JP2021081126A

JP2021081126A - 熱負荷演算装置

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Publication number: JP2021081126A
Application number: JP2019208860A
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Inventors: 陽祐山田; Yosuke Yamada; 元巳稲垣; Motomi Inagaki
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Filing date: 2019-11-19
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Abstract

【課題】より精度の高い熱負荷演算にあたり演算負荷を抑えることができる熱負荷演算装置を提供する。【解決手段】熱負荷演算装置１は、特定空間に影響を及ぼす複数の熱条件を複数の入力パラメータとし、当該入力パラメータを用いてＣＦＤ計算して、特定空間内における空気の流れが考慮された計算結果を得るＣＦＤ計算部２１と、ＣＦＤ計算部２１による計算結果と当該計算結果を算出するためにＣＦＤ計算に用いられた複数の入力パラメータとの組合せを組合せデータとし、多数の組合せデータに基づき、補間法又は近似法による応答曲面法を用いて、複数の入力パラメータに対する計算結果を算出するための近似関数を生成する近似関数生成部２２と、複数の入力パラメータを近似関数生成部２２により生成された近似関数に適用して得られた計算結果を利用して、特定空間内における所定期間の熱負荷を演算する連成計算部２３と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、熱負荷演算装置に関する。

従来、建物の室内等の特定空間（特定空間は建物全体であっても、建物内の或る部屋等の一部空間であってもよい）を空調するために必要となる空調機の選定のために、特定空間における所定期間（年単位でもあってもよいし、夏場や冬場等の季節単位であってもよい）の熱負荷を演算することが行われている（特許文献１参照）。このような熱負荷の演算によって例えば負荷のピーク等が判明し、これに対応できる空調機が選定されることとなる。

特開２０１５−１４８８６３号公報

上記のような所定期間における熱負荷の演算（以下ＥＳ（エネルギーシミュレーション）と称する）については、設定された外気条件（日射量、日射角度、外気温）と、建物条件（外壁、内壁、天井、床、屋根、窓等）、換気量、内部発熱源（人、ＯＡ機器、照明等）等に基づいて特定空間の熱取得量（または熱損失量）が計算される。このような特定空間の熱取得量に基づいて、熱負荷（特定空間を一定の温湿度に維持するために特定空間内の空気から取り除く熱量、又は、特定空間内の空気に供給すべき熱量）を算出することができる。

ここで、このようなＥＳは精度が高いことが好ましいが、一般的には特定空間内の空気の流れが考慮されていないものであった。すなわち、一般的なＥＳは、空気の流れに影響を与えるパラメータとして対流熱伝導率が或る代表値とされていた。このため、一般的なＥＳは決して精度が高いとはいえず、ＥＳにて算出された負荷ピークに対して多くの余裕分を考慮した空調機が選定される傾向にあった。

そこで、ＥＳとＣＦＤ（数値対流力学）計算とを連成して空気の流れを考慮した計算手法が考えられる。この計算手法では、例えば１時間等の計算ステップ（計算の区切り）毎にＥＳと同条件（例えば同じ建物条件）でＣＦＤ計算された対流熱伝導率を用いてＥＳを行うものである。

しかし、ＣＦＤ計算は、計算ステップ毎にＥＳと辻褄が合うように、ＥＳの表面温度等が一定値に収束するように繰り返し実行される。よって、計算負荷が大きいＣＦＤ計算が繰り返し実行されて全体として演算負荷が過大となってしまう。特に、年間を通じたＥＳを行うような場合、ＥＳとＣＦＤ計算を連成させることは演算負荷が極めて過大となってしまう。

本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その発明の目的とするところは、より精度の高い熱負荷演算にあたり演算負荷を抑えることができる熱負荷演算装置を提供することにある。

本発明の熱負荷演算装置は、建物内における特定空間内の熱負荷を所定期間に亘り演算するものであって、前記特定空間に影響を及ぼす複数の熱条件を複数の入力パラメータとし、当該入力パラメータを用いてＣＦＤ計算して、前記特定空間内における空気の流れが考慮された計算結果を得るＣＦＤ計算手段と、前記ＣＦＤ計算手段による計算結果と当該計算結果を算出するためにＣＦＤ計算に用いられた複数の入力パラメータとの組合せを組合せデータとし、多数の組合せデータに基づき、補間法又は近似法による応答曲面法を用いて、複数の入力パラメータに対する計算結果を算出するための近似関数を生成する近似関数生成手段と、複数の入力パラメータを前記近似関数生成手段により生成された近似関数に適用して得られた計算結果を利用して、前記特定空間内における前記所定期間の熱負荷を演算する熱負荷算出手段と、を備える。

この熱負荷演算装置によれば、ＣＦＤ計算手段による計算結果と当該計算結果を算出するためにＣＦＤ計算に用いられた複数の入力パラメータとの組合せを組合せデータとし、多数の組合せデータに基づき応答曲面法を用いて近似関数を生成するため、ＣＦＤ計算を何度か実行して近似関数を生成しておけば、以後は近似関数を利用できるため、計算負荷を抑えることができる。従って、より精度の高い熱負荷演算にあたり演算負荷を抑えることができる。

本発明によれば、より精度の高い熱負荷演算にあたり演算負荷を抑えることができる熱負荷演算装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る熱負荷演算装置を示すブロック図である。図１に示したＣＦＤ計算部による計算イメージを示す概念図である。多数の組合せデータの一例を示す概念図である。応答曲面法を用いて算出された近似関数の一例を示す概念図である。図１に示したＥＳ部による計算イメージを示す概念図である。第１実施形態に係る熱負荷演算装置の処理を示すフローチャートである。比較例に係る熱負荷演算装置の処理の詳細を示すフローチャートである。図６に示したステップＳ５における処理の詳細を示すフローチャートである。第２実施形態に係るステップＳ５における処理の詳細を示すフローチャートである。第３実施形態に係るステップＳ５の処理の詳細を示すフローチャートである。第４実施形態に係る熱負荷演算装置を示すブロック図である。第４実施形態に係る熱負荷演算装置による処理を示すフローチャートであって、演算選択処理を示している。変形例に係る熱負荷演算装置を示すブロック図である。

以下、本発明を好適な実施形態に沿って説明する。なお、本発明は以下に示す実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す実施形態においては、一部構成の図示や説明を省略している箇所があるが、省略された技術の詳細については、以下に説明する内容と矛盾点が発生しない範囲内において、適宜公知又は周知の技術が適用されていることはいうまでもない。

図１は、本発明の実施形態に係る熱負荷演算装置を示すブロック図である。図１に示す熱負荷演算装置１は、建物内における特定空間（特定空間は建物全体であっても、建物内の或る部屋等の一部空間であってもよい）内の熱負荷を所定期間（年単位でもあってもよいし、夏場や冬場等の季節単位であってもよい）に亘り演算するものであって、例えば所定のプログラムが格納されたパーソナルコンピューター等によって構成されている。このような熱負荷演算装置１は、入力部１０と、処理部２０と、出力部３０とを備えている。

入力部１０は、熱負荷演算装置１を利用する利用者によって操作される操作部等によって構成されている。この入力部１０には、各種条件や初期値等が入力される。処理部２０は、所定のプログラムが実行されることで機能するものであり、ＣＦＤ計算部（ＣＦＤ計算手段）２１と、近似関数生成部（近似関数生成手段）２２と、連成計算部（熱負荷算出手段）２３と、記憶部（記憶手段）２４と、を備えている。出力部３０は、連成計算部２３による熱負荷の算出結果を利用者に向けて出力するものであり、例えばディスプレイ等の表示装置やプリンタ等の紙媒体の印刷機で構成されている。また、出力部３０は、メール等によって結果を出力する通信部で構成されていてもよい。

ＣＦＤ計算部２１は、特定空間の表面温度を複数の入力パラメータとし、入力パラメータを用いてＣＦＤ計算して、特定空間の表面部における対流熱伝達率を計算結果として取得するものである。

図２は、図1に示したＣＦＤ計算部２１による計算イメージを示す概念図である。図２に示すように、例えばＣＦＤ計算部２１は、特定空間の各面（天井、床、壁、窓等）における表面温度を入力パラメータとし、特定空間の各面における対流熱伝達率を出力パラメータとしたＣＦＤ計算を行う。これにより、ＣＦＤ計算部２１は、特定空間の各面における対流熱伝達率を算出する。

近似関数生成部２２は、上記したように、近似関数を生成するものである。この近似関数生成部２２は、ＣＦＤ計算部２１による計算結果（例えば特定空間の６面の対流熱伝達率）と当該計算結果を算出するためにＣＦＤ計算に用いられた複数の入力パラメータ（例えば特定空間の６面の表面温度）との組合せを組合せデータとし、多数の組合せデータに基づき、補間法又は近似法による応答曲面法を用いて、複数の入力パラメータに対する計算結果を算出するための近似関数を生成する。

図３は、多数の組合せデータの一例を示す概念図である。なお、図３においては入力パラメータを５つとし、出力パラメータについても５つである例を示している。

図３に示すＴｉ，ｏは外壁の室内側表面温度であり、Ｔｉ，ｌは自室（特定空間）と隣室とを隔てる壁の室内側表面温度であり、Ｔｉ，ｃは天井の室内側表面温度であり、Ｔｉ，ｆは床の室内側表面温度であり、Ｔｉ，ｗは窓の室内側表面温度である。

また、図３に示すｈｉＮ，ｏは外壁の対流熱伝達率であり、ｈｉＮ，ｌは自室（特定空間）と隣室とを隔てる壁の対流熱伝達率であり、ｈｉＮ，ｃは天井の対流熱伝達率であり、ｈｉＮ，ｆは床の対流熱伝達率であり、ｈｉＮ，ｗは窓の対流熱伝達率である。

ＣＦＤ計算部２１は、上記のような入力パラメータに基づいて上記のような出力パラメータを算出するが、近似関数生成部２２は、このような入力パラメータと出力パラメータとの多数の組合せデータに基づき、補間法又は近似法による応答曲面法を用いて、近似関数を生成する。

図４は、応答曲面法を用いて算出された近似関数の一例を示す概念図である。なお、図４においては、図示の関係上、３次元的に示しているが、実際には行列計算等によって４次元以上であっても可能であることはいうまでもない。図４に示すように、近似関数生成部２２は、入力パラメータと出力パラメータとの相関を示す近似関数を生成する。これにより、例えば図３に示す例においては、ｈｉＮ，ｏ＝ｆ｛（Ｔｉ，ｏ），（Ｔｉ，ｌ），（Ｔｉ，ｃ），（Ｔｉ，ｆ），（Ｔｉ，ｗ）｝なる近似関数が算出される。ｈｉＮ，ｌ、ｈｉＮ，ｃ、ｈｉＮ，ｆ、及びｈｉＮ，ｗについても同様である。なお、生成された近似関数は、処理部２０の記憶部２４に記憶される。

連成計算部２３は、図１に示すように、ＥＳ部２５と、近似関数計算部２６とを備え、ＥＳ部２５と近似関数計算部２６とによる連成計算を行うものである。

ＥＳ部２５は、特定空間における熱負荷を算出するものである。図５は、図1に示したＥＳ部２５による計算イメージを示す概念図である。図５に示すように、ＥＳ部２５は、設定された外気条件（日射量、日射角度、外気温）と、建物条件（外壁、内壁、天井、床、屋根、窓等）、換気量、内部発熱源（人、ＯＡ機器、照明等）等に基づいて室内の熱取得量（または熱損失量）を計算し、この熱取得量（または熱損失量）に基づいて特定空間における熱負荷を算出する。このＥＳ部２５は、例えば１時間等の計算ステップ（計算の区切り）毎に特定空間内の熱負荷を計算する。

なお、ＥＳ部２５は、上記の計算（初回）を行うにあたり対流熱伝達率（表面値）について代表値を採用している。また、ＥＳ部２５のみによる熱負荷の算出結果については、近似関数計算部２６との連成計算（収束計算）が行われておらず、仮の熱負荷の算出結果ともいえる。また、ＥＳ部２５は、熱負荷を算出する過程において、特定空間の表面温度についても算出する。

近似関数計算部２６は、ＥＳ部２５によって算出された特定空間の表面温度を複数の入力パラメータとし、複数の入力パラメータを近似関数生成部２２により生成された近似関数（記憶部２４に記憶された近似関数）に適用して計算結果（対流熱伝達率）を得るものである。

ここで、近似関数計算部２６により得られた対流熱伝達率は、再度ＥＳ部２５に送信される。ＥＳ部２５は、近似関数計算部２６により得られた対流熱伝達率を利用して再度特定空間の熱負荷を算出する（この算出過程において表面温度も算出する）。ここで算出した今回の表面温度が既に算出済みの前回の表面温度と所定値以上離れている場合には、辻褄が合うように（ＥＳ部２５により算出される表面温度が一定値に収束するように）繰り返し処理が実行される。すなわち、今回の表面温度が前回の表面温度と所定値以上離れている場合、熱負荷演算装置１は、今回の表面温度を入力パラメータとして、特定空間の表面部における対流熱伝達率を再度近似関数計算部２６により取得させる。取得後、近似関数計算部２６は、得られた対流熱伝達率を再度ＥＳ部２５に送信し、ＥＳ部２５は、近似関数計算部２６により得られた対流熱伝達率を利用して再度特定空間の表面温度を算出する。以後、今回算出した表面温度と前回算出した表面温度との差が（特定空間の全ての面において）所定値未満となるまで繰り返し上記処理が実行される。

なお、ＥＳ部２５と近似関数計算部２６とは、上記の処理を計算ステップ毎に実行していく。ここで、従来では近似関数計算部２６を有しないため、ＣＦＤ計算部２１とＥＳ部２５による連成計算を行っていたが、ＣＦＤ計算の計算量が膨大であるため、且つ、上記の如く辻褄が合うように計算が繰り返し実行されるため、ＥＳとＣＦＤ計算を連成させることは演算負荷が多大となってしまう。

そこで、第１実施形態に係る熱負荷演算装置１は、予めＣＦＤ計算部２１に無数の入力パラメータを入力して計算結果を得ておき、これらの結果から近似関数生成部２２により応答曲面法を利用して近似関数を算出しておく。これにより、連成計算部２３は近似関数生成部２２により生成された近似関数を利用して演算を行うことができ、ＣＦＤ計算を行うことによる長時間の演算を回避するようにしている。

次に、第１実施形態に係る熱負荷演算装置１の処理を説明する。図６は、第１実施形態に係る熱負荷演算装置１の処理を示すフローチャートである。まず、図６に示すように、熱負荷演算装置１の処理部２０は、過去に同様の条件（特定空間の仕様（例えば建物条件）や、特定空間に影響を及ぼす熱条件、入力パラメータ及び出力パラメータ）で近似関数を生成済みであるかを判断する（Ｓ１）。ここで、同様の条件とは例えば建物条件や特定空間に影響を及ぼす熱条件が略一致する他、複数の入力パラメータ及び出力パラメータが一致していることをいう。すなわち、建物条件や特定空間に影響を及ぼす熱条件が略一致する他、過去に生成された近似関数の入力パラメータの種類と、今回の算出対象となる入力パラメータの種類とが同じであること、及び、過去に生成された近似関数の出力パラメータと、今回の算出対象となる出力パラメータとが同じであること、の双方が成立する場合、ステップＳ１において「ＹＥＳ」と判断される。

なお、図４を参照して説明したように、近似関数生成部２２は、ｈｉＮ，ｏ＝ｆ｛（Ｔｉ，ｏ），（Ｔｉ，ｌ），（Ｔｉ，ｃ），（Ｔｉ，ｆ），（Ｔｉ，ｗ）｝なる近似関数を生成する。このため、ステップＳ１においては、出力パラメータが完全一致している必要は無い。すなわち、複数の入力パラメータが一致している限り、過去に６つの出力パラメータの近似関数を生成しており、今回の処理において５つの出力パラメータのみが必要となる場合には、ステップＳ１において「ＹＥＳ」と判断してもよい。

過去に同様の条件で近似関数を生成済みでない場合（Ｓ１：ＮＯ）、ＣＦＤ計算部２１に複数の入力パラメータを多数入力して多数の計算結果（対流熱伝達率）を取得する（Ｓ２）。次いで、近似関数生成部２２は、ステップＳ２の計算結果に基づき応答曲面法を適用して近似関数を生成する（Ｓ３）。次に、記憶部２４は、ステップＳ３において生成した近似関数を記憶する（Ｓ４）。その後、処理はステップＳ５に移行する。

一方、過去に同様の条件で近似関数を生成済みである場合（Ｓ１：ＹＥＳ）、生成済みの近似関数を利用して熱負荷が算出される（Ｓ５）。すなわち、連成計算部２３（ＥＳ部２５及び近似関数計算部２６）は、複数の入力パラメータを近似関数に適用して対流熱伝達率を算出すると共に、この対流熱伝達率を利用して特定空間内における所定期間の熱負荷を演算する（Ｓ５）。その後、図６に示す処理は終了する。

図７は、比較例に係る熱負荷演算装置の処理の詳細を示すフローチャートである。なお、比較例に係る熱負荷演算装置は、近似関数生成部２２及び近似関数計算部２６を備えず、ＥＳ部２５とＣＦＤ計算部２１とによって連成計算部２３が構成されているものとする。比較例に係る熱負荷演算装置においては、まず入力部１０を介して建物条件や特定空間に影響を及ぼす熱条件等の条件設定が行われる（Ｓ１１）。

次に、入力部１０を介して初期値の設定が行われる（Ｓ１２）。この処理においては、計算ステップの長さ（例えば１時間等）や、各部位における代表値となる対流熱伝達率ｈｉ，ｊが設定される。

その後、処理部２０は、所定期間に亘る熱負荷の演算が完了したかを判断する（Ｓ１３）。所定期間に亘る熱負荷の演算が完了していない場合（Ｓ１３：ＮＯ）、ＥＳ部２５は、ステップＳ１１及びステップＳ１２において設定された条件及び初期値に基づいて特定空間の熱負荷を算出する（Ｓ１４）。特に、初回のステップＳ１４の処理においては、代表値となる対流熱伝達率ｈｉ，ｊが利用されて熱負荷が算出される。また、この処理では、熱負荷の算出過程において特定空間の表面温度Ｔｉ，ｊについても算出される。

次に、ＣＦＤ計算部２１は、特定空間の表面温度Ｔｉ，ｊを入力パラメータとしてＣＦＤ計算し、特定空間の表面部における対流熱伝達率ｈｉＮ，ｊを算出する（Ｓ１５）。

その後、ＥＳ部２５は、ステップＳ１５において算出された対流熱伝達率ｈｉＮ，ｊを利用して再度特定空間の熱負荷を算出する（Ｓ１６）。また、この処理においては、特定空間の表面温度ＴｉＮ，ｊについても算出される。

その後、連成計算部２３は、表面温度ＴｉＮ，ｊと表面温度Ｔｉ，ｊとの差の絶対値が所定値δ未満であるか判断する（Ｓ１７）。表面温度ＴｉＮ，ｊ，Ｔｉ，ｊの差の絶対値が所定値δ未満でない場合（Ｓ１７：ＮＯ）、連成計算部２３は、表面温度ＴｉＮ，ｊを表面温度Ｔｉ，ｊとする（Ｓ１８）。その後、処理はステップＳ１５に移行する。以後、ステップＳ１７において「ＹＥＳ」と判断されるまで、ステップＳ１５〜Ｓ１８の処理は繰り返し実行される。

一方、表面温度Ｔｉ，ｊ，ＴｉＮ，ｊの差の絶対値が所定値δ未満である場合（Ｓ１７：ＹＥＳ）、連成計算部２３は計算ステップを１つ進める（Ｓ１９）。次いで、連成計算部２３は、対流熱伝達率ｈｉＮ，ｊを対流熱伝達率ｈｉ，ｊとする（Ｓ２０）。そして、処理はステップＳ１３に移行する。

ところで、所定期間に亘る熱負荷の演算が完了した場合（Ｓ１３：ＹＥＳ）、図７に示す処理は終了する。

以上のような比較例に係る処理では、ＣＦＤ計算部２１とＥＳ部２５とによる連成計算が行われ、且つ、辻褄が合うように集束計算が行われるため、演算負荷が多大となってしまう。

図８は、図６に示したステップＳ５における処理の詳細を示すフローチャートである。本実施形態に係る連成計算部２３（ＥＳ部２５及び近似関数計算部２６）の連成計算においては、まずステップＳ２１〜Ｓ２４において、図７に示したステップＳ１１〜Ｓ１４と同様の処理が実行される。

次いで、ステップＳ２５において近似関数計算部２６は、近似関数生成部２２により生成された近似関数に対して、特定空間の表面温度Ｔｉ，ｊを入力パラメータとして適用し、特定空間の表面部における対流熱伝達率ｈｉＮ，ｊを算出する（Ｓ２５）。

その後、ステップＳ２６〜Ｓ３０の処理において、図７に示したステップＳ１６〜Ｓ２０と同様の処理が実行される。

なお、図８からも明らかなようにステップＳ２５の処理においてはＣＦＤ計算ではなく、近似関数が利用されることから、計算負荷については格段に減少することとなる。

このようにして、第１実施形態に係る熱負荷演算装置１によれば、ＣＦＤ計算部２１による計算結果と当該計算結果を算出するためにＣＦＤ計算に用いられた複数の入力パラメータとの組合せを組合せデータとし、多数の組合せデータに基づき応答曲面法を用いて近似関数を生成するため、ＣＦＤ計算を何度か実行して近似関数を生成しておけば、以後は近似関数を利用できるため、計算負荷を抑えることができる。従って、より精度の高い熱負荷演算にあたり演算負荷を抑えることができる。

また、ＣＦＤ計算では対流熱伝達率を計算結果として得るため、ＣＦＤ計算については空気の流れに影響がある対流熱伝達率の算出までに留め、ＣＦＤ計算自体の計算量を抑えて、条件によっては好適に計算負荷を抑えることができる。

次に、本発明の第２実施形態を説明する。第２実施形態に係る熱負荷演算装置は、第１実施形態のものと同様であるが、処理内容が一部異なっている。以下、第１実施形態との相違点について説明する。

図９は、第２実施形態に係るステップＳ５における処理の詳細を示すフローチャートである。連成計算部２３（ＥＳ部２５及び近似関数計算部２６）の連成計算においては、まず入力部１０を介して建物条件や特定空間に影響を及ぼす熱条件等の条件設定が行われる（Ｓ３１）。

次に、入力部１０を介して初期値の設定が行われる（Ｓ３２）。この処理においては、計算ステップや、各部位における代表値となる表面温度Ｔｉ，ｊが設定される。

その後、処理部２０は、所定期間に亘る熱負荷の演算が完了したかを判断する（Ｓ３３）。所定期間に亘る熱負荷の演算が完了していない場合（Ｓ３３：ＮＯ）、近似関数計算部２６は、近似関数生成部２２により生成された近似関数に対して、特定空間の表面温度Ｔｉ，ｊを入力パラメータとして適用し、特定空間の表面部における対流熱伝達率ｈｉＮ，ｊを算出する（Ｓ３４）。

その後、ＥＳ部２５は、ステップＳ３１において設定された条件、及び、特定空間の表面部における対流熱伝達率ｈｉ，ｊに基づいて室内の熱負荷を算出する（Ｓ３５）。この処理では、特定空間の表面温度ＴｉＮ，ｊについても算出される。

次に、近似関数計算部２６は、特定空間の表面温度ＴｉＮ，ｊを入力パラメータとして再度近似関数に適用し、特定空間の表面部における対流熱伝達率ｈｉＮ，ｊを算出する（Ｓ３６）。

その後、連成計算部２３は、対流熱伝達率ｈｉＮ，ｊと対流熱伝達率ｈｉ，ｊとの差の絶対値が所定値δ’未満であるか判断する（Ｓ３７）。対流熱伝達率ｈｉＮ，ｊ，ｈｉ，ｊの差の絶対値が所定値δ’未満でない場合（Ｓ３７：ＮＯ）、連成計算部２３は、対流熱伝達率ｈｉＮ，ｊを対流熱伝達率ｈｉ，ｊとする（Ｓ３８）。その後、処理はステップＳ３５に移行する。以後、ステップＳ３７において「ＹＥＳ」と判断されるまで、ステップＳ３５〜Ｓ３８の処理は繰り返し実行される。

一方、対流熱伝達率ｈｉＮ，ｊ，ｈｉ，ｊの差の絶対値が所定値δ’未満である場合（Ｓ３７：ＹＥＳ）、連成計算部２３は計算ステップを１つ進める（Ｓ３９）。次いで、第１連成計算部２１は、表面温度ＴｉＮ，ｊを表面温度Ｔｉ，ｊとする（Ｓ４０）。そして、処理はステップＳ３３に移行する。

ところで、所定期間に亘る熱負荷の演算が完了した場合（Ｓ３３：ＹＥＳ）、図９に示す処理は終了する。

なお、図９からも明らかなように第２実施形態においてもステップＳ３４，Ｓ３６の処理においてはＣＦＤ計算ではなく、近似関数が利用されることから、計算負荷については格段に減少することとなる。

このようにして、第２実施形態に係る熱負荷演算装置１によれば、より精度の高い熱負荷演算にあたり演算負荷を抑えることができる。また、ＣＦＤ計算自体の計算量を抑えて、条件によっては好適に計算負荷を抑えることができる。

次に、本発明の第３実施形態を説明する。第３実施形態に係る熱負荷演算装置は、第１実施形態のものと同様であるが、処理内容が一部異なっている。以下、第１実施形態との相違点について説明する。

第３実施形態においては、ＣＦＤ計算の入力パラメータの数が第１実施形態よりも多くなっている。すなわち、ＣＦＤ計算部２１は、特定空間の表面温度に加えて特定空間の外部的熱要因（例えば外気温、日射、建物条件、隣室条件）及び内部的熱要因（例えば人、ＯＡ機器等の発熱）の少なくとも１つを複数の入力パラメータとし、複数の入力パラメータを用いてＣＦＤ計算して、特定空間における空気の流れが考慮された空間内温湿度を計算結果として取得する。なお、外気温と日射については必須となることが好ましい（入力パラメータとすることが好ましい）。

また、第３実施形態に係る近似関数生成部２２は、入力パラメータ数が増大したＣＦＤ計算部２１の計算結果と、複数の入力パラメータとの多数の組合せデータに基づき、補間法又は近似法による応答曲面法を用いて、近似関数を生成する。

このような第３実施形態においてはＣＦＤ計算の計算負荷が増大する代わりに、空間内温湿度を求めてしまうため、辻褄を合わせるための収束計算が不要となる。

図１０は、第３実施形態に係るステップＳ５の処理の詳細を示すフローチャートである。第３実施形態において連成計算部２３（ＥＳ部２５及び近似関数計算部２６）の連成計算においては、まず入力部１０を介して建物条件や特定空間に影響を及ぼす熱条件等の条件設定が行われる（Ｓ４１）。

次に、入力部１０を介して初期値の設定が行われる（Ｓ４２）。この処理においては、計算ステップの長さ（例えば１時間等）や、各部位における代表値となる空間内温湿度が設定される。

その後、処理部２０は、所定期間に亘る熱負荷の演算が完了したかを判断する（Ｓ４３）。所定期間に亘る熱負荷の演算が完了していない場合（Ｓ４３：ＮＯ）、近似関数計算部２６は、ステップＳ４１，Ｓ４２において設定された条件や初期値又はこれらから算出される値（表面温度、外部的熱要因及び内部的熱要因）を複数の入力パラメータとし、近似関数生成部２２により生成された近似関数に対して複数の入力パラメータを適用し、特定空間における空気の流れが考慮された空間内温湿度を算出する（Ｓ４４）。

次いで、ＥＳ部２５は、近似関数計算部２６により算出された空間内温湿度に基づいて熱負荷を算出する（Ｓ４５）。その後、連成計算部２３は計算ステップを１つ進める（Ｓ４６）。次に、連成計算部２３は、今回算出された空間内温湿度を前回値に置き換える（Ｓ４７）。これにより、次回のステップＳ４４の処理においては、今回算出された空間内温湿度が利用されることとなる。その後、処理はステップＳ４３に移行する。ステップＳ４３において所定期間に亘る熱負荷の演算が完了したと判断された場合（Ｓ４３：ＹＥＳ）、図１０の処理は終了する。

このようにして、第３実施形態に係る熱負荷演算装置１によれば、第１実施形態と同様に、より精度の高い熱負荷演算にあたり演算負荷を抑えることができる。

また、ＣＦＤ計算では、特定空間の表面温度に加えて特定空間の外部的熱要因及び内部的熱要因の少なくとも１つを複数の入力パラメータとし、特定空間における空気の流れが考慮された空間内温湿度を計算結果として取得して、近似関数を生成するため、一度近似関数を生成してしまえば、その後は、熱負荷の演算に関する演算負荷を大きく抑えることができる。

次に、本発明の第４実施形態を説明する。第４実施形態に係る熱負荷演算装置２は、第１及び第３実施形態に係る熱負荷演算装置１と同様であるが、構成及び処理内容が一部異なっている。以下、第４実施形態について説明する。

図１１は、第４実施形態に係る熱負荷演算装置２を示すブロック図である。図１１に示すように、第４実施形態に係る熱負荷演算装置２は、図１に示すものに加えて、演算時間推定部（演算時間推定手段）２７と、選択部（選択手段）２８とを備えている。

演算時間推定部２７は、第１実施形態において説明したＣＦＤ計算部２１による計算、近似関数生成部２２による近似関数の生成、及び、連成計算部２３による計算（第１演算）に要する時間と、第３実施形態において説明したＣＦＤ計算部２１による計算、近似関数生成部２２による近似関数の生成、及び、連成計算部２３による計算（第２演算）に要する時間とを推定するものである。

詳細に説明すると、第１演算は、特定空間の表面温度を複数の入力パラメータとし、ＣＦＤ計算部２１により、複数の入力パラメータを用いてＣＦＤ計算して、特定空間の表面部における対流熱伝達率を計算結果として取得し、近似関数生成部２２により、ＣＦＤ計算部２１による計算結果と当該計算結果を算出するためにＣＦＤ計算に用いられた複数の入力パラメータとの組合せを組合せデータとし、多数の組合せデータに基づき、補間法又は近似法による応答曲面法を用いて、複数の入力パラメータに対する計算結果を算出するための近似関数を生成し、連成計算部２３により、近似関数生成部２２により生成された近似関数に複数の入力パラメータを適用して得られた計算結果を利用した収束計算により特定空間内における所定期間の熱負荷を演算するものである。

第２演算は、特定空間の表面温度に加えて特定空間の外部的熱要因及び内部的熱要因を複数の入力パラメータとし、ＣＦＤ計算部２１により、複数の入力パラメータを用いてＣＦＤ計算して、特定空間の表面部における対流熱伝達率が考慮された空間内温湿度を計算結果として取得し、近似関数生成部２２により、ＣＦＤ計算部２１による計算結果と当該計算結果を算出するためにＣＦＤ計算に用いられた複数の入力パラメータとの組合せを組合せデータとし、多数の組合せデータに基づき、補間法又は近似法による応答曲面法を用いて、複数の入力パラメータに対する計算結果を算出するための近似関数を生成し、連成計算部２３により、近似関数生成部２２により生成された近似関数に複数の入力パラメータを適用して得られた計算結果を利用して、特定空間内における所定期間の熱負荷を演算するものである。

具体的に第１演算の演算時間は以下のようにして推定される。まず、入力パラメータを部屋（特定空間）の６面の室内壁面温度（天井、壁、床等の表面温度）及び窓の室内側表面温度の７つとした場合、経験則からすると計算回数は１２４回となる。ここで、１回あたりの計算時間を０．５時間とすると、ＣＦＤ計算部２１による計算時間は６２時間となる。

また、連成計算部２３における収束計算については、１回あたりの収束計算時間×計算ステップ数から求めることができる。１回あたりの収束計算時間は経験則から０．０００２７８時間であり、計算ステップ数は１７５２００回（＝８７６０時間（１年間）／０．０５時間（単位計算ステップ））である。このため、収束計算は４８．７時間となる。従って、６２時間＋４８．７時間＝１１０．７時間となる。

また、第２演算の演算時間は以下のようにして推定される。まず、入力パラメータを部屋（特定空間）の６面の室内壁面温度（天井、壁、床等の表面温度）、窓の室内側表面温度、６面の室外壁面温度（天井、壁、床等の室外側の表面温度）、窓の室外側表面温度、及び、日射量の計１５個とした場合、経験則からすると計算回数は３４４回となる。なお、３４４回とした根拠は、多元配置がサンプリングデータ全体の２０％とすると６９点であり、ランダムな組合せの数が（入力パラメータの数の二乗）＋３０＝２５５点であり、サンプリング領域の粗密を補うためのデータ数が２０点であるためである。

ここで、１回あたりの計算時間を０．５時間とすると、ＣＦＤ計算部２１による計算時間は１７２時間となる。なお、第２演算については第３実施形態において説明したように収束計算が不要であるため、計算時間は１７２時間となる。

選択部２８は、第１演算と第２演算とのうち、演算時間推定部２７により推定された演算時間が短い方を選択するものである。例えば上記した例において第１演算の推定の演算時間は１１０．７時間であり、第２演算の推定の演算時間は１７２時間である。この例の場合、選択部２８は第１演算を選択することとなる。

このように、第４実施形態では選択部２８により選択された演算が実行されるため、近似関数生成部２２は、第１演算及び第２演算のうち選択された方のＣＦＤ計算部２１の計算結果に基づいて近似関数を生成することとなる。

図１２は、第４実施形態に係る熱負荷演算装置２による処理を示すフローチャートであって、演算選択処理を示している。まず、同様の条件で近似関数が生成済みでない場合にいて演算時間推定部２７は、第１演算による演算時間を推定する（Ｓ５１）。次いで、演算時間推定部２７は、第２演算による演算時間を推定する（Ｓ５２）。

次に、選択部２８は、ステップＳ５１にて推定された演算時間と、ステップＳ５２にて推定された演算時間とを比較し、短い方の演算を選択する（Ｓ５３）。その後、ステップＳ５３において選択された演算によって熱負荷演算処理が実行される（Ｓ５４）。この処理においては、図６に示した処理が実行される。なお、ステップＳ５３において第１演算が選択されていた場合には、図６に示したステップＳ５の処理において図８に示す処理が実行される。一方、ステップＳ５３において第２演算が選択されていた場合には、図６に示したステップＳ５の処理において図１０に示す処理が実行される。その後、図１２に示す処理は終了する。

このようにして、第４実施形態に係る熱負荷演算装置２によれば、より精度の高い熱負荷演算にあたり演算負荷を抑えることができる。

また、第１演算と第２演算とのうち熱負荷演算の完了までに要する時間が短い方を予め推定し、短いと推定された方で近似関数を生成するため、より短い時間で熱負荷を算出することができる。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよいし、実施形態同士の技術や適宜公知や周知の技術を組み合わせてもよい。

例えば、上記実施形態においては特定空間が箱状であることを想定したが、これに限らず、他の形状であれば、これに応じて入力パラメータの数が変化することはいうまでもない。同様に、内部的熱要因や外部的熱要因については、例示したものに限られない。また、特定空間に用いられる空調機を条件や入力パラメータに含めるようにしてもよい。さらに、特定空間については、建物内の特定の部屋を更に分割した空間であってもよい。

また、上記実施形態においては特定空間が壁等によって仕切られていることを想定したため、対流熱伝達率を算出したが、特定空間が壁等によって仕切られることなく他の空間と隣接する場合には、これらの空間の間で空気の移流が発生する。よって、このような場合には、対流熱伝達率に代えて、空気の移流量（表面値）を算出することが好ましい。特に、特定空間の一部が壁等によって仕切られて、残部が壁等によって仕切られることなく他の空間と隣接する場合には、一部について対流熱伝達率を算出し、残部について移流量を算出することはいうまでもない。

さらに、以下のように構成されていてもよい。図１３は、変形例に係る熱負荷演算装置を示すブロック図である。図１３に示すように、変形例に係る熱負荷演算装置３は、影響度算出部（影響度算出手段）２９を備えていてもよい。影響度算出部２９は、ＣＦＤ計算の計算結果に対する各入力パラメータの影響度を算出するものである。この影響度算出部２９は、例えば過去のＣＦＤ計算の結果から、１つの入力パラメータを除外した場合に計算結果がどれだけ変化したかに基づいて入力パラメータの影響度を算出する。このような影響度算出部２９を備えるため、変形例においてＣＦＤ計算部２１は、影響度算出部２９により算出された影響度が予め定めた設定値以下である入力パラメータを除外してＣＦＤ計算を行う。これにより、ＣＦＤ計算における次元数を適切に抑えて、より一層演算負荷を抑えることができるからである。

加えて、本実施形態に係る熱負荷演算装置１〜３は、予めＣＦＤ計算部２１、及び、近似関数生成部２２に相当する構成が外部に設けられており、生成された近似関数が記憶部２４に記憶されている構成であってもよい。すなわち、熱負荷演算装置１〜３自体が近似関数を生成する機能を有していなくともよい。

１〜３：熱負荷演算装置
１０：入力部
２０：処理部
２１：ＣＦＤ計算部（ＣＦＤ計算手段）
２２：近似関数生成部（近似関数生成手段）
２３：連成計算部（熱負荷算出手段）
２４：記憶部（記憶手段）
２５：ＥＳ部
２６：近似関数計算部
２７：演算時間推定部（演算時間推定手段）
２８：選択部（選択手段）
２９：影響度算出部（影響度算出手段）
３０：出力部

Claims

建物内における特定空間内の熱負荷を所定期間に亘り演算する熱負荷演算装置であって、
前記特定空間に影響を及ぼす複数の熱条件を複数の入力パラメータとし、当該入力パラメータを用いてＣＦＤ計算して、前記特定空間内における空気の流れが考慮された計算結果を得るＣＦＤ計算手段と、
前記ＣＦＤ計算手段による計算結果と当該計算結果を算出するためにＣＦＤ計算に用いられた複数の入力パラメータとの組合せを組合せデータとし、多数の組合せデータに基づき、補間法又は近似法による応答曲面法を用いて、複数の入力パラメータに対する計算結果を算出するための近似関数を生成する近似関数生成手段と、
複数の入力パラメータを前記近似関数生成手段により生成された近似関数に適用して得られた計算結果を利用して、前記特定空間内における前記所定期間の熱負荷を演算する熱負荷算出手段と、
を備えることを特徴とする熱負荷演算装置。
前記ＣＦＤ計算手段は、前記特定空間の表面温度を複数の入力パラメータとし、入力パラメータを用いてＣＦＤ計算して、前記特定空間の表面部における対流熱伝達率及び前記特定空間と隣接する空間との空気の移流量の少なくとも一方の表面値を計算結果として取得し、
前記熱負荷算出手段は、複数の入力パラメータを前記近似関数生成手段により生成された近似関数に適用して得られた表面値を利用して、前記特定空間内における熱負荷を演算する
ことを特徴とする請求項１に記載の熱負荷演算装置。
前記ＣＦＤ計算手段は、前記特定空間の表面温度に加えて前記特定空間の外部的熱要因及び内部的熱要因の少なくとも１つを複数の入力パラメータとし、入力パラメータを用いてＣＦＤ計算して、前記特定空間における空気の流れが考慮された空間内温湿度を計算結果として取得し、
前記熱負荷算出手段は、複数の入力パラメータを前記近似関数生成手段により生成された近似関数に適用して得られた空間内温湿度を利用して、前記特定空間内における熱負荷を演算する
ことを特徴とする請求項１に記載の熱負荷演算装置。
前記特定空間の表面温度を複数の入力パラメータとし、前記ＣＦＤ計算手段により、複数の入力パラメータを用いてＣＦＤ計算して、前記特定空間の表面部における対流熱伝達率及び前記特定空間と隣接する空間との空気の移流量の少なくとも一方の表面値を計算結果として取得し、前記近似関数生成手段により、前記ＣＦＤ計算手段による計算結果と当該計算結果を算出するためにＣＦＤ計算に用いられた複数の入力パラメータとの組合せを組合せデータとし、多数の組合せデータに基づき、補間法又は近似法による応答曲面法を用いて、複数の入力パラメータに対する計算結果を算出するための近似関数を生成し、前記熱負荷算出手段により、前記近似関数生成手段により生成された近似関数に複数の入力パラメータを適用して得られた計算結果を利用して、前記特定空間内における前記所定期間の熱負荷を演算する第１演算と、前記特定空間の表面温度に加えて前記特定空間の外部的熱要因及び内部的熱要因を複数の入力パラメータとし、前記ＣＦＤ計算手段により、複数の入力パラメータを用いてＣＦＤ計算して、前記特定空間の表面部における対流熱伝達率が考慮された空間内温湿度を計算結果として取得し、前記近似関数生成手段により、前記ＣＦＤ計算手段による計算結果と当該計算結果を算出するためにＣＦＤ計算に用いられた複数の入力パラメータとの組合せを組合せデータとし、多数の組合せデータに基づき、補間法又は近似法による応答曲面法を用いて、複数の入力パラメータに対する計算結果を算出するための近似関数を生成し、前記熱負荷算出手段により、前記近似関数生成手段により生成された近似関数に複数の入力パラメータを適用して得られた計算結果を利用して、前記特定空間内における前記所定期間の熱負荷を演算する第２演算と、のそれぞれで熱負荷の演算に必要となる時間を推定する演算時間推定手段と、
前記第１演算と前記第２演算とのうち、前記演算時間推定手段により推定された演算時間が短い方を選択する選択手段と、をさらに備え、
前記近似関数生成手段は、前記第１演算と前記第２演算とのうち、前記選択手段により選択されて実行された方の前記ＣＦＤ計算手段による計算結果に基づいて、近似関数を生成する
ことを特徴とする請求項１に記載の熱負荷演算装置。
ＣＦＤ計算の計算結果に対する各入力パラメータの影響度を算出する影響度算出手段をさらに備え、
前記ＣＦＤ計算手段は、前記影響度算出手段により算出された影響度が予め定めた設定値以下である入力パラメータを除外してＣＦＤ計算を行う
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の熱負荷演算装置。
建物内における特定空間内の熱負荷を所定期間に亘り演算する熱負荷演算装置であって、
前記特定空間に影響を及ぼす複数の熱条件を複数の入力パラメータとし、当該入力パラメータを用いてＣＦＤ計算して、前記特定空間内における空気の流れが考慮された計算結果を得るＣＦＤ計算手段による計算結果と当該計算結果を算出するためにＣＦＤ計算に用いられた複数の入力パラメータとの組合せを組合せデータとし、多数の組合せデータに基づき、補間法又は近似法による応答曲面法を用いて生成された、複数の入力パラメータに対する計算結果を算出するための近似関数を記憶する記憶手段と、
複数の入力パラメータを前記記憶手段により記憶された近似関数に適用して得られた計算結果を利用して、前記特定空間内における前記所定期間の熱負荷を演算する熱負荷算出手段と、
を備えることを特徴とする熱負荷演算装置。