34-1
日射遮蔽制御を行う自律型ファサードシステムに関する研究
鉛直面照度による日照有無の判別方法と日射制御方法
古賀 友子
1．はじめに 近年、建築のファサードにはガラスを多用した透過性の 高いデザインが多くなっている。そのような建築において、 室内の視環境や熱環境を良好にするために、高性能な窓・ ファサードシステムが開発されてきた。良好な室内環境を 実現するために、直射日光の制御は必要不可欠である。固 定式や手動式の日射遮蔽装置では、正確に太陽に追従でき ない場合や手動操作されずに放置されやすい場合 1）があ る。これらの問題を解決するために、ブラインド自動制御 システムの研究が多く行われている。これは、太陽位置や 外界・天空状態の条件に合わせて、ブラインドの開閉状態 を自動で制御するシステムである。直射日光の影響が認め られる場合、太陽位置から計算された角度にブラインドの スラットを調整し、日射遮蔽を行う。直射日光の影響がな い曇天時には、スラットを水平に開放して眺望を確保し、 室内へ天空光を導入することが望ましいとされている 2）。 一般的なブラインド自動制御システムでは、屋上に設置 した装置で直射日光量を計測し、設定された閾値をもとに ブラインドの制御を行う3）。LED 天井照明の自動制御と組 合せることによって室全体で約 5％の消費電力の削減が 可能との報告がある4）。しかしながら、１つのセンサーで 全ての窓に対応することは困難であり、直射日光量を計測 するためには高価で大型の太陽追尾装置3）が必要となる。 また、自動制御には待機電力が必要であり、室全体におけ る消費電力の削減効果は大きくない現状である。 以上をふまえ、本研究では太陽電池を用いた自律型ファ サードシステムを提案する。太陽電池が発電を行うと同時 に個々の窓面で天空状態を判断するセンサーとして機能 し、それぞれのブラインド・ルーバー等を個別に制御する システムを目標としている。 その嚆矢として、室内環境にとって直射日光の影響が特 に大きい南面から西面において、日照の有無を鉛直面グロ ーバル照度によって簡易的に判別する方法を検討した。窓 面外向きにセンサーを取り付け、測定した鉛直面グローバ ル照度が本研究で求めた閾値より下回る場合、ブラインド のスラットを開く制御とすることを想定している。さらに、 太陽のプロファイル角を考慮した、方位および季節毎の日 射制御方法について検討した。 2．南鉛直面照度による日照有無の判別閾値の推定 昼光と日射の実測データを用いて、南鉛直面グローバル 照度による日照の有無の判別方法を検討した。比嘉らは南 鉛直面グローバル照度の月毎の変動を太陽高度との関数 として報告した5）。これより、日照有無の判別閾値は月毎 に太陽高度の関数式として提案できると考えた。閾値の決 定にあたって十分なデータ数を確保するため、フランス・ リヨンの昼光・日射測定所（IDMP、東経 5 度・北緯 46 度) の実測データ6）を譲り受けた。IDMP 測定所では、昼光と 日射の測定を 24 時間行っている。本研究では、2012 年 1 月～2013 年 12 月の 2 年分の実測データを整理し、このう ち日の出から日の入りまでの 1 分毎のデータを用いた。 本研究では、法線面直達日射量によって南鉛直面グロー バル照度のデータを仕分けることで、天空状態を 2 種類に 分類した。法線面直達日射量 120W/m2以上7）に対応する照 度データを「日照あり」、120W/m2未満に対応する照度デー タを「日照なし」として仕分け、それぞれ月毎に散布図を 作成した。図 1 に散布図の例を示す。重なる部分はあるが、 南鉛直面グローバル照度のデータは「日照あり」と「日照 なし」におよそ分かれ、直線的な境界を確認できた。 次に、南鉛直面グローバル照度の散布図より、日照有無 の判別の閾値を検討した。まず、太陽高度 5 度以上の南鉛 直面グローバル照度のデータを太陽高度 10 度毎に分類し た。「日照あり」では南鉛直面グローバル照度の高い方か らの累積頻度 90％下限値、「日照なし」では南鉛直面グロ ーバル照度の低い方からの累積頻度 90％上限値を求め、 それぞれの回帰直線を導いた。これを月毎に求めた。図 2 に「日照あり」「日照なし」の回帰直線の例を示す。 「日照あり」と「日照なし」の 2 つの回帰直線の間にあ るデータは、雲の状態によると考える。本研究ではブライ ンドが正確に直射日光を遮蔽できることを優先し、より低 い値となった「日照なし」の累積頻度 90％上限値を日照 有無の判別の閾値として暫定的に決定した。直線の傾きは 夏季では比較的小さく、冬季で大きくなる傾向となった。 3．西鉛直面照度による日照有無の判別閾値の推定 南面の検討と同様に、リヨンの IDMP 測定所の実測デー タを用いて、西鉛直面グローバル照度による日照の有無の 判別方法を検討した。法線面直達日射量 120W/m2以上に対34-2
応する西鉛直面グローバル照度のデータを「日照あり」、 120W/m2未満に対応する照度データを「日照なし」として 仕分け、それぞれ月毎に散布図を作成した。図 3 に散布図 の例を示す。重なる部分はあるが、西鉛直面グローバル照 度のデータは「日照あり」と「日照なし」におよそ分かれ た。南鉛直面グローバル照度の散布図と異なり、曲線的な 境界を確認できた。また、東鉛直面グローバル照度の場合、 時間変動は対照的だが、同様の傾向となることを確認した。 次に、西鉛直面グローバル照度の散布図より、日照有無 の判別の閾値を検討した。南の検討と同様に、「日照なし」 の累積頻度 90％上限値を日照有無の判別の閾値とした。 「日照なし」に該当する太陽高度 5 度以上の西鉛直面 グローバル照度のデータを太陽高度 10 度毎に分類した。 西鉛直面グローバル照度の低い方からの累積頻度 90％上 限値を求め、回帰曲線を導いた。図 4 に「日照なし」の回 帰曲線を示す。 4．プロファイル角を考慮した日射制御方法 直射日光の入射方向と窓面の法線方向のなす角度を太 陽のプロファイル角という。窓からの直射日光の入射量は プロファイル角によって変化する。そこで、プロファイル 角の変動を調べ、その特性をふまえて南面から西面におけ る日射制御方法の使い分けについて検討した。 図 5 では、真南、南南西、南西、西南西、真西に面した 窓に対する太陽のプロファイル角の変動を季節毎に示す。 真西のようにプロファイル角が 1 日をかけて約 90 度変化 する場合（以下、タイプⅠ）と、真南のようにプロファイ ル角の変化が小さい場合（以下、タイプⅡ）があることが 確認できた。 タイプⅠには、春季・秋季では西から南南西、夏季・冬 季では西から南西が当てはまる。この場合、プロファイル 角の変化が大きく、窓へ入射する直射日光量の変化も大き いと考える。したがって、タイプⅠの場合では、プロファ イル角をもとにした制御の閾値を用いることを提案する。 タイプⅠにおける日照有無を判別するための閾値を求 めるにあたり、前述の検討と同様に、IDMP 測定所の西鉛 直面グローバル照度の実測データを用いた。「日照あり」 「日照なし」の仕分け方法は同様であるが、ここでは「日 照なし」のデータをプロファイル角 10 度毎に分類し、累 積頻度 90％上限値を求めた。図 6 に散布図の例、図 7 に プロファイル角をもとにした日照有無を判別するための (a) 6 月(リヨン,2012 年～2013 年) (a) 6 月(リヨン,2012 年～2013 年) (a) 6 月(リヨン,2012 年～2013 年) (b) 9 月(リヨン,2012 年～2013 年) 図 1 南鉛直面グローバル照度 (b) 9 月(リヨン,2012 年～2013 年) 図 2 南鉛直面グローバル照度の回帰直線 (b) 9 月(リヨン,2012 年～2013 年) 図 3 西鉛直面グローバル照度 (c) 12 月(リヨン,2012 年～2013 年) (c) 12 月(リヨン,2012 年～2013 年) (c) 12 月(リヨン,2012 年～2013 年) 0 30000 60000 90000 120000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 南鉛直面照度 [lx ] 太陽高度[degree] 日照あり 日照なし 0 30000 60000 90000 120000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 南鉛直面照度 [lx ] 太陽高度[degree] 日照あり 日照なし 0 30000 60000 90000 120000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 西鉛直面照度 [lx ] 太陽高度[degree] 日照あり 日照なし 0 30000 60000 90000 120000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 南鉛直面照度 [lx ] 太陽高度[degree] 日照あり 日照なし 0 30000 60000 90000 120000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 南鉛直面照度 [lx ] 太陽高度[degree] 日照あり 日照なし 0 30000 60000 90000 120000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 西鉛直面照度 [lx ] 太陽高度[degree] 日照あり 日照なし 0 30000 60000 90000 120000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 南鉛直面照度 [lx ] 太陽高度[degree] 日照あり 日照なし 0 30000 60000 90000 120000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 南鉛直面照度 [lx ] 太陽高度[degree] 日照あり 日照なし 0 30000 60000 90000 120000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 西鉛直面照度 [lx ] 太陽高度[degree] 日照あり 日照なし34-3
閾値を示す。また、タイプⅠでは西向きになるほどプロフ ァイル角の時間毎の変化が大きくなる。例えば、西面に対 するプロファイル角は 10 分の間に平均で約 2.5 度変動す る。この場合では、正確な日射遮蔽を行うために、スラッ ト角の制御時間間隔を特に短めに設定するほうが良いと 言える。 タイプⅡには、春季・秋季では南、夏季・冬季では南か ら南南東が当てはまる。この場合、殆どの時間帯において プロファイル角の変化は小さい。しかし、前述の南面の検 討結果から分かるように、南鉛直面グローバル照度は太陽 高度によって刻々と変化し、相関性が見られる。そのため、 タイプⅡでは、太陽高度による制御の閾値、すなわち、前 述の南鉛直面グローバル照度による日照有無の判別閾値 （図 8）を用いた制御が有効であると考える。また、夏季 ではプロファイル角が大きく、冬季では小さくなる傾向が 見られた。したがって、特に夏季において、南向きの窓で は晴天時でもブラインドをほぼ水平に開くことができ、長 時間眺望を確保しやすいことが分かる。 5．日照有無の判別方法の精度確認 リヨンの実測データを使用して、提案する日照有無の判 別方法の妥当性を調べた。図 9 に 2013 年 6 月 10 日の法 線面直達日射量と西鉛直面グローバル照度の時間変動を 示す。この日は終日不安定な天空状態であった。図 9 の上 図の赤線は法線面直達日射量 120W/m2、下図の赤線は本研 究で決定した「タイプⅠ」の 6 月の閾値を示す。 図 9 の上図と下図を比較すると、提案するタイプⅠの日 照有無の判別閾値を超える時間帯と法線面直達日射量 120W/m2 を 超 え る 時 間 帯 は ほ ぼ 一 致 し た (12:52 ～ 13:27,15:05～15:14,17:22～17:36)。これより、タイプⅠ の場合では、提案する閾値によって、ほぼ正確に日照有無 を判別することが可能であると考える。 図 10 に 2013 年 6 月 10 日の法線面直達日射量と南鉛直 面グローバル照度の時間変動を示す。図 10 の上図の赤線 は法線面直達日射量 120W/m2、下図の赤線は本研究で決定 した「タイプⅡ」の 6 月の閾値を示す。 図 10 の上図と下図を比較すると、提案するタイプⅡの 日照有無の判別閾値を超える時間帯と法線面直達日射量 120W/m2 を 超 え る 時 間 帯 は ほ ぼ 一 致 し た (11:10 ～ 11:41,12:29～13:24,15:05～15:14)。これより、タイプⅡ の場合でも、提案する閾値によって、ほぼ正確に日照有無 を判別することが可能であると考える。また、太陽位置と 窓面の方位の関係より、南に面する窓に直射日光が入らな い時間帯が朝(7:00～8:17)と夕方(17:02～19:00)にある。 この時間帯では、提案する日照有無の判別閾値が南鉛直面 グローバル照度の実測値を常に上回っている。したがって、 図 4 西鉛直面グローバル照度「日照なし」の回帰曲線 (a) 南 (b) 南南西 (c) 南西 (d) 西南西 (e) 西 図 5 方角・季節毎のプロファイル角の変動 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 西鉛直面照度 [lx ] 太陽高度[degree] 3月 6月 9月 12月 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 5:00 7:00 9:00 11:00 13:00 15:00 17:00 19:00 プ ロフ ァイ ル角 [d e g re e ] 時刻 2月5日 3月15日 3月25日 5月5日 6月21日 8月5日 9月15日 9月25日 11月5日 12月21日 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 5:00 7:00 9:00 11:00 13:00 15:00 17:00 19:00 プ ロフ ァイ ル角 [d e g re e ] 時刻 2月5日 3月15日 3月25日 5月5日 6月21日 8月5日 9月15日 9月25日 11月5日 12月21日 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 5:00 7:00 9:00 11:00 13:00 15:00 17:00 19:00 プ ロフ ァイ ル角 [d e g re e ] 時刻 2月5日 3月15日 3月25日 5月5日 6月21日 8月5日 9月15日 9月25日 11月5日 12月21日 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 5:00 7:00 9:00 11:00 13:00 15:00 17:00 19:00 プ ロフ ァイ ル角 [d e g re e ] 時刻 2月5日 3月15日 3月25日 5月5日 6月21日 8月5日 9月15日 9月25日 11月5日 12月21日 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 5:00 7:00 9:00 11:00 13:00 15:00 17:00 19:00 プ ロフ ァイ ル角 [d e g re e ] 時刻 2月5日 3月15日 3月25日 5月5日 6月21日 8月5日 9月15日 9月25日 11月5日 12月21日34-4
(a) 6 月(リヨン,2012 年～2013 年) (b) 9 月(リヨン,2012 年～2013 年) 図 6 西鉛直面グローバル照度 (c) 12 月(リヨン,2012 年～2013 年) 図 7 提案する日照有無の判別閾値(タイプⅠ) 図 8 提案する日照有無の判別閾値(タイプⅡ) 提案する閾値によって、直射日光の影響のない場合を正確 に判断できることを確認した。 6．まとめ 本研究では、直射日光の影響が特に大きい南から西に面 する窓における、鉛直面グローバル照度による日照有無の 判別方法を検討した。さらに、方位および季節毎の日射制 御方法を提案した。従来の太陽追尾装置等による計測方法 よりも簡便で、常に一定の閾値を使用するよりも正確に、 個々の窓に対応できる自律型ファサードシステムの開発 につながると期待する。 謝辞 本研究は、フランス・リヨンの国立公共土木大学校（ENTPE）の D.Dumortier 教授より提供いただいたデータを用いた。本研究は、 科学研究費補助金の基盤研究(B)(課題番号 24360237)によった。 記して感謝の意を表する。 図 9 日照有無の判別方法の比較(タイプⅠ) 図 10 日照有無の判別方法の比較(タイプⅡ) 参考文献1) 望月, 小池: Field survey on actual conditions of light environment in office buildings of middle-scale in Japan, Journal of Light and Visual Environment, Vol.34, pp.157-164, 2010 2) 日本建築学会: ガラス建築 意匠と機能の知識, 学芸出版社, p132, 2009 3) 一ノ瀬, 井上ら: 気象の変動に追従するブラインドの制御 手法, 日本建築学会環境系論文集, 第 646 号, 第 74 巻, pp.1339-1345, 2009 4) 本間: 昼光利用の新しい建築(4), 照明学会誌, 第 88 号, 第 10 巻, pp.815-820, 2004 5) 大島, 比嘉: 昼光と日射に関する実験的研究, 平成 10 年度 照明学会全国大会講演論文集, p.126, 1998
6) CIE 108-1994 Guide to Recommended Practice of Daylight Measurement, CIE, 1994 7) 気象庁, 地上気象観測指針, p.95, 1993 0 30000 60000 90000 120000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 西鉛直面照度 [lx ] プロファイル角[degree] 日照あり 日照なし 0 30000 60000 90000 120000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 西鉛直面照度 [lx ] プロファイル角[degree] 日照あり 日照なし 0 30000 60000 90000 120000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 西鉛直面照度 [lx ] プロファイル角[degree] 日照あり 日照なし 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 西鉛直面照度 [lx ] プロファイル角[degree] 3月 6月 9月 12月 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 南鉛直面照度 [lx ] 太陽高度[degree] 3月 6月 9月 12月 0 500 1000 直達日射 量 [W /㎡ ] 法線面直達日射量 日照有無の閾値(120W/㎡) 0 20000 40000 60000 80000 西鉛直面照度 [lx ] 時刻 西鉛直面照度 タイプⅠの閾値(6月) 0 500 1000 直達日射 量 [W /㎡ ] 法線面直達日射量 日照有無の閾値(120W/㎡) 0 20000 40000 60000 80000 南鉛直面照度 [lx ] 時刻 南鉛直面照度 タイプⅡの閾値(6月)
