逆解析を用いた開口位置の決定および居室内温度分布の均一化
213-145
1.

背景・目的保平直樹

表 2 平均昼光率

逆解析手法の一つに随伴変数法がある。研究室では逆現況モデル
改修案モデル

解析を建築設計に適用する方法について開拓を続けている。本研究では、レビ設計室（代表：中川 純）が現在、１階２階

2.84 ％
4.82 ％

2.55 ％
6.97 ％

岩手県盛岡市に改修計画中の戸建住宅を対象に、既往の提案手法を用いて開口位置を決定するとともに、新たに室内の温度分布を均一化することを目的とした逆解析の0 1 2 3ｍ

適用方法を提案する。
2.

図 3 現況モデル

共通解析条件

本研究では㈱アドバンスドナレッジ研究所の CFD ソ
フト FlowDesigner2017 を使用。解析条件を表 1 に示す。
表 1 CFD 解析条件
乱流モデル
離散化アルゴリズム
移流項差分スキーム

メッシュ

3.

修正 L-K モデル

有限体積法
SIMPLEC 法QUICK
構造格子

流入境界
流出境界
天空面、側面地物表面

べき乗則(α=0.2)

自由流出Free Slip
一般化対数則本研究の対象住宅は別荘としての使用を想定している。
現況の住宅は所々が老朽化しており断熱性にも乏しく、大掛かりな改修を予定している。１階の部屋については、大人数が入ることを想定し、既存の間仕切り壁を取り払い広めの空間とし、２階床については一部を除き外し、吹き抜けとする。この吹き抜けにより向上するであろう居室の明るさについて定量的評価を行う。

改修に伴い、2 階と 1 階北面について既存開口位置の変更が考えられる。開口位置を変更するのであれば、夏期のリビングの風速を向上させる開口位置が望ましい。
逆解析を用いて開口位置の変更について検討する。
4.1 解析概要
を作成した。開口移設可能部を全て開口率設定面とし、初期開口率を 10％として解析を行う。
通風利用を夏期(6 月~9 月)、7 時~24 時を通風時間として、過去５年間のアメダスデータをまとめ、平均風向・平均風速を算出した。平均風向は 16 風向を水平２方向成分に分けて、それぞれ平均することで算出した。また、全体領域の解析結果の一部を局所領域の境界条件として再度建物近くのみを高解像度で解析を行う一方向ネステ

3.1 解析概要

ィングを用いる（図 5、図 6、図 7 参照）。本研究を進め

6.18m

るにあたりネスティング領域の設定を 8 種類比較したと（図 1）と改修案モデル

ころ、明らかにネスティング内の解析が不自然な収束を（図 2）の昼光率を比較示す結果が見られた（図 5）。全体領域とネスティング領する。現況モデル、改修

15.5m

案モデルおよび周辺街区の 簡 易 モ デ ル を１方向ネスティングを用いた通風開口最適化

改修案を元に SketchUp で CFD 解析用の簡易モデル

昼光解析を用いた改修案モデルの検証

対象住宅の現況モデル

4.

図 4 改修案モデル

南面

図 1 現況モデル

域の境界位置は半セルずれるため、領域④～⑧のように気流が左右に分かれる位置

6.18mをネスティング境界面とす

SketchUp で作成する。開ると、僅かな違いからネス口の可視光透過率はティング領域内の収束結果100%とする。
（実際の窓ガラスを考えるときは解析15.5m

結果に個々の透過率や入図 2 改修案モデル①②③④⑤⑥に不自然さが見られた（図南面射角特性を乗じて考える。）昼光解析には Radiance が組み込まれている DIVA（Grasshopper 上で作動）を使用。
3.2 解析結果省略）。本解析では比較的自然な収束結果がみられた中から領域③を解析に使用す⑧ ⑦る。解析条件を表 3 に示す。

図 5 ネスティング領域

表 3 解析条件

両モデルの解析結果を図 3、図 4 に示す。平均昼光率

領域

格子数

収束判定

は改修案モデルの方が現況モデルに比べ、1 階で 1.7 倍、全体4,587,135（x:237 y:245 z:79)

10-6.02 階で 2.7 倍高い（表 2 参照）。吹き抜けを設けたことにネスティング

4,481,792（x:224 y:164 z:122)

10-5.0より、改修プランではリビングの奥まったところにまで昼光を取り入れることができている（図 3、図 4 参照）。

風向180.37°（北を 0°としたときの時計回り方向）

風速3.05 m/s

基準高さ15.5m （盛岡地方気象台）

樹木：クヌギ
葉面積密度：4抗力係数：0.8

15.625m

200ｍ

布すなわち、標準偏差を最小化することを目的とした逆解析について検討する。解析条件を表 5 に示す。1 階・2階・1-2 階のいずれかに評価領域を設定した 3 ケースの逆解析により、評価領域内の温度を均一に近づけるためZZ

Y 500m500mに寄与する部材の移動方向を位置感度として算出する

Y27.5m22.5m（図 11）。感度に応じてリビング空間内の 2 階床高さを図 7 ネスティング領域変えることで温度の均一化を図る。本検討では静穏環境

XX

図 6 全体領域
4.2 解析結果

下において逆解析を用いた位解析は 1 段階目に 2 階南面、2 段階目に 1 階北面を行置感度の算出が有効足り得るった。なお、2 段階目の解析のみ QUICK での収束性がかの検証も目的としている。

難しく、Power を使用した。1 階リビングの一部に設け開口は通風開口最適化の結果た評価領域（図 10 参照）内の風速を増加するために、を元に決定した。

2階

1-2 階
1階

熱源

図 11 評価領域 3 ケース
表 5 解析条件

逆解析を用いて開口率を現状よりも高くすべき優先度を示す開口率感度の分布を算出した（図 8 参照）。この結

解析領域

X:9m

果を元に移設するべき開口位置を決定した（図 9 参照）。

格子数

1,171,296（x:126 y:83 z:112)

乱流モデル

標準ｋ-εモデル

収束判定

10-5.0

2 段階目の改修案モデル開口と移設提案開口の CFD 解

外気温

0℃

熱源発熱量7952.95W

析で求めた風速分布を図 10 に示す。
1 段階目

2 階南面

2 段階目

１階北面

Y:4.5mZ:5m

5.3 解析結果
CFD 解析で求めた 2 階床高さを変更する前の室温分布を図 12 に示す。また、例として評価領域を 1 階としたときの逆解析結果を図 13 に示す。
図 8 開口率感度（左：南面 右：北面）
1 段階目 移設提案開口

2 階南面

2 段階目

改修案モデル開口

１階北面

移設提案開口改修案モデル開口

図 9 開口決定位置（左：南面 右：北面）
移設提案開口
2 段階目
2 段階目
Z=1.5m
Z=1.5m

上方向の位置感度

図 12 室温分布（移動無し）

図 13 逆解析結果

位置感度に従って 2 階床を移動させた際の評価領域内の標準偏差の大小から温度の均一度を評価する。評価領域の設定ごとの移動前後の標準偏差を表 6 に示す。
表 6 標準偏差まとめ

評価領域

評価領域

位置感度方向2 階床

標準偏差［℃］

1階

上上移動
移動無し
下移動

1.38
1.421.50

2階

下上移動
移動無し
下移動

0.57
0.480.41

1-2 階

下上移動
移動無し
下移動

0.77
0.670.60

評価領域

図 10 風速分布（左：改修案開口時 右：移設時）
逆解析結果では改修案モデル開口位置で、すでに高い感度が算出されており、逆解析前後での値はほぼ変わらない。2 段階目については北面開口を高い位置に移動した結果、下層域を流れる空気が少なくなった。開口から流出する流量は増加したが、評価領域内の風速はほぼ変わらなかった（表 4 参照）。

評価領域の設定を異にした３ケースの逆解析全てで、

表 4 解析結果
評価領域内平均風速

リビングの換気回数

1 段階目

改修案開口モデル
開口移設モデル

0.09 m/s
0.11 m/s

26.4 回/h27.7 回/h

2 段階目

改修案開口モデル
開口移設モデル

0.11 m/s
0.11 m/s

27.1 回/h
26.8 回/h5.

逆解析による温度分布の均一化

5.1 解析概要

位置感度に従って 2 階床を移動させることにより標準偏差が小さくなっており、逆解析の有効性が伺える。
6.

まとめ

光解析により吹き抜けによる明るさの効果について示した。通風開口決定時の逆解析では、ネステ
ィング領域設定上の注意点を示した。また、逆解析を用

改修プランのリビングは比較的広く、また天井の一部いて室内の温度分布を均一化する方法を提示した。提案に吹き抜けを有する。このような空間では室内での温度手法については今後設計法としての確立を進め、設計の差が生じやすい。そこで、冬期における居住域の温度分基礎段階からの有効利用を検討したい。

(河野研究室)