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街区設計における建築形状と材料の調和による屋外温熱気流環境・エネルギー消費の改善(平成 28年度)
The improvement of outdoor thermal-wind environment and indoor energy consumption by the harmony of the shape and the material of building for designing the block scale of the city

予算区分
CD 文科-科研費
研究課題コード
1517CD001
開始/終了年度
2015~2017年
キーワード(日本語)
風洞実験,ナノテクノロジー,熱環境
キーワード(英語)
Wind Tunnel Experiment,Nano Technology,Thermal Environment

研究概要

従前、都市の高温化対策は、土木構造物や建築物など、都市の地表面構造物の素材の改善と、それらの物理的形状の改善が独立して研究されており、立地条件(気候)や気象条件(季節・時間帯)などの多様性により、その両者を適切に組み合わせた適用が課題となっていた。また、都市表面における放射とエネルギー収支については、流れ場のような相似則が存在しないほか、その制御も困難であり、スケールモデルを用いた実験事例は、Spronken-Smith and Oke (1999) などによる都市緑地を模したものがわずかに知られるのみである。本研究では、近年開発の著しいナノテクノロジーを応用した新しい建築材料を用い、その屋内外熱環境改善効果について、室内での模型実験、風洞実験のほか、屋外観測や数値シミュレーションによる検証を行い、それにもとづく都市街区デザインについての将来的指針づくりを目標とする。具体的には、風向・風速、日照などの異なる気象条件、異なる材料、窓のデザイン、アスペクト比など街区の形状、材料の配置が、建物周辺の気流系や屋内外の温熱環境へ与える影響を扱う。従前一般の風洞実験においては、建築模型表面を電熱線などで加熱し、建築模型における放射収支を陽に表現しない手法が用いられていた。本研究では流れ場への粗度の影響を最小限にする工夫をしながら、人工太陽光ランプを至近に設置し、夏季晴天日の屋外に近い放射条件を風洞内に再現するという、風洞実験の新しい手法を試みる。

研究の性格

  • 主たるもの:応用科学研究
  • 従たるもの:技術開発・評価

全体計画

平成27年度は、(研)物質・材料研究機構において、ナノテクノロジーを応用した建築材料を用いた屋内模型実験を進めるほか、(研)国立環境研究所において、CFDを用いた数値シミュレーションモデルを開発する。平成28年度以降は、(研)国立環境研究所において風洞実験を進めるほか、(研)物質・材料研究機構において屋外実測による検証を行う。加えて、平成29年度には(研)国立環境研究所において、CFDを用いた数値シミュレーションによる検証を行う。また、(研)国立環境研究所と研究協力協定のある気象庁気象研究所の風洞を利用し、毛利室長ほか風洞の研究者の指導・協力を得る。

1.ナノテクノロジーを応用した建築材料を用いた屋内模型実験(主に平成27年度)
2.風向と風速の効果についての風洞実験(平成28年度および平成29年度)
3.屋外実測による検証(主に平成28年度)
4.数値シミュレーション(平成27年度および平成29年度)

今年度の研究概要

 ヒートアイランドに代表される都市の温暖化は、建築物や舗装などの人工的地表面被覆にも由来している。周囲の環境にもたらされる有害な影響としては、都市表面蓄熱量の増加、および地表面から大気への熱フラックスの増加、そしてその結果としての気温上昇がある。太陽放射は建物壁面や道路など、都市キャニオンの表面を加熱し、強い浮力による流れ場を生じせしめる。この浮力の効果は、弱風条件下においてより明瞭なものとなる。都市における気流場は、建物の形状や表面構成材料のほか、都市キャニオンのアスペクト比(H/W:道路幅に対する道路脇建物高さの比)に強く影響される。
よって本研究では、スケールモデルによる風洞実験を通じ、都市表面が加熱される条件下において、都市街区のアスペクト比や建物方位(卓越風向に対する建物形状)が流れ場に与える影響について、とりわけ弱風条件下で生じる浮力に注目し、体系的な調査を行う。初年度の成果を実際の街区に敷衍するため、ここではPIV(Particle image velocimetry)の手法を用い、都市キャニオンにおける卓越風向や加熱条件の違いがもたらす流れ場や温熱環境への影響について実験を行う。この実験を通じ、屋上緑化や特殊表面素材の適用と街区デザインとの賢い組み合わせの有効性提示が可能となるものと考えられる。
 ストリートキャニオンを模したアルミニウム製のスケールモデル(10 cm x 10 cm x 100 cm)を用い、風上に粗度ブロックをならべて流入風速の鉛直分布を調整する。PIVカメラの使用により、斜め方向から建物に接近する風が流れ場に与える影響を、鉛直分布と水平分布の両方について、より詳細に観測できるものと考えられる。また、横に長いキャノピー(ストリートキャニオン)の中央部を対象に、気温場と流れ場の計測を行う。このスケールモデルの表層および躯体内部に温度センサーや熱流計を設置し、熱の挙動を計測するほか、サーモカメラやスケールモデル周辺に分布させた気温センサー(放射シールド付)により、屋外空間への効果を測定する。
 アスペクト比は1、2、0.67の3段階とし、流入風速を0.5、1.5 m/sの2段階として、さまざまな太陽の方位角・仰角に対応させた4つの異なる加熱ケース(中立、風下側壁面と屋根面、道路面と屋根面、風上側壁面と屋根面)についての実験を行う。表面温度は120 ℃に設定する。また、さまざまな卓越風向条件を表現するため、街路に対する風向を、0 °、22.5 °、45 °、67.5 °、90 °(街路に平行から垂直まで)の5種類に設定する。さらに、街路(都市キャニオン)におけるポジションの多様性を表現するべく、3つの異なる観測断面(平行風向に対する流入部、中間部、流出部)を設定する。
 これらの研究成果は、アスペクト比や風向、風速の流れ場に与える影響を体系的に描き出すことが期待されるほか、都市地表面の加熱による都市キャニオン内の大気汚染現象、屋内外温熱環境悪化を避けるための都市計画指針作りに寄与するものであると考えられる。

外部との連携

研究分担者:(研)物質・材料研究機構 ラダー・ウー研究員
研究協力者:中国・瀋陽建築大学 林曄副教授(元・NIESリサーチアシスタント)、気象庁気象研究所 毛利英明室長

課題代表者

一ノ瀬 俊明

  • 社会環境システム研究センター
    地域環境影響評価研究室
  • 主任研究員
  • 博士 (工学) (東京大学)(都市工学専攻論文博士)
  • 土木工学,地理学
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