サンルームを有する住宅の非定常 CFD 解析
214-060
1.

白山小由里

背景・目的

開口部は昼光利用や冬季の日射熱利用を扱う上での要

2.2

簡易モデルとなる一方で、開口部の断熱性能は壁体部に比べて低く簡易モデルを図 1 に熱損失が生じ易いという弱点もある。開口部を利用した示す。サンルームの室空間の一つにサンルームがあり、一般的にはサンルーム内側にトリプルガラスの屋外側と室内側とにそれぞれガラス開口を有する。サ(Low-E3+Ar16+3+Ar16

ンルームに隣接する居室であれば、日中はサンルームを+Low-E3)、壁面の 3 面通して太陽光を取り入れ易く、夜間はサンルームがバッを単板ガラス(5mmファになることで居室温度の低下を抑えることが可能と厚)に設定する。ガラス考えられる。いずれも、サンルームと居室との境となるの物性値を表 3 に示す。

室内側ガラス
居室 （トリプルガラス）
サンルーム
2.4m
3.6m
3.6m

1.8m
図 1 簡易モデル

ガラス開口の開閉状態に因るところが大きいと考えられ

表 3 ガラスの物性値る。日中、室内側のガラス開口を閉じた状態であれば、吸収率(長波)

サンルーム内はオーバーヒートし易く、居室に届く太陽光線も減少するであろう。また、夜間に室内側のガラス開口を開けた状態であれば、居室内の熱は逃げ易くなるであろう。時間帯に応じた室内側ガラス開口の適切な開CFD 非定常解析を行い、サンルームと居室の境のガラス開口の開閉状況を変えた場合における室温性状の違いについて検証する。

12 月のそれぞれ 20 日~23 日の 3 日間を想定して非定常の CFD 解析を行う。日射、放射を連成した解析とする。

モルタル
内装材(杉)SIMPLEC 法

0.90.9反射率(長波)吸収率(短波)0.10.10.70.4

居室の壁・床・天井およびサンルームの天井は同じ表
5 に示す 3 層の構成を想定する。格子数を削減するため導率は合成値を用いる。解析領域の境界 6 面は外気層から成る温度固定境界とし、躯体との間は熱伝達率相当の熱抵抗を持つ熱物性体を挟む。
表 5 躯体構成
材料
内装材(杉)
断熱材
構造用合板

CFD 解析条件(全ケース共通)

標準 k-ε モデル

0.3670.829

表 4 室内表面部材の物性値

FlowDesigner2018 を使用。解析条件を表 1 に示す。

アルゴリズム

0.309
0.097

る。室内表面部材の物性値を表 4 に示す。

解析には㈱アドバンスドナレッジ研究所の CFD ソフト

乱流モデル

透過率(短波)に、3 層の部材を合成し 1 層とした。比熱・密度・熱伝2.1 解析条件

本解析では、サンルームおよび居室を対象に 11 月と表1

吸収率(短波)0.11
0.11

吸収率(長波)本卒業研究では、サンルームを有する居室を対象に

解析概要

反射率(長波)サンルームの床面は黒色塗装をしたモルタルを想定す閉が有効と考えられる。

2.

0.890.89

トリプルガラス
単板ガラス

3.6m

移流項差分
スキーム
一次風上

メッシュ
構造格子

2.3

厚み【mm】
9120
12

解析ケース

室内側ガラスを「常に開ける」場合と「常に閉める」レビ設計室(代表:中川 純)が千葉県長生郡に計画中の場合と日中は開けて夜間は閉める「開閉」を行う場合の戸建住宅におけるサンルームの解析を予定するため、外3 ケースについて解析する。室内側ガラスの開閉状況を

気温は千葉県長生郡に最も近い茂原市の過去 5 年間

表 6 に示す。

(2012 年~2016 年)のアメダスデータから、11/20~23、表 6 解析ケース(室内側ガラスの開閉)12/20~23 の範囲で抽出しサイクリックデータを作成し常に開ける
常に閉めるた。天空温度はソフトウェアの仕様上固定値となるため期間平均値を算出して設定した。
解析条件を表 2 に示す。
表 2 解析条件

開閉させる

24 時間
24 時間
0～7 時：閉める
7～17 時：開ける
17～24 時：閉める

メッシュ数213,840 (x:54 y:90 z:44)

しかし、長期間の CFD 非定常解析は計算時間が大幅外気温

サイクリックデータ(11 月・12 月)にかかるため、計算負荷を減らす必要がある。そこで、

曇天率

11 月：53.75%

12 月：45.49%

天空温度

11 月：－9.33℃

12 月：－17.29℃「刻み時間 1 分」と、「刻み時間 3 分」の 2 ケースの解析を行い、それぞれの結果を比較する。

2.4

CFD 解析上における開口部の開閉方法

3.2

比較日は 11/22、12/22 とする。サンルームと居室の室本解析ではガラス面からの放射の影響も加味するため、開口率パラメーターを 0 or 100%で変える方法で開口部刻み時間 3 分の場合

内平均温度のグラフを図 3 に示す。の開閉を再現することができない。開口を開けた場合は刻み時間 1 分の場合と比較して、準定常に至るまでの流体(空気)、閉じた場合については熱物性体で再現する期間は変わらず、また、11/22 と 12/22 それぞれの室温必要がある。こうした機構は、一般には CFD 解析にお変化もほぼ等しい。局所的には最大で約±0.77℃の差がける移動格子機能を利用すれば再現可能と思われる。

生じているものの、これは刻み時間間隔の大小に伴う応FlowDesigner には移動格子機能は実装されていないも答速度のずれに起因しているものと見られる。総じて、のの、助走計算機能(粗い格子から細かい格子に段階的に放射を含めた CFD 非定常解析で自然室温状態を計算す切り替える機能)と Grasshopper 上の VB・Python で開る場合に、3 分刻みでも十分な解析が可能であると考え閉状態を切り替えて連続実行させるプログラムを組み合られる。

わせることで、移動格子機能相当の機能を自作した。

25

3.

解析結果

3.1 刻み時間 1 分の場合

比較日は 11/22、12/22 とする。サンルームと居室の室内平均温度のグラフを図 2 に示す。助走計算の 2 日目以(降は、周期的な温度変化はほぼ変わらない準定常状態と)20
温度 15℃
10なった。11/22 と 12/22 では、12 月の方が室温は全体的50:00に 4~6℃ほど低下するが、ケース毎の傾向はほぼ同じ傾
昼夜共にほぼ同じ室温となり、夜間は外気温近くまで下ースと比較して最も高く、夜間は外気温と同程度まで下

12:00

16:00

20:00

0:00

20:00

0:00

（1）11 月 22 日

向となった。
「常に開ける」場合、サンルームと居室は、降する。
「常に閉める」場合、日中のサンルームは他のケ8:004:0020がる。居室は「常に開ける」場合と比較して日中は約(2~2.5℃程低く、夜間は外気温+2.5~3℃高く維持される。

)

15
温度 10℃
5「開閉させる」は、サンルーム・居室共に、日中は「常00:00に開ける」とほぼ等しく、夜間は「常に閉める」を僅か4:00

8:00

常に開ける(サンルーム)
常に閉める(サンルーム)
開閉させる(サンルーム)
外気温に下回る時間帯もあるもののかなり近い結果となる。つまり、「開閉させる」ことで、冬期の室温を昼も夜も高めの温度に維持することが可能といえる。

12:00

16:00

常に開ける(居室)
常に閉める(居室)開閉させる(居室)（2）12 月 22 日

25

図33.320
温度 15℃
10

2 室の室内平均温度の推移

計算時間の比較(刻み時間 1 分と刻み時間 3 分の計算時間の比較を表 7)に示す。解析時間には約 2.8 倍の差が見られた。

50:00

表 7 計算時間の比較
4:00

8:00

12:00

16:00

20:00

0:00

（1）11 月 22 日

常に開ける
常に閉める
開閉させる

20合計

(15温度 10℃
511 月
1 分刻み
3 分刻み
66h47m30h25m132h04m38h38m99h23m36h47m

12 月
1 分刻み
3 分刻み
72h25m31h40m141h20m
38h22m96h02m38h01m298h04m

309h47m

105h50m

108h03m)

4.

まとめ

1)

冬期においてサンルームの室内側ガラスを日中は開き夜間は閉じることで、隣接する居室の室温を高め

00:00

4:00

8:00

常に開ける(サンルーム)
常に閉める(サンルーム)
開閉させる(サンルーム)
外気温

12:00

16:00

20:00

常に開ける(居室)
常に閉める(居室)開閉させる(居室)（2）12 月 22 日
図2

2 室の室内平均温度の推移

0:00に維持できることが確認できた。
2)

放射を含めた CFD 非定常解析を行う場合、3 分刻みの場合は 1 分刻みの場合と比べ、解析時間は約 3 割で可能であり、結果はほぼ等しい結果となった。
(河野研究室)