シミュレーションで求める換気の改善案

Ventilation improvement plan sought by CFD simulation
BIM 連携・逆解析・VR 対応の気流シミュレーションソフト FlowDesigner

株式会社アドバンスドナレッジ研究所
塚本 百合

１．はじめに近年の新型コロナウイルス感染拡大により、私たち調機を下につけているので、新鮮な空気が居住域にの生活において急速なデジタルトランスフォーメーショ到達しやすく換気されやすいですよ」とクライアントのン（DX）化の普及が進んでおり、ライフスタイルだけで方にお奨めしたとする。しかし、第 1 図を見せるだけではなくワークスタイルやビジネススタイルまでも様変わは実際には室内がどのような換気状況かを頭で想像りしている。誰もが感染症対策について強く意識するするしかなく、2 つの案の違いを相手が納得いくように中で、「換気」「空気の流れ」「空気質」は設計において説明するのは難しい。さらに、もしクライアントが建築キーファクターであることは言うまでもないだろう。設計や換気に関する専門知識を持たない場合には、さらに者だけではなく施主やクライアント、建物の利用者を含高いハードルを越えなければならないだろう。

め世間一般で環境設計への意識が、従来からの省エネ・省コスト化への要求と併せてより高まっているように見受けられる。
しかし、換気・空調設備などの導入は建築建物の一品生産である特性上、試しに導入／運用とするわけにもいかない。またその効果を相対的に比較・設計提案をしてコンセンサスを得るには、「効率よく換気・省エネルギー化できるか」「環境設計の付加価値をわかりやすく伝えられるか」がウィズコロナと呼ばれるこれからの時代にますます重要な課題となってくるのではないだろうか。

2．換気提案の課題

第 1 図 換気提案イメージ
また、一般的に室内の換気状況は「換気回数」で評

世間一般で換気設計への要求が高まっているが、価されることが多い。換気回数とは、室内の全ての空その付加価値を十分に理解してもらうのは容易なこと

気が均等に入れ替わったとして 1 時間当たりに何回そではない。例えば、第 1 図のように空調機器の配置位の部屋の空気が入れ替わるかを表す指標である。最置のみが異なる 2 つの案があったとき「B 案の方が空近では飲食店などでも換気回数を公開することで感染症対策の実施をアピールするところもある。「1 時間に証といった方法もあるが、一品生産の現場ではあまり30 回空気が入れ替わっています」と聞くと、確かにしっにも膨大な費用や時間がかかってしまうため現実的でかりと換気がされて安心して食事ができるような印象はないだろう。そこで、コストを抑えつつ、様々な設計を受ける。しかし、残念ながら換気回数は空間のいた案を比較検討することができるシミュレーション技術はるところで換気されていることを保証するものではない。 非常に有効な手段である。シミュレーションを行うこと換気回数が多かったとしても、例えば「室内に入ってきにより対象空間全体の温度、湿度、快適性、空気質のた新鮮な空気がそのまますぐに屋外へ排出されてい分布を 3 次元で見える化し、詳細に分析することがでる」「空気が淀み汚染物質が溜まりやすい場所が発生きる。また、細かな数値が導き出せるため「設計の根する」という状況となっている可能性が大いにある。さ拠」を示す場合にも大いに役に立つはずだ。

らに室内の構造や温熱環境など様々な要因を受け、弊社で開発している気流シミュレーションソフト

空気質の分布は多様に変化している。全体の換気状「FlowDesigner」は、直感的に操作ができることや少な況は評価できていても、実際に人がいる場所など本来いパラメータ設定で安定した計算ができることから、シ換気したいはずの場所がきちんと換気されているかのミュレーションの専門知識がなくてもすぐに扱えるのが評価は十分できていない可能性があり、換気回数の特徴だ。BIM 連携にも力を入れており、3 次元のモデ数値だけで換気状況を評価することはリスクが高いとルデータを活用することでモデル作成に時間をかけず言える。

簡単に換気のシミュレーションを行うことができる。操こういった懸念点や課題点を解消するためには、室作を習得するのに時間を必要とせず、シミュレーション内の空気質の分布も考慮した換気計画・設計検討が自体にかかる時間も短くて済むため、他の業務と並行必要になる。例えば第 2 図のように、室内の換気状況しながらでも、思いついたアイデアをすぐに何度でも試を可視化したアウトプットが作成できれば、「積極的にすことができる。私たちはこうした手軽さが設計のフロ分布をつけることで、人がいる空間のみにフォーカスントローディングを実現可能なものにすると考えている。

をあてた換気設計ができる」とアピールすることも可能だ。こうした訴求力のあるわかりやすいアウトプットを作成することで、クライアントのコンセンサスも得やすいと考えられる。

●解析事例 ： パーティション設置による換気状況への影響ある飲食店において新型コロナウイルスのクラスターが発生した事例で、特定のテーブルにのみ感染が広まっており、検証の結果「空調の気流により感染性のある高濃度飛沫循環領域ができた」ことが原因とされた。こういった状況について FlowDesigner を使って見える化してみたい。
第 3 図のモデルは、どちらも換気回数が 30 回／hになるように設計している。例として、飛沫感染防止用パーティションの設置をすることで室内換気状況がどのように変化するかシミュレーションで確認してみよう。
今回は室内の換気状況を空気齢（SVE3）と空気余

第 2 図 室内分布比較イメージ

命（SVE6）で評価する。空気齢とは文字通り空気の年齢を表し、値が低いエリアほど新鮮な空気が到達しや3.シミュレーションを行うメリット

すく、値が高いエリアほど空気が到達するまでに時間

先述のような、分布を考慮した設計計画・検討では、 がかかる。そのため「空気齢＝空気の淀み具合」を表ミニチュア模型の作成やモックアップなどでの実験検しており、その場所にいた場合の感染するリスクの高さとも読み取ることができる。また空気余命とは空気が排出されるまでの時間を表し、値が低いエリアほど空気が排出されやすく、値が高いエリアほど空気が排出されるまでに時間がかかる。そのため空気余命についても空気齢と同様に、値が高いほど感染するリスクも高いと考えられる。
第 4 図 空気齢分布

第 3 図 解析モデル概要
では、解析結果を比較してみよう。まず、空気齢の解析結果（第 4 図）では、パーティションありの方が高第 5 図 空気余命分布

い値になっており、新鮮な空気が行き届きにくいエリア

4．BIM 連携 点群データを利用した換気解が増えていることがわかる。特に、中央と排気口がある右側の個室ではパーティションなしの場合と比べて析色が濃くなっており、感染しやすいエリアが拡大してい第 6 図は実際にある飲食店の店内の空気の流れをることがわかる。次に、空気余命の結果を比較するシミュレーションによって可視化したものである。店内（第 5 図）。やはりこちらも、値が高いことを示す色が濃の様子が 3D の形状やテクスチャによって非常にリアいエリアの占める割合が高まり、空気が排出されにくくルに再現されているが、3 次元の点群データを利用しなっていることがわかる。パーティションを設置することて解析モデルを作っている。最近では専用の計測機により、空気が滞留しやすいエリアが拡大していること器を使用しなくても、スマートフォンなどでも簡易的なは一目瞭然だ。

点群データを取得することができるようになり、そうしつまり、パーティションやアクリル板を設置し室内をたデータを FlowDesigner に取り込むことで、より手軽で区切る対策は、飛沫感染防止や隣の席の方との接触スピーディーな解析が可能となっている。3 次元データを防ぐという意味では有効な手段かもしれないが、換がなく手動で一からモデル作成する場合は解析結果

気効率という観点では新鮮な空気が行き届きにくかっの出力に至るまで数日はかかってしまうが、この事例たり、もしくは空気を排出しにくかったりする場合があではスマートフォンによる点群データの計測からる。このように、シミュレーションを用いて室内の分布

FlowDesigner でのモデル作成、計算、結果表示までたについても検討を行うことで、換気回数だけではわかったの数時間で行っている。

らない情報が得られる。

第 6 図 点群データを用いた換気のシミュレーション

5．逆解析による改善案の見える化
FlowDesigner が、シミュレーションによって換気のキ

第 7 図

給排気口を移動すべき方向（矢印が大きいほど有効）ーファクターである「室内の空気の流れ」を見える化し、また、感度の１つである『体積力感度』（第 8 図）も、換気設計の検討ができる有効なツールとなることは、とても面白い活用ができる。ベクトルの方向に力を加既述の内容からお伝え出来たかと思う。ここではさらえることで改善が期待できることを表しており、今回のに、改善案を素早く見える化できる「逆解析機能」につケースではどこにどの向きで扇風機や送風ファンを設いて紹介したい。現状の設計案に対して改善案を求め置すれば換気を促せるかがわかる。第 8 図では色がたい場合、一般的には経験則などに基づいて様々な濃い部分ほど感度が高く、この位置にファンを設置す案を作成し、トライアンドエラーで膨大な量の実験やシると高い効果が得られることを示す。

ミュレーションを重ね、相対的に比較して改善したもの

こうした具体的な改善案は、室内全体の空気質のをピックアップするため、多くの作業工数が必要となる。 分布を把握する必要があるうえ、直感的に導き出すこFlowDesigner の「逆解析」は、そういった従来の方法とは難しい。しかし逆解析という、従来とは異なるアプとは全く異なる、非常に短い時間で改善案を見つける

ローチの仕方を用いれば、経験則や専門知識に頼ることができる画期的な機能だ。一度計算を実行するだことなく誰でも短時間でより効果的な改善案を見つけけで様々な改善案が「感度」という形で得られ、それらることができるのである。

を一目で把握することができる。
例として、機械換気を行いさらにパーティションを設置した室内を考える。中央のボックス席にて空気が滞留しやすいという問題点を改善するため、逆解析を実行してみる。すると、感度の１つとして下記のような「位置感度」（第 7 図）が得られる。感度の値が大きいほど、位置を変更した際に改善する期待値が高いことを示す。（第 7 図では矢印が大きいほど感度の値が大きいことを示す。）従って、このケースでは給気口よりも排気口を矢印方向に移動させるほうが効果的であることがわかる。
第 8 図 扇風機を設置すべき場所と方向（色が濃いほど有効）

6．VR によるコミュニケーションの円滑化
FlowDesigner では PC に「VR（Virtual Reality）」のヘッドセットを接続することで、仮想空間の中に入り込んでシミュレーション結果を体感することもできる。通常の結果表示画面を眺めるだけではわかりにくい、空間のスケール感や気流のスピード感といったものを実寸大の空間で体感することができる。まるで実際にその第 9 図 VR 空間共有機能

場を歩いているような感覚でインタラクティブに動き、好きな位置から自由に解析の結果を見られるうえ、自7．おわりに身のアバターの手から流れの軌跡を表す流線や紙飛これまで述べてきたとおり、FlowDesigner の気流シミ行機を飛ばして、どのように空気が流れていくかを確ュレーションによって目には見えない空気質の評価を認することもできる。例えば「風速 1m/s って実際はこ行ったり、より良い換気の設計案を模索したりといったのくらいの速さなんだ」とゲームのような感覚で体験すことが誰でも簡単に短時間で可能になっている。3 次

ることができる。VR でシミュレーション結果の共有を元の分布として評価ができるため、省エネ化・省コスト行えば、多くの資料を作って説明する必要がなく、実化や感染症対策の面でも高い安全性の検討に大いに際に状況を見てもらいながら伝えることができるため、役立つ。さらに、手軽に出力できる魅力的で効果的な情報を提供する側と受け取る側双方の齟齬も生じにく

アウトプットは、設計者同士やクライアントとの間でのいと考えられる。資料作成に割く時間も短縮でき、業円滑なコミュニケーションに非常に大きな効果を発揮務負荷の軽減にもなる。

する。「設計案の付加価値・魅力をいかにわかりやすくさらに、FlowDesigner では複数人が同時に仮想空ビジュアル化するか」という課題に対して、間に入ることができる「VR 空間共有機能」（第 9 図）もFlowDesigner によるシミュレーションは 1 つの重要な解備えている。遠隔地でも使用可能なため、オンラインミ決策となるに違いない。

ーティングが多く行われている昨今、非常に有用な機弊社では、今後もシミュレーション技術だけではなく、能である。FlowDesigner は単なる風環境の見える化ソ

BIM 連携技術や VR 技術についてもさらなる機能開発

フトではなく、設計者同士やクライアントとの間で設計を進め、環境設計の実務において有効かつ効率的に案についての理解を深めるのに役立つ、頼れるコミュ活用していただくために邁進していく所存である。

ニケーションツールになり得る。
また、FlowDesigner は 180°動画や 360°動画の出力にも対応している。180°／360°動画とは、動画投稿サイトなどでも見かける、簡易 VR（カードボードVR とも呼ばれる）にスマートフォンをセットするなどして見る動画である。通常の高価な VR 機器とは異なり、カードボード VR は厚紙とレンズなどでできており数百円程度で手に入れられるうえ、PC に接続する手間もなく簡単に扱える。軽くてかさばらないため、出先でも気軽に見ることができるのも利点だ。