通風逆解析と昼光解析を連動した開口部決定法
214-109
1. 背景・目的

3. 昼光解析を用いた多目的最適化

福本拓人

3.1 解析概要

2020 年に予定される省エネ基準義務化や、2030 年に床面の昼光率の最大化及び照度分布のばらつき（標準おける新築物件の過半についての ZEH の達成など、数々偏差）の最小化を目的関数とした GA による多目的最適の省エネルギー施策が実施される中、建築計画面と物理化を実施する。開口位置をパラメーターとし、設計ツー環境面とのバランスがとれた設計が益々重要となる。良ルにより決定した開口面積（図 1）を維持したまま、壁好な環境性能となる設計案の見極めは容易ではないが、面上で開口を移動させる。Grasshopper を用い、昼光解最適化手法を設計に応用することで、現状の設計案の環析には DIVA4、多目的最適化には Octopus を使用した。

境性能をより優れた性能に昇華させることが可能と考え

3.2 解析結果

られ、既に一部の実設計では効果的な活用例が見られる。

十分収束したと思われた世代数 40 で解析を終了した。

本研究では、レビ設計室（代表：中川 純）が現在、神パレート解の例として、両極となった標準偏差が最小、奈川県横浜市に計画中の戸建住宅（ZEH 仕様）を対象に、平均昼光率が最大となった解析結果を図 2 に示す。

通風と昼光の最適化を実施する。併せて、設計者が最適標準偏差が最小となる場合

平均昼光率が最大となる場合

標準偏差：1.99
平均昼光率：1.06%

標準偏差：4.90
平均昼光率：3.83%

化の前提条件をボリュームスタディの段階で決定する設
2. 設計ツール

二階計ツールを開発する。
2.1 設計ツール概要

ZEH仕様の住宅設計において開口部面積は制約を受け易い。本ツールは、設計者自らの使用を想定して開発した。ボリュームスタディの段階で建物全体の断熱性能

図 2 解析結果

を示すU A 値、日射遮蔽性能を示すη A 値が基準値を上回

図 3・4 に示す通りパレート解を 5 分割し、各壁面にった場合、ユーザーにそのことを知らせ、基準値を下回るように設計することができる。Rhinocerosのプラグイ

開口設置可能範囲を決定し、風解析へ引き継ぐ。
標準偏差が最小となる群 (a)ンであるGrasshopperを使用し設計ツールを作成した。
南立面図

2.2 実物件への適用
算出条件を表 1 に示す。

表 1 算出条件

気候区分
評価
UA値
基準値
η A値

本物件では眺望等の理

開口面積18.7ｍ24.6ｍ2保させたい。開口の増加つながり易い。上限とな

南立面図
開口面積

東立面図
開口面積0ｍ2

3.2ｍ2

る基準値を超えない範囲
で東西南北の開口面積を仮決定した。
結果を図 1・表 2 に示す。
UA値
0.60
0.599

パレート解

② それぞれの群に含まれる開口位値(e)を重ねて表示させた範囲を開口設置可能範囲とする。
図 4 は壁面上に複数の白枠を示すがパレート解のうち 1 つの結果を重ねている。

(b)
(c)

小 標準偏差 大図 4 開口設置結果

4. 逆解析（位置感度解析）を用いた通風開口最適化
4.1 解析概要
既報1)などでは、開口設置可能な外壁面に開口率を与え、西立面図

北立面図

図 1 開口設置結果
冷房期η A 値

開口率増加が室内風速増加に効果的となる箇所を逆解析により探査し、開口設置位置とした。本報では、外壁上に空気ブロックとして再現した開口自体を逆解析が示す

表 2 算出結果

基準値
計算値
総開口面積

① パレート解を５つの群に分ける。

(a)

(d)

積を可能な限り大きく確
はU A 値・η A 値の増加に

図 3 開口分布

大由で南側と東側の開口面

開口面積

白枠が開口の外形線

昼光率5（神奈川県横浜市）
ネット・ゼロ・エネルギー・ハウス支援事業
0.60
2.80
壁床屋根
窓
0.321
0.309
0.540
4.910－－－0.400

小熱貫流率 [W/m2K]
日射熱取得率 [ - ]平均昼光率が最大となる群 (e)

2.80

2.353
26.435 m2

暖房期η A 値2.302方向に移動させる新たな手法を提案する。CFD解析・逆解析には㈱アドバンスドナレッジ研究所のCFDソフト
FlowDesigner2018 を使用。解析条件を表 3 に示す。

表3ネスティングを用いて CFD 解析・逆解析を行う。開CFD 解析条件

乱流モデル
離散化

修正 L-K モデル

流入境界
流出境界

べき乗則(α=0.2)

有限体積法

アルゴリズム
移流項差分スキーム

SIMPLEC 法
1st-order

天空面、側面
地物表面

Free Slip
一般化対数則メッシュ

構造格子口設置可能範囲については昼光解析で算出されたパレート解の各群を範囲とする（図 3 の白枠が重なる範囲）。

自由流出

ただし、最適化のパレート解のうち標準偏差の最小化を重視した解は昼光率が低くなりすぎるため、南側開口に4.2 簡易形状居室を対象とした基礎検討

ついては一律、最適化で昼光率が最大となった開口を設基礎検討として簡易モデルを使用し提案手法について範囲の中心とし、この範囲内で開口を 0.1ｍ刻みで移動検証した。解析条件を表 4 に示す。

表 4 解析条件

解析
CFD 解析
逆解析させる。開口は全て引違とし、開口面積を半分としたモ

格子数

収束判定
10-5.0811,944 （x:179 y:108 z:42)
10-4.0西・1.0 m/s（基準高さ：10 m）

風向・風速

デルで最適化を行った。
4.5 解析結果
開口の移動推移を図 7 に示し、評価領域内風速の変化

4.0m

4.3 基礎検討の解析結果
簡易モデルは、風上風下に１つずつ初期配置となる開口3.0mし、終点は最適解を示す。
群(a)を範囲とした場合

固定群(e)を範囲とした場合

評価領域 4.0m

風向(1) 流入側開口移動

南立面図ることを目的とし、CFD 解析を図 8 に示す。矢印の始点は、開口初期配置の中心を示

開口初期配置を有する（図 5 参照）。室内の評価領域内風速を最大化す置可能範囲とした。開口の初期配置は各壁面の設置可能及び逆解析で位置感度を算出する。算出した位置感度通りに開口を移動させ、再度繰り返す。移動パターンとして流固定

入側開口のみ移動・流出側開(2) 流出側開口移動

口のみ移動・両開口同時移動
結果の推移を図 5 に示し、評価領域内風速の比較を図 6 に示す。どのパターンに関しても評価領域内風速は増加し、

図 5 開口の移動推移

評価領域内風速［m/s］

逆解析の効果が見られた。
流入側開口移動

0.035(3) 両開口同時移動

流出側開口移動

評価領域内風速［m/s］

図 7 開口の移動推移の 3 通りを行った。開口移動

0.027

群(e)を範囲とした場合

0.023
0.021
0.019
0.017
0.0150.013

両開口同時移動群(a)を範囲とした場合

0.025

051015

試行回数

2025300.030

図 8 逆解析の試行回数による評価領域内風速の変化

0.025

標準偏差が最小となる群(a)、平均昼光率が最大となる群(e)を開口設置可能範囲とした場合、いずれも室中心に0.020
0.015

設置した評価領域内の風速は増加し、逆解析の効果が見
01234

567

試行回数

図 6 開口の移動パターンによる評価領域内風速の比較

4.4 実住宅への適用られた。群(a)は試行回数 21、群(e)は試行回数 22 で最大風速となり、これを最適解とし開口位置を決定した。
5. まとめU A 値・η A 値を考慮した設計ツールを開発した。開口通風利用を夏期（6 月~9 月）、7 時~24 時を通風時間と移動と連動する昼光解析を用いた多目的最適化による開して、過去５年間のアメダスデータから、最多風向・平口位置の決定手法を提案した。また、逆解析を用いた新均風速を算出した。解析条件を表 5 に示す。

たな通風開口決定法を提案した。本報では、これら全て

表 5 解析条件

全体領域ネスティング
逆解析
風向風速

格子数
4,539,600 （x:194 y:195 z:120)

を実設計に適用した。提案手法については今後、設計法
収束判定

10-5.010-5.01,607,040 （x:124 y:90 z:144)
10-4.0238.77°（北を 0°としたときの時計回り方向）
3.47 m/s（基準高さ：19.8 m（横浜地方気象台））としての確立を進めていく。
参考文献
1) 福本拓人, 河野良坪, 中川純, 長谷川翔也 「逆解析を用いた通風用開口位置の決定および居室内温度分布の均一化」 日本建築学会大会, P.1085～1086, 2017 年 7 月（河野研究室）