ふく射冷房パネルの流動可視化と熱交換量に関する研究
村田顕彦 *1

山本圭一朗 *1

大内崇史 *1

岩嵜亨 *2

Study on flow visualization and heat exchange rate of radiant cooling panels
Akihiko Murata, Keiichiro Yamamoto, Takafumi Ouchi and Toru Iwasaki

体育館など大型施設の室内空間を，ふく射と自然対流により温調する冷房パネルの設置が進んでいる。従来の冷房パネルよりも熱交換性能を向上させるために，CAEを活用した最適形状探索のニーズがあるが，CAEによる性能予測の妥当性を検証するためには，パネル周りの複雑な流れを可視化し，流動現象を把握する必要がある。そこで，当所に導入されている熱流体可視化システムを用いて，パネル周りに形成される流れを対象に粒子画像流速測定を実施し，CAEを用いた解析結果が，可視化実験の結果とおおよそ一致していることを確認した。また，CAEを用いてふく射冷房パネルを簡略化した鉛直平板を用いて，平板の全長を変化させた際の熱交換量の変化を調査した。

1 はじめに本研究で測定対象としたふく射冷房パネルを図1に ，体育館など大型施設向けに，ふく射冷房パネルの設可視化実験の模式図を図2に示す。

置が進んでいる。通常のエアコンは，ファンによって強制的な対流を起こし，温度を調整する方式である。
一方，ふく射冷房パネルは，ファンを使わず，ふく射と自然対流で温調する方式である。このため，ふく射冷房パネルには，ホコリ，ウイルスなどの飛散が生じにくい，バドミントンなどの風が問題になる競技に影響を与えないなどのメリットがある。
従来のふく射冷房パネルよりも熱交換性能を向上させるために，CAEを活用した最適形状探索のニーズがあるが，解析結果の妥当性を確認するためには計測を行う必要がある。当所では，これまで，機械装置の周囲又は内部に形成される流れ場を，レーザー光源及び図1

ふく射冷房パネル（測定対象）

カ メ ラ を 用 い た 粒 子 画 像 流 速 測 定 （ PIV ： ParticleImage Velocimetry）により，可視化する熱流体可視化システムを用いた研究を実施してきた 1)。
本研究では，上記システムを用いて，パネル周りに形成される流れにPIVを実施し，可視化実験結果とCAEを用いた解析結果を比較評価した。また，ふく射冷房パネルを実際に設置する際の，効果的な配置を検討するために，ふく射冷房パネルを簡略化した鉛直平板を用いて，平板の全長を変化させた際の熱交換量の変化を調査した。

2 実験，解析方法
2-1 ふく射冷房パネルの可視化実験と解析による検証
図2*1 機械電子研究所*2 株式会社エース・ウォーター- 74 -

可視化実験の模式図

まず，暗幕で覆った可視化用の実験室内（幅：1640

2-2 鉛直平板の全長と熱交換量の関係mm，奥行き：3010 mm，高さ：3550 mm）にトレーサー

本解析では，全長の影響を単純化して評価するためを流量8 mL／hでおよそ5分間充填した。その後，ふくに，ふく射冷房パネルの代わりに薄く長い鉛直平板を射 冷 房 パ ネ ル 前 面 か ら ， CW レ ー ザ ー （ DPSS532-3W-用いた。解析モデルと解析範囲を図4に示す。境界条CW）によってレーザーシートをパネルに対して垂直に件は床面と背面を断熱面，解析領域の上面と前面は，照射し，可視化した気流を，パネルの側面から高速度体育館のような広い空間に設置した場合を想定するたカメラ（フォトロン社製：FASTCAM Nova S6）を用いめに，空気（21 ℃）の出入りがある状態とし，平板て，撮影速度1000 Hzで1000枚（1秒間）撮影した。本

表面は温度9 ℃で固定した。平板底面と床面の距離を測定では，トレーサーとしてヘリウムソープバブル発400 mmに固定した状態で，全長を200 mm～2000 mmの生装置（LaVision社製）を用いて，複数のノズルから間で200 mmずつ変化させ，2次元解析を実施した。そ2)約300 ㎛のシャボン玉 を発生させた。可視化ソフトの他の条件は，2-1の条件と同様である。

ウェアとしてはDaVis10（LaVision社）を使用した。
なお，実験時の室温は21 ℃，冷却水温度は9 ℃であった。
上記の可視化実験との比較用解析モデルと解析範囲を図3に示す。ふく射冷房パネルは図1のように垂直な吸熱管とフィンを等間隔で並べた構造であるため，隣り合う吸熱管の中央で対称になると仮定して，本解析では，図3の右側に示すとおり，吸熱部1枚の半分を解析対象とした。解析範囲の横幅は，隣り合う吸熱管の中心間距離の半分である40 mmとし，高さは3550 mm，奥行きは3010 mmとした。乱流モデルにはAKN線形低レイノルズ数k-εモデルを使用した。境界条件は床面と図4

鉛直平板の解析モデルと解析範囲

背面を断熱面，解析領域の上面と前面は流体の出入りは無しの等温面（21 ℃），側面は対称面，ドレン部と3 結果と考察

台座は計算領域外とし，その表面は断熱面，ふく射境

3-1 ふく射冷房パネルの可視化実験と解析による検証

界条件はふく射率0.9とし，パネルの配管内部には温ふく射冷房パネル前方周りの空気の流れのPIV結果を度9 ℃，管内熱伝達係数5000 W／(m2 ・K)を与えた。

図5に，scFLOWの解析結果を図6に示す。それぞれ速度解析ソフトウェアにはscFLOW（ソフトウェアクレイド

コンターとベクトルを示している。

ル社）を使用した。

PIVと解析ともに，パネルによって冷却された空気は，パネル上方から下方前面に流れており，流速もおおよそ一致していることを確認できた。
3-2 鉛直平板の全長と熱交換量の関係
鉛直平板の全長を変化させて解析した熱交換量の結果を図7に，単位長さ当たりの熱交換量を図8に示す。
全長を長くするほど，熱交換量は増加するが，単位長さ当たりの熱交換量は減少していた。上部と比較し，下部では流速が速いため，局所熱伝達率は大きくなるが，それ以上に，平板と空気の温度差が縮小していることの影響が大きく，結果として局所熱流束が低下する。そのため，全長を長くしても熱交換量がそれほど

図3ふく射冷房パネルの解析モデルと解析範囲増えず，単位長さ当たりの熱交換量が減少していると- 75 -考えられる。

図8

図5

PIV結果（速度コンターとベクトル，単位長さ当たりの熱交換量の変化

4 まとめ

1秒間平均）

ふく射冷房パネル周りの流れについて，熱流体可視化システムを用いて可視化し，PIVによって速度の空間分布を得ることができた。また，CAEを用いた解析結果が可視化実験結果とおおよそ一致していることを確認した。さらに，CAEを用いてふく射冷房パネルを簡略化した鉛直平板を用いて，平板の全長を変化させた際の熱交換量の変化を調査した。これらの結果は，ふく射冷房パネルを体育館などに設置する際の，効果的な配置の検討に活用していく。

図6

scFLOW解析結果（速度コンターとベクトル，5 謝辞

定常解析）

本研究は，R1年度(公財)JKA補助物品熱流体可視化システムを用いて行った。

6 参考文献1)村田顕彦：福岡県工業技術センター研究報告，No.
32, pp. 49-50(2022)
2) 一 般 社 団 法 人 可 視 化 情 報 学 会 ： PIV ハ ン ド ブ ッ ク（第2版），pp.451（2018）

図7

鉛直平板の全長と熱交換量の関係- 76 -