日射と外皮の熱負荷 — 太陽の熱は、どの面から、どれだけ室内に入るのか

まず一言で

日射は、太陽が出す放射のうち波長の短い部分で、建物に入る熱のもとになる。夏は遮り、冬は取り入れるのが有利、と辻原は書く。要点は3つ。

• 地上の日射は、太陽から直接届く直達日射と、空で散乱して届く天空日射に分かれる。合わせて全天日射という。
• 面が受ける直達日射は、「光に垂直な面の量」に、光と面の角度で決まる係数（cos）を掛けたもの。北緯35度の夏至は、水平面が最大で、次が東向き・西向き。南向きは小さい。冬至は南向きが水平面より大きい（筆者の計算。快晴・直達日射）。
• 室内に入る熱の数え方は、窓と壁・屋根で違う。窓は「入射日射量×面積×日射熱取得率」。壁・屋根は、外気温に日射の効果を足した相当外気温度で熱貫流を数える。

外皮とは、建物の内と外を隔てる部分（屋根、壁、床、窓やドアなど）だ。建築研究所の用語定義（住宅版）も、外気等に接する天井（小屋裏や天井裏が外気に通じていなければ屋根）、壁、床、開口部などを外皮とする。冷房・暖房の負荷の全体は「熱負荷の考え方」で、壁の中の熱の通り方は「熱の移動」で扱う。

日射とは何か — 太陽から地上まで

太陽は約5,600 Kの高温の物体で、短い波長の放射で熱を送る（辻原万規彦・熊本県立大学の講義資料）。気象庁の「気象観測の手引き」は、太陽放射のうち、総エネルギーの約97%を占める波長0.29〜3.0 μmの部分を「日射」と呼ぶ。大気圏外で太陽光線に垂直な面が受ける強さは約1,370 W/m²で、太陽定数という（辻原）。

地上に届くまでに、日射は大気や雲で吸収・散乱・反射される。

• 散乱されずに太陽から直接届く日射が直達日射。
• 散乱して空全体から届く日射が天空日射（散乱日射）。
• 直達日射、散乱した日射、雲から反射した日射を合わせたものが全天日射（気象庁）。

曇りの日は、直達日射がほとんどなく、天空日射は届く（辻原）。日射量は、瞬間値を kW/m²、積算値を MJ/m²で表す。「日射量」といえば全天日射量をさす場合が多い（気象庁）。

なぜ、太陽が低いと弱いのか

直達日射は、大気を通る距離が長いほど弱まる。太陽高度 $h$ が低いほど、通る距離は長い（辻原）。辻原の資料は、快晴時の法線面（太陽光線に垂直な面）の直達日射量を、ブーゲの式で書く。

$J_0$ は太陽定数、$P$ は大気透過率（0〜1）。$P=0.7$ と仮定すると、夏至の正午（高度約78°）で約950 W/m²、朝6時ごろ（高度約13°）で約290 W/m²になる（筆者の計算）。辻原は、この式の値を理想的な計算値で、実際の観測値とは異なると断る。

これで、直達・天空・全天日射を言い分け、太陽が低いと直達日射が弱い理由が言える。

面が受ける日射は、向きで変わる

受ける量は、法線面の量にcosを掛ける

同じ光の束でも、面に斜めに当たれば、広い面積に薄まる。垂直に入射すれば単位面積あたりの量は大きく、斜めなら小さい（辻原）。面に入射する直達日射量（$J$ と書く）は、次の形になる。

$i$ は、光線と面の法線（面に垂直な線）のなす角（入射角）。式は、面の種類で具体的になる。

• 水平面：$J = J_d \times \sin h$（辻原 第13回の式に現れる形）
• 鉛直面：$J = J_d \times \cos h \times \cos(\text{方位差})$（建築研究所の算定方法の式と同じ形）

方位差とは、太陽の方位と面の向き（法線）の、水平面上でのなす角だ。真南の太陽に、真南向きの面なら0°で、$\cos 0° = 1$ になる。方位差が90°以上（太陽が面の裏側）のときは、直達日射は0だ。建築研究所の式も、方位差が90°未満で太陽が地平線の上にあるときに限る。

太陽の高さは、季節で変わる

太陽高度は、正午（南中）が最高になる。辻原の式 $\sin h = \sin\varphi \sin\delta + \cos\varphi \cos\delta \cos t$ に、正午の時角 $t=0$ を入れると、南中高度は $h = 90° - \varphi + \delta$ になる（筆者の変形）。$\varphi$ は緯度、$\delta$ は赤緯（太陽の位置が天の赤道から南北にずれる角）で、夏至は＋23°27′、春分・秋分は0°、冬至は−23°27′だ（辻原）。

向き別の終日の直達日射量

北緯35度、快晴、日の出から日の入りまでを積算すると、次のようになる（筆者の計算。辻原の式を使い、$P=0.7$ と仮定）。

• 夏至：水平面 ≫ 東西向き > 北東・北西向き > 南向き > 北向き。南向きが小さいのは、正午の太陽が高く（高度約78°）、光が鉛直面に浅い角度で当たるからだ。東西向きが大きいのは、朝夕の低い太陽の光が、ほぼ真横から当たるからだ（辻原も、日の出の頃の東面や日の入りの頃の西面は、壁面に垂直に日射を受けると書く。ただし辻原の向き別の記述は、天空日射を含む入射日射量についてのもの）。北向きにも少し当たるのは、朝夕の太陽が北寄りに来るからだ（辻原）。
• 冬至：南向き > 水平面 > 東西向き > 北東・北西向き ≒ 北向き。南向きが水平面より大きいのは、太陽が低いほど南向きの面に垂直に近く当たるからだ。北向きの鉛直面には、冬至の直達日射は当たらない（計算で0.0）。
• $P$ を0.6〜0.8に変えても、順位は変わらない。約0.87を超えると、夏至の南向きと北向きの順は入れ替わる（どちらも筆者の確認）。

実際の観測にもとづく例もある。盤用熱関連機器工業会（TECTA）のガイドラインは、東京地区の7月22日・快晴日の日射量を、一例として表にしている（原典は1953年の衛生工業協会誌で、古い）。表の値を1時間ごとの値とみなして合計すると（筆者）、次のようになる。

国の算定方法にも、向き別の比がある。建築研究所の方位係数は、水平面に入射する日射量の総量を1としたときの、その向きの面の比だ（暖房期・冷房期の期間全体の量。直達か全天かは出典が区別しない）。地域の区分6では、冷房期が上面1.0、東0.51、西0.50、南0.43、北0.34、暖房期が上面1.0、南0.94、東0.58、西0.52、北0.26で、南向きは上面より小さい。1日の直達の計算とは別の量だが、鉛直面で、冷房期は東西が南より大きく、暖房期は南が最大になる点は同じだ。

これで、夏と冬、向きごとの直達日射の大小を、太陽高度と入射角から説明できる。

窓から入る日射 — 日射熱取得率

日射がガラスに当たると、一部は反射し、一部は吸収され、残りは透過する。室内に入る熱は、透過した分と、吸収されて室内側へ伝わる分の和だ。建築研究所（住宅版）の用語定義は、面に垂直に入射する日射について、この和の、入射する日射に対する比を日射熱取得率（垂直面日射熱取得率）とする。辻原（2002年の講義資料）は、次の形で書く。

$\tau$ は日射透過率、$a$ は日射吸収率、$\alpha_i$・$\alpha_o$ は室内側・屋外側の表面熱伝達率（資料の語。「熱の移動」の総合熱伝達率と同じ量として扱うのは筆者の読み）。吸収された熱が、表面熱伝達率の比で室内側と屋外側へ分かれる形だ。仮に、$\tau=0.86$、$a=0.06$、$\alpha_i=9$、$\alpha_o=23$ W/(m²·K) とすると、$\eta=0.86+\frac{9}{32}\times0.06\approx0.88$ になる。3 mmの透明な板ガラスを思い浮かべた仮の値で、実測値ではない。建築研究所の表の単板ガラス（0.88）に近くなるように置いた。

窓から入る熱は、次の式になる。

$A$ は窓の面積［m²］、$J$ は窓面に入射する日射量［W/m²］。前の節の直達分に、天空日射なども加えた量を使う（辻原は第13回で、窓面の日射熱取得には水平面全天日射量を使うと書き、向きごとの換算は載せていない）。$\eta$ は垂直入射の値で、斜めの入射での変化（入射角特性）は、建築研究所の住宅用の式では考慮せず（非住宅では考慮する）、ここでも考えない。この式は日射だけを数える。温度差で通る熱貫流を足す話は「熱負荷の考え方」で扱う。

遮蔽係数は、3 mmの透明板ガラスの日射熱取得率（約0.88）を基準の1として、その窓の日射熱取得率を比で表したものだ（辻原）。

どちらも、値が大きいほど室内に入る熱が多い。遮蔽係数は、小さいほど遮蔽効果が大きい。

外付けのほうが小さい理由を、建築研究所の資料は書いていない。辻原の2024年の資料は、外側に付けるほうが有利な理由を問うだけで、答えは載っていない。2002年の資料は、外ブラインド・オーニング・庇による遮蔽のほうが、ブラインドやカーテンなどによる遮蔽より効果的と書くが、理由は書かない。当サイトの考え方では、外側で遮れば日射が窓に届く前に反射・吸収され、温まったブラインドの熱も屋外へ逃げる。内側なら、日射がガラスを通ったあとに受け止めるので、ブラインドが吸収した熱が室内に出る。

枠を含む窓全体では、ガラスの値に、木製・樹脂製の建具で0.72、それ以外（金属製、木や樹脂と金属の複合など）の建具で0.8を掛ける（建築研究所）。

これで、窓から入る日射の熱を、日射熱取得率と遮蔽係数から計算し、付属部材の違いを数字で比べられる。

壁・屋根から入る日射 — 相当外気温度

不透明な壁や屋根は、日射を透過せず、一部を反射し、残りを表面で吸収する。「熱の移動」と「結露と防露」の結びの問いに答えよう。日射を受けた面の熱貫流を $Q=K\times A\times\Delta\theta$（$K$ は熱貫流率。建築研究所の式では $U$）で数えるとき、$\Delta\theta$ に外気温をそのまま入れてよいか。そのままでは、日射の分を落とす。外表面は、外気より熱くなっているからだ（その温度は、やってみよう③で出す）。

外表面の熱収支を考える（標準的な考え方で、筆者の整理）。吸収した日射 $a\cdot J$ と、外気との熱のやりとり $\alpha_o(\theta_o-\theta_s)$ の和が、壁の中へ入る熱流 $q$ になる（$\theta_s$ は外表面温度）。

右辺は、「外気温が $aJ/\alpha_o$ だけ高い空気」に面した式と同じ形だ。この仮想の外気温を相当外気温度（SAT）という。

夜は、壁から天空へ長波長の放射で熱が逃げる（夜間放射。実効放射ともいう）。辻原の第4回の資料は、これも含めて次の形にする。

$\theta_o$ は外気温、$a$ は日射吸収率、$J$ は着目する面の全日射量（直達＋天空。第4回は $I$ と書く）、$\varepsilon$ は放射率、$R_n$ は夜間放射量、$\alpha_o$ は外表面の総合熱伝達率（「熱の移動」と同じ量。風で変わる〔辻原〕。「結露と防露」の外気側の表面熱伝達抵抗0.04 m²·K/W は、逆数が25で同じ桁）。辻原は第13回の資料で、その意味を、日射で温められた効果から、長波長放射で熱が逃げる効果を引いたものと説明する。同じ資料は分子を＋と書くが、説明に合うのは−の形なので、第4回の形を使う（筆者の判断）。昼は日射が圧倒的に大きく、実効放射の影響はほとんどなくなる（辻原）ので、以下の例では省く。

実効温度差は、相当外気温度と室温の差だ（辻原、2002年の講義資料）。壁・屋根の熱貫流は $Q=K\times A\times(\text{実効温度差})$ と書ける。ここでは、壁の熱容量による時間遅れは考えず、定常として扱う。

日射吸収率 $a$ は、面の色や材料で変わる。不透明な面では、反射率と吸収率の和が1だ。白い塗装は日射を反射し、黒い塗装は日射を吸収する（辻原）。TECTAのガイドラインは、鋼板の塗装で、白色系は0.2〜0.4程度、ライトベージュは0.5程度、褐色系は0.65〜0.8程度とする。保守がされないと、汚れで吸収率が次第に増える。

壁と窓を比べよう。建築研究所の式では、一般部位（壁、屋根など）の日射熱取得率は $\eta=0.034\,f_\alpha\,f_{sh}\,U$（$f_\alpha=a/0.8$、$f_{sh}$ は日よけ効果係数、$U$ は熱貫流率）。日よけなし（$f_{sh}=1.0$）、$a=0.8$、$U=0.8$（仮）なら $\eta=0.034\times0.8=0.0272$ で、単板ガラスの窓の0.88は約32倍だ。熱貫流率の小さい壁・屋根より、窓のほうが、日射の熱を室内に入れやすい。

これで、日の当たる壁・屋根の熱貫流を、相当外気温度を使って数え、色による違いも説明できる。

現場とつなぐ

屋外の制御盤も、同じ式で数える

TECTAの『屋外盤熱計算に関するガイドライン』（TECTA-G01、2015年）は、屋外盤の日射を、相当外気温度上昇 $\Delta T_m=a\times J/\alpha_o$（TECTAの記号は $I$）と、日射侵入熱量 $P_i=U\times S\times\Delta T_m$ で数える。計算例は、盤が幅600×高さ1,200×奥行400 mm、盤内発熱500 W、最高外気温度35℃、正面が真南、風速約0.3 m/s、太陽吸収率0.5、$\alpha_o=10$、$U=5$ W/(m²·K)（$U$ は熱通過率で、「熱の移動」と同じく $K$ と同じ量と読む。風が弱いので、$\alpha_o$ は建物の23より小さい）。東京の7月22日14時の全天日射量（上面980.2、南面261.7、西面523.3、東面・北面79.1 W/m²）で、日射侵入熱量は、合計192.4 Wになる。

冷却装置がないときの盤内温度上昇は、日射なしなら500÷(5×2.64)＝約37.9 K（筆者の計算）、日射ありなら(500＋192.4)÷13.2＝約52.5 K（TECTAの計算例）。外気35℃なら、盤内は約87.5℃になる。「熱の移動」の盤の例は日射なしの仮の例だった。屋外に置くと、日射の分が加わる。これはガイドラインの計算例の条件での値で、実際の盤の設計は、盤メーカーの資料と現地の条件で確かめる。制御盤の放熱の考え方は、当サイトのガイド制御盤の放熱設計と盤用クーラーの選び方にもある（このトピックの根拠には使っていない）。

窓の日射対策は、どこで受け止めるか

• 付属部材：単板ガラスで、外付け0.19、内付け0.62（窓の節の表）。
• 庇：南向きの窓では、夏の高い太陽の光を遮り、冬の低い太陽の光を通す（図1）。建築研究所の簡易式（住宅用、1〜7地域、冷房期）で、窓の高さ1,200 mm、庇の根元から窓の上端まで300 mm、張り出し900 mmとすると、取得日射熱補正係数（庇なしは0.93）は、南向きで0.45、南以外で0.64。同じ庇でも、南向きのほうがよく効く。
• 東西向き：低い太陽の光が横から入るので、庇では遮りにくい（筆者の説明）。辻原は、特に夏は日射遮蔽に気をつけ、できれば外部で遮るとする。

これらは、住宅の算定方法や講義資料の値で、管工事の設計で使う値と同じとは限らない。仕組みと向きの傾向をつかむために使う。

試験での出方とワナ

出題の型

令和8年度の問題Aの最初の問は、北緯35度の夏至の日に、鉛直面の向きで終日の直達日射量がどう違うかを比べさせる型だった。向き別の大小は、図2で確かめられる。熱負荷の計算に出てくる実効温度差の扱いを問う記述（問19）もあった（どちらも主題と形式のみ。問題文は転載しない）。

4つのワナ

1. 夏の日射は、南向きが最大と考える。 まず季節の南中高度を出し、面に当たる光の角度で考える。
2. 直達日射量、全天日射量、日照時間を混ぜる。 問題文が、直達だけか、天空を含むかを確かめる。
3. 日射熱取得率と遮蔽係数の大小を逆に読む。 どちらも、値が大きいほど室内に入る熱が多い。
4. 日の当たる外壁・屋根の熱を、外気温との差で数える。 外気温に日射の分を足した相当外気温度と室温の差（実効温度差。定常として）で数える。

冒頭の問いの答え合わせ

• 夏至の終日の直達日射量は、東向きと西向きが約9.4 MJ/m²、南向きは約3.0 MJ/m²（図2。筆者の計算、P＝0.7）。南向きは、東西向きの約1/3で、水平面（約25.9）の約1/9だ。これは直達だけの比で、天空日射を含む全天では、TECTAの表の合計で約1/2になる（筆者）。
• 窓のブラインドは、外付けのほうが室内に入る熱が小さい。単板ガラスで、外付けのηは0.19、内付けは0.62（建築研究所の表）。
• 日の当たる屋根の熱貫流は、外気温ではなく、日射の効果を足した相当外気温度で数える。濃い色の屋根（0.8）で上昇分は約28 K、外気温のままだと約5倍の見落としになる。

理解度チェックで、確かめてみよう。

（例題・図の数値は、プログラムで検算している。）

次の問い

窓から入るのは日射だけではない。室内外の温度差で通る熱もある。冷房の負荷には、このほかに、人、照明、換気で入る空気など、いくつもの種類がある。それぞれ何から生まれ、どう数えて足し合わせるのか。次のトピック「熱負荷の考え方」で、負荷の種類を整理する。