JP2001344294A - 建物内の伝熱・空気流動設計支援システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱・換気回路網モデルに置き換える作業を必
要とせず、建築設備設計の知識に基づき建物内の伝熱・
空気流動の解析を行い設計を行えるようにする。 【解決手段】 典型的な建物用途別のデータをライブラ
リとして格納するライブラリデータファイル２と、モデ
ル図のデータを格納するモデル図データファイル３と、
モデル図上でライブラリを引用して熱・換気回路網モデ
ルを作成するためのモデルの各構成要素の入力を行うモ
デルの構成要素入力手段１１と、入力された各要素モデ
ルに基づき熱・換気回路網モデルを作成して建物内の伝
熱・空気流動解析を行う解析手段と、伝熱・空気流動解
析結果を出力する出力手段１２、１３とを備え、モデル
図上でライブラリを引用してモデルの各構成要素の入力
を行い室内の環境について熱・換気回路網モデルによる
シミュレーション解析を行って室内の温度、換気量、圧
力、濃度を含む解析結果を出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、室内の環境につい
て熱・換気回路網モデルによるシミュレーション解析を
行い、室内の温度、換気量、圧力、濃度を含む解析結果
を出力する建物内の伝熱・空気流動設計支援システムに
関する。

【０００２】

【従来の技術】建物の形状や室内使用条件、空調設備条
件の各データを入力して熱・換気回路網モデルを設定し
て、熱・換気解析を行い温度分布や温熱環境指標を求め
温熱環境評価支援システムが本出願人によって既に提案
されている（例えば特許第２７８８９５０号公報参
照）。このシステムを利用し、多数室の温度、換気量、
圧力、濃度等を非定常解析できる伝熱・空気流動解析シ
ステムが開発されているが、この伝熱・空気流動解析シ
ステムは、室内温湿度の変動の予測、自然換気効果の検
討、室内汚染質濃度の予測、超高層建物の煙突効果対策
の検討等、広範囲な用途に活用できる。

【０００３】所謂温熱気流解析システムの対象が主とし
て１室内の物理量の分布を求めるミクロモデルであるの
に対し、伝熱・空気流動解析システムは、室内を均一な
状態と仮定した建物全体や１フロア全体の状態を求める
マクロモデルの解析システムである。しかし、伝熱・空
気流動解析システムにより建物内の伝熱・空気流動を解
析しその結果を利用して設計を行うには、建物を熱・換
気回路網モデルに置き換える作業が必要であるが、その
ための知識と技術が要求される。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するものであって、熱・換気回路網モデルに置き換え
る作業を必要とせず、建築設備設計の知識に基づき建物
内の伝熱・空気流動の解析を行い設計を行えるものであ
る。

【０００５】そのために本発明は、室内の環境について
熱・換気回路網モデルによるシミュレーション解析を行
い、室内の温度、換気量、圧力、濃度を含む解析結果を
出力する建物内の伝熱・空気流動設計支援システムであ
って、典型的な建物用途別のデータをライブラリとして
格納するライブラリデータファイルと、モデル図のデー
タを格納するモデル図データファイルと、前記モデル図
上で前記ライブラリを引用して熱・換気回路網モデルを
作成するためのモデルの各構成要素の入力を行うモデル
の構成要素入力手段と、前記入力された各要素モデルに
基づき熱・換気回路網モデルを作成して建物内の伝熱・
空気流動解析を行う解析手段と、前記伝熱・空気流動解
析結果を出力する出力手段とを備えたことを特徴とする
ものである。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しつつ説明する。図１は本発明に係る建物内の伝
熱・空気流動設計支援システムの実施の形態を示す図、
図２はライブラリファイルデータの構成例を示す図であ
る。図中、１はデータ処理演算装置、２はライブラリデ
ータファイル、３はＣＡＤデータファイル、４はモデル
データファイル、５は解析・出力データファイル、６は
入力装置、７は出力装置、１１はデータ入出力部、１２
は熱・換気回路網設定部、１３は熱・換気回路網解析部
を示す。

【０００７】図１において、データ演算処理装置１は、
データ入出力部１１、熱・換気回路網設定部１２、熱・
換気回路網解析部１３を有し、モデルの各構成要素（ス
ペース、コネクション、窓・開口、空調機、制気口、放
熱器）の入力に基づき熱・換気回路網モデルを作成して
熱移動、換気、ガス流動の現象を解析を行うことによ
り、室内温湿度変動の予測や自然換気効果の検討、室内
汚染質濃度の予測、超高層建物の煙突効果対策の検討
等、広範囲な用途に活用できる建物内の多数室の温度、
換気量、圧力、濃度等の非定常解析を行う。

【０００８】ライブラリデータファイル２は、典型的な
建物用途別のデータをライブラリとして格納するもので
あり、ＣＡＤデータファイル３は、建築平面図や断面図
等による設計データを格納するものであり、モデルデー
タファイル４は、モデルの各構成要素の設計、入力に基
づき作成された熱・換気回路網モデルのデータを格納す
るものであり、解析・出力データファイル５は、熱・換
気回路網モデルを作成して熱移動、換気、ガス流動の現
象を解析を行い、建物内の多数室の温度、換気量、圧
力、濃度等の非定常解析を行った結果を格納するもので
ある。

【０００９】入力装置６は、ライブラリデータファイル
２に格納するライブラリデータを設定入力したり、モデ
ルの各構成要素を設計、入力したり、データの入力や処
理命令、指示等の入力を行うキーボードやマウスその他
の入力手段を有するものであり、出力装置７は、入力装
置６から各種入力を行うための入力画面の表示、各デー
タファイルの内容の表示、解析データの表示、印刷出力
を行うディスプレイやプリンタその他の出力手段を有す
るものである。

【００１０】モデルの構成要素は、スペース、コネクシ
ョン、窓・開口、空調機、制気口、放熱器からなる。ス
ペースは、室を表現する単位である。コネクションは、
スペース間の熱的つながりを表現する要素単位である。
窓・開口は、コネクション上に定義され、ドアや窓など
の開口を表現する単位である。空調機は、スペースの特
殊型であり、外部に熱的影響を与えず、熱的つながり
は、常に外気とのみ接続される。制気口は、スペース上
に配置されスペースと空調機または外気をつなぐ経路と
なるファン付きの流路であり、給気ＳＡ（空調機→スペ
ース）、還気ＲＡ（スペース→空調機）、排気ＥＡ（ス
ペース→外気）、外気取り入れＯＡ（外気→スペース）
のタイプに分類される。放熱器は、スペース上に配置さ
れ熱部品であり、スペースの熱節点とのみコンダクタン
スでつながれる。

【００１１】モードには、平面図モード、断面図モー
ド、モデル図モードがある。平面図モードは、建物の各
階平面図を基に、主に水平方向の熱や空気の動きをシミ
ュレーションを行う場合に使用し、その入力モードで
は、スケールと方位と各室の天井高さを持ち、他と接し
ていない辺（周辺）は外気との繋がりを作る。断面図モ
ードは、建物の系統図のイメージで、主に垂直方向の熱
や空気の動きを重視したシミュレーションを行う場合に
使用し、その入力モードでは、スケールと各室の奥行き
寸法を持ち、他と接していない辺（周辺）は外気との繋
がりを作る。モデル図モードは、各部位の位置関係や寸
法にとらわれないモデルでシミュレーションを行う場合
に使用し、その入力モードでは、スケールも方位も持た
ない。

【００１２】ライブラリは、例えば図２に示すような種
類があり、予め建物用途別に典型的なデータをライブラ
リとして用意し、モデルの各構成要素の入力に引用する
ものであり、物件特有のデータを使用する場合には適宜
追加登録する。それぞれは以下のようなものである。

【００１３】まず、壁床部品は、「コネクション」の仕
様として入力する「壁床部品」データを管理するもので
あり、材質層、材質の比熱、比重、熱伝導率、材質幅な
どを定義し、空気層は、相当コンダクタンスをもつ疑似
固体として扱う。窓開口部品は、「窓・開口」の仕様と
して入力する「窓開口部品」データを管理するものであ
り、「窓・開口」の熱伝導上の特性に関するライブラリ
である。換気条件は、「コネクション」上に設ける「窓
・開口」の仕様として入力する、圧力損失係数や圧力損
失指数などのデータを作成・管理する。風圧係数は、
「コネクション」、「窓・開口」の仕様として入力する
「風圧係数」データを作成・管理するものであり、風向
特性の数値が設定される。材質は、「壁床部品」や「窓
開口部品」を構成する「材質」データを管理する。

【００１４】室内条件は、「スペース」の仕様として入
力する、設定温度や発熱条件とその時間変動、室内の熱
容量をモデル化したデータを作成・管理するものであ
り、室内条件の基準となる温度、ガス濃度、人員、発熱
量、ガス発生量、他の発熱、他のガス発生量などが設定
される。機器スケジュールは、「空調機」、「制気口」
の仕様として入力する、設定する機器（空調機や送風
機）の能力の時間変動情報をモデル化したデータを作成
・管理する。開閉スケジュールは、「窓・開口」の仕様
として入力する、設定する「窓・開口」の開放度の時間
変動情報をモデル化したデータを作成・管理する。

【００１５】ひさし部品は、「窓・開口」の仕様として
入力する「ひさし」の寸法情報を管理する。放射冷暖房
は、「コネクション」の仕様として入力する「放射冷暖
房」データを管理するものであり、放射冷暖房の方式と
して「電気ヒーター」、「水・空気方式」から選択さ
れ、「電気ヒーター」の場合には発熱量、「水・空気方
式」の場合には、熱媒の種類、さらに熱媒温度と流量が
設定される。ガラス特性は、「窓・開口」の仕様として
入力する、ガラス材の日射透過率、反射率データを管理
する。

【００１６】次に、本発明に係る建物内の伝熱・空気流
動設計支援システムにより実行される全体の処理の内容
を説明する。図３は本発明に係る建物内の伝熱・空気流
動設計支援システムにより実行される処理概要を説明す
るための図である。具体的なモデルがあり、本発明に係
る建物内の伝熱・空気流動設計支援システムにより．析
を行おうとする場合には、例えば図３に示すようにま
ず、そのモデルの基本情報を入力する（ステップＳ１
１）。この基本情報としては、例えば物件名、建物の階
毎の天井高、スペース底面高さの基準値、指定温度スペ
ースの室温、指定ガス濃度スペースのガス濃度、ガラス
種類、日照面積率、外壁日射吸収率の設定、スケジュー
ル、標準気象データを選ぶための地理条件、実行条件
（計算開始日時、計算終了時間、計算時間間隔など）、
室内側熱伝達率、外表面熱伝達率、計算温度初期値、外
気ガス濃度、空調機制御での温度偏差、空調機制御での
ガス濃度偏差、ガス単位などがある。

【００１７】しかる後、ライブラリについて修正がある
か否かを判定し（ステップＳ１２）、ライブラリの修正
があれば、その修正を行って（ステップＳ１３）、モデ
ルの構成要素の入力を行う（ステップＳ１４〜Ｓ１
９）。すなわち、モデルの構成要素として、床面積、空
間容積、室内の発熱条件などを設定することにより空間
を司る要素であるスペースを入力し（ステップＳ１
４）、主に伝熱条件を設定することによりスペースを隔
てる壁体要素であるコネクションを入力し（ステップＳ
１５）、コネクションに開けられた通気口要素である窓
・開口を入力する（ステップＳ１６）。窓・開口の入力
では、主に通気条件を設定するが、窓・扉などの開口が
閉じた時は伝熱に対する障壁となるので、伝熱条件を設
定する。さらに、空調されたモデルにおいて、気流とと
もにスペースに熱を与える要素として空調機を入力し
（ステップＳ１７）、空調機系統や換気設備に付属する
給排気口などとして使用する制気口を入力し（ステップ
Ｓ１８）、気流を伴わない発熱源としての放熱器を入力
する（ステップＳ１９）。

【００１８】モデルの構成要素の入力が行われると、こ
れらの入力に基づき熱・換気回路網を作成して熱・換気
回路網の計算を実行し（ステップＳ２０）、その計算結
果を出力する（ステップＳ２１）。計算結果の評価によ
り、さらにモデルの修正（追加、削除、変更など）があ
るか否かにより（ステップＳ２２）、モデルの修正があ
る場合には、再度ステップＳ１１に戻り、モデルの基本
情報、ライブラリ、モデルの構成要素の修正を行って同
様の処理を繰り返し実行する。

【００１９】さらに、モデルの構成要素の入力、計算結
果の出力により本発明に係る建物内の伝熱・空気流動設
計支援システムによる処理の具体例を説明する。図４は
操作パネルの構成例を示す図、図５はスペースの設計を
行う画面の例を示す図、図６はコネクションの設計を行
う画面の例を示す図、図７はコネクションの設計を行う
他の画面の例を示す図、図８はコネクションの仕様画面
の例を示す図、図９は窓・開口の設計を行う画面の例を
示す図、図１０は窓・開口の仕様画面の例を示す図、図
１１は空調機、制気口、放熱器の設計を行う画面の例を
示す図、図１２は計算結果として画面のモデルデータの
画像上に各スペースの温度状態や気流情報を表示した出
力例を示す図、図１３は計算結果として画面のモデルデ
ータの画像上に換気方向を表示した出力例を示す図、図
１４は計算結果として画面のモデルデータの画像上に換
気風量値を表示した出力例を示す図である。

【００２０】本発明に係る建物内の伝熱・空気流動設計
支援システムでは、１つのモデルデータに「ページ」と
いう単位で複数の図面情報を設定、管理する。モデルの
構成要素の入力を行うための操作パネルの構成例を示し
たのが図４であり、図４（Ａ）に示すように「スペー
ス」、「コネクション」、「窓・開口」、「空調機」、
「制気口」、「放熱器」の各操作対象ボタン（オブジェ
クトの指定）のいずれも押されていない状態を「ページ
編集モード」として、ページ設定を行い図面名称、ファ
イル名称を入力する。しかる後、「スペース」のボタン
をクリックすることにより、図４（Ｂ）に示すスペース
設計モード時の操作パネルとなり、「対角２点指定」、
「多角形」ボタンを押してスペースの設計を行う。「操
作対象オブジェクトの設定・操作」の各ボタンは、それ
ぞれの設計モードに応じたボタンに切り換わる。

【００２１】そして、ＣＡＤデータからモデル図を読み
出し、「対角２点指定」では、図５（Ａ）に示すように
カーソル位置から最も近い設定可能な位置（点）が矩形
で指定され、長方形の対角となる２点を連続して指定す
ることで長方形型スペースを作成するようになってい
る。また、「多角形」では、図５（Ｂ）に示すように閉
じた多角形を構成する頂点を１つ１つ連続して指定する
ことにより、凹凸自在な多角形（長方形を含む）型スペ
ースを作成するようになっている。なお、○は、完成し
たスペース内の示す確認のためのシンボルであり、スペ
ースを作成しないところは全て外気扱いとなる。

【００２２】コネクションの設計は、「操作パネル」の
「コネクション」ボタンをクリックすることにより行
い、このとき「操作対象オブジェクトの設定・操作」の
ボタンの１つが「自動認識」ボタンとなる。そこで、こ
のボタンを押すことにより、配置されている全スペース
の未設定な節点を壁型コネクションにより図６に示すよ
うに一括作成し、また、マニュアルで「壁型」、または
「任意接続型」コネクションを作成することができる。
例えば「壁型」ボタンによるコネクションの作成は、図
７（Ａ）に示すように隣接する２スペースを選択、また
は外気に接するスペースと外気を指定することにより行
われ、「任意接続型」ボタンによるコネクションの作成
は、図７（Ｂ）に示すように任意に選択した２つのスペ
ース、または任意に選択したスペースと外気を指定する
ことにより行われる。

【００２３】そして、コネクションの仕様を設定するに
は、対象コネクションをダブルクリックするか、または
対象コネクションをクリックして選択状態にし、「操作
パネル」の「仕様入力」ボタンをクリックすることによ
り開く図８に示すような「コネクション仕様」ダイアロ
グで仕様の入力、設定を行うようになっている。ここ
で、例えば部位タイプでは、外壁、内壁、床、外床、天
井、屋根、放射冷暖房、その他、常開開口などの選択を
行い、部品名は、壁床部品の対応する部位タイプのライ
ブラリ、ひさしは、壁の日射条件としてのひさし部品の
ライブラリからそれぞれ選択し、風圧係数は、外壁、屋
根など外風圧を考慮する場合には「風圧係数」のライブ
ラリから選択する。また、日射を考慮する場合には、
「日射を受ける」をチェックして「外壁日射吸収率の設
定」入力する。

【００２４】また、窓・開口の設計は、「操作パネル」
の「窓・開口」ボタンをクリックすることにより行い、
窓・開口を配置するコネクションをクリックして図９に
示すように作成する。そして、窓・開口の仕様を設定す
るには、配置した窓・開口をダブルクリックするか、ま
たはクリックして選択状態にし、「仕様入力」ボタンを
クリックすることにより図１０に示すような「窓・開
口」ダイアログを開き、仕様の入力、設定を行うように
なっている。ここで、例えば部位タイプでは、窓、ド
ア、ガラリ、その他、単純開口などを選択する。

【００２５】空調機、制気口、放熱器の設計は、「操作
パネル」の各オブジェクトボタンをクリックすることに
より行い、各オブジェクトの作成は、「作成」ボタンで
モデル図上の任意の位置をクリックして作成する。空調
機、制気口、放熱器を配置した画面の例を示したのが図
１１である。

【００２６】上記のようにモデルの各構成要素をオブジ
ェットとして、そのオブジェクトには、属性としての仕
様データを付加するが、その仕様データのうち、複数の
オブジェクトに共通して使用できる項目は、ライブラリ
として登録しておき、それを引用する。そのため、室用
途別の設計条件や、壁の材料構成等のライブラリを使っ
て短時間で仕様データが入力でき、しかも、条件変更時
に多数のオブジェクト（室や壁等）の仕様を一括して変
更できる。

【００２７】熱・換気回路網モデルの計算結果は、グラ
フィック表示プログラムで図１２に示すようにモデルデ
ータの画像上に各スペースの温度状態や気流情報がグラ
フィック表示される。図１２に示す例では、スペースの
カラー表示項目を選択することにより、温度、圧力、濃
度、負荷がカラーゲージに対応して表示されるが、その
項目として温度が選択された表示状態を示している。さ
らに、「表示」メニューで「換気方向」を選択し、画像
上に換気の方向をその量に応じた大きさの矢印で表示し
た状態を示したのが図１３であり、「換気風量値」を選
択し、数値を表示した画面下方に日時選択で解析結果の
中の任意の日時の値を表示でき、また、時間を追って連
続表示（アニメーション表示）することもできる状態を
示したのが図１４である。

【００２８】なお、本発明は、上記実施の形態に限定さ
れるものではなく、種々の変形が可能である。例えば上
記実施の形態では、スペース、コネクション、窓・開
口、空調機、制気口、放熱器をモデルの構成要素とした
が、他の要素で構成するように定義してもよいし、他の
要素を付加したり、上記の要素について併合、分割、他
の要素への置換、変更してもよいことはいうまでもな
い。また、ＣＡＤデータを用い建築平面図上で図形入力
を行ったが断面図から入力を行ってもよい。

【００２９】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、室内の環境について熱・換気回路網モデルに
よるシミュレーション解析を行い、室内の温度、換気
量、圧力、濃度を含む解析結果を出力する建物内の伝熱
・空気流動設計支援システムであって、典型的な建物用
途別のデータをライブラリとして格納するライブラリデ
ータファイルと、モデル図のデータを格納するモデル図
データファイルと、モデル図上でライブラリを引用して
熱・換気回路網モデルを作成するためのモデルの各構成
要素の入力を行うモデルの構成要素入力手段と、入力さ
れた各要素モデルに基づき熱・換気回路網モデルを作成
して建物内の伝熱・空気流動解析を行う解析手段と、伝
熱・空気流動解析結果を出力する出力手段とを備えたの
で、モデル図上でライブラリを引用してモデルの各構成
要素の入力を行うことにより、建物内の圧力バランス、
換気量、各櫃の温度、湿度、汚染質濃度、熱量を解析す
ることができ、解析作業の効率化とプレゼンテーション
力の向上を図ることができる。したがって、熱・換気回
路網モデルに置き換える作業を切要とせず、建築設備設
計の知識に基づきモデルの各構成要素を入力して建物内
の伝熱・空気流動の解析を行い設計を行うことができ
る。

【００３０】本発明は、特に、医療・福祉施設での臭気
拡散防止、院内感染抑制のなめの圧力バランスの検討や
住宅の室内空気汚染の防止、自然エネルギー利用建築で
の自然換気や太陽熱利用システムの省エネ効果の検討に
有効であり、さらに、超高層建物の煙突効果対策、電算
機室の空調停止時の室温変動、躯体蓄熱システム、空調
立ち上がり時の室温変動、窓ガラスの結露の可能性の検
討などにも有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る建物内の伝熱・空気流動設計支
援システムの実施の形態を示す図である。

【図２】 ライブラリファイルデータの構成例を示す図
である。

【図３】 本発明に係る建物内の伝熱・空気流動設計支
援システムにより実行される処理概要を説明するための
図である。

【図４】 操作パネルの構成例を示す図である。

【図５】 スペースの設計を行う画面の例を示す図であ
る。

【図６】 コネクションの設計を行う画面の例を示す図
である。

【図７】 コネクションの設計を行う他の画面の例を示
す図である。

【図８】 コネクションの仕様画面の例を示す図であ
る。

【図９】 窓・開口の設計を行う画面の例を示す図であ
る。

【図１０】 窓・開口の仕様画面の例を示す図である。

【図１１】 空調機、制気口、放熱器の設計を行う画面
の例を示す図である。

【図１２】 計算結果として画面のモデルデータの画像
上に各スペースの温度状態や気流情報を表示した出力例
を示す図である。

【図１３】 計算結果として画面のモデルデータの画像
上に換気方向を表示した出力例を示す図である。

【図１４】 計算結果として画面のモデルデータの画像
上に換気風量値を表示した出力例を示す図である。

【符号の説明】 １…データ処理演算装置、２…ライブラリデータファイ
ル、３…ＣＡＤデータファイル、４…モデルデータファ
イル、５…解析・出力データファイル、６…入力装置、
７…出力装置、１１…データ入出力部、１２…熱・換気
回路網設定部、１３…熱・換気回路網解析部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 室内の環境について熱・換気回路網モデ
   ルによるシミュレーション解析を行い、室内の温度、換
   気量、圧力、濃度を含む解析結果を出力する建物内の伝
   熱・空気流動設計支援システムであって、典型的な建物
   用途別のデータをライブラリとして格納するライブラリ
   データファイルと、モデル図のデータを格納するモデル
   図データファイルと、前記モデル図上で前記ライブラリ
   を引用して熱・換気回路網モデルを作成するためのモデ
   ルの各構成要素の入力を行うモデルの構成要素入力手段
   と、前記入力された各要素モデルに基づき熱・換気回路
   網モデルを作成して建物内の伝熱・空気流動解析を行う
   解析手段と、前記伝熱・空気流動解析結果を出力する出
   力手段とを備えたことを特徴とする建物内の伝熱・空気
   流動設計支援システム。
2. 【請求項２】 前記モデル図のデータは、ＣＡＤデータ
   であることを特徴とする請求項１記載の建物内の伝熱・
   空気流動設計支援システム。
3. 【請求項３】 前記モデルの構成要素は、スペース、コ
   ネクション、窓・開口、空調機、制気口、放熱器からな
   ることを特徴とする請求項１記載の建物内の伝熱・空気
   流動設計支援システム。