伝熱＋熱環境シミュレーション合同小委員会・合同WG

熱環境シミュレーション小委員会

Department of ArchitectureSchool of Science & Technology

CFDによる異なる暖房方式を採用した居室の温熱環境解析

玄関

寝室

床暖房

実測・CFD 対象

(居間)

家具

エアコン

人工気象室

実測・マクロ対象 ﾏｲｸﾛｰﾏｸﾛ解析

研究目的　

　住宅内の温熱環境評価手法の確立　　⇒　CFD主軸の対流･放射･伝導連成解析　　⇒　マイクロ-マクロ連成解析

解析対象　

　○人工気候室内模擬居室　　　⇒定常の床暖房・エアコン暖房実験

　○乱れの弱い自然対流場の模型実験

　　　　　　　　　　　⇒　CFDの解析精度検証

酒井 孝司(明治大学)

5320

3945

2400

2000

1680

排気口

給気口

カーテン エアコン

床暖房面

床材

測定ポール

シリンダー

窓

間仕切壁

外壁

外壁

N

⑥ ⑨

⑫ ⑰

検討断面

模擬居室　床面積：20.8m2

　室容積：50.0m3

　Q値　 ：2.04W/m2K換気回数：0.5回/h

　エアコン：4kW　床暖房：温水式(ガス)　外気温：5℃一定

計算対象領域

実験　床暖房　　PMV=-1，0，+1　角型給気口(3種)　　PMV=0　　　　　全熱交換型　　PMV=0　　　　　スリット型　　PMV=0　　　　　ミックスフロー　エアコン　　PMV=-1，0，+1　角型給気口(3種)

大島,倉渕,他：異なる暖房方式を採用した居室の温熱環境評価に関する研究(その1~4)，

　　　　　　　　　 日本建築学会大会学術講演梗概集，D-2, 2007.8.

解析概要解析コード：STAR-CD(ver.3.24.)乱流モデル：Lienらの低Re数型k-eモデル解法 ：SIMPLE(定常)移流項差分：MARS放射解析 ：離散ビーム法(放射数1024)

解析mesh ：床暖房解析262,618(床内部含む)　　　　　 エアコン247,806壁面近傍 ：y+<1を概ね満たすよう細分化。　　　　　 吹出噴流衝突域 y+=2.8(最大値)

床暖房 エアコン

室内(CFD)

床材 屋外

Qo(Exp.)

Qo(Exp.)

Qi (Exp.)

Qout (Exp.)

Qup (Exp.)

Qw (CFD)

R (Exp.)

R (Exp.)

K’ (Exp.)

Qs (EXP.)

AC Supply(CFD) Qin(Exp.) Vin(Exp.) q＝15°

AC Return(CFD) AC Return

(Exp.)

AC Supply (Exp.)

q

解析モデル(定常)壁面

エアコン

壁表面⇒外気：熱抵抗値　　　　　　　　　　　λ：カタログ値　　　　　　⇒放射連成解析

床暖房　発熱面温度：一定値　　　　←上向き投入熱量　　　　　　床熱抵抗より逆算

　フローリング：熱伝導解析

エアコン　　ルーバーを含んだ領域をモデル化　　風速　←　投入熱量（総熱損失量）　　　　　　　 吹出－吸込温度差より逆算

解析モデル

角型給気口

シリンダー

カーテン

厚みのない境界面(下端密着)熱抵抗値0.01㎡K/W と仮定

換気回数：0.5回/h　角型給気口：流入(50％）　シリンダー　：流入(50％）　排気口　　　：流出（100％）

5320

3945

2400

2000

1680

排気口

給気口

カーテン エアコン

床暖房面

床材

測定ポール

シリンダー

窓

間仕切壁

外壁

外壁

N

⑥ ⑨

⑫ ⑰

検討断面

検討ケース

床暖房

　　 PMV(実験) 平均温度(実験) 熱損失量 発熱面温度(CFD)

　FH-SQ-C PMV≒－1 　20.1℃ 812W 　26.0℃

　FH-SQ-N PMV≒0 　23.1℃ 1040W　　 　30.1℃

　FH-SQ-W PMV≒＋1 　24.9℃ 1147W　 　32.4℃

エアコン

　　 PMV(実験) 平均温度(実験) 熱損失量 吹出温度(CFD)

　AC-SQ-C PMV≒－1 　20.2℃ 812W 　28.4℃

　AC-SQ-N PMV≒0 　24.8℃ 1040W　　 　35.6℃

　AC-SQ-W PMV≒＋1 　29.4℃ 1147W　 　44.3℃

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　吹出し風量0.1m3/s

解析結果：床暖房

FL-SQ-N

FL-SQ-W

FL-SQ-C 平均温度

実験：20.1℃CFD：20.0℃

実験：23.1℃CFD：23.6℃

実験：24.9℃CFD：25.6℃

解析結果：エアコン

AC-SQ-N

AC-SQ-W

AC-SQ-C 平均温度

実験：20.2℃CFD：21.1℃

実験：24.8℃CFD：25.0℃

実験：29.4℃CFD：29.6℃

Point6

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

16 18 20 22 24 26 28[℃]

[m]

FH-SQ-C -N -W

CFD Exp.

Point9

16 18 20 22 24 26 28[℃]

Point12

16 18 20 22 24 26 28[℃]

Point6

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

18 22 26 30 34 38[℃]

[m]

AC-SQ-C -N -W

CFD

Exp.

Point9

18 22 26 30 34 38[℃]

Point12

18 22 26 30 34 38[℃]

エアコン

床暖房

5320

3945

2400

2000

1680

Exhaust

O.A.Supply

Curtain Air-conditioner

Floor Heating

Floor Board

Measurement Point

Cylinder

Window

Partition

Outer Wall

Outer Wall

N

⑥ ⑨

⑫ ⑰

Analysis section

実験との比較：鉛直温度プロフィール

Point17

16 18 20 22 24 26 28[℃]

Point17

18 22 26 30 34 38[℃]

窓側⇒

FH-SQ-C

15

20

25

30

15 20 25 30Air Temp(Exp.) [℃]

Air

Tem

p(C

FD) [

℃]

0.1m0.6m1.1m1.7m2.3m

実験との比較：床暖房

FH-SQ-C

10

15

20

25

30

35

40

10 15 20 25 30 35 40Surface(Exp.) [℃]

Sur

face

(CFD

) [℃

]

floorceilingE-wallW-wallN-wallS-wallWindow

FH-SQ-N

15

20

25

30

15 20 25 30Air Temp(Exp.) [℃]

Air

Tem

p(C

FD) [

℃]

0.1m0.6m1.1m1.7m2.3m

FH-SQ-N

10

15

20

25

30

35

40

10 15 20 25 30 35 40Surface(Exp.) [℃]

Sur

face

(CFD

) [℃

]

floorceilingE-wallW-wallN-wallS-wallWindow

FH-SQ-W

15

20

25

30

15 20 25 30Air Temp(Exp.) [℃]

Air T

emp(

CFD

) [℃

]

0.1m0.6m1.1m1.7m2.3m

FH-SQ-W

10

15

20

25

30

35

40

10 15 20 25 30 35 40Surface(Exp.) [℃]

Sur

face

(CFD

) [℃

]

floorceilingE-wallW-wallN-wallS-wallWindow

空気温度

壁表面温度

AC-SQ-C

15

20

25

30

35

40

15 20 25 30 35 40Air Temp(Exp.) [℃]

Air

Tem

p(C

FD) [

℃]

0.1m0.6m1.1m1.7m2.3m

AC-SQ-C

10

15

20

25

30

10 15 20 25 30Surface(Exp.) [℃]

Sur

face

(CFD

) [℃

]

floorceilingE-wallW-wallN-wallS-wallWindow

AC-SQ-N

15

20

25

30

35

40

15 20 25 30 35 40Air Temp(Exp.) [℃]

Air T

emp(

CFD

) [℃

]

0.1m0.6m1.1m1.7m2.3m

AC-SQ-N10

15

20

25

30

10 15 20 25 30Surface(Exp.) [℃]

Sur

face

(CFD

) [℃

]

floorceilingE-wallW-wallN-wallS-wallWindow

AC-SQ-W

15

20

25

30

35

40

15 20 25 30 35 40Air Temp(Exp.) [℃]

Air T

emp(

CFD

) [℃

]

0.1m0.6m1.1m1.7m2.3m

AC-SQ-W10

15

20

25

30

10 15 20 25 30Surface(Exp.) [℃]

Sur

face

(CFD

) [℃

]

floorceilingE-wallW-wallN-wallS-wallWindow

実験との比較：エアコン

空気温度

壁表面温度

AC-SQ-N

FL-SQ-N-3 -2 -1 0 1 2 3

-3 -2 -1 0 1 2 3

壁表面温度 23℃以下の領域 上下温度差(1.1-0.1m)

℃

℃

m/s

m/s

PMV≒0の解析結果

　本報では，人工気候室内の模擬居室で行われた暖房実験を対象にCFD解析を行い，解析手法の予測精度について検討を行った。得られた結果を以下にまとめる。

　本報の解析モデルで得られた空気温・壁面温度は，床暖房，エアコン各ケースとも，概ね実験と対応することがわかった。

　床暖房の結果では，窓面近傍や床面付近のコールドドラフトに伴う温度低下状況に，若干実験との差異が確認された。カーテンを床に密着させたことが原因の１つと考えられる。

　エアコンの高温吹出しの結果では，吹出気流の床面到達傾向に実験との不一致がみられた。原因として，吹出条件設定の不備や，k-eモデルの拡散性過大評価が考えられる。

今後は，吹出近傍の気流分布の詳細測定や，カーテン・エアコンのモデル化を再検討し，解析精度の向上を試みる予定である。

まとめ①

CFDによる2次元正方形キャビティ内自然対流場の数値解析

目的　室内温熱環境解析 ⇒　自然対流熱伝達の高精度予測　

　　標準k-e解析　　　低Re数型k-e解析　　　　　　　　⇔　Tianらの詳細実験　　LES解析(標準Smagorinskyモデル)　　　　

　　　⇒　予測精度確認　　　⇒　mesh分割の指針，適用範囲の明確化

引用：Tian, Y.S., Karayiannis, T.G.：Low turbulence natural convection in an air filled square cavity, Part.1.2

加

熱

面

50

℃

冷

却

面

10

℃

床面(実験値)

天井面(実験値)

0.75m

0.75m

0.75

m

X

Y Z

検討断面

完全断熱面

完全断熱面

解析概要

天井面(断熱)

床面(断熱)

冷却面Θc=10℃

Tianモデル

750mm

750m

m

Y

X

Ra数=1.58×109

加熱面Θh=50℃

・ MKCモデル

解法はSIMPLEC

運動方程式の移流項にQUICKスカラー量にPLDSΔt = 0.1の非定常解析

・ 標準k-εモデル (STAR-CD　ver3.26.020)

解法はPISO(定常)運動方程式と温度の移流項･･･MARSk-εの移流項･･･一次風上

・２層モデル (STAR-CD　ver3.26.020)

ε分布は壁関数kは輸送方程式を解く

乱流モデルの切り替え位置は壁面から15meshを含む3.15mm

Δt = 0.2の非定常解析

Wolfstein、Norris＆Reynolds

無次元化：L0=0.75m，Q0＝30℃　　　　　DQ＝Qh－Qc＝40℃

　　　　　　　　　　　　Ra数＝1.58×109　

計算領域（LES）

加

熱

面

50

℃

冷

却

面

10

℃

床面(実験値)

天井面(実験値)

0.75m

0.75m

0.75

m X

Y Z

検討断面

完全断熱面

完全断熱面 標準Smagorinskyモデル解法：原MAC法圧力解法：前処理付きBiCGSTAB法　　　　　　　(収束判定： 大残差<10-5)移流項：Piacsek-Williams型中心差分　

nsgs浮力効果：考慮しないnsgsダンピング：Van Driest型damping関数　　壁から10cm )25/exp(1 +--= nyfm

Tian, Y.S., Karayiannis, T.G.：Low turbulence natural convection in an air filled square cavity, Part.1-2, Int. J. of Heat and Mass Transfer, 43, pp.849-884, 2000.

Cs=0.16，PrSGS=0.5，n＝1.5×10-5

計算時間：3000sec(実時間)　　　　　　　平均化 1000～3000sec有次元で計算

0.100 »DQ= LgU b ※Tianの実験：Y=1.5m　⇒0.75mで解析

解析概要

case 乱流モデル mesh分割 最小mesh幅 最大mesh幅

KE1 k-e(高 Re) 75×75 10.0 mm 10mm

KE2 k-e(高 Re) 83×83 2.5 mm 10mm

KE3 k-e(高 Re) 89×89 2.0 mm 10mm

MKC1 MKC(WET) 165×165 0.250mm 10mm

MKC2 MKC(WET) 209×209 0.125mm 10mm

WS Wolfstein 134×134 0.21 mm 10mm

NR Norris-Reynolds 134×134 0.21 mm 10mm

※ MKC1,KE2の結果はMKC2,KE3のほぼ同等であった

KE1 KE2 KE3

検討ケース（LES）

No-slip

No-slip

Liner-Power law

Liner-Power law境界条件

0.002有り15mm1mm62×62×62case4

0.01有り15mm5mm54×54×54case3

0.01無し15mm5mm54×54×54 case2

0.01無し15mm15mm50×50×50case1Dt[sec]ダンピング大幅小幅mesh分割ケース

case1

case2･3

case4

解析結果（k-e）

KE3

MKC2

Tian※

※引用：Tian, Y.S., Karayiannis, T.G.：Low turbulence natural convection in an air filled square cavity, Part.1.2

KE1

WS

高Re解析⇒

低Re解析⇒

平均風速ベクトル（LES）

Tianら（文献２より引用）

MKC2 case3(ﾀﾞﾝﾋﾟﾝｸﾞ有り) case4（細メッシュ）

case1(粗メッシュ) case2 (ﾀﾞﾝﾋﾟﾝｸﾞ無し)

解析結果(温度分布)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

KE3

MKC2

Tian※

※引用：Tian, Y.S., Karayiannis, T.G.：Low turbulence natural convection in an air filled square cavity, Part.1.2

KE1

WS

高Re解析⇒

低Re解析⇒

平均温度（LES）

Tianら（文献２より引用）

k-e　MKC2 case3(ﾀﾞﾝﾋﾟﾝｸﾞ有り) case4（細メッシュ）

case1(粗メッシュ) case2 (ﾀﾞﾝﾋﾟﾝｸﾞ無し)22

2626

26

30

30

30

34

3434

18

22

22

26

26

26

30

30

30

34

34

34

38

38

42

18

22

22

26

26

26

30

30

30

34

34

34

38

38

42

14

14

18

18

22

2222

26

26

26

30

30

30

34

34

34

3838

38

42

42

46

14

14

18

18

22

22

22

22

26

26

26

30

30

30

34

34

34

38

38

38

38

42

42

46

46

解析結果(乱流エネルギー分布)

0

0.0005

0.001

0.0015

0.002

0.0025

0.003

0.0035

0.004

KE3

MKC2

Tian※

※引用：Tian, Y.S., Karayiannis, T.G.：Low turbulence natural convection in an air filled square cavity, Part.1.2

KE1

WS

0

50

100

150

200

250

0 5 10 15 20x[mm]

U2 [×

10-

3 m/s]

実験値 KE1 KE3MKC2 WS NR

解析結果（k-e）

加熱面近傍　速度

加熱面近傍　温度

高さ：0.5L0

25

30

35

40

45

50

55

0 5 10 15 20x[mm]

Θ[℃

]

実験値 KE1 KE3MKC2 WS NR

高さ：0.5L0

加熱壁面近傍（LES，Z=0.5H）

-50

0

50

100

150

200

250

300

0 10 20 30 40 50 60X[mm]

速度

U3

[×10

-3　

m/s]

Tian実験case1case2case3case4

25

30

35

40

45

50

0 10 20 30 40 50 60X[mm]

温度

Q　

[℃]

Tian実験case1case2case3case4

-50

0

50

100

150

200

250

300

0 5 10 15 20X[mm]

速度

U3 [

×10

-3　

m/s]

Tian実験case1case2case3case4

25

30

35

40

45

50

0 5 10 15 20X[mm]

温度

Q　

[℃]

Tian実験case1case2case3case4

平均速度W

平均温度Q

0

1

2

3

4

5

6

0 20 40 60 80x[mm]

k [×

10

-3 m

2/s2

]

実験値(hot)実験値(cold)KE1KE3MKC2WSNR

加熱壁面近傍の乱流エネルギー（Z=0.5H）

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60X[mm]

k　[×

10-3 m

2/s

2]

Tian実験(加熱面)Tian実験(冷却面)case1case2case3case4

0.5

0.5

0.50.5

1

1.5

2

2.5

1.5

0.5

1

0.51

1.5

2

2.53

LES　case4

k-e

LES0.5

0.5

0.5

1

1

1

1.5

1.5

2

2

2.5

2.5

3

3.5

0.5

0.5

0.5

1

1

1.5

1.5

2

2

2.5

2.5

3

3.5

k-e　MKC

対流熱伝達量（実験値基準）

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

KE1 KE2 KE3 MKC1 MKC2 WS NR case1 case2 case3 case4 Tian

q+/

q+exp

天井面床面加熱面

k-e LES 実験

実験との誤差10％　標準k-e：細mesh　←壁面近傍kに極値　低Re型：MKC，2層モデル ○　LES：細mesh＋damping　　 ○

標準k-ε　・鉛直温度では，高Re粗meshの対応がよい。高Re細meshでは，乱流

エネルギー kの分布に非現実的な極値がみられた。

MKC(低Re数型)　・全体的に実験値と概ね対応する結果を得られた　・上部・下部の温度に約２℃程度の違いがみられた　・床面近傍のk分布に不一致がみられた。

　・熱収支誤差は小さい。

2層モデル

　・温度は天井面、床面近傍で実験値との差異がみられた　・乱流エネルギーは標準k-ε同様、低い値となった。

　・熱収支誤差は小さい。

LES・meshが粗いケースでは，熱収支誤差が大きい結果となった。誤差壁面近傍のmeshを細分化し，nsgsダンピングを施したcase4で，概ね実験と対応する結果が得られた。

まとめ②