一般財団法人 大成学術財団
2019 年度助成研究梗概書
陸屋根に水平に設置される太陽光発電パネルの風荷重低減効果を利用した環境調和型防水システムの提案
東北大学
秋田工業高等専門学校
太陽光発電パネル
シミュレーション低減効果についての考察を行う。
2.2 風洞実験
本研究では東北大学大学院工学研究科都市・建築学専
攻所有のエッフェル型境界層風洞を使用し，乱れ強さが地表面粗度区分Ⅲに相当する境界層乱流を用いた。屋根
平均高さにおける平均風速を 8 m/s と設定し，800 Hz のサンプリング周波数で 10 分間相当のデータを 10 組取得した。風洞モデルの圧力測定孔の位置及び寸法等は以下の図 2 に示す。
45°

10101010 3,55
1,580100°

1003,45 5 5 5 5 10
1,51,510 5 5 5 5 3,45

幾何学的縮尺率：1/100

10

研究の目的
本研究では，機械的固定工法防水システムを用いた陸屋根の上に，太陽光発電(PV)パネルを屋根に平行に，しかもパネル間に隙間を設けて設置することで「等圧効果」を利用し，PV パネルだけでなく防水層に作用する風力を低減するシステムを提案する。
2. 研究の内容
2.1 はじめに2.1.1 PV システムと防水システムの概要
対象とする PV システム，及び防水システムを図 1 に示す。PV パネル表面の圧力を外圧，PV パネルと防水層の間の圧力を層内圧と定義すると，PV パネルに作用する風力は外圧と層内圧の差で与えられる。同様に，防水層に作用する風力は層内圧と防水層裏面圧の差で与えられる。
PV パネルと防水層を組み合わせる事で，防水層に作用する風力の一部を PV パネルが負担し，防水層の風荷重を低減する。
1.

10

機械的固定工法防水システム
風洞実験

8080

(単位：mm)3,55 10
1,5

陸屋根
等圧効果

佐藤 公亮*1
植松 康*280

図 2 風洞モデルの寸法及び圧力測定孔位置2.3 隙間特性値同定実験
層内圧
断熱材
2.3.1 形状抵抗係数及び等価な隙間幅の求め方下地材
PV パネル間の隙間の形状は複雑であり，流量係数や隙図1 対象とするPVシステムの概要図
間幅，形状抵抗係数といった隙間の特性値を一様に決め2.1.2 研究の流れることができない。そこで，実物大システムの隙間のモ変動外圧から裏面圧を算出する手法として，Oh et al.1)
デルに圧力をかけ，それに伴って変動する裏面圧を測定が提案した非定常ベルヌーイ方程式を用いる。はじめに， し，得られた結果を再現できるような特性値を定める。
風洞実験によって，PV パネルが設置された際の隙間位置
入力荷重は時々刻々と変化する実変動風圧とし，実時間における屋根面の外圧時刻歴を求める。ここで，1/100 やで 10 分の載荷を行った。載荷には，2010 年に Kopp ら 2)
1/200 といった縮尺率の風洞模型では架台高さ等の隙間をにより発案され，その原理を基に高橋ら 3)が製作した動風再現できないため，模型屋根面で計測される圧力を PV パ
圧載荷装置 Pressure Loading Actuator(以下，PLA)と圧力箱
ネル上面の圧力とする。対象とする建物は一般住宅想定を用いる。PLA を用いて載荷実験を行うことで高い追従の陸屋根モデルとし，パラペット高さ 15 cm と 30 cm の 2性を持って入力荷重を与える。シミュレーション式は，種類について実験を行う。次に，実物大システムの隙間非定常ベルヌーイ方程式において，摩擦と形状変化によのモデルを用いた試験を実施し，得られた結果を再現でる圧力損失を考慮した以下の式(1)を用いる。
きるような隙間の特性値を設定する。最後に，風洞実験(1)で得られた外圧を入力値としてベルヌーイ方程式を解く
ここで，Ue は流速[m/s]，q は速度圧[Pa]，ρ は空気密度ことで，PV パネルと防水層の間の圧力である層内圧を計[kg/m3]，le は隙間の深さ[m]，Ce は外圧係数[-]，Ci は内算する。以上の手法で算出した層内圧を用いて，PV パネ
圧係数[-]，CL は形状抵抗係数[-]，Δp1 は摩擦による圧力
ルが無い場合の防水層の風力係数と PV パネルがある場合損失[Pa]を表す。実験で得られた裏面内圧係数とシミュの防水層の風力係数を比較することで，防水層の風荷重固定金具

固定ディスク PVパネル

防水層

外圧

Development of an environmentally harmony type waterproofing system utilizing thewind load reduction effects of photovoltaic panels horizontally installed on flat roofs

Kosuke SATO and Yasushi UEMATSU

により算出した。パネルの設置位置は図 4 左図と同様とし，各パネル番号の定義及び，ピーク風力係数の結果を
図 5 に示す。図 5 右図は全風向中でピーク外圧係数を示した風向 35°における陸屋根モデルのピーク風力係数を表している。図 5 より風力係数の絶対値が最大となるパネルでピーク値が約-1.2 となることが分かる。
架台

panel1

panel2panel3

panel4

panel5panel6

panel7

panel8

ピーク風力係数(Cf,peak)

レーションで求めた裏面内圧係数は形状抵抗係数 CL =1.42，隙間幅 De = 3 とした場合に良い対応を示したため，本研究ではこれらの隙間の特性値を使用する。
2.3.2 流量係数の求め方
PLAへ接続2.3.1 項と同様に PLA で実物大システムの部材を用いた試験体に圧力をかけ，気密箱圧力箱
隙間前後の圧力差と隙間を通る空気の流速を測定する
流速計(図 3)。実験結果を使って得られる流量と，連続の式
実物大の部材を用いた隙間を使って計算される流量の値が一致するような流量係空気の流れ差圧計数を求める。実験で得られ
図3 試験体断面図
た流量と連続の式を用いて得パラペット高さ15cm
パラペット高さ30cm
0-0.2-0.4-0.6-0.8-1-1.2-1.4-1.612345678panel番号

図5 パネル番号の定義及びPVパネルのピーク風力係数

JIS C 89554)では陸屋根に平行に設置される PV パネルの風力係数は-0.6 とされており，ガスト影響係数を 2.5 とすると，PV パネルのピーク風力係数は-1.5 となる。JIS Cられた流量は流量係数を 0.55 とした場合に概ね一致した。 8955 で示されている風力係数は PV パネルを隙間の間隔2.4 層内圧シミュレーションを 0 mm で設置した場合の風力係数を表しており，図 5 右PV パネル裏面の空間をいくつかの仮想室に分割し，図で示した PV パネルのピーク風力係数の絶対値の方が小2.3 節で用いたベルヌーイ方程式を x, y, z 軸について立さいことが分かり，PV パネルに隙間を設けることによるて，陽解法の Runge-Kutta 法で層内圧を算出する。入力
風力低減効果が見込める。
荷重は風洞実験で得られた外圧の時刻歴を実物大の圧力3. 研究の成果、新知見に変換したものを用いる。風洞模型の圧力測定孔の数に本研究では，PV パネルを陸屋根に平行に，しかもパネ限りがあるため，測定孔が無い箇所の圧力はスプラインル間に隙間を設けて設置することを提案し，その有効性補間により算出する。
を風洞実験(多点風圧測定)並びにその結果を利用した層PV パネルを図 4 左図に示すように配置し，仮想室を内圧のシミュレーションに基づき検証した。パネル間に振り分ける。本研究では各仮想室の中心点を Room 番号隙間を設けることで，「等圧効果」によって PV パネルにと定義し，陸屋根(パラペット高さ 15 cm)の結果のみを作用するピーク風力が低減すると同時に，屋根の防水層載せる。図 4 右図は PV パネルが無い場合の防水層の風に作用するピーク外圧が大幅に低減する(特に，斜め方向力係数 Cpe のピーク値と PV パネルが有る場合の防水層の風に対して大きなピーク外圧が発生する屋根隅角部領の風力係数 Cpi のピーク値の比較を示している。図 4 よ域に設置した場合)。
り全ての仮想室において，PV パネル有りのモデルのピ4. 今後の予定
ーク風力係数の絶対値の方がパネル無しのモデルより小本研究では固定ディスクのピッチ間隔との関連についさくなっていることが分かり，PV パネルを設置するこては述べていないため，数値のみでの検証である。そことによる防水層の風力低減効果が期待されることが分かで提案した方法を耐風性が課題となる機械的固定工法防った。また，ピーク外圧係数の絶対値が大きい隅角部ほ水システムに応用することで，より一層のメリットが生
ど，Cpe と Cpi のピーク値の差が大きく，その低減率が大まれるものと期待される。
謝辞
きいことも分かった。

0°

Room1 Room2

Room3

Room4

Room5 400330

Room6 Room7

Room8

Room9

Room10 660

Room11 Room12

Room13

Room14 Room15660
330

400 315 94512601260

仮想室中心945 315

ピーク風力係数[-]0(単位: mm)^建物屋根部

パラペット

^

45°

Cpe
Cpe

C piCpi-1-2-3-4-5

仮想室境界

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Room番号

図4 パネルの設置配置及び防水層のピーク風力係数の比較

次に，パネル間に隙間を設けて設置することによる PV
パネルの風力係数の低減効果の考察を行う。図 4 と同様に仮想室を分割し，PV パネルのピーク風力係数を面平均*1 東北大学大学院工学研究科
都市・建築学専攻

本研究を遂行するにあたり山家哲生（東北大学大学院生）の協力を得た。
参考文献
1)
Oh et al.: The UWO contribution to the NIST aerodynamic databasefor wind loads on low buildings: Part3. Internal pressures, Journal ofWind Engineering and Industrial Aerodynamics, pp.755–779, 2007
2)
Gregory A. Kopp, Murray J. Morrison, Eri Gavanski, David J.
Henderson, Han Ping Hong: “Three Little Pigs” Project: Hurricane
Risk Mitigation by Integrated Wind Tunnel and Full-Scale Laboratory
Tests; NATURAL HAZARDS REVIEW, pp.151–161, 2010
3)
ガヴァンスキ江梨, 高橋麻衣, 植松康, モリソン・マリー：実変動風荷重載荷装置の性能評価, 日本建築学会技術報告集, 第 21巻, 第 49 号, pp.1075–1080, 20154)
JIS C 8955: 太陽電池アレイ用支持物の設計用荷重算出方法,
2018

Assist. Prof., Dept. of Arch. and Building Science, Graduate School of Eng., Tohoku Univ., Dr.Eng.

助教・博士(工学)*2 秋田工業高等専門学校

校長・工博

President, National Institute of Technology (KOSEN), Akita College, Dr.Eng.