戸田建設

技術研究報告第 31 号

屋上ビオトープに関する研究
その１

アメニティ型屋上ビオトープの概要とビオトープの設置が室内に及ぼす熱的効果の検証
石田神野宮本

三浦晶久 *2
兼次 *3
徹 *5

篠崎浦田小山

徹 *1
裕司 *4
大介 *2

寿幸 *1

概要

東京都の条例改正を契機に屋上を緑化する建物が増えてきた。

屋上緑化の一形態である屋上ビオトープは昆虫や小鳥などの生物の誘致・保全効果を期待するものだが、室内の熱環境改善やヒートアイランド現象の緩和などさまざまな波及効果があると考えられる。

筆者らは、「人と自然のふれあい」をテーマとしたアメニティ型屋上ビオトープのモデル施設を戸田建設技術研究所敷地内の既存建物屋上に設置し、モニタリング調査を実施してきた。

本報告は、アメニティ型屋上ビオトープの概要と、ビオトープの設置が室内に及ぼす熱的効果の検証結果について述べたものである。

A Study on Rooftop Biotopes
Part 1 An Outline of Amenity Type Rooftop Biotope and Measurement ofits Thermal Effect on Indoor Environment
Toshiyuki MIURA*1
Tooru SHINOZAKI*1
Yuuji URATA*4
Daisuke OYAMA*2*2

Akihisa ISHIDA
Kenji JINNO*3
Tooru MIYAMOTO*5

Rooftop green spaces and gardens have increased since the revision of regulations in Tokyo. The rooftop biotope is a formof rooftop gardens which can expect to contribute not only to the preservation of biodiversity but also to improving indoor thermal
environment and heat island phenomena.
The authors proposed on amenity type rooftop biotope whose theme was a contact between humans and nature. Its model biotope
was produced on an existing building rooftop of Technical Research Institute, Toda Corp., measurements and investigations wereconducted.
In this report the outline of the amenity type rooftop biotope and measurement of its thermal effect on indoor environment aredescribed.

*1

*2
*3
技術研究所
計画設計部
千葉支店建築部設備課*2
Technical Research InstituteArchitectural Design Dept.
*4*5
Tohoku BranchEngineering Dept.
*1

1

*4
*3

東北支店建築部技術課
Chiba Branch*5

エンジニアリング部

屋上ビオトープに関する研究

屋上ビオトープに関する研究
その１

アメニティ型屋上ビオトープの概要とビオトープの設置が室内に及ぼす熱的効の検証
三浦 寿幸 *1
篠崎 徹 *1
浦田 裕司 *4
小山 大介 *2

石田 晶久 *2
神野 兼次 *3
宮本 徹 *5

１．はじめに建物の緑化は従来より行われてきているが、近年、都市環境問題の顕在化や東京都の条例改正などを契機に、その検討機会が増えてきた。屋上緑化の一形態である屋上ビオトープは、昆虫や小鳥などの生物の誘致・保全効果を期待するものだが、室内の熱環境改善やヒートアイランド現象の緩和などさまざまな波及効果があると考えられる。筆者らは、「人と自然のふれあい」をテーマとしたアメニティ型屋上ビオトープのモデル施設を戸田建設技

写真−１

屋上ビオトープ（竣工時）

術研究所敷地内の既存建物屋上に設置し、屋上ビオトープの種々の効果や維持管理に関する基礎データを蓄積するため、モニタリング調査を実施してきた。本報告では、アメニティ型屋上ビオトープの概要と、屋上ビオトープの設置が室内に及ぼす熱的効果の検証結果について述べる。

２．アメニティ型屋上ビオトープ
２．１アメニティ型屋上ビオトープのコンセプト

屋上緑化に期待される効果は多岐にわたる。動植物

図−１

屋上ビオトープ平面図及び２階平面図・測定位置の生息環境の向上もそのひとつであり、都市において生物の回廊が形成され、建物の屋上に昆虫や小鳥などの多様な生物が生息できる場が提供されるならば、自然生態系復元への貢献も期待できる。しかしながら、動植物のことだけを考えた屋上ということでは、提案として受け入れられる機会が一般に少ないと考えられ、管理上の問題も含めて建物ユーザーとの関係をどう位置付けるかが大切になる。
筆者らはこうした観点から、「人と自然のふれあい」をテーマとしたアメニティ型屋上ビオトープを提案し、そのモデル施設を戸田建設技術研究所（つくば市）敷地内の実験棟２階屋上に設置した。竣工時（2002年3月末）の状況を写真-1、屋上平面図を図-1に示す。ゆるやかな起伏と曲線をつけた歩道沿いに、水が湧き出るバードバス、小川、橋、池などを配置し、歩いて楽しい変化のある風景を演出した。多様な生物の生息環境へ配慮するとともに、「人と自然のふれあい」という観点から、都市生活者が「季節の移り変わりを見る」、「虫や鳥の声、水の流れを聴く」、「草花にる嗅ぐ」、「自然の恵みを」、「花のにおいを味わう触れ」といった五感を通して安らぎや癒しが得られるような空間を意図した。
図−２
*1

技術研究所

*2

計画設計部

*3

千葉支店建築部設備課

2

*4

Y-Y

断面図及び植栽基盤の構成

東北支店建築部技術課*5

エンジニアリング部

戸田建設

２．２

表−１

アメニティ型屋上ビオトープの概要

ビオトープ全体の設置面積は約105m 2（短辺方向約測定項

目

技術研究報告測定項目・センサー等センサー、計測機器測定点数

5m、長辺方向約21m）、このうち池や小川などの水域

天井裏屋根スラブ下面熱流

熱流計 E I K O C N - 9 L

3

面積は約15m2で、池の水深の最大は約300mmである。

天井裏屋根スラブ下面温度

Ｔ型熱電対

3

植栽は鳥や昆虫のために実がなるもの、花が咲くもの

天井裏空気温度

〃3

執務室

室温

〃

3

執務室

室内側天井表面温度〃3
1を多く選定し、高中木7種類、低木16種類、野菜や第 31 号

備考●サンプリング間隔１分とし、10分毎の平均値を記録●外気湿度のみサンプリング間隔10分

ハーブのほか、田んぼのあぜ道に生育している地被類

実験室（大空間）空気温度〃も植えた。植栽基盤は、図-2に示すように耐根シー

外気温度

〃

ト、排水パネル(発泡ポリスチレン製40mm厚）、透水

外気温湿度

Ｔ型熱電対、おんどとり各1

シート、人工軽量土壌、畑土で構成し、土壌厚は約300

水平面全天日射量

ネオ日射計

1〜400mmを確保している。屋根スラブにはビオトープ設

降雨量

転倒ます式

1

置前より木毛セメント板25mm（熱伝導率0.21W/mK）が室の蒸発散による大気冷却効果が期待できるだけでなく、内側に配置された状態である。また、歩道やバードバ

屋根全体の熱抵抗や熱容量が相対的に大きくなるため、スの下部は嵩上げ材（発泡材）を設置して軽量化し、屋根スラブを通しての冬季の熱損失や夏季の流入熱を抑施設全体の平均積載荷重を約300kg/m2に抑えた。池のえる効果が期待できる。以下では屋上ビオトープの設置

水はポンプで循環させており、地中埋設配管を通して前後に行った実測結果に基づき、屋上ビオトープの設置

バードバスに汲み上げた後、小川を経由して池へ戻してが室内に及ぼす熱的効果について検討する。

1
別棟（３階建）屋上にて測定いる。そのポンプの動力は太陽電池と風力発電によって得られた電力でその大部分が賄われている。

３．１

実測概要

潅水は染み出しパイプによる自動潅水方式で、一部実測はビオトープ設置前年の2001年6月より開始し、翌のエリアには雨水を利用したシステムを採用してい年2月の施工を経て、その後も継続した。表-1に測定項る。植栽基盤への降雨は土壌の保水効果によりある程目及び使用センサー・機器を示す。２階室内の３ヶ所

度利用されることになるが、水域に降り注ぐ雨の余剰(図-１，２参照、測定点Aはバードバス近辺植栽下、B分は何も工夫がなければオーバーフローとなって排出は通路と池の間の植栽下、Cは通路近辺植栽下）で、天されてしまう。ここでは一部のエリアに雨水の貯留と井裏の木毛セメント板表面（以後、屋根スラブ下面と毛細管現象による土壌への給水が可能なタンクを連結呼ぶ）温度・熱流、天井裏空気温度、執務室空気温度、して埋設し、そこに降雨時のオーバーフロー水を自動執務室天井表面温度、屋上で外気温度を実測した。ま的に導入する仕組みを考案し、採用している。

た、同じ敷地内の建物（３階建）屋上で、外気温湿度、維持管理は雑草の除去、樹木の剪定を夏１回/月、冬水平面全天日射量、降雨量を測定した。なお、２階の執務１回/２ヶ月を目安として実施している。

室は空調運転されており、隣室や下階は非空調室となっている。

３．屋上ビオトープの設置が室内に及ぼす熱的効果の検証

３．２比較夏冬代表日におけるビオトープ設置前後の植栽基盤の土厚をある程度確保していることから、こ夏季代表日における温度及び熱流の経時変化を屋上ビの屋上ビオトープではセダム等の薄層緑化に比べて夏季オトープ設置前後で比較して図-3に示す。３ヶ所で測定

図−３

夏季における屋上ビオトープ設置前後の温度、熱流の比較

3

屋上ビオトープに関する研究

図−４

冬季における屋上ビオトープ設置前後の温度、熱流の比較

した各温度、熱流は測定点による差が小さかったため、になり、室内側から天井材や天井裏気温及び屋根スラ平均値で整理した。設置前は日射の影響で屋根スラブ下ブ下面を暖める形になる。これより設置後の熱損失面温度がほとんどの時間帯で外気温度よりも高く推移し低減効果は認められるが、熱流に夏季ほど極端な差はており、天井裏の気温を引き上げている。屋根スラブ下ない。その理由のひとつに、植栽基盤の熱抵抗が内外面熱流のピークは20〜21時頃にあらわれ、25W/m2前後であ温度差起因の熱損失低減には有効であるものの、冬季表−２る。これに対し、設置後の屋根スラブ下面及び天井裏気温は安定しており、熱流の変化や絶対量も小さい。つま屋
上ビオトープり、屋上ビオトープの設置によって屋根を通しての外乱分析に用いた実測データ

季節

期間

平均外気温度

平均日積算
日 射 量

夏

2001年７月〜2001年９月

24.6℃

15.5MJ/m2

冬2001年12月〜2002年２月上旬

4.7℃

9.7MJ/m2

夏

2002年７月〜2002年９月

24.9℃

15.5MJ/m2

冬2002年12月〜2003年２月中旬

3.7℃

9.3MJ/m2

設置前による熱的影響が大幅に緩和されたといえる。
図-4に冬季の設置前後を比較して示す。冬季（暖房設置後時）は夏季（冷房時）と屋根スラブ下面熱流の向きが逆

図−５

執務室室温と天井裏空気温度との関係（夏季）

図−６

図−７
天井裏の内外温度差と屋根スラブ下面熱流との関係（夏季）

図−８

執務室室温と天井裏空気
温度との関係（冬季）

図−９

天井裏の内外温度差と屋根図− 10 水平面全天日射量と屋根スラブスラブ下面熱流との関係（冬季）
下面熱流との関係（冬季）4

水平面全天日射量と屋根スラブ下面熱流との関係（夏季）戸田建設

技術研究報告第 31 号

図−11｛天井裏気温−執務室室温｝と 図−12 執務室の内外温度差と｛天井表面 図−13 水平面全天日射量と｛天井表面屋根スラブ下面熱流との関係（夏季）
温度一室温｝との関係（夏季）
温度一室温｝との関係（夏季）

図−14｛天井裏気温−執務室室温｝と 図−15 執務室の内外温度差と｛天井表面 図−16 水平面全天日射量と｛天井表面屋根スラブ下面熱流との関係（夏季）
温度一室温｝との関係（冬季）
温度一室温｝との関係（冬季）の日射熱取得を減じていることが挙げられる。また、設図-6〜7、図-9〜10に天井裏の内外温度差及び水平面置前後で暖房停止後の室温低下にさほど違いがみられ全天日射量と屋根スラブ下面熱流との関係を示す。夏季

ず、室温の低下によって天井裏や屋根スラブ下面が夜間は、屋上ビオトープ設置前で内外温度差の影響は小さくに冷却されていることが設置効果を減じている別の理由

日射が熱流に大きな影響を及ぼしていること、設置後はとして挙げられる。これは、執務室の屋根以外の外皮のいずれの相関も小さいことがわかり、ビオトープの設置断熱性能が十分ではなく、非空調の実験室との間仕切にが夏季の日射遮蔽に有効に作用していることが確認でき大面積の単板ガラスが用いられていることなどが影響しる。冬季は設置前・後いずれの場合も日射の影響は小さており、冬季の居住性の改善や暖房エネルギー削減にはく、相対的に内外温度差との相関がやや大きくなる傾向

これらの点への配慮が必要と考えられる。にある。

３．３ 長期実測データに基づく屋上ビオトープ設置前後の比較

ぼす因子として、執務室の室温が挙げられる。図-11, 14

この分析に用いた実測データを表-2に示す。測定点係を示す。ビオトープ設置前は夏冬共に両者に高い相関３ヵ所（図-1参照）の平均値を用い、欠測日を除外しがあり、両室の日平均気温差が大きい程、日積算熱流もたこの期間の日平均値、日積算値で整理した。屋上ビオ大きくなる。夏の設置後は日射の影響が抑えられること

トープ設置前後の夏、冬それぞれの平均外気温度や日射で両室の気温差が小さくなっているが、冬の設置後では量、及び執務室の使われ方はほぼ同様である。

日積算熱流は小さくなるものの気温差自体は設置前と大３．３．１

きくは変わっていない。これは前述したように外気温の日射や外気温のほかに屋根スラブ下面熱流に影響を及に執務室と天井裏の気温差と屋根スラブ下面熱流との関

屋上スラブ下面熱流

図-5, 8に執務室室温と天井裏空気温度との関係を示

低い冬季には屋根スラブ以外の外壁や間仕切り壁、床のす。夏季は、ビオトープ設置前・後で両者に相関が認め

断熱性とその影響が卓越しているためと考えられる。まられるが、設置前は執務室室温が同等の日であっても天た、夏の日積算熱流は設置前で-450〜100Wh/m2dayに分布

井裏空気温度のバラツキが大きい。回帰式よりこの実測していたが、設置後には-100〜100Wh/m2dayに改善されて期間の平均としては、ビオトープ設置により執務室室温いる。冬は設置前・後で日積算熱流の最大値に大きな違を基準として約2.5℃天井裏の日平均気温を引き下げる効いがみられないが、両室の日平均気温差を基準とすると果があったといえる。これに対して冬季は、ビオトープ設置後には平均的に約100Wh/m2day程度の熱損失（流出）

設置前・後、いずれも両者に高い相関が認められ、設置を抑制する効果があったといえる。

により執務室室温を基準として日平均 1.0〜1.5℃程度、３．３．２

天井裏の気温が高めに保持されているとみなせる。

執務室天井表面温度

執務室の天井表面温度と室温との差（以後、室温・5屋上ビオトープに関する研究

表-３

天井面温度差と呼ぶ）は天井面と室内空気との間で生じる対流熱伝達（熱負荷）に関わる因子であるとともに、

１）屋上の日射吸収率 a
ｼﾝﾀﾞｰｺﾝｸﾘｰﾄ表面 0.7
植栽（芝） 夏0.8
冬0.7２）外表面総合熱伝達率αo23.3［W/m2K］
３）北側壁面日射反射率 0.15
４）夜間ふく射量： 考慮しない
５）南鉛直面全天日射量： 同一
敷地内における過去の実測データ（水平面全天日射量との関係式）から推定

室内の輻射環境にも影響を及ぼす。これと、内外温度差（執務室室温-外気温度）及び水平面全天日射量との関係を図-12, 13、図-15, 16に示す。夏季はビオトープ設置前に比べて設置後の相関が相対的に小さい。設置前では外気温度が執務室室温に比べて高い日ほど、日射量が大きな日ほど、室温・天井面温度差が大きくなる。これに対し、冬季は設置前・後共に日射量の影響は小さくて内外温度差の影響が相対的に大きいことがわかり、外気温度が室温に比べて低い日ほど室温・天井面温度差が大き主な仮定及び設定条件

図− 17

実効温度差に関わる因子（記号説明は本文中に記載）くなる。
屋上ビオトープの設置により、執務室の内外温度差を基準とした室温・天井表面温度差は夏季に日平均0.5〜1.5℃程度、冬季に日平均0.5℃程度小さくなり、天井面を通しての熱負荷が軽減されていると共に室内の輻射環境も改善されていると考えられる。

４．実測に基づく屋根スラブ及びビオトープ設置屋根スラブ（緑化屋根スラブ）の熱貫流率の推定
ここでは、最近までの長期実測データを基に、屋根スラブ及びビオトープ設置屋根スラブの平均熱流と平均実効温度差との関係からそれぞれの熱貫流率を推定する。図-17に実効温度差に関わる因子を示す。まず、実測期間2001年6月〜2004年9月における冬季（12月〜翌年2月）、夏季（7月〜9月）それぞれ1ヶ月毎に各実測値の平均を算出し、測定点３ヵ所の平均実効温図− 18度差Δθ（月平均）を求める。
Δθ＝

θi-θe・・・・（1）

屋上ビオトープ設置前後の月平均熱流と月平均実効温度差との関係

後は、実測した熱流に植栽や土壌の蒸発冷却の影響が含まれているため、回帰式の傾きはその影響を含むみかけ

ここで、
θｉ：天井裏空気温度[℃ ]θｅ：相当外気温度[℃ ]θｅ は下式で与えられる。

上の熱貫流率である。図面の仕様による算定値は0.36W/m2Kであるのに対し、冬の回帰式の傾きによる推定値は約0.53W/m2Kであった。これに対し、夏は相対的に植栽や土壌の蒸発冷却効果が効いてくるため、実効θ e = θo ＋ a（ IH + IR ）/ αo - ε IL/ αo ・・・・（2）ただし、
θo ：外気温度[℃ ]ＩＨ：水平面全天日射量 [W/m2]
ＩＲ：隣接する北側壁面からの反射日射量 [W/ ｍ 2]
IR ＝ ρ Is φ S ｎ /Sb
Ｉｓ：南鉛直面全天日射量 [W/m2]
ρ ：北側壁面の日射反射率
φ ：北側壁面、屋上ビオトープの面面形態係数
Ｓｎ：北側壁面面積 [m2] ：屋上面積 [m2]ＩＬ：夜間ふく射量 [W/m2]
ａ ：屋根スラブまたは緑化屋根スラブ外表面の日射吸収率

温度差の絶対値が増加しても熱流はほとんど増加しておらず、みかけ上の熱貫流率は非常に小さな値となっていることがわかる。

５．おわりに屋上ビオトープの設置による夏季の室内への熱流入防止効果が特に大きいことを示すと共に、屋上ビオトープ設置前後の実質の熱貫流率を長期間にわたる実測データから推定した。次報では、維持管理等の側面からのモニ

αo ：屋根スラブまたは緑化屋根スラブ外表面のε総合熱伝達率：〃[W/m2K]〃

タリング結果について報告する予定である。の輻射率
文献

表-3 に日射吸収率等の実効温度差計算上の仮定及び（1）三浦寿幸：都市型ビオトープ、総合政策提案誌「新政策」
特 集 号 地 球 温 暖 化 対 策 へ の 技 術 開 発 2003 年 1 月
p.73-74（2）宮本徹、三浦寿幸、石田晶久、篠崎徹、浦田裕司：屋上ビ オ ト ー プ に 関 す る 研 究 そ の １ 、そ の ２ 日 本 建 築学会大会学術講演梗概集 D-2 分冊 2004 年 8 月 p.5-8（3）何江、梅干野晃、王革、堀口剛、屋上芝生植栽の熱的特性に関する実験研究 その 10 芝生の伝熱モデルについて 、日 本 建 築 学 会 大 会 学 術 講 演 梗 概 集 1993 年 9 月
p.1529-1530

設定条件、図-18に熱流と実効温度差との関係を示す。
誤差はあるが、植栽基盤の無いビオトープ設置前は、回帰式の傾きが屋根スラブの熱貫流率にほぼ相当していると考えられる。図面の仕様から算定したビオトープ設置
前の屋根スラブ熱貫流率は2.44W/m 2 Kであるのに対し、回帰式の傾きから推定される熱貫流率は2.28W/m2Kであり、ほぼ両者は近い数値となった。ビオトープ設置

6