Transcript 住宅を対象とした効率的な暖冷房・換気手法に関する研究

住宅を対象とした
効率的な暖冷房・換気手法に関する研究
その３ 集合住宅を対象とした換気効率に関するCFD解析
正会員
同
同
○山際直子
坂口 淳
鍛治紘子
同
同
赤林伸一
須山喜美
研究背景
• 建築基準法の改正により、住宅の居室に機械換気設備の
設置が義務付けられる。
• RC造の集合住宅は、気密性能が高いため、室内で空気汚
染が生じる可能性が高く、適切な換気システムを選定す
る必要がある。
換気計画の際に、設計者が施主にシェルター
性能や空調方式、換気システムとの相互効果
によって実現される室内温熱空気環境を明確
に提示できないのが現状である。
研究目的
集合住宅を対象に、従来マクロ解析（回路網
計算）により検討されてきた給排気口位置の
違いによる居室の換気効率を、CFD解析を用
いたミクロ解析で明らかにする。
解析対象の概要
• 片廊下型板状タイプの
中間階・中間住戸
• 専有面積77㎡の３LDK
• 天井高 居室：2.5m
その他：2.1m
Ad
Wc
Ac
CSc-1
CSc-2
CSc-3
CSc-4
Wd
CSd-2
CSd-1
CSd-4 CSd-3
CE-1
洋室１
CSc-5
収納
洋室２
CSc-6
CSd-6 CSd-5
トイレ
CE-2
洗面室 CE-3
K
CS：天井給気口（150×150mm）
CE：天井排気口（150×150mm）
W：壁給排気口（150×150mm）
浴室
CE-4
CSa-6
CSa-5
CSb-6
CSb-5
A：エアコン（H300×W840×D250mm）
床暖房を設置する範囲
CSa-3
＊室内のドアにアンダーカット
（H100×W200mm）を設置する。
図１
LD
CSa-1
Wa
解析対象の概要
Aa
和室
CSa-4
CSb-4
CSb-3
CSa-2 CSb-2
CSb-1
Ab
Wb
解析対象の概要
• 片廊下型板状タイプの
中間階・中間住戸
• 専有面積77㎡の３LDK
• 天井高 居室：2.5m
その他：2.1m
Ad
Wc
Ac
CSc-1
CSc-2
CSc-3
CSc-4
Wd
CSd-2
CSd-1
CSd-4 CSd-3
CE-1
洋室１
CSc-5
収納
洋室２
CSc-6
CSd-6 CSd-5
トイレ
CE-2
洗面室 CE-3
K
CS：天井給気口（150×150mm）
CE：天井排気口（150×150mm）
W：壁給排気口（150×150mm）
浴室
CE-4
CSa-6
CSa-5
CSb-6
CSb-5
A：エアコン（H300×W840×D250mm）
床暖房を設置する範囲
CSa-3
＊室内のドアにアンダーカット
（H100×W200mm）を設置する。
図１
LD
CSa-1
Wa
解析対象の概要
Aa
和室
CSa-4
CSb-4
CSb-3
CSa-2 CSb-2
CSb-1
Ab
Wb
解析対象の概要
• 片廊下型板状タイプの
中間階・中間住戸
• 専有面積77㎡の３LDK
• 天井高 居室：2.5m
その他：2.1m
Ad
Wc
Ac
CSc-1
CSc-2
CSc-3
CSc-4
Wd
CSd-2
CSd-1
CSd-4 CSd-3
CE-1
洋室１
CSc-5
収納
洋室２
CSc-6
CSd-6 CSd-5
トイレ
CE-2
洗面室 CE-3
K
CS：天井給気口（150×150mm）
CE：天井排気口（150×150mm）
W：壁給排気口（150×150mm）
浴室
CE-4
CSa-6
CSa-5
CSb-6
CSb-5
A：エアコン（H300×W840×D250mm）
床暖房を設置する範囲
CSa-3
＊室内のドアにアンダーカット
（H100×W200mm）を設置する。
図１
LD
CSa-1
Wa
解析対象の概要
Aa
和室
CSa-4
CSb-4
CSb-3
CSa-2 CSb-2
CSb-1
Ab
Wb
解析対象の概要
• 片廊下型板状タイプの
中間階・中間住戸
• 専有面積77㎡の３LDK
• 天井高 居室：2.5m
その他：2.1m
Ad
Wc
Ac
CSc-1
CSc-2
CSc-3
CSc-4
Wd
CSd-2
CSd-1
CSd-4 CSd-3
CE-1
洋室１
CSc-5
収納
洋室２
CSc-6
CSd-6 CSd-5
トイレ
CE-2
洗面室 CE-3
K
CS：天井給気口（150×150mm）
CE：天井排気口（150×150mm）
W：壁給排気口（150×150mm）
浴室
CE-4
CSa-6
CSa-5
CSb-6
CSb-5
A：エアコン（H300×W840×D250mm）
床暖房を設置する範囲
CSa-3
＊室内のドアにアンダーカット
（H100×W200mm）を設置する。
図１
LD
CSa-1
Wa
解析対象の概要
Aa
和室
CSa-4
CSb-4
CSb-3
CSa-2 CSb-2
CSb-1
Ab
Wb
解析方法
汎用流体解析ソフト(STREAM)を用いて、換気方式、
給排気口の位置、空調方式(温風暖房及び床暖房)
を変化させた場合の室内温度分布と空気齢＊１を用
いた局所空気交換効率(εｐ)の解析を行う。
＊１:空気齢は、外気が室内に供給されてからある点に到達する
までの平均時間であり、短いほど新鮮な外気が供給される
程度を示す。
評価方法
換気効率は、空気齢を用いた室内の換気の良否を示す
指標である局所空気交換効率(εｐ)を用いて評価する。
局所空気交換効率（εp）は
完全拡散の場合に1.0となり、
値が大きいほど換気効率が
良いことを示す。
τn
εp＝
τp
（1）
τp：局所空気齢（s）
V：室容積（m3）
τn＝ V
Q
τn：名目換気時間（s）
Q：換気量（m3/s）
（2）
解析case
表１
解析case
換気方式
case1-1-1
case1-1-2
case1-1-3
case1-2-1
case1-2-2
case1-2-3
case1-3-1
case1-4-1
解析case
給気口位置
排気口位置
CSa-1 CSb-1
CSc-1 CSd-1
CE-1
CSa-6 CSb-6
CSc-6 CSd-6
第１種
機械換気
case1-5-1
case1-6-1
case1-7-1
case2-1-1
case2-1-2
case2-1-3
第２種
case2-2-1
機械換気
case2-2-2
case2-2-3
case3-1-1
case3-1-2
case3-1-3
第３種
case3-2-1
機械換気
case3-2-2
case3-2-3
case3-3-1
第３種機械換気
case3-3-2 LDKアンダーカット
case3-3-3
面積2倍
CSa-1
CSc-1
CSa-2
CSc-2
CSa-4
CSc-4
CSa-5
CSc-5
CSa-3
CSc-3
CSa-1
CSb-1
CSd-1
CSb-2
CSd-2
CSb-4
CSd-4
CSb-5
CSd-5
CSb-3
CSd-3
CSb-1
CSc-1 CSd-1
CSa-6 CSb-6
CSc-6 CSd-6
Wa Wb Wc Wd
Wa Wb Wc Wd
Wa Wb Wc Wd
CE-1
暖房方式
(吹出/発熱温度）
なし
温風暖房(32℃）
床暖房（28℃）
なし
温風暖房(32℃）
床暖房（28℃）
CE-2 CE-3
CE-4
なし
CE-1
なし
CE-1
なし
CE-1
なし
CE-1
Ad
Wc
Ac
CSc-1
CSc-2
CSc-3
CSc-4
Wd
CSd-2
CSd-1
CSd-4 CSd-3
CE-1
洋室１
CSc-5
洋室２
CSc-6
CSd-6 CSd-5
トイレ
収納
CE-2
洗面室 CE-3
K
浴室
なし
なし
Wa Wb Wc Wd 温風暖房（28℃）
床暖房（28℃）
なし
Wa Wb Wc Wd 温風暖房（28℃）
床暖房（28℃）
CE-2 CE-3
なし
温風暖房（28℃）
CE-4
床暖房（28℃）
なし
CE-1
温風暖房（28℃）
床暖房（28℃）
CE-2 CE-3
なし
温風暖房（28℃）
CE-4
床暖房（28℃）
CSa-6
CSa-5
CSb-6
CSa-3
CE-4
LD
Wa
図１
和室
CSa-4
CSa-1
Aa
CSb-5
CSb-4
CSb-3
CSa-2 CSb-2
CSb-1
Ab
Wb
解析対象の概要
解析条件
表２
解析条件
ソフトウェアークレイドルＳＴＲＥＡＭ　Ｖｅｒ．７
標準ｋ-εモデル
・壁面境界条件は、風速は一般化対数則、温度は温度対数則。
・南北壁は外部（外気温０℃）、東西壁、床、天井は隣室（室温20℃）と接する。
境界条件
・北壁面、南壁面には、熱伝達係数23W/（㎡・K）を与える。
東壁面、西壁面、床面、天井面には、熱伝達係数9W/（㎡・K）を与える。
・温風暖房　エアコン室内ユニットに流速境界を与える。
暖房条件
・床暖房　床面(合板)に面発熱を与える。
・吹出温度、発熱温度は、ＬＤＫのＳＥＴ＊を22℃となるように設定(表１参照)。
・機械換気設定風量　80m3/ｈ（換気回数0.5回/ｈ）
・機械給気口　流速境界　流入温度　０℃
・機械排気口　流速境界
流入流出条件
・自然給排気口　自然流入流出境界　流入温度０℃
・住宅の気密性能は、1.0cm2/m2、熱損失係数は2.2W/(m2・K)とする。漏気は、
外壁面に４cm2(αＡ：3.86cm2)の隙間を20ヶ所設置し、自然流入流失境界を与える。
計算コード
乱流モデル
解析条件
表２
解析条件
ソフトウェアークレイドルＳＴＲＥＡＭ　Ｖｅｒ．７
標準ｋ-εモデル
・壁面境界条件は、風速は一般化対数則、温度は温度対数則。
・南北壁は外部（外気温０℃）、東西壁、床、天井は隣室（室温20℃）と接する。
境界条件
・北壁面、南壁面には、熱伝達係数23W/（㎡・K）を与える。
東壁面、西壁面、床面、天井面には、熱伝達係数9W/（㎡・K）を与える。
・温風暖房　エアコン室内ユニットに流速境界を与える。
暖房条件
・床暖房　床面(合板)に面発熱を与える。
・吹出温度、発熱温度は、ＬＤＫのＳＥＴ＊を22℃となるように設定(表１参照)。
・機械換気設定風量　80m3/ｈ（換気回数0.5回/ｈ）
・機械給気口　流速境界　流入温度　０℃
・機械排気口　流速境界
流入流出条件
・自然給排気口　自然流入流出境界　流入温度０℃
・住宅の気密性能は、1.0cm2/m2、熱損失係数は2.2W/(m2・K)とする。漏気は、
外壁面に４cm2(αＡ：3.86cm2)の隙間を20ヶ所設置し、自然流入流失境界を与える。
計算コード
乱流モデル
解析条件
表２
計算コード
乱流モデル
解析条件
ソフトウェアークレイドルＳＴＲＥＡＭ　Ｖｅｒ．７
標準ｋ-εモデル
・壁面境界条件は、風速は一般化対数則、温度は温度対数則。
・南北壁は外部（外気温０℃）、東西壁、床、天井は隣室（室温20℃）と接する。
境界条件
・北壁面、南壁面には、熱伝達係数23W/（㎡・K）を与える。
東壁面、西壁面、床面、天井面には、熱伝達係数9W/（㎡・K）を与える。
・温風暖房　エアコン室内ユニットに流速境界を与える。
暖房条件
・床暖房　床面(合板)に面発熱を与える。
・吹出温度、発熱温度は、ＬＤＫのＳＥＴ＊を22℃となるように設定(表１参照)。
・機械換気設定風量　80m3/ｈ（換気回数0.5回/ｈ）
・機械給気口　流速境界　流入温度　０℃
・機械排気口　流速境界
流入流出条件
・自然給排気口　自然流入流出境界　流入温度０℃
・住宅の気密性能は、1.0cm2/m2、熱損失係数は2.2W/(m2・K)とする。漏気は、
外壁面に４cm2(αＡ：3.86cm2)の隙間を20ヶ所設置し、自然流入流失境界を与える。
35
15
10
0.50～0.55
0.55～0.60
0.60～0.65
0.65～0.70
0.70～0.75
0.75～0.80
0.80～0.85
0.85～0.90
0.90～0.95
0.95～1.00
1.00～1.05
1.05～1.10
1.10～1.15
1.15～1.20
1.20～1.25
1.25～1.30
1.30～1.35
1.35～1.40
1.40～1.45
1.45～1.50
1.50～1.55
1.55～1.60
1.60～1.65
1.65～1.70
1.70～1.75
1.75～1.80
1.80～1.85
1.85～1.90
1.90～1.95
1.95～2.00
2.00以上
相対頻度（％）
解析結果
40
給気口と排気口が近接
case1-1-1（第１種、空調なし）
case1-2-1（第１種、空調なし）
30
case1-3-1（第１種、空調なし）
case1-4-1（第１種、空調なし）
25
case1-5-1（第１種、空調なし）
20
case1-2-1は、
case1-7-1（第１種、空調なし）
換気効率が悪くなる。
case1-6-1（第１種、空調なし）
給気口と排気口が離れている
5
0
局所空気交換効率
図２ 洋室１のεpの空間相対頻度分布
解析結果
換気効率が
1.4
1.2
良い
case1-1-1
(第１種、空調なし)
1.4
＜0.74回/h＞
＜全体 0.54回/h＞
εｐ
2.0
＜0.75回/h＞
1.6
1.2
1.2
完全拡散
0.1
0.1
0.8
1.0
1.0
0.1
0.8
機械排気口
機械給気口
1.2
自然給排気口
＜＞内は換気回数
1.0
＜0.63回/h＞
0.4
＜0.64回/h＞
1.4
換気効率が
悪い
(１)case1-1-1 (第１種、空調なし)
図３
1.2
第１種機械換気のcaseのεｐの分布と換気回数(床上1.1m)
0.0
解析結果
εｐ
1.4
1.2
1.4
1.2
1.4
＜0.74回/h＞
＜0.75回/h＞
1.2
1.2
1.2
1.2
＜0.72回/h＞
1.6
1.6
＜0.75回/h＞
1.2
1.2
0.9
0.9
0.1
0.8
0.1
0.1
1.0
0.1
0.1
1.0
0.1
1.2
＜0.75回/h＞
＜0.72回/h＞
1.4
0.8
0.1
0.6
2.0
0.1
1.2
1.2
0.1
0.6
0.8
1.2
1.0
1.4
1.0
1.0
＜0.63回/h＞
＜0.64回/h＞
1.2
＜0.63回/h＞
＜0.63回/h＞
＜0.64回/h＞
1.0
＜0.64回/h＞
1.4
1.8
1.4
1.6
1.6
1.6
〈全体0.54回/ｈ〉
〈全体0.54回/ｈ〉
〈全体0.54回/ｈ〉
(１)case1-1-1
(第１種、空調なし)
(３)case1-4-1
(第１種、空調なし)
(６)case1-7-1
(第１種、空調なし)
図３
0.4
1.2
第１種機械換気のcaseのεｐの分布と換気回数(床上1.1m)
0.0
解析結果
εｐ
0.8
case1-2-1
(第１種、空調なし)
1.0
＜0.74回/h＞
0.8
2.0
1.0
＜0.75回/h＞
＜全体 0.54回/h＞
1.6
1.0
1.0
0.1
1.0
0.1
1.2
0.8
0.1
0.8
機械排気口
機械給気口
1.0
自然給排気口
0.8
0.4
＜＞内は換気回数
＜0.63回/h＞
＜0.64回/h＞
0.8
0.0
(２)case1-2-1 (第１種、空調なし)
図３
第１種機械換気のcaseのεｐの分布と換気回数(床上1.1m)
解析結果
case1-5-1
(第１種、空調なし)
＜全体 0.54回/h＞
εｐ
1.2
1.2
1.4
＜0.72回/h＞
＜0.75回/h＞
＜0.72回/h＞
1.4
case1-6-1
(第１種、空調なし)
1.2
0.1
0.8
0.1
機械排気口
1.0
1.0
1.4
0.1
1.4
1.0
1.4
1.2
1.0
自然給排気口
＜0.64回/h＞
1.0
1.0
(４)case1-5-1
(第１種、空調なし)
図３
1.2
0.1
0.8
1.0
＜0.63回/h＞
0.9
0.1
1.0
1.4
1.6
1.6
1.4
0.1
1.0
＜＞内は換気回数
1.0
1.2
0.9
機械給気口
＜0.75回/h＞
1.2
1.2
＜全体 0.54回/h＞
2.0
＜0.63回/h＞
＜0.64回/h＞
0.4
1.6
(５)case1-6-1
(第１種、空調なし)
第１種機械換気のcaseのεｐの分布と換気回数(床上1.1m)
0.0
まとめ
①給気口と排気口の位置が近接するとショートサーキットが
起こり、換気効率が悪い境域が増加する。
②給気口と排気口の距離が部屋平面の長辺方向の半分以上
であれば、換気効率には差が見られない。
空気齢の概念
排気口
評価点P
給気口
空気齢
図 空気齢の概念図
空調・換気による供給空気が室内のある
点に至るまでに要した時間を示す変数を
空気齢という。
給気口から室内評価点までの平均到達時
間が短いほど、空気が汚染される可能性
は低く、新鮮な空気が到達しやすいと判
断できる。
本研究では、室内の換気の良否を示す指標である局所空気交換効率を用
いて評価する。
名目換気時間
局所空気交換効率(εｐ)＝
局所平均空気齢
機械換気システムの概要
第１種機械換気システムは給気ファン、排気ファ
ンの両方を設置し、換気を行う。
室内の圧力を自由にコントロールすることが出来、
部屋単体で換気システムを完結したい場合に用い
られる。
第２種機械換気システムは給気ファンを設置し、
排気は自然排気により行なう。
室内の圧力が正圧に保たれるため、室内の空気を
清浄に保ちたい部屋に用いられる。
第３種機械換気システムは排気ファンを設置し、
給気は自然給気により行なう。
室内の圧力が負圧に保たれるため、汚染質が発生
しやすい部屋で用いられることが多い。