赤と裸

屋上緑化及び高反射塗料の
表面熱収支測定結果
神戸大学工学部建設学科
竹林英樹，野上　摂
森山正和，佐野公俊
研究目的
ヒートアイランド現象の対策として屋上緑化
や高反射塗料が注目されている．本研究
では，実測及び熱・水分収支の解析を行い，
屋上表面からの顕熱抑制効果の観点から
ヒートアイランド緩和効果について考察を
行った．
実験施設
植栽ユニット
２
３
５
４
７
８
６
９
塗料ユニット
10
11
12
1000×２
5，500
１
９４２×３
7，800
屋上実験施設写真
屋上実験施設平面図
測定面の概要
ユニット番号
1
2
9
11
12
実験対象
裸地面（軽量土壌）
芝生面（軽量土壌）
コンクリート
高反射塗料・白
高反射塗料・灰
測定項目
植栽ユニット
温度測定点（熱電対）
含水率測定点（TDR）
熱流測定点（熱流板）
気象条件
・日射量，赤外放射量
・風向，風速
・気温，湿度
・雨量
測定点
土層
・温度（熱電対，放射温度計）
・熱流
保水･排水層
・放射収支
・土壌含水率（植栽ユニットのみ）
コンクリートスラブ
・排水量
21cm
4.2cm
20cm
塗料ユニット
各面の日射反射率
10cm
モルタル
測定面
20cm
コンクリートスラブ
裸地
日射反射率 0.17
芝
0.15
コンク 高反射 高反射
リート
白
灰
0.37
0.74
0.36
表面温度の測定結果
（2004年8月27日～29日，放射温度計による測定）
裸地
反射性塗料白
高反射塗料白
温度（℃）
45
芝生
コンクリート
反射性塗料灰
気温
高反射塗料灰
コンクリート
高反射灰
裸地
芝生
高反射白
気温
40
35
30
25
20
15
0:00
12:00
8/26
0:00
12:00
8/27
0:00
12:00
8/28
0:00
12:00
8/29
スラブ内温度の測定結果
温度(℃）
コンクリート（2004年8月27日～29日）
表面温度
スラブ上
スラブ中
スラブ下
（0cm） （10cm） （20cm）
（30cm）
44
42
40
38
36
34
32
30
28
26
24
22
0:00 6:00 12:00 18:00 0:00 6:00 12:00 18:00 0:00 6:00 12:00 18:00
8/27
8/28
8/29
2次元的な影響の確認
計算方法　2次元非定常熱伝導（前進差分）
対象面　低温側：高反射塗料白，高温側：高反射塗料灰
境界条件　上側：高反射塗料白，灰の表面温度の実測値
下側：スラブ下温度の実測値（高温側，低温側ともに同じ）
左右両側：上下の境界条件を元に1次元の計算より算出
差分間隔　10cm
時間間隔　1分
対象期間　2004年8月10日（計算結果は低温面40℃，高温面50℃の時間帯のもの）
0.0 （cm）
48
42
36
30.0
0.0
30
25
50
75
30
100
35
40
125
45
150
50
（℃）
175
200
（cm）
表面熱収支の検討
Rn = A + V + lE
Rn：正味放射量（W/m2）　A：伝導熱流（W/m2）
V：顕熱流（W/m2）　lE：蒸発潜熱（W/m2）
顕熱流
伝導
V = αc (Ts − Ta)
αｃ：対流熱伝達率（W/m2K）
Ts：表面温度（℃）
Ta：気温（℃）
土壌面の熱収支・・・1次元非定常方程式
∂θ
液体水：　∂t
蒸発量
E = β ⋅ α w (x s − x a )
αw =
αc
C pa
β:蒸発比（-）
αｗ：湿気伝達率（kg/m2h(kg/kg)）
Xｓ：表面の飽和絶対湿度（kg/kg）
Xa：外気絶対湿度（kg/kg）
熱収支：
∂T
∂t
m
∂θ 2
∂T 2 ∂K
= Dθ 2 + DT 2 +
∂z
∂z
∂z
=
m
λ ∂T 2
c ∂z 2
K:透水係数（m/s）
Dθ：水分に依存する分子拡散係数（m2/s）
DT：熱に依存する分子拡散係数（m2/s）
λ：熱伝導率（W/mK）
c：体積熱容量（J/m3K）
蒸発量の推定方法
蒸発量＝雨量（潅水量）－排水量－土壌内の水分の増加量
含水率変化×水密度×層体積
土壌を数層に分けて，各層の含水率は一様と仮定
蒸発は表面のみで生じる（土中では生じない）と仮定
実測値と計算値の1日の積算蒸発量が
合うようにβを推定する
β=1
g
0.35
0.3
E =αw(xs − xa )
0.25
0.2
TDRによる測定結果
0.15
0.1
0.05
TDR土壌含水率計
水分移動
0
18:30
-0.05
-0.1
22:30
2:30
6:30
10:30
14:30
18:30
22:30
芝生面からの蒸発量（g/s）
2:30
TDRによる含水率測定
ロガー
誘電率
水：80
土粒子：3
真空：1
金属ロッドに電磁波を流し，
電磁波の反射時間を測定することで
土壌の誘電率を評価し，含水率を求める．
ロッド
測定範囲：0～50%（体積含水率）
測定精度：±0.05%
TDRによる含水率の測定結果
体積含水率（%)
芝生面（2004年8月27日～29日）
2cm
11cm
24
4cm
16cm
6cm
21cm
21cm
16cm
11cm
6cm
4cm
2cm
22
20
18
16
14
12
10
0:00
12:00
8/27
0:00
12:00
8/28
0:00
12:00
8/29
TDRによる含水率の測定結果
芝生面と裸地面（2004年11月5日～7日）
2cm
4cm
6cm
11cm
16cm
21cm
22
芝生面
20
18
16
14
12
10
0:00
11/5
12:00
11/7
11/6
0:00
12:00
0:00
12:00
2cm
裸地面
体積含水率(％)
体積含水率(％)
24
21
19
17
15
13
11
9
7
5
6cm
11/5
0:00
12:00
16cm
11/7
11/6
0:00
12:00
0:00
12:00
熱伝導率，体積熱容量の推定
微分方程式を差分化し，温度と熱流の測定
値を用いて熱伝導率と熱容量を推定した．
熱流
y = 2.1158x + 2.8404
200
150
100
熱伝導率
50
Ts
A
T1
Δｚ
λ
T
A = −λ Δ =
(Ts − T1 )
Δ
z
z
Δ
0
-40
-20
-50
0
20
40
60
80
Δθ/Δｚ
Ｔ
-100
体積熱容量
1000
∂T
∂ 2T
λ 2 =C
∂t
∂x
500
0
T − Tm Tm − Tm +1
(T − Tm )
−
( m −1
)=c m
λ
Δz1 Δz 2
Δz 1
Δz 2
Δt
+
2
2
1
y = 2E+06x - 30.888
1500
*
-0.001
-0.0005
-500
-1000
-1500
0
0.0005
0.001
差分近似の誤差について
0cmと20cmの測定値と，5cmと15cm計算値の
温度を用いた熱伝導率の推定
コンクリート内10cmの熱流（W/m2）
160
-40
(0cm-20cm)
y = 2.12x + 2.84
R = 0.98
120
80
(5cm-15cm)
y = 2.16x + 2.73
R = 0.99
40
0
-20
0
20
40
60
-40
-80
0cm-20cm
5cm-15cm
ΔT/Δz
線形 (0cm-20cm)
線形 (5cm-15cm)
80
熱伝導率，体積熱容量の推定
土壌の場合（土壌の熱伝導率と熱容量は含水率を考慮
した文献データ（近藤純正：水環境の気象学）を利用）
．
熱伝導率の推定
熱容量の推定
4000
3000
2000
1000
0
-1000
-0.003 -0.002 -0.001
0
-2000
-3000
-4000
-5000
150 熱流
（W/㎡）
y = 0.2789x - 20.028
100
50
0
-50
0
50
100
150
200
250
-50
-100
体積熱容量
熱伝導率λ(W/㎡)
0.45
0.4
0.35
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
5
10
15
20 25 30 35
体積含水率θ(％)
40
土壌の熱伝導率（確認）
45
0.001
0.002
0.003
C (θ ) = (1 − θ SAT )C SOIL + θCWATER
λ = 0.025 + 0.5θ 1 / 3
0
y = 2E+06x - 291.33
50
3.5E+06
3.0E+06
2.5E+06
2.0E+06
1.5E+06
1.0E+06
5.0E+05
0.0E+00
0
5
10
15 20 25 30 35
体積含水率θ(％)
40
スラブの熱容量（確認）
45
50
蒸発比の推定
Rn − A = V + lE
⎧
⎫
1
= α ⎨(Ts − Ta ) + l ⋅ β ⋅
( Xs − Xa)⎬
Cp
⎩
⎭
この式でβを仮定するとαが求まり，各熱収支成分（lEなど）が計算できる．
計算されたlEとTDRより推定したがlEが一定期間の積算値で合うようにβを推定
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
β　=0.14を採用
β
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
蒸発量の実測値と推定値の差
土壌内含水率の計算結果
22
21
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11/50:00
11/60:00
11/7
11/8
11/90:00
11/10
0:00
0:00
0:00
16cm
16cm
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
11/50:00
11/60:00
11/7
11/8
11/9
11/10
0:00
0:00
0:00
0:00
6cm
6cm
g/㎡･s
0.022
0.02
0.018
0.016
0.014
0.012
0.01
0.008
0.006
0.004
0.002
11/5
11/6
11/7
0
0:00
0:00
0:00
％
％
計算値
実測値
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
11/60:0011/7
11/90:00
11/10
0:0011/5
0:00
0:0011/8
0:00
4cm
4cm
％
体積含水率(％)
（2004年11月5日～10日）
22
21
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11/50:00
11/60:00
11/70:00
11/80:00
11/90:00
11/10
0:00
11cm
11cm
計算値
測定値
11/8
0:00
11/10
11/9
0:00
蒸発量の比較
0:00
表面熱収支の計算結果
（2004年8月27日～29日）
正味放射量
顕熱流
W/㎡
800
伝導熱流
蒸発潜熱
W/㎡
800
600
600
400
400
200
200
0
0:00
-200
12:00
8/27
W/㎡
800
0:00
12:00
0:00
8/28
芝生面
12:00
8/29
0
0:00
-200
600
400
400
200
200
12:00
0:00
12:00
8/27
W/㎡
800
600
0
0:00
-200
12:00
0:00
12:00
8/29
8/28
8/27
高反射塗料灰
0
0:00
-200
12:00
0:00
12:00
0:00
12:00
8/29
8/28
コンクリート面
0:00
12:00
0:00
12:00
8/29
8/28
8/27
高反射塗料白
計算結果の顕熱流の比較
（2004年8月27日～29日）
W/㎡
500
反射性塗料灰
高反射塗料灰
反射性塗料白
高反射塗料白
コ ン クリー ト
コンクリート
芝
生
芝生
400
300
200
100
0
0:00
6:00 12:00 18:00 0:00
6:00 12:00 18:00 0:00
6:00 12:00 18:00
-100
-200
8/27
8/28
8/29
まとめと今後の課題
まとめ
Š芝生，土壌面と高反射塗料面における温度，熱流，放射収
支の測定を行った．
Š土壌含水率の測定から蒸発量の推定を試みた．
Šアルベドは，高反射塗料白，高反射塗料灰，コンクリート，芝
生の順に高い．
Š夏季の昼間では，高反射塗料白，芝生，高反射塗料灰，コン
クリートの順に，夜間では芝生の顕熱抑制効果が大きい．
今後の課題
Š植栽での表面温度の測定方法（今回は放射温度計を利用）
Š蒸発量の推定方法（今回は土壌含水率を利用）