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24 実測に基づく夏季の樹木による温熱環境改善効果

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24 実測に基づく夏季の樹木による温熱環境改善効果
24 実測に基づく夏季の樹木による温熱環境改善効果
立石 真実
0342023
枦元 裕梨
0342034
1.はじめに
表 1 測定樹木表の概要
近年、都市部におけるヒートアイランド現象が顕在化
L2
し、その緩和手段として樹木の効果が注目されている。
l3
既往の研究では、樹木の蒸散特性1)や樹種の違いによる
樹形;L1:L2
日射遮蔽効果2)についての検討が多く存在する。
本研究では、主として樹木による屋外温熱環境の改善
樹冠形状
種類
1:2
丸
シラカシ
アオギリ
3:2
2:3
1:3
丸
1:1
1:2
1:3
逆三角
ケヤキ
樹木D
1:1
1:3
1:4
三角
イチョウ
樹木E
2:3
1:4
1:5
逆三角
ケヤキ
人工遮蔽物
5:2
9:5
7:3
―
l1
図 1 樹木形態
効果に着目し、木陰内外の温熱環境の比較を容易にする
l1:l2
1:2
樹木B
L1
木陰形状②;l1:l3
l1:l3
1:1
樹木C
l2
木陰形状①;l1:l2
L1:L2
樹木A
観点から、樹木単体を対象として測定を実施した。その
結果をもとに、蒸散による冷気生成効果や日射遮蔽効果
について解析した。さらに、SET*の快適域出現頻度など
①木陰内
から、環境改善効果を明らかにした。
2.測定概要
2.1 測定対象樹木の選定
②木陰外
主として形状の観点から、公園の樹木として代表的な
①②風速計、 グローブ球
日射計
温湿度小型センサー
測定対象を選定するために、熊本市内の主要な公園にあ
る約 100 本の樹木の写真を撮影した。それら樹木を図 1
に示す各箇所の長さの比率、目視による樹木の葉密度と
図 4 表面温度測定位置
図 2 測定点の平面図(8 月 20~22 日分)
樹冠形状により分類した。その結果、表 1 に示す 5 本の
180cm
樹木とキノコ型の人工遮蔽物の 6 ヶ所が公園内の樹木形
150cm
表 3 測定概要
測定期間
測定樹木
8月20~22日
樹木A
9月7・8・19・20日
樹木B
9月21・22日
樹木C
9月24日、10月2日
樹木D
10月3・4日
樹木E
10月5日
人工遮蔽物
状として代表的と考えられた。
2.2 木陰内外の温熱環境の測定方法
測定項目と測定器、測定間隔などを表 2 に、測定点の
例を図 2 に示す。測定時間は、樹木による温熱環境改善
グリッド数 グリッド間隔
6×6=36
2m
5×6=30
2m
5×6=30
4m
5×6=30
4m
4×9=36
5m
6×6=36
1.5m
120cm
90cm
60cm
30cm
効果を期待する日中(10 時~16 時)とした。垂直・水平
熱電対
温度分布は図 3 に示す測定ポールを用いた移動計測とし、
図 3 移動計測ポール
図 2 に示す格子の各交点を 30 秒(20 秒計測、10 秒移動)
間隔で移動した。測定範囲は測定時間内に木の陰が存在
する領域全てを含む範囲とした。交点数は気象条件があ
まり変化しない 15 分程度で計測が行える数(30~36 点)
になるように格子間隔を設定した。表 3 に樹木ごとの交
表 2 測定項目
測定項目
測定器
測定間隔・時刻
測定高さ
垂直・水平温度分布
熱電対
10時、12時、14時、16時 地面から30~180cmまで30cm間隔
温度・湿度
温湿度小型センサー
10秒
地面から120cm
風速
トランジスタ式風速計
10秒
地面から120cm
グローブ温度
ベルノン式グローブ球
10秒
地面から120cm
日射量
全天日射計
10秒
地面から120cm
葉,地面の表面温度
放射温度計
10時、12時、14時、16時
図4参照
点数と格子の間隔および測定期間を示す。
37
3.蒸散による葉温低下の確認
接着剤あり
接着剤なし
35
葉温(℃)
測定期間中、樹木 B の同じ枝にある 2 枚の葉のうち、
1 枚の葉の裏表両面に透明な接着剤を塗り、葉の蒸散が
生じない状態とし、通常の葉と表面温度を比較した。測
33
31
29
27
定間隔を表 2、測定点を図 4、測定結果を図 5 に示す。接
25
着剤を塗った葉の温度は通常の葉に比べて木陰内気温に
25
27
29
31
33
木陰内気温(℃)
関係なく 0.3~3.4℃高く、蒸散による葉温低下が確認さ
図 5 蒸散による葉温の低下
れた。
49
35
37
木陰内日射量
木陰内グロ ーブ 温度
4.測定結果
38
600
500
の推移の例(全て 10 分平均値)を示す。葉から水蒸気が発
400
日射量(w/㎡)
図 6 に日射量とグローブ温度、図 7 に絶対湿度と風速
生しているものの絶対湿度は木陰内外でほとんど差はな
い。風速では木陰内は木陰外より 0.3m/s、グローブ温度
36
34
32
30
300
28
26
200
は 10℃程度低くなる。木陰内の日射量は約 100w/㎡でほ
グローブ温度(℃)
4.1 木陰内外の温熱環境の推移
木陰外日射量
木陰外グロ ーブ 温度
24
100
ぼ一定である。これは 4.4 で述べるように樹冠が直達日
22
0
射の大部分を遮蔽し、木陰内日射のほとんどは拡散成分
20
10:00
であるためと考えられる。
11:00
12:00
13:00
time
14:00
15:00
16:00
図 6 9 月 24 日 日射量とグローブ温度
4.2 垂直・水平温度分布
0.7
0.02
図 8 と図 9 に外部の平均風速が 0.71m/s(図 8)のときと
0.6
木陰外風速
絶対湿度(kg/kg)
1.23m/s(図 9)のときの水平温度分布の比較を示す。風速
が弱い場合は木陰内に相対的に 1.5℃程度温度が低い領
域が現れる。図 8 の下段が樹冠真下、図 8 の上段が地面
付近の温度分布である。
樹冠真下の気温がより低いので、
0.5
木陰外絶対湿度
0.4
0.01
0.3
木陰内絶対湿度
風速(m/s)
0.015
0.2
0.005
木陰内風速
木陰内の温度が低い領域は地面からの蒸発冷却効果と同
0.1
時に葉の蒸散により生成された冷気が降下して形成され
0
0
10:00
ると考えられる。一方図 9 では、低温の領域は不明確と
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
time
図 7 9 月 24 日 絶対湿度と風速
なる。図 10 に樹冠真下の垂直温度分布を示す。風速が弱
い場合の方が樹冠に近づくにつれて気温が低くなる傾向
37.0
が明確である。
34.5
4.3 葉温と日射量の関係
34.0
樹冠
28.5
1)
既往研究 により葉の蒸散量と日射量に正の相関があ
ることが示されている。一方で日射量の増加に伴い葉の
29.0
30.0
吸収日射量も増加し、両者のバランスによって葉温と外
35.0
気温度の差が決まると言える。従って日射量と葉温の関
30.5
係を検討することが重要である。
30.0
図 11~図 14 に C 点(常に日影)と E 点(常に日射有、
33.5
31.0
34.0
図 4 参照)と外気温度の差(表面温度-外気温度)と木陰
外日射量の関係を示す。図 11、図 12 は外気温度として
木陰外気温を、図 13、図 14 では木陰内気温を用いた。
35.0
図 11 より日射量が増加すると温度差が減少し、負の値
29.5
となるが、これは日射量が大きくなると外気温も高くな
34.0
29.0
33.5
る一方で葉温はあまり変化しないためと考えられる。図
12 を見るとE 点は常に日射が当たっているが木陰外気温
34.0
より有為に低い。これに対して、人工遮蔽物は 2~5℃高
28.5
くなる。また、C 点ほどではないが日射量の増加に伴い
図 8 水平温度分布図(8 月 20 図 9 水平温度分布図(9 月 22
日、12 時、風速 1.23m/s、
日 12 時、風速 0.7m/s、
上段:地面から 30cm、
上段:地面から 30cm、
中段:地面から 120cm、
中段:地面から 120cm、
下段:地面から 180cm)
下段:地面から 180cm)
温度差が低下する傾向がある。図 13 を見ると葉の C 点
は日射量に関わらず木陰内気温より若干温度が低いが人
工遮蔽物は高い。図 14 より日射量が 400w/㎡以下のと
50
8月20日
きは日射が当たっているにも関わらず C 点の葉より温度
9月22日
180
が低くなっている。これはこの領域では日射量の増加に
150
120
高さ(cm)
伴う蒸散による葉の冷却量が吸収日射量よりも多いため
と推察される。また日射量が 500w/㎡以上の場合、葉温
90
60
も高くなるが、
木陰内気温と同程度であることが分かる。
30
4.4 樹冠の日射遮蔽効果
0
25
図 15 に樹種ごとの木陰内外日射量の差
(木陰外-木陰
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
温度(℃)
C点の温度-木陰外気温(℃)
内日射量)すなわち遮蔽日射量と木陰外日射量の関係を
示す。プロットは 10 時、12 時、14 時、16 時の 10 分平
均値であり、近似直線を併記する。ここで、木陰外日射
量をIout(w/㎡)、木陰内日射量をIin(w/㎡)として、日射遮
蔽率α(‐)を以下の式で示す。
α=(Iout-Iin)/ Iout
図 10 垂直温度分布
12
葉
人工遮蔽物
8
4
0
-4 0
200
400
600
800
1000
-8
-12
木陰外日射量(w/㎡)
図 11 C 点の温度―木陰外気温と木陰外日射量の関係
図 15 において、近似直線の傾きがαとなり、人工遮蔽
葉
は葉密度が高く樹冠の長さが十分に得られるため、一般
的な高木であれば樹種にかかわらず、日射を完全に遮る
人工遮蔽物と同等の日射遮蔽効果が得られると言えよう。
5.SET*による木陰内の快適域評価
図 16 に 8 月中旬と 9 月下旬の木陰内外のSET の推移
4
0
-4 0
200
400
600
800
1000
-8
-12
図 12 E 点の温度―木陰外気温と木陰外日射量の関係
5
葉
*
。図 16 より木陰外ではSET の
C点の温度-木陰内気温(℃)
(10 分平均)を示す
8
木陰外日射量(w/㎡)
*
注 1)
人工遮蔽物
12
E点の温度-木陰外気温
(℃)
物と樹木の差や樹種による差は見られない。夏季の樹木
変動が大きいが、木陰内ではほぼ一定安定している。こ
れは木陰外日射量の変動が木陰内よりも大きいためであ
る。SET*の室内環境としての快適域である 22℃~28℃
(以下条件A)を準用して評価すると、図 16 より 8 月中は
人工遮蔽物
3
1
-1 0
200
400
600
800
1000
-3
-5
木陰内であっても快適域に入らない。ほとんどの時間帯
木陰外日射量(w/㎡)
で木陰内温熱環境を許容するには快適域の上限を 32℃
図 13 C 点の温度―木陰内気温と木陰外日射量の関係
E点の温度-木陰内気温(℃)
程度に設定しなければならない。9 月下旬になると木陰
内は多くの時間帯で条件Aの快適域に入り、樹木による
温熱環境改善により木陰内は高い快適性が確保されると
言える。
ここで、測定期間中、条件 A の範囲となる時間の割合
葉
人工遮蔽物
12
8
4
0
-4 0
200
400
600
800
1000
-8
-12
を「快適率」
、条件 A の範囲外となる時間の割合を「不
木陰外日射量(w/㎡)
図 14 E 点の温度―木陰内気温と木陰外日射量の関係
快率」と定義する。木陰外の不快率と木陰内の快適率の
樹木A
関係を図 17 に、
木陰外の快適率と木陰内の快適率の関係
樹木B
樹木C
樹木D
樹木E
人工遮蔽物
木陰外-木陰内日射量(w/㎡)
900
を図 18 に示す。まず図 17 より、木陰外の不快率が 80%
以下の場合、木陰内は常に快適といえる。また、図 18
より木陰外の快適率が 20%未満であっても、木陰内の快
適率は最大 70%程度期待できる。また、図 18 で木陰外
800
700
600
500
400
300
200
100
0
の快適率が 30%以下のプロットを直線近似するとその傾
0
きは約 3.5 となり、
木陰外よりも 3.5 倍の快適域出現率を
200
400
600
木陰外日射量(w/㎡)
800
1000
図 15 木陰外-木陰内日射量と木陰外日射量の関係
51
期待できることになる。さらに、木陰内外の日平均 SET*
45
の差(木陰外 SET*-木陰内 SET*)を「環境改善量」と
40
し、図 19 に示す。環境改善量の平均値は約 3.5℃であっ
35
た。
図 20 に温熱 4 要素を単独で評価した場合の環境改善
28
8月20日木陰内
8月20日木陰外
9月24日木陰内
9月24日木陰外
32
SET*(℃)
30
量を示す。悪化方向では風速の影響、改善方向では放射
25
22
20
SET*を32℃まで許容した時の快適域
SET*快適域
15
温度が大きく、合計として約 3℃環境が改善されている。
10
6.まとめ
5
0
1)木陰内には相対的に気温の低い領域が形成され、外部
10:00
風速が弱い場合に顕著であった。樹冠に近いほど気温が
11:00
12:00
13:00
time
90
木陰内の快適率(%)
80
2)今回測定した樹木の葉密度・樹冠の長さは、一般的と
考えられるが、いずれの樹冠も直達日射の大部分を遮蔽
していると考えられ、人工遮蔽物と樹木の差や、樹種に
よる差は見られなかった。
70
60
50
40
樹木A
樹木B
樹木C
樹木D
樹木E
人工遮蔽物
30
20
10
3)夏季における木陰内の快適性を「快適域出現率」や「環
0
境改善効果」から評価し、特に 9 月下旬においては高い
0
10
20
30
40
50
討課題である。
70
60
50
40
30
20
10
注釈:
屋外環境でのSET*の算出に用いる平均放射温度はグローブ温度
を用いて以下の補正式で算出できる。しかし、樹木下のDSTJの算出
方法には課題があり、上式によるtrを用いたSET*を計算した結果、
実測中実際に体感した樹木下の温熱環境とは異なっていたため、本
研究ではグローブ温度を平均放射温度としてSET*を算出した。
SATg = θ r +
DSTJ
αo
100
80
木陰内の快適率(%)
蒸散と日射吸収の熱収支を明らかにすることが今後の検
κ
t g = SATg − ( SATg − θ g )
αo
90
90
また、日射量が 400w/㎡程度のときに葉温が最も低く、
tr − t g
80
100
が当たっている葉でも外気温度と同程度以下であった。
− αc
70
図17樹木による木陰内快適率と木陰外不快率の関係
4)葉温は日陰であれば外気温度より有為に低く、日射
θr − tg
60
木陰外の不快率(%)
快適性を期待できた。
tr − t g
16:00
100
ると考えられた。
αr = κ ×
15:00
図 16 8 月中旬と 9 月下旬の一般的な SET*の推移
低く、蒸散により生成された冷気が樹冠から降下してい
SATg − θ g
14:00
樹木A
樹木B
樹木C
樹木D
樹木E
人工遮蔽物
0
0
10
20
30
40
50
60
70
木陰外の快適率(%)
80
90
100
図18樹木による木陰内外の快適率の関係
5
℃
木陰外SET*-木陰内SET*
4
3
αr:放射熱伝達率(w/㎡℃)
k:グローブ球の熱伝導率(k=6.63w/㎡℃)
2
SATg:グローブ球の相当外気温度(℃)
θg:計測のグローブ温度(℃)
tr:平均放射温度(℃)
1
0
tg:グローブ球の表面温度(℃)
αc:対流熱伝達率(w/㎡℃)
θr:外気温度(℃)
αo:総合熱伝達率(αo=23.2w/㎡℃)
DSTJ:グローブ球の熱収支量(w)
8/20
8/21
9/19
9/20
9/21
9/22
9/24
10/3
10/4
10/5day
図 19 環境改善量(℃)
温度
放射温度
風速
相対湿度
合計
5
4
環境改善量(℃)
[参考文献]
1)梅田和彦ら 他 2 名:熱環境の評価における樹木の夏季蒸散量
に関する基礎的研究,日本建築学会環境系論文集,第 601 号,
2006 年 3 月
3
改善
2
1
0
-1
2)吉田伸治ら 他 2 名:樹木の成長,樹種の違いが樹冠の葉面積
-2
密度・光学的深さに及ぼす影響,日本建築学会環境系論文集,
-3
第 605 号,2006 年 7 月
悪化
図 20 環境要因ごとの環境改善量の例(9 月 24 日)
52
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