3 次元数値流体解析を用いた屋内温熱環境の予測と改善検討
解析事業部 環境解析部 陸域解析課

池本 和生
成１．はじめに

英恵

射・人体・ＯＡ機器・照明等の熱源、窓からの自然

近年、屋内における温熱環境が重要視されてお換気などの影響が複雑に作用し、屋内の温度やり、快適性を確保するとともに、省エネルギーも同気流を変化させている。このように複雑な屋内温熱時に実現できる屋内環境を求められている。しかし環境を把握するには、模型あるいは実際の屋内環これらは互いに影響する要素であり、屋内の設備境を作成し実験を行う方法や、数値流体解析を利や空調等、考慮すべき点も多い。この双方を満足用する方法が挙げられる。数値流体解析は屋内環させるため、屋内温熱環境の解析が注目されてお境をコンピュータの中で作り出すことができるため、り、事前の屋内設備や空調等の影響の把握、対策

模型実験等に比べ、低コストで構造物の配置・熱検討に利用されている。

源の強度や空調の風量等のパラメータについて何

現在、高断熱高気密構造の建築物が年々増加

パターンもの組み合わせを考慮した解析を行うことし、屋内の環境の水準は大幅に向上している。しができる。また、計算結果が数値的に得られるため、かし、本来ならば、快適性が向上するとともに省エ

CG を用いた温度分布図、速度ベクトル図などをネ効果も高いはずの高断熱高気密構造の建築物簡易な作業で作成することができ、結果の表示機が逆にエネルギー消費量を増加させてしまうケー

能においても優れている。

スも見られる。例えば、窓の配置に対する日射の本レポートでは、数値流体解析を用いた屋内温影響を十分に考慮しなかったために、夏季などに熱環境の解析の一例としてオフィス内を対象とした日射により室内の温度が上昇し、高い断熱性のた解析を行った結果を示す。また、屋内温熱環境にめ熱が逃げにくく、空調負荷が増加することとなる。

ついて、一般的な評価手法を用いた評価を行った。

このように省エネ効果を得る素材を用いても、適切に効果が得られるよう検討しなかったため、その効

２．屋内温熱環境解析事例

果を得られない場合がある。このような建築物を作

2.1 解析概要

り出さないため、或いは生じた問題への対策のた

屋内温熱環境の解析例として、夏季におけるオめ、事前の検討が可能となる屋内温熱環境の解析

フィス室内をモデル化し、３ケースの温熱環境の解は有効であるといえる。

析を行った。解析モデル図を図 1 に、各ケース共また、屋内温熱環境に影響を与える要素は多く、通の解析条件を表 １に示す。モデル化した空間

空調、排気口・換気口、机・椅子などの構造物、日に空調を設置し、室内に冷風を流入し、換気口と17

空調のダクトから排気するように設定した。また、室流率を設定することで外気温の影響を考慮した内の熱源としては OA 機器、人体、日射を考慮し（表 ２）。

た。以下に各ケースの条件について示す。

ｃａｓｅ 2 )ｃａｓｅ 1 )

日射取得率・熱貫流率を ｃａｓｅ １で設定した複窓ガラスをオフィスで一般的に使用されている層ガラスより遮熱・断熱性の高い Low-e ガラスに複層ガラスとし、日射取得率※1 と熱貫流率※2 を解変更し、日射取得率と熱貫流率を与え同様の解析析条件として与えた。日射によって暖められた床を行った(表 ２)。

面によって空気が暖められることを想定し、標準的ｃａｓｅ 3）な東京の７月における日中の日射量 1）と窓ガラス

窓ガラスはｃａｓｅ 2 と同様 Low-e ガラスとして設の日射取得率より計算した熱量を床面に与え床面定し、室内に扇風機を設置した（表 ２、図 2）。扇温度を算定し、床面からの熱量によって室内が温風機は高さ 1.5m の位置に設置し、図 2 の矢印方められるよう設定した。また窓ガラスと外部との熱貫向に風を吹き下ろすよう設定した。

表 １ 解析条件

表 ２ 各ケースの条件

解析条件
解析領域

13.5m×13.5m×2.5m

メッシュ分割101(x)×86(y)×26(z)

実験ケース
case 1乱流モデル

標準 k-εモデル

流入条件

空調 吹出し口 速度 Uin=4m/s

case 2吹き出し口角度 θin=45°(エアコンから外側に下向き)

熱貫流率( ガラス面からの熱移動）
日射が与える床面への熱量
熱貫流率（ガラス面からの熱移動）
日射が与える床面への熱量

温度 Tin=22.0℃
流出条件

各ケースの条件
日射が与える床面への熱量

case 3換気口 速度 Uout=0.2m/s 面積 Aout=0.4m×0.4m(上向き)1707w
3.4 W/m2・K
843w
1.6 W/m2・K
843w

熱貫流率（ガラス面からの熱移動）

1.6 W/m2・K

扇風機

風速 1.2m/s

空調ダクト 自由流入出境界 面積 A=0.6m×2.25m
発熱条件

人体 ：

※1 ガラス窓から入射した日射熱が室内側へ流入する割合※2 熱エネルギーが壁や窓ガラスを通して温度の高い空間から低い空間へ伝わる現象を熱貫流と呼ぶ。そのときに熱の伝わりやすさを表す数値

51W×51 人

パソコン ： 100W×51 台仕切り

空調換気口

PC
人体
プリンタ
図 1 解析モデル図18

2.2 解析結果・考察

す。ｃａｓｅ2 に比べ、扇風機からの風により、ほぼ無各ケースについての結果を示す。

風状態の領域に流れが生じ、室内の空気の循環ｃａｓｅ 1）がよくなったため、室内の温度の高低差が小さく温度分布を図 3、風速分布を図 5 に示す。窓際なった。室内のモデルは図 1 のように個人の机と付近の温度が日射の影響により上昇しており、日机の間に床から高さ 1.0m(机から高さ 0.3m)の仕切射が室内の温度へ与える影響が大きいことがわかりが設置してある。case 2 ではその仕切りによってる。また、窓際付近でも温度分布の高低差が見らはっきりと分かれていた温度の高低差も、case 3 でれるが、これは風速分布から、空調から流入するは空気の流れができたことにより改善された(図 7、冷気の影響であると言える。

図 8)。扇風機を効果的に設置することにより、室内

ｃａｓｅ 2)の温度のバラつきが解消されることがわかった。

温度分布を図 4、風速分布を図 6 に示す。ｃａｓｅ１より遮断率、断熱率の高い窓ガラスを設置した結

３．屋内温熱環境解析の評価手法

果、case１で高温であった窓際付近の領域が改善

数値流体解析の結果より得られる温度分布、速されているのがわかる。この結果から、窓ガラスを度分布から、屋内温熱環境を評価することができ変えることで室内全体の温熱環境の向上と省エネる。さらに、熱的不快感や空調による過度な冷感ルギー化が期待できると言える。などの暑い寒いといった温熱感覚をよりわかりやす

ｃａｓｅ 3)い表現で定量的に取り扱うことができる評価手法を部屋全体の温度分布及び風速分布について導入することにより、屋内の居住者の実感により近case2 の結果を図 7、図 9 に、case3 の結果を図 8

い評価が可能となる。表 ３にその評価手法を示す。

エラー! 参照元が見つかりません。、を図 10 に示

扇風機

日 射

図 2 扇風機設置場所及び吹出し方向

19窓 際窓 際

図4

図 3 case 1 複層ガラス

case 2 Low-e ガラス
温度分布(h=0.8m 平面分布図)

温度分布(h=0.8m 平面分布図)

窓 際

窓 際

図 5 case 1 複層ガラス

図 6 case 2 Low-e ガラス

風速分布(h=0.8m 平面分布図)

風速分布(h=0.8m 平面分布図)

扇風機
窓 際
図7

窓 際
図 8 case 3 扇風機有case 2 扇風機無温度分布(h=0.8m 平面分布図)

温度分布(h=0.8m 平面分布図)

扇風機

窓 際

窓 際
図 10 case 3 扇風機有

図 9 case 2 扇風機無風速分布(h=0.8m 平面分布図)

風速分布(h=0.8m 平面分布図)20

表 ３ 屋内環境の評価手法
評価手法
体感温度

湿球黒球温度(WBGT)

平均放熱温度
(MRT)
快適指数
（PMV）

新有効温度
ET＊

標準新有効温度
SET＊

内容

体感温度とは、湿度や風速等によって影響されやすい人間の肌が感じる気温を、数値に表したものである。一般的には風が強いときほど体感温度は下がる。体感温度は、湿度に着目したミスナールの式と風速に着目したリンケの式等が存在する。
WBGT は ISO で定められた国際規格であり、作業者が労働環境において受ける暑熱環境による熱ストレスの評価を行う簡便な指標である。暑熱環境を評価する場合には気温に加え、湿度、風速、輻射（放射）熱を考慮して総合的に評価する必要があり、WBGT はこれらの基本的温熱諸要素を総合したものとなっている。これにより、労働者の活動環境としての適・不適切を判断することができる。
MRTとは暑さを示す体感指標の一つで、周囲の全方向から受ける熱放射を平均化して温度表示したものである。
MRT値が気温よりも高いと、周囲から受ける放射熱による暑さを感じ、逆に気温よりも低いと涼しさを感じる。この指標はヒートアイランド現象の解析にも使われていることが多い。
デンマークのフィンガーによって提案された指標で、温度環境に関する 6 要素（空気温度、平均放射温度、気温、温度、着衣量、代謝量）の組み合わせで求めることができ、ISO-7730 として国際規格となっている。PMV は、-3 から 3の数値によって表される。
ET＊は気温・風速・湿度・熱放射・代謝量・着衣量の組み合わせを〔気温=周囲面の温度（平均放射温度）〕、湿度 50%の時の気温で表現するものである。しかし、任意の代謝量、着衣量に対して定義され、同一着衣量、代謝量でなければ ET＊の値の大小で温冷感、快適感を直接比較できない。ことから、ET＊のみでその環境が温熱的に快適かどうかを判断するのは、難しいと言える。
SET＊は周辺を取り巻く温熱環境との間の熱平衡式に基づいて定義される ET＊を基にし、椅座位、着衣量 0.6clo の静穏な気流の場合を基準として、人体と環境との熱平衡式から導かれている。SET＊では、着衣量を代謝量によって修正することによって、様々な代謝量における温冷感や快適感評価を可能にしている。

本レポートでは case 1 と case 2 の解析結果をSET＊と温熱環境の快適性の関係について示す。

用いて標準有効温度 SET＊を算出し、窓ガラスをよｃａｓｅ 1において、日射を受ける場所ではSET＊り遮熱・断熱性の高いものに設定した場合の屋内は38℃と非常に不快な環境となったが、日射を受環境における快適性への影響について検討した。

けない場所では23℃と快適な環境を示す結果とな＜標準有効温度 SET＊の算出＞

り、日射の有無による快適性への影響は非常に大標準有効温度 SET＊とは、気温、湿度、風速、輻射きい結果となった。

（放射）熱、代謝量、着衣量を考慮した温熱環境を遮熱・断熱性の高いガラスに設定した ｃａｓｅ 2示す体感指標である(表 ３)。本レポートではｃａｓｅにおいては、日射を受ける場所ではSET＊は33℃

1 とｃａｓｅ 2 の結果の値を用い、図 3 に示す日射とcase １から改善されたものの、依然として不快なを受ける場所(日射有)、受けない場所(日射無)に環境を示す結果となり、快適な環境とするには日ついて SET ＊ を算出し、快適性について評価を射へのさらなる対応が必要であることがわかる。

行った。SET＊の算定に必要なパラメータについて一方で、ｃａｓｅ 2の日射を受けない場所についは、気温、風速及び輻射(放射)熱については数値てもSET＊が21℃と、case 1に比べて-2℃となり体流体解析による計算値を用いた。湿度については感温度においてより涼しく感じられる結果となった。

一般的なオフィス内を想定し 60％とした。代謝量

このことから、開口部の遮熱・断熱性を高めて日射及び着衣量については、夏季の椅子座席時の事務作業を想定した値 2）を用いた。

熱を室内にとりこまないように配慮することにより、日射を直接に受けない地点についても室内冷却効率を上げることで空調負荷を減らし、快適性を＜SET＊を用いた快適性の評価＞
SET＊の算定結果を表 ５に示す。また、表 ４ に保ちつつ省エネにつなげることが可能であることがわかる。

21このような評価手法を用い、温熱環境を定量的４．終わりにに把握し、評価することで、作業者の快適性と省エ

数値流体解析は、本レポートで示した事例以外

ネルギー対策の両立について検討を行うことが可にも、床面積が数万平方メートルにも及ぶ工場の能となる。

ような大規模空間の解析や、人体周辺のみを考え

表 ４ SET＊と温熱環境の快適性との対応

4035

※

ＳＥＴ （℃）

30

[快適感]

非常に暑い
暑い

非常に不快

暖かい

不快

可能である。さらに数値流体解析の結果を用いて、なんともない

20

やや涼しい

10

屋内温熱環境の快適性を詳細に評価・検討することができる。当社では屋内温熱環境の向上のため

やや暖かい

25

15なスケールでの解析、また、屋内・外の連成解析も[温冷感]45

た狭い空間内の小規模な空間の解析などさまざま快適に、常に新しい解析･評価手法などの知見を収集

涼しい

やや不快

寒い
非常に寒い

不快

し、解析技術に取り入れている。これら最新の解析技術を用い、屋内環境の快適性の確保及び地球環境の保全という双方の目的を満足させる環境の5

創造に携わることで、社会に貢献していきたい。

表 ５ SET＊算定結果
SET*（℃）
日射有

日射無

case1（複層ガラス）

3823<参考文献>

case2（Low-E ガラス）

33211）空気調和・衛生工学便覧(第 13 版)
空気調和・衛生工学会編
2）新版 快適な温熱環境のメカニズム
空気調和・衛生工学会編（1997 年 12 月）
3）建築・都市の環境設計工学

村上周三著

4）地表面に近い大気の科学

近藤純正著

5）国立環境研究所 地球温暖化と健康
http://www.nies.go.jp/impact/

日射を受けない場所
日射を受ける場所

日図 3

射SET＊評価地点

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