農業用ビニールハウスでの収れん火災に関する研究
十日町地域消防本部（新潟県）

１

瀬沼哲司

志賀達也

はじめに農業用ビニールハウス（以下「ハウス」という。）の天窓にたまった水が凸レンズとなり、内部の資材等が焼損する『収れん火災』について、出火原因を数値化することで出火条件を導き出す研究を行った。
ハウスは、鋼材等の骨組にポリオレフィン系樹脂等（以下「フィルム」という。）で外壁を被覆した作物栽培用温室施設であり、国内の設置面積は約４１，０００ｈａ、温室設置面積の約９５％以上を占めているが、建築物や工業製品等には該当しない。
農作物の生産効率の向上を目的に日々改良が行われているが、法的な設計基準はなく、一般財団法人日本施設園芸協会策定の「地中押し込み式パイプハウス安全構造指針」により、製造者等に構造計画や設計、保守管理等が周知されているのみである。そのため、瑕疵（かし）にかかる情報収集や対策等の措置を講ずる機関が定まっておらず、使用者利益の保護は、各製造者等の企業倫理に委ねられている。
ＳＤＧｓの取組が進められている中、農業は安心安全な農作物の生産や供給を通じて、私たちが生きていく上で欠かせない「食」を支える大切な役割を担っており、ハウスにおける収れん火災の原因究明と予防対策の研究は、ますます重要な課題となっている。

２

火災事例について
令和２年７月某日、ハウス所有者から「１か月前からハウス内の収容物がたびたび焼損している。」といった内容の事後聞知火災があった。
この火災は、防草シートやブルーシート、根切りマット、育苗箱、ござ、管理機の一部が焼損し、日ごとに焼損の範囲や程度が進むことから、所有者が不審に思い通報したものである。
ハウスの特徴は、屋根のアーチ頂点部に開閉が可能な換気用の天窓を有し、間口７．２ｍ、軒高４．０ｍ、奥行２０．７ｍの１連棟である。ハウスの内
1－ 160 －部では、地面に敷かれている防草シートが掻破（そうは）状に溶融していることが認められる【写真１】。掻破状の溶融は、幅３０～１５０ｍｍ、長さ３００～２，４００ｍｍで東西に細長い。また、その間隔は、３０～１，１００ｍｍで南北方向に不規則である。また、育苗台やブルーシート、根切りマット、育苗箱、ござ、管理機は不規則に焼損している。
実況見分時、ハウスの天窓が水平に開口し、水たまりが確認できる。また、この水たまりから生じる太陽光の収れんが、防草シート上に認められる。ただし、焦点は定まっておらず、この部分に焼損は生じていない。焼損が認められる範囲に太陽光の収れん以外の火源は確認できない。
３

再現実験について同型ハウスの天窓を用いて水たまり（水レンズ）を作り、再現実験を行う。
(1) 再現実験１
出火時の環境に近似させ、防草シートにおける幅３０ｍｍ、長さ２，４００ｍｍの掻破状の溶融痕を対象とした実験を行う【写真２】。
８月４日１１時２５分、天窓を地面から４，０００ｍｍの位置に作成。
気象データは、気温３０．９℃、湿度７３．３％、風向きは北、風速平均２．１ｍ／ｓである。水レンズの条件を検証するため、天窓縦垂木のピッチごとに異なる量の水を入れ、【資料１水レンズ表１】のとおり水レンズを作成する。また、焼損品と同型の防草シートを地面に敷設する。
この結果、１１時２７分、天窓南側から２番目と３番目の水レンズ（南側から「①」と表記する。）から収れんが発生した。②の収れんは天窓真下から西に１，６００ｍｍ、③の収れんは天窓真下から西に１，４００ｍｍの位置に確認できる。同時に防草シートを溶融させている事実が認められ、溶融に要した時間は約２．５秒、直径１０ｍｍ程度の円形であることが確認できる。収れんにより生じた焦点箇所は、西から東に１１時２７分から１２時１０分まで７５０ｍｍ移動し、防草シートの端部で終了する【写真３】。
(2) 再現実験２ハウス内の育苗台や根切りマット等の焼損は、底面から高い位置で生じていることから、天窓から収れんが生じる箇所の距離が変化してもハウスの収容物に焼損が生じるか実験を行う。
2－ 161 －８月６日１０時４０分、脚立を用いて天窓を地面から１，１００ｍｍの位置に作成。気象データは、気温３１．８℃、湿度６７．２％、風向は北北東、風速平均１．５ｍ／ｓである。実験１同様、天窓縦垂木のピッチごとに異なる量の水を入れ、【資料１水レンズ表２】のとおり水レンズを作成する。また、地面には、実験１で使用した防草シートを敷設する【写真４】。
この結果、１０時４３分、天窓における①～⑤（東側から「①」と表記する。）全ての水レンズから収れんが発生する。焦点箇所は、天窓真下から西に６００ｍｍの位置に確認でき、同時に④の水レンズから生じた焦点箇所では防草シートが発煙、穿孔し、搔破状に溶融していることが認められる。穿孔に要した時間は約１．０秒で、焦点箇所は直径１２ｍｍの円形状であった。この焦点箇所は、西から東に１０時４３分から１１時３５分までの間に２６０ｍｍ移動する【写真５】。
(3) 再現実験３
実験２と水レンズの高さを変え、比較実験を行う。
８月６日１２時４０分、脚立を用い実験２の天窓を地面から２，０００ｍｍの位置に移動する。気象データは、気温３３．４℃、湿度６１．３％、風向きは北、風速は平均１．２ｍ／ｓである。水レンズは実験２で使用したものを利用し、④（東側から「①」と表記する。）の円直径は変更せず最大水深を増加させる。また、⑤には水を追加し、円直径を増加させ最大水深も増加させる。これを【資料１水レンズ表３】とする。
この結果、防草シートを敷設したと同時に、①～⑤全てに収れんが生じていることが確認できた。収れんにより生じた焦点箇所の面積を実験２と比較すると、①は減少、②は減少、③は減少、④は減少、⑤は増加していることがわかった。①の焦点箇所の地面から１０ｃｍの位置に発泡ウレタンを設置すると燃え込みが認められ、②の焦点箇所に根切りマットを設置すると炭化していることが認められた。それらが発煙し炭化が確認できるまでの所要時間は、１．３秒であった。また、根切りマット上に上質紙を設置すると、１．０秒で着火し有炎火となることが確認できる【写真６】。
以上、再現実験１から３の結果より、【資料２】の条件の水レンズが収れんを発生させ、防草シートを溶融させる事実を確認した。
3－ 162 －４

出火条件の推定について(1) 自然条件
ア

出火日
発火源となる凸レンズが天窓に形成されるには一定の降水量が必要であり、太陽光が収れんするには水たまりがある間に晴天となることが条件となる。Ｔ市の降水量（気象庁データ）は、６月１１日から１４日の４日間で７４．５ｍｍ、１５日から１８日の４日間は０ｍｍであった。
条件から、出火日は６月１５日であることが推定できる。

イ

出火時間
現場の防草シート溶融位置と天窓の位置から水レンズに入る太陽光の角度（以下「太陽高度」という。）と水レンズからの焦点距離を算出
すると、防草シートの溶融は、太陽高度が７４°焦点距離４，１４８ｍｍで始まり、太陽高度７１°焦点距離４，２０５ｍｍで終了している。
６月１５日の太陽高度と方位を国立天文台の内暦計算室（以下「暦計算」という。）から算出すると、収れんは６月１５日１１時１０分から生じ、１２時４５分で終了していると推定できる【資料３、４】。

ウ

焦点の移動前記イから、同時刻の太陽高度と入射方位のデータが得られる。防草シートの溶融長さと焦点が移動した方位を作図、計算で求めると、防草シートの溶融は、長さが２，４７１ｍｍ、焦点は西南西から東北東へ移動していることが推定できる。

エ

太陽のエネルギー
６月１５日１１時１０分の日射量は、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（ＮＥＤＯ）の日射量データベースによると、Ｔ市の過去２０年間の平均で直達日射量が３．１ＭＪ／㎡であり、１㎡あたり毎秒８６１Ｗ(Ｗ１)の熱量が生じていることが推定できる。
(2) 天窓に発生した水レンズ
ア

水レンズの寸法
本実況見分時、水レンズの水面に相当する面を直径４３０ｍｍ（半径２１５ｍｍ＝Ｒ）の円とし、水面と水レンズの深さで形成される弓型の4－ 163 －半球体とする。４(1)イの焦点距離４，１４８ｍｍを用いて、水レンズの弓形に相当する曲率半径を求める。一般的な凸レンズの焦点距離ｆは、両球面の半径をＲ１、Ｒ２とする時の近似式である次の式のとおりとなる 1)。
１/ｆ＝(ｎ－１)(１/Ｒ１＋１/Ｒ２)*Ｒ２は水面のため無限大

出火時の水レンズはＲ１、深さは不明である。Ｒ２は無限大、ｎは水の屈折率が１．３３なのでＲ１＝１，３６８ｍｍ、水レンズの曲率半径は１，３６８ｍｍとなる。
水レンズの水面大きさと水レンズの曲率半径から計算すると、弓型の半球体の水レンズ深さは１７ｍｍとなる。
イ

水レンズの投影面積等(ｱ) 水レンズの投影面積（Ｒ＝半径、Ｓ１＝水レンズの投影面積）
Ｓ１＝Ｒ×Ｒ×３．１４＝０．２１５ｍ×０．２１５ｍ×３．１４＝０．１４５㎡
よって、水レンズの投影面積は、０．１４５㎡となる。
(ｲ) 水レンズの熱量（Ｗ１＝水レンズへの熱量、Ｓ１＝水レンズの投影面積、Ｗ２＝１㎡あたりに生じる熱量）
Ｗ１＝Ｗ２×Ｓ１＝８６１Ｗ／㎡×０．１４５㎡≒１２４Ｗ
よって、水レンズへの熱量は、１２４Ｗとなる。
(ｳ) 焦点箇所の面積
実況見分から、焦点箇所を直径３０ｍｍの円と仮定する。
（Ｒ＝半径、Ｓ２＝焦点箇所の面積）
Ｓ２＝Ｒ×Ｒ×３．１４＝０．０１５ｍ×０．０１５ｍ×３．１４＝０．０００７０６５㎡
よって、焦点箇所面積は、０．０００７０６５㎡となる。
(ｴ) 焦点箇所の熱量（Ｋ１＝光の熱量、Ｗ２＝水レンズへの熱量(１２４Ｗ)、Ｓ２＝焦点箇所面積０．０００７０６５㎡）
5－ 164 －Ｋ１＝Ｗ２÷Ｓ２＝１２４Ｗ÷０．０００７０６５㎡≒１７５ｋＷ／㎡
よって、１７５ｋＷ／㎡の熱量が焦点箇所に生じていると推定できる。
(3) 防草シートの材質であるポリプロピレン（以下「ＰＰ」という。）の溶融
高分子材の樹脂は厚さによって分解に必要な熱量が異なり、ＰＰが厚さ１ｍｍの場合３１８ＫＪ／㎡である 2)。厚さ１ｍｍのＰＰの溶融時間は、下記のとおりの計算となる。
（Ｓ３＝厚さ１ｍｍ、ＰＰの着火時間Ｊ＝厚さ１ｍｍのＰＰの分解熱量３１８ｋＪ／㎡、Ｗ３＝焦点箇所の熱量密度１７５ｋＷ／㎡）
１Ｗ３＝１Ｊ／Ｓ３
Ｓ３＝Ｊ／Ｗ３＝３１８(ＫＪ／㎡)／１７５(ｋＷ／㎡)≒１．８１秒
よって、防草シートは、焦点箇所が生じてから１．８１秒で溶融することが推定できる。また、着火に要する臨界熱流束は、ＰＰの厚さが１ｍｍでは４６ｋＷ／㎡となる。なお、臨界熱流束とは、無限時間加熱した場合に着火する熱量である 2)。また、防草シートの焦点箇所に生じる熱量密度が１７５ｋＷ／㎡である場合は、周囲に熱量が伝播していくことが推定できる。
(4) 焦点箇所の移動速度
焦点箇所の移動速度の計算は、下記のとおりである。
（１ｍｍあたりの照射時間(Ｔ１)、溶融時間９５分＝５，７００秒(Ｔ２)、溶融長さ２，４７１ｍｍ(Ｗ３)）
Ｔ１＝Ｔ２÷Ｗ３＝５，７００÷２，４７１ｍｍ＝２．３ｓ／ｍｍ
よって、溶融の長さは、１ｍｍあたり２．３秒の速さで焦点箇所が移動していることが推定できる。
(5) 溶融の長さ１ｍｍあたりの熱量
焦点箇所の熱量は１７５ｋＷ／㎡であり、移動速度は２．３ｓ／ｍｍである。
6－ 165 －よって、溶融の長さ１ｍｍあたりの熱量は、下記の計算となる。
（溶融の長さ１ｍｍの熱量(Ｋ２)、１ｍｍあたりの焦点照射時間(Ｔ１)、焦点箇所の熱量(Ｋ１)）
Ｋ２＝Ｔ１×Ｋ１＝２．３ｓ／ｍｍ×１７５ｋＷ／㎡＝４０２ｋＷ／㎡
よって、１ｍｍあたりの熱量は、４０２ｋＷ／㎡と推定できる。
(6) ＰＰが溶融するかの可否
厚さ１ｍｍのＰＰの分解熱量は、３１８ｋＷ／㎡である。１ｍｍあたりの熱量は４０２ｋＷ／㎡であるため、防草シートの分解熱量を上回りＰＰは溶融すると推定できる。
(7) 太陽光が水レンズに全反射する臨界角度
太陽光は、空気、水、フィルム、空気の順で水レンズを透過する。フィルムから空気へ透過する際に、屈折率は小さくなる。この際に、フィルムから空気には透過せず、スネルの法則により太陽光が全反射する太陽高度が存在する。例えば、朝日のように太陽高度が小さい時間帯では、全反射により光が集束する事象は発生しない。
よって、太陽高度が２９．９度以下では、収れんは生じない【資料５、６】。
(8) 焦点箇所の消失
出火時以降に太陽高度が７４．２°を下回るのは、暦計算において６月１５日１２時２２分である。
ア

焦点箇所が消失した時の焦点箇所の面積
焦点箇所の面積は、０．００１０９６㎡と計算できる(Ｓ４)。

イ

焦点箇所が消失した時の熱量
Ｋ３＝Ｗ１÷Ｓ４≒１１３ｋＷ／㎡

ウ

焦点箇所が消失した時の溶融長さ１ｍｍあたりの熱量(Ｋ３)Ｋ４＝Ｔ１×Ｋ３＝２．３ｓ／ｍｍ×１１３ｋＷ／㎡＝２５９．９ｋＷ／㎡
焦点箇所が消失した時の熱量は２５９．９ｋＷ／㎡となり、ＰＰの分解熱量の３１８ｋＷ／㎡を下回ることから、溶融が停止していることが推定
7－ 166 －できる。
以上、再現実験１～３を行い４の出火条件を導き出し、出火することが確認できた。

５まとめ(1) ハウスによる収れん火災の発火原因は、水レンズが形成され熱エネルギーが集約されることに起因する。
(2) 水レンズは、円形で水平投影面積が大きいほど集約される熱エネルギーが大きく、水レンズが厚いほど焦点距離は短くなる。
(3) ハウスの天窓に地表面と平行な水レンズが形成される場合、太陽光が水レンズに対して全反射しない高度で収れんが発生し、ＰＰを溶融させる熱量を獲得する。よって、太陽高度が低い冬期には発生しにくい。
(4) ハウスの換気用の天窓に水レンズができることが問題であり、使用方法や構造の改良などで予防できる火災であると考えられる。

６

おわりに今日まで、多くの消防関係者が収れん火災の原因を蓄積し、予防広報をし続けてきたが、今回の研究により農林水産省から、１１月１９日付け「農業用ハウスにおける収れん火災の発生防止について」【資料７】が文書発出されるに至った。これもひとえに、原因をデータとして蓄積し続けてきた先人のご努力の賜物であり、深く感謝申し上げたい。
最後に、自然現象の火災は、無人で発生し、出火痕跡が少ないことも多い。
しかし、出火条件を数値化して近似した実験を重ねることで、出火原因の判定や安全対策の提示ができることを実証することができた。物理や化学等を苦手とする消防職員も多いと思うが、この論文が自然現象の火災に対するアプローチ方法の参考となり、また、ハウスにおける法改正等への積み重ねとなることで、火災予防と被害の拡大防止につながれば幸いである。

参考文献
1)

講談社

山本明利、左巻健男 「新しい高校物理の教科書」

2)高佐健治他５名著 「高分子材料の形状と延焼による着火危険性」

8－ 167 －【写真１】火災事例【写真２】再現実験１の設定【写真３】再現実験１の防草シート②防草シート端部③1－ 168 －【写真４】再現実験２の設定
１２４３５

1,100 ㎜

水レンズの真下から西へ 600 ㎜の位置に確認できる【写真５】再現実験２の防草シート

260 ㎜【写真６】再現実験３ 上質紙からの有炎火

2－ 169 －【資料１】[水レンズ表１]

水レンズ 円直径（mm） 最大水深（mm） 真下からの形
300
35 不完全円形①②400

2 0 円円形形（（近近位位））③430

1 6 . 5 円円形形（（近近位位））

④250

25⑤不明

不明

不完全円形

水レンズは南側から①とする[水レンズ表２]

水レンズ 円直径（mm） 最大水深（mm） 真下からの形
1.3 不完全円形
底辺200、上辺100
①②220

1.4

楕円形

③縦150、横200

2四角形

④260

2.1

円形

⑤300

1.6

半円形

水レンズは東側から①とする[水レンズ表３]

水レンズ 円直径（mm） 最大水深（mm） 真下からの形
1.3 不完全円形
底辺200、上辺100
①②220

1.4

楕円形

③縦150、横200

2四角形

④360

2.5

円形

⑤300

2.6

円形

水レンズは東側から①とする

3－ 170 －【資料２】

収れんが発生する水レンズ一覧表【資料３】出火ハウスの短計
ハウスの矩計【資料４】出火ハウスの上面

4－ 171 －【資料５】太陽光が水レンズに入射する時の角度変化と全反射する臨界角度★全反射の考え方★全反射の考え方平面の場合（全反射する角度を算出し、逆の流れで光の入射角を計算）
平面の場合(全反射する角度を算出し、逆の流れで太陽高度を計算する)
境界③（フィルム→水）の全反射角度
境界③(フィルム→水)の全反射角度
sin 反射角 ＝ 1/1.54 ＝0.649 ＝sin40.4
反射角 ＝ 49.629°空気
屈折率＝1①41.4°
水
屈折率＝1.33

境界②（水→フィルム）の屈折角度
1.33×sin Ｙ = 1.54（フィルムの屈折率）×sin 40.4
sinY = (1.54*0.648)/1.33= 0.750 =sin48.6
よって、41.4°②49.6°
フィルム
屈折率＝1.54③
空気
屈折率＝1

境界①（空気→水）での屈折角度
1.00(空気の屈折率）*sinY=1.33(水の屈折率）*sin 41.4
sinY = 1.33*0.750 =0.9975= sin 61
よって、29°5－ 172 －時刻【資料７】農林水産省発出リーフレット

6－ 173 －60

８月４日
2009年12月650

9月23日

40

12月22日20時00分
20:00

19時00分19:00

Ｔ市

18時00分
18:00

17時00分
17:00

16時00分
16:00

15時00分
15:00

14時00分
14:00

全反射する太陽高度

13時00分
13:00

70

12時00分
12:00

太陽光が水レンズに11時00分
11:00

80

10時00分
10:00

9時00分
9:00

8時00分
8:00

7:00
7時00分

6:00
6時00分

5:00
5時00分

太陽高度（度）

4:00
4時00分

【資料６】太陽高度と時刻の推移（Ｔ市）
90
6月15日

3月21日

日

30

20

100