大阪HITEC ヒートアイランド対策技術セミナー
2017.1.19

再帰性反射材の最新技術と動向
大阪府立大学 大学院工学研究科
機械工学分野木下 進一

ヒートアイランド現象とその対策
都市の拡大
人工被覆面の拡大
人工排熱の増加

出典：ヒートアイランド対策ガイドライン 改訂版（環境省 H25.3）

70
60

日数50403020
1001980

1985

1990

1995

2000

2005

年代

堺市周辺の熱画像（地表面温度分布図）（2006年8月2日）

大阪
堺
能勢

大阪(移動平均)堺 (移動平均)能勢(移動平均)2

都市表面の熱バランス

熱 吸収

熱放射
（遠赤外）

反射

Rn = H + lE + G
大気放射（遠赤外）

日射（可視，近赤外）

日射反射

正味ふく射 Rn

大気への対流伝熱潜熱移動 顕熱移動（水分蒸発） （気温上昇）

lE

HRnG

地中熱伝導（蓄熱） 3

都市表面の高日射反射率化

高反射率材料

一般材料

可視光

近赤外

Cool Painting高日射反射塗料の分光反射率

4

塗膜
屋根瓦
施工事例

防水シート膜材

5

都市表面の高反射率化に伴う弊害と反射指向性制御

日射高反射率素材被覆面

鏡面反射
通常被覆面の建物への影響

ガラス面，光沢面

高反射率
素材からの拡散反射の影響

拡散反射
温熱快適性の悪化

外壁面，塗膜面6再帰反射性材料

再帰反射

夜間の視認性向上に応用⇒道路標示、標識

 再帰反射性能：再帰性反射体が，ある方向から照射されたとき，入射光の方向にほぼ沿うように，選択的に戻る反射光の測光的性能．
 道路標識，リフレクターとして利用．夜間視認性が評価指標
JIS Z 8713 「再帰性反射体-光学的特性-用語」
JIS Z 8714 「再帰性反射体-光学的特性-測定方法」

 材料の普及を図るうえで，ヒートアイランド緩和効果の評価は重要で，熱・エネルギーの観点が必要．
7

再帰性反射材料
反射体
支持層

反射体

４枚鏡型

支持層

球状レンズ

３枚鏡型

M. Nishioka, S. Inoue and K. Sakai, “Retroreflectiveproperties calculating method based on geometrical-optics
analysis”, J. Environ. Eng., AIJ, 73,633,1249-1254, 2008.

プリズム型

球状レンズ型• 複数回反射により入射方向に反射• 反射効率は高い傾向• 視認性向上• 反射経路が複雑• レンズで後方の反射体に集光・反射させ，入射方向に反射• 反射効率は劣る．隙間の影響• 入射方向と集光位置が対応しているため，入射角による反射率の調整が可能
8

再帰性反射材料
拡散反射面の組合せ（凹凸形状・リブ）による反射指向性制御

全体的には拡散反射入射方向への反射（上方反射）が比較的強い．
9

1.5
10

Flat sheet specimen

Change of outersurface structure

101.5

8.5

Control of directionof reflectionExperiment(indoor and outdoor)
Numerical simulation
Uneven sheet specimen

10Halogen lamp
Fresnel lensLight source
36.6W/m2
Sample150x150mm

Photodiode module

View angle
8.3 degree

250 mmr
SampleObserved circle
37 mm

i

Experimental apparatus

11Directional reflection strength [V]Directional reflection strength [V]0.2
i=0 deg.

Flat surface

i=30 deg.

0.15

i

r

0.1

0.05

0-60-40-20

r

020

4060[deg.]

0.2

Uneven surface

 = 0 deg.

0.15

0.1

i = 0 deg.

0.05

i = 30 deg.

 = 0 deg.
 = 1800-60-40-20r

 = 0 deg.
 = 180020[deg.] = 180 deg.
406012 近赤外反射層を微細形状斜面を形成

 特定の高度からの日射に対する反射が最大になるよう形状を検討
 波長選択性は金属および酸化物材料の積層により実現

室内

室外

窓ガラス

再帰性窓フィルム

13

大阪HITEC対策技術認証制度（H23.10～）(1)対象とする技術分野
ヒートアイランド対策の技術分野をできる限り網羅

統一的な制度のもとで評価・認証(2)評価項目・評価方法
ユーザーが性能を客観的に判断できるよう、個々の技術に応じて科学的手法に基づき適切に設定

関係者の意見を聴いて決定(3)評価基準
一定の基準を設け、クリアーしたものを認証(4)技術の評価原則として第三者機関が実施．公平性確保．

第三者機関を認定するための認証基準を定める。

14

現状の認証対象技術
 屋根用高日射反射率塗料
 高日射反射率舗装（車道除く）
 高日射反射率防水シート
 高日射反射率屋根材（瓦、化粧スレート、金属など）
 保水性舗装ブロック
 外断熱仕様（屋根面，外壁面）

認証対象技術の追加
 再帰性高日射反射率外壁材
 再帰性高日射反射率窓フィルム

15認証対象技術の名称
 再帰性高日射反射率外壁材
 再帰性高日射反射率窓フィルム
 「指向性」「異方性」：反射特性を表現しづらい⇒「再帰性」を採用
 「日射反射」を明記：視認性のための材料と区別する．
 「高日射反射率」：他の技術名称を考慮
 「外壁材」：タイルに相当

16表面のふく射特性
ふく射光線反射
鏡面反射 拡散反射（散乱）

熱吸収

透過
17

表面の反射特性
分光双方向反射関数（Spectral Bidirectional Reflection Function）

dI  (r , sˆi , sˆr )  (r , sˆi , sˆr ) I  (r , sˆi ) cos i diI  (r , sˆi )dI  (r , sˆi , sˆr )反射率は光の波長，入射方向，反射方向，場所の関数

i r

ir
18

表面の反射特性
指向性を有する表面において評価すべき特性
 全半球反射
全半球方向からのすべてのふく射に対し，全半球方向に反射されるふく射の割合
 分光反射率・指向反射率
波長ごとの反射特性，方向ごとの反射特性
入射条件（平行光，拡散光，入射角），位置に依存
評価目的，材料に応じて測定法，測定項目の検討が必要．
19

再帰反射の評価法
再帰反射：入射方向に沿うように反射する性質

受光部を入射光軸上に置くことになり，入射光を遮ってしまうため，原理的に入射光軸と反射光軸を一致させた測定はできない．

受光部

日射反射率測定 日射照射時の材料表面温度上昇から受熱量を推定
 日射計による全天日射と反射日射の同時測定 分光光度計による分光反射率と日射スペクトルの掛け合わせ
20

再帰反射率推定法
T   Spe   Dif   Re t
鏡面反射率
拡散反射率

積分球付分光光度計による測定可i E d
i  E d i = Spe, Dif
全反射率（全半球反射率）
 全反射率既知の参照反射面に対する照射実験を行い，温度上昇と吸収率（1-T）の関係式を導出
 全反射率未知の再帰反射面の照射実験を行い，上記の式に基づいて評価
 全反射率から鏡面および拡散反射率を差し引き，再帰反射率を算出する．
H. Sakai, H. Kobayashi, K. Emura, N. Igawa, “Outdoor measurement of solar reflective performanceof Retroreflective materials”, J. Struct. Constr. Eng., AIJ, 73, 632, 2008, 1713-1718.

21

反射指向性評価と上方・下方反射率
壁面

反射指向性： 光の波長，入射方向と反射方向の双方向の関数

上方反射
半球
反射

下方反射

対策技術として評価するうえでは，より単純なパラメータで性能が望ましい．

上方反射率
半球反射率のうち，入射側の１／２の反射角範囲の反射率．
光学測定は光が入射する試料表面を積分球内に露出した状態で、水平面を境界とした地表側（下方）に相当する、1/2の反射角度範囲を吸収体で立体的に覆う．下方反射率は半球反射率から上方反射率の差分より求める．
22

上方・下方反射率評価法
 光源：波長域300～2500nm連続スペクトルの平行光 積分球：入射角変更可能
 分光測光器：JIS K5602および
JIS R3106規定の測光器に相当するものを使用．
光源
積分球

試料台

23

 測定対象試料
 標準白色板
 吸収体
 光吸収材 反射吸収体
 透過吸収体

半球反射
入射上方反射
底面
吸収体

上方反射
下方反射

透過(吸収)

入射下方反射上方 (吸収)
反射
側面
吸収体
底面
透過(吸収)
吸収体

Hemispherical reflectanceUpper side
reflectance

Lower side
reflectance

Absorber
AbsorberTransparent specimen
Absorber for transmitted ray

不透明材料

透過性材料
24

半球および上方日射反射率の評価

e 


2500 nm ( ) E  300 nm
2500nmE 300nm

Rs ( )
 ( ) I ( )
Rsd ( )I ( )  sd ( )

E()
()
I()

標準分光日射
分光反射率
基準光量

Rs ()

試料の反射光量Rsd () 標準白色板の反射光量sd() 校正分光反射率25

外装材（タイル）の再帰反射性能評価

凹凸形状

表面粗さ

フラット

規則性模様ランダム

滑面

780

粗面

371018
全 80点

再帰性反射タイル
26
断面形状模式図

50

 入射角： 60°（試料面法線方向基準）

上方反射率%

4030

大阪・夏季・日中の太陽位置を考慮

201000

一般品（滑面）
一般品（粗面）
再帰反射性（本来の設置方向）
再帰反射性（逆の設置方向）

102030下方反射率 %

4050

 一般市場品の反射特性は表面の粗さに関わらず，下方日射反射率が大きい．
 再帰反射性タイルは上方日射反射率が相対的に高く，色目が濃くなることによって両方の反射率が比例的に減少する．
27

評価項目および認定基準（外壁材）
認証基準①上方反射率

認証基準値
外 準認証基準値
壁材 (認証対象品実力値)
タイル
実力値

≧40%

≧30%

備考

②下方反射率<30%①:高日射反射率屋根材の認証基準より②:市場品実力値より<30% かつ①、②:同上 (②の基準<上方反射率×0.75 値は下図参照)

41%

21%

ー

一般品

32%

44%

認証対象品と同質の再帰性能のないタイル

市場品平均

19%

27%

28

「再帰性高日射反射率外壁材」の基準案根拠50
認証基準●認証基準(案)

30%

準認証基準

%
上方反射率40% (天空へ)4030

2010・屋根認証基準：≧40%
(天空へ)
20%
20%

(60%)

00

一般品（滑面）
一般品（粗面）
再帰反射性（本来の設置方向）
再帰反射性（逆の設置方向）

102030下方反射率 %

4050

(下方反射率 平均27% (≒30%))
29

評価項目および認定基準（窓フィルム）
認証基準

備考

①上方反射率 ②下方反射率

≧10%※

<10%※

―

―

準認証設けず

15%

-2%

ー

一般品(1)

0%27%

認証対象品と同等半球反射率の窓フィルム

一般品(2)

0%22%

遮へい係数JISA5759準拠の反射率下限相当品

認証基準値
窓フ
準認証基準値ィル (認証対象品実力値)
ム

窓ﾌｨﾙﾑ
実力値

①、②:市場品実力値より(下記参考文献から推測)※:基材(FL3)単体の反射率からの増分で規定

窓フィルムの遮へい係数はJIS A5759（建築窓ガラス用フィルム）の試験方法に準じ，0.85以下とする
参考文献：「建築窓ガラス用フィルムの分光特性に関する調査」 日本建築学会技術報告集 14, 28, 487-490, 2008.10.

30

「再帰性高日射反射率窓フィルム」の基準案根拠●認証基準(案)≧10%7%6%<10%(23%)

FL単体に対するJIS下限品の反射率増分を基準値とし・上方反射率(増分)：基準値以上を発現
・下方反射率(増分)：基準値未満に抑える(上方反射＞下方反射)

・FL単体

・一般遮熱ﾌｨﾙﾑ(JIS準拠 日射反射率下限相当)

7%
6%

7%
6%
22%
9%
(≒10%増)13%

参考文献：「建築窓ガラス用フィルムの分光特性に関する調査」 日本建築学会技術報告集 14, 28, 487-490, 2008.10.

31緩和策と適応策
緩和策： ヒートアイランド現象の抑制を目的
適応策： ヒートアイランド現象により生じる影響の抑制を目的
原因削減ならびに人の行動変化による影響削減
ヒートアイランド現象により生じる影響

緩和策

熱中症，睡眠阻害，大気汚染・・・

高日射反射素材
保水性材料等

ヒートアイランド現象

現象緩和
原都
因心
対部
策な
どの対策の視点

都市大気の高温化

ヒートアイランド現象の原因

適応策
対策の視点

影響抑制
原影
因響
対抑策制に
効
果的な

人の行動変化による影響抑制

人工排熱の増大，地表面被覆および都市形態の変化「ヒートアイランド対策マニュアル（H24.3）」より

32

体感指標の意義
現状を把握し，快適空間実現のために・・・
人の温熱快適感は複合的要素である・体感温度に影響する環境6要素

温熱環境改善・都市計画
・屋上緑化
・高反射性材料
・保水性材料・風の道・打ち水/ドライミスト

気温 湿度 放射温度 気流
代謝量 着衣量

評 価基 準総合的に温熱環境を改善

適切・複合的な 温熱快適性指標 が必要▲打ち水大作戦

体感温度に着目

人間本意の環境設計
省コスト・省エネルギーの実現
33

人体周りの正味ふく射に関する
解析モデル
建物条件は奥行き方向に一様
壁面の向きは計算条件として入力

日射量：SC SD
赤外放射量：L
太陽位置：, SD

壁面
上方日射反射率：wu
下方日射反射率：wl
赤外放射率：ew
温度：TwL

H = 1.2m
W = 0.4m
D = 0.2m
h = 1.0m

室温：Tr

地表面
日射反射率：g
赤外放射率：eg
温度：Tg 地中温度：Tg0dg

h

気温：Ta
湿度：RH
風速：USCxd34

直方体モデルにおける正味ふく射評価

Rnet  1   h RS  e h RL  TskinAS AR AL AS  F SL  F L
RS i iiLiiiiij wjj

ii ii4iij wjj

Si : 直方体モデル面i に対する日射量
Li : 直方体モデル面i に対する赤外放射量
Swj : 天空または周辺壁面・地表面からの日射量，日射反射量
Lwj : 天空または周辺壁面・地表面からの赤外放射量Fij :直方体モデル面i から天空または周辺壁面・地表面への形態係数
Ai : 直方体モデル面i の表面積
Tskin : 平均皮膚温h : 人体および衣服の日射反射率
eh :人体および衣服の赤外放射量35

日射反射率の反射指向性の影響

x = 1mew = 0.97
Human thermal load

Thermal load W

0.3

0.25

0.20.1580

wu = 0.4
wl = 0.3

wu = 0.5
wl = 0.2

全体表面の正味ふく射（半球反射率：0.7）

wu = 0.6
wl = 0.1

Top
Front
Left
BackRight
BottomDiffuse solar rad.

40
20400

wu = 0.35
wl = 0.35

x = 1mew = 0.97

60

0Thermal load W

Human thermal load kW/m2

100

wu = 0.35
wl = 0.35

wu = 0.4
wl = 0.3

wu = 0.5
wl = 0.2

wu = 0.6
wl = 0.1

人体各面への散乱日射

x = 1mew = 0.97

Top
Front
Left
Back
Right
Bottom300

Infrared rad.

200
1000wu = 0.35
wl = 0.35

wu = 0.4
wl = 0.3

wu = 0.5
wl = 0.2

wu = 0.6
wl = 0.1

人体各面への赤外放射36体感指標の評価とクールスポットの創出
人体熱負荷量 [W/m2]

人体への熱の授受によって温冷感が生起される→人体熱収支に基づく熱流束として定義

Fload = M － W + Rnet － E － C
M 代謝量
W 機械的仕事量(外部仕事)
Rnet 正味ふく射量(日射,赤外放射)
E 潜熱損失量(発汗,不感蒸泄,呼吸)C 顕熱損失(皮膚,呼吸)

37

まとめ
 再帰反射性材料による反射指向性の制御の必要性
 再帰反射性材料について
 大阪ＨＩＴＥＣ対策技術認証制度
 再帰性高日射反射率外壁材・窓フィルム
 再帰性能の評価法
 認証基準の策定と根拠
 適応策に関わる体感評価
38