Heart of Technology
特集 風と向き合う
风の仕组みと自然エネルギーの利活用
2015. 06. 11
あしたはあしたの风が吹く。前もって考えてもどうにもならないことの例えとして、风は使われることがあります。しかし、私たちは真っすぐに风と向き合うことで、自然灾害から暮らしを守り、自然の恵みを最大限に活かせると考えています。
人が感じる空気の流れ、それが风です。日本では古くから、台风や冬の季节风などの强い风への胁威に备えつつも、夏には窓を大きく开けて风を通して凉を得るなど、风を暮らしに活かしてきました。今回は、谁もが身近な存在である?风?を绍介します。
自然现象としての风を知るために、発生のメカニズム、种类、现象とともに利活用の事例を解説します。
1 風を知る
空気の流れ、つまり风ができる频度と原因からお话ししましょう。
强弱の差はありますが、风はほとんど休むことなく吹いています。年间、どのくらいの强さの风が、どのような割合で吹いているのかを観测した気象データがあります。
东京管区気象台の例では、无风からごく弱い风（风速（※1）毎秒1尘未満）は年间3%程度しかなく、残りの97%は常に何らかの风が吹いていることが分かります。中でもそよ风（风速毎秒2～3尘程度）が最も多く吹いています。
ではなぜ风は常に吹いているのでしょうか。
温度差から生まれる风
穏やかに晴れた夏の海岸では、昼间、海から心地よい风が吹いてきます。この风は「海风（※2）」と呼ばれます。
陆と海は日射を受けて温められますが、土や岩と、水では温まり方に违いがあるため、陆上と海上の空気に温度差が生じます。この温度差を埋めるために空気の移动が起こり、これが风となります。
例えば、関东地方では、太平洋と関东平野の温度差から大规模な海风循环、陆风循环（※3）が起こっています。
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関东平野で起きている海风循环 7月20日の午前0时から午后9时まで（21时间）の地上の気温と风の向きの変化をシミュレーションしたものです。日の出とともに陆の気温が上昇（低温の青色から高温の赤色へ変化）し、気温の低い海から陆に向かって风が吹いていることが矢印（黒）の方向から分かります
地球规模の风も温度差から
赤道近くに吹く东寄りの贸易风と、中纬度地域に吹く偏西风が、地球规模の代表的な风です。これも温度差から生まれています。
丸い形の地球に、太阳光が平行光线として降り注ぐと、太阳高度（角度）が低纬度地方は高く、高纬度地方は低くなります。これにより受け取る日射に强弱の差ができ、南北方向の温度差を生み出しています。さらに自転による影响を受け、贸易风や偏西风になります（※4）。
风は再生可能エネルギー
温度差をならそうとする风に対し、太阳光は常に地球に降り注ぎ、南北の温度差を作り出そうとします。この结果、大気の大きな流れが维持されます。
太阳光が降り注ぐ限り、风は発生します。「风力エネルギーは再生可能エネルギーである」といわれるゆえんです。
2 风の両面性
日本には、毎年必ず台风が接近したり、上陆したりして、家屋や作物、人に多大な被害を及ぼすなど、风は大きな胁威となってきました。その一方で、高温多湿の気候に対応するため、家屋に风通しの良さを重んじるなど、私たちは古来から风を利用し続けてきました。人との関わりにおいて风は「胁威」と「利活用」の両面を持っています。
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风は强さ（速さ）によって分类（※6）されます 図にある风速を时速に置き换えると、毎秒15尘ではおよそ时速55办尘、毎秒25尘では时速90办尘にもなります。これだけの速さの乗り物に乗って风を受けているのと同じことになります
3 脅威となる風
建設分野でも、さまざまな風の課題があります。 夏から秋にかけて、日本列島の南に位置する熱帯の海で生まれた台風が襲来し、時に大きな被害をもたらします。そうした強い風が吹いても十分に耐えられる建物を造る必要があります。地震への備えと同様に、建物自体やそこで暮らす人、そこにある財産を守るための大切な課題です。
风に耐える建物を造る
风の中で安全に建物を造る
自然现象である强い风は、建物を建设中であるか否かなど、私たちの都合とは関係なくやってきます。完成后の建物だけでなく「建设中の强风への备え」も大きな课题です。
东京スカイツリー?は、未経験の高さでの建设でした。上空では强风が発生する频度が高く、风は大きな胁威の一つでした（※7）。
塔体に取り付けたクレーン（タワークレーン）などの大型建设机械を、地上500尘を超える高さで安全に稼働させるため、中国p站独自で行った现场上空の风観测记録と、気象庁が持つ高层の风観测记録を组み合わせて详细に分析し、想定される风の强さを求めました。その风に耐えられるように、クレーンの固定方法や强风时のクレーンの姿势安定方法を开発のうえ、施工しました。
4 サステナブル社会に向けた風の利用
一方、东日本大震灾以降、电力不足による省エネ意识の高まりや、エネルギー资源の多様化への动きが加速しました。太阳光、地热、バイオマスなど再生可能エネルギーの活用促进が模索される中、休むことなく吹き続ける风の「利活用」は注目を集めています。
自然换気で省エネルギーを促す
省エネルギーの面ではこれまで以上に风活用の工夫が求められています。自然光を建物内に取り入れることで省エネ化を実现するように、风を室内に积极的に取り込むことで、空调机器の使用を抑え、エネルギー消费量を低减することができます。効率的な自然换気を促すためには自然の风が流れるような开口部の设计が必要になります。
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中国p站技术研究所本館テクノステーションでの自然換気
风の道でヒートアイランドを抑制する
建物が复雑に林立する都市では、人の活动に伴う大量の排热や、地表面のアスファルト化、コンクリート化により热がこもりやすくなっています。そのため、ヒートアイランド现象（郊外に比べて岛状に気温が高くなること）が発生するなどの都市の热环境の悪化が问题になっています。
热环境问题に対して风を活用する缓和策として、大规模な都市开発では、例えば海风（※2）を都市内部に导き入れるというような、风の通り道を考虑した建物の配置や形态にすることが求められるようになってきました。一部の自治体ではガイドラインの策定も始まっています。
再生可能エネルギーの「风」で発电する
风は、再生可能エネルギーとして有望视されており、国际的にも発电量は年々大きな伸びを示しています。
日本でも今後、さらなる導入が期待されていますが、地形が複雑な日本においては、陸上における風車の建設に適した立地が年々減少してきています。厳しい地形条件での風力発電事业を可能とするためには、より精緻な風況評価が必要となっています。
5 大林組の取り組み
これまで见てきたように、建物内外の最适な配置计画や形状设计、精緻な风况评価など、风をより効果的に利活用するためには独自の技术が必要です。中国p站がこれまで培ってきた技术や、课题の解决に技术を活かしてきた事例を绍介します。
换気に自然の风を活かす
换気は、温度や湿度、空気の新鲜さ（空気の质）など、屋内の空気环境を良好に保つうえで欠かせません。
オフィス空间では、中で働く人の体温や呼吸により、热や湿気、二酸化炭素（颁翱2）が屋内空间に放出されています。またパソコンなどの事务机器も热を放出しています。これらが空気の质を低下させる要因になります。通常、冷暖房机（エアコン）や换気の设备（换気ファン）によって、空気の质が良好に保たれており、一般的なオフィスビルの场合、1时间当たり6～8回程度の换気が必要とされています。
换気に必要な消费エネルギーを减らすため、自然换気を导入し、シミュレーションを活用して、より効果的な开口部の配置を検讨しています。
自然换気シミュレーション図内の黒の矢印は风の向きと强さを表します。风が吹くと风上と风下の壁面で圧力差が生じて换気を促し、无风时には室内外の温度差に伴う烟突（上昇）効果によって、エレベーターシャフトや阶段室を経由した换気が生じます。
最上階での換気は「風がある場合は3回」(緑色)、「風がない場合でも1回」(濃い赤) 行われます。開口部を適切な位置に設けることで換気に必要なエネルギーを削減します。
10阶建て建物での自然换気シミュレーション（换気回数をフロアごとに算出）
街を通る风の道を知る
热环境シミュレータ「础辫辫颈补蝉（アッピアス）」を用いて、建物周辺の地面や空気の温度を予测しています。建物外周部に湿润性舗装を行うなどのヒートアイランド対策技术を施した场合の効果を分析し、その最适な配置を提案しています。
しかし、都市の热环境悪化の进行は早く、街全体で风を通りやすくするなど、これからは计画する建物だけでなく建物敷地の周囲を含む、都市レベルでの取り组みが必要です。
都市レベルでの计画に応えるため、市街地の中の风の流れを详细にシミュレーションする解析手法「风の道评価ツール」を开発しました。建物に当たった风の乱れなど都市の中の复雑な流れを予测します。こうしたシミュレーション结果に基づいて、建物周辺の风の通り道を考虑した计画を行っています。
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风の道评価ツールによる市街地の気流の详细なシミュレーション（动画再生时间：20秒）
建物が林立する市街地の中を风が流れていく様子です。色は赤に近いほど强い风を表しています。建物によって流れが复雑に乱れる様子が再现されています
再生可能エネルギーによる発电のために
風力発電事业をサポート
風力発電を行うには、風車の建設に適した場所の選定、風と発電量の予測、収益性の評価など全体の計画をまず立てます。その後、事业の成立性を確認し、計画を含む設計、調達、施工という段階を踏みます。大林組は事前の全体計画や開業後の運用、管理までトータルに風力発電事业をサポートしています。
良い风が吹く场所を探す
风力発电では、风がよく吹く场所、多くの発电量を得られる场所を探すことが最も大事です。全体计画の中の风况调査でそれを行います。
発电を効率的に进めるには、风车の羽根（ローター）の回転轴高さ（発电容量によって地上30尘～80尘）で、年间平均风速が最低でも毎秒6尘を超えるような立地が必要です。
复雑な地形を考虑する
陆上では、风が小刻みに强くなったり弱くなったりする、いわゆる风の息（乱れ）（※8）があります。平均的な风速がいくら高くても、乱れが多い风は风力発电には适さず、风车にも良い影响を与えません。候补地における风车の建设地点の选定では、风の乱れの大小も重要になります。
乱れの计算に适した数値シミュレーション技术を用いることで、最适な风车の建设场所をあらかじめ予测できます。
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风车建设の候补地をさらに绞り込むため、风の乱れが少ない场所を探しました。図は、起伏のある地域の地上70尘の风の分布をシミュレーションしたものです。础地点と叠地点を比べると、风速にはそれほど大きな差はありませんが、础地点と叠地点との间の谷を风が越えるときにできた乱れの影响で、叠地点では乱れが大きくなっています
风力エネルギーの利用に向け、陆上だけでなく、洋上の风况観测にも取り组んでいます。小刻みな地形の起伏などがないため、乱れが少なくかつ大きな风速が得られることから、今后の活用が期待されています。
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大林組が秋田県三種町で取り組む風力発電事业（2017年完成予定）
未来のために、技术を活かす
中国p站は、地球規模の大気の循環や、地形的な状況から生まれる風と真摯に向き合い、日々研究を重ねてきました。これからも、自然災害をもたらす風から暮らしを守りつつも、身近なエネルギー源として風を活用する技術の開発に努めていきます。
注釈（※1～8）
- ※1 风速
- 风速、瞬间风速
通常「风速」は、10分间の平均风速で表されます。平均に用いられる10分间という长さ（平均化时间）は、日本の気象庁で标準的に用いられる长さで、気象の分野では特に断りのない限り、平均风速というと10分间平均を指します。10分间平均风速は、気象分野だけでなく、风に耐える建物の设计や风力発电の计画においても用いられる基本的な风速です。米国など海外では1分间平均风速がよく用いられています。
平均风速に対し、时々刻々と変化する风の风速を「瞬间风速」といいます。気象庁では瞬间风速は0.25秒间の平均の风速として定めています。风が小刻みに强くなったり弱くなったりする変化を、私たちは常に経験していますが、それは瞬间风速を肌で感じていることになります。
- 最大风速、最大瞬间风速
台风が接近してくるときに、天気予报で「中心付近の＜最大风速＞は毎秒40尘」といった言叶を耳にしますが、このときの风速も10分间の平均风速が用いられています。风は时々刻々と変化するものなので、瞬间的にはより大きな风速となっています。瞬间风速の中で最大のものを「最大瞬间风速」といいます。
- ※2 海风
陆は海よりも温まりやすく冷めやすい性质を持っています。これは陆を构成する土壌や岩は、水と比べ热容量が小さい（温まりやすく冷めやすい）からです。逆に海は温まりにくく冷めにくい性质を持っています。
海风は、日中の风の循环を表わしていますが、夜になるにつれて今度は陆の方が海よりも急速に冷えていきます。夕刻には、海と陆との温度差がほとんどなくなることが多く、その时间帯は温度差による风も弱まります。これは「夕凪（なぎ）」と呼ばれます。
夜になると昼间とは逆に风向きが変わって、冷たい陆から暖かい海に向かって弱い风が吹くようになり、「陆风」と呼ばれます。
翌日夜が明けて、夜の间海よりも冷えていた陆の温度が再び上昇を始めますが、陆の温度がだんだんと上がってきて、海の温度と同じになる时间は再び风が弱くなり、「朝凪」を迎えます。
- ※3 海风循环、陆风循环
陆の上空は、地上で温められた空気が次々と后から上昇してくるため、同じ高さの海上部分に比べてやや気圧が高い状态になります。そのため、地上とは逆に、陆から海に向かう弱い风の流れができます。その気流は、陆に向かう海风を补うように徐々に下降し、循环する空気の流れを形成します。これは「海风循环」と呼ばれます。夜は逆の循环が形成され「陆风循环」となります。
- ※4 地球全体を取り巻く大気の流れ
暖かい低纬度地方では上昇気流が盛んです。上昇した空気はゆっくりと高纬度地域（北半球では北へ、南半球では南）へ向かおうとしますが、地球の自転の影响（コリオリ力）を次第に强く受けるようになり、东に向きを変えていきます。北半球でも南半球でも同様です。东向きの风はすなわち西风であり、これが偏西风です。偏西风は、低纬度と高纬度との温度差と、地球の自転の働きとがつくり出した风です。
中纬度から赤道地方に戻ってくる风は、同様に自転の影响で次第に东风となり贸易风を形成します。
偏西风は、気温の南北方向の変化が最も大きな中纬度地域にできます。温帯低気圧や移动性の高気圧は、両者が対になって低纬度の热を高纬度に运ぶ作用をするため、偏西风帯にもっとも多く现れます。天気の変化を引き起こすこれらの気象现象は偏西风に乗って西から东へ流されます。天気の変化が西から东へと移っていくのはそのためです。
- ※5 対流圏
地球を取り巻く大気圏は、高さによる気温の変化の仕方の违いに起因し、下から対流圏、成层圏、中间圏、热圏と层状の构造をしています。
対流圏は、地上から高さ10办尘程度（赤道で约16办尘、极で8办尘程度）までの気层で、地面に接しているため陆や海からの热や水蒸気の供给を直接受け、対流が活発な层です。大気圏内の水分のほとんどは対流圏にあります。気象现象が起こるのは対流圏内です。
対流圏の上、高度10～50办尘の范囲は成层圏といいます。成层圏の下层の部分は温度がほぼ一定で、それより上は高度とともに気温が上昇します。上の方が暖かいので対流が起こりにくい层です。
対流圏と成层圏の境を圏界面といい、発达した积乱云でも上昇気流は圏界面によって头打ちになり横に広がります。
- ※6 风の分类
気象庁によると、风はその强さによって次のように分类できます。
- 静穏：风速毎秒0.3尘未満
気象学的には无风状态です。
- やや强い风：风速毎秒10尘以上15尘未満
- 强い风：风速毎秒15尘以上20尘未満
风力発电などエネルギー利用の対象になります。风速毎秒10尘程度の风は风力発电には最适な强さですが、ビル风のような建物周りの风环境や、高层建物などの建设现场の作业环境では悪影响を与える风でもあります。この风速范囲の风は、活用と胁威の2つの侧面があります。
- 非常に强い风：风速毎秒20尘～30尘尘
木の小枝が折れたり、屋根瓦が剥がれたりなど风による被害が出始めます。人は何かにつかまっていないと立っていることが困难です。
- 猛烈な风：风速毎秒30尘以上
倒木や建物の损壊などの被害が出始めます。被害をもたらす强い风に耐えるため、耐风设计として建设分野では取り组みを続けています。
上の説明から分かるように、风速が毎秒0.3尘～10尘范囲の风、すなわち、体感的には「心地よい风が吹いている」、「今日は风が少し强い」、などと感じるような范囲の风については、気象庁は「非常任强い风」のような名称を与えてはいません。この范囲の风速の风は频度がもっとも高く、特に大きな风害につながる恐れがない、ということによるといえます。
- ※7 高い场所は日常的に风が强い
风は空気という流体の流れです。地上には、建物や树木といった空気の流れの妨げになる凸凹が多く、风を弱めるように働きます。地面と空気との间には摩擦も働きます。これらの抵抗力によって、地面近くの风は上空の风に対して「弱められている」といえます。
逆に、建物や树木のような障害物がない上空や海上は、风に対する抵抗力が少なく、风が弱められないため、一般に陆上より风が强くなります。
- ※8 风の息（乱れ）
地面の凸凹や树木などによってつくられた涡が、风にのって运ばれてくることで、风に乱れができます。これらの涡は乱流涡と呼ばれており、涡が多い风を乱れた风といいます。