平成２０年度

佐賀県工業技術センター

研究報告書

熱流体解析システムを利用したハウスの複合加温システムに関する研究
生産技術部
田中 徹
近年の原油高騰も徐々に回復してきており，A 重油の価格も平成 19 年１月を下回る状況になっている．しかし，現在では世界的な経済危機の状況に一変し，施設園芸の分野でも栽培した作物の市場価格の下落など大きくその影響を受けており，省エネルギー技術などの生産コストの削減に取り組む必要がある．本研究では，工業分野で注目されている熱流体解析技術を活用し，ハウス内を加温する加温機の熱交換効率の向上により燃料消費量を削減することで，燃焼による二酸化炭素の排出量を低減して環境負荷を小さくすることを目的とする．本年度は，平成 19 年度の研究で得られた熱交フィンの放熱効果に，さらに熱交フィンの熱交換効率を向上するための検討を行った結果，県内企業で熱交フィンを商品化することができた．

１．はじめに近年の原油高騰も回復の兆しが見えており，平成
21 年１月のＡ重油の価格は平成 19 年１月の価格をの流入口には外気を取り入れるためのブロアー（送風機）を設置し，インバータ制御にて任意の流速で実験ができるようになっている．また，熱交フィン下回ってきている．しかし，平成 21 年になってから日本経済も景気の悪化が深刻になっており，施設園芸栽培の経営にも影響を及ぼしている．この様な状
況の中，生産コストを削減する取組みとして，ハウス内加温に使用されるエネルギーコストの削減のための省エネルギーに対する研究が盛んに行われていの下流の流出口は大気へ開放している．
実験条件を確認するために，熱交フィンの上流に左右２ヵ所，下流側へ１ヵ所流速計をそれぞれ設置している．また，流入する外気の温度を測定するためにブロアー（送風機）の吹出し口に１ヵ所，熱交フィンによって温められた空気の温度を測定するたる．
めに流出口の直前に１ヵ所，それぞれ温度計を設置
そこで，本研究はハウス内を加温する加温機の燃した．
焼室の周囲に熱交フィンを設置し，加温機の熱交換効率の向上により燃料の消費量を削減するとともに，燃焼による二酸化炭素の排出量を低減して環境負荷
流出口
流入口ブロアーを小さくすることを目的としている．
温度計
温度計
(送風機)
本報告では，平成 19 年度の研究 1)で得られた熱交熱交フィン
フィンの放熱効果の知見を基に風洞実験装置を製作し，実験と数値シミュレーションの２つの方法から，より効果的な熱交フィンの形状を検討した．また，県内企業である株式会社第一総合企画への技術指導を通して商品化に至った結果を報告する．
下流側
上流側
流速計

流速計

２．熱交フィンの風洞実験
2.1 風洞実験装置の構造
県内企業である株式会社第一総合企画にて製作した熱交フィン用の風洞実験装置を図１に示す．本研
究では，この風洞実験装置を用いて熱交フィンの熱2.2 実験方法交換の効果を検証した．
実験装置は，中央に 2.4[KW]の面状ヒータを置き，その上に放熱フィンを固定した．熱交フィンの上流実験はブロアーの吹出口近傍に整流板を設置し，上流側に設置した左右２ヶ所の流速計の流速がほぼ同じ値となるようにした．設置した熱交フィンは下

図１‑５１‑

風洞実験装置平成２０年度

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面から面状ヒータにて加熱され，放熱フィンからの熱伝達によって流れる空気を温める．このとき面状ヒータの上面は 250℃に保つようにした．
また，流入側の外気用温度計と流出側の温められた空気の温度計からの温度は，ノートパソコンにて放条件であるゲージ圧力０[Pa]に設定した．

流出口

流れ方向

熱交フィン

チノー製データ収集ソフトウェア KIDS を用いて，時間経過にともなう温度データとしてそれぞれ収集した．ここで，実験の際の流速は 1.0[m/s]，2.0[m/s]，3.0[m/s]とし，流入側の外気温度 T0 に対して，流出側の熱交フィンによって温められた空気の温度Ｔとの温度上昇の割合 T/T0 を比較検討した．
なお，熱交フィンの風洞実験は以下の 2 つの条件について実施した．
①熱交フィンの材質がアルミニウムとステンレスの場 合 に つ い て ， 熱 交 フ ィ ン の 厚 さ を 1.0[mm] ，1.2[mm]と変更した時の実験を行った．
②熱交フィンの材質をアルミニウムとし，フィン厚さを 1.2[mm]とした場合について，面状ヒータの上へ設置する熱交フィンの枚数を０枚，１枚，３枚，６枚と変更した時の実験を行った．

流入口（単位 mm）
図２

風洞実験装置の解析モデル(3) 材料物性
この解析モデルにおいては，流体には空気，熱交フィンにはアルミニウムとステンレスを設定した．
ここで設定した各材料の物性値を表 1 に示す．
表１３．熱交フィンの風洞解析
風洞実験の現象を熱流体解析（CFD：ComputationalFluid Dynamics）を用いて解析した．
3.1 ハードウェア
ハードウェアとしては，HP 製 Work-Station xw8400（財団法人 JKA 平成 18 年度補助物件）を使用した．
3.2 ソフトウェア
解析を行うためのソフトウェアとしては，汎用熱流体解析システム FLUENT（財団法人 JKA 平成 18年度補助物件）を使用した．また，プリプロセッサとしては GAMBIT2.3.16，解析ソルバーとポストプロセッサとしては FLUENT6.2.16 を使用した．
3.3 解析モデル
今回の数値シミュレーションに使用した解析モデ
ルを図２に示す．解析モデルは，熱交フィン用風洞実験装置の熱交フィンを設置する，面状ヒータの端より 100[mm]上流側の位置から下流側全体を３次元形状にて作成した．
3.4 解析条件
(1) 流入条件
外気の流入速度は，風洞実験装置による実験と同様に 1.0[m/s]，2.0[m/s]，3.0[m/s]とし，流入温度はT0 とした．
(2) 流出条件
流出条件は，熱交フィンの下流の流出口を大気開材料物性値

物性値名

密度

熱伝導率

比熱

粘性係数

単位kg/m3W/m･K

J/kg･K

kg/m･s空気1.225

0.02421006

1.79E-5

アルミニウム2719

237900-ステンレス7930

16.7590-(4) 解析方法
風洞実験装置における実験では，流入側の外気温度 T0 に対する流出側の空気の温度 T の割合 T/T0 を比較している．したがって，熱交フィンの風洞解析も同様に，流入温度 T0 に対する流出口での空気の温度 T の上昇割合 T/T0 を比較した．
また，実験条件と同様に次の２つの条件について解析を実施した．
①熱交フィンの材質がアルミニウムとステンレスの場 合 に つ い て ， 熱 交 フ ィ ン の 厚 さ を 1.0[mm] ，1.2[mm]と変更した時の解析を行った．
②熱交フィンの材質をアルミニウムとし，フィン厚さを 1.2[mm]とした場合について，面状ヒータの上へ設置する熱交フィンの枚数を０枚，１枚，３枚，６枚と変更した時の解析を行った．
ここでの解析は，空気の流入温度 T0 に対する流出口での空気の温度 T の上昇割合 T/T0 を比較するため，‑５２‑

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いずれの解析においても，解析領域の外表面からのニウムの方が放熱の効果が高いのは，平成 19 年度の放熱条件は全て断熱条件として定常解析を実施した． 研究 1)でも考察したように，材料の熱伝導率の影響でフィン内部の熱の移動が大きくなっているためと４．結果および考察考えられる．
4.1 実験および解析結果の比較
また，フィンの厚さが厚くなるにしたがって温度
図３に風洞実験によって得られた時系列の温度データの一例を示す．図３に示すように温度上昇の割
合は，1.0[m/s]，2.0[m/s]，3.0[m/s]の流速について，流入温度と流出温度の平均値を算出し，それぞれの平均値の比 T/T0 をとっている．

枚と変更した場合の風洞実験装置による実験と風洞解析による結果を図５の(a)および(b)にそれぞれ示
す．
図５に示した結果では空気の温度上昇の割合に若干の違いはあるものの，いずれの結果でも熱交フィンの枚数が多くなるにしたがって，温度上昇の割合

6055

流入温度 T050吹出温度 T

温度[℃]

451m/s402m/s353m/s

平均T／T0＝1.71

302520
14時24分

14時31分

平均
T／T0＝1.50

14時38分

T/T0 が大きくなっている．

平均
T／T0＝1.35

14時45分

14時52分上昇の割合が高くなっているのは，フィンの厚さが厚くなることでフィンそのものの熱容量が大きくなるためと考えられる．
次に，熱交フィンの材質をアルミニウムとし，フィンの厚さを 1.2[mm]とした場合に，面状ヒータへ設置する熱交フィンの枚数を０枚，１枚，３枚，６15時00分

実験時間

図３

風洞実験装置による実験データ

熱交フィンの材質がアルミニウムとステンレスの場合に，熱交フィンの厚さを 1.0[mm]，1.2[mm]と変更した場合の風洞実験装置による実験と，風洞解析による結果を図４の(a)および(b)にそれぞれ示す．
（a）実験データ

図５（b）解析データ

熱交フィンの設置枚数の違い

4.2 その他の解析結果
熱交フィンの風洞解析を行って得られた，熱交フィンがない場合と熱交フィンを６枚設置した場合の（a）実験データ

図４

面状ヒータ部の空気の流線を図６に示す．
図６において行った解析は，熱交フィンの材質がアルミニウムで厚さが 1.2[mm]の場合に，空気の流速を 1.0[m/s]とした場合の結果である．ここで，流線は面状ヒータの上面から 25[mm]の平面上の分布であり，線色で温度の分布を示している．

（b）解析データ

熱交フィンの厚さの違い

図４の結果において，空気の流速が速くなるにしたがって，通過する空気の温度上昇の割合は小さくなっており，いずれの結果も同様の傾向を示している．ここで，フィンの材質がステンレスよりアルミ

図６に示した結果から，熱交フィンがない場合の空気の流れは直線的であり，面状ヒータを通過することで空気の温度が約 15[℃]上昇している．一方，
熱交フィンを６枚設置した場合は空気の流れは熱交フィンの周辺に沿って蛇行しながら流れており，熱‑５３‑平成２０年度

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交フィンを通過することで空気の温度が約 35[℃]上昇している．

[K]

５．おわりにハウス用加温機の熱交換効率を上げるために，熱交フィンについて風洞実験装置による実験と熱流体解析システムを用いた風洞解析を行い，実験と数値解析の結果を比較検討した結果，以下に示すことが分かった．
(1) 熱交フィンの厚さは厚くなるにしたがって，熱交フィンを通過する空気の温度上昇の割合 T/T0 が高くなる．
(2) 熱交フィンの設置枚数が多くなるにしたがって，熱交フィンを通過する空気の温度上昇の割合 T/T0が高くなる．
(3) 熱交フィンを設置することで通過する空気の流れは蛇行しており，空気の上昇温度が高くなっていることから熱交換の効率が向上している．
なお，本研究は佐賀県の「農業における省エネ・ポスト石油技術開発促進事業」により実施してきた

熱交フィンがない場合が，株式会社第一総合企画にて商品名「熱 Eco-Fin」
として本研究の成果を商品化することができた．実際に熱交フィンを設置した効果に関しては，JA 佐賀発行の機関誌に報告され，消費燃料の削減効果が得られている 2)．
最後に，本研究を実施するにあたりハウス用加温[K]機の構造や熱交フィンの製造コストに関する知見をご教示いただいた株式会社第一総合企画の樋渡氏，本山氏らに深く感謝いたします．
参考文献
1) 田中徹，平成 19 年度佐賀県工業技術センター
研究報告書 No16，pp.61-66 (2007)2) 岡和彦，Greens 佐賀の野菜５月号，佐賀県農業協同組合，pp.12-16 (2008)

熱交フィンを６枚設置した場合

図６

面状ヒータ部の流線および温度分布‑５４