JP2002056039A - 温熱気流解析システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 建築計画での室内空気環境の検討に不可欠な
気流シミュレーションを設計者の感覚で容易に行え検討
できるようにする。 【解決手段】 建築の部位を入力して室形状モデルを作
成する室形状モデル作成手段１１と、作成された室形状
モデルの輪郭・境界に沿ってメッシュを作成し、該メッ
シュを輪郭・境界の条件に応じて分割するメッシュ作成
手段１２と、メッシュ作成手段により作成されたメッシ
ュに基づき数値流体解析を行う解析手段１３と、解析手
段による解析結果として室内外の温度、気流、濃度の分
布状況や時間毎の変化を含む空気環境の検討情報を出力
する出力手段１４とを備え、輪郭・境界近傍のメッシュ
を細分化してメッシュを作成するように構成し、高い解
析の専門知識を必要とすることなく、一般の設計技術者
が建築設計を行う感覚で入力して室形状モデルの作成、
メッシュの作成を行い、解析を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、数値流体解析によ
り室内外の温度、気流、濃度の分布状況や時間毎の変化
を含む温熱空気環境の検討情報を解析結果として出力す
る温熱気流解析システムに関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】従来、
建物の一般居室の室内環境については、音・熱・光の３
つが主な要素と考えられてきたが、アメリカでのシック
ビル症候群が契機に空気の質も重要な要素であると認識
されるようになった。

【０００３】また、病院の院内感染や喫煙コーナーのタ
バコの煙など室内空気の汚染が問題となるケースも増え
ている。室内温熱空気環境には、このような空気中の汚
染物質濃度の他に、空気の流れによって形成される温度
分布や気流の速度が人に与える快適感、不快感も含まれ
る。

【０００４】空気汚染に関しては、関連諸室の建築平面
上の配置の工夫や隔壁の設置、空調・排気ゾーンの別系
統化、高性能フィルターの使用等の考慮がなされてい
る。また、室温については、例えばエントランスに外気
が大量に流れ込んで室内の温度が乱されるのを防ぐため
に風除室を設けたり、冬季に冷気が窓ガラス添いに降下
（コールドドラフト）して足元が冷えるのを防ぐため
に、窓ガラスや空調設備に工夫している。

【０００５】これらの検討は、建物の計画段階で行われ
ることが必要であり、また、建築計画や設備計画の内容
の効果を予め確認することが重要となる。図６は空気環
境計画の流れを示す図であり、まず室内使用条件を設定
し（ステップＳ３１）、室内温熱空気環境目標を設定し
た後（ステップＳ３２）、建築計画をたて（ステップＳ
３３）、空調設備計画をたてる（ステップＳ３４）。そ
して、室内温熱空気環境の評価を行って（ステップＳ３
５）、建築計画上の検討を行い（ステップＳ３６）、空
調設備計画上の検討を行う（ステップＳ３７）、という
流れになっている。このような建築計画での室内温熱空
気環境の検討には、気流シミュレーションシステムが不
可欠となる。

【０００６】

【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、建築計画での室内温熱空気環境の
検討に不可欠な気流シミュレーションを設計者の感覚で
容易に行えるようにするものである。

【０００７】そのために本発明は、数値流体解析により
室内外の温度、気流、濃度の分布状況や時間毎の変化を
含む温熱空気環境の検討情報を解析結果として出力する
温熱気流解析システムであって、建築の部位を入力して
室形状モデルを作成する室形状モデル作成手段と、前記
作成された室形状モデルの輪郭・境界に沿ってメッシュ
を作成し、該メッシュを前記輪郭・境界の条件に応じて
分割するメッシュ作成手段と、メッシュ作成手段により
作成されたメッシュに基づき数値流体解析を行う解析手
段と、前記解析手段による解析結果として前記温熱空気
環境の検討情報を出力する出力手段とを備え、前記輪郭
・境界近傍のメッシュを細分化してメッシュを作成する
ように構成したことを特徴とするものである。

【０００８】また、前記室形状モデル作成手段は、材料
物性値、壁、床、開口その他の部材データを格納したラ
イブラリデータと、建築平面図や断面図を含む設計デー
タを３次元、２次元で格納したＣＡＤデータから前記建
築の部位を入力し、前記建築の部位である壁、窓、床、
空調部品の吹き出し口、エアコン等をＣＡＤ的に配置す
るマクロ機能を有し、前記建築の部位の入力において、
空調部品の吹き出し口は、複数に分割して吹き出し方向
・角度と吹き出し量を入力することを特徴とし、前記メ
ッシュ作成手段は、前記室形状モデルの各建築の部位輪
郭・境界近傍は細かく、中間は粗くメッシュを分割する
細分化係数を設定してあることを特徴とし、前記出力手
段は、前記温熱空気環境の検討情報を解析結果として３
次元、２次元表示、コンター表示、ベクトル表示、アニ
メーション表示により出力するポストプロセッサであ
り、一度表示させたモデルのアングル、表示断面位置、
カラーバー設定をカタログとして保存しておき、後に同
じ状態で表示させることができるようにするカタログ機
能を有することを特徴とするものである。

【０００９】

【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は本発明に係る温熱気流解
析システムの実施の形態を示す図、図２は本発明に係る
温熱気流解析システムの概念図である。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は解析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はモデル作成処理部、１２はメッシュ作
成処理部、１３は数値流体解析処理部、１４は解析結果
出力処理部を示す。

【００１０】図１において、データ演算処理装置１は、
建築の部位を入力して室形状モデルを作成するモデル作
成処理部１１、室形状モデルの輪郭・境界に沿ってメッ
シュを作成し、さらにメッシュを輪郭・境界の条件に応
じて分割するメッシュ作成処理部１２、メッシュに基づ
き数値流体解析を行う数値流体解析処理部１３、解析結
果として温熱空気環境の検討情報を出力する解析結果出
力処理部１４を有し、３次元の室形状モデルを作成し、
メッシュを作成して、数値流体解析により室内外の温
度、気流、濃度の分布状況や時間毎の変化を含む温熱空
気環境の検討情報を解析結果としてグラフィックに表示
出力する処理を行うものである。

【００１１】モデル作成処理部１１は、直方体や多角形
等のオブジェクトを３次元空間に配置する基本機能に加
えて、建築の部位である壁、窓、床、空調部品の吹き出
し口、エアコン等をＣＡＤ的に配置するマクロ機能を有
するものである。例えば「多角形の室」作成マクロで
は、壁作成、柱作成、床作成、天井作成、窓作成の順に
マクロを実行すれば３次元の室形状モデルを作成でき
る。

【００１２】メッシュ作成処理部１２は、オブジェット
の輪郭・境界に沿ってメッシュを生成する「基準メッシ
ュ生成」と、細分化係数等の条件に応じてメッシュを分
割する「メッシュ分割」の機能を有し、壁、窓、床、空
調部品の吹き出し口、エアコン等の建築の部位近傍は細
分化係数を大きくすることにより、建築の部位近傍の解
析精度が低下しないようにしている。

【００１３】数値流体解析処理部１３は、解析プログラ
ム本体（ソルバー）として、例えば市販の「ＳＴＲＥＡ
Ｍ」を用いた数値流体解析のプロセッサーであり、解析
結果出力処理部１４は、３次元、２次元表示、コンター
表示、ベクトル表示、アニメーション表示などにより解
析結果を出力するポストプロセッサーであり、カタログ
機能を有し、ユーザが一度表示させたモデルのアング
ル、表示断面位置、カラーバー設定等をカタログとして
保存しておき、後に同じ状態で表示させることができる
ようにすることにより、複数の解析結果を同じ条件で同
時に表示して比較することを容易にしている。

【００１４】ライブラリデータファイル２は、材料物性
値ライブラリと、壁、床、開口、吹き出し口、エアコン
等の部材・部品を仕様や寸法変更可能な部位・部品とし
て定義するマクロライブラリからなるものであり、ＣＡ
Ｄ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３次元、２次元で格納するものであり、解析
モデルデータファイル４は、モデル作成処理部１１とメ
ッシュ作成処理部１２により作成された解析モデルのデ
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、解析モデルデータに対して数値流体解析処理部１３
により解析されたデータを格納するものである。

【００１５】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。

【００１６】上記本発明に係る温熱気流解析システムの
概念図を示したのが図２であり、ライブラリデータとＣ
ＡＤデータに基づいてプリプロセッサでモデル作成、メ
ッシュ作成を行い、ソルバーで数値流体解析を行い、ポ
ストプロセッサで解析結果の出力を行う。ここでプリプ
ロセッサの必要機能は、解析モデルを短時間で作成で
き、計画案の修正に応じた解析モデルの修正を容易に行
え、設備設計の知識があれば適切な解析モデルを作成で
きることである。また、ポストプロセッサの必要機能
は、簡単な操作で必要な解析結果を表示でき、解析結果
を容易に理解でき、プレゼンテーションに使える出力を
得られることである。

【００１７】モデルを構成する基本図形は、例えば矩
体、リフト図形、矩形，多角形等からなる。矩体は３次
元要素であり頂点が８個ある６面体であり、頂点は直角
でなくてもよい。リフト図形は３次元要素であり２次元
の多角形及び円弧で構成されるループを厚さ方向へリフ
トした図形である。矩形は２次元要素であり頂点は４つ
ある４角形である。多角形は２次元要素であり頂点が複
数の図形である。

【００１８】モデルの構成要素はこれらの基本図形に名
前をつけて識別し、名前毎に属性情報をつけたものであ
る。名前は例えば、床、壁、天井、窓、開口、家具、
人、発熱、エアコン、日射、間仕切り等であり、ユーザ
ーが任意につけられ、名前が同じものは同じ属性情報を
持つ。属性情報はタイプ毎に属性項目が異なり、３次元
の構成要素に対する属性のタイプは流体、固体、ガラ
ス、通気性固体、計算領域外であり、２次元の構成要素
に対する属性のタイプは発熱、流出入、仕切り板、日射
発熱である。

【００１９】ライブラリは、予め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。それぞれは例えば以下のようなもの
である。

【００２０】まず、物性値ライブラリは、床、壁、天
井、窓等の属性情報の物性データとして引用するもので
あり、熱伝導率、比熱、密度、日射透過率等を定義す
る。マクロライブラリは壁、床、窓、開口等の部材や、
吹き出し口、エアコン等の部品を、仕様や寸法変更可能
な部位・部品として定義するものである。例えば吹き出
し口であれば、４方向吹き出しや２方向吹き出し等の形
状タイプが定義されており、吹き出し風量、アネモサイ
ズ、吹き出し角度、吹き出し風速等は配置時にユーザー
が指定して配置する。

【００２１】図３は空調部品の吹き出し口を建築の部位
として入力する例を説明するための図、図４はメッシュ
作成、細分化を説明するための図であり、２１は天井、
２２は吹き出し口、２３は窓、２４は壁、２５は床、２
６は設備機器を示す。本発明に係る温熱気流解析システ
ムにおいて、空調部品の吹き出し口を建築の部位として
入力する場合には、例えば図３に示すように天井２１の
吹き出し口２２が４方向Ｄ１〜Ｄ４に吹き出すことはマ
クロライブラリで定義されており、Ｄ１〜Ｄ４の合計風
量、吹き出し角度、吹き出し風量を入力する。また、メ
ッシュ作成では、例えば図４（Ａ）に示すように基準メ
ッシュとしてまず、窓２３、壁２４、床２５、設備機器
２６など室形状モデルの輪郭・境界に沿ってメッシュを
作成し、次に、図４（Ｂ）に示すようにメッシュ分割と
して、輪郭・境界近傍の条件に応じて分割する。

【００２２】温度、気流、濃度の分布状況や時間毎の変
化を含む温熱空気環境の検討情報を解析結果として出力
する場合、例えば窓２３、壁２４、床２５、設備機器２
６の輪郭・境界近傍は、形状や隣接する部位、外部との
関係などに応じて気流が微妙に変化するし、小さい渦が
できる可能性があるが、それらの中間、つまり、窓２
３、壁２４、床２５、設備機器２６などから離れた空間
は、気流が大きく変化することはない。例えば温度分布
を求める場合には、空調部品の吹き出し口がどうなって
いて、風がどう流れていて、また、窓を開けたときには
風がどう流れ込み、室内をどう流れていくかを解析す
る。したがって、図４（Ｂ）に示すように前者は特にメ
ッシュを細かく分割して解析することが解析精度を上げ
るためには有効である。しかし、後者はメッシュの分割
を細かくしても、解析処理の負担が大きくなるだけで、
メッシュの分割を粗くした場合と解析結果に差が生じな
い。したがって、メッシュの分割を粗くして、解析処理
の負担の大幅な軽減を図ることができる。

【００２３】次に、本発明に係る温熱気流解析システム
により実行される全体の処理の内容を説明する。図５は
本発明に係る温熱気流解析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、本発明に係る温熱気流解析システムにより分析を行
おうとする場合には、例えば図５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Ｓ１１）。こ
の基本情報としては、物件情報として物件名、対象ソル
バーの面他区、室内気流か屋外気流かの選択、建物方
位、緯度、経度、計算条件として屋外風向・風速、日射
量、流体物性、表面熱伝達ディフォルト、日射吸収率デ
ィフォルト、領域外条件等がある。

【００２４】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
６）。すなわち、モデルの構成要素として、基本図形を
入力の後に属性を入力したり、マクロにより部材・部品
を入力する。メッシュを作成する（ステップＳ１７）。

【００２５】モデルの構成要素が入力され、メッシュが
作成されると、数値流体解析を実行し（ステップＳ１
８）、その解析結果を出力する（ステップＳ１９）。解
析結果の評価により、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Ｓ２
０）、モデルの修正がある場合には、再度ステップＳ１
１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、メッシュの作成を行って同様の処理を繰
り返し実行する。

【００２６】２次元、３次元空間の温度、湿度、気流速
度、空気中の物質濃度等の分布状況や時間毎の変化等を
求めて温熱空気環境の検討情報として出力する形態とし
ては、例えば室温の詳細な分布を表示し、温度の適、不
適とバラツキの状態を評価するための室内温度分布図
（カラーコンタ）、空気の流れの詳細な方向と速度を表
示し、室内の温熱空気環境を形成する要因を分析した
り、空気の流れの詳細な軌跡を粒子の動きによる分かり
やすく表示する室内気流分布図（ベクトル表示、粒子表
示）などがある。

【００２７】例えばアトリウムや工場等の吹き抜け空間
の空調方式を検討する場合には、夏期冷房時の室温と気
流を表示することにより、吹き出し口、吸い込み口の配
置、風向、風量、風速、吹き出し温度等の違いによる空
調状態を室温分布と気流分布で評価することができる。
また、オフィス等のペリメータ空調方式の計画では、窓
の大きさ、ガラスの材質、一重二重の種別等、ブライン
ドの有無、材質等、吹き出し口、吸い込み口の位置、風
向、風量、風速、吹き出し温度等、放熱器の位置、表面
温度等といった事項について検討する必要があるが、そ
れらの違いによる室温分布と気流分布を、例えば冬季暖
房時の室温と気流の断面分布について、ペリカウンター
上面からの吹き出しの場合と天井面からの吹き出しの場
合を表示することにより、評価することができる。さら
に、エントランスホールの外気流入対策の検討では、外
気の流入対策を施さない場合とパーティション、空調吹
き出し位置等の対策をした場合における風除室を設けな
い場合のエントランスホールの冬季暖房時の室温と気流
の平面分布を表示することにより、エントランスホール
に風除室を設けた場合と設けない場合の外気流入状況と
それによる室内温度分布、気流分布の評価を行うことが
できる。

【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、数値流体解析により室内外の温度、気流、濃
度の分布状況や時間毎の変化を含む温熱空気環境の検討
情報を解析結果として出力する温熱気流解析システムで
あって、建築の部位を入力して室形状モデルを作成する
室形状モデル作成手段と、作成された室形状モデルの輪
郭・境界に沿ってメッシュを作成し、該メッシュを輪郭
・境界の条件に応じて分割するメッシュ作成手段と、メ
ッシュ作成手段により作成されたメッシュに基づき数値
流体解析を行う解析手段と、解析手段による解析結果と
して温熱空気環境の検討情報を出力する出力手段とを備
え、輪郭・境界近傍のメッシュを細分化してメッシュを
作成するように構成したので、高い解析の専門知識を必
要とすることなく、一般の設計技術者が建築設計を行う
感覚で入力して室形状モデルの作成、メッシュの作成を
行い、解析を行うことができる。

【００３０】また、室形状モデル作成手段は、材料物性
値、壁、床、開口その他の部材データを格納したライブ
ラリデータと、建築平面図や断面図を含む設計データを
３次元、２次元で格納したＣＡＤデータから建築の部位
を入力し、建築の部位である壁、窓、床、空調部品の吹
き出し口、エアコン等をＣＡＤ的に配置するマクロ機能
を有し、建築の部位の入力において、空調部品の吹き出
し口は、複数に分割して吹き出し方向・角度と吹き出し
量を入力することを特徴とし、メッシュ作成手段は、室
形状モデルの各建築の部位輪郭・境界近傍は細かく、中
間は粗くメッシュを分割する細分化係数を設定してある
ことを特徴とし、出力手段は、温熱空気環境の検討情報
を解析結果として３次元、２次元表示、コンター表示、
ベクトル表示、アニメーション表示により出力するポス
トプロセッサであり、一度表示させたモデルのアング
ル、表示断面位置、カラーバー設定をカタログとして保
存しておき、後に同じ状態で表示させることができるよ
うにするカタログ機能を有するので、使い慣れたライブ
ラリデータ、ＣＡＤデータを利用してモデルを作成し、
モデルの実情に合わせたメッシュで細部での解析精度を
落とすことなく、解析処理の負荷を軽減することがで
き、建築計画や設備計画段階での有用な温熱空気環境の
検討情報を見やすく提示することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る温熱気流解析システムの実施の
形態を示す図である。

【図２】 本発明に係る温熱気流解析システムの概念図
である。

【図３】 空調部品の吹き出し口を建築の部位として入
力する例を説明するための図である。

【図４】 メッシュ作成、細分化を説明するための図で
ある。

【図５】 本発明に係る温熱気流解析システムにより実
行される処理概要を説明するための図である。

【図６】 空気環境計画の流れを示す図である。

【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…解析モデルデータ
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…モデル作成処理部、１２…メ
ッシュ作成処理部、１３…数値流体解析処理部、１４…
解析結果出力処理部

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 数値流体解析により室内外の温度、気
   流、濃度の分布状況や時間毎の変化を含む温熱空気環境
   の検討情報を解析結果として出力する温熱気流解析シス
   テムであって、建築の部位を入力して室形状モデルを作
   成する室形状モデル作成手段と、前記作成された室形状
   モデルの輪郭・境界に沿ってメッシュを作成し、該メッ
   シュを前記輪郭・境界の条件に応じて分割するメッシュ
   作成手段と、メッシュ作成手段により作成されたメッシ
   ュに基づき数値流体解析を行う解析手段と、前記解析手
   段による解析結果として前記温熱空気環境の検討情報を
   出力する出力手段とを備え、前記輪郭・境界近傍のメッ
   シュを細分化してメッシュを作成するように構成したこ
   とを特徴とする温熱気流解析システム。
2. 【請求項２】 前記室形状モデル作成手段は、材料物性
   値、壁、床、開口その他の部材データを格納したライブ
   ラリデータと、建築平面図や断面図を含む設計データを
   ３次元、２次元で格納したＣＡＤデータから前記建築の
   部位を入力することを特徴とする請求項１記載の温熱気
   流解析システム。
3. 【請求項３】 前記室形状モデル作成手段は、前記建築
   の部位である壁、窓、床、空調部品の吹き出し口、エア
   コン等をＣＡＤ的に配置するマクロ機能を有することを
   特徴とする請求項２記載の温熱気流解析システム。
4. 【請求項４】 前記建築の部位の入力において、空調部
   品の吹き出し口は、複数に分割して吹き出し方向・角度
   と吹き出し量を入力することを特徴とする請求項１記載
   の温熱気流解析システム。
5. 【請求項５】 前記メッシュ作成手段は、前記室形状モ
   デルの各建築の部位輪郭・境界近傍は細かく、中間は粗
   くメッシュを分割する細分化係数を設定してあることを
   特徴とする請求項１記載の温熱気流解析システム。
6. 【請求項６】 前記出力手段は、前記温熱空気環境の検
   討情報を解析結果として３次元、２次元表示、コンター
   表示、ベクトル表示、アニメーション表示により出力す
   るポストプロセッサであることを特徴とする請求項１記
   載の温熱気流解析システム。
7. 【請求項７】 前記出力手段は、一度表示させたモデル
   のアングル、表示断面位置、カラーバー設定をカタログ
   として保存しておき、後に同じ状態で表示させることが
   できるようにするカタログ機能を有することを特徴とす
   る請求項１記載の温熱気流解析システム。