日本ヒートアイランド学会論文集 Vol.1 (2006)
Journal of Heat Island Institute International Vol.1 (2006)

技術報告

都市気候・ビルエネルギー連成モデルによるヒートアイランド対策の評価
Assessment of Countermeasures against the Heat Island with a Combined Model of Urban Climate,Urban Canopy and Building Energy Consumption
近藤裕昭*1 亀卦川幸浩*2 玄地裕*1 井原智彦*1 大橋唯太*3 東海林孝幸*4Hiroaki KONDO Yukihiro KIKEGAWA Yutaka GENCHI Tomohiko IHARA Yukitaka OHASHI Takayuki TOKAIRIN*1 産業技術総合研究所

National Institute of Advanced Industrial Science and Technology*2 明星大学 Meisei University*3 岡山理科大学 Okayama University of Science*4 豊橋技術科学大学 Toyohashi University of Technology(AIST)

Corresponding Author: Hiroaki KONDO, kondo-hrk@aist.go.jp
Abstract.
The AIST developed a multi-scale analysis model to assess the countermeasures against urban heat island phenomena.
The model consists of three sub models; urban climate model, multi-layer urban canopy model and building energy
consumption model. The overall performance is fairly good. Because it is too heavy for the full-spec model to assess thecountermeasure around a year, the combined model of urban canopy and building energy consumption model was usedto assess the countermeasures. The results demonstrate that photo catalyst, solar reflective painting and the groundsource heat pump are promising countermeasures.
キーワード：数値モデル解析、連成モデル、街区スケール、排熱の動的評価
Key words: Numerical analysis, combined model, city block scale, dynamic analysis of anthropogenic heat

１．はじめに

２．モデルの構成

気象庁によれば，ここ 100 年間の日本の中小都市の気温上昇は 1.0゜C 程度であるのに対し，大都市の気温上昇の平均は 2.5゜C（東京は 3゜C）である 1)．一方、都市化の影響を受けていない日本の観測点での気温上昇は 0.2゜C 程度である 2)．また，近年は熱帯夜の出現日が増加しているのが特徴である．このように，近年都市において顕著な気温の上昇に対して数多くの緩和対策が提案されつつあるが，本報告ではこれらに定量的な評価を加えるために産総研で開発したマルチスケール評価モデルについて紹介する．このモデルの開発に際しては，モデル自身の評価のため，東京のいくつかの街区内における気温等の詳細な観測を行った．一方，緩和策の中には気温を下げたためにかえって冬季の暖房用エネルギーを増加させてしまうようなものが含まれる可能性があり，これらは地球環境対策の面からは排除する必要がある．従ってモデルの開発においては夏季ばかりではなく，通年での対策評価が可能であることを目標にした．

本研究では水平方向に 500m 程度の街区スケールをターゲットとして，業務街区，住宅街区等の街区の特徴毎に最適なヒートアイランド対策を評価するモデルを構築することを目標とした．ここで開発したモデル
はメソスケール気象モデル(MM)，都市キャノピーモデル(CM)，ビルエネルギーモデル(BEM)の３つのモデルの連成モデルである(Fig.1)．本研究では目的に応じてこのうちの２つまたは３つの連成モデルを対策評価に使用した．従来，人工廃熱は燃料消費原単位等から静的に計算される場合が多かったが，この連成モデル
ではビルエネルギーモデルを都市キャノピーモデルと連成させて計算することにより，動的に扱うことができる．また，都市キャノピー内の複雑な放射過程を簡略化し，さらに床面密度の鉛直分布に依存して放射量やビル壁面からの顕熱輸送量が決まるようした．

-53-気象庁数値予報モデルGPVデータ(総観規模気象条件)
Nudging（データ同化）

MMメソ大気擾乱（移流・気圧傾度力・コリオリ力・乱流拡散）

広域モデル（水平解像度≒10km）

one-way
nesting

狭域モデル

気象スカラー量の交換（地表～Constant Flux層の範囲）

運動量・熱フラックスの鉛直接続（Constant Flux 層での接続）（双方向接続）（水平解像度≒2km）

街区気象予測自動車廃熱

Meso ACM

Meso B（ビル抵抗、キャノピー内での乱流拡散と放射・熱収支）

BEM
空調廃熱

空調エネルギー消費

Mesoscale model regions

空調熱負荷

Fig.1 A flowchart of the combined model
２．１ メソスケール気象モデル(MM)
計算の対象は約 500m 四方の小さい空間であるが，そこでの気温の日変化を計算するためには数百 km 四方におよぶ領域の気象条件を時々刻々と計算する必要がある．ここで開発したモデルで一番外側の領域の計算を担当するメソスケール気象モデルは，日本の中央部を囲む約 500km 四方の領域をカバーする(Fig.2)3)．
そのさらに外側の領域からの影響については，気象庁の数値予報の計算結果(GPV-MSM)を境界条件として与える．MM の計算は２段階行い，水平方向に約 10kmの格子解像度を持つ外側領域をまず計算し，その結果を用いて東京付近の約 180km 四方の領域を約 2km の格子解像度で計算した(1-way nesting)．また，内側領域の東京 23 区の領域(145 格子)には，次に述べる都市キャノピーモデル(CM)を組み込めるようにした．

Urban
canopymodel isapplied.

Fig.2 Computational Domain.
であり，ここで w,b はそれぞれある街区に含まれるビルの平均間隔及び平均ビル幅である． Pw (z ) は全部のビルに対する高度 z 以上の高さのビルの割合である．
u,v はそれぞれ東西，南北方向の風速成分，Km は乱流拡散係数，c は抵抗係数，a はビルの表面積が空間に占める割合である． Fu , Fv はその他の外力（たとえばコリオリ力）であるが，メソスケール気象モデルと接続する場合には考慮しない．
温位，水蒸気についての基本方程式系は，２．２ 都市キャノピーモデル(CM)メソスケール気象モデルでは，通常１格子内の地表面は一様平面であり，粗度長というパラメータで大まかに地表面の凸凹の流れに対する影響を表現する．このため，都市に特徴的な建物の存在による放射，風，気温に対する影響をあまりよく表現することができな
い．一方で，最近では単体や複数のビルのまわりの風の 流 れ や 気 温 に つ い て CFD （ Computational FluidDynamics：数値流体力学）モデルを用いて計算ができるようになってきているが，建物間の放射伝達を正確に計算するのには膨大な計算時間がかかり，通常の計算機では日変化を計算するのには困難が伴う．そこで，鉛直方向の１次元の拡散方程式を基本とした多層の都市キャノピーモデルを構築した 4)．
モデルの基本方程式系は，風速については，∂θ 1 ∂ ⎛∂θ ⎞ 1
QS ( z , t )=⎜ Kh ⋅ m ⋅⎟+∂t m ∂z ⎝∂z ⎠ c p ρ∂qv 1 ∂ ⎛∂q ⎞ 1=⎜ K q ⋅ m ⋅ v ⎟ + QL ( z, t )∂t m ∂z ⎝∂z ⎠ lρであり，ここで c p , ρ は空気の定圧比熱と密度，l は蒸発の潜熱，Q L , QS はそれぞれその高度・時間におけるビルや道路表面からの潜熱および顕熱と人工廃熱としての潜熱・顕熱の和である．
各表面からの顕熱・潜熱を計算するためには，その表面における熱収支を計算する必要がある．このため，キャノピー内の仮想的なビルに対し，ビルの壁面が正確に東西南北の４方向を向いているものとし，ビルの影の影響や view factor を近似的に計算して各高度の放射量を計算した．また，放射量はビルの高度分布 Pw (z )により，一部は透過するものとした．

∂u 1 ∂ ⎛∂u ⎞22=⎜ K m ⋅ m ⋅ ⎟ − cau⎛⎜ u + v ⎞⎟ + Fu⎝⎠
∂t m ∂z ⎝∂z ⎠∂v 1 ∂ ⎛∂v ⎞22=
⎜ K m ⋅ m ⋅ ⎟ − cav⎛⎜ u + v ⎞⎟ + Fv⎝⎠
∂t m ∂z ⎝∂z ⎠m = 1−２．３
ビルエネルギーモデル(BEM)
ビルエネルギーモデル（これ以降 BEM と略す）は，都市キャノピー大気と建物間の熱交換過程を表現する

2b⋅ Pw ( z )( w + b) 2-54-為に開発・導入された数値モデルである 5)．
BEM は建築物に関しては単室近似の非定常の空調熱負荷計算を担うモデルであり（Fig.3），空調熱負荷を顕熱分と潜熱分とに分離して算出している．顕熱分については，壁体貫流熱量，窓面透過日射，換気顕熱負荷，室内の照明・機器と在室人員からの顕熱発熱を計算対象とし，潜熱負荷成分としては，換気に伴う建物内への湿気流入と人体からの水分蒸発を考慮している．非定常計算により予測される，以上の顕熱・潜熱負荷と空調システムによるその処理量との差分にもとづき，建築内の温度および湿度の時間変動をシミュレートできる．また，処理された空調熱負荷と空調機器における消費エネルギーにもとづき空調廃熱を予測可能なモデルとなっている．

2002 7/29-30, 8/10-113635

Jul: KANDA
Aug: KANDA
Jul: NIHONBASHI
Aug: NIHONBASHI
Jul: AMeDAS
Aug: AMeDAS

AIR TEMPERATURE （℃）

3433323130292827

1200

1100

1000

0900

0800

0700

0600

0500

0400

0300

0200

0100

0000

2300

2200

2100

2000

1900

1800

1700

1600

1500

1400

1300

1200

26

Fig.5 The comparison of the present observation withthe AMeDAS Tokyo.

方が気温の空間的なばらつきが大きい(Fig.6)．これは日中の気温が日向日陰の影響を強く受けていることに起因するものと考えられる．
３．２

都市キャノピー・ビルエネルギー連成モデルの評価
ここで開発したモデルはメソスケール気象モデル(MM), 都市キャノピーモデル(CM), ビルエネルギーモデル(BEM)の３つのモデルの連成モデルである．しかしながら，通年の対策評価を行うため年間の計算を行うにはこのフルスペックのモデルでは計算負荷が大きい．このため，通年の対策評価はもっぱら CM とBEM の２つのモデルの連成モデルで行い，その境界条
件は AMeDAS データ等より作成したデータにより行った．ここではその計算結果と観測結果の比較を Fig.6に示す．
CM では水平方向に 500m 程度，上空 250ｍまでの計算を行っている．2002 年度の街区での観測は 7 月は週日，8 月は休日を対象として行った．これに対応して，モデル計算では 7 月に対してはビルエネルギーモデル

Fig.3 Relation between the building energy
consumption model and urban canopy model.

３．観測結果との比較
３．１ 都内における観測モデル自身のパフォーマンスを検証するため、2002年 7 月と 8 月に東京都心（神田および日本橋：業務街区）で詳細な街区内気温分布等の観測を行った，期間は 2002 年 7 月 28～30 日，8 月 9～11 日の計 6 日間である．観測を行った地域の地図を Fig.4 に示す．神田地区と日本橋地区で観測された街区平均気温の時間変化を Fig.5 に示す．Fig.5 からもわかるように，ほとん
どの時間帯で AMeDAS 東京で観測された地上気温（実線）よりも神田・日本橋地区の気温（破線と丸印）の方が高い．またどちらの街区でも，夜間よりも日中の
神田地区

日本橋地区

Ａビル
ⅤⅥ

北242625Ⅰ23Ｂビル
Ⅱ22182110幹線道路幹線道路

Ⅳ282711Ⅲ

29幹線道路○幹線道路 3135幹線道路

12149 833191516
5731

32

100 m

100 m

Fig. 4 The locations of the observation.

Fig.6 The comparison of the combined model results with theobservation. Top is a week day case and bottom is a holyday case.

-55-を駆動して人工廃熱を与えた．一方 8 月の計算では人工廃熱を入れないで計算を行った．神田地区における結果を比較すると，週日では自動車排熱とオフィスビルからの排熱を導入した結果(Fig.6 の BEMwrk)は観測値を上回る結果となっている．また，人工廃熱を全く導入しない結果(同 BEMnwk-nc)は観測値を下回る結果となっており，人工廃熱としてオフィスビルからの排熱のみを考慮した結果(同 BEMwrk-nc)が観測値と最も一致している．これは自動車排熱を A,B ビルの前の大きな通りを通行する自動車交通量から推定しており，この値が観測値周辺の 500m 四方の領域の平均の交通量より過大であったためと推定される．Fig.6 下の図の
DryARD はキャノピーモデルを入れないメソスケール
気象モデル単独の値であり 6)，特に夜間に実測値を再現できない．

を行った．
具体的には以下の４項目について評価を行った．
• .日射の反射に関連する対策：高反射塗料• 潜熱輸送に関連する対策：光触媒コーティング• 省エネルギーに関連する対策：高断熱化• 人工排熱の排熱位置に関連する対策：空調排熱源の高所配置化，地中熱源ヒートポンプ
以上の対策について，東京都の平均的な業務街区である千代田 区 九段北の街 区 を標準業務 街 区としてCM-BEM の２モデルの連成モデルで通年の評価を行った．モデルの駆動には 2002 年 6 月から 2003 年 5 月までの１年間の AMeDAS データを元にデータを作成した．気温の通年計算結果について無対策時との変化を Fig.8 に示す．これらの対策技術の評価指標として，対策効果の定量化に際し用いた熱環境に関わる指標は以下の通りである．ただし，評価は無対策ケースに対する増減量で行った．
＜夏季＞① 気温 昼間における 30[℃]以上延べ時間の増減（真夏日出現日数の代替指標）② 夜間における 25[℃]以上延べ時間の増減（熱帯夜出現日数の代替指標）＜冬季＞①昼間における 5[℃]以下延べ時間の増減②夜間における 5[℃]以下延べ時間の増減
昼間 30[℃]以上の延べ時間数の削減を指標にとると，
光触媒コーティング，地中熱源ヒートポンプ，高反射塗料，空調排熱源の高所配置化，空調機器の省エネルギー，内部発熱機器の省エネルギーの順に，ヒートアイランド緩和効果が大きい。特に光触媒コーティング，高反射塗料，地中熱源ヒートポンプの 3 対策は，他の対策技術よりも効果が大きかった．一方、他の対策技
術は，これらの対策と比べると，それだけでヒートアイランド緩和対策として位置づけるのは難しいことが分かる．
しかし，対策の通年での効果を検討する場合，8 月の気温低減効果だけではなく，他の項目も評価する必要がある．特にヒートアイランド緩和効果が大きいと考えられる 2 つの対策に関しては，光触媒コーティン
グを導入した場合は夏季の湿度の上昇が見込まれ，また高反射塗料を導入した場合は冬季に外気・室内気温を下げるため通年でのエネルギー消費量の増大が見込
まれる．一方，地中熱源ヒートポンプは，熱環境・エネルギーの両面で有効な対策であり，副作用を考慮せずに導入が可能な対策として位置づけられる．

３．３

メソスケール気象モデル・都市キャノピーモデ
ル・ビルエネルギーモデル連成モデルの評価
都市キャノピーモデル（CM）とビルエネルギーモデル（BEM）の連成モデルを更にメソスケールモデル（ MM ） と two-way nesting の 手 法 で 結 合 し た
MM-CM-BEM 連成モデルを用い，2002 年 7 月の街区
内気象観測時の再現シミュレーションを行った例を示
す．計算期間は観測実施日（7 月 29 日，30 日）を含む
2002 年 7 月 20 日から 30 日までの 10 日間である．
シミュレーション結果より，神田の実測気温とモデ
ルにより予測された地上気温を比較した結果を，Fig.7に示す．図中，MM-CM-BEM 連成モデルにより予測された地上気温は，昼夜を通じて MM 単独の計算による気温を上回ることが分かる．これは連成モデル上では，ビルによる廃熱や貯熱，更には夜間放射冷却の抑制等の都市キャノピーの効果が考慮されていることに拠る．
また，MM 単独の結果に比べ，連成モデルでは最高気温の出現時間が大きく改善され，観測データを用いずに都市キャノピーの平均気温とその時間変化をよく再現できている．

37

KANDA GRID

SURFACE-AIR TEMPERATURE (℃)

36

Observation（Kanda）
AMeDAS (Tokyo)
MM-CM-BEM（CASE-0；Kanda）
MM（Kanda）

35
343332313029282726

7/30 12

7/30 11

7/30 97/30 10

7/30 87/30 7

7/30 6

7/30 5

7/30 4

7/30 3

7/30 2

7/30 1

7/30 07/29 23

7/29 22

7/29 21

7/29 20

7/29 19

7/29 18

7/29 17

7/29 16

7/29 15

7/29 14

7/29 13

7/29 1225MONTH/DAY TIME (hours)

Fig.7 The comparison of the results from full-spec model,
from the MM only and observations

4．対策の通年評価
ヒートアイランド対策には，緑被率の向上や道路舗装の改善のように，都市計画にかかわるものがあるが，ここではこのようなすべての対策を評価したわけではなく，排熱が何らかの形でかかわるものを中心に評価-56-高反射塗料(屋上)
高反射塗料(側壁)
光触媒コーティング(屋上)
光触媒コーティング(側壁)
高断熱化
空調機器の省エネルギー
内部発熱機器の省エネルギー
空調排熱源の高所配置化
地中熱源ヒートポンプ
470

480

490

500

510
520
延べ時間数 [h]

530

540

550

560

500

510

520

530

540
550
延べ時間数 [h]

560

570

580

590

高反射塗料(屋上)
高反射塗料(側壁)
光触媒コーティング(屋上)
光触媒コーティング(側壁)
高断熱化
空調機器の省エネルギー
内部発熱機器の省エネルギー
空調排熱源の高所配置化
地中熱源ヒートポンプ

Fig.8 The variation of hours when the outdoor temperature isover 30oC (top) and those when the outdoor temperature is over25oC at night (bottom).

５．おわりに
以上，産総研で開発を行った都市気候，都市キャノ
ピー，ビルエネルギー連成モデルの紹介と，都市キャノピー・ビルエネルギー連成モデルによるヒートアイ
ランド対策評価の例を示した．ここでは紹介を省いたが，前節のような解析は，木造住宅街区や RC 造住宅街区別にも行っている．また，エネルギー関連機器以外の対策評価にも適用可能である．
謝辞
本技術報告は環境省地球環境保全等試験研究費により行った研究の成果の一部をまとめたものである．
文献1)鬼頭昭雄, 2004: 天気, 51, 93-95
2) 近 藤 純 正 ホ ー ム ペ ー ジ

2005:

http://www.asahi-net.or.jp/~rk7j-kndu/kenkyu/ke04.html
3) Kondo, H. 1995: J. Appl. Met., 34, 1439-1448.
4）Kondo, H., Y. Genchi, Y. Kikegawa, Y. Ohashi, H.
Yoshikado and H. Komiyama, 2005: Boundary-LayerMeteorology, 116, 395-421.
5)Kikegawa, H., Y. Genchi, H. Yoshikado and H. Kondo,
2003: Applied Energy, 76, 449-466
6) 大橋唯太,平野勇二郎,玄地裕,亀卦川幸浩,近藤裕昭,
吉門洋,2004:水工学論文集，Vol.48 February，pp.133-138.
(Received June 9, 2006, Accepted July 3, 2006)-57-