を解いたものであり、かつ前記受光機能と前記発電機能とが二次元的に接続されたものである。このエネルギー環境システムは、前記濾過機能が前記ファンフィルターユニットによって実施され、前記太陽光発電システムは前記ファンフィルターユニットを連続的に作動させるための電気エネルギーを供給し、前記フレッシュエア導入機能が前記ガス交換ユニットによって実施され、前記ガス交換ユニットは断熱性を有し、前記太陽光発電システムは前記受光機能を有する光導波路を有し、外界との間で気流としてのガス交換のない孤立閉鎖系を構成する部屋または閉空間を有する建築物の外面に前記光導波路が配置されることにより、前記建築物に付与される太陽光の照射熱を断熱する構成とされていてもよい。

図１６は、本実施形態のエネルギー環境システムを都市空間に適用した実施例を示す概念図である。都市を構成するビルや建屋などの建築物１４０の各部屋には、本実施形態の清浄環境システムが適用され、超低消費電力での高清浄度化と室内ガス分子濃度制御が可能となっている。また、この大都市は、建築物１４０の外側に配置された受光部１３０と発電部（不図示）とを有する２ＤＰＲＣＳの太陽光発電システムが備えられていて、太陽光発電システムで得られた電気エネルギーは清浄環境システムで利用されるようにされている。この２ＤＰＲＣＳを適用したときの受光部１３０の設置面積は、非特許文献４、５などが示すように、十分発達した都市空間は面射影時には１．７～１．８程度の（３次元では、２．７～２．８に対応する）フラクタル次元を有していることから、受光部１３０の設置面として建築物１４０の側壁や屋上部分の面積を稠密に活用することで、単なる両面発電タイプの太陽光パネル以上の効率を可能とする。即ち、従来の両面発電太陽電池は、表と裏の２方向からの光しか電気エネルギーに変換できなかったのに対し、四方八方からの散乱光（非特許文献６の高反射率白色ペイントを施した側壁からの散乱光、および、在来型建物や道路からの散乱光）を電気エネルギーに変えることができる。電力の一大消費地である大都市部を、そのままメガソーラー発電所とすることができる。送電ロスの全くない大規模電力版“地産地消”を実現することができる。

本実施形態において、建築物１４０は、外界との間で気流としてのガス交換のない孤立閉鎖系を構成する部屋または閉空間と、フレッシュエア導入機能と濾過機能が空間的に機能縮退しない清浄環境システムと、受光機能と発電機能の空間的な機能縮退が解かれ、且つ二次元的に接続された太陽光発電システムとを有する構成とされていてもよい。

また、本実施形態において、建築物１４０は、外界との間で気流としてのガス交換のない孤立閉鎖系を構成する部屋または閉空間と、ガス交換ユニットおよびファンフィルターユニットを備える清浄環境システムと、前記清浄環境システムに電気エネルギーを供給する太陽光発電システムとを有し、前記ガス交換ユニットは、前記部屋または前記「閉空間の気体と、前記外界の気体との間の少なくとも一部に配置され、前記部屋または閉空間の気体と前記外界の気体との濃度勾配によって気体分子を交換しダスト微粒子を実質的に通さないガス交換膜を有し、当該ガス交換膜を伝導により横切る熱量が、在来換気を適用した場合の換気で失われる熱量より小さく、前記ファンフィルターユニットは、前記部屋または閉空間に配置され、前記太陽電池システムは、受光部と発電部とを有し、前記受光部は前記建築物の外面に配置され、前記発電部は前記受光部とは物理的に離れた位置に配置され、前記受光部と前記発電部とが二次元的に接続されている構成であってもよい。

さらに、本実施形態において、建築物１４０は、外界との間で気流としてのガス交換のない孤立閉鎖系を構成する部屋または閉空間と、ガス交換ユニットおよびファンフィルターユニットを備える清浄環境システムと、前記清浄環境システムに電気エネルギーを供給する太陽光発電システムとを有し、前記ガス交換ユニットは、前記部屋または閉空間の気体と、前記外界の気体との間の少なくとも一部に配置され、前記部屋または閉空間の気体と前記外界の気体との濃度勾配によって気体分子を交換しダスト微粒子を実質的に通さないガス交換膜を有し、前記ガス交換膜の面積をＡ、前記ガス交換膜の厚みをＬ、前記ガス交換膜の密度をρ_Ｍ、前記ガス交換膜の比熱をＣ_Ｍ、前記ガス交換膜の熱拡散係数をＤ_Ｔとし、ｋをボルツマン定数、空気の比熱をＣ_ｐ、空気の密度をρ、空気中の分子種ｉのガス分子拡散係数をＤ_ｉ、空気中の分子種ｉの単位体積当たりの数をφ_ｉ、前記ガス交換膜を横切る方向の微分演算子をδ／δ_ｘ、前記部屋または閉空間に在来換気を適用した場合の必要換気風量をＦとしたときに、前記の式（１）を満足し、前記ファンフィルターユニットは、前記部屋または閉空間に配置され、前記太陽電池システムは、受光部と発電部とを有し、前記受光部は前記建築物の外面に配置され、前記発電部は前記受光部とは物理的に離れた位置に配置され、前記受光部と前記発電部とが二次元的に接続されている構成であってもよい。

図１７は、本発明に係るエネルギー環境システムと在来の清浄環境システムのエネルギー収支を示す概念図である。
在来の清浄環境システム（在来システム）では、図１７に示すように、在来型換気に必要な大きなエネルギー消費と、有効活用されない太陽光エネルギーが建物に吸収され、建物及びこれを構成する各部屋の温度上昇を他所で発電され、送電ロスを甘受しながら都市部に運ばれた電力Ｗによる冷房により引き下げる必要があった。電力Ｗによる冷房においては、熱力学第２法則により、冷房前の温度に於ける高い室内気体の持つ熱エネルギーＥ_Ｈと冷房後の低い温度に於ける室内気体の持つエネルギーＥ_Ｌの差Ｅ_Ｈ－Ｅ_Ｌ以上のエネルギーを当該冷房プロセスに注入する必要がある。このため、太陽光吸収による温度上昇をキャンセルする冷房に必要なエネルギーは、建物の温度上昇をもたらした当該太陽光エネルギーよりも多くなり（図１７の左端に示す差分が生じ）、都市のヒートアイランド現象に拍車をかけることとなる。このように従来のシステムでは、換気による空気の浄化と空気の温度の調整に多量のエネルギーが必要で、都市気候の変動につながる一つの要因となっていた。

これに対して、本発明に係るエネルギー環境システム（本発明のシステム）は、清浄環境システムのフレッシュエア導入機能と濾過機能の空間的な機能縮退が解かれているので、上述の通り、換気の為の消費エネルギーが大幅に低減する。また、建物に照射される太陽光エネルギーを、２ＤＰＲＣＳを利用して建物に吸収させることなく電気エネルギーへ変換することで、温度上昇の原因を元から断ち、かつ、電力として有効活用するという一石二鳥の効果をもたらすことができる。建物の太陽光吸収による温度上昇を抑え、冷房による電力の消費量を低減させるのみならず、従来無駄に熱として失われた太陽光のエネルギーを電力に変えることができる。このため、図１７に示すように、太陽光から生成した生成エネルギー（Ｅ_１）から換気の為の消費エネルギー（－Ｅ_２）の差分（Ｅ_１－Ｅ_２）である最終的なエネルギー収支は、正となり、利用可能エネルギーが残る。残った利用可能エネルギーは、例えば、蓄電器に蓄電して、夜間に清浄環境システムを作動させる際のエネルギーとして利用することができる。近未来におけるＳＤＧｓの実現のみならず、都市気候変動の緩和に資することができる。

以上、この発明の実施の形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。

例えば、２ＤＰＲＣＳの受光部１３０の表面構造は平面型に限定されるものではない。受光部１３０の表面構造は波状であってもよい。また、円柱側面を活用して、上に突、下に突の円柱側面を接続して波状の表面構造をとりながらも、建築物の側壁を覆うこともできる。ファンフィルターユニットは、雨露をしのげるなど耐候性が担保されれば、前記部屋または閉空間の外、即ち外界に配置することも可能である上述の実施の形態において挙げた数値、構造、構成、形状、配置等はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれらと異なる数値、構造、構成、形状、配置等を用いてもよい。

１ａ内気
１ｂフレッシュエア
１ｃ清浄空気
２ａ外気
２ｂ排ガス
１０閉空間
１１内部
１２外界
２０ガス交換ユニット
２５ガス交換膜
３０ファンフィルターユニット
４０ガス交換ユニット
４１筐体
４２ａ、４２ｂ間仕切り衝立
４３ａ内気入口
４３ｂフレッシュエア出口
４３ｃ内部用送風装置
４４ａ外気入口
４４ｂ排ガス出口
４４ｃ外界用送風装置
５０ガス交換部
５１空気スペーサ層
５２ガス交換膜積層体
５３間隔
５４気流ブロック
５５気流整流器
１００清浄環境システム
１１０部屋
１１１壁
１１２天井
１１３天井空間
１１５内部
１１６外界
１２０断熱材
１３０受光部
１４０建築物
２００エネルギー環境システム

Claims

ガス交換ユニットと、ファンフィルターユニットとを含み、
前記ガス交換ユニットは、外界との間で気流としてのガス交換のない孤立閉鎖系を構成する部屋または閉空間の気体と、前記外界の気体との間の少なくとも一部に配置され、前記部屋または閉空間の気体と前記外界の気体との濃度勾配によって気体分子を交換しダスト微粒子を実質的に通さないガス交換膜を有し、前記ガス交換膜の熱伝導による熱の出入りと前記気体分子の交換による熱伝導の２つを考慮して構成され、
前記ガス交換膜の面積をＡ、前記ガス交換膜の厚みをＬ、前記ガス交換膜の密度をρＭ、前記ガス交換膜の比熱をＣ_Ｍ、前記ガス交換膜の熱拡散係数をＤ_Ｔとし、ｋをボルツマン定数、空気の比熱をＣ_ｐ、空気の密度をρ、空気中の分子種ｉのガス分子拡散係数をＤｉ、空気中の分子種ｉの単位体積当たりの数をφｉ、前記ガス交換膜を横切る方向の微分演算子をδ／δ_ｘ、前記部屋または閉空間に在来換気を適用した場合の必要換気風量をＦとしたときに、前記ガス交換膜の熱伝導による熱の出入りを抑えることで、下記の式（１）を満足し、

前記ファンフィルターユニットは、前記部屋または閉空間に配置される、清浄環境システム。
アボガドロ数をＮ_Ａ、系内の圧力における１モル当たりの気体体積をＣ、二酸化炭素の熱拡散係数をＤ_ＣＯ２としたときに、下記の式（２）を満足する、請求項１に記載の清浄環境システム。
前記部屋または閉空間がその内部気体を前記ガス交換膜の表面に沿う第１方向に流す送風機と、前記外界の気体を前記ガス交換膜の表面に沿う第２方向に流す送風機とを有するガス交換ユニットを備え、前記ガス交換ユニットにおいて前記第１方向に流れる気体の速度ベクトルと前記第２方向に流れる気体の速度ベクトルの内積が負であり、
前記内部気体の前記ガス交換ユニットにおけるガス交換部内のトランジットタイムＴ_Ｔに比べて、注目するガス分子が前記ガス交換膜を横切る拡散時間Ｔ_Ｄが十分小さくなる（Ｔ_Ｄ＜Ｔ_Ｔとなる）ように設定されている、請求項１または２に記載の清浄環境システム。
前記部屋または閉空間の体積をＶ、前記ガス交換膜の酸素のガス分子拡散係数をＤ、前記ガス交換膜の厚みをＬとした時、上記体積Ｖと前記ガス交換膜の面積Ａとを、｛（Ｖ／Ａ）／（Ｄ／Ｌ）｝でスケーリングさせて設計が行われ、
前記部屋または閉空間の酸素消費レートをＢ、前記外界と平衡状態にあり前記部屋または閉空間で酸素消費の無いときの酸素体積をＶ_Ｏ２、前記部屋または閉空間内における目標酸素濃度をη（η＞０．１８）としたとき、前記ガス交換膜の面積Ａが下記の式（３）を満足するように設定される、請求項１または２に記載の清浄環境システム。
フレッシュエア導入機能と濾過機能の空間的な機能縮退が解かれた清浄環境システムが適用される閉空間あるいは建築物の外面に、受光機能と発電機能の空間的な機能縮退が解かれ、且つ二次元的に接続された太陽光発電システムの前記受光機能を有する受光部を兼ねる光導波路が配置された、エネルギー環境システムであって、
前記清浄環境システムは、
ガス交換ユニットと、ファンフィルターユニットとを含み、
前記ガス交換ユニットは、外界との間で気流としてのガス交換のない孤立閉鎖系を構成する部屋または閉空間の気体と、前記外界の気体との間の少なくとも一部に配置され、前記部屋または閉空間の気体と前記外界の気体との濃度勾配によって気体分子を交換しダスト微粒子を実質的に通さないガス交換膜を有し、前記ガス交換膜の熱伝導による熱の出入りと前記気体分子の交換による熱伝導の２つを考慮して構成され、
前記ガス交換膜の面積をＡ、前記ガス交換膜の厚みをＬ、前記ガス交換膜の密度をρＭ、前記ガス交換膜の比熱をＣ _Ｍ、前記ガス交換膜の熱拡散係数をＤ _Ｔとし、ｋをボルツマン定数、空気の比熱をＣ _ｐ、空気の密度をρ、空気中の分子種ｉのガス分子拡散係数をＤｉ、空気中の分子種ｉの単位体積当たりの数をφｉ、前記ガス交換膜を横切る方向の微分演算子をδ／δ _ｘ、前記部屋または閉空間に在来換気を適用した場合の必要換気風量をＦとしたときに、前記ガス交換膜の熱伝導による熱の出入りを抑えることで、下記の式（１）を満足し、

前記ファンフィルターユニットは、前記部屋または閉空間に配置される、
エネルギー環境システム。
前記濾過機能のための電力を上記発電機能により供給することで前記濾過機能と前記発電機能を結合し、
上記フレッシュエア導入機能の請求項１に記載のガス交換ユニットによる実施と、前記太陽光発電システムの前記受光部を兼ねる前記光導波路の、前記清浄環境システムが適用される部屋または閉空間を有する建築物の外面への配置により、太陽光を建物に吸収させることなく電気エネルギーに変えることで相乗的にエネルギー効率の向上を可能とした、請求項５に記載のエネルギー環境システム。