2013 Fiscal Year Research-status Report
建築物と設備機器の最適配置に基づく屋上の省エネデザイン手法
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25630238
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
甲谷 寿史 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (20243173)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
相良 和伸 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (30109285)
桃井 良尚 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (40506870)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 屋上 / 空調機 / ショートサーキット / 風洞実験 / CFD解析 |
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| Research Abstract |
１）建物屋上気流の詳細把握のための風洞実験 既往研究で風圧や平均気流場のデータを有する単純矩形建物とペントハウスを設置した矩形建物の屋上気流場を対象として、接地境界層下で1/200縮小模型を用いた風洞実験を行い、非接触で高精度測定を行うことが出来る時系列PIV(Particle Image Velocimetry)測定による屋上剥離気流の平均風速および乱流統計量を把握した。サンプリング周波数1kHzで詳細測定を行い、渦の発生周期にも着目した屋上での渦の発生状況と剥離流の性状を把握した。
２）PIV測定の精度検証 時系列PIV測定と併せて、非接触測定であるLDV(Laser Doppler Velocimetry)およびI型熱線風速計での風速測定を行い、トレーサ発生方法による差異を確認すると共に、PIVで十分な精度を保つための視野サイズ等の確認を行った。またLDVでの1次元測定はPIVの2次元測定と異なり、トレーサ発生手法に工夫が必要であることが分かった。
３）空調室外機のショートサーキット現象に関するCFD解析 標準k-epsilonモデルを用いたCFD解析により、目隠し壁及びペントハウスが空調室外機のショートサーキットに与える影響に関して検討した。既往研究で提案した空調機の吹出し温度と吸い込み温度を用いたショートサーキット率を算出し、既往実験との比較を行った結果、標準k-epsilonモデルでは定性的な分布傾向を再現できるものの、定量的には20%近くの差が見られることが分かった。今後は、１）で把握した気流場の比較を行う。定性的な傾向として、ペントハウス後流に発生する低風速域により、ショートサーキット率が大きくなること、屋上４周に目隠し壁を設置することで屋上全体の剥離性状が変化し、ケースによってはショートサーキット率が小さくなることがあることが分かった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初計画で以下の4ステップの検討を3カ年で実施予定とし、初年度は(1)を実施予定としていた。
(1)屋上周辺のミクロな風環境を把握するための風洞実験を行い、次いで(2)CFD解析の精度検証と(3) 非等温排気を設定した条件でのCFD解析により空調機の吸込み温度、太陽光発電パネルの周辺温度、自然換気装置の排気口温度等を把握する。最後に(4)外部風向・風速、外気温度の気象データを入力した年間計算により効率を向上させる最適配置を探る。
(1)のミクロな場の風洞実験を実施予定であったものの、予備検討により実験の精度を確保するための検討が必要と判断し、次年度以降に実験を延期することとした。しかしながら、(2)のCFD解析の精度検証を行うためのデータ収集としては、当初予定とは異なる実験を実施することで十分であると判断し、高精度の時系列PIVを行った。ここで得たデータは、CFD解析で最終的に検討する予定である高次の乱流モデルであるLES(Large Eddy Simulation)の精度検証にも利用可能であり、当初予定していた平均風速のみならず、時系列での風速の再現精度や乱流統計量の精度懸賞を行うことが可能となるものである。よって、予定していた実験とは異なる実験を実施したものの、概ね順調に進展していると判断できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
１）精度検証のためのCFD解析 初年度からの継続でCFD解析を行い、乱流統計量などの詳細な情報を得て精度検証を行う。種々の改良型k-epsilonモデル、例えばこれまでの風環境分野の研究成果からはMKKモでル及びDurbinモでルの適用が可能であると考える、しかしながら、例えば剥離域の高さ程度のみならば、メッシュの解像度によっては初年度に用いた標準k-epsilonモデルでの再現が可能であることが考えられ、実用的に非常に価値が高いため、その可能性も探る。
２）非等温条件でのCFD解析 空調機室外機及び換気口(給排気口)からの非等温排気を設定した条件でのCFD解析を行い、外部風向・風速、建物条件、屋上条件、室外機・換気口配置の典型的な組み合わせに対して、空調室外機の吸込み温度等を把握する。剥離域内解析であることから高次の乱流モデルのLarge Eddy Simulation (LES)を用いる。空調機室外機及び換気口(給排気口)での境界条件の与え方に関する検討も同時に行う。
３）ミクロな視点での建物屋上気流把握のための風洞実験 初年度の風洞実験を継続するとともに、建物条件(平面形状、断面形状)、屋上条件(塔屋位置・形状、付属物位置・形状)を種々設定した上で、空調機室外機等の形状を再現した風洞実験を行い、建物屋上のミクロな風環境を把握する。ここでは一般に用いられる縮尺1/100程度の風洞実験とは異なり、模型縮尺を大きくし、かつPIVとLDVにより高精度測定を行う。大縮尺模型においては、緩和した相似則を用いることにより、非等温吹き出しの実験が可能となり、特に空調室外機からの非等温吹き出しを再現し、吸込み温度で吹出し温度を制御する精密模型を使用することで、高精度かつ詳細な実験を行う。また、室外機ファンの圧力-流量特性を縮小模型で再現する必要があり、実験手法自体の開発も並行して行う。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
風洞実験における実験用消耗品（トレーサ発生用煙等）を計上していたものの、別予算での購入物品を援用したことで、次年度使用額が生じた。
風洞実験における実験用消耗品（トレーサ発生用煙等）として使用予定である。
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