室形状・開口部の断熱性能を系統的に変えた居室の CFD 解析
213-088
1.背景・目的中尾 翼

ストーブ(放射率 1.0)
1.65m(0.4m 角の立方体)を使

既往の検討において、外皮の断熱・気密性能と上下温用。ストーブは 0.4m 角の窓

度分布の関係については、断熱性能の指標である平均熱発熱する熱物性体の周囲2.842m

貫流率や熱損失係数により評価が行われることが多い。

5 面を断熱とし、残りの 1

本来、温度分布の要因となるドラフト気流は、漏気を無面を図 1 右側奥の壁に向視すれば外皮低温部が生成しており、外皮の平均的な断ける形で設置する。実験

熱性能を示す平均熱貫流率とは異なる指標が影響するとで用いたストーブのサイ予想される。

ズは 0.2m×0.105m×0.193m を再現すると、発熱体の一部

本研究では、標準的な室の仕様を設定し、断熱性能の偏りや室のアスペクト比等を考慮した上で、外皮性能と本卒業研究では、実験に対応した住宅等を対象に CFD

表3

また室内の放射連成解析時の適切な解析手法を探る。
2.解析概要通常の住宅の居室、吹き抜けを有する居室、および非住宅の室内気流・温度分布について、定常 CFD 解析を実施する。解析には、(株)アドバンスドナレッジ研究所のCFD 解析ソフト FlowDesigner2017 を用いる。解析条件を
表 1 に示す。解析領域と格子数を表 2 に示す。解析は 1ケースを除き熱収支を±2.5%以内に収めている(表 5 に例を示す)。

天井・床・壁の条件(住宅)
天井

床壁

間仕切り

厚み(m)

0.352

0.090.184

0.1840.078

熱伝導率(W/㎡・K)

0.085

0.027

0.078

4133

室外側熱伝達率(W/m・K)

2323239

放射解析

放射強度輸送方程式

表23.1 節
4.1 節
5.1 節 15.1 節 20.941.531.882.153.490.202

0.369

0.488

0.593

1.390309508339571357608371637439779

境界条件は外気温度 6℃(外皮表面に熱伝達率相当の抵抗有り)、投入熱量(表 4)は全ケースとも室温が 20℃となるよう各外皮の[熱貫流率×面積]を足し合わせた値 1）に室内外温度差 14℃を乗じて算出する。壁の格子分割について数十パターンの事前検討を行った結果、放射解析時における熱収支をゼロに近づけるには、壁体内の格子離散化
メッシュ収束判定た。特に表面構造格子
10-4.0解析領域と格子数解析領域(㎥)4.868(X)×3.968(Y)×2.842(Z)4.868(X)×3.968(Y)×5.242(Z)
10.2(X)×5.2(Y)×3.2(Z)10.23(X)×5.23(Y)×3.23(Z)

3.住宅モデル(天井高 2.4m)の検討

格子数
2,025,856(約 200 万)
1,805,112(約 180 万)
1,063,140(約 100 万)
1,268,400(約 120 万)

3.1 解析概要

図 1 の解析モデルを使用し、窓の熱貫流率を変えた場

40 分 割 と し

壁体

有限体積法

温度を決定づ)

移流項差分スキーム

窓の熱貫流率と投入熱量の関係(住宅)

分割が極めて重要であることが判明し、結果壁体内は約CFD 解析条件

標準 k-εモデル
SIMPLEC 法
一次風上表4

熱貫流率(W/㎡・K)
壁厚 0.184m に換算した(等価)熱伝導率(W/m・K)
3.1 節
投入熱量(W)
4.1 節

空気乱流モデルアルゴリズム

図 1 解析モデル(住宅、天井高 2.4m)(表14.868mX

室内側熱伝達率(W/m・K)

解析を実施し、室形状および窓の断熱性能などを変化させた多様な条件下での温度分布形成について把握する。

4.5m

3.968mイズとした。

為現在、大型実験棟（静岡県富士市）内の実験住宅で室大学が実施）。

2.4m

2.2mのセルに熱量が集中し発散する問題が生じた為、このサ温熱環境を関連付ける指標について検討を試みる。この
温性状などを実測している（旭化成工業(株)および日本Z
Y

3.6m

ける室内側および外側(境0.1m界側)近傍の

図 2 格子条件

格子を細分化する必要がある。そこで本研究では壁体内側第一セル格子幅を 0.1～0.01 ㎜としている。
格子条件を図 2 に示す。
3.2 解析結果

結果を表 5、温度,速度を図 3,図 4 に示す。

合(5 ケース)の温度分布や窓付近のドラフト気流を確認

表5する。外皮外側表面を解析領域の境界面とする。室は内窓の熱貫流率(W/㎡・K)

0.941.531.882.153.49

寸法で 4.5m×3.6m×2.4m。窓の大きさは 2.2m(高さ)×標準偏差(℃)

0.560.61

0.650.670.78

平均温度(℃)

20.9

21.021.1

21.221.7

標準偏差/平均温度×100(％)

2.692.91

3.06

3.16

3.61

1.65m(幅)。窓の厚みは本来の壁厚と等しくし、熱貫流率と厚みから逆算した熱伝導率を用いる。天井・床・壁および窓の仕様を表 3、表 4 に示す。暖房方法はストーブ

標準偏差と上下温度差(0.1m 高と 2.3m 高の差)

上下温度差(℃)

2.1

2.3

2.4

2.52.8

熱収支(％)-1.6-1.4-1.1-1.3-1.1

3.49W/㎡・K2.15W/㎡・K0.94W/㎡・K

寸法で 10m×5m×3m。窓の大きさは 1.5m(高さ)×10m(幅)。
暖房方法は奥・側壁および床から 1m 離し、空間発熱(8m×1m×1m)を使用する。格子分割、熱伝導率、外気温度、

図 3 温度分布温度(℃)
2.15W/㎡・K

0.94W/㎡・K

投入熱量の設定は 3.1 節と同じ条件とする。
表73.49W/㎡・K

図 4 速度分布速度(m/s)

解析ケース
窓の種類(名称)
熱貫流率(W/㎡・K)
熱伝導率(W/m・K)
投入熱量(W)

解析条件

パターン 1
フロート
low-e
5.95
2.46
7.42
0.397
22161483

パターン 2フロート
low-e5.95
2.46
7.420.397
1604871

窓の熱貫流率が 0.94～1.88(W/㎡・K)の場合、床上 105.2 解析結果(上下温度差を表 8、温度分布を図 8 に示す)

㎝ではドラフト気流が生じていないが、2.15(W/㎡・K)、本報ではパターン 2 のみ示す。low-e とフロートガラ

3.49(W/㎡・K)では 0.03m/s、0.1m/s のドラフト気流が見スを比べると low-e の方が、上下温度差が小さくなる。

られる。熱貫流率が高くなると標準偏差(ストーブより窓

標準偏差から考えると、投入熱量は low-e の約 2 倍ある側の平均温度で基準化)や上下温度差は増加する。にも関わらず、フロートガラスの場合足元は 1℃程低い。

4.住宅モデル(天井高 4.8m)の検討

表84.1 解析概要
吹き抜けを想定した仕様(図 5)。窓の大きさはストーブ
4.6m
3.6m
4.8m
5.242m
窓

4.6m(高さ)×1.65m(幅)。
ストーブのサイズはY

熱貫流率(W/㎡・K)
標準偏差/平均温度×100(％)
上下温度差(℃)
パターン 2・フロートパターン 15.95
2.49
2.0
1.10.90.3

パターン 25.95
2.49
4.3
3.2
3.22.2パターン 2・low-e

0.4m×0.4m×0.8m(高さ1.65m
4.5m

Z

標準偏差(2.0m)と上下温度差(0.1m 高と 2.9m 高の差)

は 3 節の 2 倍)。室は内寸

3.968m

4.868m法で 4.5m×3.6m×4.8m。

X
図 5 解析モデル(住宅・天井高 4.8m)

その他は 3 節に準ずる。

4.2 解析結果(上下温度差を表 6、温度を図 6 に示す。)

図 8 温度分布温度(℃)

6.換気を考慮に入れた解析(換気以外の概要は 3.1 節)

熱貫流率 0.94、2.15W/㎡･K では窓面付近の下降気流

住宅解析において換気の影響は考慮すべき課題であるは見られるが、気流はさほど大きくない。上下温度差は、が、CFD 解析において流入個所は明確に分からず、仮に3.2 節に比べて 0.3℃程広がり、窓が高くなることでコー微細な隙間について CFD 解析で再現することは難しい。

ルドドラフトが生じると見られる。窓の熱貫流率がここでは、0.5 回/h 換気相当の熱量を室内全体から引く

3.49W/㎡･K の場合、標準偏差との上下温度分布が低下ことで、換気負荷を考慮した解析を試みる。本解析では、した。解析上の問題であることは否めず、今後、熱伝導計算ステップ毎に常に最新の室内外温度差を元に Excel

率が高い場合の窓の厚み方向の更なる格子分割を試みる。

(VBA)で算出した換気負荷を CFD 解析に与えて計算する。

表6

標準偏差と上下温度差(0.1m 高と 4.7m 高の差)

3.1 節の住宅モデルのうち窓の熱貫流率 0.94､2.15W/

窓の熱貫流率(W/㎡・K)

0.94

1.531.882.15

3.49

標準偏差/平均温度×100(％)

2.22

2.41

2.51

2.58

1.04

上下温度分布(℃)

2.4

2.6

2.7

2.8

0.71

2.15W/㎡・K

0.94W/㎡・K

3.49W/㎡・K㎡・K について実施する。投入熱量はそれぞれ 401W・462W。
その他の解析条件は 3.1 節と同じとする。
いずれのケースも換気を考慮すると標準偏差が 3 割程高くなり上下温度差も 0.3～0.4℃広がった(表 9 参照)。
表9
熱貫流率(W/㎡・K)
換気の有無
標準偏差/平均温度×100(％)

上下温度差(℃)

図 6 温度分布温度(℃)

5.非住宅モデル(オフィス)の検討

図 7 解析モデル

フト気流、上下温度分布の生じ方を CFD 解析で確認しターン 1:[RC のみ]・パタ

討、2)熱伝導率が高い部材を用いた場合に収束させ易い

5.23mーン 2:[RC+ウレタン]）方法の検討、3)実験値との比較、を予定する。

(非住宅)

温度分布、窓付近のドラ

参考文献 1)改正省エネ基準の係る照会事例の解説、住宅金融支援機構
平成 27 年 7 月 (基礎の熱貫流率について温度差係数 0.7 を引用した。)

1.5m
10.23m

7.まとめた。今後は、1)実験サイズの放射熱源を用いた解析の検窓
X

2.15
換気有換気無4.10
3.16
2.8
2.5パ能を可変させ(表 63.23m
Y0.94
換気有換気無3.49
2.69
2.42.1室形状や窓の性能を系統別に変えたケースによるドラ

5.1 解析概要
窓の熱貫流率、壁の性Z

解析結果

フト気流を確認する。解析モデルを図 7 に示す。室は内(河野研究室)