直射日光だけでなく散乱光も室内が暑くなる原因

パッシブデザインの基本「夏の日差しを遮る」

建物の基本性能(快適な室内温度環境等を得る性能)を高めるパッシブデザイン。
その基本の1つに、夏の日差し、特に直達日射(直射日光)を遮ることがあります。

直射日光は良く聞く言葉ですが「直達日射」は聞き慣れない言葉ではないでしょうか。
まず最初に広辞苑にて「直達日射」の意味を調べてみます。

直達日射:大気中で吸収・散乱されず、地上に直接到達する日射量。
(広辞苑 第六版より)

和風住宅などの深い軒の出の意味

和風住宅や、法隆寺などの日本古来の建物を見ると、大きな屋根がかかり深い軒の出が確保されています。その理由の1つとして、雨から建物を守ることがあります。
深い軒の出の、もう1つの理由は、夏の室温上昇を防ぐために、夏の日差しが室内に入らないようするためです。

現代では、エアコンなどで室温を制御出来るようになったことから、「洋風」などの見た目だけのデザインで家を設計することが多く見受けられるようになりました。
しかし夏に、窓から室内に日差しが降り注ぐ「高断熱」の家は、お湯を保温するポットのようなものです。窓の室内側にカーテンなどで日差しを遮っても、効果は低く、できれば窓の外側で日射を遮りたいものです。

室内に直達日射が入らなくても暑い理由

私の家は、建物を真南に向けて配置し、軒の出は約1mあるため夏の日差しが室内に入ることはありません。横浜の夏至・南中の太陽高度は約78度です。下図にあるとおり、この太陽光(直達日射)が室内に入らないように、軒の出の寸法などを決定します。

しかし、直達日射が当たってないのに窓に近い部分は床が熱くなり、窓から離れた部分の床は熱くなりません。その理由は、日光が雲(水蒸気)などに乱反射する「散乱日射」と呼ばれる光が室内に入ってくるためです。
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雲一つ無い快晴の日は、日なたと日陰のコントラスト(明暗の比)がハッキリしていますが、曇天はコントラストがぼやけます。これは、乱反射してあらゆる方向からやってくる散乱光が多いためです。

散乱日射を防ぐためのスダレ

散乱日射が室内に入るため、直達日射が室内に入らなくても、床が熱くなるなど太陽光の熱影響を受けるのです。特に薄曇りの日は、散乱日射のエネルギーが強く、熱の影響をたくさん受けることになります。
この影響を和らげるために、私の家では「散乱日射」を遮るためのスダレを下げます。繰り返しになりますが、スダレがなくても深い軒の出により直達日射は室内に入りません。

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スダレをかけたとき室内は、かつて祖父母が住んでいた藁葺き屋根の家のような薄暗さに包まれると同時に、暑さが和らぎます。

外壁の表面温度計測

南面の外壁の、前面にスダレが付いている外壁と、スダレがない外壁の2ヶ所の表面温度計測を行いました。再び繰り返しになりますが、計測した外壁2ヶ所共に直射日光(直達日射)は当たっていません。
【測定条件】
7月14日(日)、午前10時46分頃
気温:32.3℃(実測値)
風速:東、3 m/sec(気象庁・アメダス 横浜)
天候:晴れ(薄く雲がかかった状態。写真参照)
すだれと外壁面の水平距離:約1m
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上の写真にあるとおり、スダレが無い外壁は37.9℃。スダレが付く部分の外壁は35.8℃でした。
スダレが付く外壁は、無い部分に比較して2.1℃低いことが分かりました。ただし、温度測定部分は、スダレの端部に近い場所のため散乱日射の影響を多少受けていると思われます。
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天候は上の写真のとおり、晴れていますが薄く雲がかかっています。
うっすらと白い空は、その原因がチリなどで無い場合、空気中の水蒸気が多い(相対湿度が高い)ことが予想できます。

散乱日射を遮ると防暑効果が更に高くなる

日本の夏は、相対湿度が大変高く、夏の空は水蒸気が沢山含まれているため、薄曇りの空になることが多いです。これは散乱日射が多いことを意味します。このため日差しが入らなくても、大きな窓の外にスダレをかけるのは防暑に効果的です。

1年間の気候の変化 世界各地との比較

日本および世界各地の気候特徴

快適な室内環境をつくるためにも、日本の気候を知る必要があります。ここ神奈川県横浜市の夏も、暑さと湿気が同時にやってきて厳しい季節になります。
「日本は四季のある国」などと言われますが、日本と世界各地の気候にどの程度違いがあるのか、1年を通しての気候変化を確認してみます。

横浜市 年間の温度・湿度グラフ

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1年間の温度・湿度変化をグラフに表すとき、次にあるようなグラフが一般的です。

しかし今回は、少し違ったグラフで日本の気候を見てみます。

横浜市 年間の温度・湿度クライモグラフ climograph

以下のグラフは、横軸(X軸)に月平均相対湿度、縦軸(Y軸)に月平均気温をとっています。これは、グラフの線(ループ)の形と、線の位置から、その気候が人間の生活環境として適しているかどうか判定できる特徴があるグラフです。

1月はグラフの左下に位置していることから、気温・相対湿度ともに低いことが分かります。
6〜8月はグラフの右上に位置しており、気温・湿度の両方が高いことが分かります。

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札幌、横浜、那覇 年間の温度・湿度クライモグラフ climograph

次に、日本国内の3地点(北海道札幌市、神奈川県横浜市、沖縄県那覇市)についてグラフで確認します。那覇は年間を通じ変動の幅が小さく、そして那覇と横浜のグラフは、全体に左下から右上方向にのびている(傾いている)のが分かります。

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世界各地の年間の温度・湿度クライモグラフ climograph

今度は世界各国との比較を行います。グラフは少し密集していますが、日本3ヶ所のグラフを直交するように、スウェーデン・ストックホルム(水色)とドイツ・ベルリン(藤色)のグラフがあります。

夏の日差しを遮れば、涼を得やすいドイツ、スウェーデン等

スウェーデン・ストックホルム(水色)とドイツ・ベルリン(藤色)は、日本のグラフと傾きが反対であり、ストックホルムとベルリンは、夏は湿度が下がり冬には湿度が上がることが分かります。
これは「西岸海洋性気候」という気候の特徴です。夏は湿度が低いために、暑くても汗が直ぐ乾くことで体温が下がり、涼しさを得られます。すなわち、日差しを遮れば涼を得やすいといえます。

グラフの左上に2つの国が離れて存在していますが、スーダン・ハルトゥーム(薄水色)、エジプト・アスワン(うすい赤色)です。スーダン・ハルトゥームは非常に気温が高く、その期間が長いですが全体に相対湿度が低いことが分かります。

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横浜市、ドイツ、フィリピン、スーダン 年間の温度・湿度クライモグラフ climograph

グラフが密集して少し見にくいため、特徴的な4地点を選び出しグラフにしました。
横浜市(青色)に対して、直交するようにドイツ・ベルリン(藤色)、そして横浜の上部にあるフィリピン・マニラ(橙色)は年間を通して高温多湿。左に離れてアフリカ・スーダン・ハルトゥーム(薄水色)があります。

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夏の暑さ対策を考える

多少、気温が高くても日陰に入ればヒンヤリすることを経験したことがありますが、これは相対湿度が低い可能性があると思われます。(「可能性がある」の意味は、ここでは放射による人体への温度影響を考慮していないためです。)

人は汗をかくことで体温を下げようとしますが・・・

人間は体温を下げるために汗をかきますが、その汗が蒸発することで体が冷える(気化熱として体温が奪われる)わけです。しかし、日本の夏は空気が大量の湿気を含んでいるために、汗が蒸発することができず、汗は流れるだけで中々乾きません。

多少の暑さの時は通風でしのげますが、猛暑の時ばかりはエアコンで温度・湿度を下げるほか方法はありません。室内にいても熱中症になってしまう理由はここにあります。そう考えると、日本の夏は台風も上陸し、大変厳しい気候であることが分かります。
これらを考えますと、日本の夏は、ある意味ではアフリカ・スーダンよりも厳しいのかもしれません。

次の記事では、空気中の水蒸気・雲などで散乱する太陽光(散乱日射)も、室温などの温度上昇に影響することを、温度計測を行うことで確かめました。
直射日光だけでなく散乱光も室内が暑くなる原因・http://sab.co.jp/journal/diffuse-sunlight-influence/

気象データの出典:
日本の3地域は、気象庁ウェブサイト・気象統計情報の平年値。
世界の各地域は『平成24年 理科年表/国立天文台編 丸善出版』。
以上のデータをもとに、各グラフを私・柴好弘が作成しました。

なお、文中で「climograph」の読みを「クライモグラフ」と記しましたが、「クリモグラフ」という読み方も多いようです。
国際化が進む中で、カタカナ英語の弊害をなくすためにも、英語の発音に近い「クライモグラフ」としました。

自然の通風

自然の通風を得るために

機械に頼ることなく、自然の力で通風を得て換気するためにはどうしたらいいか考えてみます。

季節風をとらえる

気象データ・横浜・月ごとの平年値s日本国内でも地域によって、その季節に吹く風向きは異なるものです。
ここ神奈川県横浜市では、夏には南西方向からの風が多く吹きます。
天気予報で「本日は太平洋からの湿った空気が南寄りの風にのって・・・」という言葉を毎年何度となく耳にします。このような風は、正確には「卓越風」といいますが、日常生活ではあまりつかいませんね。(右表は「気象庁統計情報によりExcelにて作成)

風を室内に入れるためには出口が必要

この風を室内に導き入れるためには、風の入り口となる窓だけではなく、出口の窓を設けることが大切です。北側の窓は小さくなりがちですが、出口となる窓をほど良く設置しないと風は通り抜けてくれません。

風向きは季節風(卓越風)の向きに吹く?

weathercock家の回りには隣家や障害物がなければ、ほぼ季節風の向きに風が吹きますが、風上に隣家や大きな障害物があったり、道路などで風向きは変化してしまいます。

向きが少し変化した風を導く方法

南面は、開口部を設ければ特に工夫しなくても風は入ってくれるでしょう。しかし側面となる東・西面は袖壁状のもので風をキャッチするなど工夫が必要になります。
様々な具体例がありますが、長くなりますのでここでは触れません。

以上は風圧を利用した通風です。

温度差を利用した換気

風が吹いてないときでも、自然の力で換気をすることが可能です。

暖かい空気は上昇する

暖かい空気は上昇することをご存じだと思いますが、これを利用して室内の空気を排気することが可能です。暖かい空気には浮力が働きます。「熱気球」はその力を利用しています。

煙突効果

2003_1004_082802AAこのような空気が上昇する力を利用して、天窓などで排気し、その分を下側の窓から空気を取り入れます。この方法は、弊社事務所建物だけでなく、いくつかの実例で効果を確認しています。
(右の写真は「横須賀の家」での実例)

通風は大切。でも暖房・冷房も忘れてはいけません

風の通り道を最優先し、間仕切りのない大きな空間や吹抜などを設けることは、暖房や冷房にとっては効率が悪くなることが多く、全体を考えながら空間を設計することが必要になります。

自然の換気量はどれくらい?

自然換気量は計算できる

正確ではありませんが、上記の風による(風圧)換気と、温度差による換気の換気量を計算により求めることができます。

空気は重たい?

換気量の計算を行うとき、ベルヌーイの式というものが出てきます。
Bernoulli-equation
この一番左の項「(1/2)ρV2」流速(動圧)を用います。
この式にある「ρ:空気密度」の数値を入れて計算しますが、空気の密度はおよそ 1.2 [kg/m3](1メートルの立方体の空気重さが約1.2kg)と予想以上に重いことに驚かれると思います。

自然換気だけで大丈夫でしょうか

概略の自然換気量が求められたとしても風は不安定ですし、温度差による換気は、室内と屋外の温度が小さくなると共に換気量も小さくなります。
このように自然任せの換気は安定せず、換気量の調整が簡単ではないため「計画的な換気」には十分ではないと言えます。

風鈴しかし夏場に涼を得るための「風」は心地よいものです。
後日の記事にて「涼を得るための通風」を考えてみます。