建築物におけるバイオミミクリーの適用可能性とその効果
サボテンの形状を模擬した事務所建築における数値シミュレーション
The Applicability of Biomimicry in Buildings and its Effects
Numerical Simulation of Cactus-Shaped Office Buildings
光山 武宏＊, 三田村 輝章＊＊
Takehiro KOYAMA, Teruaki MITAMURA

keywords : Biomimicry, Simulation, Thermal environment, Cactus, Cooling and heating load
バイオミミクリー，シミュレーション，温熱環境，サボテン, 冷暖房負荷
１．はじめに
自然界の生物は何億年もの時間をかけ、地球上での生存競争を勝ち抜いてきた。そこには人間の想像を超えた知恵が隠れている。これを工学などに応用する試みは“バイオミミクリー”などと呼ばれ、様々な分野で研究されている。代表的なものにヤモリを参考にした接着剤のいらない粘着テープや、カタツムリの殻をもとに開発されたセルフクリーニング素材などがある。しかし、建築分野において応用された事例は少なく、実際に建築された建物はわずかであり、有名な事例としてイーストゲートセ
ンター1)がある。これはシロアリが作り上げる煙突状の構造物が自然の力で換気を行う仕組みを模倣し、冷房負荷を大幅に削減した建物であり、これについては既にシミュレーションなどによる先行研究が行われている。
本研究では、サボテンの形状と呼吸の仕組みとしての夜間換気を建築に適用し、その効果をシミュレーションで検証することを目的とする。サボテンは乾燥地域に生息し、その畝のある形状や特殊な光合成により、体温の上昇と水分の欠乏を防いでいると言われる 2）。
２．計算概要2.1 計算モデル
図 1 に計算モデルの外観、図 2 に平面図を示す。モデルは 8階建ての事務所ビルを想定する。平面形状は実在のサボテンを参考に丸形と星形の 3 種類を設計し、これらを一般的な正方形平面のモデルと比較する。表 1 に計算モデルの概要を示す。各Case において壁などの構造や窓の種類、大きさは文献 3）を参照
し、一般的な仕様とする。内部の発熱は、OA 機器の発熱を 30W/㎡、照明を 20W/㎡、人体からの発熱を 130W/人（人数は 0.2 人/㎡）とする。空調は冷房を 28℃、暖房を 21℃として設定し、換気は 5 ㎥/(h・㎡)で行う。これらはすべて 8～18 時の間でのみ稼働する 3）。形状は異なるが、Case 0 を基準として、Case 1～3 は床面積を、Case 4～6 は外皮面積を Case 間でほぼ同一となるよう設定している。また各モデルについて夜間換気を設定した条件についても検討を行う。夜間換気は換気量を 50 ㎥/(h・㎡)、稼働時間を 18～8 時とする。
2.2 計算ソフト
計算はシステムシミュレーションツールTRNSYS18を用いて行う。屋外の気象条件には東京都の拡張アメダス気象データの標準年を用いる。計算期間は 1 年間、計算間隔は 1 時間、計算項目は室内温度と冷暖房負荷とする。
＊＊＊

Case 0Case 1&4

図1

Case 2&5Case 3&6

計算モデルの外観

22,00025,000

比較対象用

Case 028,360

Case 1

32,66030,330Case 2

Case 330,230

31,21028,300Case 4

Case 5

Case 6

図2平面図

表 1 計算モデルの概要
名称

一階面積 ㎡

Case 0

延床
面積 ㎡

容積 ㎥

外皮面積 ㎡

合計
窓面積 ㎡

気積率

625.005000.00 20000.00

4450.00

1408.00

0.22

Case 1626.265010.07 20040.29

4091.60

1249.20

0.20

Case 2625.16

5001.30 20005.22

4718.801526.13

0.24

Case 3624.904999.17 19996.67

4859.60

1588.32

0.24

Case 4708.16

5665.28 22661.12

4443.701332.05

0.20

Case 5572.214577.66 18310.66

4458.60

1458.240.24

Case 6543.30

4346.43 17385.73

4446.201478.220.26

前橋工科大学大学院・工学研究科 博士前期課程
Master’s Program, Graduate School of Engineering, Maebashi Institute of Technology
前橋工科大学・工学部 准教授・博士（工学）Assoc. Prof., Faculty of Engineering, Maebashi Institute of Technology, Dr. Eng.

1）アミーナ・カーン著、松浦俊輔訳：生物模倣―自然界に学ぶイノ
ベーションの現場から、pp.161-214、2018 年 5 月
2）Göran Pohl、Werner Nachtigall：Biomimetics for Architecture& Design、pp.242-243、2015
3）設計用最大熱負荷計算法改訂小委員会：試して学ぶ熱負荷
HASPEE～新最大熱負荷計算法～、p.99、2012 年 10 月

最低温度

35温度（℃）

Case 5y = 9.9018x + 31.654
R² = 0.9664

30

Case 2

Case 1 Case 0

Case 3
Case 6

Case 0 Case 2
Case 425

y = -3.2327x + 25.869
R² = 0.8993

20

Case 1Case 41510

Case 1Case 5

Case 0y = -15.005x + 16.916
R² = 0.9572

0.15

Case 5

Case 3

Case 6

Case 3

Case 20.20

0.250.30

気積率

図 3 気積率と室内温度の関係（8 階）

冷房負荷（GJ/年）

340
Case 4320

Case 0300

Case 2
Case 3280

Case 1260

Case 6

Case 5240

y = -744.55x + 451.64
R² = 0.5845

22020050
Case 340

Case 6y = 746.7x - 148.21
R² = 0.9437

30

Case 5
Case 220

Case 1

10Case 0Case 400.150.200.250.30

気積率

図 4 気積率と熱負荷の関係（8 階）450400350300250200
150

100
50
0なし
ありなし
ありなし
ありなし
ありなし
ありなし
ありなし
ありなし
ありなし
ありなし
ありなし
ありなし
あり

参考文献

最高温度

Case 6
Case 4

暖房負荷（MJ/年）

４．まとめ
本報ではサボテンの形状と呼吸の仕組みを模倣し、それを建築に適用した際の効果を検証した。その結果からは、サボテンを模倣した建築物に特筆すべき性能があると結論付けるには時期尚早である。しかしながら、気積率と室内温度・熱負荷の関係から、省エネルギーという観点においては、寒冷地には気積率の小さい円形平面の建物が、温暖地には気積率の大きい星形平面の建物が適している可能性がある。
今後はサボテンの持つ棘や、光合成に用いる光の量を制御する仕組みを建築に適用し、その効果を検証していく予定である。
加えて、サボテンの形状についても、本報の手法と類似した”SelfShading Wall”という概念が存在するため、これについてもシミュレーションや実験を行っていく。また、気象条件については寒冷地や温暖地のほか、サボテンの原産地である乾燥地域や高原地帯についても検討していく。

平均温度

40

冷房負荷（GJ/年）

３．計算結果3.1 気積率と室内温度の関係
図 3 に気積率と室内温度の関係を示す。気積率とは、外皮面積を容積で除した値である。正方形と比較して、円形は気積率が小さく、星形は大きくなる傾向にある。温度と気積率の間には強い相関関係が確認された。気積率が大きいほど最高温度は高く、最低温度は低くなっている。気積率の大きい建物は外皮の表面積が大きく、熱取得と熱損失が大きくなるため、室温の変動が大きくなり、逆に気積率の小さい建物は室温の変動が小さくなったと推測される。
図 4 に気積率と冷暖房負荷の関係を示す。気積率が大きくなるほど冷房負荷は減少し、暖房負荷は増加している。冷暖房負荷も室内温度と同様に気積率との強い相関関係が見られた。気積率の大きい建物は熱が逃げやすく、逆に気積率の小さい建物は熱が逃げにくいためと考えられる。自然界の動物においても、これと同様の規則性は確認されており、寒冷地の動物は温暖地に住む同種の動物よりも体積が大きくなる(ベルクマンの規則)。すなわち寒冷地の動物は気積率が小さくなるように進化してきたということである。この規則を建築に応用できるとするならば、Case 1 やCase 4 のような気積率の小さい建物は寒冷地に、
Case3 や Case 6 のような気積率の大きい建物は温暖地に配置することで、寒冷地では暖房負荷を、温暖地では冷房負荷を削減できる可能性がある。
3.2 冷房負荷の比較
図 5 に年間の冷房負荷を示す。ここでは、暖房負荷は各モデルにおいて微小であったため、冷房負荷のみを比較する。いずれのモデルにおいても、4 階の熱負荷が最も高くなった。1 階は地盤に、8 階は屋根から熱が逃げるため、中間階である 4 階が最も熱負荷が高くなったものと思われる。なお、夜間換気による冷房負荷の削減率は平均して 97.5%程度であった。これと気積率との相関係数は 1・4・8 階においてそれぞれ-0.48、-0.47、0.26 であり、形状が削減率の大小に影響を与えるとは考えにくい。

1F

4F
Case 08F

1F

4F
Case 1

8F

1F

4F

8F

Case 2

図 5 年間の冷房負荷の比較

1F

4F
Case 38F