エネルギー効率のための複雑な有窓システム

Eurac Researchの科学者はシミュレーションを使用して, 建物のエネルギー効率を改善し, 人々の視覚的および熱的快適性を高めようとしています.


Jennifer Hand著
2019年7月

エネルギー効率は, 使用者にとって費用を節約し, 居住者の快適性を向上させ, 環境への影響を減らすことができるため, 建物や開窓(建物のエンベロープの開口部に適用される用語)にとって重要な考慮事項です. 窓枠, ガラス, 窓, ドア, 天窓のシェーディングアタッチメントなどの部品は, エネルギー効率に大きく貢献します. 直射日光と熱増加を制御することにより, まぶしさを最小限に抑え, 日光を快適に分配し, 暖房, 冷房, および人工光の需要を減らします.

ただし, 開窓部品の相互作用は予期しない影響を与える可能性があり, これは窓およびドアシステムの熱および光透過特性を決定するための計算手順を示すISO 15099:2003では完全にはカバーされていません. この規格は, 例えば, シェーディングシステムの複雑なジオメトリや, 反射率の高いコーティングなどの特定のタイプの塗布されたコーティングなどの特性は考慮していません.

「主な問題は, 標準の計算方法がすべてのシェーディングシステム(例えば2つのガラスの間にあるブラインド)を3D構造ではなく, 平行なレイヤーとして扱うことです」と, イタリア北部のボルツァーノにある Eurac Research のジュニアリサーチャー, Ingrid Demanega氏は説明します. 「ブラインドのスラットは, ベネチアンブラインドのようにスラットが湾曲している場合でも, 空気が流れる単純な1D開口部と見なされ, 対流熱伝達は圧力損失の観点からのみ測定されます. スラットも理想的な拡散表面であると想定されています. このアプローチは, 光学モデリングと熱モデリングの両方の精度に影響します」(図1).

Figure 1. Standard (left) and complex (right) fenestration systems.

標準(左)および複雑な(右)開窓システム.

Demanega氏率いるEurac Research のチームは, ボーゼン・ボルツァノ自由大学の物理学を構築する研究グループと協力して, 現在のアプローチの限界を特定し, ボーゼン・ボルツァーノ自由大学のリビングラボに設置された商用開窓システムの物理テストとシミュレーション結果を比較することにより, 新しいアプローチを定義することを試みました(図2).

Figure 2. Setup at the Living Labs of the Free University of Bozen-Bolzano, including two heat flux plates, an in situ device designed by the University of Innsbruck to measure the overall heat flux, and several thermocouples for the surface and air temperature measurement.

ボーゼン・ボルツァノ自由大学での設定. 2つの熱流束プレート, 全体の熱流束を測定するためにインスブルック大学が設計した現場装置, および表面と気温の測定用のいくつかの熱電対が含まれます.

新しい光学モデルの創造

チームがシミュレーションを開始したオンサイトの開窓設置は, 2つの密閉された空洞と外部空洞に統合されたブラインドを組み込んだ三重ガラスシステムです. このブラインドには, 日射を遮断して建物内の人々に快適さを提供するように設計された高反射コーティングが施された湾曲したスラットがあります. 最初のステップは, 光学モデリングを使用して, 施設が吸収する日射量を計算することでした.

Window7などの主要な開窓シミュレーションツールは, ISO 15099とラジオシティアプローチに基づいています. ただし, より詳細なモデリングデータを追加することでこれを変更できます. Eurac チームは, Radiance を使用して, 双方向散乱分布関数に基づくデータを使用しました. この関数は, 太陽光線がどのように分割され, 表面を通過するときにその強度がどのように変化するかを記述し, 複雑なジオメトリや反射率の高い表面に適用できるようにします. 光線追跡と各ガラスペインおよび各シェーディング部品の解析を通じて, チームはグレージング系によって吸収された日射の総量を計算しました.

熱流束と流体流れのモデリング

吸収された太陽放射照度の一部は, 包括的な熱モデリングのためにCOMSOL Multiphysics® に送られます. Demanega氏はローカルに設置された開窓システムをモデリングすることでメッシュ感度分析を実行しました(図3). 事前分析では, 彼女はブシネスク近似を使用し, ブシネスク近似による非圧縮性流れと圧縮性流れの両方を検討しました. 「シミュレーション時間は圧縮性流体の方がはるかに長いことに気づきましたが, 結果は類似していたため, 非圧縮性流体を使用することにしました」と彼女は説明します.

Figure 3. Mesh typologies for standard fenestration system without blinds: normal structured (left), coarser unstructured (center), and normal unstructured (right).

ブラインドのない標準的な開窓システムのメッシュの類型:通常の構造化(左), 粗い非構造化(中央), および通常の非構造化(右).

輻射交換を計算するために, Demanega氏は長波長輻射に対して表面間(ラジオシティ)法を使用しました. さらに, 彼女は2つの輻射グループを作成しました. 1つは第1キャビティの内壁とブラインド用, もう1つは第2キャビティのすべての内壁用です.

「様々なアプローチを検討した後, 低レイノルズ数の壁処理でk-ε乱流モデルを使用して流体の問題を求解することを選択しました. これにより, 正確な結果を持つ堅牢なシミュレーションが実現しました.」

Demanega氏は, 中央に三角形のメッシュを, 境界に長方形のマップされたメッシュを使用して設定を確定しました. 「それ以上の改善が見られなくなるまでサイズを変更しました. 結局, メッシュは多かれ少なかれ20000要素でした」(図4).

Figure 4. From left to right: glass pane, cavity containing blind, second glass pane, second cavity containing argon and air only, and third glass pane. In this case, the two cavities are sealed, not ventilated. Close-up image of the mesh around the blind and near the edges of the cavity.

左から, ガラス板, ブラインドを含むキャビティ, 2番目のガラス板, アルゴンと空気のみを含む2番目のキャビティ, 3番目のガラス板. この場合, 2つのキャビティは密閉されており, 換気されていません. ブラインドの周囲とキャビティのエッジ付近のメッシュの拡大画像.

定常状態のシミュレーション

夏の標準的な米国有窓格付け評議会(NFRC)の定常境界条件に従って, 外気温は32°C/89.6°Fに設定され, 内部は24°C/75.2°Fで, 太陽放射輝度は783 W/ m2でした. 一体型ブラインドは, 完全に閉じた状態(75°の角度), ほぼ完全に開いた状態(18°), およびその中間(37°)の3つの異なる位置でモデル化されました(図5).

Figure 5. CFD results show how convection affects the temperature of a window in a standard (left) and complex (right) fenestration system.

CFDの結果は, 標準(左)および複雑な(右)開窓システムの対流が窓の温度にどのように影響するかを示しています.

チームメンバーは2種類のシミュレーションを実行しました. 彼らは, 光学モデリングに Radiance を使用して太陽放射の吸収率を計算し, 次に熱伝導と流体の流れの計算に COMSOL Multiphysics を使用しました. 彼らはまた, ISO 15099計算でWindow7を使用する標準的な方法に従いました.

対照群として, チームは, 静止状態を使用するブラインドの有無にかかわらず, 標準的な開窓システムもモデル化しました. シミュレーション結果は, ブラインドのないシステムの2つのアプローチ間の明確な対応と, ブラインドのある標準システムのほぼ完全な対応を示しました.

時間依存条件

動的挙動のシミュレーションでは, チームは地元の気象ステーションからのデータを光学シミュレーションへの入力に使用し, CFDシミュレーションの境界条件として内部および外部グレージングの表面温度を測定しました. これらの境界条件は, 離散的な温度値と300秒のタイムステップのデータセットをインポートすることにより, COMSOL Multiphysics に実装されました. 次に, これらの値は多項式関数で補間され, 適切なガラス面に割り当てられました. 窓システムの内面の熱流束のシミュレーションは, 同じ面で測定された熱流束と比較されました(図6).

Figure 6. Correspondence between the time-dependent simulation of the commercial system at Free University of Bozen-Bolzano and physical measurements of heat flux on the internal side over the total height of window.

ボーゼン・ボルツァノ自由大学の商用システムの時間依存シミュレーションと, 窓の全高さの内側の熱流束の物理的測定値との対応.

「2つの異なる環境でシミュレーションを実行すると, どちらか一方に障害が発生する可能性があったため, 完全に閉じた位置でのシミュレーション結果とブラインドの物理的測定値の対応を見つけることができて非常に嬉しく思います」とDemanega氏はコメントします.

非常に便利なツール

Radiance と COMSOL® を使用した手法の検証は, Eurac の研究チームが部品の温度と複雑な開窓システムを通る熱の流れを正確に評価するための非常に便利なツールを手に入れたことを意味します.

Demanega氏によれば, 結果は熱のモデリングの前に一次太陽放射を理解し, 放射の吸収と再放出によって引き起こされる二次熱増加を測定するための詳細な光学モデリングの価値を示しています.

「特に, 標準的なアプローチは温度の垂直分布を考慮していません. 構成部品の温度は建物のファサードの構造的完全性と内部の人々の快適性の両方に影響を与えるため, キャビティの上部, 下部, ガラス, ブラインドの温度分布について詳しく知ることが重要です.」

知識を得て, チームはさまざまなブラインド位置のアプローチを検証しており, ダブルスキンのファサードによく見られる統合ブラインドを含む自然換気キャビティにこのアプローチを適用することを楽しみにしています. チームはこの情報を建設業界に広める方法も検討しており, 複雑な開窓システムのモデリングを専門家がより広く利用できるようにするシミュレーションアプリケーションの実現可能性を検討しています.

謝辞

この研究は, 欧州地域開発基金と Interreg ITA AUT プログラムによって資金提供されたプロジェクト「FACEcamp n. ITAT1039」の研究活動と, ボーゼン・ボルツァーノ自由大学のプロジェクト「IBAS ―エネルギー消費と屋内環境品質の最適化のためのインテリジェントビルディングオートメーションシステム」の研究活動の枠組みの中で開発されました.

Ingrid Demanega, ジュニアリサーチャー, Eurac リサーチ



Radiance はローレンスバークリー国立研究所を通じてカリフォルニア大学リージェンツ校よりライセンスされるサードパーティーツールです.

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