建物外皮の日射反射特性が都市環境に与える影響に関する研究（その１）CFD 解析による建物外皮の日射反射率が周辺温熱環境に与える影響

正会員 ○ 北風　晴都*1　　同　袁　継輝

*2　　同　山中　俊夫*3

同　小林　知広*4　　　同　永村　一雄

*4　　　　　　　　　　　　　　

4. 環境工学 - 8. 熱 - p. 熱環境シミュレーション

　CFD，　ヒートアイランド，　日射反射率

はじめに

　近年、都市のヒートアイランド現象の緩和と建物

冷房負荷削減のため建物外皮の高反射化が一般的と

なっている。しかし、建物外皮の高反射材の適用は、

日射の反射により建物周辺の温熱環境を悪化させる

可能性も懸念される。高反射外皮が屋外温熱環境に

どれだけの影響を与えているのか記した研究は少な

い。そこで本研究では、CFD 解析により建物外皮

の反射率が屋外温熱環境に与える影響を報告する。

1 CFD 解析概要

1.1 解析対象

　解析対象の建物は、大阪大学、吹田キャンパ

スの工学部棟の一部（34.8oN,135.5oE) である。対

象建物群の面積は S1 棟 ,M1 ～ M4 棟を含むおよ

そ 190m×170m で、建物群の高さは、およそ 6m ～

30m である。

1.2 解析条件

　図 1 に CFD モデルの平面図、表 1 に詳細な解析

条件および境界条件を示す。解析領域は解析対象へ

の周囲の影響を考慮して 400m×400m×200m とした。

気象データは大阪の 7 月 31 日の気象台のデータの

30 年 (1981 ～ 2010 年 ) の平均値1）を使用した。た

だし、日射条件のみは ASHRAE Handbook 2013 に

基づいた大阪の日射量を使用した。熱境界条件につ

いて、解析領域面は成り行き、空気と地面及び建物

との対流熱伝達率 αc は便宜上、以下のユルゲスの

式（屋外、粗面 )2)に風速 v=2.8ⅿ/s を代入すること

により算出し、15.38W/m2K とした。

Study on Influence of Solar Radiation Reflective Characteristics of Building Envelops on Urban Environment (Part1)Influence of Solar Reflectance Building Envelops on Ambient Thermal Environment

KITAKAZE Haruto, JIHUI Juan,YAMANAKA Toshio,KOBAYASHI Tomohiro and EMURA Kazuo

2019 年度日本建築学会

近畿支部研究発表会

Area of CFD analysis

Target area

40000040000 190000 170000

4000

0050

000

1700

0018

0000

v＝2.8m/s at 24m above the ground

STREAM V14(RC2)

Standard k-ε model

SIMPLER

QUICK

X(400m)×Y(400m)×Z(200m)

2,935,140 (212×195×71)

XminFixed temperature, Power law

(Exponent recipracal(n)=5)Xmax Natural outflow boundary

YminFixed temperature, Power law

(Exponent recipracal(n)=5)

YmaxFixed temperature,

Natural outflow boundaryZmin Fixed temperature, Free slip

Zmax Fixed temperature, Free slip

hc=15.38[W/m2K]

July 31st ,12:00, in Osaka (73.4°,-4°)(ASHRAE2013 Handbook)

930.5W/m2

24°C28.9°C(based on weather station

database of Osaka, Japan)2.8m/s at 24m above the ground

(based on weather station database ofOsaka, Japan)

SouthwestWind direction

Solar condition

CFD code

Turbulence model

Algorithm

Discretization Scheme

Area of CFD analysis

Number of meshes

Initial tempurature of inflow

BoundaryCondition

Heat transfer coefficient

Building indoor temperature

Wind speed

Global solar radiation

表 1　解析条件

図 1　モデル平面図

5.3 3.6c vα = + ( 5)v ≤

　図 2に本解析の概要図を示す。本解析では、建物

の室内温度を 24℃ 一様とし、建物外皮（屋根・壁面）

の日射反射率を変化させることにより、屋外温熱環

境への影響の分析を試みた。

　建物外皮の日射反射率 ρ は 0.1,0.3,0.5,0.7,0.9 をそ

れぞれ変化させ 5 ケースで解析を行った。

　日射については直達日射、散乱日射の両方を考慮

しており、日射が建物外皮及び地表面に当たると拡

散反射するものとした。また建物外皮、地表面の長

波長放射率については全て 0.9 に設定している。

　地面については表面をアスファルト、内部を有機

質土を用いて、地面深層部を 15℃ とすることで模

擬した。地面、壁面、屋根面についての詳細な物性

値2)については表 2に示す。

　図 3 にそれぞれ (a)X-Y 面 ,(b)X-Z 面 ,(c)Y-Z 面の

メッシュ図を示す。

2 結果と考察

　以下に解析結果を示す。但し、いずれの建物外

皮の反射日射率でも風速・温度・WBGT・MRT・SET* は概ね同様の分布であったため、代表して日

射反射率 0.5 のケースを掲載した。

2.1 風速分布

　図 4 に地面から高さ 1.5m での風速ベクトル図を

示す。流れ場全体の傾向として建物の後流域で風速

が弱まっており、断面分布より循環流が見られた。

2.2 空気温度・WBGT・MRT・SET* 分布

　 図 5 に 地 面 か ら 1.5m の 高 さ の 空 気 温 度・

WBGT( 湿球黒球温度）・MRT（周壁平均放射温度）・

SET*（新標準有効温度）の水平分布・断面分布

（X=110m) を示す。WBGT に関しては、熱中症を予

防する目的で提案された指標であり、算出の際に必

要な相対湿度は 70％（大阪の 7 月 31 日の気象台の

データの 30 年 (1981 ～ 2010 年 ) の平均値）を用い

た。SET*に関しては、人体からの全熱放熱量を算

出する際の着衣量を0.5clo、人体の代謝量を2.0（ゆっ

くりした歩行時）として算出している。

　風速と気温・WBGT・SET*の水平分布は比較的

一致しており、風速が弱まっている建物の後流域で、

Indoor

Ti=24℃

Asphaltρ=0.9, ε=0.9

Roof & Wall

Organic soil

5200mm

Tg=15℃

ρ=variable, ε=0.9

Solar radiation

(a) (c)(b)

Groundd

[㎜]λ

[W/mK]ρ

[kg/m3]

c[J/kg・K]

Asphalt 200 0.74 2120 920

Organic soil 5000 0.70 1340 1700

Roofd

[㎜]λ

[W/mK]hc

[W/m2K]

Outdoor - - 15.38

Vinyl chloride resin 3 0.16 -

Mortar 20 1.3 -

Concrete 300 1.2 -

Glass wool 15 0.051 -

Plywood 10 0.15 -

Indoor - - 6

Walld

[㎜]λ

[W/mK]hc

[W/m2K]

Outdoor - - 15.38

Mortar 20 1.3 -

Concrete 200 1.2 -

Insulationboard

30 0.041 -

Plywood 10 0.15 -

Indoor - - 17

表 2　CFD モデル物性値

図 2　モデル概要図

図 3　メッシュ図

空気温度・WBGT・SET*ともに高い値となってい

ることがわかる。WBGT に関しては日陰部分以外

は、危険とされる 31℃4)を超えていることがわかっ

た。SET*に関しても約 33℃ であり、快適範囲であ

る 22.2 ～ 25.6℃ を大きく超えている。しかしこれ

は屋内の指標であるため、屋外への適用に関しては

今後の検討課題である。

　次に断面分布に着目し、隣棟間隔の違いによる空

気温度・WBGT・MRT への影響を考察する。空気

温度・WBGT・SET*に関しては分布が一様になっ

ており隣棟間隔の影響は小さい。一方、MRT に関

しては、隣棟間隔の大きい中央建物南側では、非常

に高くなっているのに対し、隣棟間隔の小さい中央

建物北側では７℃ 程度の低下がみられる。そのた

め隣棟間隔が MRT に与える影響は大きいと考えら

れる。

　建物外皮の日射反射率が温度・WBGT・MRT・SET*

に与える影響を考察するため、各日射反射率

条件での平均値を図 6に示す。ここでの平均値は図

1 の対象領域（黒枠）の地面高さ 1.5m での値を平

Target area

X=110m

Target area

X=110m

Target area

X=110m

40.025.0[℃]

Target area

X=110m

5.00.0[m/s]

図 4　風速ベクトル図

（日射反射率 0.5, 地面高さ 1.5m）

(a) 空気温度 (b)WBGT

(c)MRT

図 6 建物外皮の日射反射率と空気

温度・WBGT・MRT・SET* の相関図 5 (a) 空気温度 ,(b)WBGT,(c)MRT,(d)SET* の水平・断面分布

（日射反射率 0.5, 地面高さ 1.5m）

Target area

X=110m

(d)SET* 30

32

34

36

38

40

0.1 0.3 0.5 0.7 0.9

Tem

pera

ture

[o C]

Solar reflectivity [-]

Air temperatureWBGTMRTSET*

均したものである。全ての日射反射条件において空

気温度・WBGT・SET*は概ね一定の値であること

から、建物外皮の日射反射率が空気温度・WBGT・SET*

に与える影響は小さいと考えられる。一方で

MRT に関しては、日射反射率が 0.1 の条件に比べて、

0.9 の条件では約 1.7℃ 下がっている。そのため建

物外皮の日射反射率が MRT に与える影響は大きい

と考えられる。

2.3 表面温度分布

　図 7 に日射反射率 0.5 での表面温度の分布を示

す。建物壁面・日陰部分の表面温度はおよそ 30℃

～ 45℃、日向部分では 70℃ 近くまで温度が上昇し

ている。また、建物の後流域側で高温となっており、

風速の影響も少し見られた。

　図 8に建物表面日射反射率と対象建物の平均表面

温度の相関を示す。ここで、屋根面・壁面に関して

は図 7の対象建物（黒枠）の屋根面・東西南北の各

壁面の表面温度、地表面温度に関しては図 1の対象

領域（黒枠）の地表面温度の平均値である。反射率

の増加に伴い、表面温度の低下幅は屋根面が最も大

きく、次いで南面が大きく、北・東・西面は比較的

同様であった。ピーク冷房負荷が予想される南中時、

高反射材の適用は建物屋根面と南壁面で特に効果的

であることがわかった。一方で地表面温度に関して

は日射反射率 0.1 と比較し 0.9 の条件では約 6℃ 上

昇しており、建物外皮の日射反射率が街路の表面温

度に与える影響は大きいと考えられる。

3 まとめ

　本論文では以下の知見が得られた。

・風速が弱まる建物の後流域で空気温度・WBGT・　SET*

は高い値となる。

・隣棟間隔が MRT に与える影響は大きい。

・建物外皮の日射反射率が MRT に与える影響は大

　きく、日射反射率が 0.1 の条件に比べて、0.9 で

　は約 1.7℃ の低下がみられた。

・反射率の増加に伴い、表面温度の低下幅は屋根面

　が最も大きく、次いで南面が大きく、北・東・西

　面は比較的同様であった。

・ピーク冷房負荷が予想される南中時、高反射材の

　適用は建物屋根面と南壁面に効果的である。

・建物外皮の日射反射率が街路の表面温度に与える

　影響は大きい。

　今後は、実測を通してモデルの精度検証と精度向

上を行い、異なる季節・時間帯での解析を通して日

射反射特性が周辺温熱環境に与える影響を考察する

所存である。

【参考文献】

1) 気象庁 HP:http://www.jma.go.jp/jma/index.html2) 大学課程建築環境工学，伊藤勝三・中村洋・櫻

井美政・松本衛・楢崎正也 共著（1978），オーム

社 ,pp.1573) Jihui Yuan et al:Proposal for optomum combination of reflectivity and insulation thickness of building exterior walls forannual thermal load in japan,Building and Environment(2016), Vol.103, pp.228-2374）環境省の熱中症予防情報サイト :http://www.wbgt.env.go.jp/

Undergraduate Student, Division of Global Architecture, School of Engineering, Osaka UniversityProf., Division of Global Architecture, Graduate School of Engineering, Osaka University, Dr. Eng.Prof, Graduate School of Human Life Science, Osaka City University, Dr. Eng.

＊ 1 大阪大学大学院工学研究科地球総合工学専攻　博士前期課程

＊ 2 大阪大学大学院工学研究科地球総合工学専攻　教授・博士（工学）

＊ 3 大阪市立大学大学院生活科学研究科　教授・工博

図 7　表面温度分布　（日射反射率 0.5）

Target building

20

25

30

35

40

45

50

55

60

0.1 0.3 0.5 0.7 0.9

Surf

ace

tem

pera

ture

[oC

]

Solar reflectivity [-]

RoofWall_NWall_EWall_SWall_WGround

70.0 [℃]

30.0

図 8　日射反射率と表面温度の相関