JP4423825B2 - Structure design support method and program considering human thermal comfort - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、人体温熱快適性を考慮した構造物の設計支援方法およびプログラムに関し、特に構造物(自動車、列車、船舶、航空機、宇宙船または建築物など)に使用される透光板(窓ガラス、アトリウムの外壁として使用されるガラス板、有機樹脂板、または有機樹脂膜など)、および構造物を構成する各部品(壁材、床材など)の熱物性並びに各部品の形状に基づいて、構造物を設計する方法およびプログラムに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から自動車や建築物内の温熱環境は、窓ガラスを透過して入射する日射の影響を受けて大きく変化することが知られている。そのため、このような日射の影響を抑制すべく、各ガラスメーカからは熱線反射ガラス、熱線吸収ガラスおよび複層ガラスなど種々の商品が提供されている。
【0003】
これらのガラスの性能は、文献1(JISハンドブック ガラス(JIS R 3106:1998 板ガラス類の透過率・反射率・放射率・日射熱取得率の試験方法)、1999年4月21日、財団法人 日本規格協会発行)に開示されている日射透過率や日射熱取得率などの断熱性能に基づいて判断されるのが一般的である。ところが、このようなガラス自体の物理的特性のみで断熱特性を評価したのでは、実際に人体が感じる温熱感覚を知ることは困難であり、このような問題を解決すべく人体発熱を考慮したサーマルマネキンを使って人体の部位別(例えば頭部、胸部、腕、脚など)の放熱量などを実測し、温熱感覚を調べることが試みられている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなサーマルマネキンを用いたとしても、車体を構成する各部品(窓ガラス、シートなど)が乗員に与える熱的影響を個々に調べることは容易にできず、従来は窓ガラスを透過した日射、各部品からの放射および対流を総合した影響について調べることができるにすぎなかった。そのため、各部品の寄与を定量的に把握することが難しく、従来においては、車室内の温熱快適性を最適にする各部品の材料(物性)を選択することが困難であった。
【0005】
また、サーマルマネキンを使って各部品の熱的影響について調べることができたとしても、居室内や車室内の温熱環境を評価するために居室や車体の試作機を必要とするため、容易に実施できるものではなかった。
【0006】
本発明は、このような課題を解決するためのものであり、試作機などの実験設備が不要で、かつ容易に実施可能な人体温熱快適性を考慮した構造物の設計支援方法およびプログラムを提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明は、第1、第2、・・・、第n部品(nは2以上の自然数)で構成される構造物で、前記各部品の少なくともいずれか1つが採光のために取り付けられた透光板である人体温熱快適性を考慮した構造物の設計支援方法において、前記各部品と人体との間の空間領域から設計形状を設定してインターフェースを介して入力するステップと前記第1部品に使用される材料の候補、前記第2部品に使用される材料の候補、・・・、前記第n部品に使用される材料の候補をそれぞれ一以上用意し、前記構造物の設計形状に応じた部品をそれぞれ選択してインターフェースを介して入力するステップと外部記憶装置に設けられたデータベースに格納された前記部品毎に用意された材料の候補の物性値を前記入力に従い自動的に読み出すステップと、読み出された前記物性値から前記第1部品に使用される材料の物性値と、前記第2部品に使用される材料の部性値と、・・・、前記第n部品に使用される材料の物性値との組み合わせを自動で演算手段により一以上作成するステップと前記組み合わせのそれぞれについて、前記透光板を透過して前記構造物内の人体に到達する日射量の計算、前記構造物内における対流熱伝達の計算、前記構造物内における放射熱伝達の計算、前記構造物内における湿度の計算および前記人体の体温調節の計算を演算手段により連成して行い、前記人体の皮膚表面からの熱損失量、前記人体の皮膚温、および発汗による前記人体のぬれ率を算出し、前記熱損失量、前記平均皮膚温、および前記ぬれ率を用いて、演算手段により前記人体の温熱感覚を示す温熱指標を算出するステップと、予め温熱指標の最適値をインターフェースより入力するステップと、前記算出結果と前記最適値を比較して前記温熱指標が所定の最適値に最も近い前記物性値の組み合わせを評価手段によって選択するステップと、を有することを特徴とする人体温熱快適性を考慮した構造物の設計支援方法を提供する。
【0008】
また、本発明は、第1、第2、・・・、第n部品(nは2以上の自然数)で構成される構造物で、前記各部品の少なくともいずれか1つが採光のために取り付けられた透光板である人体温熱快適性を考慮した構造物の設計支援方法において、前記各部品と人体との間の空間領域から設計形状を設定してインターフェースを介して入力するステップと前記第1部品に使用される形状の候補、前記第2部品に使用される形状の候補、・・・、前記第n部品に使用される形状の候補をそれぞれ一以上用意し、前記部品毎に用意された形状の候補のデータ(以下、形状データという)をそれぞれ選択してインターフェースを介して入力するステップと外部記憶装置に設けられたデータベースに格納された前記形状データを前記部品毎に前記入力に従い自動的に読み出すステップと読み出された前記形状データから前記第1部品に使用される形状データと、前記第2部品に使用される形状データと、・・・、前記第n部品に使用される形状データとの組み合わせを自動で演算手段により一以上作成するステップと前記組み合わせのそれぞれについて、前記透光板を透過して前記構造物内の人体に到達する日射量の計算、前記構造物内における対流熱伝達の計算、前記構造物内における放射熱伝達の計算、前記構造物内における湿度の計算および前記人体の体温調節の計算を演算手段により連成して行い、前記人体の皮膚表面からの熱損失量、前記人体の皮膚温、および発汗による前記人体のぬれ率を算出し、前記熱損失量、前記平均皮膚温、および前記ぬれ率を用いて、演算手段により前記人体の温熱感覚を示す温熱指標を算出するステップと、予め温熱指標の最適値をインターフェースより入力するステップと、前記算出結果と前記最適値を比較して前記温熱指標が所定の最適値に最も近い前記物性値の組み合わせを評価手段によって選択するステップと、を有することを特徴とする人体温熱快適性を考慮した構造物の設計支援方法を提供する。
【0009】
また、本発明の一態様において、前記温熱指標を算出するステップは、前記構造物内の表面形状を複数の表面要素に分割して構造物形状モデルを作成し、前記構造物内の人体の表面形状を複数の表面要素に分割して人体形状モデルを作成し、前記構造物と前記人体との間の空間領域を複数の立体要素に分割して空間領域モデルを作成するステップと
記人体形状モデルを人体の部位に対応した複数の部位に分類するとともに、前記人体内の産熱と前記人体外への放熱とをバランスさせる体温調節モデルを前記部位毎に組み込むステップと、前記透光板を透過して前記人体形状モデルに到達した日射、前記空間領域における対流、前記人体形状モデルからの放射、および前記構造物形状モデルからの放射によって輸送される熱量を前記空間領域モデルで数値シミュレーションし、このシミュレーション結果に基づいて前記空間領域における温度気流性状を算出するステップと、前記温度気流性状、前記人体形状モデル周辺の湿度、前記人体形状モデルの代謝量および前記人体形状モデルの着衣量に基づいて前記体温調節モデルで数値シミュレーションすることにより、前記人体の皮膚表面からの熱損失量、前記人体の皮膚温、および前記人体のぬれ率を算出するステップと、前記熱損失量、前記平均皮膚温、および前記ぬれ率を用いて、前記人体の温熱感覚を示す温熱指標を算出するステップと、をさらに含む。
【0010】
また、前記透光板は、単板のガラス板、複層ガラス、有機樹脂膜とこの有機樹脂膜を挟む複数のガラス板とで構成された合わせガラス、有機樹脂膜、および有機樹脂板から選ばれるいずれか一つ以上である。
【0011】
また、前記透光板の物性を、日射透過率、日射吸収率、放射率、および熱貫流率の組み合わせによって規定する。
【0012】
また、前記温熱指標は、前記人体の部位を考慮した標準新有効温度、またはこの標準新有効温度を変形して作成した快適性能を示す指標である。
【0013】
また、演算手段により、前記構造物の設計形状から定まる内の人体と前記各部品との間の形態係数を求めるステップと前記形態係数を用いて前記温熱指標を算出するステップをさらに含む
【0014】
また、前記構造物は、空調冷暖房設備、放射冷暖房設備、換気設備、および湿度調整設備から選択される少なくとも1つを有し、前記温熱指標は、外部記憶装置に設けられたデータベースに格納された前記選択された設備のデータを用いて演算手段により算出される。
【0015】
また、構造物内にサーマルマネキンを設置し、このサーマルマネキンに投入した熱量Q、前記サーマルマネキン周りの対流熱伝達量Q、前記サーマルマネキンの放射熱伝達量Qr(net)、および前記サーマルマネキンに到達する日射吸収熱量Q の測定結果に基づいて、対流熱伝達率αci演算手段により算出する。
【0016】
さらに、本発明は、第1、第2、・・・、第n部品(nは2以上の自然数)で構成され、前記各部品の少なくともいずれか1つが採光のために取り付けられた透光板である構造物の設計を支援するためのプログラムであって、上記ステップをコンピュータに実行させるための人体温熱快適性を考慮した建築物の設計支援プログラムを提供する。
【0017】
本発明を用いることにより、計算機シミュレーションのみで構造物を構成する各部品の物性値の組み合わせを導くことができ、構造物内の温熱快適性を容易に向上させることができる。特に人体の部位毎に温熱感覚を評価でき、車室内など不均一な熱環境を有する構造物の最適設計に有効である。
【0018】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の一つの実施の形態について図を用いて説明する。図1は、本発明の一つの実施の形態を示すブロック図である。同図に示す温熱快適性能評価装置10は、ワークステーションなどの計算機システムで構成され、その外部には、HDD(Hard Disk Drive )、光ディスク装置または光磁気ディスク装置などの外部記憶装置21と、キーボードやマウスなどの操作部22と、CRT(Cathode Ray Tube)、液晶ディスプレイまたはPDP(Plasma Display Panel)などの表示装置23とが接続されている。
【0019】
また、温熱快適性能評価装置10は、中央処理部11とRAM(Random Access Memory)やROM(Read Only Memory)などの記憶部12と、入出力インターフェースとして機能するI/F13、14および15と、バス16とを内部に備えている。バス16は温熱快適性能評価装置10内の各部と接続されており、したがって各部はバス16を介してアドレス信号、データ信号および各種の制御信号を送受信する。
【0020】
中央処理部11は演算機能および制御機能を備えたCPU(Central Processing Unit )などの装置であり、数値シミュレーションのプログラムを外部記憶装置21から読み出し、記憶部12を作業領域として実行する。したがって、中央処理部11は数値シミュレーションを実施するための演算部11a、評価部11bおよび選択部11cをハードウェア的にまたはソフトウェア的に実現するものである。
【0021】
また、I/F13には操作部22が接続され、ユーザによる操作はこの操作部22を介して中央処理部11へ送信される。I/F14には種々のデータ(例えば構造物および人体などの形状データ、解析条件に関するデータ、車体を構成する各部品(ボデー、シート、インストルメントパネル(以下、インパネという)、リアパネル(以下、リアパネという)、トーボード、センターコンソールなど)に使用可能な材料(物性値で規定する)、およびガラス品種に関するデータなど)からなるデータベースを記憶保持した外部記憶装置21が接続されている。 外部記憶装置21からのデータの読み出しおよび外部記憶装置21へのデータの書き込みは、中央処理部11の制御によって行われる。I/F15には表示装置23が接続され、この表示装置23には操作部22によって入力された情報や可視化されたシミュレーション結果が表示される。
【0022】
このように温熱快適性能評価装置10は、外部記憶装置21から構造物および人体の数値モデルに関する形状データを読み出し、このデータを使って居室内や車室内の温熱シミュレーションを行う。シミュレーション結果は外部記憶装置21に記憶保持されるとともに、表示装置23に可視化された映像が表示される。したがって、このような映像を参照することにより、建築物や車両に取り付けられた窓ガラスなどの透光板の快適性能を評価できる。例えば車室内における温熱環境の評価は以下のようにして行われる。
【0023】
図2は、車室内の温熱環境を評価する一例を示した部分破断斜視図である。同図は車室(右ハンドル、5人乗りのセダン・タイプ)およびその搭乗者を複数の表面要素で構成した形状モデルを示す。車室内の前方には二つに分離したシートが設置され、後方には3人が着座可能な一体型のシートが設置されている。各シートには合計4人の搭乗者が着座し、そのうちの運転席に着座している搭乗者はハンドルを握った形状を模擬している。
【0024】
また、車室の前部にはフロントガラス、側部にはサイドガラス(前サイドガラスおよび後サイドガラス)、後部にはリアガラスが設置されている(図示せず)。窓ガラスが受けた日射はガラスの物性値(すなわち日射透過率、日射吸収率、放射率、熱貫流率)に応じて減衰してから車室内に入射する。入射した光は車室内の各部品を温めるため、室内温度を上昇させる要因となる。
【0025】
一方、搭乗者と車室内の各部品の表面は複数の表面要素に分割され、搭乗者と車室内の部品との間の空間領域は図示しない複数の立体要素に分割されている。本実施の形態では、双一次形式で表される四辺形の表面要素を用い、六面体の立体要素を用いている。これらの表面要素および立体要素を使うことにより、車室内に入射する日射や放射、および空間領域における温度気流性状についての数値シミュレーションを行う。
【0026】
また、車室内は窓ガラスから入る日射によって熱的に不均一な環境となっている。車室内には図示しない空調冷暖房設備(エアコン)が設置され、空気の吹き出し口/吸い込み口の位置、吹き出し温度、吹き出し/吸い込み風量、吹き出し/吸い込み方向、および空気の絶対湿度(または相対湿度)などを任意に設定することができる。これら空調冷暖房設備に関するデータは、各部品の物性値同様に図1の外部記憶装置21内に登録されている。
【0027】
なお、空調冷暖房設備の他に、放射冷暖房設備、換気設備または湿度調整設備などを任意に設置するようにしてもよい。また、このシミュレーションで使用される解析条件は表1に示すとおりである。車体の所在地およびシミュレーションの日時から太陽の位置を理論的に算出できるため、窓から車室内へ差し込む日射の照射角度を設定できる。
【0028】
【表1】

Figure 0004423825
【0029】
図3は、車体を構成する各部品を示す部分破断斜視図である。同図(a)は車体の前方かつ上方からフロントガラスを見下ろすように眺めており、ボデー上には正面のフロントガラスと両側のサイドガラス(フロント、リア)が設置され、フロントガラスの上方であって車体後方にかけて天井があるとともに、車体の後方にリアガラスが設置されている。また、同図(b)は車体の後方から車室内を眺めた様子を示し、図示しないボデー上に前席および後席のシート、リアパネ、トーボード、インパネ、前パネル、センターコンソール等の各部品が設置されている。
【0030】
図4は、表2に示すタイプI、タイプIIのガラス品種を用いた場合の車室内に入射する直達日射の分布を示す説明図である。同図(a)はタイプIのガラス品種を用いた場合を示し、同図(b)はタイプIIのガラス品種を用いた場合を示す。図中の日射分布強弱は白黒の濃淡で表されている(すなわち、白いほど日射受熱量が多く、黒いほど日射受熱量が少ないことを示す)。運転席の乗員を見てわかるように、車室内に到達する直達日射量はタイプIIの方が少なく、タイプIIの方が断熱性能が優れているといえる。
【0031】
【表2】
Figure 0004423825
【0032】
また、車室を構成する部品は少なくとも透光板を含むn(nは2以上の自然数)個の部品で構成され、各部品に使用される材料の物性値は表2のガラス品種同様に図1の外部記憶装置21に格納されている。部品とその部品に使用可能な物性値は表3(a)に示すようにマトリクス状に表すことができ、例えば部品Pの場合、物性値M00,M10,M20,M30,M40およびM50のいずれかが選択される。
【0033】
すなわち、各部品には、少なくとも一つの物性値M**(=M00,M01,・・・,M10,・・・)が登録されており、各物性値は実際に部品に使用される材料の候補と対応する。例えばインパネであればプラスチック材料の種類、シートであれば繊維や皮革の種類と対応する。また、物性値M**は、日射透過率、日射吸収率、放射率および熱貫流率などから選択される少なくとも一つを含む。
【0034】
したがって、部品毎に物性値M**を選択するとともに、各部品の物性値M**の組み合わせを一以上作成する(表3(b))。そして、各組み合わせについて、人体が感じる温熱指標(後述の65MNSET)を算出し、その結果を比較することにより、表3(c)に示すような最適な温熱快適性を与える物性値の組み合わせを導くことができる。ここでは中立「0」に最も近い結果を最適としている。
【0035】
なお、物性値だけでなく、空調冷暖房設備等に関するデータを考慮して温熱指標を算出すれば、空調冷暖房設備等を備えた構造物の最適設計を行うことができる。この場合も物性値の場合同様に、図1の外部記憶装置21から空調設備に関するデータを読み出し、読み出したデータを加味して温熱指標を算出する。また、各部品の種々の形状データを表3同様に作成することにより、最適な温熱快適性を与える各部品の形状の組み合わせを選択できるようになる。
【0036】
【表3】
Figure 0004423825
【0037】
次に、本発明で新たに提案する、日射を考慮した人体温熱モデルの概要について説明する。図5は、人体温熱モデルを示す説明図である。従来から人体の体温調節モデルは、いくつか提案されている。その中でも代表的なものとして、ギャッギ等による2ノードモデル(文献2(A.P.Gagge,A.P.Fobelets' and L.G.Berglund:A Standard Predictive Index of Human Response to the Thermal Environment,ASHRAE Transactions,Vol.92,pp.709-731,1986.) を参照)や田辺等による65MNモデル(文献3(田辺他、温熱環境評価のための65分割体温調節モデルに関する研究、日本建築学会計画系論文集 第541号、2001年3月))がある。
【0038】
しかしながら、これらは何れも人体形状について考慮されておらず、例えば2ノードモデルにおいてはコア層とそれを取り巻くシェル層からなる球体形状で人体を模擬している。そのため、頭や手足などの部位に当たる日射についてシミュレーションすることはできない。65MNモデルは人体の構成を2ノードモデルよりも詳細に模擬し、すなわち頭、胸、脚など計16部位に分類するとともに、各部位の表面積や重量について規定しているが、各部位の形状については考慮されていない。そのため、この65MNモデルを用いたとしても形状が明らかでないことから、各部位と壁や窓との間の形態係数が算出できず、人体に当たる日射分布を正確に把握することができない。
【0039】
一方、人体形状を考慮したシミュレーションもいくつか提案されているが、人体の温熱感覚を正確にシミュレートするための人体周りの境界条件(日射、熱放射)について十分に検討されていない(文献「新間敦、浅野秀夫、自動車用室内の日射受熱シミュレーション、自動車技術会学術講演会前刷集、pp.161−164、1994年10月」を参照)。
【0040】
したがって、車室内など日射の影響が大きい環境下で、温熱感覚を正確にシミュレートすることは困難である。そこで、本発明においては、人体形状を模擬したモデル(以下、人体形状モデルという)と、人体の体温調節を模擬したモデル(以下、体温調節モデルという)とを組み合わせることにより、上述の問題を解消し、日射の影響が大きい環境においても人体の体温調節機能を正確にシミュレートできるようにした。
【0041】
以上の観点から、図5に示す人体温熱モデル30を人体形状モデル31と体温調節モデル32との組み合わせで構成し、その詳細を図6,7に示す。
【0042】
図6(a)は、図5に記載されている人体形状モデルの各部位の分類を示す正面図であり、図6(b)、(c)はそれぞれ人体形状モデルの詳細(表面要素)を示す正面図および側面図である。
【0043】
図6(a)に示す人体は、ヘッド(頭部)31−1、チェスト(胸部)31−2、バック(背中)31−3、ペルビス(腰)31−4、L−ショルダ(左肩)31−5、R−ショルダ(右肩)31−6、L−アーム(左上腕)31−7、R−アーム(右上腕)31−8、L−ハンド(左手)31−9、R−ハンド(右手)31−10、L−サイ(左大腿)31−11、R−サイ(右大腿)31−12、L−レッグ(左下腿)31−13、R−レッグ(右下腿)31−14、L−フット(左足)31−15、およびR−フット(右足)31−16の16部位に分類されている。
【0044】
各部位は実際の人間のように、皮膚や筋肉などの多層構造からなることを想定しており、図7に示す体温調節モデルが各部位個別に組み込まれている。各部位の表面積および重量は表4に示す従来の65MNモデルのものを採用しているが、表面要素の切り方や人体の姿勢(立った姿勢、座った姿勢など)によっては、若干、表4の値からずれる場合もある。このようなずれが生じた場合の計算方法については後述する。
【0045】
【表4】
Figure 0004423825
【0046】
また、図6(b)、(c)に示すように各部位の表面は、複数の表面要素で分割され、人体に到達する日射量、人体表面から放射される放熱量、および皮膚温等の計算は表面要素毎に行われる。
【0047】
ここで、各部位に組み込まれる体温調節モデルについて説明する。図7は、人体各部位に組み込まれる体温調節モデルを示すブロック図である。同図に示す体温調節モデル32は、人体の組織構造を模擬した多層構造を有し、中央血液だまり33と、16個の部位(第k部位34は、コア層34aと、筋肉層34bと、脂肪層34cと、皮膚層34dと、着衣層34eからなる)とで構成されている。ここで各層間における熱輸送に注目すると以下のとおりである。コア層34a、筋肉層34b、脂肪層34cおよび皮膚層34dは中央血液だまり33と血管で接続され、血流の働きによって各層間で熱輸送が行われる。矢印は各層間を輸送される熱の流れを示す。
【0048】
また、コア層34a、筋肉層34b、脂肪層34cおよび皮膚層34dは互いに密着していることから、熱伝導による熱輸送が行われる。着衣層34eおよび皮膚層34dの間においては、熱伝導による熱輸送が行われるとともに、両層間に空気層が存在する場合もあるためシミュレーションにあたっては対流や放射による熱輸送を考慮する必要がある。
【0049】
また、着衣層34eは外部環境40に曝露していることから、対流および放射による熱輸送が行われる。外部環境40には太陽などの光源(もしくは人為的に設置されたランプの場合もある)41が存在するものと仮定し、光源41による日射(または光線)によって着衣層34eは温められる。着衣層の有無は表面要素単位で設定することができ、本実施の形態ではヘッド31−1、L−ハンド31−9およびR−ハンド31−10では皮膚層が露出し、着衣層は無いものとして計算を行っている。また、光源から照射される光線の波長は、図1の操作部22により設定することができ、設定された値は外部記憶装置21に格納される。
【0050】
次に、窓ガラスの温熱快適性を数値シミュレーションによって評価し、この評価結果に基づいて窓ガラスとして最適なガラス品種、および最適な温熱環境を実現する部品の組み合わせを選択する手順について説明する。
【0051】
図8は、ガラス品種および各部品の物性値の選択手順について示したフローチャートである。まず、予め用意しておいた車体形状を示すCAD(Computer Aided Design)データおよび車室の内壁面を構成する複数の表面要素、人体形状を示すCADデータおよび人体の表面形状を示す複数の表面要素、車室を構成する各部品と人体との間の空間領域を分割する複数の立体要素、並びに窓ガラスに使用可能なガラス品種の候補(本実施の形態では表2に示したタイプI,IIを用いる)を図1の外部記憶装置21に格納する(ステップ101,102)。また、表3に示したような各部品の物性値を外部記憶装置21に格納する(ステップ103)。
【0052】
次いで、図1の演算部11aおよび評価部11bは、外部記憶装置21に格納されているガラス品種および物性値のデータを読み出すとともに、これらのデータの組み合わせを作成し、組み合わせ毎に、窓ガラスを透過する日射の計算と人体の体温調節モデルの計算と車室内の熱移動計算(すなわち対流計算、放射計算、湿度計算など)とを連成して行い、人体が感じる温熱感覚を数値シミュレーションする(ステップ104)。なお、後述の図14に示す形態係数に応じて物性値を変え、シミュレーションしてもよい。
【0053】
その後、シミュレーションが完了する毎に全ての組み合わせについて温熱指標を算出したかどうかを判定し(ステップ105)、算出していないようであればステップ104に戻る。全てのガラス品種および各部品の物性値の組み合わせについて算出した後、図1の選択部11cは各々のシミュレーション結果を比較し、最も良い結果となるガラス品種および各部品の物性値の組み合わせを選択する。その結果、例えば表3(b)に示すような物性値の組み合わせが選択される。 ここで組み合わせの選択方法としては、中間期においては温熱指標が中立となるものを選択し、夏においては若干涼しくなるものを選択し、冬においては若干暖かくなるものを選択するなどが考えられるが、どのような結果を最適と判断するかはシミュレーションの実行者によって適宜決定される。したがって、予め最適値を設定しておき、この最適値に最も近いものを選択することが一つの方法として考えられる。
【0054】
また、温熱指標の優れたガラスをいくつかピックアップした後、それらの中で可視域の光線を最もよく通すものを選択すれば、温熱性能および透光性能の両方が優れたガラスを選択することができる。なお、各窓に使用するガラス品種の組み合わせは表2に示すものに限られず任意に設定できる。
【0055】
ここで、温熱感覚の数値シミュレーションについて、図9〜13を参照して詳細に説明する。
図9は、ステップ104の詳細を示すフローチャートである。本実施の形態では温熱感覚を示す指標の一つとして65MNSETを用いる(ステップ201)。65MNSETは体温調節モデルに上述の65MNモデルを使ったSET(標準新有効温度)(上記文献2を参照)である。2ノードモデルを用いた従来のSETは、ギャッギ等によって提案された温熱指標であり、簡単に定義すると「温熱感覚および放熱量が実在環境におけるものと同等になるような相対湿度50%の標準環境の気温」といえる。
【0056】
また、本実施の形態では、65MNSETを使って算出されるTSVを用いる(ステップ202)。TSV(文献4(社団法人 自動車技術会 学術講演会前刷集 No.33−99)を参照)は、実際に人体が感じる温熱感覚とを対応づけた指標であり、本実施の形態では表5に示す変換式に基づいて算出している。
【0057】
温熱感覚は季節や地域による差異があることから、表5には日本(夏季)、日本(秋季)、米国、デンマークおよびシンガポールにおける回帰式を示す。このようなTSVと人体が感じる温熱感覚との対応は表6に示すとおりであり、「0」が中立、「1」が少し暖かい、「2」が暖かい、「3」が暑い、「−1」が少し涼しい、「−2」が涼しい、「−3」が寒いといった7段階で表記される。なお、回帰式の隣に人体の温熱感申告が中立となる温度(中立温度)を併記している。
【0058】
【表5】
Figure 0004423825
【0059】
【表6】
Figure 0004423825
【0060】
図10は、ステップ201の詳細を示すフローチャートである。まず、計算の準備作業としてステップ301からステップ304までを実施する。車室内および人体の表面形状を複数の表面要素に分割するとともに、車室の内壁と人体との間の空間形状を複数の立体要素に分割する(ステップ301)。次いで、人体および居室の壁の全ての表面要素について形態係数を算出する(ステップ302)。形態係数は表面要素間での放射熱交換を決定づける無次元数のパラメータである。
【0061】
次いで、各表面要素に対して熱貫流率、放射率、日射吸収率および日射透過率などの熱的条件を割り当ててから(ステップ303)、人体の着衣量、車体の所在地(すなわち緯度、経度)、解析日時など表1に示した解析条件を設定する(ステップ304)。この解析条件は図1の操作部22により入力され、入力されたデータは外部記憶装置21に格納される。
【0062】
次いで、上記設定された緯度、経度および季節に基づいて、車体を基準とした太陽の方位角および仰角を算出し、車体が受ける日射の照射角度を演算部11aにより算出する。そこで、この照射角度と窓ガラスの物性値(表2)とに基づいて、人体に直接到達する各種日射量(直達日射量、天空日射量、地面反射日射量または内部拡散日射量の何れか一つ、またはこれらの任意の組み合わせ)を算出し(ステップ305)、この算出結果と着衣表面または皮膚表面の吸収率とに応じて日射吸収熱量を算出する。
【0063】
なお、文献1に記載されているように、日射には0.3〜2.5μmの波長域の光線が含まれるため、日射量の計算にあたっては波長域を考慮する必要がある。例えば0.3〜2.5μmの全波長域に渡って計算を行ってもよいし、任意に波長を選択して波長別に計算してもよい。その後、構造物内の熱移動計算と体温調節反応の計算との連成等を行った後(ステップ305〜308)、65MNSET を算出する(ステップ309)。
【0064】
ここで、日射解析の詳細について説明する。透光板で構成される空間は透過日射の影響を強く受けるため、人体快適性の予測精度は、熱源となる日射の熱取得分布がいかに正確に予測されるかに強く依存する。日射解析は温度気流解析と連成して行う必要はなく独立して行うことができ、上述したとおり人体表面および空間内外壁表面に到達する直達日射、天空日射、地面による反射日射、さらに到達日射の内部での相互反射日射を計算し、温度気流連成解析のための人体表面および壁表面での日射取得熱量を算出する(図11)。
【0065】
解析手順は次のとおりであり、まず建物所在位置、計算対象時刻を入力することにより太陽の位置を算出し、これを基に法線面直達日射量Idn、および水平面天空日射量Iskyを経験式により推定する。この法線面直達日射量、水平面天空日射量を基に、透光板の日射透過率t、反射率ρなどの壁体熱性能値、空間の構造部品、庇などの日射遮蔽物の幾何学形状を考慮して、各種到達日射量を算出する。
【0066】
人体表面に到達する日射量の算出方法は次のとおりである。
1)直達日射量の算出:人体の表面要素iに到達する直達日射量Idiは、法線面直達日射量Idn、途中交差する日射が透過する壁体(透光板)の各々の日射透過率tにより、式(1)で計算される。
【0067】
【数1】
Figure 0004423825
【0068】
なお、透光板の日射透過率、反射率には図12に示す入射角度特性がある。すなわち、透光板に対する入射角度が大きくなると反射成分が増大し、透光板の日射透過率が減少する。これを考慮しないと入射熱量に誤差が生じる。
【0069】
2)天空日射量の算出:人体表面要素iに到達する天空日射量Isiを水平面天空日射量Iskyおよび日射が透過する壁面(透光板)を見込む形態係数によって計算する。
【0070】
【数2】
Figure 0004423825
【0071】
ここに、Fijは表面要素i,j間の形態係数、βijは到達する日射が天空日射であるか否かを判定するフラグである。0.91は天空日射に対する透光板(ガラス)の日射透過率の入射角度特性を考慮した係数である。
【0072】
3)地面反射量の計算:地面による反射量は、地面の形状、反射率、指向性などの影響を受けるため、正確に算出することは難しい。本実施例では、天空日射量の算出方法と同様に、人体各表面要素に到達する地面反射日射量Igiを水平面全天日射量Iholと地面のアルベド(日射エネルギーの反射率)ρを用いて算出する。
【0073】
【数3】
Figure 0004423825
【0074】
ここに、γijは到達する日射が地面による反射であるか否かを判定するフラグ、hは太陽高度である。
【0075】
4)相互反射量の計算:人体表面要素に到達した日射は、人体表面の反射率に応じて相互反射が生じる。反射には拡散反射と鏡面反射、および両者を複合したものがある。本実施例では計算を単純化するため完全拡散を仮定する。この条件下で相互反射量は表面要素間の形態係数を用いるラジオシティ法により算出できる。
【0076】
【数4】
Figure 0004423825
【0077】
5)人体表面における日射吸収熱量の算出方法:人体表面要素毎に計算された直達日射量、天空日射量、地面反射量、相互拡散反射量をすべて人体表面における日射吸収熱量に換算する。人体表面における日射吸収熱量への換算方法は、それぞれ到達する日射熱量に人体表面要素iの日射吸収率aを乗じて算出する。
【0078】
【数5】
Figure 0004423825
【0079】
これを表6に示す壁面熱収支式の日射吸収熱量(人体表面発熱量)として扱うことにより、温度と気流との連成解析に取り込むことが可能となる。また、温度気流連成解析終了時には、人体表面発熱量と人体周辺空気温度に応じた対流熱伝達量、人体表面放射率に応じた放射熱伝達量、着衣内の総合熱伝達量と平衡することになる。
【0080】
次いで、人体と壁との間の空間領域における気温、流速および乱流などの空間物理量をCFD(Computational Fluid Dynamics)技術を利用して算出する(ステップ306)。すなわち、人体および壁の表面において各種の境界条件を設定し、上述の立体要素毎に空間領域における対流(自然対流および強制対流を含む)を数値シミュレーションして流速、圧力を算出する。
【0081】
熱的境界条件は予め図1の外部記憶装置21に記憶されている、室内部品表面および室外部品表面における日射に関する熱物性値(日射吸収率、日射透過率)、室内部品表面における熱放射に関する熱物性値(放射率)、部品同士の間の熱コンダクタンス、室外側の参照温度、および室内側壁表面の対流熱伝達率を読み出して利用する。
【0082】
CFDの具体的手法としては、例えば有限要素法、有限体積法または差分法等によるナビエ−ストークス方程式の数値解析を行い、特に本実施の形態では非等温場における標準k−εモデルを用いる。次いで、図7に示した体温調節モデルを利用して人体の体温調節反応を計算し(ステップ307)、人体の各表面要素における皮膚温が所定値に収束するまでステップ306および307を反復計算し、ステップ309で65MNSETを算出する。
【0083】
なお、CFD、放射および体温調節モデルの連成は表7に示す熱収支式を解くことにより求める。すなわち、車室の壁面で対流熱伝達量、放射熱伝達量、日射吸収熱量および室外側熱伝達量からなる熱収支式を解き、着衣表面で、1)対流場から放射場への接続、2)体温調節モデルの収束計算、3)放射場から対流場への接続について計算する。1)においては着衣表面温度Tおよび放射熱伝達量Qri(net)を求め、2)においては体温調節モデルの計算を行って着衣表面温度Tおよび皮膚温Trefを求め、3)においては室内側参照温度Tinおよび着衣表面温度Tを求める。
【0084】
【表7】
Figure 0004423825
【0085】
ここで2)における体温調節モデルの計算の詳細について述べると、表8に示すとおりである。各層毎に熱平衡式を設定し、これらの式を人体の全ての表面要素で計算する。
【0086】
【表8】
Figure 0004423825
【0087】
各熱平衡式は主に表9に示す4つの物理量(すなわち産熱量、血流による熱輸送量、伝導熱量、および発汗による放熱量)から成り立っている。1.に示すように、産熱量は各部位の基礎代謝量と外部仕事による熱産生量とふるえ産熱量の和で表される。また2.に示すように、血流による熱輸送量は、血液の対向流熱交換率と血液の体積比熱と血流量と、第k部位第j層と中央血液だまりの温度差との積で表される。また3.に示すように、伝導熱量は隣接する層との間の熱コンダクタンスと、第k部位第j層と第k部位第j+1層の温度差との積で表される。また4.に示すように、発汗による放熱量は各部位の皮膚層(第4層)でのみ発生し、不感蒸泄による熱損失量と発汗による蒸発熱損失量との和で表される。
【0088】
【表9】
Figure 0004423825
【0089】
以上のように一連の計算を図1の演算部11aで行ってから、ステップ309におけるSET を算出する。図13は、ステップ309の詳細を示すフローチャートである。まず、人体の部位別の物理量および生理量から、1)皮膚表面からの熱損失量、2)平均皮膚温、3)発汗による全身のぬれ率を算出する(ステップ401)。
【0090】
なお、図13のフローでは全身における65MNSETを算出するが、人体の表面要素毎または部位毎に算出するようにしても良い。その場合、人体の表面要素毎または部位毎に熱損失量、皮膚温およびぬれ率を求める。このように表面要素毎に皮膚温を算出することにより、各部位内における皮膚温分布を詳細にシミュレートでき、正確な温熱感覚を算出できる。これらのシミュレーション結果は、図1の評価部11bの制御によりグラフや表、静止画(皮膚温分布図など)、アニメーションなどに加工されてから表示装置23に表示される。シミュレーションの実行者はこの表示に基づいて透光板の温熱快適性能を判断することができる。
【0091】
一方、オリジナルの65MNモデルと図2の人体形状モデルの各部位における面積が一致しない場合、表10に示すように(第k部位の表面積/表3の65MNモデルの第k部位の表面積)1.5を使って物理量や生理量を補正して配分すると効果的である。これは各部位における単位体積あたりの物理量が変化しないように行ったものであり、面積が長さの2乗のオーダ、体積が長さの3乗のオーダであることから、(第k部位の表面積/表4の65MNモデルの第k部位の表面積)の3/2(=1.5)乗で配分した。
【0092】
なお、表10の上段から3、4、5段目に記載の記号(Err1,1,Cld1,1,Wrm1,1,Clds,Wrms )は体温調節の制御信号を示し、その詳細は表11に示すとおりである。
【0093】
体温調節は皮膚に無数に分布する温受容器および冷受容器で人体の周辺温度を検出し、暑いと感じれば発汗を促すための信号を発信し、発汗や血流量の増加を制御する。寒いと感じればふるえ産熱を促すための信号を発信し、産熱量の増加を制御する。すなわち、〔1〕に示すようにエラー信号(第i表面要素第j層の温度とセットポイント温度との差を示し、セットポイント温度は体温調節機能が生じない(発汗およびふるえ産熱が「0」、血流量が基礎血流量となる)状態における温度を示す)が正値である場合に、ウォーム信号にエラー信号を代入するとともに、コールド信号に「0」を代入する。それとは反対にエラー信号が負値の場合、コールド信号にエラー信号の符号を反転させた値を代入し、ウォーム信号に「0」を代入する。
【0094】
このようにして各部位各層におけるウォーム信号およびコールド信号を求め、求めた信号に部位別の重み係数を掛けてから和を求めることにより、人体全身における統合信号を求める。そして、〔2〕、〔3〕に示すように、求められた統合信号に各種の係数(発汗についての各部位の皮膚層の全身に対する分布係数、発汗制御係数、イフェクター動作量、ふるえ制御係数、ふるえ熱産生についての各部位の筋肉層の全身に対する分布係数)を掛けて重み付けを行い、発汗による蒸発熱損失量を算出する。
【0095】
【表10】
Figure 0004423825
【0096】
【表11】
Figure 0004423825
【0097】
最後に、ステップ402に示す式を解くことにより65MNSETを算出することができる。
【0098】
次に、シミュレーション結果について説明する。図14は、運転席の乗員から見た各部品に対する形態係数を示すグラフであり、横軸は各部品の名称を示し、縦軸は形態係数を示す。同図から明らかなように、シートに対する値が最も大きく、次いでボデー、天井、フロントガラス、前サイドガラス、センターコンソール、床、トーボード、インパネ、後サイドガラス、その他の乗員の人体、リアガラス、リアパネルの順になっている。
【0099】
図15は、運転席の乗員の平均放射温度に対する各部品の寄与度を示すグラフであり、横軸は部品の名称を示し、縦軸は平均放射温度に対する各部品の寄与度を示す。同図から明らかなように、タイプI,IIによって寄与度は若干異なる。寄与度の大きさは図14で説明した形態係数と同じ順番で変化している。
【0100】
図16は、室温を基準とした各部品の熱放射による加熱・冷却効果の累積値を示すグラフであり、横軸は各部品の名称を示し、縦軸は各部品の放射温度と室温との差の累積値を示す。同図に示すように、タイプIIの方がタイプIよりも累積値が低く抑えられ、タイプIIはガラスの効果によってタイプIよりも平均空気温が1.2(=26.6−25.4)℃低い。
【0101】
一方、車室内に空調設備を設けると、次に示すような違いが生じた。図17は、空調吹き出し温度を基準とした空気温度に対する各部品による昇温を示すグラフであり、横軸は各部品の名称を示し、縦軸は空気温度に対する各部品による昇温を示す。簡単のため室内空気は完全に混合されているものと仮定した。室温の昇温に最も寄与が高いのはシートであることがわかる。タイプIIにおける昇温は、リアガラス、前サイドガラスおよび後サイドガラスを除いて、タイプIのものより低い。
【0102】
表12は、シートが運転席の乗員の温熱感覚に与える影響を示す表であり、シートの物性値に違いを設けたケース1〜3について、平均室温、発汗による人体のぬれ率、平均皮膚温、SETおよびTSVを記載している。ガラス品種としては表2のタイプIを用いている。
【0103】
ケース1では標準的なシートを使用し、ケース2ではケース1におけるシートの日射吸収率を「0.1」にし、ケース3ではケース1におけるシートの日射吸収率および放射率をそれぞれ「0.1」にしている。ケース2では、日射吸収率を下げたことにより、ケース1よりもTSVが約0.4(=1.2−0.8)ランク下がっている。また、ケース3では、ケース2よりもTSVが約0.2(=0.8−0.6)ランク下がり、ケース1よりも約0.6(=1.2−0.6)ランク下がっていることがわかる。したがって、各部品の物性値の違いによって温熱指標は大きく変化し、人体が感じる温熱感覚は異なったものとなる。
【0104】
【表12】
Figure 0004423825
【0105】
ここで、上記計算(表7、表8)に利用した対流熱伝達率αciについて説明する。この対流熱伝達率αciは、既往の文献「市原真希、齋藤正文、西村美加、田辺新一、サーマルマネキンを用いた立位・座位人体各部位の放射・対流熱伝達率の測定、日本建築学会計画系論文集 第501号、pp45−51、1997年11月」に開示されているように、近似式αci=Av(文献ではhci=αvβ(vは気流速、A,B,α,βは定数を示す))を用いることにより、求めることができる。
【0106】
しかし、空調よりも日射の影響が支配的な環境下では、このような近似式を適用することが困難となる場合がある。そのため、このような環境下では、サーマルマネキン等を用いた測定によって対流熱伝達率αciを求めるとよく、その求め方について説明する。
【0107】
なお、サーマルマネキン(文献「田辺新一、長谷部ヤエ、皮膚温度可変型サーマルマネキンによる室内環境評価法に関する研究、日本建築学会計画系論文報告集 第448号、1993年6月」を参照)は、人体形状を模擬したダミー人形であり、各部位には人体の発熱機能を実現するための電気ヒータと熱電対とが組み込まれている。
【0108】
電気ヒータおよび熱電対は、外部に設置されたPC(パーソナルコンピュータ)に接続され、このPCの制御によって発熱、温度測定、および測定された温度に基づく発熱量の制御が行われる。また、以下では簡単のため、実験用アトリウムを使用した例について説明するが、自動車等の構造物においても同様の実験を行うことができる。サーマルマネキンの代わりに、人体に熱流計を適宜貼付するなどの工夫をすることにより、同様の実験を行うことができる。
【0109】
図18、19は、上面、前面および側面がガラス板に囲まれた実験用アトリウムを示す。アトリウムの大きさは例えば図示するとおりであり、室内には籐製の椅子が設置され、椅子の上にはサーマルマネキンが着座している。サーマルマネキンの足は、断熱のため押出ポリスチレンフォーム板に載せられている。また、図19に示すように、北壁には3カ所の空調吹出口が設けられ、この吹出口を介して、図示しない空調装置による温度調節された気流が、室内に送風される。参照空気温度Tは、図19に示す測定位置に設置(本実施の形態では、高さ方向に0.1m毎に設置している)された複数の熱電対によって測定される。壁表面温度は、壁面に設置された熱電対によって測定される。
【0110】
ここで、サーマルマネキンの表面では、定常状態の場合、式Q+Q+Qr(net)+Q=0を満たすことが明らかであるため(Qはサーマルマネキンへの投入熱量(人体の発熱量に相当)、Qは対流熱伝達量、Qr(net)は放射吸収熱量(netは放射の正味を意味する)、Qは日射吸収熱量を示す)、サーマルマネキンをアトリウム内に設置し、投入熱量、参照空気温度および壁表面温度を測定し、これらの値を上記熱平衡式に代入することにより、対流熱伝達率αciを求める。
【0111】
(1.サーマルマネキンへの投入熱量Q
この熱量は人体の発熱量に相当するが、サーマルマネキンの各部位に内蔵されている電気ヒータを、設置された環境に応じて、PCの制御により発熱させる。すなわち、熱的中立状態における人体の皮膚温と顕熱放熱量との関係により投入熱量Qを各部位で独立に制御する。
【0112】
(2.対流熱伝達量Q
対流熱伝達量Qは、Q=αci(T−Tsk)と表される。ここで、サーマルマネキンの各部位の皮膚温Tsk、同じく参照空気温度Tは測定されるため既知となる。
【0113】
(3.放射熱伝達量Qr(net)の算出)
サーマルマネキンと壁表面間の形態係数および測定された皮膚温、壁表面温度および放射率を既知として与え、ラジオシティ法により放射熱伝達量Qr(net)を算出する。
【0114】
(4.日射吸収熱量Q
図18の実験用アトリウムの外に日射計を設置(周辺建物の影響を受けないように例えば上面ガラスの上方に設置するとよい)して、水平面全天日射量を測定し、この水平面全天日射量を直散分離することにより、サーマルマネキンの表面に到達する直達日射量、天空日射量、地面反射日射量、内部拡散反射日射量を算出する。算出した各日射量に基づいて、サーマルマネキンの日射吸収熱量Qを算出する。
【0115】
以上においては、透光板としてガラス板の例にあげて説明したが、本発明の適用はこれに限られるものでなく、例えば有機樹脂板(ポリカーボネート板、アクリル板など)、ビニルハウスなどに用いられる有機樹脂膜にも適用できることは明らかである。また、人体の標準新有効温度としては、65MNSET よりもさらに各部位の影響を詳細に評価して計算した標準有効温度を用いるなどしてもよい。
【0116】
また、以上では定常状態のシミュレーションについて説明したが、上記一連の手続を一定の時間ステップ毎に適用することにより、非定常状態のシミュレーションを実施できることは明らかである。例えば自動車に用いられるガラスの温熱快適性を評価するのであれば、時間ステップを数秒から数分程度とし、数分から数十分(もしくは数時間)程度にわたって計算することが考えられる。
【0117】
また、本発明でいうところの透光板は、単板のガラス板、複層ガラス、有機樹脂膜(ポリビニルブチラールなど)とこの有機樹脂膜を挟む複数のガラス板とで構成された合わせガラス、有機樹脂膜、または有機樹脂板など構造物に採光のため取り付けられる部品全般を指し、完全な透明性を要するものではない。例えば熱線を吸収するために鉄やコバルトなどを添加して着色したり、熱線を反射させるため薄い金属膜をコーティングしたりしていても構わない。
【0118】
また、透光板の形状は一般的に平板や曲板を想定しているが、採光としての機能を有するのであればその他の形状であっても構わない。また、以上では簡単のため、空間領域における湿度を一定と仮定したが、上述の立体要素毎に湿度を解析するようにしてもよいことは明らかである。また、簡単のため温度気流性状が空間領域で一定としてシミュレーションしてもよい。
【0119】
さらに、図2に示す車体の外観形状およびこの車体の周辺環境を考慮し、シミュレーションを行ってもよい。このようにすれば、日射によって暖まった外壁の温度が車室内の壁に伝導し、それによって生じる放射を考慮したシミュレーションを行うことができる。
【0120】
【発明の効果】
以上説明したとおり本発明は、居室や車室内の人体の快適性を示す温熱指標を数値シミュレーションによって求めることにより、最適な温熱快適性を実現する各部品の物性値を知ることができる。また、表面要素単位で皮膚温を算出し、人体の部位毎に温熱指標を算出することにより、車室内などの熱的に不均一な環境での構造物の最適設計を実現できる。
【0121】
また、透光板の温熱快適性能評価を数値シミュレーションのみで実施でき、建築物や車体などの試作品を作る手間を省くことができる。すなわち、日射吸収率や放射率等のパラメータ値を変更するという簡単な操作だけで、様々な窓ガラスのバリエーションについて評価を行うことができる。また、試作機を作る必要がないことから、従来よりも短時間かつ低コストで上記透光板の評価を実施できる。
【0122】
また、本発明は、居室や車室形状に応じて最も優れた温熱快適性能を提供する透光板の素材開発に利用することもできる。さらに、温熱指標という客観的な指標で透明板の温熱快適性能を表すため、建築メーカ、車体メーカ、空調メーカ、材料メーカおよび一般ユーザに対して、透光板の温熱快適性能をわかりやすく説明でき、またインターネットなどのネットワーク経由で、上記シミュレーションのプログラムを提供したり上記シミュレーションを実行したりすることにより、構造物の設計支援のための新たなサービスを提供できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一つの実施の形態(温熱快適性能評価装置)を示すブロック図である。
【図2】窓ガラスの温熱快適性能を評価するための数値モデルを示す部分破断斜視図である
【図3】(a)車体を構成する各部品(前方から眺めた様子)、(b)車体を構成する各部品(後方から眺めた様子)を示す部分破断斜視図である。
【図4】(a)タイプI、(b)タイプIIにおける直達日射の様子を示す部分破断斜視図である。
【図5】人体温熱モデルを示す説明図である。
【図6】(a)人体形状モデルの各部位の分類を示す正面図、(b)人体形状モデルの詳細(表面要素の構成)を示す正面図、および(c)人体形状モデルの詳細(表面要素の構成)を示す側面図である。
【図7】体温調節モデルを示すブロック図である。
【図8】窓ガラスおよび各部品の選択手順(メインルーチン)を示すフローチャートである。
【図9】ステップ104の詳細を示すフローチャートである。
【図10】ステップ201の詳細を示すフローチャートである。
【図11】各種の日射を示す説明図である。
【図12】入射角度と、透過率および反射率との関係を示すグラフである。
【図13】ステップ309の詳細を示すフローチャートである。
【図14】運転席の乗員から見た各部品に対する形態係数を示すグラフである。
【図15】運転席の乗員の平均放射温度に対する各部品の寄与度を示すグラフである。
【図16】室温を基準とした各部品の熱放射による加熱・冷却効果の累積値を示すグラフである。
【図17】空調吹き出し温度を基準とした空気温度に対する各部品による昇温を示すグラフである。
【図18】実験用アトリウムを示す部分透視斜視図および断面図である。
【図19】図18の実験用アトリウム内の配置を示す平面図である。
【符号の説明】
10:温熱快適性能評価装置
11:中央処理部
11a:演算部
11b:評価部
11c:選択部
12:記憶部
13、14、15:インターフェース(I/F)
16:バス
21:外部記憶装置
22:操作部
23:表示装置
30:人体温熱モデル
31:人体形状モデル
31−1:ヘッド
31−2:チェスト
31−3:バック
31−4:ペルビス
31−5:L−ショルダ
31−6:R−ショルダ
31−7:L−アーム
31−8:R−アーム
31−9:L−ハンド
31−10:R−ハンド
31−11:L−サイ
31−12:R−サイ
31−13:L−レッグ
31−14:R−レッグ
31−15:L−フット
31−16:R−フット
32:体温調節モデル
33:中央血液だまり
34:第k部位
34a:コア層
34b:筋肉層
34c:脂肪層
34d:皮膚層
34e:着衣層
40:外部環境
41:光源[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a structure design support method and program in consideration of human thermal comfort, and in particular, a translucent plate (window glass) used for a structure (automobile, train, ship, aircraft, spacecraft, or building). , Based on the thermal properties of each component (wall material, flooring, etc.) and the shape of each component, which are used as the outer wall of the atrium, etc. The present invention relates to a method and program for designing a structure.
[0002]
[Prior art]
  Conventionally, it has been known that the thermal environment in automobiles and buildings changes greatly due to the influence of solar radiation that is transmitted through a window glass and incident. Therefore, various products such as heat ray reflecting glass, heat ray absorbing glass, and multilayer glass are provided from glass makers in order to suppress the influence of such solar radiation.
[0003]
  The performance of these glasses is described in Reference 1 (JIS Handbook Glass (JIS R 3106: 1998 Test method for transmittance, reflectance, emissivity, and solar heat gain of plate glass), April 21, 1999, Japan In general, it is determined based on heat insulation performance such as solar transmittance and solar heat acquisition rate disclosed in the Standards Association). However, it is difficult to know the thermal sensation that the human body actually feels by evaluating the thermal insulation characteristics based only on the physical characteristics of such glass itself, and in order to solve such problems, Attempts have been made to measure the thermal sensation by actually measuring the amount of heat radiated for each part of the human body (eg, head, chest, arms, legs, etc.) using a mannequin.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
  However, even if such a thermal mannequin is used, it is not easy to individually examine the thermal effects that each component (window glass, seat, etc.) constituting the vehicle body has on the occupant. It was only possible to investigate the combined effects of solar radiation, radiation from each part and convection. Therefore, it is difficult to quantitatively grasp the contribution of each component, and conventionally, it has been difficult to select the material (physical properties) of each component that optimizes the thermal comfort in the passenger compartment.
[0005]
  Even if the thermal effect of each part can be investigated using a thermal mannequin, it is easy to carry out because it requires a prototype of the room or body to evaluate the thermal environment in the room or vehicle interior. It wasn't possible.
[0006]
  The present invention is intended to solve such problems, and provides a design support method and program for a structure that takes into account human thermal comfort that can be easily implemented without requiring experimental equipment such as a prototype. The purpose is to do.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve such an object, the present invention is composed of first, second,..., N-th parts (n is a natural number of 2 or more).With a structure, And at least one of the components is a translucent plate attached for daylighting.Considering human thermal comfortIn the structure design support method,Setting a design shape from a space area between each of the parts and the human body and inputting the design shape via an interface;Prepare one or more candidate materials used for the first part, candidate materials used for the second part, ..., one or more candidate materials used for the nth part,Each of the parts corresponding to the design shape of the structure is selected and input via an interface and stored in a database provided in the external storage devicePhysical property values of candidate materials prepared for each partAutomatically read according to the inputSteps,From the physical property values read outA combination of a physical property value of the material used for the first part, a partial property value of the material used for the second part, ..., a physical property value of the material used for the nth partAutomatically by computing meansCreate one or moreSteps to do,SaidFor each combination, calculation of the amount of solar radiation that passes through the transparent plate and reaches the human body in the structure, calculation of convective heat transfer in the structure, calculation of radiant heat transfer in the structure, Calculation of humidity in the structure and calculation of body temperature regulation of the human bodyBy computing meansThe heat loss amount from the skin surface of the human body, the skin temperature of the human body, and the wet rate of the human body due to sweating are calculated, and the heat loss amount, the average skin temperature, and the wet rate are calculated. make use of,By computing meansCalculating a thermal index indicating the thermal sensation of the human body;The step of inputting the optimum value of the thermal index in advance from the interface, and comparing the calculation result with the optimum valueThe combination of the physical property values where the thermal index is closest to a predetermined optimum valueBy means of evaluationAnd a step of selecting. A structure design support method considering human thermal comfort is provided.
[0008]
  Further, the present invention is composed of first, second,..., N-th parts (n is a natural number of 2 or more).With a structure, And at least one of the components is a translucent plate attached for daylighting.Considering human thermal comfortIn the structure design support method,Setting a design shape from a space area between each of the parts and the human body and inputting the design shape via an interface;One or more shape candidates used for the first part, one shape candidate used for the second part,..., One or more shape candidates used for the n-th part are prepared. Prepared candidate shape data (hereinafter referred to as shape data)Each step to select and input via the interface and stored in the database provided in the external storage deviceThe shape data for each partAutomatically reading according to the input;,From the read shape dataA combination of shape data used for the first part, shape data used for the second part,..., Shape data used for the nth part.Automatically by calculation meansCreate one or moreSteps to do,SaidFor each combination, calculation of the amount of solar radiation that passes through the transparent plate and reaches the human body in the structure, calculation of convective heat transfer in the structure, calculation of radiant heat transfer in the structure, Calculation of humidity in the structure and calculation of body temperature regulation of the human bodyBy computing meansThe heat loss amount from the skin surface of the human body, the skin temperature of the human body, and the wet rate of the human body due to sweating are calculated, and the heat loss amount, the average skin temperature, and the wet rate are calculated. make use of,By computing meansCalculating a thermal index indicating the thermal sensation of the human body;The step of inputting the optimum value of the thermal index in advance from the interface, and comparing the calculation result with the optimum valueThe combination of the physical property values where the thermal index is closest to a predetermined optimum valueBy means of evaluationAnd a step of selecting. A structure design support method considering human thermal comfort is provided.
[0009]
  In one embodiment of the present invention,Calculate thermal indexStepBeforeThe surface shape in the structure is divided into a plurality of surface elements to create a structure shape model, the surface shape of the human body in the structure is divided into a plurality of surface elements to create a human body shape model, Creating a spatial domain model by dividing a spatial domain between a structure and the human body into a plurality of solid elements;,
in frontClassifying the human body shape model into a plurality of parts corresponding to the parts of the human body, and incorporating a body temperature regulation model for balancing the heat production in the human body and the heat radiation to the outside of the human body for each part; and,in frontThe amount of heat transported by solar radiation that has passed through the translucent plate and reached the human body shape model, convection in the space region, radiation from the human body shape model, and radiation from the structure shape model And a step of calculating a temperature air flow property in the space region based on the simulation result,in frontThe heat from the skin surface of the human body by performing a numerical simulation with the thermoregulatory model based on the temperature airflow property, the humidity around the human body model, the metabolic rate of the human body model, and the amount of clothes of the human body model Calculating a loss amount, a skin temperature of the human body, and a wetting rate of the human body;,in frontCalculating a thermal index indicating a thermal sensation of the human body using the heat loss amount, the average skin temperature, and the wetting rate;furtherIncluding.
[0010]
  The translucent plate is selected from a single glass plate, a multi-layer glass, a laminated glass composed of an organic resin film and a plurality of glass plates sandwiching the organic resin film, an organic resin film, and an organic resin plate. Any one or more.
[0011]
  Moreover, the physical property of the said translucent board is prescribed | regulated by the combination of solar radiation transmittance, solar radiation absorptivity, emissivity, and heat transmissivity.
[0012]
  The thermal index is an index indicating a standard new effective temperature in consideration of the part of the human body or a comfort performance created by modifying the standard new effective temperature.
[0013]
  Also,By calculating meansThe structureDetermined from the design shapeFind the form factor between the human body and each partStep and,SaidCalculate the thermal index using the form factorFurther includes steps.
[0014]
  In addition, the structure has at least one selected from an air conditioning heating and cooling facility, a radiant cooling and heating facility, a ventilation facility, and a humidity adjustment facility, and the thermal index is:Stored in a database provided in an external storage deviceThe data of the selected equipmentUse by calculation meansCalculated.
[0015]
  In addition, a thermal mannequin is installed in the structure, and the amount of heat Q input to this thermal mannequin.t, Convective heat transfer Q around the thermal mannequinc, Radiation heat transfer amount Q of the thermal manikinr (net)And the amount of heat absorbed by solar radiation Q reaching the thermal mannequins Measurement resultsConvection heat transfer coefficient αciTheBy computing meanscalculate.
[0016]
  Further, the present invention is a translucent plate that includes first, second,..., Nth components (n is a natural number of 2 or more), and at least one of the components is attached for daylighting. There is provided a program for supporting the design of a structure, which is a design support program for a building in consideration of human body thermal comfort for causing a computer to execute the above steps.
[0017]
  By using the present invention, it is possible to derive a combination of physical property values of the parts constituting the structure only by computer simulation, and it is possible to easily improve the thermal comfort in the structure. In particular, the thermal sensation can be evaluated for each part of the human body, which is effective for optimal design of a structure having a non-uniform thermal environment such as a passenger compartment.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention. The thermal comfort performance evaluation apparatus 10 shown in the figure is composed of a computer system such as a workstation, and externally there is an external storage device 21 such as an HDD (Hard Disk Drive), an optical disk device or a magneto-optical disk device, and a keyboard. And an operation unit 22 such as a mouse and a display device 23 such as a CRT (Cathode Ray Tube), a liquid crystal display, or a PDP (Plasma Display Panel).
[0019]
  The thermal comfort performance evaluation apparatus 10 includes a central processing unit 11 and a storage unit 12 such as a RAM (Random Access Memory) and a ROM (Read Only Memory), and an input / output.interfaceI / Fs 13, 14, and 15 that function as a bus 16 and an internal bus 16. The bus 16 is connected to each part in the thermal comfort performance evaluation apparatus 10, and thus each part transmits and receives an address signal, a data signal, and various control signals via the bus 16.
[0020]
  The central processing unit 11 is a device such as a CPU (Central Processing Unit) having an arithmetic function and a control function, reads a numerical simulation program from the external storage device 21, and executes the storage unit 12 as a work area. Therefore, the central processing unit 11 implements the calculation unit 11a, the evaluation unit 11b, and the selection unit 11c for performing numerical simulation in hardware or software.
[0021]
  An operation unit 22 is connected to the I / F 13, and user operations are transmitted to the central processing unit 11 via the operation unit 22. The I / F 14 includes various data (for example, shape data of structures and human bodies, data on analysis conditions, parts constituting the vehicle body (body, seat, instrument panel (hereinafter referred to as instrument panel)), rear panel (hereinafter referred to as rear panel). An external storage device 21 that stores and holds a database made of materials that can be used for toeboard, center console, etc. (specified by physical property values) and data on glass types, etc.) is connected. Reading of data from the external storage device 21 and writing of data to the external storage device 21 are performed under the control of the central processing unit 11. A display device 23 is connected to the I / F 15, and information input by the operation unit 22 and a visualized simulation result are displayed on the display device 23.
[0022]
  As described above, the thermal comfort performance evaluation device 10 reads the shape data related to the numerical model of the structure and the human body from the external storage device 21, and uses this data to perform the thermal simulation of the living room or the vehicle interior. The simulation result is stored and held in the external storage device 21 and a visualized image is displayed on the display device 23. Therefore, by referring to such an image, it is possible to evaluate the comfortable performance of a light-transmitting plate such as a window glass attached to a building or a vehicle. For example, the evaluation of the thermal environment in the passenger compartment is performed as follows.
[0023]
  FIG. 2 is a partially broken perspective view showing an example of evaluating the thermal environment in the passenger compartment. The figure shows a vehicle model (right steering wheel, 5-seater sedan type) and a shape model in which the passenger is composed of a plurality of surface elements. Two separate seats are installed in the front of the passenger compartment, and an integrated seat that can be seated by three people is installed in the rear. A total of four passengers are seated on each seat, and the passenger sitting in the driver's seat imitates the shape of gripping the steering wheel.
[0024]
  Further, a windshield is installed in the front part of the passenger compartment, side glass (front side glass and rear side glass) in the side part, and rear glass in the rear part (not shown). The solar radiation received by the window glass is attenuated in accordance with the physical properties of the glass (that is, solar transmittance, solar absorption rate, emissivity, heat flow rate) and then enters the vehicle interior. Incident light warms each component in the passenger compartment, which increases the indoor temperature.
[0025]
  On the other hand, the surface of each component in the passenger and the passenger compartment is divided into a plurality of surface elements, and the space area between the passenger and the components in the passenger compartment is divided into a plurality of three-dimensional elements (not shown). In this embodiment, a quadrilateral surface element expressed in a bilinear form is used, and a hexahedral solid element is used. By using these surface elements and three-dimensional elements, numerical simulations are carried out on the solar radiation and radiation incident on the passenger compartment and the temperature airflow characteristics in the space region.
[0026]
  In addition, the interior of the passenger compartment is thermally uneven due to solar radiation entering through the window glass. Air conditioning air conditioning equipment (air conditioner) (not shown) is installed in the passenger compartment, and the position of the air outlet / suction port, the temperature of the air outlet, the amount of the air blowing / suction air, the direction of the air blowing / suction, and the absolute humidity (or relative humidity) of the air, etc. Can be set arbitrarily. The data related to the air conditioning and heating equipment is registered in the external storage device 21 of FIG. 1 as well as the physical property values of each part.
[0027]
  In addition to the air conditioning heating / cooling equipment, radiant cooling / heating equipment, ventilation equipment, humidity adjustment equipment, etc. may be arbitrarily installed. The analysis conditions used in this simulation are as shown in Table 1. Since the position of the sun can be calculated theoretically from the location of the vehicle body and the date and time of the simulation, it is possible to set the irradiation angle of solar radiation that is inserted into the vehicle interior from the window.
[0028]
[Table 1]
Figure 0004423825
[0029]
  FIG. 3 is a partially broken perspective view showing each part constituting the vehicle body. The figure (a) is viewed from the front and the top of the vehicle body looking down on the windshield. The front windshield and both side glasses (front and rear) are installed on the body, above the windshield. There is a ceiling behind the vehicle body, and a rear glass is installed behind the vehicle body. FIG. 5B shows the interior of the vehicle as viewed from the rear of the vehicle body. The front seat, rear seat, rear panel, toeboard, instrument panel, front panel, center console and other parts are shown on the body (not shown). is set up.
[0030]
  FIG. 4 is an explanatory diagram showing the distribution of direct solar radiation incident on the passenger compartment when the type I and type II glass types shown in Table 2 are used. FIG. 4A shows a case where a type I glass type is used, and FIG. 5B shows a case where a type II glass type is used. The intensity of solar radiation distribution in the figure is represented by shades of black and white (that is, the whiter the amount of solar heat received is, the blacker the lower the amount of solar heat received). As can be seen from the occupants in the driver's seat, the amount of direct solar radiation reaching the passenger compartment is smaller in Type II, and it can be said that Type II has better thermal insulation performance.
[0031]
[Table 2]
Figure 0004423825
[0032]
  In addition, the parts constituting the passenger compartment are composed of at least n parts (n is a natural number of 2 or more) including a light transmitting plate, and the physical property values of the materials used for each part are the same as those of the glass types shown in Table 2. 1 of the external storage device 21. The part and the physical property values that can be used for the part can be expressed in a matrix as shown in Table 3 (a). For example, in the case of the part P, the physical property value M00, M10, M20, M30, M40And M50Is selected.
[0033]
  That is, each component has at least one physical property value M.**(= M00, M01, ..., M10,... Are registered, and each physical property value corresponds to a candidate for a material actually used for a part. For example, the instrument panel corresponds to the type of plastic material, and the sheet corresponds to the type of fiber or leather. Physical property value M**Includes at least one selected from solar transmittance, solar absorptivity, emissivity, heat transmissivity, and the like.
[0034]
  Therefore, DepartmentPhysical property value M for each product**And the physical property value M of each part**One or more combinations are created (Table 3 (b)). For each combination, a thermal index felt by the human body (65MNSET described later)*) And comparing the results, a combination of physical property values giving optimum thermal comfort as shown in Table 3 (c) can be derived. Here, the result closest to neutral “0” is the optimum.
[0035]
  Note that if a thermal index is calculated in consideration of not only the physical property values but also data related to air conditioning air conditioning equipment, etc., an optimal design of a structure equipped with the air conditioning air conditioning equipment etc. can be performed. Also in this case, as in the case of the physical property values, data relating to the air conditioning equipment is read from the external storage device 21 of FIG. 1, and the thermal index is calculated by taking the read data into consideration. In addition, by creating various shape data of each part in the same manner as in Table 3, it becomes possible to select a combination of the shape of each part that gives optimum thermal comfort.
[0036]
[Table 3]
Figure 0004423825
[0037]
  Next, an outline of a human body thermal model considering solar radiation, which is newly proposed in the present invention, will be described. FIG. 5 is an explanatory diagram showing a human body thermal model. Conventionally, several human body temperature regulation models have been proposed. A typical example is a two-node model by Gaggi et al. (Reference 2 (APGagge, APFobelets' and LGBerglund: A Standard Predictive Index of Human Response to the Thermal Environment, ASHRAE Transactions, Vol. -731,1986.) And the 65MN model by Tanabe et al. (Reference 3 (Tanabe et al., Research on 65-segment thermoregulation model for thermal environment evaluation, Architectural Institute of Japan Planning Series No. 541, 2001 3) Month)).
[0038]
  However, none of these considers the human body shape. For example, in the two-node model, the human body is simulated in a spherical shape including a core layer and a shell layer surrounding the core layer. Therefore, it is not possible to simulate solar radiation that hits parts such as the head and limbs. The 65MN model simulates the structure of the human body in more detail than the two-node model, that is, it categorizes into a total of 16 parts such as the head, chest, and leg, and regulates the surface area and weight of each part. Is not considered. Therefore, even if this 65MN model is used, since the shape is not clear, the shape factor between each part and the wall or window cannot be calculated, and the solar radiation distribution hitting the human body cannot be accurately grasped.
[0039]
  On the other hand, some simulations that take into account the shape of the human body have also been proposed, but the boundary conditions around the human body (solar radiation, thermal radiation) for accurately simulating the thermal sensation of the human body have not been fully studied (see “ See Shingo, Shinma, Hideo Asano, simulation of solar heat reception in automobile interior, Preprint of Academic Lecture Meeting of the Society of Automotive Engineers of Japan, pp. 161-164, October 1994).
[0040]
  Therefore, it is difficult to accurately simulate a thermal sensation in an environment where the influence of solar radiation is large, such as in a passenger compartment. Therefore, in the present invention, the above problem is solved by combining a model simulating a human body shape (hereinafter referred to as a human body shape model) and a model simulating human body temperature regulation (hereinafter referred to as a body temperature regulation model). In addition, the human body temperature regulation function can be accurately simulated even in an environment where the effects of solar radiation are large.
[0041]
  From the above viewpoint, the human body thermal model 30 shown in FIG. 5 is composed of a combination of a human body shape model 31 and a body temperature regulation model 32, and details thereof are shown in FIGS.
[0042]
  6A is a front view showing classification of each part of the human body shape model described in FIG. 5, and FIGS. 6B and 6C show details (surface elements) of the human body shape model, respectively. It is the front view and side view which show.
[0043]
  The human body shown in FIG. 6A includes a head (head) 31-1, a chest (chest) 31-2, a back (back) 31-3, a pervis (waist) 31-4, and an L-shoulder (left shoulder) 31. -5, R-shoulder (right shoulder) 31-6, L-arm (upper left arm) 31-7, R-arm (upper right arm) 31-8, L-hand (left hand) 31-9, R-hand ( (Right hand) 31-10, L-Rhino (left thigh) 31-11, R-Rhino (right thigh) 31-12, L-Leg (left lower leg) 31-13, R-Leg (right lower leg) 31-14, It is classified into 16 sites, L-foot (left foot) 31-15 and R-foot (right foot) 31-16.
[0044]
  Each part is assumed to have a multilayer structure such as skin and muscle like an actual human, and the body temperature regulation model shown in FIG. 7 is incorporated for each part individually. The surface area and weight of each part are the same as those of the conventional 65MN model shown in Table 4, but depending on how to cut the surface elements and the posture of the human body (standing posture, sitting posture, etc.) May deviate from the value of. A calculation method when such a shift occurs will be described later.
[0045]
[Table 4]
Figure 0004423825
[0046]
  In addition, as shown in FIGS. 6B and 6C, the surface of each part is divided by a plurality of surface elements, such as the amount of solar radiation reaching the human body, the amount of heat radiated from the human body surface, and the skin temperature. The calculation is performed for each surface element.
[0047]
  Here, the body temperature regulation model incorporated in each part will be described. FIG. 7 is a block diagram showing a body temperature regulation model incorporated in each part of the human body. The thermoregulation model 32 shown in the figure has a multilayer structure that simulates the tissue structure of a human body, and includes a central blood pool 33, 16 sites (the k-th site 34 includes a core layer 34a, a muscle layer 34b, A fat layer 34c, a skin layer 34d, and a clothing layer 34e). Here, attention is paid to the heat transport between the respective layers as follows. The core layer 34a, the muscle layer 34b, the fat layer 34c, and the skin layer 34d are connected to the central blood pool 33 by blood vessels, and heat is transferred between the layers by the action of blood flow. Arrows indicate the heat flow transported between each layer.
[0048]
  Further, since the core layer 34a, the muscle layer 34b, the fat layer 34c, and the skin layer 34d are in close contact with each other, heat transport by heat conduction is performed. Between the clothing layer 34e and the skin layer 34d, heat transport is performed by heat conduction, and an air layer may exist between both layers. Therefore, it is necessary to consider heat transport by convection and radiation in the simulation.
[0049]
  Moreover, since the clothing layer 34e is exposed to the external environment 40, heat transport by convection and radiation is performed. It is assumed that the external environment 40 includes a light source 41 such as the sun (or may be an artificially installed lamp) 41, and the clothing layer 34e is warmed by solar radiation (or light rays) from the light source 41. The presence / absence of a clothing layer can be set in units of surface elements. In this embodiment, the head 31-1, L-hand 31-9 and R-hand 31-10 have a skin layer exposed and no clothing layer. As the calculation. Further, the wavelength of light emitted from the light source can be set by the operation unit 22 of FIG. 1, and the set value is stored in the external storage device 21.
[0050]
  Next, the thermal comfort of the window glass will be evaluated by numerical simulation, and a procedure for selecting the optimum glass type as the window glass and the combination of parts that realize the optimum thermal environment based on the evaluation result will be described.
[0051]
  FIG. 8 is a flowchart showing the procedure for selecting the glass type and the physical property value of each part. First, CAD (Computer Aided Design) data indicating a vehicle body shape prepared in advance and a plurality of surface elements constituting an inner wall surface of a passenger compartment, CAD data indicating a human body shape, and a plurality of surface elements indicating a surface shape of a human body , A plurality of three-dimensional elements that divide a space area between each part constituting the passenger compartment and the human body, and glass type candidates that can be used for the window glass (in this embodiment, types I and II shown in Table 2) Is stored in the external storage device 21 of FIG. 1 (steps 101 and 102). Further, the physical property values of each part as shown in Table 3 are stored in the external storage device 21 (step 103).
[0052]
  Next, the calculation unit 11a and the evaluation unit 11b in FIG. 1 read out the glass type and physical property data stored in the external storage device 21, and create a combination of these data.,setFor each combination, the calculation of solar radiation that passes through the window glass, the calculation of the body temperature control model of the human body, and the calculation of heat transfer in the passenger compartment (ie, convection calculation, radiation calculation, humidity calculation, etc.) are performed in combination. The thermal sensation to be felt is numerically simulated (step 104). Note that simulation may be performed by changing the physical property value in accordance with a view factor shown in FIG. 14 described later.
[0053]
  Thereafter, every time the simulation is completed, it is determined whether or not the thermal index has been calculated for all the combinations (step 105). If not, the process returns to step 104. After calculating all the glass types and combinations of physical property values of each part, the selection unit 11c in FIG. 1 compares the simulation results, and selects the glass type and the combination of physical property values of each part that gives the best result. . As a result, for example, combinations of physical property values as shown in Table 3 (b) are selected. As a method for selecting a combination, it is possible to select a neutral heat index in the intermediate period, a slightly cooler summer, and a slightly warmer winter. What kind of result is determined to be optimal is determined as appropriate by the person performing the simulation. Therefore, it is conceivable as one method to set an optimum value in advance and select the one closest to the optimum value.
[0054]
  In addition, after picking up some glasses with excellent thermal indices, if you select the one that passes the light in the visible region best, you can select the glass with both excellent thermal performance and translucency. it can. The combination of glass types used for each window is not limited to that shown in Table 2, and can be set arbitrarily.
[0055]
  Here, the numerical simulation of the thermal sensation will be described in detail with reference to FIGS.
  FIG. 9 is a flowchart showing details of step 104. In this embodiment, 65 MNSET is one of the indices indicating thermal sensation.*Is used (step 201). 65MNSET*Is a SET using the above-mentioned 65MN model for temperature regulation model*(Standard new effective temperature) (see the above-mentioned document 2). Conventional SET using a two-node model*Is a thermal index proposed by Gaggi et al., Which can be simply defined as “a temperature in a standard environment with a relative humidity of 50% so that the thermal sensation and the amount of heat release are equivalent to those in a real environment”.
[0056]
  In the present embodiment, 65MNSET*TSV calculated by using is used (step 202). TSV (refer to Document 4 (Japan Society for Automotive Engineers, Academic Lecture Preprints No. 33-99)) is an index that associates the thermal sensation actually felt by the human body. It is calculated based on the conversion formula shown below.
[0057]
  Since thermal sensation varies depending on the season and region, Table 5 shows regression equations in Japan (summer), Japan (autumn), the United States, Denmark, and Singapore. The correspondence between the TSV and the thermal sensation felt by the human body is as shown in Table 6. “0” is neutral, “1” is a little warm, “2” is warm, “3” is hot, “−1” "Is a little cool," -2 "is cool, and" -3 "is cold. The temperature at which the declaration of the thermal sensation of the human body is neutral (neutral temperature) is also written next to the regression equation.
[0058]
[Table 5]
Figure 0004423825
[0059]
[Table 6]
Figure 0004423825
[0060]
  FIG. 10 is a flowchart showing details of step 201. First, steps 301 to 304 are performed as calculation preparation work. The surface shape of the passenger compartment and the human body is divided into a plurality of surface elements, and the space shape between the inner wall of the passenger compartment and the human body is divided into a plurality of three-dimensional elements (step 301). Next, the form factor is calculated for all surface elements of the human body and the walls of the living room (step 302). The form factor is a dimensionless number parameter that determines the radiant heat exchange between surface elements.
[0061]
  Next, after assigning thermal conditions such as heat transmissibility, emissivity, solar radiation absorption rate and solar radiation transmittance to each surface element (step 303), the amount of clothing of the human body, the location of the vehicle body (ie latitude, longitude) The analysis conditions shown in Table 1, such as the analysis date and time, are set (step 304). This analysis condition is input by the operation unit 22 in FIG. 1, and the input data is stored in the external storage device 21.
[0062]
  Next, based on the set latitude, longitude, and season, the azimuth angle and elevation angle of the sun with respect to the vehicle body are calculated, and the irradiation angle of solar radiation received by the vehicle body is calculated by the calculation unit 11a. Therefore, based on the irradiation angle and the physical property value of the window glass (Table 2), any one of various solar radiation amounts (direct solar radiation amount, sky solar radiation amount, ground reflection solar radiation amount, or internal diffuse solar radiation amount) that directly reaches the human body. (Or any combination thereof) is calculated (step 305), and the amount of heat absorbed by solar radiation is calculated according to the calculation result and the absorption rate of the clothing surface or skin surface.
[0063]
  As described in Document 1, since the solar radiation includes rays in the wavelength range of 0.3 to 2.5 μm, it is necessary to consider the wavelength range in calculating the amount of solar radiation. For example, the calculation may be performed over the entire wavelength range of 0.3 to 2.5 μm, or the wavelength may be arbitrarily selected and calculated for each wavelength. Then, after performing a combination of heat transfer calculation in the structure and calculation of body temperature regulation reaction (steps 305 to 308), 65MNSET* Is calculated (step 309).
[0064]
  Here, details of solar radiation analysis will be described. Since the space constituted by the light-transmitting plates is strongly affected by transmitted solar radiation, the accuracy of predicting human comfort depends strongly on how accurately the heat acquisition distribution of solar radiation that is a heat source is predicted. The solar radiation analysis does not need to be performed in combination with the temperature and air flow analysis and can be performed independently. As described above, direct solar radiation, sky solar radiation, reflected solar radiation from the ground, and solar radiation reaching the human body surface and the inner and outer wall surfaces The mutual reflection solar radiation inside is calculated, and the solar radiation acquisition heat quantity on the human body surface and the wall surface for the temperature-airflow coupled analysis is calculated (FIG. 11).
[0065]
  The analysis procedure is as follows. First, the position of the sun is calculated by inputting the location of the building and the calculation target time.dn, And horizontal solar radiation IskyIs estimated by an empirical formula. Based on this normal surface direct solar radiation amount, horizontal plane solar radiation amount, the solar transmittance t of the translucent platei, Reflectance ρiTaking into account the wall thermal performance values such as, the structural parts of the space, and the geometrical shape of the solar shading objects such as the eaves, the various reached solar radiation amounts are calculated.
[0066]
  The calculation method of the amount of solar radiation reaching the human body surface is as follows.
  1) Calculation of direct solar radiation amount: direct solar radiation amount I reaching the surface element i of the human bodydiIs normal solar radiation amount Idn, The solar radiation transmittance t of each wall (translucent plate) through which solar radiation intersecting in the middle is transmittedjThus, the calculation is performed by the equation (1).
[0067]
[Expression 1]
Figure 0004423825
[0068]
  Incidentally, the solar transmittance and reflectance of the light transmitting plate have incident angle characteristics shown in FIG. That is, as the incident angle with respect to the light transmissive plate increases, the reflection component increases and the solar light transmittance of the light transmissive plate decreases. If this is not taken into account, an error occurs in the amount of incident heat.
[0069]
  2) Calculation of sky solar radiation amount: Sky solar radiation amount I reaching human body surface element isiA horizontal solar radiation amount IskyIt is also calculated by the shape factor that expects the wall (translucent plate) through which solar radiation passes.
[0070]
[Expression 2]
Figure 0004423825
[0071]
  Where FijIs the shape factor between the surface elements i and j, βijIs a flag that determines whether or not the reaching solar radiation is sky solar radiation. 0.91 is a coefficient in consideration of the incident angle characteristic of the solar transmittance of the light transmitting plate (glass) with respect to the sky solar radiation.
[0072]
  3) Calculation of the amount of ground reflection: The amount of reflection from the ground is affected by the shape of the ground, the reflectivity, the directivity, etc., and is difficult to calculate accurately. In this embodiment, similarly to the method of calculating the sky solar radiation amount, the ground reflected solar radiation amount I reaching each surface element of the human body IgiThe horizontal solar radiation IholAnd ground albedo (reflectance of solar energy) ρgCalculate using.
[0073]
[Equation 3]
Figure 0004423825
[0074]
  Where γijIs a flag for determining whether or not the reaching solar radiation is a reflection from the ground, and h is the solar altitude.
[0075]
  4) Calculation of mutual reflection amount: The solar radiation reaching the human body surface element causes mutual reflection according to the reflectance of the human body surface. The reflection includes diffuse reflection, specular reflection, and a combination of both. In this embodiment, perfect diffusion is assumed to simplify the calculation. Under this condition, the amount of mutual reflection can be calculated by the radiosity method using the shape factor between the surface elements.
[0076]
[Expression 4]
Figure 0004423825
[0077]
  5) Calculation method of solar heat absorption amount on human body surface: Direct solar radiation amount, sky solar radiation amount, ground reflection amount and mutual diffuse reflection amount calculated for each human body surface element are all converted into solar absorption heat amount on human body surface. The conversion method to the amount of solar heat absorption on the human body surface is that the solar heat absorption rate a of the human body surface element i depends on the amount of solar heat heat that reaches each.iMultiply by
[0078]
[Equation 5]
Figure 0004423825
[0079]
  By treating this as the amount of solar radiation absorption heat amount (human body surface heat generation amount) of the wall surface heat balance type shown in Table 6, it becomes possible to incorporate it into the coupled analysis of temperature and airflow. At the end of the temperature-airflow coupled analysis, the convection heat transfer amount according to the human body surface heat generation amount and the air temperature around the human body, the radiant heat transfer amount according to the human body surface emissivity, and the total heat transfer amount within the clothing become.
[0080]
  Next, spatial physical quantities such as air temperature, flow velocity, and turbulent flow in the spatial region between the human body and the wall are calculated using CFD (Computational Fluid Dynamics) technology (step 306). That is, various boundary conditions are set on the surface of the human body and the wall, and convection (including natural convection and forced convection) in the spatial domain is numerically simulated for each of the above three-dimensional elements to calculate the flow velocity and pressure.
[0081]
  The thermal boundary conditions are stored in advance in the external storage device 21 of FIG. 1, and the thermal physical property values (solar radiation absorption rate, solar radiation transmittance) related to solar radiation on the surfaces of the indoor parts and the outdoor parts, and heat related to thermal radiation on the surface of the indoor parts The physical property value (emissivity), the thermal conductance between components, the outdoor reference temperature, and the convective heat transfer coefficient on the indoor side wall surface are read and used.
[0082]
  As a specific method of CFD, for example, a numerical analysis of the Navier-Stokes equation by a finite element method, a finite volume method, a difference method or the like is performed. In particular, in this embodiment, a standard k-ε model in a non-isothermal field is used. Next, the thermoregulatory response of the human body is calculated using the thermoregulatory model shown in FIG. 7 (step 307), and steps 306 and 307 are repeated until the skin temperature at each surface element of the human body converges to a predetermined value. 65MNSET in step 309*Is calculated.
[0083]
  The coupling of CFD, radiation, and body temperature regulation model is obtained by solving the heat balance equation shown in Table 7. That is, solve the heat balance equation consisting of the convective heat transfer amount, the radiant heat transfer amount, the solar radiation absorption heat amount and the outdoor heat transfer amount on the wall surface of the passenger compartment, and 1) the connection from the convection field to the radiation field ) Convergence calculation of body temperature regulation model, 3) Calculation of connection from radiation field to convection field. In 1), the clothing surface temperature TiAnd radiant heat transfer amount Qri (net)In 2), the body temperature regulation model is calculated and the clothing surface temperature TiAnd skin temperature TrefIn 3), the indoor reference temperature TinAnd clothing surface temperature TiAsk for.
[0084]
[Table 7]
Figure 0004423825
[0085]
  Here, the details of the calculation of the body temperature regulation model in 2) will be described as shown in Table 8. A thermal equilibrium equation is set for each layer, and these equations are calculated for all surface elements of the human body.
[0086]
[Table 8]
Figure 0004423825
[0087]
  Each thermal balance equation is mainly composed of the four physical quantities shown in Table 9 (that is, the amount of heat produced, the amount of heat transported by blood flow, the amount of conduction heat, and the amount of heat released by sweating). 1. As shown in Fig. 2, the calorific value is expressed as the sum of the basal metabolic rate of each part, the heat production due to external work, and the trembling calorific value. Also, 2. As shown in FIG. 4, the amount of heat transported by the blood flow is represented by the product of the countercurrent heat exchange rate of blood, the volumetric specific heat of the blood, the blood flow, and the temperature difference between the kth region j-th layer and the central blood pool. . 3. As shown in FIG. 4, the conduction heat quantity is represented by the product of the thermal conductance between adjacent layers and the temperature difference between the kth portion jth layer and the kth portion j + 1 layer. 4. As shown in FIG. 2, the heat release amount due to sweating occurs only in the skin layer (fourth layer) at each site, and is expressed as the sum of the heat loss amount due to insensitive steaming and the evaporation heat loss amount due to sweating.
[0088]
[Table 9]
Figure 0004423825
[0089]
  As described above, the series of calculations is performed by the calculation unit 11a in FIG.* Is calculated. FIG. 13 is a flowchart showing details of step 309. First, 1) the amount of heat loss from the skin surface, 2) the average skin temperature, and 3) the whole body wetting rate due to perspiration is calculated from the physical and physiological amounts of each part of the human body (step 401).
[0090]
  In the flow of FIG. 13, 65MNSET in the whole body*However, it may be calculated for each surface element or part of the human body. In that case, the amount of heat loss, skin temperature, and wetting rate are determined for each surface element or part of the human body. Thus, by calculating the skin temperature for each surface element, the skin temperature distribution in each part can be simulated in detail, and an accurate thermal sensation can be calculated. These simulation results are displayed on the display device 23 after being processed into a graph, table, still image (skin temperature distribution diagram, etc.), animation, or the like under the control of the evaluation unit 11b in FIG. The person who performs the simulation can determine the thermal comfort performance of the translucent plate based on this display.
[0091]
  On the other hand, when the area in each part of the original 65MN model and the human body shape model in FIG. 2 does not match, as shown in Table 10, (surface area of the kth part / surface area of the kth part of the 65MN model in Table 3)1.5It is effective to correct and distribute physical quantities and physiological quantities using. This is performed so that the physical quantity per unit volume in each part does not change, and the area is on the order of the square of the length and the volume is on the order of the cube of the length. The surface area / the surface area of the k-th part of the 65MN model in Table 4 was distributed to the power of 3/2 (= 1.5).
[0092]
  It should be noted that the symbols (Err) described in the third, fourth, and fifth stages from the top of Table 101,1, Cld1,1, Wrm1,1, Clds, Wrms) indicate control signals for body temperature regulation, the details of which are shown in Table 11.
[0093]
  The body temperature control detects the ambient temperature of the human body with a myriad of thermoreceptors and cold receptors distributed in the skin, and if it feels hot, it sends a signal to encourage sweating and controls the increase in sweating and blood flow. If it feels cold, it sends a signal to encourage trembling, and controls the increase in heat output. That is, as shown in [1], an error signal (indicating a difference between the temperature of the i-th surface element and the j-th layer and the set point temperature, the set point temperature does not cause a body temperature regulation function (sweat and tremor production is “0 "Indicates the temperature in the state where the blood flow rate is the basal blood flow rate) is a positive value, the error signal is substituted for the warm signal and" 0 "is substituted for the cold signal. On the other hand, if the error signal is a negative value, a value obtained by inverting the sign of the error signal is substituted for the cold signal, and “0” is substituted for the warm signal.
[0094]
  Thus, the warm signal and the cold signal in each layer of each part are obtained, and the integrated signal in the whole human body is obtained by multiplying the obtained signal by the weight coefficient for each part and obtaining the sum. Then, as shown in [2] and [3], the obtained integrated signal includes various coefficients (the distribution coefficient for the whole body of the skin layer of each part, the sweat control coefficient, the effector operation amount, the tremor control coefficient, Weighting is performed by multiplying the distribution of the muscular layer of each part with respect to the production of shaking heat by the whole body), and the amount of heat loss of evaporation due to sweating is calculated.
[0095]
[Table 10]
Figure 0004423825
[0096]
[Table 11]
Figure 0004423825
[0097]
  Finally, by solving the equation shown in step 402, 65MNSET*Can be calculated.
[0098]
  Next, simulation results will be described. FIG. 14 is a graph showing the form factor for each part as viewed from the driver's occupant. The horizontal axis shows the name of each part, and the vertical axis shows the form factor. As is clear from the figure, the value for the seat is the largest, followed by body, ceiling, windshield, front side glass, center console, floor, toeboard, instrument panel, rear side glass, other passengers' bodies, rear glass, and rear panel. ing.
[0099]
  FIG. 15 is a graph showing the contribution of each part to the average radiation temperature of the driver's seat, with the horizontal axis representing the name of the part and the vertical axis representing the contribution of each part to the average radiation temperature. As is clear from the figure, the contribution varies slightly depending on the types I and II. The magnitude of the contribution changes in the same order as the form factor described in FIG.
[0100]
  FIG. 16 is a graph showing the cumulative value of the heating / cooling effect due to thermal radiation of each part on the basis of room temperature, the horizontal axis shows the name of each part, and the vertical axis shows the radiation temperature and room temperature of each part. Indicates the cumulative value of the difference. As shown in the figure, Type II has a lower cumulative value than Type I, and Type II has an average air temperature of 1.2 (= 26.6-25.4) than Type I due to the effect of glass. ) C is low.
[0101]
  On the other hand, when air conditioning equipment was provided in the passenger compartment, the following differences occurred. FIG. 17 is a graph showing the temperature rise by each component with respect to the air temperature based on the air-conditioning blowout temperature. The horizontal axis indicates the name of each component, and the vertical axis indicates the temperature rise by each component with respect to the air temperature. For simplicity, it was assumed that the room air was thoroughly mixed. It can be seen that the sheet contributes most to the temperature rise at room temperature. The temperature rise in Type II is lower than that of Type I except for rear glass, front side glass and rear side glass.
[0102]
  Table 12 is a table showing the effect of the seat on the thermal sensation of the passenger in the driver's seat. For cases 1 to 3 in which the physical property values of the seat are different, the average room temperature, the wetness rate of the human body due to perspiration, the average skin temperature , SET*And TSV. The type I in Table 2 is used as the glass type.
[0103]
  In case 1, a standard sheet is used, in case 2, the solar absorption rate of the sheet in case 1 is set to “0.1”, and in case 3, the solar absorption rate and emissivity of the sheet in case 1 are set to “0.1”, respectively. "I have to. In case 2, the solar radiation absorption rate is lowered, so that TSV is about 0.4 (= 1.2−0.8) lower than case 1. In case 3, TSV is about 0.2 (= 0.8-0.6) lower than case 2 and about 0.6 (= 1.2-0.6) lower than case 1. I understand that. Therefore, the thermal index varies greatly depending on the difference in the physical property values of each part, and the thermal sensation felt by the human body is different.
[0104]
[Table 12]
Figure 0004423825
[0105]
  Here, the convective heat transfer coefficient α used in the above calculation (Tables 7 and 8)ciWill be described. This convective heat transfer coefficient αciIs the previous literature “Maki Ichihara, Masafumi Saito, Mika Nishimura, Shinichi Tanabe, Measurement of Radiation and Convective Heat Transfer Coefficients of Standing and Sitting Human Body Using Thermal Mannequin, Architectural Institute of Japan Proceedings 501 No., pp 45-51, November 1997 ”, the approximate expression αci= AvB(H in literature)ci= Αvβ(V is an air flow velocity, A, B, α, β are constants)).
[0106]
  However, in an environment where the influence of solar radiation is more dominant than air conditioning, it may be difficult to apply such an approximate expression. Therefore, in such an environment, the convective heat transfer coefficient α is obtained by measurement using a thermal manikin or the like.ciAnd how to find it.
[0107]
  The thermal mannequin (refer to the literature "Shinichi Tanabe, Yae Hasebe, Study on Indoor Environment Evaluation Method Using Thermal Mannequin with Variable Skin Temperature, Architectural Institute of Japan Planning Series Report No. 448, June 1993") It is a dummy doll that simulates the shape of a human body, and an electric heater and a thermocouple for realizing the heat generation function of the human body are incorporated in each part.
[0108]
  The electric heater and the thermocouple are connected to a PC (personal computer) installed outside, and heat generation, temperature measurement, and heat generation control based on the measured temperature are performed by control of the PC. In addition, for the sake of simplicity, an example in which an experimental atrium is used will be described below, but a similar experiment can be performed on a structure such as an automobile. A similar experiment can be performed by devising a suitable method such as attaching a heat flow meter to the human body instead of a thermal mannequin.
[0109]
  18 and 19 show a laboratory atrium whose upper, front and side surfaces are surrounded by a glass plate. The size of the atrium is, for example, as shown in the figure. A rattan chair is installed in the room, and a thermal mannequin is seated on the chair. Thermal mannequin legs are placed on extruded polystyrene foam plates for thermal insulation. Moreover, as shown in FIG. 19, the north wall is provided with three air-conditioning outlets, and an airflow whose temperature is adjusted by an air conditioner (not shown) is blown into the room through the outlets. Reference air temperature TaIs measured by a plurality of thermocouples installed at the measurement positions shown in FIG. 19 (in this embodiment, installed at intervals of 0.1 m in the height direction). The wall surface temperature is measured by a thermocouple installed on the wall surface.
[0110]
  Here, on the surface of the thermal mannequin, in the steady state, the equation Qt+ Qc+ Qr (net)+ Qs= 0 is clear (QtIs the amount of heat input to the thermal mannequin (corresponding to the amount of heat generated by the human body), QcIs the convective heat transfer, Qr (net)Is the amount of heat absorbed by radiation (net means the net amount of radiation), QsIndicates the amount of heat absorbed by solar radiation), a thermal manikin is installed in the atrium, the input heat amount, the reference air temperature, and the wall surface temperature are measured, and these values are substituted into the above thermal equilibrium equation to obtain the convective heat transfer coefficient αciAsk for.
[0111]
  (1. The amount of heat input to the thermal manikin Qt)
  This amount of heat corresponds to the amount of heat generated by the human body, but the electric heater built in each part of the thermal manikin is heated by the control of the PC according to the installed environment. That is, the input heat quantity Q is determined by the relationship between the skin temperature of the human body and the sensible heat radiation amount in the thermal neutral state.tAre controlled independently at each site.
[0112]
  (2. Convective heat transfer Qc)
  Convective heat transfer QcQc= Αci(Ta-Tsk). Here, the skin temperature T of each part of the thermal mannequinsk, Also reference air temperature TaIs known because it is measured.
[0113]
  (3. Radiation heat transfer amount Qr (net)Calculation)
  The form factor between the thermal manikin and the wall surface and the measured skin temperature, wall surface temperature and emissivity are given as known, and the amount of radiant heat transfer Q by radiosity methodr (net)Is calculated.
[0114]
  (4. Solar radiation absorbed heat Qs)
  A solar radiation meter is installed outside the experimental atrium in FIG. 18 (for example, it may be installed above the top glass so as not to be affected by surrounding buildings), and the horizontal solar radiation amount is measured. By directly separating the amount, the amount of direct solar radiation reaching the surface of the thermal mannequin, the amount of solar radiation, the amount of ground reflected solar radiation, and the amount of internally diffuse reflected solar radiation are calculated. Based on the calculated amount of solar radiation, the amount of solar radiation absorbed by the thermal manikin QsIs calculated.
[0115]
  In the above description, the glass plate is used as the translucent plate. However, the application of the present invention is not limited to this. For example, the translucent plate is used for an organic resin plate (polycarbonate plate, acrylic plate, etc.) It is clear that the present invention can be applied to an organic resin film. The standard new effective temperature of the human body is 65MNSET.*  Furthermore, the standard effective temperature calculated by evaluating the influence of each part in detail may be used.
[0116]
  In addition, although the steady state simulation has been described above, it is apparent that the unsteady state simulation can be performed by applying the above-described series of procedures every certain time step. For example, when evaluating the thermal comfort of glass used in an automobile, it is conceivable that the time step is set to several seconds to several minutes, and the calculation is performed over several minutes to several tens of minutes (or several hours).
[0117]
  The translucent plate referred to in the present invention is a laminated glass composed of a single glass plate, a multi-layer glass, an organic resin film (such as polyvinyl butyral) and a plurality of glass plates sandwiching the organic resin film, It refers to all parts that are attached to structures such as organic resin films or organic resin plates for lighting, and does not require complete transparency. For example, iron or cobalt may be added for coloring to absorb heat rays, or a thin metal film may be coated to reflect heat rays.
[0118]
  The shape of the translucent plate is generally assumed to be a flat plate or a curved plate, but may be any other shape as long as it has a function of daylighting. In addition, for the sake of simplicity, it is assumed that the humidity in the space region is constant. However, it is obvious that the humidity may be analyzed for each of the above three-dimensional elements. Further, for simplicity, the simulation may be performed assuming that the temperature airflow property is constant in the space region.
[0119]
  Furthermore, the simulation may be performed in consideration of the external shape of the vehicle body shown in FIG. 2 and the surrounding environment of the vehicle body. By doing so, it is possible to perform a simulation in consideration of the radiation generated by the temperature of the outer wall warmed by solar radiation conducted to the wall in the passenger compartment.
[0120]
【The invention's effect】
  As described above, according to the present invention, the physical property value of each part that realizes the optimum thermal comfort can be obtained by obtaining the thermal index indicating the comfort of the human body in the living room or the passenger compartment by numerical simulation. Further, by calculating the skin temperature in units of surface elements and calculating the thermal index for each part of the human body, it is possible to realize the optimum design of the structure in a thermally non-uniform environment such as a passenger compartment.
[0121]
  In addition, the thermal comfort performance evaluation of the translucent plate can be carried out only by numerical simulation, and the labor of making prototypes such as buildings and car bodies can be saved. That is, various window glass variations can be evaluated by a simple operation of changing parameter values such as solar radiation absorption rate and emissivity. In addition, since it is not necessary to make a prototype, the translucent plate can be evaluated in a shorter time and at a lower cost than in the past.
[0122]
  Moreover, this invention can also be utilized for the raw material development of the translucent board which provides the most outstanding thermal comfort performance according to a living room or a vehicle interior shape. Furthermore, since the thermal comfort performance of the transparent plate is expressed by an objective index called the thermal index, the thermal comfort performance of the translucent plate can be explained in an easy-to-understand manner to construction manufacturers, vehicle body manufacturers, air conditioning manufacturers, material manufacturers and general users. Also, by providing the simulation program or executing the simulation via a network such as the Internet, a new service for supporting design of the structure can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing one embodiment (thermal comfort performance evaluation device) of the present invention.
FIG. 2 is a partially broken perspective view showing a numerical model for evaluating thermal comfort performance of a window glass.
FIG. 3 is a partially broken perspective view showing (a) each part constituting the vehicle body (viewed from the front) and (b) each part constituting the vehicle body (viewed from the rear).
FIG. 4 is a partially broken perspective view showing the state of direct solar radiation in (a) Type I and (b) Type II.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a human body thermal model.
6A is a front view showing classification of each part of the human body shape model, FIG. 6B is a front view showing details of the human body shape model (configuration of surface elements), and FIG. It is a side view which shows the structure of an element.
FIG. 7 is a block diagram showing a body temperature regulation model.
FIG. 8 is a flowchart showing a selection procedure (main routine) for window glass and components.
FIG. 9 is a flowchart showing details of step 104;
10 is a flowchart showing details of step 201. FIG.
FIG. 11 is an explanatory diagram showing various types of solar radiation.
FIG. 12 is a graph showing a relationship between an incident angle and transmittance and reflectance.
FIG. 13 is a flowchart showing details of step 309;
FIG. 14 is a graph showing the form factor for each part as viewed from the driver's seat occupant.
FIG. 15 is a graph showing the contribution of each component to the average radiation temperature of the driver's seat occupant.
FIG. 16 is a graph showing cumulative values of heating / cooling effects by thermal radiation of each part with room temperature as a reference.
FIG. 17 is a graph showing the temperature rise by each component with respect to the air temperature based on the air-conditioning blowing temperature.
FIG. 18 is a partially transparent perspective view and a cross-sectional view showing a laboratory atrium.
FIG. 19 is a plan view showing the arrangement in the experimental atrium of FIG. 18;
[Explanation of symbols]
10: Thermal comfort performance evaluation device
11: Central processing unit
11a: arithmetic unit
11b: Evaluation section
11c: Selection unit
12: Storage unit
13, 14, 15:interface(I / F)
16: Bus
21: External storage device
22: Operation unit
23: Display device
30: Human body thermal model
31: Human body shape model
31-1: Head
31-2: Chest
31-3: Back
31-4: Pervis
31-5: L-shoulder
31-6: R-shoulder
31-7: L-arm
31-8: R-arm
31-9: L-hand
31-10: R-hand
31-11: L-Rhino
31-12: R-Rhino
31-13: L-Leg
31-14: R-Leg
31-15: L-foot
31-16: R-foot
32: Temperature regulation model
33: Central blood pool
34: k-th part
34a: Core layer
34b: Muscle layer
34c: fat layer
34d: skin layer
34e: Clothing layer
40: External environment
41: Light source

Claims (10)

第1、第2、・・・、第n部品(nは2以上の自然数)で構成される構造物で、前記各部品の少なくともいずれか1つが採光のために取り付けられた透光板である人体温熱快適性を考慮した構造物の設計支援方法において、
前記各部品と人体との間の空間領域から設計形状を設定してインターフェースを介して入力するステップと、
前記第1部品に使用される材料の候補、前記第2部品に使用される材料の候補、・・・、前記第n部品に使用される材料の候補をそれぞれ一以上用意し、前記構造物の設計形状に応じた部品をそれぞれ選択してインターフェースを介して入力するステップと
外部記憶装置に設けられたデータベースに格納された前記部品毎に用意された材料の候補の物性値を前記入力に従い読み出すステップと、
読み出された前記物性値から前記第1部品に使用される材料の物性値と、前記第2部品に使用される材料の部性値と、・・・、前記第n部品に使用される材料の物性値との組み合わせを演算手段により一以上作成するステップと
前記組み合わせのそれぞれについて、前記透光板を透過して前記構造物内の人体に到達する日射量の計算、前記構造物内における対流熱伝達の計算、前記構造物内における放射熱伝達の計算、前記構造物内における湿度の計算および前記人体の体温調節の計算を演算手段により連成して行い、
前記人体の皮膚表面からの熱損失量、前記人体の皮膚温、および発汗による前記人体のぬれ率を算出し、前記熱損失量、前記平均皮膚温、および前記ぬれ率を用いて、演算手段により前記人体の温熱感覚を示す温熱指標を算出するステップと、
予め温熱指標の最適値をインターフェースより入力するステップと、
前記算出結果と前記最適値を比較して前記温熱指標が所定の最適値に最も近い前記物性値の組み合わせを評価手段によって選択するステップと、
を有することを特徴とする人体温熱快適性を考慮した構造物の設計支援方法。
First, second, ..., (the n 2 or greater natural number) first n parts structure that consists in said at least one of the parts there is a transparent plate attached to the lighting In the structure design support method considering human thermal comfort ,
Setting a design shape from the space region between each of the parts and the human body and inputting it via an interface;
One or more candidate materials used for the first part, one candidate material used for the second part,..., One or more candidate materials used for the nth part, respectively , Selecting each part according to the design shape and inputting it via the interface;
Reading out physical property values of candidate materials prepared for each of the parts stored in the database provided in the external storage device according to the input ;
From the read physical property values, the physical property values of the material used for the first part, the partial property values of the material used for the second part,..., The material used for the nth part. and creating one or more by a combination of the physical properties of the calculating means,
For each of the combinations, the calculation of the amount of solar radiation reaching the human body transparent plate within said structure passes through the calculation of convective heat transfer within the structure, the calculation of the radiant heat transfer within said structure, The calculation of the humidity in the structure and the calculation of the body temperature regulation of the human body are performed by an arithmetic means ,
The amount of heat loss from the skin surface of the human body, the skin temperature of the human body, and the wet rate of the human body due to sweating are calculated, and the calculation means uses the heat loss amount, the average skin temperature, and the wet rate. Calculating a thermal index indicating the thermal sensation of the human body;
Inputting the optimum value of the thermal index in advance from the interface;
Comparing the calculation result with the optimum value and selecting the combination of the physical property values with which the thermal index is closest to a predetermined optimum value by an evaluation means ;
A structure design support method that takes into account human thermal comfort.
第1、第2、・・・、第n部品(nは2以上の自然数)で構成される構造物で、前記各部品の少なくともいずれか1つが採光のために取り付けられた透光板である人体温熱快適性を考慮した構造物の設計支援方法において、
前記各部品と人体との間の空間領域から設計形状を設定してインターフェースを介して入力するステップと、
前記第1部品に使用される形状の候補、前記第2部品に使用される形状の候補、・・・、前記第n部品に使用される形状の候補をそれぞれ一以上用意し、前記部品毎に用意された形状の候補のデータ(以下、形状データという)をそれぞれ選択してインターフェースを介して入力するステップと、
外部記憶装置に設けられたデータベースに格納された前記形状データを前記部品毎に
前記入力に従い読み出すステップと
読み出された前記形状データから前記第1部品に使用される形状データと、前記第2部品に使用される形状データと、・・・、前記第n部品に使用される形状データとの組み合わせを演算手段により一以上作成するステップと
前記組み合わせのそれぞれについて、前記透光板を透過して前記構造物内の人体に到達する日射量の計算、前記構造物内における対流熱伝達の計算、前記構造物内における放射熱伝達の計算、前記構造物内における湿度の計算および前記人体の体温調節の計算を演算手段により連成して行い、
前記人体の皮膚表面からの熱損失量、前記人体の皮膚温、および発汗による前記人体のぬれ率を算出し、前記熱損失量、前記平均皮膚温、および前記ぬれ率を用いて、演算手段により前記人体の温熱感覚を示す温熱指標を算出するステップと、
予め温熱指標の最適値をインターフェースより入力するステップと、
前記算出結果と前記最適値を比較して前記温熱指標が所定の最適値に最も近い前記物性値の組み合わせを評価手段によって選択するステップと、
を有することを特徴とする人体温熱快適性を考慮した構造物の設計支援方法。
First, second, ..., (the n 2 or greater natural number) first n parts structure that consists in said at least one of the parts there is a transparent plate attached to the lighting In the structure design support method considering human thermal comfort ,
Setting a design shape from the space region between each of the parts and the human body and inputting it via an interface;
One or more shape candidates used for the first part, one shape candidate used for the second part,..., One or more shape candidates used for the n-th part are prepared. Selecting each prepared shape candidate data (hereinafter referred to as shape data) and inputting it via an interface;
The shape data stored in the database provided in the external storage device for each part
Reading according to the input ;
A combination of shape data used for the first part, shape data used for the second part,..., Shape data used for the nth part from the read shape data. and creating one or more by calculation means,
For each of the combinations, the calculation of the amount of solar radiation reaching the human body transparent plate within said structure passes through the calculation of convective heat transfer within the structure, the calculation of the radiant heat transfer within said structure, The calculation of the humidity in the structure and the calculation of the body temperature regulation of the human body are performed by an arithmetic means ,
The amount of heat loss from the skin surface of the human body, the skin temperature of the human body, and the wet rate of the human body due to sweating are calculated, and the calculation means uses the heat loss amount, the average skin temperature, and the wet rate. Calculating a thermal index indicating the thermal sensation of the human body;
Inputting the optimum value of the thermal index in advance from the interface;
Comparing the calculation result with the optimum value and selecting the combination of the physical property values with which the thermal index is closest to a predetermined optimum value by an evaluation means ;
A structure design support method that takes into account human thermal comfort.
前記温熱指標を算出するステップは、
記構造物内の表面形状を複数の表面要素に分割して構造物形状モデルを作成し、前記構造物内の人体の表面形状を複数の表面要素に分割して人体形状モデルを作成し、前記構造物と前記人体との間の空間領域を複数の立体要素に分割して空間領域モデルを作成するステップと
記人体形状モデルを人体の部位に対応した複数の部位に分類するとともに、前記人体内の産熱と前記人体外への放熱とをバランスさせる体温調節モデルを前記部位毎に組み込むステップと
記透光板を透過して前記人体形状モデルに到達した日射、前記空間領域における対流、前記人体形状モデルからの放射、および前記構造物形状モデルからの放射によって輸送される熱量を前記空間領域モデルで数値シミュレーションし、このシミュレーション結果に基づいて前記空間領域における温度気流性状を算出するステップと
記温度気流性状、前記人体形状モデル周辺の湿度、前記人体形状モデルの代謝量および前記人体形状モデルの着衣量に基づいて前記体温調節モデルで数値シミュレーションすることにより、前記人体の皮膚表面からの熱損失量、前記人体の皮膚温、および前記人体 のぬれ率を算出するステップと
記熱損失量、前記平均皮膚温、および前記ぬれ率を用いて、前記人体の温熱感覚を示す温熱指標を算出するステップと、
さらに含むことを特徴とする請求項1または2に記載の人体温熱快適性を考慮した構造物の設計支援方法。
Steps of calculating the thermal indicator,
Before Symbol the surface shape of the structure is divided into a plurality of surface elements to create a structure shape model, to create a human body shape model by dividing the surface of the human body shape in the structure into a plurality of surface elements, and creating a spatial domain model by dividing a spatial region between the human body and the structure into a plurality of solid elements,
With classifying pre Symbol human body shape model into a plurality of portions corresponding to the human body parts, and incorporating a thermoregulation model to balance the heat radiation to the person outside the thermogenesis in said body for each of the sites,
Solar radiation that reaches the human body shape model passes through the pre KiToruhikariban, convection in the spatial domain, the radiation from the human body shape model, and the spatial region the amount of heat transported by radiation from the structure shape model Performing a numerical simulation with a model, and calculating a temperature airflow property in the spatial region based on the simulation results ;
Before SL temperature air flow characteristics, the human body shape model neighborhood humidity, by numerical simulation with the thermoregulatory model based on clothing amount of metabolic rate and the human body shape model of the human body shape model, from the human skin surface Calculating a heat loss amount, a skin temperature of the human body, and a wetting rate of the human body ;
Before Stories heat loss, the steps of the average skin temperature, and using the wetting rate, calculates a thermal index indicating the thermal sensation of the human body,
The structure design support method considering human thermal comfort according to claim 1 or 2, further comprising:
前記透光板は、単板のガラス板、複層ガラス、有機樹脂膜とこの有機樹脂膜を挟む複数のガラス板とで構成された合わせガラス、有機樹脂膜、および有機樹脂板から選ばれるいずれか一つ以上である請求項1〜3のいずれか1項に記載の人体温熱快適性を考慮した構造物の設計支援方法。  The translucent plate is selected from a single glass plate, a multi-layer glass, a laminated glass composed of an organic resin film and a plurality of glass plates sandwiching the organic resin film, an organic resin film, and an organic resin plate The design support method for a structure in consideration of human body thermal comfort according to any one of claims 1 to 3. 前記透光板の物性を、日射透過率、日射吸収率、放射率、および熱貫流率の組み合わせによって規定する請求項1〜4のいずれか1項に記載の人体温熱快適性を考慮した構造物の設計支援方法。  The structure considering the human body thermal comfort according to any one of claims 1 to 4, wherein physical properties of the translucent plate are defined by a combination of solar radiation transmittance, solar radiation absorption rate, emissivity, and thermal transmissivity. Design support method. 前記温熱指標は、前記人体の部位を考慮した標準新有効温度、またはこの標準新有効温度を変形して作成した快適性能を示す指標である請求項1〜5のいずれか1項に記載の人体温熱快適性を考慮した構造物の設計支援方法。  6. The human body according to claim 1, wherein the thermal index is a standard new effective temperature in consideration of a part of the human body or an index indicating comfort performance created by deforming the standard new effective temperature. Structure design support method considering thermal comfort. 演算手段により、前記構造物の設計形状から定まる内の人体と前記各部品との間の形態係数を求めるステップと前記形態係数を用いて前記温熱指標を算出するステップをさらに含む請求項1〜6のいずれか1項に記載の人体温熱快適性を考慮した構造物の設計支援方法。 By calculating means, and steps asking you to view factor between the human body and the respective part of which is determined by the design shape of the structure, according to claim 1, further comprising the step of calculating the thermal indicator using the form factor The structure design support method considering human body thermal comfort according to any one of -6. 前記構造物は、空調冷暖房設備、放射冷暖房設備、換気設備、および湿度調整設備から選択される少なくとも1つを有し、
前記温熱指標は、外部記憶装置に設けられたデータベースに格納された前記選択された設備のデータを用いて演算手段により算出される請求項1〜7のいずれか1項に記載の人体温熱快適性を考慮した構造物の設計支援方法。
The structure has at least one selected from an air conditioning heating and cooling facility, a radiant cooling and heating facility, a ventilation facility, and a humidity adjustment facility,
The human thermal comfort according to any one of claims 1 to 7, wherein the thermal index is calculated by a calculation unit using data of the selected equipment stored in a database provided in an external storage device . Design support method for structures considering the above.
構造物内にサーマルマネキンを設置し、このサーマルマネキンに投入した熱量Q、前記サーマルマネキン周りの対流熱伝達量Q、前記サーマルマネキンの放射熱伝達量Qr(net)、および前記サーマルマネキンに到達する日射吸収熱量Q の測定結果に基づいて、対流熱伝達率αci演算手段により算出する請求項1〜8のいずれか1項に記載の人体温熱快適性を考慮した構造物の設計支援方法。A thermal manikin is installed in the structure, and the amount of heat Q t input to the thermal manikin, the convective heat transfer amount Q c around the thermal manikin, the radiant heat transfer amount Q r (net) of the thermal manikin, and the thermal manikin based on the measurement result of the solar radiation absorption heat Q s to reach, of the structure in consideration of human thermal comfort according to any one of claims 1 to 8 is calculated by calculating means convective heat transfer coefficient alpha ci Design support method. 第1、第2、・・・、第n部品(nは2以上の自然数)で構成され、前記各部品の少なくともいずれか1つが採光のために取り付けられた透光板である構造物の設計を支援するためのプログラムであって、
前記請求項1〜9のいずれか1項に記載のステップをコンピュータに実行させるための人体温熱快適性を考慮した構造物の設計支援プログラム。
Design of a structure which is composed of first, second,..., N-th parts (n is a natural number of 2 or more), and at least one of the parts is a translucent plate attached for daylighting. A program for supporting
A structure design support program considering human thermal comfort for causing a computer to execute the steps according to any one of claims 1 to 9.
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