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温熱環境シミュレーションと背景
地球温暖化は、自然の生態系及び人類に悪影響を及ぼすものであり、その予想される影響の大きさや深刻さから見て、最も重要な環境問題の一つです。日本は京都議定書の締結を受けて、基準年の温室効果ガスの排出量に比べ6%の削減を2008〜2012 年に達成する義務を有しています。しかし、日本の温室効果ガス排出量は既に基準年に比べ2001 年度で5.2%増加しており、特に約9 割を占める石油、石炭等のエネルギーを起源とする二酸化炭素排出量の削減においては、既存の対策に加え、さらなる対策を講じることが求められています。
二酸化炭素排出量のうち、民生（業務）分野からの排出量の占める割合は15.5%（2001 年度現在）、また、民生（業務）分野の排出量の1990 年度から2001 年度までの増加率は30.9%となっており、急激な増加を続ける民生（業務）分野からの排出量の抑制は急務の課題となっています。しかし、民生（業務）分野に該当する業務系施設は小規模施設を多く含んでおり、対策技術の導入が進んでいません。また、施設の種類・内容が非常に多岐にわたっていることから、一律の方策では対策導入を促し難いという実態があります。確実な導入効果を見込むことのできるハード対策技術の周知や、業種の特性に応じた効果的な方策による対策技術の導入・普及が求められています。
このような背景から、経済産業省、省エネルギー庁、環境省、国土交通省等から、具体的な方策や対策技術の指針等が数多く提案されています。
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温熱環境シミュレーションの必要性
温暖化対策は二酸化炭素の発生を抑制することであり、石油や天然ガスおよび電力の消費を抑制することに帰結し、省エネルギー対策に通じます。前記の対策技術の主眼は、対象となる各種施設、すなわち建築物の最適な温熱環境と省エネルギーの両立を実現することです。
このように、建築物の快適性と省エネルギーの両立を検討する場合、各種設定条件を与えて建築物の温熱環境を予測するシミュレーションモデルが必要になります。
温熱環境シミュレーションの概要
建築物の温熱環境を予測するシミュレーションモデルは、大きく換気系と伝熱系に分けられます。
換気系は、建物外部の境界条件から建物内の空気の流れを予測するもので、連続の式、運動方程式(ナビエストークスの式)を差分法や有限要素法等で離散化して計算し、建物内の圧力・速度分布を求めるミクロ的アプローチと、ベルヌーイの式をベースに、空調系ダクトを含む大規模な建築物全体の空気の流れを求める換気回路網モデル のようなマクロ的アプローチがあります。
差分法や有限要素法は、対象となる建築物の空気の流れを詳細にバッチ的に解析する場合には有効ですが、空間を細かくメッシュ分割するため計算負荷が大きく、空調ダクト系を含む大規模な建物全体の空気の流れを解析する場合やオンラインで空調制御に利用する場合には不向きです。
そこで、このような場合に有効な手法が換気回路網モデルです。空調ダクトを含む建物内の空気の流れを、セル（ゾーン）と流路にモデル化し、各セルの圧力と流路の流れの方向と流量を算出します。 これにより、大規模な建築物、例えばオフィスビルやデパート、スーパー、旅館、ホテル等が解析でき、さらにこれらの建築物の空調制御もオンライン制御が可能となります。
次に伝熱系は、建築物の部屋毎に入ってくる熱と出てゆく熱のバランスを算出し、入熱と出熱の差が部屋の温度変化に相当すると考えるヒートバランス(熱平衡) モデルで計算します。この時、換気回路網で得られた換気量による熱量を考慮し、さらに温度と共に湿度もバランス計算により算出します。また、温度、湿度のほかに、換気回路網モデルで算出した空気の流速等から、室内の快適環境指標であるPMVも算出でき、室内の快適性を検討・評価する際に有効です。
快適性が低い場合は、空調機器による空調制御を行うが、ここでも空調負荷計算モデルにより、空調機器の電力消費を予測し、求める環境を実現する際の電力消費量を予測します。これにより、省エネルギーと快適性の両立を実現します。
温熱環境シミュレーションの効果
大規模建築物の温熱環境をシミュレーションする事ができ、換気回路網モデルの結果は、建物内(室内)の換気の流れや換気量の検討、空調ダクト系の性能検討に有効であり、伝熱解析は、室内環境の最適化を図る際に、自然環境を利用する場合と空調制御を併用する場合の両方についてシミュレーションでき、快適性と省エネルギーの両立の検討を可能とします。
さらに、計算負荷が小さく応答性に優れるので、オンライン・リアルタイム制御に組み込むことができ、高機能な建築物のエネルギー管理・制御(BEMS)に利用できます。 アイピースクエアはセンサーネットワークと温熱環境シミュレーションを効果的に連携するシステム（データマイニング）にも取り組んでおります。 お問い合わせお待ちしています。 |
