都市気候数値シミュレーションによる都市温暖化の要因解析
川瀬 誠 1. はじめに 現代の都市部では高密化やアスファルト地の増加等 によりヒートアイランド現象が顕在化している。その結 果，健康被害や集中豪雨などの問題が生じており，緩和 策は急務である。本研究の対象地である神奈川県秦野市 でも温暖化や，ヒートアイランド現象が見られた。そこ で，本研究ではキャノピーモデル1)に基づき，街区空間 の大気－建築－土壌連成系の都市気候シミュレーショ ンモデルを構築する。さらに，地球環境対応都市として の政策 2)が進められている秦野市の豊富な地域データ を活用し，数値シミュレーションにより秦野市における 夏期の温度分布を再現することで，ヒートアイランド現 象の要因を明らかにし，温暖化の各要因の影響と緩和策 の効果を定量的に明らかにする。 2. 秦野市の温熱環境の現状 秦野市内 46 地点で温度センサー付きデータロガーを 設置し，2012 年の夏期に気温を測定した3)。本研究では 全地点で結果が正確に得られた 8 月 6 日～8 月 23 日の 実測結果を使用する。図 1 に秦野市の土地利用分布お よび気温観測地点，期間平均気温の観測結果を示す。建 物が密集する中心市街地で平均気温が高くなっている ことが分かる。そこで，気温上昇の要因を把握するため， 既往研究4)において，期間平均気温と緑被率，建築密度， エネルギー消費密度との相関関係について検討した （図 5～7 参照）。期間平均気温と緑被率の間では負の 相関が見られ，期間平均気温と建築密度，エネルギー消 費密度の間では正の相関が見られた。これらの結果より， 気温には緑被率や建築密度，エネルギー消費量が関係し ていると考えられる。 3. 都市気候シミュレーションモデルの概要 気温上昇の要因が及ぼす影響を定量的に明らかにす るため，街区空間の大気－建築－土壌連成系の都市気 候シミュレーションモデルを構築した。図 2 に計算フ ローを示す。本モデルは大気モデル，放射場モデル， 各構成面（屋根，壁，地盤）モデルからなり，温度・ 湿度・風速の鉛直 1 次元分布を算出する。 3.1 大気モデル 大 気 モ デ ル は 谷 本 ， 萩 島 ら に よ り 構 築 さ れ た AUSSSM5)の都市大気モデルに基づく。地上高さ 100m までを対象に式(1)～(3)に示す鉛直 1 次元の運動量，熱 および水蒸気の輸送方程式で表現される。乱流モデル， 乱れの長さスケールも同様に，Gambo によるゼロ方程 式および近藤のモデルに基づく1),6)。熱輸送方程式の生 成項は各鉛直方向の支点に応じて，地表面，壁面，屋根 面からの顕熱量および空調排熱量を与えている。接地層 上端の境界条件は既往研究の値7)を使用するが，既往研 観測地点・気温カラーラベル [℃] 図1 秦野市の気温観測地点・土地利用図 開始 起動データ 大気構成 データ 建物構成 データ 地盤構成 データ 空調排熱 データ 放射場係数計算 （形態係数，吸収係数） 月・日・時刻 気象データ 太陽位置計算 建物影面積計算 地表面・各壁面の 短波長放射吸量計算 地表面・各壁面の 長波長放射吸量計算 地表面・各壁面・屋根面の 熱伝導計算 （表面温度の算出） 大気モデル計算 （風速・温度・湿度） 計算結果 出力 終了 図2 計算フロー 35-1究値の年平均気温と秦野市の 2012 年の年平均気温の差 を境界条件値に考慮した。
𝐺
𝜕𝑢 𝜕𝑡=
𝜕(𝐾𝑚∙𝐺𝜕𝑢𝜕𝑧) 𝜕𝑧−
1 2𝐶
𝑓𝑖𝑎|𝑢|
2···
(1)𝐺
𝜕𝜃𝜕𝑡=
𝜕(𝐾ℎ∙𝐺 𝜕𝜃 𝜕𝑧) 𝜕𝑧+ 𝐻 ···
(2)𝐺
𝜕𝑞𝜕𝑡=
𝜕(𝐾𝑣∙𝐺 𝜕𝑞 𝜕𝑧) 𝜕𝑧+ 𝑊 ···
(3) 3.2 放射場モデル 放射場計算では建物が直方体で無限均等配置してい るものと仮定する。短波放射は 1 次入射日射のみなら ず，形態係数に基づくゲブハルトの吸収係数を用い多重 反射を考慮する。形態係数・吸収係数算出時の街区形状 は，主体となる面の種類に応じて図 3 に示す形状に簡 易化した。長波放射計算も吸収係数を用い，周囲各表面 からの長波放射授熱を考慮している。建物によりできる 影面積は近藤らによる式1)を用い算出する。 3.3 各構成面（屋根，壁，地盤）モデル 屋根，壁，地盤のそれぞれ 1 次元の熱伝導方程式を 解き，各表面温度を算出する。本モデルでは地盤の地被 構成は緑地とアスファルトの 2 種類を想定しており， 緑地の計算は大気－植栽－土壌連成系の熱水分複合移 動モデル8)を用いる。このモデルは水分流の駆動力を熱 力学エネルギー（水分ポテンシャル）とし，植栽からの 蒸散は土壌および植栽自身の含水状態にも依存する。ま た，植栽群層を複数層に分割していることで，植栽層内 の日射の多重反射や層間の長波放射授熱を考慮でき，実 現象に即した伝熱解析が可能である。 各表面の外側境 界条件は大気モデル，放射場モデルと連成している。 3.4 空調排熱量計算 空調排熱量は建物の空調負荷に(1+1/COP)を乗じたも のとする。建物の空調負荷は建築全体の温湿度環境・熱 負荷シミュレーションソフト THERB for HAM9)により算出し，空調排熱量は対象街区のキャノピー空間内（＝ 建物高さ）に均等分散させた。 4. 数値シミュレーション結果の妥当性検証 数値シミュレーション結果の妥当性を検証するため， 観測地点ごとに計算し，実測値と計算値を比較した。各 地点の地域特性を反映させるため緑被率，建築密度，街 区形状，空調排熱量をパラメータとし，その地域に沿っ た値を用いた。緑被率，建築密度は第 2 節と同様の方法 で算出した。 空調排熱量の算出に必要な空調負荷は THERB for HAM により算出した。まず，表 1 に示す住宅の種類ご と（全 360 パターン）に 8 月積算冷房負荷を算出し，秦 野市の住宅の各パラメータ割合に応じ，加重平均より平 均的な住宅の 8 月冷房負荷積算値を算出する。住宅の 各パラメータの割合は既往研究 4)にて求められた秦野 市の 2010 年の値を使用した。ただし，間欠空調と終日 空調の割合は簡易的に 1：1 とし，集合住宅は 1 階当た り 4 住戸の 5 階建てを想定した。秦野市の平均的な 8 月 積算冷房負荷を 8 月の日数および空調時間で割ること で単位時間当たりの冷房負荷[W]を算出する。さらに， これを冷房負荷シミュレーションに用いた IBEC 計算 用住宅モデルの建築面積で除することで，単位面積当た りの冷房負荷[W/m2]を算出し，対象地域ごとの平均建築 面積を乗じることで，地域ごとの建物規模を反映させた 冷房負荷[W]を算出した。得られた冷房負荷[W]を用い， 空調対象室，空調スケジュールを考慮し，空調排熱スケ ジュールを作成して計算に用いた。 図 4 に各地点の期間平均気温の計算値と実測値の比 較を示す。図 5～7 に期間平均気温と緑地，建築密度， エネルギー消費密度の相関図を示す。図 4 の近似線の 傾きはほぼ 45 度となり，図 5～7 では近似線において 計算値と実測値は概ね一致している。以上より，対象地 域の温度分布と各要因の気温への影響を再現できてい る。 単位流体体積当たり建物立面積[1/m]， ：抵抗係数[-] 流体体積密度[-]， 生成項， 乱流拡散係数[m2/s] ：比湿[kg/kg]， :時刻[s]， 風速[m/s]， 鉛直方向座標[m] ：空気温度[K] G1 G2 図3 街区形状の簡易化 対象領域 表1 住宅の各パラメータ 35-2
5. パラメータ感度解析 気温上昇の要因が及ぼす影響および対策の効果を定 量的に明らかにするため，緑被率，建築密度，空調排熱 条件をパラメータに感度解析を行った。 表 2 に基準計算条件を，表 3 に各パラメータの検討 内容を示す。街区形状は秦野市の典型的な戸建住宅地域， 集合住宅地域を選定し，GIS を用い算出した平均値を計 算に使用した。表 5 に基準条件の計算結果を示す。図 8 ～12 に各パラメータの高さ 1m の 8 月平均気温，6 時平 均気温，14 時平均気温の基準からの変化量を示す。た だし，空調パターン（図 10）については間欠からの変 化量としている。 図 13～15 に気温変動への影響が比較的大きかった緑 被率，建築密度，空調パターンをパラメータとした 7/1 ～9/30 の真夏日数・夜間 23℃以上の日数を示す。図 16， 17 に緑被率，空調パターンをパラメータとした，一日 （8/14）の経時変化を示す。緑被率を変更したケースで は，基準条件（緑被率 50％）と比較して 8 月平均気温 では最大±0.7℃程度，14 時平均気温で最大±1.0℃程度 の変化があり，日中の気温への影響が大きくなっている。 これは，経時変化（図 16 参照）が示すように，日中の アスファルトの表面温度が緑地に比べて大幅に上昇し ていることが原因であると考えられる。 建築密度を変更したケースでは気温変動の時間帯に よる差は小さいが，基準条件と比較して最大で戸建住宅 地域では＋2.5℃，集合住宅地域では＋4℃となり，本検 討の中で最も影響の大きい要因となった。空調排熱に関 するパラメータを変更した場合の気温変動は比較的小 さい結果となったが、空調パターンについては図 17 の 経時変化にも示すように、時間帯ごとの影響が顕著に表 れている。 間欠空調に比べ夜間空調では 6 時の気温が＋約 0.9℃， その結果，夜間 23℃以上の日数が増加し，昼間空調で は 14 時の気温が＋約 0.8℃となり，真夏日数が増加し ている。 6. まとめ 本報告では，鉛直 1 次元の都市気候数値シミュレー ションモデルを構築し，秦野市の都市温度分布を再現し た。緑被率，建築密度，エネルギー消費密度をパラメー タとし実測値と計算値を比較することで，計算結果の妥 当性について検証した。さらに緑被率，建築密度，空調 排熱に関する各パラメータが気温に与える影響を定量 的に明らかにした。 y = -0.0196x + 27.509 R² = 0.4338 y = -0.0251x + 28.006 R² = 0.4818 23 24 25 26 27 28 29 0 20 40 60 80 100 気温 [℃ ] 緑被率[％] y = 8.3582x + 25.272 R² = 0.776 y = 10.05x + 25.219 R² = 0.7651 23 24 25 26 27 28 29 0.0 0.1 0.2 0.3 気温 [℃ ] 建築密度[-] y = 0.0019x + 25.583 R² = 0.6913 y = 0.0027x + 25.534 R² = 0.7378 23 24 25 26 27 28 29 0 200 400 600 800 1,000 気温 [℃ ] y = -0.0196x + 27.509… y = -0.0251x + 28.006… 23 24 25 26 27 28 29 0 20 40 60 80 100 気温 [℃ ] 緑被率[％] 計算値 実測値 線形 (計算値) 線形 (実測値) エネルギー消費密度[GJ/m2・month] 図4 8月平均気温の実測値 と計算値の比較 図5 緑被率と8月平均気温 の実測値と計算値 図6 建築密度と8月平均気温 の実測値と計算値 図7 エネルギー消費密度と 8月平均気温の実測値と計算値 y = 0.9472x + 1.5223 R² = 0.6118 24 25 26 27 28 29 24 25 26 27 28 29 実測値 [℃ ] 計算値[℃] 0 5 10 15 20 0 6 12 18 空調排熱量 [kW ] [時] 24 表1 住宅の各パラメータ内容 構造 住戸位置 （集合住宅） 空調パターン 断熱性能 世帯構成 木造（戸建）， RC（集合）， S（集合） 最上階妻側，最上階中間，中間階妻側，中間階中央 間欠空調， 終日空調 無断熱， 旧省エネ， 新省エネ， 次世代省エネ 1人， 2人， 3人， 4人， 5人 図9 空調排熱量スケジュール例 戸建 集合 建築密度 0.25 0.14 建物幅 9.3 19.1 建物高さ 7.2 15 道幅 9.3 31.9 構造 木造 RC造 空調パターン 冷房設定温度 COP 断熱性能 緑被率 50% 街区形状 空調排熱 終日空調 26℃ 3.54 旧省エネ相当 表2 パラメータ感度解析基準条件 0，20，40，60，80，100 0.01，0.1，0.2，0.3，0.4 空調スケジュール 間欠，夜間，昼間，終日 断熱性能 無断熱，旧省エネ 新省エネ，次世代省エネ 冷房設定温度[℃] 26，27，28 空調排熱 建築密度[-] 緑被率[％] 表4 空調パターン 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 間欠 夜間 昼間 終日 主寝室 居間 厨房 主寝室 居間 厨房 主寝室 子供部屋 居間 厨房 主寝室 子供部屋1 子供部屋2 居間 厨房 主寝室 子供部屋1 子供部屋2 居間 厨房 4人世帯 18 44 50 78 5人世帯 18 44 50 78 2人世帯 10 20 20 30 3人世帯 14 32 36 54 合計空調時間 1人世帯 6 16 16 27 ＝間欠 + ＝夜間 + ＝昼間 + + ＝終日 表3 検討内容 8月平均 6時平均 14時平均 戸建住宅地域 26.6 23.1 30.7 45 37 集合住宅地域 25.8 22.3 29.8 29 6 気温[℃] 真夏日数 夜23℃以上 の日数 表5 基準条件計算結果 35-3
参考文献 1) 近藤裕昭，他 1 名：1 次元都市キャノピーモデルによる都市の熱環境に関す る研究，大気環境学会誌 33(3)，pp.179-192，1998 年 2) 例えば，佐土原聡，他 1 名：環境工学協働による地球環境対応型都市づくり に関する体系的研究 その 1 研究の背景の目的，考え方の全体フレームと構 成，建築学会大会学術講演梗概集，環境工学Ⅰ，pp.1115-1116，2012 年 9 月 3) 野口翔平，他 3 名：環境工学協働による地球環境対応型都市づくりに関する 体系的研究 その 13 多点同時観測による秦野市の夏季気温分布形成要因の 分析，建築学会大会学術講演梗概集，環境工学Ⅰ，pp.1193-1194，2013 年 8 月 4) 川瀬誠，他 2 名，：環境工学協働による地球環境対応型都市づくりに関する 体系的研究 その 21-2 GIS を用いたエネルギー需要マップと気温分布，建築 学会大会学術講演梗概集，環境工学Ⅰ，pp.1211-1212，2013 年 8 月 5) 萩島理，他 2 名：改良・建築－都市－土壌連成系モデル(AUSSSM)による都 市高温化の構造解析 第 1 報 モデルの理論構成及び標準解，日本建築学会計 画系論文集(550)，pp.79-86，2001 年，12 月
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7) 水出喜太郎，他 2 名：1 次元熱収支モデルによる数値計算と地表面近傍環境 の観測による都市熱環境解析に関する研究，空気調和・衛生工学会学術講演 会論文集，pp1249-1252，1994 年 9 月 8) 松田千怜，他 4 人：大気―植栽―土壌連成系の熱・水分複合移動 地被構成の 違いが微気候形成に及ぼす影響，日本建築学会第 40 回熱シンポジウム， pp191-198，2010 年 10 月 9) 尾崎明仁：熱・水分・空気連成を考慮した建築の温湿度・熱負荷計算，Technical Papers of Annual Meeting of IBPSA-Japan，pp.19-26，2005
35-4 -2 -1 0 1 2 0 40 60 100 気温変化量 [℃ ] 緑被率[％] 戸建住宅地域 -6 -3 0 3 6 0.01 0.1 0.2 0.25 0.3 0.4 気温変化量 [℃ ] 戸建集宅地域 0.01 0.1 0.14 0.2 0.3 0.4 集合住宅地域 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 間欠 夜間 昼間 終日 気温変化量 [℃ ] 戸建住宅地域 間欠 夜間 昼間 終日 集合住宅地域 26℃ 27℃ 28℃ 冷房設定温度 集合住宅地域 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 26℃ 27℃ 28℃ 気温変化量 [℃ ] 冷房設定温度 戸建住宅地域 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 気温変化量 [℃ ] 戸建住宅地域 図8 平均気温変化量（緑被率[％]） -6 -3036 0.01 0.1 0.2 0.25 0.3 0.4 8月平均 6時平均 14時平均 高さ1mの気温凡例 ： 図9 平均気温変化量（建築密度[-]） 図10 平均気温変化量（空調パターン） 図11 平均気温変化量（冷房設定温度） 図12 平均気温変化量（断熱性能） 集合住宅地域 図13 真夏日・夜間23℃以上日数（緑被率[％]） 図14 真夏日・夜間23℃以上日数（建築密度[-]） 図15 真夏日・夜間23℃以上日数（空調パターン） 20 25 30 35 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 温度 [℃ ] [時] 戸建住宅地域 20 25 30 35 40 45 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 温度 [℃ ] [時] 戸建住宅地域 20 25 30 35 40 45 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22[時] 50% 0% 100% 緑地 アスファルト 20 25 30 35 40 45 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22[時] 50% 0% 100% 緑地 アスファルト 20 25 30 35 40 45 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22[時] 50% 0% 100% 緑地 アスファルト 高さ1m気温 地表面温度 20 25 30 35 40 45 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22[時] 50% 0% 100% アスファルト 緑地 20 25 30 35 40 45 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22[時] 50% 0% 100% アスファルト 緑地 （100％時） （0％時） 20 25 30 35 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 [時] 間欠 夜間 昼間 終日 図16 地表面温度・高さ1m気温経時変化（緑被率） 図17 高さ1m気温経時変化（空調パターン） 0 20 40 60 間欠 夜間 昼間 終日 夜間23℃以上の日数 真夏日数 0 40 60 100 緑被率[％] 集合住宅地域 0 20 40 60 0 20 40 50 60 80 100 日数 緑被率[％] 戸建住宅地域 0 20 40 50 60 80 100 緑被率[％] 集合住宅地域 0 20 40 60 80 100 0.01 0.1 0.2 0.25 0.3 0.4 日数 建築密度[-] 戸建住宅地域 0.01 0.1 0.14 0.2 0.3 0.4 建築密度[-] 集合住宅地域 0 20 40 60 間欠 夜間 昼間 終日 日数 戸建住宅地域 間欠 夜間 昼間 終日 集合住宅地域
