学術論文

日本ヒートアイランド学会論文集 Vol.12 (2017)
Journal of Heat Island Institute International Vol.12 (2017)

高層建築物の周囲に形成される冬季の微気候の形成要因－熱収支シミュレーションと CFD との連成解析手法を用いた検証－
Formation factors of microclimate around a high-rise building in winter season- Examining by coupled analysis of heat balance simulation and CFD 陳 侃*1
Kan Chen*2

浅輪 貴史*1
Takashi Asawa

押尾 晴樹*2
Haruki Oshio*1 東京工業大学 Tokyo Institute of Technology
国立環境研究所 National Institute for Environmental Studies
Corresponding author: Kan Chen, chen.k.ab@m.titech.ac.jp

ABSTRACTMicroclimate in building outdoor spaces is important for thermal comfort and energy saving of buildings. This
study focuses on the formation factors of microclimate at the sunshade area of a high-rise building in winter season
by using the coupled analysis method of heat balance simulation and computational fluid dynamics (CFD). The
remote sensing and mobile observation confirmed that the surface temperature was low and the air temperature waslower than other places at sunshade areas in the winter. These phenomena cannot be reproduced by the heat balance
simulation without coupled analysis with CFD. The coupled analysis reproduces the low temperature microclimate
in the building shade. It also shows that the low surface temperature and air temperature are caused by interaction
between cold storage of the materials of grounds in the sunshade and the cold air generated by them. Thesephenomena can be confirmed not only in enclosed spaces like a street canyon but also in the open space around thehigh-rise building.
キーワード：熱収支シミュレーション，数値流体力学，連成解析，微気候，検証，高層建築物
Keywords : Heat balance simulation, CFD, Coupled analysis, Microclimate, Validation, High-rise building

らの顕熱・潜熱フラックスを予測するには，建物や地表面

１.はじめににおける熱・物質収支のシミュレーションモデルとの連成
建築外部空間に形成される微気候は，快適な都市空間や解析が必要となる．吉田ら(5)の対流・放射・湿気連成解析手

自然エネルギーを利用した建築空間を創出するうえで重法は，改良型 k-εモデルによる CFD シミュレーションに要である．微気候は空間特有に形成されるヒューマンスケ

放射解析と湿度輸送方程式を組み込み，都市空間内の気ールの気候であり，建築物や樹木の高さや配置計画，地表

流・気温・湿度・放射温度分布を予測している．原山ら(13)面被覆といった，空間形態と構成材料によって大きく影響

は，これに非定常の熱伝導計算を組み込み，材料の熱容量を受ける．既往研究でも実測調査(1)(2)(3)(4)や数値解析(5)(6)(7)(8)の違いを考慮した屋外の熱環境予測を行っている．

により，都市空間に形成される微気候（気温，湿度，気流，

梅干野ら(14)・Asawa et al.(15)は，屋外熱環境の設計支援ツ

放射，等）の特性を明らかにしようとする試みが続けられールとして，3D CAD (Computer Aided Design)に基づき街区ている．微気候の形成メカニズムを明らかにするうえでは，内の空間形態・構成材料を再現し，全表面での非定常・熱実測調査に加えて，原理や現象をモデル化した数値解析を収支解析により表面温度の時系列変化を予測する熱収支行うことが有効である．数値解析手法としては，数値流体

シミュレーションツールを開発した．このツールは，屋外

力学（Computational Fluid Dynamics; CFD）シミュレーショ

熱環境における表面温度と熱放射環境の重要性に着目し，ンに基づくものが近年は一般的になってきている

表面温度予測に特化したものである．本ツールは，暑熱環(5)(6)(9)(10)(11)(12)．CFD シミュレーションは，風の流れに加え境の悪化が問題となる弱風環境下での予測を行うことをて，熱・湿気の輸送現象などの微気候の主要な特徴を解析前提とし，都市空間内の気温・風速の空間分布を一様と仮可能であるが，熱・湿気のソースとなる，建物や地表面か定することで，CFD シミュレーションとの連成解析を行わ-9-

ずに，低計算負荷で表面温度予測を行えることを特徴とし

くものであることが示唆されるが，その形成要因は明らかている．同様の取り扱いは，海外を中心に近年多くの研究となっていない．また夏季の高温な熱環境に対し，冬季の者が使用している街区スケールの熱収支シミュレーショ

低温な微気候の形成も同様に人々に熱的不快感をもたらンモデルである SOLENE model でも行われている(16)(17)．

すため重要である．

山村ら(18)は，梅干野・浅輪らの熱収支シミュレーション

以上により本研究は冬季における高層建築物の周囲のツールを発展させ，屋外熱環境の総合的な予測・評価，す

熱環境に注目し，そこに形成される低温の微気候の形成要

なわち微気候の予測が行えるように，都市空間内の気温・因を，24 時刻の連成解析手法により明らかにすることを目

風速の空間分布を考慮できる熱収支と気流の連成解析手的とする．注 1）．本研究の構成は以下の通りである．

法を提案した．具体的には，熱収支シミュレーションと標

2 章では，熱収支解析と CFD 解析との連成解析の概要及

準 k-εモデルによる CFD シミュレーションとを連成解析

び連成解析の手順を述べる．3 章では，航空機リモートセするものであるが，その特徴としては，解析時刻を設定し，ンシング観測により冬季における高層建築物の日陰空間に

対象時刻とその 1 時刻前についてのみ，CFD との連成解析

低温の地表面が存在していることを示す．また移動観測にを行うものである．これは，熱収支解析において構成材料

より同日陰空間では局所気温が低くなっていることを確認の熱容量に伴う蓄熱／蓄冷現象を考慮しつつも，当時

し，熱収支の観測結果から，低温の地表面部分と対応して（2000 年前後）の計算機の演算能力を前提として CFD シ

いることを示す．4 章では，2 章で述べた連成解析手法を適

ミュレーションの実行回数を最小にすることを主眼とし用し，3 章で示された高層建築物の日陰空間における低温たものである．山村ら(18)は，2 時刻分の連成の効果と限界の微気候の形成要因を，構成材料の蓄冷現象と，近傍空気を，数値実験により明らかにしている．その後，Takata etと低温の地表面との局所的な熱交換の観点から明らかにす

al.(19)により，近年の計算機能力の向上を踏まえて，連成解る．

析を一日の全時刻に適用することで，より長時間の蓄熱／
蓄冷現象にも適用できるように改良がされてきている．全２．連成解析手法

時刻の連成解析は，その他の既往研究でも取り組まれており，共通の研究課題と考えられる(20)(21)(22)．

2.1 解析の概要

このように，数値シミュレーションの進展により，熱容ある時刻の表面温度は，その時刻の熱収支に加え，構成量の異なる構成材料と空気との局所的な熱交換を考慮し材料の熱容量のオーダー（~MJ/m3K）に依存する数日～数た微気候の解析が行えるようになってきたが，一方で，そ時間という時間スケールの蓄熱／蓄冷現象が関与する．一のような現象を検証するのに適した微気候の実測データ

方，地表面付近の空気の流れ場や温度場の非定常性は，秒がこれまで十分ではなかったという，モデルと実測との不スケール（またはそれ以下）の高周波の変動から，気象場

整合が起こっていたと考えられる．これは，高分解能の表によって支配される卓越風向・風速の日変化の時間スケー

面温度分布や微気候の空間分布の取得が容易ではないとルまで幅広い．材料の蓄熱／蓄冷現象と，高層建築物の日(20)は，

いうことにも依存したものである．例えば，Ma et al.

陰の影響，地表面付近の空気との熱交換を考えるうえでは，

街区内の約 10 点で計測された気温・風速，および 2 か所の

これらに共通する日変化のスケールで非定常的な物理現象

土地被覆における熱画像撮影より得られた表面温度につを解析することが重要となる．

いて，24 時刻の熱収支・気流の連成解析結果と比較してい日変化スケールの熱収支と表面温度の変化に関しては，る．しかしながら，非定常的な特性である材料の蓄熱／蓄

前記の熱収支シミュレーションツールにより解析が可能で冷の影響については実測データ，シミュレーション結果とある．熱収支シミュレーションツールの計算項目は，直達もに議論されておらず，非定常的に連成することの効果に

日射，天空日射，反射日射，大気放射，周辺地物との長波

ついては明示されていない．Toparlar et al.(21)は 24 時刻の同長放射の授受，対流熱伝達，非定常の熱伝導である．詳し様の連成解析を 5 日間にわたり実施しているが，実測結果

くは，梅干野ら(14)，Asawa et al.(15)を参照されたい．これととの比較は衛星リモートセンシングデータより得られた連成する CFD シミュレーションは，平均流を対象とする

数十 m 四方の空間平均的な表面温度についてのみであり，

RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations)モデルを構成材料と空気との熱交換といった局所的な議論はされ用い，乱流モデルに標準 k-εモデルを採用する．これによ(23)は，高層建築物の日陰ていない．それに対して，押尾らり，1 時間ごとに上空の主風向・風速を反映した流れ場と空間に形成される微気候に着目し，冬季においてその日陰

温湿度場を予測し，それを当該時刻の平均的な空間分布と空間に，低温の地表面と局所気温が低くなっていることを，して連成解析に使用する．アメダス気象データに代表されそれぞれ航空機リモートセンシング観測と現地での高分る地域の気象データは，基本的に 1 時間ごとに整備されて解能の移動観測により確認した．これらの結果はそれぞれ，いることを考えても，この取り扱いは実用上も妥当である

上記で指摘した連成解析で対象とする構成材料の蓄熱／と見なしている．それを，一日の全時刻（24 時刻）で解析

蓄冷現象と，近傍空気と地表面との局所的な熱交換に基づし，熱収支シミュレーションとの連成を行う．CFD は各時- 10 -

刻の平均場の解析であり収束計算を行う（山村らの手法を
24 時刻分適用したものである）．よって，連成の方法は，いわゆる Static coupling（シミュレーションツールは別で，データのみやり取りする連成）でありながら，24 時刻分のデータを熱収支解析との間で授受することにより，日変化の非定常特性を再現する．浮力の影響を考慮した CFD の非
Fig.1 Method of the coupled analysis

等温解析には，ブシネスク近似を適用する．
解析メッシュに関して，熱収支シミュレーションツール
は Voxel メッシュを使用しており，CFD シミュレーションにも構造格子を採用するため，データ授受の整合性は高い．
ツール間での表面近傍のデータの授受は，最近接のセル間で行うこととする．高 Re 数型の RANS モデルである標準
k-εモデルを用いているため，固体表面には壁関数（運動量：一般化対数則，対流熱伝達：ユルゲスの式）を適用す
る．両ツールでメッシュサイズを変更することも可能であるが，4 章の計算では，同一の均等メッシュサイズを採用した．CFD シミュレーションでは湿度解析も可能であるが，本研究では地表面や樹木からの潜熱フラックスを取り扱わず，また湿度分布も評価対象としないため，湿気輸送解析は行わない．
2.2 解析の手順
具体的な解析の手順は，次の通りである（図 1）．1) 対象
街区を 3D CAD により三次元で再現し，構成材料を設定する．2) 熱収支シミュレーションにより，第一段階の表面温度分布を時系列で算出する．このとき，まだ連成を行っていないため，気温・風速の空間分布は一様と設定する．本
研究では，比較のために，この段階での表面温度の結果も使用する注 2）．3) 次に，この表面温度分布を建物・地表面の境界条件に設定し，非等温の CFD 解析を実施することで，気流・気温の空間分布を得る．各時刻の卓越風向と風速に基づきべき乗則を流入条件に設定し，24 時刻分の解析を実施する．4) これにより得た 24 時刻分の気流・気温の空間
分布を熱収支シミュレーションに入力し，局所の風速（対流熱伝達率）と気温の影響を考慮した表面温度分布を算出
する注 3)．5) これを，結果が収束するまで繰り返す．収束の判定方法は時刻ごとである．尚，4 章の解析ではすべての時刻において，2 回で収束を確認した注 4)．

Fig.2 Airborne photograph and photograph in the target urban
area

３．観測データ

Table 1 Abstract of remote sensing

3.1 対象地
高層建築物が周囲の市街地の微気候へ影響を及ぼし得る
典型的な事例として，茨城県土浦市の駅前市街地を研究対
象市街地とした．図 2 に研究対象地の航空写真及び高層建築物周辺からの写真を示す．高度利用地区を利用した再開発により，31 階建ての高さ 109ｍの高層建築物が存在している．周辺は鉄筋コンクリート（RC 造）や木造の古い中小規模の建築物が分布している．対象地を，特徴の異なる再- 11 -

開発地区，北側市街，旧市街の 3 つに分類した．この対象
地では，孤立した高層建築物と周辺市街地との高さのギャップが大きく，空間形態や構成材料（熱容量，反射率など）にバリエーションがあり，高層建築物の日陰空間に形成される微気候を議論するうえで，適していると考えられる．
3.2 リモートセンシング観測
航空機リモートセンシングによる観測では，対象市街地(a) Remote sensing in winter (Dec. 22, 2009)における微気候の形成に寄与する表面温度分布（実際に観測されるのは放射温度分布）の把握に着目した．夏季と冬季において，放射温度分布の傾向の違いを比較するため，両季節において観測を行った．以下に，押尾ら(23)の航空機
リモートセンシング観測の概要について述べる．
(b) Remote sensing in summer (Aug. 25, 2009)(1) 観測概要
表 1 に冬季及び夏季晴天日に実施した航空機リモートセンシングの概要を示す．また，図 3(a)，(b)に観測対象日の気象条件を示す．観測には固定翼の航空機搭載型のマルチスペクトルスキャナ（AZM,中日本航空）を使用した．図 2に飛行経路を示す．高分解能の情報を得るために，飛行高度を 500m とし，航空機直下における空間分解能が 0.63mのデータを取得した．幾何補正については対象地の 1/2500(c) Mobile observation (Jan. 20, 2016)

都市計画基本図 GIS データを用い，主に交差点の中央を特Fig.3 Meteorological condition of remote sensing and mobile

徴点として，1 枚の画像につき 100 点の地上基準点を取り，observation

アフィン 1 次変換により実施した．大気補正についてはリ
モートセンシング観測時刻と同時刻に地上で赤外線放射カ
メラ（TH9100-MR，日本アビオニクス）を用いて高温，低温，中間の材料の放射温度を観測し，リモートセンシング
によって得られた当該箇所の放射温度との対応から線形回帰式を求め，それをすべての画素に適用した．
地表面放射率については対象市街地中に低放射率の材料（金属，レンガ，花崗岩，ガラス，金属瓦，太陽光パネル，
太陽集熱パネル，低放射率塗装）等がみられるが，本解析ではこれらは議論の対象としない．地表面の大部分を占めるその他の材料（コンクリート，アスファルト，スレート，
瓦，砂，土壌，水面，植生）は比較的放射率が高い(0.90～(a) Winter daytime0.98)と見なすことができる(24）．
(2) 観測結果
図 4 に冬季(a)と夏季(b)晴天日の昼の時間帯におけるリモートセンシング観測結果の熱画像（放射温度分布）を示す．
冬季については，北側市街の中央や再開発地域北側を中心として高層建築物及び隣棟の商業施設による日陰空間に，地面のみならず建物屋根面の放射温度の低下が見られる．
一方，夏季では，太陽高度が冬季より高いため，日影による放射温度が低下する箇所は冬季ほど広がっていない．また，冬季では，日陰空間において，放射温度が気温より 6～7℃低くなっている箇所が多数存在している一方，夏季では同じ日陰空間において，放射温度が気温より低い箇所は(b) Summer daytime

ほとんど確認できていない．アスファルト舗装面の放射率

Fig.4 Radiant temperature for summer and winter (White lineの影響を考慮して表面温度に換算した場合も，放射率がshows the area of high-rise building.)- 12 -

0.95 の場合，表面温度は放射温度＋3℃程度となり，表面温
度は気温よりも依然低いことになる．低温化の原因としてまず考えられるのが上空大気への放射冷却（夜間放射）である．しかしながら，より低温の地表面は高層建築物の日
陰空間に集中してあり，長時間の日陰による地表面の蓄冷や高層建築物周囲に特有の微気候の影響を受けていることが推測される．
3.3 移動観測
押尾ら(23)は，冬季において自転車による移動観測により，高層建築物の日射遮蔽による短波長放射，長波長放射の熱収支の変化を気温・風速と同時に測定し，局所の気温・風速及び地表面の熱収支を明らかにしている．
(1) 観測概要
観測対象日は冬季晴天日の 2016 年 1 月 20 日であり，(a) 10:30

気象条件を図 3(c)に示す．気象条件は土浦のアメダスデー
タを使用した．1 月の土浦市の日最高気温の平均は 9 ℃程度，風速は 2.0m/s 程度であり，対象日はやや気温が低く風が強い日であるが，冬季の特徴を議論できる範囲の気象条件となっている．
気温(Ta)，湿度(Rh)，風速(V)，下向きと上向きの短波長
放射量（S↑と S↓）と長波長放射（L↑と L↓）を地上レベルで観測した．そのうち，S↓は上方からの日射成分を表し，
L↑は地表面の放射温度に対応する．Ta の観測には PC ファンによる自作の二重筒式強制通風筒を用い，気温センサ
ーに φ0.1mm の熱電対を用いることで放射の影響を除去した．観測機器を自転車の前かごに取り付け，自転車を一定の速度で押して歩いた．自転車の左側から押すようにし，観測機器が人による日影に入らないように配慮した．また，(b) 12:00

自転車による日影や自転車自身の形態係数も小さいことを確認した．移動速度とセンサーの時定数を考慮して観測間隔を 2 秒としてデータを取得した．
図 2 に観測ルートを示す．高層建築物および隣接する商業施設の前，北側市街，旧市街を網羅するように観測を行った．10 時 30 分，12 時，15 時，17 時，19 時を観測時刻に設定し，各時刻を中心とする 30 分間に観測を行った．
一日を通して安定した気象条件であったため，観測時間内
における上空の気象変化の影響は小さいことを確認した．
記録した場所と通過時刻をもとに各観測地に位置情報を与えた．
すなわち記録した場所の位置情報を地図から取得し，記録地点間は速度一定で均等に観測値を割り振った．
(2) 観測結果
図 5 に各時間帯の移動観測の結果を示す．10 時 30 分(a)，12 時(b)，15 時(c)の S↓，Ta，L↑を見ると，1 日中高層建築
物の日影となっている部分において，S↓，Ta，L↑が小さい(c) 15:00

ことから，受熱日射量が小さく，低温（気温と表面温度のFig.5 Results of mobile observation低下）の状態が 1 日中を通して続いたことがわかった．高層建築物による日陰空間で，L↑（地表面の放射温度に依存）

観測結果と一致するものである．その場所の Ta は周囲よが周辺地域より小さい結果は，航空機リモートセンシング

り低く，上空気温（Ta’）よりも低い結果は，航空機リモー- 13 -

Table 2 Outline of simulation cases

トセンシング観測から示唆された可能性を裏付けるものである．図 5(a)の S↓と Ta と L↑を見ると，旧市街地の北側（黒枠）はこの時間帯で高層建築物の日影に入り高層建築物近傍の日陰空間と同程度に日射量を表す S↓が小さいところが確認できたが，Ta は周囲と大きな差がなく，高層建築物の日陰空間よりも 1℃から 2℃程度高くなっている．またTable 3 Models and conditions of CFD simulation

表面温度に対応する L↑は旧市街地の北側より高層建築物の日影空間の方が 10W/ｍ2 程度小さく，V は大きい．すな
わち，高層建築物の日陰空間において局所気温が低くなっていることは，広大な日影空間であるため，周辺空気との移流による熱交換よりも，近傍空気と低温の地表面との局所的な熱交換により冷気が生成し続けられているためであることが示唆される．一方，旧市街地の北側では比較的大きい L↑によって，高層建築物の日影空間のような気温低下が見られない．
上記で観測された高層建築物の日陰空間における局所気温が低くなっている現象に対し，これが近傍空気と低温の地表面との局所的な熱交換（以下，局所熱交換）によるものか，また低温の地表面には構成材料の蓄冷現象（以下，局所蓄冷）の影響がどの程度含まれているか（リモートセンシング観測から示唆された）を次節の 24 時刻の連成解
析手法で明らかにする．
４．連成解析による検証
4.1 解析の概要
2.2 節で示した 24 時刻の連成解析（CASE 3）のプロセス
は，局所熱交換と局所蓄冷の影響の両方が考慮されたものである．比較として，連成解析をせずに熱収支解析のみを

Fig.6 Three-dimensional model of the target site

行ったケース（2.2 節の 1）のプロセスの結果）（CASE 1）
及び対象時刻 12 時のみを連成解析の対象にしたケース（CASE 2）も計算した．CASE 1 は気温・風速の空間分布

1 時間ごとに連成解析を実施した注 5）．熱収支解析におけるを一様としているため，局所熱交換が考慮されておらず，

4 日間の助走計算に対しては連成解析を行っておらず，計放射収支の影響（日射，上空大気への放射冷却）が考慮さ

算対象日当日のみ連成解析を行った点から，より長期間にれたものである．CASE 2 は対象時刻のみ気温・風速の空間

わたって蓄冷する影響は考慮されていない．CFD 解析の概分布を計算し，局所熱交換が考慮されたものである．その要を表 3 に示す．流入風の鉛直勾配にはべき乗則（べき指概要を表 2 に示す．すなわち，CASE 1 と CASE 2 との比較

数 0.25）(25)を適用した．地表面と近傍空気との間の熱交換により，局所熱交換の影響が確認でき，CASE 2 と CASE 3に注目するため，流入風の気温鉛直分布は一様とし，流入との比較により，局所蓄冷の影響が確認できる．

境界面における成層安定度による鉛直気温分布などを考慮

CASE 1 は，気温・風速を空間分布一様とし，計算対象日

していないが，解析領域内部においては非等温 CFD 解析をの気象データの風速に基づいてユルゲスの式より対流熱伝行い，浮力による自然対流を考慮している．すなわち，高達率を算出した．気温も気象データから与えた．気象デー

層建築物の日影などの局所的な影響のみを確認することを

タは冬季リモートセンシング観測と同じ 2009 年 12 月 22

解析の目的とする．

日の土浦アメダスデータを用いた．計算対象日に遡って 4CASE 2 は解析対象日の 12 時のみに対して，連成解析を日間，2009 年 12 日 18 日～21 日の気象データを用いて助実施した．12 時における CFD 解析の条件は CASE 3 と同走計算をした．地中温度は一定とし，商業施設の室温を様であり，他の時間帯は CASE 1 と同じ扱いで解析を行っ20℃と設定し，住宅室内は空調なしと設定し，熱収支解析

た．

を実施した．
CASE 3 は，解析対象日（2009 年 12 月 22 日）に対して，- 14 -

4.2 市街地モデルの作成
対象市街地の 3D モデルを図 6 に示す．梅干野ら(26)は 3DCAD に基づいて，市街地へ適用できる熱収支解析手法を開発してきており，建物や地面の構成材料のデータベースも構築してきている．本研究は，そこで提示された空間形態と構成材料のモデリング方法及びデータベースを本解析対象地へも適用した．壁や窓，一部の地面などのデータは現地調査により特定した．詳細な空間形態と構成材料が表面温度に及ぼす影響を明らかにするため，
空間分解能 0.8m の(a) Sunshine side

均等メッシュを熱収支シミュレーションに採用した．
1:2500 の GIS データ，1:5000 の航空写真と住宅地図を基本
地図データとして使用した．東京の GIS データは建物用途
や構造，階数などの属性を含むが，土浦のデータにはない．
このような属性は写真や現地調査から取得した．建物の高さは階数と基準階の高さから推定した注 6）．建物の壁，屋根，
地面の構成材料は，建物構造，用途，写真や現地調査から取得した表面材料により推定した．日射反射率については，
表面の色をマンセル色表と比較し，明度値を割り当てたう
えで，反射率に変換した．CFD 解析においては，街区周辺の乱流による影響を考慮し，より広範囲の建物を再現した．

(b) Shaded side
Fig.7

4.3 熱収支解析と航空機リモートセンシング観測の比較
まず，熱収支解析の実態との整合性を確認するために，

Radiant temperature calculated by the heat balance

simulation

CASE 1 の結果と航空機リモートセンシング観測結果とを比較する．尚，リモートセンシング観測結果は放射温度分布であるため，熱収支解析の表面温度も放射率を考慮して放射温度に換算して算出した．図 7 の(a), (b)に，それぞれ
冬季昼（12：15）における日向側と日影側の熱収支解析による結果を示す．構成材料の違いのみならず，高層建築物
による日陰空間で低温の地表面を含めて，低温の壁面や屋根面が確認できる．
図 8 の(a), (b)にそれぞれ航空機リモートセンシング観測 (a) Remote sensing observation(Trr) (b) Heat balance simulation(Trs)
結果（Trr）と熱収支解析結果（Trs）の比較を示す．12:15 に

Fig.8

おける放射温度分布の比較結果である．両者の結果についsimulation

Comparison of remote sensing and the heat balanceて，建物の屋根面，道路，駐車場などにおいて，全体的に類似した結果を示している．ただし，高層建築物の日陰空
間では，Trr が 3℃程度 Trs より低くなっている部分も見られる．ここは，リモートセンシング観測や移動観測において，低温の地表面が確認された箇所である．
Trr と Trs を定量的に比較するため，同じエリアに対して，等間隔で 112 点をサンプリングして散布図としてプロットした．これらの点の平均間隔は 20m で，典型的な表面（建物や地面，日向や日影），異なる物性値（反射率，放射率，
熱容量）と天空率などの要素が含まれるよう抽出した．物
性値と天空率のレンジは：反射率 0.1-0.5[-]，熱容量 22-515[kJ/m2K]，放射率 0.8－0.95[-]，天空率 0.21－0.96[-]である．
図 9 に比較結果を示す．横軸は Trs で，縦軸は Trr である．

Fig.9 Comparison of radiant temperature by remote sensing

この結果から，大多数の点は y=x の線上に位置することが(Trr) and the heat balance simulation (Trs) for selected points in示される．これは熱収支解析が大部分のエリアにおいて，winter.

- 15 -

リモートセンシング観測の結果に近い結果を算出していることを表している．点ⅠとⅡ（屋根）に対して，Trr は Trs
より 8－10℃も高くなっている．これは調査により設定した物性値が現状と完全に一致していないことが原因だと考えられる．一方，点ⅢとⅣ（北側市街地の駐車場）は反対の傾向を示している．これは熱収支解析において，駐車場
周辺の建物の高さをモデリングする際の誤差で，本来が影(a) 10:00になるはずの場所が日向になっていることが原因だと考えられる．このような物性値や形状情報の再現精度が十分でない点を除いて，観測値から計算値が外れている地点は放射温度が 5℃付近の点であり，複数確認できる（赤丸）．こ
れらの点は高層建築物の日陰空間に集中してあり，リモー
トセンシング観測において低温の地表面が確認された場所である．連成解析を行っていない熱収支シミュレーション
では，これらの場所でも気温・風速を空間分布一様として(b) 12:00

計算を行ったため，局所熱交換による局所気温が低くなっていることの影響や局所蓄冷が表面温度に反映できなかったと考えられる．
4.4 連成解析結果
本節では，3.3 の移動観測が示唆した同日陰空間における冷気の生成要因は局所熱交換によることを，24 時刻の連成解析により検証する．また，前節の熱収支解析による高層建築物の日陰空間の表面温度の過大評価（リモートセ(c) 15:00

ンシング観測値より計算値のほうが高い）を 24 時刻の連Fig.10 Air temp. and wind speed distribution of the target

成解析で改善できるか，すなわち，同日陰空間における低urban area (1 m height)

温の地表面の形成は局所熱交換や局所蓄冷によるものか
まで風速が大きく，特に商業施設の北東側の気温が低いこを，24 時刻の連成解析により明らかにする．

とが目立っている．該当する場所はこの時間帯の日陰空間と一致している．

(1) 冷気の生成要因
まず，図 10 に，連成解析によって得た水平面の気流・気図 11 に，高層建築物日陰空間の鉛直断面の気温分布の結

温分布の結果を示す．午前，昼，午後の代表的な時間帯に果を示す．断面位置は図 12 に示す．高層建築物の日陰空間

ついて検討できるように，10：00 (a)，12：00 (b)，15：00 (c)（地面と北側の壁面）近傍の気温が周囲より 0.1～0.3℃程の 1 m 高さの結果である．いずれの時刻でも，高層建築物

度低くなっており，Ta’よりも 0.1℃以上低いことが確認で周辺での風速の増加，および日陰空間での気温の低下が見きる（図 11 (a)）．この結果より，高層建築物の日陰空間のられ，移動観測と同様の傾向が確認できた．ただし，移動

地表面付近の冷気は上空から低温の空気の吹き下ろしが無観測の方の局所気温がより低くなっている．時刻別に見る

くても，局所熱交換により，地表面付近で生成・移流すると，10：00 では上空風の風速はそれほど高くないが，風向ことが示される．また高層建築物北側の壁面付近での気温は大通りに沿うような北西方向からであるため，高層建築も低いことから，地表面だけでなく日射の当たらない北側

物の日陰空間では他の時間帯よりもやや強い風が吹いてい壁面での冷気の生成も示される（図 11 (b)）．

た．また同日陰空間の近傍気温は日向部より 0.5℃程度低い(2) 地表面の低温化の形成要因

ことが確認できる．12：00 では風向は南西方向に変わり，

次に，地表面の低温化は局所熱交換と局所蓄冷とのいず

風速は全体的に 10：00 より低下したが，高層建築物の北側れが寄与しているかを詳細に確認するため，図 13 に CASEの風速は依然として高い．同日陰空間の気温も周囲と比べ1, CASE 2 と CASE 3 の高層建築物の周辺における表面温て比較的低く，地上 1m にもかかわらず，上空気温(Ta’)よ度の比較を示す．低温域を強調するために，温度レンジをりも 0.1℃程度低いことが確認できた．これは移動観測の結4℃以下の低温側に絞って表示した．表 4 にそれぞれのケ

果と一致するものである．一方，旧市街地の気温は他のエースに対して，高層建築物の日陰空間とその周囲の地点のリアに比べて比較的高いことが示された．15：00 では他の表面温度値を示す（地点位置は図 12 より）．CASE 2 は高エリアに比べ，高層建築物の北側から隣の商業施設の北側

層建築物の日陰空間の表面温度が CASE 1 より低くなる場- 16 -

所が多いことが確認できる（表 4: B, C, D, E, F）．これは長時間の日陰と上空大気への放射冷却（CASE 1）を考慮した
うえで，局所熱交換が解析結果に寄与したためである．また，CASE 3 では同日陰空間において CASE 2 よりさらに表面温度が低いことが確認でき，場所により 0.5℃の差も生じている（表 4: B）．すなわち，局所蓄冷が表面温度の低下に寄与していることが確認された．また表 4 から，高層建築
物の日陰空間付近以外の場所(表 4: A, H, I)では連成前後で表面温度の変化が小さいことから，上記の低温の地表面を形成する原因はこの高層建築物周辺特有な微気候によるも(a) Vertical cross section in front of the high-rise buildingのであることがわかった．
24 時刻の連成解析を行うことによって，地表面の局所蓄
冷と局所熱交換が反映され，日陰空間の表面温度の過大評
価を最大 1℃程度低減することができた．ただし，連成解
析から得た高層建築物の日陰空間における表面温度及び気温の低下幅は観測値と比べてより小さい．それについては次節にて考察する．
続いて，地表面の熱収支の観点から，局所熱交換の影響を評価する注 7)．図 14 に高層建築物の日陰空間に位置する
D 点の連成前後（CASE 1, CASE 2 と CASE 3）における地表面熱収支の各成分の比較結果を示す．プラスは，地表面に向けた熱フラックスがあることを意味する．3 ケースい(b) Vertical cross section truncated the high-rise building
Fig.11 Vertical air temp. distribution in the sun shade area ofthe high rise building

ずれも長波長放射の授受は上空大気への放射冷却により，常にマイナス（すなわち，地表面が冷却されている．）である．天空日射や周囲からの反射日射の影響は，朝方を除いて限定的である．よって，地表面の熱容量により，高層建
築物の日陰空間における地表面温度が日中低く維持され，対流による熱フラックスはプラス（近傍空気から地表面へ）になる．一方，CASE 1, CASE 2 と CASE 3 で他の熱収支項が大きく変わらない中，対流熱伝達量に差が生じている．
具体的には，12:00 において，CASE 2 と CASE 3 の対流熱伝達による近傍空気から地表面への熱フラックスが，CASE 1 より小さくなった．これは気温・風速の空間分布を考慮したことで，地表面近傍で生成された冷気が再現されたためである．CASE 3 はさらに 11:00 頃から近傍空気から地表面への熱フラックスが CASE 2 より小さくなり，蓄冷の継続が再現された．これは CASE 3 の表面温度がより低くなった原因となる．

Fig. 12 Position of cross section in Fig.10 and points’ positionin Table 3 and Fig. 14

連成解析により，高層建築物の日陰空間における局所熱交換によって，冷気が生成され（4.4(1)），その近傍の冷気を再現することによって，上空気温を境界条件とする場合
よりも，地表面に向かう熱フラックスが減少し，より低温の地表面の形成に寄与する（CASE 1 と CASE 2 の比較）．
すなわち，低温の地表面や壁面と冷気との相互作用が確認された．またこの相互作用が時間的に継続することで，蓄冷効果も起こることが示された（CASE 2 と CASE 3 の比較）．
Fig.13 Surface temp. distribution of different cases of coupledanalysis- 17 -

Table 4 Surface Temp. of different points among different

4.5 考察cases of coupled analysis

今回の連成解析手法による冬季における低温の微気候の検証では，高層建築物の日陰空間を対象に実施した．建物に囲まれた閉鎖的なキャニオン空間における蓄冷と日中における気温の低減は神田ら(27)，Johansson ら(28)，Parlow ら(29)によって示されている通り明らかであるが，本研究のような開放的な空間であっても，大規模な高層建築物の日陰空間であれば，近傍空気と低温の地表面との局所的な熱交換と構成材料の蓄冷現象により，冷気が生成することが数値解析からも示されたことは意義深いものである．これは，同様に 24 時刻の連成解析を行った既往研究(20,21,22)でも得られていない結果である．数値解析上，得られた知見として，非連成解析における仮定（気温と風速の空間分布が一様）が局所的に誤差を生んでいたことと（CASE 1 と CASE
2 の表面温度の比較），過去の履歴を考慮することで局所的な蓄冷の再現性が高まった（CASE 2 と CASE 3 の表面温度の比較）ことの 2 点が明らかとなった．

Fig.14 Difference of heat balance items among different casesof coupled analysis at Point D

一方，著者らが想定したよりも，リモートセンシング観
測と移動観測により示された地表面温度と局所気温がより低く，これに関しては，連成解析を行っても完全には再現

た，局所気温が低くなっていることは局所熱交換にしきれておらず，1 日のみを連成解析した現状の手法の限より冷気が生成されたことを示唆した．

界とも言える．今後の課題としては，より長期の局所蓄冷②

航空機リモートセンシング観測と熱収支解析によを考慮した場合に，どの程度観測結果に近づいた解析結果

り，上空大気への放射冷却は低温の地表面の主要なが得られるかということがあるが，その場合，必然的に計形成要因であることを確認した．ただし，高層建築

算負荷が膨大になってくる．よって，長期の影響について

物の日陰空間において局所的に，より低温化する現は，連成の頻度を抑えて，時間積分的な局所蓄冷と局所の象は，連成を行わない熱収支解析では再現されなか冷気の影響を考慮するなど，時間方向のモデル化が必要とった．

なると考えられる．その他に，CFD シミュレーションには，③

熱収支解析と CFD 解析との連成解析によって，高層各時刻の流入風条件に基づき平均流を解析する RANS モデ

建築物の広大な日陰空間において，近傍空気と低温

ルを用いた．これは，各時刻の流入風に代表性があることの地表面や壁面との局所的な熱交換により，冷気がに基づくものであるが，より短い時間スケールでの風向・生成されたことを確認できた．

風速の変動が冷気分布に影響をした可能性も考えられる．

④

これらの影響要因の分析についても，今後の課題としたい．

連成なしの熱収支解析，12 時のみの連成解析と 24
時刻の連成解析を実施・比較し，冷気の生成と地表面への局所的な蓄冷がそれぞれ表面温度へ及ぼす５．まとめ

寄与を確認した．連成解析により，高層建築物の日陰空間に，より低温の地表面が形成される現象を再本研究では，高層建築物の日陰空間において冬季に形成現したとともに，低温の地表面や壁面と冷気との相される低温の微気候の形成要因を明らかにするために，24

互作用が時間的に継続することで，蓄冷効果を起こ時刻の熱収支・気流連成解析手法により検証を行った．近したことを明らかにした．

傍空気と低温の地表面という熱容量の大きく異なる対象間での局所的な熱交換を確認できた．
①

ただし，高層建築物の日陰空間における低温の地表面は，解析よりも観測の方の表面温度がより低くなっていた．こ航空機リモートセンシング観測で高層建築物の日

れは，より長期間の局所蓄冷の影響であることが推察され陰空間において，低温の地表面が確認された．これるため，長期の連成を行う必要性を示唆した．ただし，長は構成材料の蓄冷や日陰空間特有の微気候による期間の連成解析は計算負荷の増大を招くため，時間を遡る可能性が示唆された．

にしたがって連成の頻度を減らすなど，計算を簡略化する

移動観測により同日陰空間における低温の地表面工夫が必要と考えられる．また，より短い時間スケールで（上向き長波長放射量が小さい）を確認したとともの風向・風速の変動も冷気分布に影響している可能性もあに，局所気温が低くなっていることを確認した．まるため，今後の研究課題としたい．

- 18 -

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(a)

注記
注1）

(b)

局所的な地表面への蓄冷と近傍空気との熱交換により冷Fig.15 Comparison of convective heat flux, (a) first and気が生成されていることは，測定装置に限界のある観測か

second step, (b) second and third step

らは完全に解明することは非常に困難である．これが，前に指摘したモデルと実測との不整合という点である．すな
わち，本研究では，実測調査で完全にメカニズムが確認されていない現象を，数値解析によって再現し，その形成要因を明らかにするという主旨の取り組みと見なすことが
出来る．
注2）

連成回数を最小化するには，等温場の CFD シミュレーシ
ョンを先に実施してから（：気流分布のみを算出），熱収
支シミュレーションを実施する（：局所対流熱伝達率を踏(a) Wind rose of the target site

まえた表面温度を算出する）方が連成の収束に至るまでの回数は減らせることが分かっている．本研究では，連成を行わない場合の表面温度分布についても比較に使用するために，熱収支シミュレーションを先に実施した．
注3）

本研究では，比較のために，対象時刻 12 時の気流・気温の空間分布のみを熱収支シミュレーションに入力し，その他の時間帯の気温・風速の空間分布は一様と設定するケースについても実施した．詳細は 4.1 に示す．

注4）

時刻ごとに，全表面の対流熱伝達量の度数分布を分析した．

(b) Frequency distribution of wind speed of the target site

図 15 に 12 時の比較の結果を示す．1 回目と 2 回目の連成

Fig.16 Comparison of the wind condition between every 1

結果の比較を(a)に示す．2 回目と 3 回目の結果を(b)に示

hour and every 10 minutes

す．1 回目の対流熱伝達量は 2 回目より大幅に過小評価した．1 回目は上空風速をそのまま表面に適用したためであ

注7）

2

注5）

ここでは，主に対流熱伝達による顕熱フラックスを評価しる．一方，2 回目と 3 回目の差は 0 と 10W/m の区分以外，ているが，移動観測では計測が困難ため，観測と数値解析

5%以内の差に収まったことから，連成解析は 2 回で収束との結果については比較せずに，連成解析による影響を，したと判断した．

連成前，12 時のみ連成と 24 時刻の連成（CASE 1, CASE

連成解析は 1 時間間隔で実施しているため，各時刻の時間

2 と CASE 3）の比較から評価する．

代表性が問題となる．図 16 の(a), (b)にそれぞれ土浦アメダス気象データから風配図と風速の出現頻度分布図を作(Received October 3, 2017, Accepted November 28, 2017)

成した．10 分間と 1 時間の測定データ，それぞれについて作成している．本結果から，両者はほぼ一致した傾向を示していることから，1 時間以内に風向や風速の変化がほと
んどなく，1 時間ごとの風向風速の代表性が高いと言える．
注6）

樹木は，本研究では主要な解析対象ではなく，対象地内には多く存在していないが，熱収支シミュレーション上では樹木モデルとして再現した．樹木の高さはレーザー距離計（550AS，Nikon，Tokyo）と現地調査の写真から決定した．
樹冠の形は樹種の違いによって，5 種類に分けて設定した．
落葉樹と常緑樹の日射透過率はそれぞれ 15%と 20%に設定した．

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