都市気象・人体熱収支連成モデルによる熱生理表現の妥当性の検証

都市気象・人体熱収支連成モデルによる熱生理表現の妥当性の検証

明星大学 理工学部 環境・生態学系

4

年

14T7-024 月岡 聖奈

指導教員 亀卦川 幸浩 1.はじめに

1.1 研究背景

近年、都市気象モデルは気象計算のみならず、

街区空間において人体表面に生じる放射・熱収支 を発汗等の熱生理過程までを加味し計算できる人 体熱収支モデルとの結合がなされてきている。こ のような人体熱収支まで考慮した気象モデルを用 いることで、体感温度指標のシミュレーションが 可能となりつつある。また、この種の気象モデル を用い、地球温暖化に加えヒートアイランド効果 による気温上昇で熱中症等の健康被害の深刻化が 懸念される都市域の健康リスク予測評価も試みら れている。

指導教員の研究グループは、その種の数値モデ ルとして、街区スケールの都市気象モデルに人体 熱収支を連成させた数値モデルである

CM-BEM- HBM（都市気象・人体熱収支連成モデル）を開発

した。人体熱収支モデル（HBM）には、人体熱生 理の代表的モデルである

Gagge

の

2

層モデル⁽¹⁾を 採用している。開発された

CM-BEM-HBM

で採 用している上述の

2

層モデルは、温度や風速等が 制御された室内実験での検証例は数多く存在する が、気象条件が複雑に変化する都市空間での観測 に基づく検証例は少ない。そこで、その種の検証 を試みた先行研究⁽²⁾⁽³⁾では、

2

層モデルによる皮膚 温度や発汗量の過大評価の問題点が指摘された。

加えて、都市気象モデル（CM-BEM）による気象 予測誤差が

2

層モデルの人体熱収支予測誤差にも たらす影響も解明されていない。

1.2 研究目的

本研究では、先行研究⁽²⁾⁽³⁾における屋外での気 象・人体熱生理の計測データを検証資料として用 いて、まず、Gaggeモデル単体による熱生理変数 の予測誤差の再検証を行う。次に都市気象モデル

（CM-BEM）による気象予測誤差が

2

層モデルの 予測誤差に与えている影響の解析を行い、最終的 には都市気象・人体熱収支連成モデル（CM-BEM-

HBM）の健康影響評価への適用性を明確にする。

2.研究概要 2.1 研究手法

本研究では、

CM-BEM-HBM

を先行研究⁽²⁾で実 測がなされた東京

23

区内の千代田区神田、文京区 西片地区に適用し、気象・熱環境実測結果⁽²⁾との

比較により当該モデルの検証を行う。

モデルの精度解析には、平均誤差(MBE)と二乗平 均平方根誤差(RMSE)を用いた。

2.2 モデルの概要

本研究で使用した

CM-BEM-HBM

の計算フロ ーを図 1に示す。

図 1 CM-BEM-HBMの計算フロー

CM-BEM-HBM

を構成する各サブモデルの概 略を以下に示す。

(1)都市キャノピー・ビルエネルギー連成モデル

（CM-BEM）

都市キャノピーモデル（CM）とビル・エネルギ ーモデル（BEM）の結合モデル。人工排熱を介し た都市気象と建物空調エネルギー需要の相互作用 過程を表現することが可能なモデル。

(2)人体熱収支モデル（HBM）

人体を深層部（core）と皮膚層（shell）の

2

層 に分けて考え、気象条件（気温・相対湿度・風速・

平均放射温度）と人体条件（クロ値・代謝量）に 基づき、熱収支と生理応答を予測する。体温調節 のための血流量変化や発汗量等の温熱生理現象、

皮膚表面・呼吸気道と大気間の顕熱・潜熱交換な どの各プロセスを通じて、深層部と皮膚層の温度 変化が計算される。

2.3 新標準有効温度 SET*

SET*とは、気象条件 4

要素（気温・相対湿度・

風速・平均放射温度）と人体条件

2

要素（クロ値・

代謝量）の計

6

要素の影響を総合的に評価し人体 の温冷感を表した指標の

1

つであり、日本では快 適性評価に利用されている。

3.結果

先行研究⁽²⁾⁽³⁾から、クロ値(着衣の熱抵抗の指標) と代謝量を実際よりも大きく見積もっていると考 え、クロ値を

0.6

（下着・Tシャツ・半袖ドレスシ ャツ・薄手ズボン・靴下）から

0.3

（下着・Tシャ ツ・短パン）に、代謝量を活動量（METs）の実 測に基づく推計値から時速

3.2km

歩行時の一定値

（116.3W/m²）に変更し、平均皮膚温度の実測値 と計算値の比較を行った。その結果を図

2

に示す。

同図は、東京都千代田区神田地区での

2014

年

9

月

4

日の解析例であり、実測された被験者

4

名の 平均皮膚温度の時系列を

CM-BEM-HBM

による 計算値と比較したものである。また、表 1は図 2 内の計算値のケース設定を示したものである。先 行研究⁽³⁾では、

HBM

による皮膚温度の過大評価が 指摘されおり、誤差の要因はクロ値と代謝量にあ ると考え、再検証を行った。

RMSE

でみて

3.09℃

であった先行研究での誤差はケース➀では

0.92℃

の誤差まで低減できた。

図 2平均皮膚温度の比較(実測値.vs.計算値)

表 1 図 2 内の計算ケース設定

設定

クロ値 代謝量 気象条件 先行研究 0.6 METsからの推計 実測 ケース➀ 0.3 時速3.2km歩行想定 実測 ケース➁ 0.3 時速3.2km歩行想定 算出

さらに、本研究では

CM-BEM

で算出した気象条 件 4 要素を

Gagge

モデルの入力値として用いて、

SET*と皮膚温度を計算した。この結果をケース➁

とし、気象条件を実測で与えたケース➀と皮膚温

度と

SET*の再現性を比較した。以上のケース➁

に加え、それぞれの気象要素を単独で実測値から 計算値に変更するケースも解析した。その結果を 表 2 に示す。表内の数値は、皮膚温度については 実測、

SET*についてはケース➀を基準として解析

した数値である。また、算出した気象条件と先行 研究⁽²⁾で観測した気象条件との比較も行った。

その結果を表 3 に示す。

表 2 実測値と計算値の比較(神田地区)

ケース名 SET*(℃) 皮膚温度(℃)

RMSE MBE RMSE MBE

先行研究 3.09 3.00 ケース➀ 0.92 0.77 ケース➁ 2.40 -1.83 0.56 0.28 ケース➁(気温)^※ 1.18 -1.16 0.73 0.50 ケース➁(風速)^※ 2.07 1.34 1.08 0.98 ケース➁(湿度)^※ 0.45 -0.44 0.88 0.73 ケース➁(放射)^※ 1.51 -1.50 0.62 0.37

※()内は変更した気象要素

表 3 気象条件の実測値と計算値の比較(神田地区)

気温 (℃)

風速 (m/s)

相対湿度 (%)

平均放射温度 (℃)

MBE -0.86 -0.68 -6.21 -4.74

CM-BEM

で算出された気象条件は、観測された気 象条件を神田地区では全項目について過小評価し ている。このことから、Gaggeモデルで計算した 皮膚温度が、先行研究よりもケース➁のように実 測値に近づく結果になったと推測される。

4.考察

SET*は温冷感と快適感から表される体感温度

の指標で、5.0℃刻みで一般的に使用されている。

神田・西片における気象条件を全てシミュレーシ ョン値にして求めた

SET*の各 RMSE

は約

1.0～

3.0℃の間であった。したがって、 CM-BEM-HBM

は

SET*を予測する実用モデルとして致命的では

ない誤差範囲内の精度を有するモデルであると考 える。

5.今後の課題

各気象要素を実測から計算値に変更する

SET*

の感度解析の結果、風速が

SET*に対して最大の

感度を示した。都市気象モデルによる

SET*等の

体感温度の予測精度改善に向けては、気象モデル による風速の予測精度の改善が必要である。

6.参考文献

(1) Gagge, A.P., Fobelets, A.P. and Berglund, L.G. (1986): A standard predictive index of human response to the thermal environment,ASHRAE Transactions, Vol.62,pp.709-731 (2) 園城千恵美、都市空間での微気象・人体熱生理の計測実験、

明星大学卒業論文、2014

(3) 鹿島歩、人体熱収支モデルによる熱生理表現の妥当性の検討、

明星大学卒業論文、2015