空調・自然換気・通風(温熱環境を含む)解析

 風関連解析が主に外部の気流問題だとすれば、建築物や建家内部の気流に関する問題があります。
元々建築分野へのCFD(計算流体力学)の応用は、風関連解析よりも空調解析等の内部気流問題の方が早く適用が始まったという経緯があります。 空調換気問題では実にさまざまな種類の問題が有り、解析目的や解き方はまちまちです。
  更に風関連問題では少ない多くの物理が関連するマルチフィジックス系の問題が多いのも特徴です。
例えば固体熱伝導連成を考慮した冷凍倉庫の結露問題を解こうとすると、CFD本来のNavier-Stokes式,連続の式,乱流モデルに加えて、エネルギー方程式,湿分の移流拡散方程式,熱伝導方程式,輻射方程式を同時に解く必要があります。こういった解法のノウハウは風関連解析とは大きく異なるものであり、この風関連解析と空調換気解析の両者を同時にこなせる技術者・研究者は、実はそれほど多くありません。私どもは20年近い実務の中で解析スキルを鍛え新しい解析にも挑戦し、多くの蓄積を得てきました。ここに示した事例はその一端ですが、必ず皆様が遭遇する問題が含まれていると思いますので参照頂ければ幸いです。

空調解析

 空調解析は、建築・土木分野で古くからで適用されてきた解析です。非常に解析内容の種類が多く、オフィスから大空間まで規模も様々です。 更にアンダーフロア空調、ディスプレイスメント空調、タスクアンビエント空調など、新しい空調方式も多く提案されています。 結露解析・PMV(冷温感指標)解析、SVE(換気効率指標)解析などを含め、実務での展開がますます重要な解析分野となっています。

 

【空調解析事例】
居住空間温熱環境解析
 最近の空調解析の特徴は、個々の室内だけを対象にするのではなく、建物全体を解析して上下階や吹抜けの影響など、繋がっている空間同士の関連を考慮したものが必要となっている事です。商業施設など全館が解析対象となる案件もあります。オフィスビル・駅舎・工場なども、全体と局所の空調計画のバランス検討が必須であり、各吹出し口の影響範囲の評価も更に重要性を増しています。

 

【居住空間温熱環境解析事例】
特殊空間温熱環境解析
 データセンターは様々な負荷のラックが混在し、個別に十分な冷気が与えられなければサーバーが過熱する危険が増大します。最近の高負荷サーバーや外気導入等の新技術に対しても適宜対応する必要があり、センター自体の大規模化も踏まえて数値シミュレーションでの検討がますます重要となっています。
データセンターと同様に、冷凍・冷蔵倉庫、クリーンルーム,塗装ブースな どの特殊な空間も、換気回数が大きいなどや空間温度を均一化させるなどの特徴を実現するために、数値シミュレーションによる検討が必要となる場合があります。

 

【特殊空間温熱環境解析事例】
輻射を含む冷暖房解析

 近年輻射冷暖房が盛んであり、施工例も増加しています。しかし空調に加えて輻射による熱授受がどの程度あるか、またその場合の室内の快適性はどうであるかはあまり検討されていません。WindPerfectでは輻射伝熱を精度良く解析する事が可能で、平均輻射温度(MRT)の評価に加えPMV・SET*などによる快適性の表示も可能です。ここでは冬季の天井パネルによる暖房解析の例を示しました。

 

【輻射を含む冷暖房解析事例】
結露・結氷解析
 ガラス建築,食品工場,倉庫,データセンター,地下空間で壁面・床面等が結露する場合があります。結露発生で水分が躯体に付くと、汚れたり寿命が短くなるなどの弊害があります。結露の対策は限られるので、基本設計段階での検討が重要です。熱伝導-空調連成解析で躯体温度の評価をすれば予測精度も上がります。

 

【結露・結氷解析事例】
冷温感指標(PMV/SET*)解析

 風速分布・温度分布が分かっても快適性の評価には直接繋がりません。しかしPMV・SET*等の指標を使えば、快適な領域やその程度を分かりやすく示せます。WindPerfectでは風速・温度・湿度・平均輻射温度の解析結果に代謝量や着衣量(clo値)からPMV等の3次元分布を求め、空調・換気設計の指針検討が可能です。

 

【冷温感指標(PMV/SET*)解析解析事例】
換気効率指標(SVE:空気齡/空気余命)
                  解析
 熱の関連しない空間での性能指針となるのは換気効率です。実は滞留時間は空気齢と空気余命を足したものになっており、換気性能を分かりやすく説明するパラメータです。もちろん熱のある空間にも使えます。閉空間の中の空調解析だけでなく、外気を取り込んだりする自然換気問題にも適用可能です。

 

【換気効率指標(SVE:空気齡/空気余命)解析事例】
非定常解析

 空調問題の中で定常解析で解決できる問題は実は多くありません。大半の問題は風速や温度あるいはいろいろな負荷が変動します。特にここに示した蓄熱層問題や空調立ち上がり時の問題は、常に変動する条件の設定とそれに伴う結果の評価が重要となります。躯体の温度も変動する際には連成させての解析が必須です。

 

【非定常解析事例】
自然換気・通風解析
 高層ビルのボイド(吹抜け)や工場建屋などの建物に、近年自然換気が多く用いられています。エネルギー消費を伴う機械換気よりもランニングコストが小さく、人に優しい換気が実現できるのがメリットと言われます。空間の規模を問わず積極的に自然換気を利用するため、建築の換気風量予測や開口・ガラリの配置にシミュレーションが利用されています。

 

【自然換気・通風解析事例】
吹き抜け/トップライト
           自然換気解析

 風除室や給排気ガラリ、トップライト開口、欄間などを含む建物内の3次元形状に合わせて、吹抜けの温度成層状態の検証や、建物全体・局所の換気風量や中性帯の予測が可能です。無風状態だけでなく外部風を考慮した解析や、空調や躯体熱伝導を同時解析する事も出来ます。WindPerfectは浮力を正確に再現できるので、たとえ無風でも本来の密度差による自然換気解析が可能です。

 

【吹き抜け/トップライト 自然換気解析事例】
駅舎/商業施設/駐車場/倉庫
              自然換気解析
 鉄道における橋上駅舎が一般的に普及していますが、今までは換気性能に問題が有り居住者にとって熱環境は良いものとは言えませんでした。エネルギーコストの掛かる空調システムに頼らずガラリや換気口の配置で熱環境を改善する工夫が必要なのはエコを標榜する時代の流れと言えます。WindPerfectの換気解析は無風状態でも換気風量を適確に予想でき、駅舎設計に貢献しています。

 

【駅舎/商業施設/駐車場/倉庫 自然換気解析事例】
製造系工場空調換気解析

 通常の工場建家は折板構造で外部との空気の流通が自由であり、その中での高温施設からの排熱が作業員の居住環境に大きな影響を及ぼします。排熱や日射のために建物上部に生成する熱だまりの予測や、これを効果的に排気して作業場の熱環境を緩和する設計が重要です。高温の炉や徐冷施設などからの輻射熱を遮断する方策や局所空調などの対策も必要であり解析で検討可能です。

 

【製造系工場空調換気解析事例】
清掃工場・オフィスビル等の自然換気解析
 清掃工場は、多数の吹き出し口、高温機器からの輻射、モニター等開口の扱い、複雑な床構造など、自然換気問題の中でも最も難問に属する問題です。しかし適確な数値シミュレーションによる予測を元に、空調換気装置の選定やガラリやモニターなどのサイズ・位置などを検討する事で、運用形態を考慮したより効果的な建屋内の暑熱環境対策の実現が可能となります。

 

【清掃工場・オフィスビル等の自然換気解析事例】
校舎・集合住宅等通風解析

 熊本県宇土市立宇土小学校新築工事で、WindPerfectの通風シミュレーションが大きな貢献をしました。校舎の外皮・内壁構造を再現し運用時の換気状況を正確に予測した結果、熊本という立地では考えられない良好な換気性能を実現しました。屋上に設けられた多数のウインドコレクターや内部に設けられた競技場と周囲の教室との通風バランスなど様々な工夫を適確な解析で支えました。

 

【校舎・集合住宅等通風解析事例】
住宅通風解析
 世界遺産に指定されたル・コルビジュの設計した建物の中に、サヴォワ邸と言う住宅建築があります。1階と2階で全く違うレイアウトと開口配置を持つ建物ですが、風向に対する今の開口配置では必ずしも内部への通風が良い訳ではなく大きな改善の余地がある事が通風シミュレーションから分かります。

 

【住宅通風解析事例】
解析対象

オフィス / マンション / 住宅 (ノズル, 循環ファン, 床吹き, ペリメータ, ブリーズ, アネモ)  / エントランスホール / アトリウム / ガレリア / ドーム / 屋内プール / 屋内スキー場 / 会議場 / 劇場 / コンサートホール / 体育館 / 武道場 / 美術館 / 校舎 / 集会所 / 各種工場 / クリーンルーム / 加熱炉 / 精錬炉 / 自動倉庫 / 冷凍倉庫 / 製造現場 / 発電所 / 放射性廃棄物倉庫 / 清掃工場 / 地下空間 / トンネル / 蓄熱槽 / 冷却塔 / サーバールーム / データセンター / 電算機室  /など

解析の特徴

■大規模なモデル形成 -300万メッシュ級
図面データなどを元に、高速・高精度な形状作成、迅速な解析を行います。

■複雑なモデル形成 -工場、自然換気関係
環境維持の難しい複雑な構造の工場や、多数室を持つ戸建住宅などの換気解析が可能です。

■移動物体に関わる温熱環境・空調・換気解析
移動物体の個別動作ができ、物体周辺の流れ場を評価し、時間変化のアニメーション化が可能です。

■自然換気の評価 (建物内外の同時解析)
有風・無風時の換気シミュレーションを実施。 流入・排出風量などの換気状況を個別に評価します。

■輻射を伴う解析・PMVなどの表示
複雑な輻射問題を高速・高精度で計算。平均輻射温度を元に体感温度分を計算して表示可能です。

■換気効率指標 (SVE3~6) の利用
空間内の換気状況の特徴を空気齢・空気余命などの換気効率指標として定量化して表示可能です。

解析応用例

吹出し・吸込みの空調機器の配置
外壁・内壁・天井などの断熱性能
ノズル, 床吹き, アネモ, 循環ファン, クーラー, AHU (エアハン) , ヒーター, コンベクター, FFUなどの周辺風速分布
熱を発生する機器周辺の熱対流分布
人体負荷密集部の居住環境
照明負荷の居住域への影響
ガラリ・シャッターなど開口部の自然換気時通風量
有風時のモニター換気量
日射対策及び周辺気温への影響 (アトリウムなどガラス空間・トップライトなど)
コールドドラフト対策
サーバールーム・データセンター・電算機室内の気流・温度分布予測
ダブルスキン内の気流・温度分布予測
湿度分布の予測と結露対策
工場内外の汚染物質 (化学物質・じんあい) の拡散予測
クリーンルーム傾斜流対策およびじんあい拡散予測
ディスプレースメント (置換空調) ・HACCPなどの評価
躯体蓄熱
拡散連成・熱伝導連成解析
火災現象, 臭気・汚染物質の拡散
ガスタービンなどの高温熱温熱環境解析
躯体熱伝導 (蓄熱) 解析
粉塵飛散解析, 凝固解析
湿分の移流拡散
白煙対策
結露量の予測
雨水・降雪量分布の予測

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