Development and application of advanced modeling of CO2 footprint in the urban environment

• Project/Area Number: 23KF0202
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 外国
• Review Section: Basic Section 23020:Architectural environment and building equipment-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 菊本 英紀 東京大学, 生産技術研究所, 准教授 (80708082)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): JIA HONGYUAN 東京大学, 生産技術研究所, 外国人特別研究員
• Project Period (FY): 2023-11-15 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥2,000,000 (Direct Cost: ¥2,000,000); Fiscal Year 2025: ¥400,000 (Direct Cost: ¥400,000); Fiscal Year 2024: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2023: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
• Keywords: 建築環境・設備 / 都市防災 / 流体工学 / シミュレーション工学

Outline of Research at the Start

本研究では、都市大気中での二酸化炭素の動きを理解するための新しい手法を開発する。これは、フットプリントと呼ばれ二酸化炭素の発生源と計測センサー間の相互作用を分析するものである。まず、二酸化炭素のフットプリントを正確に計算する高度な手法を開発し、次に風洞実験を用いてこの手法の精度を検証する。最終的には、都市内のセンサーネットワークを活用し各地域の二酸化炭素発生強度を迅速かつ効率的に推定することを目指す。この研究により、都市環境における二酸化炭素の管理と対策に大きく貢献することが期待される。

Outline of Annual Research Achievements

複雑な都市大気乱流場における二酸化炭素の拡散特性を把握するため、本研究はフットプリントと呼ばれる発生源と計測センサーの濃度・フラックス応答関係を高速・高精度に解析する手法を開発し、同手法とセンサーの二酸化炭素濃度計測値とを組み合わせて都市各区域の発生量や排出パターンの分析を行う。既往手法では一般的にラグランジュ的な視点に基づいて各発生源から発出された多数の粒子の軌跡を用いてフットプリントを解析しているが、都市における無限の二酸化炭素発生源に対する粒子追跡はその計算負荷が重すぎる。一方、拡散物質を粒子ではなく連続相と見なすオイラー的視点に基づく随伴解析手法は、時間・移流方向を反転した場でセンサーから放出された仮想物質の拡散場によってフットプリントを計算できるため、同手法はフットプリントの構築速度・解像度を大幅に向上させることが可能である。そこで本研究では、まず随伴解析に基づくフットプリントモデリングの基本手法を確立し、単純な3次元境界層と立方体建物モデル空間を対象に、数値実験を実施し、その有効性を検証した。従来の数値手法と比較し、同手法は計算時間を大幅に短縮しつつ同程度の精度レベルを実現できることを確認した。また、複雑な都市形態におけるフットプリントの特性の分析と提案数値手法の有効性の検証を行うため、中立境界層における標準建物群モデルを対象として風洞拡散実験を実施した。その結果、風向、建物分布、計測位置などの要素がフットプリントの特性に与える影響を明らかにした。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

解析手法の基本的なアルゴリズムの開発や手法の有効性検証を概ね予定通り進めている。また、市街地モデルの風洞拡散実験やフットプリントの検証データベースの整備についても検討を進めている。

Strategy for Future Research Activity

これまでは、多風向における標準建物群モデルを対象として風洞実験を実施し、フットプリントの初期的なデータベースを構築した。そのデータに基づいて提案した数値解析手法の精度検証・改善を今後も継続して行っていく。また、異なる大気安定性の条件下や多様な建物配置における拡散実験の実施および複雑な拡散条件に対するフットプリント特性の解明を進めていく。