都市が広域化し,都市のアクティビティーが高まるにつれて,都市環境へは様々なインパクトが与えられるようになる。大気汚染・水質汚濁等はそれらの原因物質を技術的に除去することが可能であるが,エネルギー消費に伴って発生する都市人工排熱については,原理的にこれを除去することができず,環境中へ放出されることになる。また都市の人工排熱は,アスファルト等地表面の人工的な被覆と並んでヒートアイランド等都市特有の局地気候に寄与しており,最近では数値シミュレーションでもこのことが裏付けられている。

　一方,気象学の分野における都市大気のモデリングの近年の発展はめざましく,総観規模条件,地表面境界条件等を与えることにより,その日変化がかなりの精度で再現されるようになってきている。地表面の特性を与える境界条件の精度もそれに比例して向上させることができるならば,土地利用の改変や人工排熱を通じ,人間活動が都市の熱環境に与えるインパクトをより正確に評価し得るであろう。また,都市構造や人間活動の制御がどの程度こうしたインパクトを軽減し得るのかを定量的に明らかにするためにも,地表面境界条件の重要な要素である都市人工排熱の詳細なデータを,ヒートアイランド等の数値シミュレーションに反映させていくことが必要である。

　では現在,都市の熱環境を緩和する実用的な手法にはどのようなものがあるのだろうか。緑地や水面の導入・拡大を通じ,顕熱の蒸発潜熱への転換をはかることなどが一般的にうたわれているが,直接的な省エネルギー(人工排熱の抑制)も重要である。北欧等ではその気候特性故古くから実用化されている河川水ヒートポンプを用いた地域暖冷房に対し,近年電力会社を中心として国内でも実用化が試みられている。また,下水道や清掃工場,地下鉄等からの都市排熱を有効利用する試みも大都市を中心に行われ,地域暖冷房システム導入による省エネルギー効果,大気汚染物質排出抑制効果などが試算されている。しかし具体的な地域を対象として都市排熱有効利用の可能性を議論するためには,熱需要・排熱供給の時空的整合性の解析などが必要である。

　人工排熱のソースであるエネルギー消費そのものについては,従来国レベル,地方レベルでの解析例はある程度存在するものの,都市レベル,とりわけ都市の内部における時空間分布構造の解析は,エネルギー消費量の計測を通じた広域的な現地調査が困難であるためかほとんど行われていない。しかし,都市のエネルギー消費活動の熱環境インパクト評価や,都市内未利用エネルギーの有効利用可能性の検討に当たっては,エネルギー消費の時空間分布構造の把握は必要不可欠である。そこで本研究では,都市内の個別地域において逐一エネルギー消費量の測定を行うのではなく,土地利用等のメッシュデータ(細密地理情報)を活用し,エネルギー消費量の原単位(単位床面積当たりなど)を積算することにより,都市におけるエネルギー消費の時空間分布構造を定量化することとした。

　本研究においては,細密地理情報及び各種の原単位によって求められた東京23区におけるエネルギー消費の時空間分布構造にもとづき,これを高精度な地表面境界条件としての人工排熱データとして局地気象モデルに入力し,人工排熱の時空間分布構造が都市の熱環境に与える影響の評価や,エネルギー消費量抑制シナリオの効果の評価を行った。また,これを熱需要分布データとしてGIS(地理情報システム)に入力し,熱需要と排熱供給の時空的整合性の解析等にもとづいて,東京23区における下水熱有効利用のための最適施設配置を検討した。

　第1章及び第2章では都市におけるエネルギー消費及び都市の熱環境をとりまく諸問題を提示し,それらに関する既往の研究の整理を行った。また問題の解決に当たっては,都市のエネルギー消費活動の熱環境インパクトの評価や,都市内未利用エネルギーの有効利用可能性の検討が必要であり,そのためにも細密地理情報を活用したエネルギー消費の時空間分布構造の把握が必要であることを解説した。さらに,それらを踏まえて本研究の方向づけを行った。

　第3章では,局地気象モデル地表面境界条件の高精度化や都市内未利用エネルギーの有効利用を考慮した最適施設配置の検討を目的として,東京23区におけるエネルギー消費の時空間分布構造を詳細に記述する試みを行った。東京23区における消費部門別・業種別・用途別・燃料種別のエネルギー消費原単位のデータセットを作成し,さらにそれを季節,時刻へと分割した。次に細密地理情報をもとに,東京23区における人工排熱のマッピングを行った。またその季節変化・日変化をCGアニメーションの形に表現した。昼間の都心には400W/m²以上の領域が広がり,とりわけ冬期の新宿副都心において最大1,590W/m²の排熱が計上された。その半分はオフィスやホテルにおける給湯によるものである。一方住宅地域では21:00に最大となり,30W/m²前後に達する。この細密地理情報からは人工排熱のみならず,都市の風通しに影響する地表面粗度等の地表面パラメーターを求めることも可能である。500mメッシュ毎の地表面粗度の分布を風向別に求めたところ,約2m強の最大値が新宿副都心において得られた。

　第4章では,エネルギー消費を通じて都市構造・人間活動が,それぞれどの程度ヒートアイランド等都市特有の気候に寄与しているのかを定量化し,都市の熱環境を緩和する手段としてのエネルギー消費量削減等の有効性を検討するため,東京23区をフィールドとして局地気象モデルによる数値シミュレーションを行った。細密地理情報にもとづいて都市気候数値シミュレーション地表面境界条件の高精度化をはかることにより,人工排熱の時空間分布構造が都市の熱環境に与える影響の評価が可能となった。夏期においては日中海風が強く,明瞭なヒートアイランドは形成されないが,23時頃にのみ新宿付近を中心とする小さなヒートアイランドが見られた。冬期は日射が弱く海風も弱いため,夏期よりも明瞭なヒートアイランドが終日現れ,周辺との気温差は最大で約2.6℃に達した。また20時頃には人工排熱量の多い大手町,新宿,池袋に二次的なヒートアイランドが認められた。都心部における人工排熱の影響は夏に最大1.5℃,冬に最大2.5℃と見積もられたのに対し,地表面被覆の寄与は夏期・冬期ともに最大約1℃と見積もられた。給湯用エネルギーの50%及び冷房用エネルギーの100%を削減した場合の効果は最大で-0.5℃に過ぎず,地域暖冷房の普及による熱損失の軽減のみでは都市気候の緩和は困難であり,建物の断熱性やOA機器・家電製品の省エネルギー性の向上による暖房用及び動力用エネルギー消費の削減が重要であると考えられる。

　第5章では,代表的な未利用エネルギーである下水から得られる温熱エネルギーを都市内で有効に再利用するためのヒートポンプ等の立地について,熱需要と排熱供給の時空的整合性のGISによる解析をもとに,東京23区をフィールドとした最適施設配置の検討を行った。このGISは,250mメッシュ毎の熱需要量の計算,下水道幹線結合点メッシュにおける下水流量の計算,結合点及び周辺メッシュにおける下水熱回収可能量等の計算等を行うことができる。回収地点周辺1,250m四方を供給対象領域とした場合のトータルの利用可能熱量が最大となるような回収施設の最適配置を検討した。利用可能熱量の多い落合,三河島処理区では幹線が長く回収候補地点が多い。また20(Gcal/時)以上の温熱需要量を示す地点が多いため,ヒートポンプ1基当たりの利用可能熱量も多い。しかし,流量そのものにはあまり関係がないようである。中川処理区の場合は幹線が主に住宅地を流下しており,沿線の温熱需要そのものは小さいが,幹線が長く回収候補地点も多いため,結果的に利用可能熱量は多くなっている。

　本論文は「細密地理情報にもとづく都市のエネルギー消費と都市熱環境の解析」と題し、現在の都市において重要な課題とされている外部環境への負荷の軽減と高い質の都市環境の確保に対して、東京23区の細密地理情報を用いた解析結果をまとめたものである。都市単位でのエネルギー消費の解析は従来十分に行われておらず、国の単位で推定されるか、逆に個別のエネルギー消費について推定されるに留まっていた。本研究ではシステムとして都市を捉え、都市の土地・建物利用の情報を基にしてエネルギー需要の面的分布を求めた。それと並行して都市内に敷設されている下水幹線に集水される下水流量を基にして下水熱賦存分布図を求め、その両者を比較することによって都市内での下水熱利用の有効性を評価した。一方、都市熱環境を左右する土地の被覆状況と人工排熱分布を細密地理情報によって求め、それを都市の局地気象モデルに入力して、人間活動の面的な分布が都市熱環境に与える効果を評価した。これらの成果は、都市内でのさまざまな人間活動の面的な分布を考慮して初めて得られるものであり、従来の研究になかった新しい面を開拓したものといえる。

　本論文は全部で6章から構成されている。

　第1章は緒論であり、本研究の背景と目的を述べている。

　第2章ではこれまでに都市熱環境に関連して主として土木工学の関連分野で行われた研究をまとめている。

　第3章ではまず、時刻別の床面積当たりのエネルギー消費原単位を消費部門別、業種別、用途別、燃料種別にこれまでの実態調査などの値を基に設定した。これに対して東京23区の土地利用、建物利用(用途と階高)についての細密地理情報を組み合わせて、東京23区内のエネルギー消費の面的な分布を詳細に求め、これによって人工排熱分布を求めた。その結果、都心部では人工排熱が太陽熱に匹敵する400W/平米以上の領域が広がっており、住宅地域では30W/平米前後であることを示した。従来、都市内の人工排熱の面的な分布は把握されておらず、都市平均として得られていた人工排熱量が太陽エネルギーに比べてかなり小さいことから、人工排熱が都市熱環境に果たす役割は小さいとも考えられてきた。しかし、今回の研究は都心部では東京の平均値よりもはるかに高い密度の人工排熱が放出されていることを定量的に示したものである。本章で得られている結果は、本論文で行われているような熱環境の解析や未利用エネルギー活用の需給関係の検討に用いることが出来るのはもちろん、他にも様々な利用が可能と考えられる。その意味で、ここで得られている結果自体はもちろん、用いた手法自体にも今後の研究の進展に資する価値があるといえる。

　第4章では東京23区に対して局地気象モデルによる数値シミュレーションを行っている。このモデルには1kmのメッシュ単位で土地利用と人工排熱量を入力した。従来の都市気象モデルのシミュレーションは実際の都市内の土地利用や人工排熱の分布を与えずに行われていた。それに対して本研究のシミュレーションは、土地利用の面的な分布と、人工排熱の面的分布及び時間変化を与えて計算したことに特徴がある。シミュレーションの結果、特に人工排熱密度が高い地域で高温域が出現するという結果を得ている。また、実際の都心部での熱収支を解析して熱環境を形成する基本の熱の動きを把握している。更に、仮想的なシミュレーションの結果、人工排熱削減だけでは都市の熱環境の大幅な改善は容易ではないことを著者は示している。

　第5章では、未利用エネルギーとして有望視されている下水熱を有効に用いるための検討を行っている。下水熱は質は低いものの下水幹線沿いの任意の地点で回収し、ヒートポンプを介して地域冷暖房に活用することが原理的に可能である。本研究では東京23区内の下水幹線の情報と土地利用情報から下水幹線沿いの結節点毎に下水量を計算し、それを基に下水熱賦存量を算出した。これと第3章で求めた熱需要分布を比較し、実際の東京内で下水熱を利用した地域冷暖房システムを設量する場所についての適否を検討した。より現実的な検討として、幹線沿いに複数回下水熱を回収する可能性をも検討している。このように、熱賦存量と熱需要から適正と思われる候補地を選び、次に、それぞれについてライフサイクルアセスメントにより環境負荷軽減効果を算定した。下水熱を利用した地域冷暖房システムは経済的な面が導入にあたっての問題点になっているが、本研究によって実現可能性と環境負荷軽減効果が具体的に示されたことの意義は大きい。

　第6章は結論である。

　以上要するに、本論文は都市の物質代謝の重要な要素であるエネルギーと熱に関して細密地理情報システムを用いて解析した先進的な研究であり、都市環境工学の分野の発展に大いに貢献する成果が得られている。

　よって本論文は博士(工学)の学位請求論文として合格と認められる。