All Sky Modelに基づく昼光照明設計に関する研究 [ PDF

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(1)All Sky Model に基づく昼光照明設計に関する研究大島. 1. はじめに. 元. 空（正規化グローバル照度 0.1）の天空輝度分布を、図 4、図 5 に内寸法が縦 6ｍ×横 6ｍ×高さ 3ｍ、真南の壁. 現在、化石エネルギー資源の減少に加え、二酸化炭素の増加による地球温暖化が深刻化し、自然エネルギーの. 面中央に縦2ｍ×横4ｍで透過率が88％の窓を持つ室で、. 有効活用が重要な課題となっている。建築でも昼光を室. 室内反射率は天井 80％、壁 60％、床 30％、地物の反射. 内空間に導入し、合理的に利用することが要求されてい. 率を 10％に想定し、天空輝度分布が図 2、図 3 の場合で. る。しかし、実務において、有効な昼光照明設計が行わ. ある室内照度分布のシミュレーション例を示す。. れていないのが現状である。我が国では、 1999 年4 月に、エネルギー使用の合理化に関する法律が施行された。照その他の入力. All Sky Model に関する入力. 明計画においては、人工照明の照明消費エネルギー係数. scene. として基準が定められている。しかし、この係数は、照. 水平面グローバル照度. 度センサーによる照明制御は考慮されているが、その数. 空データ. Description. 正規化. or. 地面データ. グローバル照度モデリングデータテクスチャーデータ. 太陽の位置. 値は昼光の実態を反映していない。. 地物の反射率. All Sky Model. 昼光照明環境の実際的な予測と評価には、様々な天空. oconv. gensky. 状態や複雑な窓システムを考慮できる計算方法が必要で. 内壁の反射率窓の透過率. 太陽高度. ある。井川らは、晴天空から曇天空まで連続的に示す天. 太陽方位角. 空輝度分布モデル(All Sky Model1))を開発した。また、アメリカ合衆国のローレス・バークレイ国立研究所では、. Auxiliary File. 拡張可能な照明シミュレーションプログラムである. 凡例. Radiance2)をフリーで配布している。本研究は、昼光照. name はRadiance の. 日時・緯度・経度人工光源データ. 標準子午線. 窓のFunction File. 昼光のFunction File. Auxiliary File. Octree. rpict pfilt falsecolor. echo rtrace rcalc. プログラム名. 明環境の実際的な予測と評価を行うため、昼光の光源に. Other Values. Picture. All Sky Model を、シミュレーションプログラムに Radiance を利用した昼光照明設計の構想を行い、そのシ. 天空輝度分布. 室内照度分布. のコンタ図. のコンタ図. 座標（X,Y,Z）の照度値 [lx]. ミュレーションの精度を実務で使用できるレベルまで高図 1 Radiance の入力から出力までのフロー. めることを最終目的とする。本稿では、その嚆矢として昼光照明設計のシステム構想を提案し、直射を含まない段階での模型を利用した検証実験の結果と考察を示す。 2. All Sky Model の Radiance への適用本研究では Windows 版の Radiance に All Sky Model を適用した。All Sky Model は、全天型天空輝度分布を絶対値で示す数式モデルであり、相対値で示す全天型天空輝度分布と、全天型天頂輝度で構成され、水平面グロ. 図2 晴天空の輝度分布. 図 3 曇天空の輝度分布. 図 4 晴天時の室内計算例. 図 5 曇天時の室内計算例. ーバル照度と太陽の位置により求められる。天空状態は全ての太陽位置において同様に正規化グローバル照度で表され、完全な晴天空の時 1.0、完全な曇天空の時 0.1 となる。図 1 に本研究で使用する、Radiance の入力から出力までのフローを示す。また、図 2、図 3 にそれぞれ Radianceで表現した太陽高度35°、太陽方位角180°(真南)の場合の晴天空（正規化グローバル照度 1.0）と曇天. 34-1.

(2) 3.4 今後の方針. 3. All Sky Model に基づく昼光照明設計本研究における昼光照明設計の目的は、基本計画の参. 昼光照明設計を実務で行うには、シミュレーション値. 考となる昼光シミュレーションを行うこと、そして、昼. の高い精度が求められる。本研究では、これを段階に応. 光データによる年間の確率的な予測により、人工照明の. じて解決する方針で、模型による検証実験とその結果を. 消費電力を効率よく削減することである。All Sky Model. 受けた Radiance の拡張を繰り返し行う予定である。現時. に基づく昼光照明設計のフローを図 6 に示す。. 点では、All Sky Model の拡張のみであるが、今後、直. 3.1 All Sky Model の全国での利用. 射成分、直射成分遮蔽装置、人工照明を拡張していく。. All Sky Model を全国で使用するために、全国の水平面グローバル照度のデータを太陽の位置別に整理するこ. 順路. Radiance の操作手順. とが必要である。水平面グローバル照度は、CIE（国際照. 全国の昼光データのデータベース化. 明委員会）の IDMP 測定所で測定されているため、これを. IDMP データ. 地区別にデータベース化する。IDMP 測定所が無い地区は、気象台の日射量データを入手し、水平面グローバル照度. 昼光照明設計. 気象台データ. 敷地決定. を導き出し、同様の整理を行う。. 敷地情報入力. 水平面グローバル照度データの入手. 隣接建物情報入力. 3.2 基本計画での昼光照明設計. 基本計画. 室ごとの必要照度の設定. 設計する建物の対象敷地が決定すると、Radiance に敷地情報と隣接建物情報を入力する。その後、基本計画に. 平面計画構造計画. 入り、平面計画を行うにあたり、室の機能から必要照度. シミュレーション. 季節ごとの採光を検討. 基準となる天空状態の作成. 平面計画への利用. 窓配置対象建物情報入力. 等の目標値を決定し、Radiance に建物情報を入力し、窓. 窓面位置・昼光導入装置・ファサードの決定. 面の位置、大きさ等を決定する目的で、All Sky Model による基準天空による室内照度計算を行う。その際、天空状態は正規化グローバル照度が 1.0（晴天空）、0.7（明るめの中間天空）、0.4（暗めの中間天空）、0.2（曇天空）とし、太陽の位置は、春分、夏至、冬至の 3 つの季節における午前 9 時、太陽の南中時、午後 5 時（但し、冬至は太陽高度が低くなるため午後 4 時）の 36 パターンとす. 柱位置・柱太さ・構造材料・耐震壁の決定. 実施計画. シミュレーション. 年間のエネルギー計算. 直射成分遮蔽装置の作成. シミュレーションの精度の決定. 人工照明データの作成. 水平面グローバル照度データの整理. 窓の仕様壁面の仕様人工照明の決定. 消費エネルギー計算プログラム. 熱・空気環境の計算と同時に計算エネルギーの総合評価窓面・設備の微調整. る。図 7 に福岡市箱崎（北緯 33.62°・東経 130.43°）図 6 All Sky Model に基づく昼光照明設計のフロー. の冬至における基準の天空輝度分布を示す。 3.3 実施計画での昼光照明設計基本計画が決定すると、Radiance に、決定した窓や壁面、人工照明の情報、また、直射成分を遮蔽するブラインド、ルーバー等の情報も取り入れ、空調機によるエネルギー計算と同時に人工照明による消費エネルギーを計算する。計算は、昼光データベースから水平面グローバル照度のデータをピックアップし、太陽位置別の出現頻度をもとめ、それによる All Sky Model の天空輝度分布を昼光の光源として計算する。その際、シミュレーションの精度と計算時間を考慮し、水平面グローバル照度、太陽位置の分割数を選択する。計算後、エネルギー消費量が適当でないと判断された場合、窓面、人工照明の仕様、空調機の選定などの微調整を行い、基準をみたす結果がでるまで繰り返す。その際、エネルギー計算するプログラムを作成する必要がある。図 8 に照度センサー付. 図 7 福岡市箱崎における冬至の基準天空輝度分布. 人工照明の予測年間消費電力の計算のフローを示す。. 34-2.

(3) 水平面グローバル照度. 4 検証実験 4.1 実験概要. P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8. Radiance で適応する All Sky Model の性能を検証する. P9 P10・・・・・・・・・・・・・・・. ・・・・・・・・・・・・・・・・. ために屋外で 1 回目の模型を使用した検証実験を行った。. ・. ・・・・・・・・・・・・・・・・. 測定の対象となる模型室は、シミュレーションで想定し. ・. ・・・・・・・・・・・・・・・・. た、間口 6000ｍｍ、奥行 6000ｍｍ、高さ 3000ｍｍで、1. ・. ・・・・・・・・・・・・・・・・. 面に幅 4000ｍｍ、高さ 2000ｍｍの開口部を持つ室の縮尺. ・. ・・・・・・・・・・・・・・・・. 1/10 である。室内の反射率は、高反射率のものと、低反. ・. ・・・・・・・・・・・・・Pn. 射率のものを想定し、白く塗装したものと黒く塗装したものの 2 つとした。測定した項目は、水平面グローバル. 太陽の位置. (Pk：割合). 照度、室内床面照度、天空輝度分布である。模型の向き. ①得られた水平面グローバル照度データを太陽の位置別に分類し、各ブロックで総データ数に対する割合を求める。(Ｐk＝Xk / ΣXn) ΣXk:総データ数水平面グローバル照度. は開口部が真北を向く場合と真南を向く場合の 2 パターンとした。使用した模型の概要と照度の測定点を図 9 に、室内反射率を表 1 に示す。. P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 ・・・・・・・・・・・・・・・・. ・・・・・・・・・・・・・・・・. ・. ・・・・・・・・・・・・・・・・. ・. ・・・・・・・・・・・・・・・・. ・. ・・・・・・・・・・・・・・・・. ・. ・・・・・・・・・・・・・・・・. ・. ・・・・・・・・・・・・・Pn. 3000. 4000 2000. a A列. 太陽の位置. 1500. ②各ブロックのパラメータから All Sky Model に基づく天空輝度分布を求める. B列. d. c. b. e. 1000 1000 1000 6000 1000 1000 1000. C列. 1500 1500. 1500. ※○は照度計の位置を表す. 6000. 図 9 想定する室と測定点 ③光束法もしくは Radiance のシミュレーションから人工照明の台数を求める水平面グローバル照度. O1. O2. O3. O4. O5. O6. 表 1 壁面・天井・床の平均反射率（％）. O7 O8. O9 O10・・・・・・・・・・・・・・. 塗装. 東. 西. 南. 北. 天井. 床. 黒. 5.88. 5.98. 4.28. 5.86. 4.00. 6.60. 白. 83.3. 84.5. 79.9. 84.9. 82.7. 71.2. ・. ・・・・・・・・・・・・・・・・. ・. ・・・・・・・・・・・・・・・・. ・. ・・・・・・・・・・・・・・・・. ・. ・・・・・・・・・・・・・・・・. 年 10 月 22 日から 11 月 8 日に試みた。測定した時間は、. ・. ・・・・・・・・・・・・・・・・. 午前 7 時 30 分から午後 5 時までの 15 分間隔とした。但. ・. ・・・・・・・・・・・・・On. し、太陽高度が 10°を越えないものは、建築学科周辺の. (Ok：人工照明の点灯台数). 実験場所は福岡市箱崎の九州大学建築学科旧館屋上（北緯 33.62°・東経 130.43°）である。測定期間は 2002. 建物の影響を受けると判断し、採用しなかった。. 太陽の位置. 模型の設置は高さ 0.7ｍの台の上に、白く塗装したも. ④②で求めた天空輝度分布に基づく室内照度を計算し、人工照明の点灯台数を求める. のと黒く塗装したものを 2 つ並べ、地物からの光の反射を一定にするために開口部の前面に反射率 3.44％の暗. ⑤ここで、人工照明 1 台あたりの消費電力を W、年間の照明点灯時間を T とすると、対象室の年間予想消費電力は次の式で計算可能である ΣＷk：年間照明消費電力 ΣＷk＝(W×O1)×(T×P1)+ (W×O2)×(T×P2)+ ・・・・・・・・・・・・＋(W×Oｎ)×(T×Pｎ). 幕を取付けた。 4.2 実験結果と考察 4.2.1 測定データ数得られた測定データは、北窓の場合が 204 回分、南窓. 図 8 予想年間消費電力の計算のフロー. の場合が 170 回分である。今回はシミュレーションでの 34-3.

(4) 40. 計算値と、模型実験での測定値を比較する時、曇天空の. 35 30. 輝度分布の測定結果を、CIE 標準晴天空、CIE 標準曇天空. 25. のコンタ図と比較し、データ取得時の天空状態を、晴天空、中間天空、曇天空の 3 つに分類した。曇天空時は北. 度数. 場合のみを検討対象とした。各回の測定について、天空. 20 15 10. 窓のデータは28回分、南窓のデータは29回分であった。. 5. 4.2.2 考察に使用する値. 0 0∼10. 考察では、実測値とシミュレーション値との差をシミュレーション値で除したものを使用する。また、この値. 10∼20. 20∼30. 30∼40. 40∼50. 50∼60. 60∼70. 70∼80. 80∼90 90∼100. 照度差. 図 10 全天空照度差の頻度分布. を、全天空照度については全天空照度差、室内照度については照度差、昼光率については昼光率差と定義する。さらに、許容できる範囲として 20％以内を設定した。 16. 4.2.3 考察曇天空の場合、水平面グローバル照度と全天空照度は. 14. 等しくなるといえる。最初に、測定した水平面グローバ. 12. ル照度と、シミュレーションによる全天空照度を比較した。その結果、全天空照度差が 20％以内になるものは検討データ数（57）の約 8 割であった。曇天空に分類されてはいるが、空一面が厚い雲に覆われているような状態は少なく、水平面グローバル照度の測定値は比較的高いものが多い。その時、全天空照度差は大きくなる傾向に. 10. 95∼100 90∼95 85∼90 80∼85 75∼80 70∼75 65∼70 60∼65 55∼60 50∼55 45∼50 40∼45 35∼40 30∼35 25∼30 20∼25 15∼20 10∼15 5∼10 0∼5. 度数. 8 6 4 2 0. 照度差. a. b. c. d. e. B列. あった。図 10 に、全天空照度差の頻度分布を示す。次に室内照度を検討する。全体として、室内反射率が. 図 11 南窓・低反射率 B 列における照度差の頻度分布. 低い場合は、測定値がシミュレーション値より小さくなり、室内反射率が高い場合は、測定値がシミュレーション値より大きくなった。また、室内反射率が低い場合、室内反射率が高い場合より検討データに対して、照度差. 7. が小さいものの割合が高い。照度差が 20％以内のものは、. 6. 室内反射率が低い場合に、検討データ数（627）の約 5 割、室内反射率が高い場合に、検討データ数（627）の約 2 割であった。測定点の B 列で、開口部からの距離について比較すると、中央付近において照度差が小さい傾向にある。開口部付近と室奥では照度差のばらつきが大きい。これは、窓の向きに関わらず、また、太陽高度に関わらず同様の結果を示した。室奥においては、シミュレ. 5 95∼100 90∼95 85∼90 80∼85 75∼80 70∼75 65∼70 60∼65 55∼60 50∼55 45∼50 40∼45 35∼40 30∼35 25∼30 20∼25 15∼20 10∼15 5∼10 0∼5. 度数. 3 2 1 0. 照度差. a. ーションより実際の方が、室内面での光の相互反射による間接成分の影響を強く受け、室内反射率の高い場合に. 4. b. c. d. e. B列. 図 12 南窓・高反射率 B 列における照度差の頻度分布. 照度差が大きくなると考える。南窓で、B 列 5 点における照度差の頻度分布を室内反射率別に図 11、図 12 に示. 参考文献. す。壁際の A 列と C 列においては、照度差が 20％以内の. １）N. Igawa and H. Nakamura: All Sky Model as a. 割合は、B 列と同様に低反射率が約 5 割、高反射率が約 2. standard sky for the simulation of daylit. 割であった。また、この結果は A 列、C 列で違いは無く、. environment, Building and Environment, 36,. 太陽高度、太陽方位角の別でも傾向は見られなかった。. pp.763-770, 2001. 昼光率差に関しては照度差と同様の傾向を示した。. ２）http://radsite.lbl.gov/radiance/HOME.html. 34-4.

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