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解析事例・インタビュー

東京理科大学 工学部 建築学科 様
暖房から喫煙室まで
人の快適性をシミュレーションする

写真1 東京理科大学工学部 建築学科教授 博士(工学) 倉渕 隆 氏

[前編] 屋内の空気流れとその中にいる人の快適性に関しては、まだ解明されていないことも多い。東京理科大学の倉渕隆教授(写真1)は、建築物屋内の空気流れ全般のコンピュータシミュレーションに取り組んできた。その際に活用しているのが、熱流体シミュレーションソフトウェアのSCRYU/Tetra®である。

 東京理科大学 工学部 建築学科の倉渕研究室では、建築環境工学、建築設備学、そして数値流体工学の研究に取り組んでいる。身近な冷暖房の快適性や省エネ性能から始まり、浴室暖房の提案や喫煙室の空気流れといった、換気や人の快適性に関わる課題に、コンピュータシミュレーションを駆使して取り組んでいる。実験による裏付けを元に、さまざまな身近な生活環境から業務環境などを取り扱う。

 倉渕氏ははじめは構造格子のホームメイドコードを用いて研究を行っていたという。だがコードの中身を完全に把握しているのはコードを作っている倉渕氏本人だけだった。各種の流体問題を解こうとしても目的に応じた改造が必要なため、研究室の学生が利用するにはハードルが高かった。そこで商用コードの利用を検討するようになったという。


実用的な問題を解くことが可能に

 以前はまず実現象があり、それにシミュレーションの結果がどれだけ一致するかに焦点を当てた研究がメインだった。だが商用コードの検討を始めた頃は、「流体解析はそこそこ実現象に合うことが知られており、どう流体解析を実際の建築環境の改善や、設備の最適化につなげていくかという実用的なテーマへと関心が移りつつあった」(倉渕氏)。そこでホームメイドコードでは対応が難しい課題に商用コードで取り組んできたいと考えたという。当時、人体の温熱感をシミュレーションで解明するというテーマに取り組んでおり、人体形状に適合性の高い柔軟なソフトウェアを求めていた。そこで国際的にも評価が高く、人体熱モデルの予測精度も上がっていると言われていた非構造格子のSCRYU/Tetraを導入したという。
 

床暖房とエアコンを流体シミュレーションで比較

 取り組んだテーマの一つが、床暖房とエアコン暖房の比較だ。床暖房とエアコンでは、空気の流れ方、人体の体感などが異なる。その理由を、実験で検証しながらSCRYU/Tetraの人体熱モデルとシミュレーションを使って分析するとともに、どちらが少ないエネルギーでより快適に過ごせるかを比較した。

 体感が異なる理由は、人体表面における対流熱伝達率の違いによる。メッシュを人体の形状に合わせてコントロールしなければ、対流熱伝達率が正確に予測できない。そのあたりのハンドリングについてはSCRYU/Tetraは評判がよく、実際にやってみても高い精度で予測できたという。
 

図1 流体解析と実際の無風環境下における熱伝達特性を比較
※クリックで拡大

 まずサーマルマネキンを用いて、一様環境下で温度が変化するとマネキンの熱伝達率がどのように変わるか実験を行った。実験では通常の機械工学で検討実績のある単純形状とは異なるマネキン独自の傾向が出てくる。こういった傾向の再現性についてもシミュレーションツールで確認した。その結果ほとんど実験誤差の範囲に収まるほどぴったりの精度で、熱伝達の予測ができると分かった(図1)。「これほど精度が出るのであれば、むしろ実験で精度の出せない現象を解析ツールで検討することにメリットがあると考えました。どちらが上かというような比較をする場合は、解析ツールで決められるようになりつつあるのだと思います」(倉渕氏)。

 実験と解析の検証結果を踏まえて、実際の課題をシミュレーションした。エアコンと床暖房を同一の部屋で使った時、体感温度が概ね同一の場合に、室内環境にはどのような違いが出ているのか、またそれぞれの場合のエネルギー投入量を検証した。

図2 暖房方式ごとの室内環境の温度分布の違い
※クリックで拡大 ​

図3 暖房方式の違いによる人体の熱伝達特性の解析結果
※クリックで拡大

 図2の状態でサーマルマネキンからの平均放熱量が、床暖房とエアコンの場合で等しくなる。だが室内の温度はエアコンの方が3℃ほど高くなっている。理由の1つは床暖房なので壁が温かく、その分、空気温度は低くてもよいためだ。もう1つは、エアコンは暖房時には温風を吹き入れる装置であるが気流があると寒く感じる。冷房なら好都合だが、暖房だと体表面よりも低温の空気がぶつかれば冷却が促進されてしまう。床暖房の方が空気温度を低くできるため、2次エネルギーも少なくて済むことが分かった。こういった意味では対流暖房より床暖房などの放射暖房の方が優れているのかもしれないという。

 図3によると、放射熱伝達率は、床暖房とエアコンの両方の場合で、体の部位によらずほぼ一定となった。また対流熱伝達率は、体の部位によって、また床暖房とエアコンで違いが出た。これらの和である総合熱伝達率は、床暖房が8W/(m2・K)、エアコンが10W/(m2・K)、つまりエアコンの方が2割くらい熱を失いやすい環境となる。床暖房だと風がないので比較的温度が低くても熱が逃げない。だがエアコンは風が当たるため、体表面温度と室温との温度差を小さくする必要がある。投入エネルギーは2次エネルギーで言うと1 ~ 2割床暖房の方が少なかった。

 

※SCRYU/Tetraは、日本における株式会社ソフトウェアクレイドルの登録商標です。
※その他、本インタビュー記事に記載されている会社名、製品・サービス名は、各社の商標または登録商標です。
※本インタビュー記事の内容は2015年4月現在のもので、予告なしに変更する場合があります。また、誤植または図、写真の誤りについて弊社は一切の責任を負いません。

プロフィール

 

東京理科大学 工学部 建築学科
設立 1881年
学部設置 1962年
学科所在地 東京都葛飾区
学校種別 私立
URL http://www.tus.ac.jp/

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