ご自宅のように, 周囲の環境にさらされる密閉構造物の温度を素早く予測したいと思ったことはありませんか? 室内温度は, 周囲の気温, 風速, 太陽光負荷など, 様々な要因によって大きく変動します. そのため, 計算を簡略化するために, 室内の空気は十分に混合されていると近似することがよくあります. 本日は, COMSOL Multiphysics® ソフトウェアに含まれる, このような熱モデルを素早く構築するためのツールについて解説します.
家の中と周囲の空気の流れの近似
例えば, 周囲の環境にさらされる密閉構造物の温度を素早く予測したいとします. これは, 電柱の接続箱や輸送コンテナといった小さな構造物かもしれませんし, あるいは誰もがよく知っている家かもしれません.
まず, 下図のような小さな家を考えてみましょう. この家は, 4つの壁, 屋根, 1つの大きな部屋, 1つのドア, そしていくつかの窓を備えています. 室内の空気はファンによって十分に循環していると仮定します. つまり, 室内のどの地点で気温を測定しても, 他のどの地点でも同じ温度になるということです. これは, 混合換気システム の場合の状況を非常によく近似したものです.
非常にシンプルな住宅モデル. ここで注目するのは, 建物内の温度です.
空気は十分に循環しているので, 空間的に均一な単一の気温を解くだけで済みます. この部屋の気温は, 冷暖房, そして壁を通じた熱伝達によって時間とともに変化します. 壁の外側では, 周囲の気温, 風速, 太陽熱負荷を反映するために, 熱境界条件も適用する必要があります.
天候が予測不可能であることは周知の事実です. そのため, 家の 周囲 の環境の熱モデルを構築しようとするのではなく, 過去の気象データ を参照します. アメリカ暖房冷凍空調学会 (ASHRAE) は, 世界各地の気象観測所で収集された情報をデータベース化しています. 伝熱モジュール では, この表形式のデータを COMSOL Multiphysics のシミュレーションの入力として利用できます.
気象観測所は, 直達日射量と散乱日射量, 風速, 気温を記録します.
表形式の気象データには, 世界中の約8,000の気象観測所の過去のデータが含まれています. 気温, 露点, 風速, 気圧, そして暦日と時刻の関数として直達日射量と散乱日射量が利用可能です. 直達日射量は太陽から直接降り注ぐ放射量を指し, 散乱日射量は大気中の微粒子や雲を透過した直達太陽光の散乱によって生じます. 近隣の気象観測所のデータは, モデルの環境条件の妥当な推定値として利用できます. 平均気温, 平均最低気温または平均最高気温, あるいは最高最低気温, 露点, 風速のどれを使用するかは, ご自身で決定できます. 平均最高気温と平均最低気温は, 平均値 ±1 標準偏差として定義されます.
2日間の平均気温, 平均最高気温と平均最低気温, 最高気温と最低気温のサンプルプロット.
COMSOL Multiphysics のこれらの機能を使用して, 家の中の空気と屋外の環境条件をモデル化する方法について見ていきましょう.
室内のよく混合された空気: 等温ドメイン
家の中の空気のようなよく混合された 流体ドメイン をモデル化するには, 伝熱モジュール の等温ドメイン機能を使用します. この機能を使用するには, まず 物理モデル 設定で該当するチェックボックスをオンにする必要があります (下のスクリーンショットを参照).
等温ドメイン チェックボックス.
この機能を有効にすると, 伝熱 インターフェースに 等温ドメイン 機能を追加できるようになります (下のスクリーンショットを参照). デフォルトでは, この機能は割り当てられた材料特性に基づいて, ドメインの総質量と熱容量を計算します. 必要に応じて, ユーザーが指定したドメイン質量と比熱でこれらの計算を上書きできます.
等温ドメイン インターフェース.
等温ドメインの温度変化は, その境界を通過するドメインへの熱流束とドメイン外への熱流束によって時間的に変化します. これは, 以下のスクリーンショットに示す等温ドメインインターフェース境界条件によって定義されます. 以下の条件から1つを選択できます:
- 断熱
- 連続性
- 熱接触
- 換気
- 対流熱流束
これらの条件のうち最後の 対流熱流束 は, よく混合された流体ドメインの平均温度と固体ドメイン間の熱伝達を記述するのに最適です.
等温ドメインと周囲のドメインとの間の境界条件.
ここまで家屋内の均一な空気温度を定義する方法を見てきました. 次は, 外界に目を向け, 周囲環境にさらされる外面の境界条件について見ていきましょう.
表形式の環境熱条件
まず最初に, 定義の下に 外気熱特性 ノードを追加します. 次に, データソースとして 気象データ (ASHRAE 2017) を選択し, 使用するデータを持つ気象観測所の所在地 (この例では ボストン) を選択します. 約8,000の気象観測所から選択できます.
周囲環境データソースの選択を示すスクリーンショット.
観測所を選択すると, データと時刻を更新できます. 非定常解析の場合, 時刻は t = 0 秒の時刻に対応します. デフォルトでは, ソフトウェアはソルバーから時刻を更新するため, 長時間のシミュレーションを実行すると周囲条件が変化します.
温度, 露点温度, 風速については, 選択した観測所で行われた測定の平均重みに対応する平均値 (デフォルトオプション) を使用できます. また, 特定の観測所で記録された最小値や最大値など, 他の値を使用することもできます. 温度のオプションの一部は, 前のサンプルプロット に示されています.
周囲環境データの定義方法を示すスクリーンショット.
周囲条件を定義すると, 周囲の気温と風速が定義され, 熱流束境界条件など, フィジックスインターフェース内の他の機能から参照できるようになります.
外気温度, 気圧, 風速は, 熱流束境界条件によって参照されます.
周囲太陽放射照度は, 下図に示すように, 太陽位置 オプションを使用する際に, 表面間 インターフェースの 外部輻射源 機能で使用されます. 周囲データには, 晴天時の正午の太陽放射量が含まれていることに注意してください. この機能で場所と時刻を入力すると, 以前の太陽熱に関するブログ で説明したように, ソフトウェアは一日を通して入射太陽光の方向を自動的に再計算します.
周囲太陽放射照度は, 外部放射源機能 の入力データです.
利用可能な機能をすべて確認したので, 代表的な結果をいくつか見てみましょう. 例えば, 下のアニメーションは, 温度の時間変化をプロットし, 太陽放射の入射方向を示しています.
温度と入射太陽放射量を示すアニメーション.
COMSOL Multiphysics® における熱モデリングのさらなる可能性
ここでは, 周囲環境にさらされ, よく混合された空気で満たされた構造物のモデリングに役立つ機能を見てきました. COMSOL® では, 以下のような類似の解析も実行できます:
- 構造物内の気流と気温の変化
- 構造物の能動的な暖房と冷房
- パイプ流れモジュール, を使用した暖房と換気のためのパイプ流れ
- 熱橋による熱損失
解析を始めるにあたって, 以下のサンプルモデルをご利用ください:
- 建築構造における熱橋 — 2つの階層間の 3D 構造
- 建築構造における熱橋 — 断熱層を貫通する 3D 鉄筋
- 建築構造における熱橋 — 2D 角柱
- 建築構造における熱橋 — 2D 複合構造
- パラメーター化された窓とグレージングのプリセットモデル
- パラメーター化された窓のプリセットモデル
- パラメーター化されたローラーシャッターのプリセットモデル
編集者注: このブログは2019年4月1日に更新されました.
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