第2回日本熱物性学会生活環境懇談会 2007年9月8日(土)京都大学「水で地球を冷やす」
瑞々しい生活環境へのイノベーション（流体熱物性応用の視点から）慶應義塾大学理工学部システムデザイン工学科教授 佐藤春樹
学部4年から水のPVT計測装置の製作に始まり、国際水・蒸気性質協会の会合に参加させてもらい、日本機械学会から「１９９９蒸気表」を出版するまでずぶ濡れの研究生活でした。「蒸気表」は発電所の国際標準です。その後、自称不確かさ０．４％の液体定圧比熱装置の開発を含む代替フロンの熱物性計測、状態式開発を行い、日本冷凍空調学会からJARefなど数冊の熱物性値集を出版しました。これらはJISなどの標準として役立っています。流体熱物性に関して最近は、学生がより高精度な計測と理論を組み込むべく状態式開発を行っています。一方で、太陽熱利用の装置開発も行い、「海水淡水化装置」や「減圧沸騰パネルの応用」などの発明もしています。また最近は、「省エネルギー技術戦略2007」の策定のお手伝いや学生の頃の願いであった「環境に調和する街づくり」をはじめ、地球温暖化防止に向けた活動も行っています。

その１ 地球温暖化の原因は本当に二酸化炭素だけか？
その２ そんなにたくさん熱を捨てても大丈夫なのか？
その３ 人工的に低温で排熱する技術は可能か？
その４ 瑞々しい未来
その５ コ・モビリティ社会の提案
1

今日の話ーその１
地球温暖化の原因は本当に二酸化炭素だけか？
（現状認識）
原因を捉えて対応することは重要ですが地球環境システムはもっと複雑と思います。

2

地球規模の環境問題と南極およびその周辺海域
西村 昭（地質調査所、海洋地質部）
地質ニュース 452号、 １０−１８頁、1992年4月
その他関連文献Nature 357, 488 - 490 (11 June 1992)
http://www.nature.com/nature/journal/v357/n637
8/abs/357488a0.html

よく見ると平均大気温度と太平洋深海コアの酸素同位体の変化に大きな時間の ± のずれがある。

なぜこれ程相関性があるのか？様々な現象は温度が支配している平衡状態。

3

現在の大気中二酸化炭素濃度（気象庁）
平成19年6月11日更新（平成20年6月頃更新予定）

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大気中の二酸化炭素濃度は着実に増え続けている4

Is the Earth still recovering from the “Little Ice Age”?
A possible cause of global warming– an updated version –Revised May 7, 2007

Syun-Ichi Akasofu

http://www.iarc.uaf.edu/highlights/2007/akasofu_3_07/
5地球温暖化は大気中の二酸化炭素（化石燃料）だけが原因でしょうか？

•QuickTimeý Ç²TIFFÅià èkÇ»ÇµÅj êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ
Ç™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉÇ¾å©ÇÈÇžÇ½Ç…ÇÕïKóvÇ-Ç ÅB

赤祖父俊一（あかそふ しゅんいち）
地球物理学者（オーロラの研究で有名）
1930年：長野県佐久市生まれ
東北大学を卒業後、アラスカ大学大学院を卒業
1976年：イギリス王立天文学会からチャップマン・メダルを受賞– 1977年：日本学士院賞を受賞1964年から：アラスカ大学ファアバンク校教授。
– 1998年に設立されたアラスカ大学国際北極圏研究センター（International Arctic Research Center ofthe University of Alaska Fairbanks）所長– 現在：アラスカ大学北極圏研究センター 名誉所長・名誉教授

––––

6

Figure 1: The top graph is thebasic data on global
warming; the middle graphis the IPCC’s interpretationthat the 0.6°C (or 1°F)
increase is caused by thegreenhouse effect; thebottom graph is anotherinterpretation, suggestingthat a large fraction of the0.6°C - 0.7°C rise is due
to natural changes.

１年当たりにすると０．００５℃の平均地球大気温度の上昇

7北極圏では気温変化が増幅される

よく見ると１９４０年頃から１９６５年頃まで平均大気温度は下がる方向にあった。

8

平均海面は上昇し続けている

平均海面は大気温度が下がる方向にあった期間もコンスタントに上昇し続けている。

9

平均海面は上昇し続けている
約1.7 mm/year
水の体積が温度1℃で200 ppm 膨張するとして、平均水深が4 km とすると毎年、0.002 ℃温度上昇していることになる。
オーダー的には、大気の温度上昇と合ってくる。

平均水深を4 km、水が増えてないとすると、毎年、体積が約0.4 ppm膨張していることになる。
1 cm2に大気は 1 kg
海水は 400 kg,水の比熱は大気の4倍、地球全体では、海が大気の1000倍の熱容量。
海水の温度上昇はかなり大きな熱容量となる。

平均海面が熱膨張で毎年1.7 mm上昇するとき大雑把に海水は毎年0.002℃上昇している(HS)。

10上の図は1950年から1998年までの温度変化
下の図は1986年から2005年までの温度変化
違いすぎている！

データの期間を変えると温暖化の場所が全く異なって見える。

11

左の図は1954年から2003年までの温度変化（観測値）
右の図は1951年から2000年までの温度変化（シミュレーション）
違いすぎている！

地球シミュレーションの結果は、まだ信じるに足る精度ではないらしい。

12

Conclusion
I (Dr. Akasofu) would like to emphasize:
1. Natural components are important and significant, so that they should not be ignored;
2. Two natural changes are identified in this note: a linear increase of about +0.5°C/100
years and fluctuations superposed on the linear change;
3. It is insufficient to study climate change based on data from the last 100 years;
4. It is difficult to conclude about causes of the rise after 1975 until we can understandthe rise from 1920 to 1940;
5. Because of these deficiencies, the present GCM(Global Climate Models) cannot provethat the present warming (0.6°C - 0.7°C/100 years) is caused by the greenhouseeffect; and thus,
6. Future prediction of warming by GCMs is uncertain.
If most of the present rise is caused by the recovery from the Little Ice Age (a naturalcomponent) and if the recovery rate does not change during the next 100 years, therise expected from the year 2000 to 2100 would be 0.5°C. Multi-decadal changes
would be either positive or negative in 2100. This rough estimate is based on therecovery rate of 0.5°C/100 years during the last few hundred years. It should be
noted that the greenhouse effect shown by GCMs should be carefully re-evaluated, if
the present rise (0.6°C - 0.7°C/100 years) is mostly due to natural components,
such as those I suggest.
13

今日の話ーその１
地球温暖化の原因は本当に二酸化炭素（化石燃料）だけか？
•••••
••

赤祖父博士が指摘するように1945年から1965年にかけて、二酸化炭素濃度は上昇していたにもかかわらず、地球の平均気温は下がり続けた。
一方で、大気中二酸化炭素濃度は、現在 380 ppmを超えている。
過去16万年の傾向から見ると、この値は地球の平均気温が現在より＋１０℃のときの化学平衡値と考えられる。（HS）
この二酸化炭素濃度は明らかに異常であり，地球環境は不安定な非平衡状態にあることは確かである。しかしながら、二酸化炭素濃度が上昇し続けたにも関わらず、 1945年から1965年にかけて平均気温は下がり続け、海水は上昇し続けた。
これをどのように説明すべきだろうか。(HS)
大気温が１℃上昇するとき、大気のエネルギー量の増加は莫大である。(HS)
大型のハリケーン、寒暖の異常気象、さらには地震や津波などの災害は・・・(HS)
さて、地球温暖化は温暖化ガスの影響ばかりではなく、森林の減少、砂漠の拡大、地表の反射率（アルベド）とアスファルトやコンクリートなどの顕熱、人工排熱が与える大気、海水や淡水への影響もあると考えている。(HS)14参考：

森は日射を受けて温度上昇するのではなく、大気に水を供給する。
そして、二酸化炭素を吸収し、酸素を供給する。
FOOD AND AGRICULTURE ORGANIZATION OF THE UNITED NATIONS

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http://www.fao.org/forestry/site/fra/en/

15

FOOD AND AGRICULTURE ORGANIZATION OF THE UNITED NATIONS

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カーボンニュートラルといわれるバイオ燃料は森を増やすことが前提

16

今日の話ーその２
そんなにたくさん熱を捨てても大丈夫なのか

17

QuickTimeý Ç²TIFFÅià èkÇ»ÇµÅj êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ
Ç™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉÇ¾å©ÇÈÇžÇ½Ç…ÇÕïKóvÇ-Ç ÅB●火力発電所 (2677.1万kW)
01：東京電力（株）横須賀火力発電所 02：東京電力（株）南横浜火力発電所 03：電源開発 磯子火力発電所 04：東京
電力（株）横浜火力発電所 05：東京電力（株）川崎火力発電所 06：東京電力（株）東扇島火力発電所 07：東京電力（株）
大井火力発電所 08：東京電力（株）品川火力発電所 09：東京電力（株）千葉火力発電所 10：東京電力（株）五井火力発
電所 11：東京電力（株）姉崎火力発電所 12：東京電力（株）
袖ヶ浦火力発電所 13：東京電力（株）富津火力発電所 14：
君津共同火力（株）君津共同発電所●製鉄所
15：JFEスチール（株）東日本京浜地区 16：JFEスチール（株）東日本千葉地区 17：新日本製鐵（株）君津製鉄所●製油所 18：日本石油精製（株）根岸製油所 19：日本石油精製（株）横浜製油所 20：東亜石油（株）川崎製油所 21：東燃ゼ
ネラル石油（株）川崎製油所 22：コスモ石油（株）千葉製油所
23：極東石油（株）製油所 24：出光興産（株）千葉製油所
25：富士石油（株）袖ケ浦製油所●ガス工場
26：東京ガス（株）根岸工場 27：東京ガス（株）扇島工場 28：東京ガス（株）袖ヶ浦工場●造船所
29：（株）IHIマリンユナイテッド 30：住友重機械マリンエンジニ
アリング（株）横須賀造船所 31：三井造船（株）千葉事業所●自動車組立工場
32：日産自動車（株）追浜工場 33：日産自動車（株）横浜工場

東京湾環境情報センター
http://www.tbeic.go.jp/kankyo/sangyo.asp
火力発電所設備概要
http://www.tepco.co.jp/tp/list/index-j.html
東京湾にそんなに熱を捨てても大丈夫？

18熱は、量ではなく温度（価値）で判断しよう• 発電機の効率

η＝電力 W
加えた熱量 QH
W ＝QH−QL
η＝(QH−QL)/ QH

高温熱源TH
QH
エンジン
QL
環境温度TL

電力W

η＝1−(QL/ QH)(QL／ QH)＝ (TL／TH)

η＝1−(TL / TH)

Sadi Carnot (1796-1832)
the E.F. Smith Collection

カルノーサイクルの効率熱力学の第2法則
19もしも外気温が０℃（273 K）のとき23℃(300 K)の室温で発電すると室内 300 Ｋ

１００ kW(kJ/s)

９ kW 発電η＝1−(TL / TH)
9 %＝1−(273 K / 300 K)

９１ kW(kJ/s)
環境 273 Ｋ

300 Kの熱は９％が電力と同じエネルギー20ヒートポンプ（エアコン）の熱効率
２７℃の空気で暖房
室内 300 Ｋ

１００ kW(kJ/s)
電力

９ kW

ε＝1/η
1111 % ＝ 1/（9 %）９１ kW(kJ/s)
環境 273 Ｋ
外は０℃
9 kWの電力で、11倍の熱が得られる。

21

熱の場合、価値（温度）で考えましょう• 発電の理論熱効率300K − 273K
理論効率＝= 9%300K• 空調機の理論熱効率
理論効率＝300K= 1111%300K − 273K

Sadi Carnot (1796-1832)
the E.F. Smith Collection

最高の効率はいつも１００％ですよね。
22カルノーは熱の価値を明らかにした！
熱の量 q にカルノーの効率(1− T0/T )を掛けたものをエクセルギーと呼びます。

e＝q×(1− T0/T )＝q − T0 (q /T) ＝q − T0s» エントロピー: s＝(q/T)» T0 sは何？＝環境温度T0で原子や分子が存在するための分※ 今日の私の話qのレベルTが、皆さんのレベルT0と等しいとき、皆さんが得るものeはゼロです。話を聞いても影響を受けない。役立たないのです。ちょっと変な言い方ですがエクセルギーとは役に立つ分です。例えば電気エネルギーは役に立つからこそエネルギーなのです。つまり、熱は役立たない分まで含んでいる点で電気などのエネルギーと違います。熱(人)は温度(熱意)という情報がないとエクセルギー（能力）が分かりません。電力は全て使えます。熱は全部を使うことはできません。
おまけ：エントロピー：「エントロピーは質の低さの尺度」です。自然は質の低い方に流れる（エントロピー増大）？それを止めるのは知性だと思います。
エンタルピー: h＝u+pv； u＝h − pv
• h は収入で、pv は外に使うエネルギー（家賃？）• 残りのu は家の中で使える内部エネルギー（生活費？）
23

エクセルギーで効率を考えると理論効率は１００％となります。

室内 300 Ｋ

１００（９）kW(kJ/s)
理論効率 ＝

電力
入力エクセルギーe ＝q×(1− T0/T )T ＝ T0のとき
e＝ ０＝100 %９（９）kW

９１（０）kW(kJ/s)

発電

環境 273 Ｋ
24

つぎに 空調機の効率も最大は100%になります
２７℃の空気で暖房
室内 300 Ｋ

１００（９）kW（kJ/s）
電力９（９）kW

理論効率 ＝

高温熱のエクセルギー

９１（０）kW(kJ/s)
環境 273 Ｋ
外は０℃

電力＝100 %空気で暖めるというよりは電気で暖めるの方が正確
25

今日の話ーその２
そんなにたくさん熱を捨てても大丈夫なのか
答え
環境への熱負荷は、エクセルギーで考える必要があります。
環境温度に等しい排熱のエクセルギーはゼロです。
いくら捨てても環境に影響しません。
ところで砂漠も産業も都会（車やアスファルト）も高温の熱で大気を暖めています。
大気にプラスのエクセルギーを与えています。
ヒートアイランド現象の対策として、熱負荷を論じるには自然環境に与えるエクセルギー量で評価するのが正しいと考えています。
26

今日の話ーその３
人工的に低温で排熱する技術は可能でしょうか？
木の葉などから目に見えない水蒸気が大気中を登っていきます＝ 森の空気を冷やすとともに上空に熱を捨てています＝ 腕にアルコールを塗って吹くとどうなりますか？
冷たく感じます（実際に皮膚の温度は下がっています）

27

自然環境では目に見えない水（水蒸気ガス）が熱を運んでいます
ポンプ無しに膨大な数の木の葉の葉面の隅々に水が供給され蒸散しています汗をかく車？

葉脈：the veins of leaves

28
28

Water is important?

zUnder a tree, there is a large water jar.

zHow trees bring water to each leaves?
29

従来型都市の外部環境（建物内部のみの快適性？）

35℃
外はより熱く建物内部

ヒートポンプ

27℃
30

建物外部の環境共生に視点を置く
出来る限り排熱しない空調

35℃
ＨＰ
水の蒸散

水の蒸散

27℃
31

GK

4J

6L
2H

I

C

7.85M

B
13315

1416

D
129

117 .18

E

A
1020

F

1119

A:ヘッダー B:集熱器 C:凝縮器 D:流量計 E:冷却塔 F:送液ポンプ G:圧力計
H:真空ポンプ I:オイルフィルトレーション J:水平面全天日射計
K:傾斜面全天日射計 L:データロガー M:輻射パネル
数字は熱電対設置箇所
32

2.52

蒸散に使われた熱 /kW

y = 0.8753x - 0.004

1.5

10.5

000.2

0.4

0.60.8

11.2

1.4

1.61.82

日射量 /kW

太陽熱の８８％を蒸散で大気に返したと読み取っています。

33

表１

外気温と冷却塔排気口気温の関係（場所は横浜市の慶応義塾大学理工学部、日付は２００６年）
冷却塔排気口の気温

温度差（水の蒸散温度と仮定）

[℃]

日射量

外気温

[kW/m2]

[℃]

9/22

0.18

25.3

24.5

0.7

9/25

0.29

24.9

22.5

2.3

9/28

0.62

29.8

27.0

2.9

10/10

0.57

27.5

24.9

2.6

10/16

0.62

27.023.4

3.6

10/190.5824.822.8

2.1

日付

[℃]

右の列は、大気温度より０．７℃から３．６℃低い温度で排熱したことを示しています34

今日の話ーその３
人工的に低温で排熱する技術は可能か？
教科書では熱は高温から低温へ移動すると教えています。
蒸散を使うことで僅かなエネルギー消費で高温の大気に低温で大量の熱を移動することができます35

今日の話ーその４
瑞々しい未来水は世界を救う、大切にしたい36知的環境共生コミュニティ建設の方針
１．人工環境建設前のアルベド（反射率）の回復

瑞々しい街づくり宣言（森のアルベドは0.2以下で太陽熱を吸収している）

２．人工環境建設前の自然環境と同じ量の水を蒸散し，水循環を取り戻す．
３．エネルギー消費はすべて熱（エントロピー）になる．
水の蒸散などをもちいて，熱のエクセルギー収支をゼロとする努力をしたい．

水があれば温度は上がり過ぎない

水がないと温度は異常に上がる
37

今日の話ーその５
コ・モビリティ社会の提案
文部科学省科学技術振興調整費分野融合拠点38

環境共生コミュニティーのサステイナビリティは、モビリティと冷暖給湯のシステム基盤から冷暖給湯

モビリティ

冷暖給湯

モビリティ

2000年度日本の家庭部門用途別CO2排出割合（全国地球温暖化防止活動推進センターホームページより）39環境・空間構成WG
佐藤春樹（理工）、隈研吾（理工）、村上周三（理工）、伊香賀俊治（理工）、早見均（商・産業研）

自然環境とコ・モビリティ社会の調和を目指す

エネルギー・環境SWG

自然老年

若年

人と自然の共生支援

誰もが自分で動ける
人間支援技術

空間構成SWG（コミュニケーション＋モビリティー）の生活空間デザイン

コミュニケーション

壮年

モビリティ

人と人のコ・モビリティ情報空間40

「友達分身携帯ロボット」：目、口、耳と顔があり友達のように常に助けてくれる携帯ツールですQuickTimeý Ç²TIFFÅià èkÇ»ÇµÅj êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ
Ç™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉÇ¾å©ÇÈÇžÇ½Ç…ÇÕïKóvÇ-Ç ÅB

自然な省エネ空間

都市・地域環境評価・支援学校＋「放課後だけの学校」
集会所・エネルギーセンター・避難所

コ・モビリティ社会デモンストレーション（五反田DNP）

41

二酸化炭素排出量５０％削減に向けてのCEMS（クラスター型エネルギーマネジメントシステム）
厨房用
6%
冷房用
9%

この部分は発電時等の排熱および太陽熱を利用

給湯用
21%

対策1：
コージェネレーションの省エネ活用①熱需要地に設置＋②電力託送

一次エネルギー
消費量

暖房用
21%

電力用
43%

対策2：
自然エネルギー
風力発電
太陽電池
太陽熱バイオマス

2002年度日本の業務部門用途別一次エネルギー消費（省エネルギーセンター資料よりの概算）
42

7
冷暖房・給湯の熱需要は（排熱＋太陽熱）で賄う

3,000

最大電力消費2005年4-7月（平日）2005年4-7月（平日）15 ≦ T < 20
（4月のみ）

電力需要 [kWh]2,500

分散電源の排熱と自然エネルギーで賄う

2,000

1,500

T = 日平均気温 [℃]

20 ≦ T < 25

15 ≦ T < 2025 ≦ T < 30

1,000

分散電源の発電分500
購入電力も約１０００
ｋＷで平準化される電力基本契約料金が１／３になる可能性

30 ≦ T < 35

電源容量は排熱利用量で定める00123 456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
時間 [h]

慶應義塾大学湘南藤沢キャンパスの電力消費量
43３６５日購入ピーク電力[kW]
Daily maximum Pgrd

ＳＦＣ+矢上でのＣＧＳ導入シミュレーション

7000

2004年11月から2005年10月までの毎日のピーク電力消費量
Nov. 2004 - Oct. 2005

QuickTimeý Ç²êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ
Ç™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉÇ¾å©ÇÈÇžÇ½Ç…ÇÕïKóvÇ-Ç ÅB(N = 113)

6000

ＣＧＳ無し

現状600 kW CGS

5000
4000
3000
2000

電力託送無し 2550 kW ＣＧＳ

電力託送有り 3800 kW ＣＧＳ

1000
Nov.

Dec.

Jan.

Feb.

Mar.

Apr. May

Jun.

Jul.

Aug Sep.

0kW(VC)
0kW(AHC)
Measured
Existing system : 2,550kW CGS
Cl t dt
3 800kW CGS

Oct.

44

We hope to design
Hopeful Future Vision with Dependency + Independency
in the world with you from Asian viewpoint
Ubiquitous IT society
Environmental Issue

Energy Resources

Population

Symbiotic energy utilization（Coal・Natural gas・Biomass）

Energy consumption

Asian Viewpoint

Human Security

Natural Energyand Mechanism

×Material

food & Culture
Diversity Society
with WEB structure

Heat Island

Symbiotic Society

WaterDirection for the future
convergence
diversity

Biologic and physical cyclein nature45今日の話
慶應義塾大学理工学部システムデザイン工学科教授 佐藤春樹
その１ 地球温暖化の原因は本当に二酸化炭素か？
①温暖化ガス＋②森の破壊＋③砂漠化の進行＋④アスファルト等への地表変化による熱の顕熱化＋⑤エネルギー消費に伴う高温人工排熱（車など）

その２ そんなにたくさん熱を捨てても大丈夫なのか？
排熱は量よりも寧ろ如何に環境温度に近づけて捨てるかが重要である。環境温度より高い排熱（のエクセルギー）が環境への熱負荷となる。

その３ 人工的に低温で排熱する技術は可能か？
樹木はポンプなしに水を集め葉の隅々に供給し、太陽熱を蒸散によって空に返し、より低温且つ酸素リッチの空気を供給している。自然の仕組みに学ぶことから低温排熱技術は可能である。

その４ 瑞々しい未来
二酸化炭素排出削減に加えて、地球温暖化（そしてヒートアイランド）の原因として、砂漠化の進行やアスファルトなどの人工環境により広大な面積の森が破壊され、自然環境の仕組みが失われていることにもっと気付く必要がある。特に水蒸気を含む水の循環を取り戻す必要が最も重要ではないか。

その５ コ・モビリティ社会の提案
幸福を導くソーシャルキャピタル蓄積型社会構築まで配慮しないとコミュニティ建設はできない。弱者への「思いやり」と「ほっとけない」行動が、環境共生型サステイナブルコミュニティーの建設に繋がる。
46