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建築・都市環境建築・都市環境のの数値シミュレーションと可視化数値シミュレーションと可視化

東京ガス（株）東京ガス（株）基盤技術部基盤技術部 技術研究所技術研究所

大森大森 敏明敏明

2009年10月２日第5回EnSightフォーラム第15回ビジュアリゼーションカンファレンス

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はは じじ めめ にに

近年、人体や都市街区など非常に繊細もしくは大規模複雑な形状をそのままの形で流体解析を行うことが可能になった。複雑な三次元流れを二次元断面で表現するには自ずと制約があったが、ＶＲ（仮想現実）可視化技術を用いれば流れを三次元的に表現することができ、より適切な環境設計に活用することができる。

ここでは、暖房時の人体周囲の温熱環境、業務用厨房内の空調・換気、および実在街区の都市熱環境に関して、それぞれ数値シミュレーションを行った結果をＶＲ可視化技術によって表現した事例を紹介する。

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ⅠⅠ．人間－温熱環境総合シミュレーション．人間－温熱環境総合シミュレーション

ⅡⅡ．都市熱環境シミュレーション．都市熱環境シミュレーション

ⅢⅢ．業務用厨房の空調・換気シミュレーション．業務用厨房の空調・換気シミュレーション

発発 表表 内内 容容

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Ⅰ．人間－温熱環境総合シミュレーション

リビングルームにおける床暖房とエアコンの温熱快適性の違いを、 Virtual Realityにより視覚的・直感的にわかりやすく呈示する。

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解析対象モデル

床暖房敷設率：70%

次世代省エネルギー基準を満たす住宅の居間

温水パネル上面温度：35.2℃

床下空気

床表面

床表面までの熱抵抗0.15m2K/W

断熱材

ネダノン

温水パネル

フローリング12mm

温水パネル上面温度：35.2℃

床下空気

床表面

床表面までの熱抵抗0.15m2K/W

断熱材

ネダノン

温水パネル

フローリング12mm

0.22

0.3

30°

0.87

0.13

0.24

吸込み

吹出し方向

有効吹出し口寸法：0.55×0.06 [m]

給気口詳細スリット幅 11mm底辺は閉鎖

crownface

shoulder

arm

hand

back

chest

pelvis

thigh

lower leg

foot

部屋内寸法：幅5.33m×奥行3.77m×高さ2.4m

換気回数0.5回/h、外気温度5℃、給気口と給気シリンダーから50%ずつ流入

給気シリンダー（□18mm)

南壁に8個、西壁に16個設置

給気口

カーテンエアコン

排気口

窓

床暖房窓

N

E

人体モデル

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解析ケースと想定シーン

エアコン吹出し速度：6m/s

吹出し温度：36℃

①人体発熱のみで換気を考慮した解析を行って初期状態を作成② こうして作られた壁体温度分布を固定してエアコンの強運転を想定した解析を実施

Case3A

エアコン吹出し速度：2m/s

人体顕熱熱流束44W/m2

になるようにエアコン吹出し温度を調整

Case2A

エアコン吹出し速度：2m/s

床上1.1ｍの部屋空気温度がCase1Fと同じになるようにエアコン吹出し温度を調整

Case1A

代謝量1.1Metを想定

床暖房で人体顕熱熱流束44W/m2になるように床暖マット表面温度を調整。床上1.1ｍの部屋空気温度をチェック。

Case1F

備 考解析の概要ケース

ハウスダストの舞い上げ（イメージ）

Scene3

全身温冷感を同じにしたときの室温の違い

Scene2

床暖房とエアコンの快適性の違い

Scene1

概 要シーン

4

7

Scene1：温度分布

8

Scene3：ハウスダストの舞上げ

5

9

壁面および空気温度分布の比較

[℃]

Case1F Case1A Case2A

空気温度分布

壁面温度分布

10

壁面および人体皮膚温分布の比較

[℃]

Case1F Case1A Case2A

人体皮膚温分布

壁面温度分布

6

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ま と め

室温を一致させた場合、人体は床暖房に比べてエアコンの方が寒いと感じる

人体の全身温冷感を一致させた場合、室温は床暖房よりエアコンの方が2.8℃高くなる

エアコン立ち上げ時に床に吹きつけられる気流によってハウスダストが舞い上がる

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ⅡⅡ．都市熱環境総合シミュレーション．都市熱環境総合シミュレーション

各種ヒートアイランド対策が屋外人体温冷感に及ぼす影響を大手町地区を対象として数値シミュレーションにより把握する。

7

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各種ヒートアイランド対策の効果評価科学的根拠に基づき各種対策のヒートアイランド現象に対する緩和効果を評価する必要

関係府省連絡会議ヒートアイランド対策大綱（H16.3)

国土交通省ヒートアイランド対策ガイドライン（H16.7)ヒートアイランド現象緩和のための建築物総合環境性能評価システム（CASBEE-HI、H17.7)

東京都2016年度までに、ヒートアイランド対策推進エリア

の全地域で、被覆状態の改善や排熱の減少、風の道の形成などにより、熱環境の改善がなされている。（ヒートアイランド対策目標（H20.3））

都市熱環境シミュレーション

都市熱環境シミュレーション：背景と目的

ヒートアイランド現象の深刻化

東京年平均気温の推移

東京熱帯夜日数の推移

東京都環境局ＨＰより東京都環境局ＨＰより

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非定常な日射・伝熱解析

解 析 手 法毎正時

外気温、風速、湿度

日射解析↓

各面における日射取得熱量

初期値の設定

t=0, Δt1=300

対流伝熱計算・放射伝熱計算↓

熱流束分布

t2=0, Δt2=10

非定常熱伝導計算↓

表面および固体内温度分布、蓄熱量分布

t = ｔ+Δt2t2= t2+Δt2

t2 ≦ Δt1

開 始

t =39時間

t =48時間

終 了

yes

no

流体解析（温度規定）

yes

no

no

yes

⊿t3：非定常熱伝導計算タイムステップ⊿t2：放射計算タイムステップ⊿t1：流体計算タイムステップ

CalcRad 日射解析ルーチン

非定常熱伝導ルーチン

屋外環境評価ルーチン

商用CFDコード

B.C.：特定時刻の建物・

地表面温度

8

15

大手町地区における各種ヒートアイランド対策の効果

検討対象街区

東京駅

16

解 析 条 件非定常解析（日射・伝熱）：7月22日0時から23日24時までの48時間

流れ解析：7月23日15時

外気温と仮想天空温度

10

15

20

25

30

35

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22時刻[h]

温度

[℃]

外気温 仮想天空温度

7月23日15時の気象条件場所 東京

日時 7月23日 15時 参考文献 2000.3 吉田他、日本建築学会環境系論文集 第５２９号 77-84 より

外気温 31.6 [℃] 東京 1989-1992年 午後３時の平均

湿度 0.0177 [kg/kg] 〃

風速 3.0 [m/s] 東京 1975-1990年 7月の平均

風向 南

建物・地面の熱伝導・放射条件日射

反射率長波

放射率大気側対流熱伝達率

室内側対流熱伝達率 内部温度

W/㎡K W/㎡K ℃建物 コンクリート 0.2 0.9 11.6 4.64 26.0地面 アスファルト 0.1 0.95 11.6 - 26.0

場所 物質

※堀の蒸発効率は1.0、表面温度を27.0℃で固定

検討対象領域内の各建物からの排熱は、排熱原単位と建物延べ面積から算出。排熱温度42℃、排出速度7m/sとした。

9

17

CFD解析条件乱流モデル 高 Re 数型 k-ε モデル

計算アルゴリズム SIMPLE 差分スキーム 移流項：一次風上差分

対流熱伝達率 αc＝11.6 W/m2K（天空, 周囲境界：1.0e-30）

天空、東側、西側 slip 天空温度

北側 流出口 天空温度

解析領域の

境界条件

南側 流入口 天空温度

速度 u(z) = uｓ(z / zｓ)α α=0.35 , zｓ=74.5 u(z)：高さ z[m]での風速[m/s] uｓ：基準高さ zs[m]における風速[m/s]

乱 流 エ ネルギー

k(z) = (I(z) U(z))2 [m2/s2] I(z) = 0.1(z / zG)(-α-0.05)、zG=650m

流入境界条件 (地表面粗度区分：Ⅴ として「市街地風環境予

測のための流体数値解

析の利用に関するガイ

ドライン」に従い設定) k の

散逸率

ε(z) = Cμ1/2 k(z) (uｓ /zｓ ) α (z / zｓ )(α-1）

[m2/s3]

Cμ=0.09 蒸発潜熱の取扱い 潜熱

放散量 Lw = αｗ β L (faP - fsP) [W]

β: 蒸発効率 [-] αｗ: 湿気伝達率 [ kg/m2skPa] (=7.0×10-6αｃ)

L: 蒸発潜熱 [J/kg] (=2.5×106) faP: 空気の水蒸気圧 [kPa] fsP: 地表面の飽和水蒸気圧 [kPa]

18

日射取得熱分布（7月23日15時）

[W][W][W]

直達日射+天空日射による熱取得

反射日射

による熱取得日射による熱取得の合計

N

10

19

表面温度の時間変化

6：00 7：00 8：00 9：00 10：00

11：00 15：0014：0013：0012：00

24：0016：00 17：00 18：00 20：00

N

[℃]

20

速 度 分 布

11

21

空調排気の拡散状況

22

屋外熱環境 (地上1.5m)

MRT分布 SET*分布 曝露可能時間分布

気温分布 速度ベクトル スカラー風速分布

[m/s] [m/s]

[min][℃]

[℃]

[℃]

12

23

ⅢⅢ．業務用厨房の空調・換気．業務用厨房の空調・換気シミュレーションシミュレーション

① 学校給食厨房の空調・換気性能の向上

② 低放射型厨房機器と従来型厨房機器の業務用厨房内温熱環境の比較

2424

業務用厨房の空調・換気シミュレーションの目的

OA

SA

RA EA

熱交換器

燃焼排気調理排気

SA:空調サプライ、RA：空調リターン、OA：外気導入、EA:排気、NR:隣室（客室）

OA

SA

RA EA

熱交換器

燃焼排気調理排気

SA:空調サプライ、RA：空調リターン、OA：外気導入、EA:排気、NR:隣室（客室）

客室に廃気が流出しない

良好な温熱・空気環境を維持

エネルギー消費量が少ない

排気量を増加

空調風量増加

外気導入量増加

温熱環境・空気環境の悪化

廃気捕集率の悪化

エネルギーコストの増加

CONFLICT

業務用厨房の理想的な状態

SA: Supply Air, OA: Outdoor AirEA: Exhaust Air, NR: Neighboring Room

空調・換気シミュレーションにより、エネルギー消費量が少なく、快適な厨房プランを提案

SA OA

NR EffluentWell

MixedSA OA

NR EffluentWell

Mixed

13

25

① 学校給食調理室の解析

• 800食規模の学校給食調理室（オリジナルプラン)の空調・換気解析を実施

• 調理室の温熱・空気環境の改善策を策定

• 改善プラン（One-Way-Flowプラン）の空調・換

気解析を実施

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オリジナルプランの概要：熱器具の配置

調理室調理室

下処理室下処理室

厨房の概略寸法：16m×8m×2.5m

F-2 F-3

D-20

D-19

D-19’ D-24 D-25 D-27

D-11（水）

D-14D-17

D-12（油）

原点 Y

X

Z

：発熱面

D-31

熱量（想定）

温度 速度 風量乱流強度

長さｽｹｰﾙ

水蒸気発生量

台数

kW ℃ m/s m3/h ― m kg/s

11 回転釜（水） 4表面 23.10 100側面 0.90 50排出口 17.90 345 2.50 360 0.1 0.02 0.0093

12 回転釜（油） 1表面 23.10 180側面 1.20 60排出口 17.60 345 2.45 353 0.1 0.02

14 立体式炊飯器 4天板 0.90 60排出口 11.70 220 0.40 303 0.1 0.05

17 コンビオーブン 1前面 0.23 36その他の面 0.24 30排出口 1.53 200 1.19 42.7 0.1 4E-05

31 ガステーブル 21.30 220 0.86 555 0.1 0.04 1

No 品　名

燃焼器具の解析条件

14

27

給気口・空調吹出口の配置

調理室調理室

下処理室下処理室

Opening

EA-5

SA-1

EA-6 EA-7

SA-2 SA-3 SA-4

SA-5

SA-6

EA-1b

EA-2EA-3EA-4

EA-1a

SA-7

SA-8

AC-1

AC-2

RA-2

RA-1SA: supply air、25℃AC: conditioned air、18℃RA: return air EA: exhaust air

換気量は、40kQと面風速0.3m/sの両方を満たすように設定

100

30°度

500

55

55

1150

600EA-2

壁1350

□200600 600

1150壁

□200

200

30°500

55

55

EA-1bEA-1a

600

1500

EA-1（回転釜）EA-2 （炊飯器）

EA-3（コンビオーブン) EA-4 （ ガステーブル）

28

SA

EA

SA

EA

熱器具配置、空調・換気系の抜本的見直し

Original PlanOriginal Plan（学校厨房）（学校厨房）

OneOne--WayWay--FlowFlow

①学校給食厨房の空調・換気性能の向上

速度は2倍で表示

℃]

調理室調理室

下処理室下処理室

15

29

②X=7750(回転釜

左から 3 番目)

Z=1100（床上 1.1m）

Y=-385（ガステーブル中心）①X=3425(ガス テーブル)

① ②

床上床上1.11.1mm

①回転釜排気筒中心①回転釜排気筒中心

②回転釜中心②回転釜中心

③ガス③ガステーブルテーブル

中心中心

④左から３番④左から３番目の回転釜目の回転釜

①①

②②

③③ ④④

空気齢分布の比較

Original プラン

One-Way-Flowプラン

30

One-Way-Flowプランの業務用厨房において、

低放射型調理機器をラインアップした場合と従来型調理機器をラインアップした場合について対流‐放射連成解析を行い両者を比較する。

② 低放射型調理機器と従来型調理機器

の厨房内温熱環境の比較

16

31

8.5 18

2.5

18

1

2.8

EA1

SA

平面図

排気フードオーブン 炊飯器

回転釜ガステーブル

9.6 3.9

1.4 1.0

EA2 EA3

1.0

3.9

1.2

4.4

0.9

3.15

単位：[m]

2.5

8.5

1.6 1.3 1.2

作業台

解析対象厨房モデル

32

調理機器の配置

従来型低放射型従来型低放射型

立体式炊飯器回転釜

17

33

解 析 条 件

放射率場　　所 放射率 [-]

フード内側 0.5フード下 0.5

フード外側 0.3回転釜 0.3

オーブン 0.3立体式炊飯器 0.3

その他 0.9

部　位温度[℃]

速度[m/s]

温度[℃]

部　位温度[℃]

速度[m/s]

温度[℃]

上表面（水） 100 上表面（水） 100上表面（油） 180 上表面（油） 180側面上部 101 側面 34側面下部 123 排気筒 30

排気カバー 251 天板 35天板 37 前面 33前面 60 側面・背面 34

側面・背面 51 排気筒 35前面 36

その他の面 30排気筒 145

天板 91

前面 49

ガス定格消費量[kW]

負荷率[%]

調理機器

ガステーブル

オーブン 従来機器と同じ

31.4 50

オーブン

136

20.0 100 1.19 200

0.72 187

表面温度 排　気

回転釜 41.9 50 3.45 328

立体式炊飯器

回転釜 41.9 50

涼　　厨　　機　　器

1.20 420

31.4 50 0.53立体式炊飯器

従　　来　　機　　器

調理機器ガス定格消費量[kW]

負荷率[%]

表面温度 排　気

ガステーブル

23.7（コンロ１台当り11.85）

100 0.49 220 従来機器と同じ

34

表面温度分布

低放射型機器の厨房従来型機器の厨房

[℃]

18

35

温度・速度分布

速

度

空気温度

低放射型機器の厨房従来型機器の厨房

※ 左から3番目の回転釜を含む断面[℃] [m/s]

36

水蒸気

速度

空気温度

低放射型機器の厨房従来型機器の厨房

（25.6℃）（26.1℃）

（0.138m/s）

（0.0098kg/kg）

（0.147m/s）

（0.0099kg/kg）※ カッコ内数字は断面内の床上0～1.9mの平均値

空気温度[℃]

速度[m/s]

水蒸気[kg/kg]

回転釜から手前0.5m

各物理量の分布

19

37

SET*

MR

T

低放射型機器の厨房従来型機器の厨房

（34.7℃）

（29.3℃）

（41.1℃）

（31.7℃）

MRT[℃]

SET*

[℃]

回転釜から手前0.5m

各指標の分布

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低放射型厨房と従来型厨房の比較

低放射型case1 case1 case2 case3

給気温度 [℃] 25.0 25.0 24.5 21.6平均空気温度 [℃] 25.6 26.1 25.6 SET* [℃] 29.3 31.7 29.3冷房負荷の比 [-] 1.00 1.00 1.06 1.43

従来型

20

39

低放射型機器では、機器表面の温度が低いために従来型機器に比べて放射環境を著しく改善できる。この改善効果は回転釜で顕著である。

作業スペースの温度を低放射型機器の厨房と従来型機器の厨房で同じに保つには、従来型厨房の空調エネルギーは低放射型厨房に比べて6 %、体感温度を同じに保つには43 % 増加する。

まとめ