室内温度分布モデル作成装置及び室内温度分布モデル作成方法
【課題】 室内の精密なモデルを作成する室内温度分布モデル作成装置及び室内温度分布モデル作成方法を提供する。
【解決手段】 モデル化する対象のデータを入力するステップと、室内を複数のゾーンに分割し、上下温度分布を表現する温度成層化ゾーンＡを作成するステップと、室内外を画成する外皮が外気に接することで外皮の内表面側に下降流や上昇流を生じる温度境界層ゾーンＢを作成するステップと、発熱体ごとに発熱体ゾーンＣを設定し、発熱体から発生する熱による上昇流からなる熱プルームを発熱体ゾーンＣごとに作成するステップと、ゾーン底面の静圧とゾーン間の空気移動量を求める換気回路網２を作成するステップと、ゾーン間の熱の伝わりやすさを表す一般化熱コンダクタンス３３，３４を求め、熱回路網３を作成するステップと、モデル化した室内の温度分布を出力するステップと、を備えたことを特徴とする。
【解決手段】 モデル化する対象のデータを入力するステップと、室内を複数のゾーンに分割し、上下温度分布を表現する温度成層化ゾーンＡを作成するステップと、室内外を画成する外皮が外気に接することで外皮の内表面側に下降流や上昇流を生じる温度境界層ゾーンＢを作成するステップと、発熱体ごとに発熱体ゾーンＣを設定し、発熱体から発生する熱による上昇流からなる熱プルームを発熱体ゾーンＣごとに作成するステップと、ゾーン底面の静圧とゾーン間の空気移動量を求める換気回路網２を作成するステップと、ゾーン間の熱の伝わりやすさを表す一般化熱コンダクタンス３３，３４を求め、熱回路網３を作成するステップと、モデル化した室内の温度分布を出力するステップと、を備えたことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、室内の温度分布をモデル化し、熱負荷等を検討できる室内温度分布モデル作成装置及び室内温度分布モデル作成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、室内の温度分布を予測する手段として、数値流体解析が用いられていた。しかしながら、数値流体解析は、計算負荷が大きく、数値的な安定性の問題等から長時間の現象を予測することが難しかった。
【０００３】
一方、本発明者は、建築物の熱回路網及び換気回路網モデルを考案していた。これにより実用的に熱負荷計算や平均的室温の変化を計算することができた。しかし今までは、室内の温度は一様混合の１ゾーンモデルであった。
【０００４】
そこで、本発明者は室内の上下温度分布を表現できるモデルとして、室空間を上下に複数に分割した温度成層化ゾーン、発熱体から上昇流が発生する部分を上下に複数に分割した熱プルームゾーン、及び外皮の内表面に接して冷却される下降流が発生する部分を上下に複数に分割した温度境界層ゾーンの複数のゾーンを設け、ゾーン間の空気の移動量や熱の伝わりやすさ等を求め、実測の温度を再現する室内の精密なモデルを作成した（特許文献１参照）。
【０００５】
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−５３７４９号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】（変更？） 宇田川,石田,石野等,「熱負荷算法小委員会報告書-大空間の熱負荷計算法-」,1993年3月,空衛学会,空気調和設備委員会,熱負荷算法小委員会
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上記特許文献１に記載されたものは、熱プルームを１本に想定していたので、これを加熱する複数の日射吸熱の表面が１本の熱プルームを介して平均化され、一様に近い温度になってしまうことがあった。
【０００９】
本発明は上記課題を解決し、室内の実用的なモデルを作成する室内温度分布モデル作成装置及び室内温度分布モデル作成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は上記課題を解決するものであって、室内の温度分布をモデル化する室内温度分布モデル作成装置において、室内を複数のゾーンに分割し、上下温度分布を表現する温度成層化ゾーンを作成する温度成層化領域作成手段と、室内外を画成する外皮が外気に接することで前記外皮の内表面側に下降流や上昇流を生じる温度境界層ゾーンを作成する温度境界層領域作成手段と、発熱体ごとに発熱体ゾーンを設定し、前記発熱体から発生する熱による上昇流からなる熱プルームを発熱体ゾーンごとに作成する熱プルーム領域作成手段と、前記ゾーン底面の静圧と前記ゾーン間の空気移動量を求める換気回路網を作成する換気回路網作成手段と、前記ゾーン間の熱の伝わりやすさを表す一般化熱コンダクタンスを求め、熱回路網を作成する熱回路網作成手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
また、前記熱プルーム領域作成手段は、前記熱プルームの上部を束ねるヘッダーゾーンと、前記熱プルームの下部を束ねるフッターゾーンと、を作成することを特徴とする。
【００１２】
また、前記温度成層化ゾーン間の混合流に関する一般化熱コンダクタンスと、前記換気回路網の流路の圧力損失係数とを、予測値と実測値との誤差の評価関数を最小にするように求めるパラメータ演算手段を有することを特徴とする。
【００１３】
また、前記評価関数は、前記温度成層化ゾーンの各空気温度と前記発熱体の各表面温度に関して、予測値から実測値を差し引いた差の評価期間積分値を、これらの空気と表面温度それぞれで平均化し、さらに空気温度と表面温度の平均温度をとることを特徴とする。
【００１４】
さらに、室内の温度分布をモデル化する室内温度分布モデル作成方法において、モデル化する対象のデータを入力するステップと、室内を複数のゾーンに分割し、上下温度分布を表現する温度成層化ゾーンを作成するステップと、室内外を画成する外皮が外気に接することで前記外皮の内表面側に下降流や上昇流を生じる温度境界層ゾーンを作成するステップと、発熱体ごとに発熱体ゾーンを設定し、前記発熱体から発生する熱による上昇流からなる熱プルームを発熱体ゾーンごとに作成するステップと、前記ゾーン底面の静圧とゾーン間の空気移動量を求める換気回路網を作成するステップと、前記ゾーン間の熱の伝わりやすさを表す一般化熱コンダクタンスを求め、熱回路網を作成するステップと、モデル化した室内の温度分布を出力するステップと、を備えたことを特徴とする。
【００１５】
また、前記熱プルームの上部をヘッダー領域で束ねるステップと、前記熱プルームの下部をフッター領域で束ねるステップと、を有することを特徴とする。
【００１６】
また、前記温度成層化ゾーン間の混合流に関する一般化熱コンダクタンスと、前記換気回路網の流路の圧力損失係数とを、予測値と実測値との誤差の評価関数を最小にするように求めるステップを有することを特徴とする。
【００１７】
また、前記評価関数は、前記温度成層化ゾーンの各空気温度と前記発熱体の各表面温度に関して、予測値から実測値を差し引いた差の評価期間積分値を、これらの空気と表面温度それぞれで平均化し、さらに空気温度と表面温度の平均温度をとるステップを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、室内の温度分布をモデル化する室内温度分布モデル作成装置において、室内を複数のゾーンに分割し、上下温度分布を表現する温度成層化ゾーンを作成する温度成層化領域作成手段と、室内外を画成する外皮が外気に接することで前記外皮の内表面側に下降流や上昇流を生じる温度境界層ゾーンを作成する温度境界層領域作成手段と、発熱体ごとに発熱体ゾーンを設定し、前記発熱体から発生する熱による上昇流からなる熱プルームを発熱体ゾーンごとに作成する熱プルーム領域作成手段と、前記ゾーン底面の静圧と前記ゾーン間の空気移動量を求める換気回路網を作成する換気回路網作成手段と、前記ゾーン間の熱の伝わりやすさを表す一般化熱コンダクタンスを求め、熱回路網を作成する熱回路網作成手段と、を備えたので、実用的なモデルを作成することができる。そして、実用的なモデルにより、冷暖房の定常・非定常の熱負荷の予測ができ、空調機器設定の目安が正確に計算できる。また、部材毎の伝熱量が概算できるので、熱負荷低減アイテムの効果が概算できる。さらに、個々の発熱体による温度変化を、対応する熱プルームが表現できる様になり、より実用的で正確なモデルを作成することができる。
【００１９】
また、前記熱プルーム領域作成手段は、前記熱プルームの上部を束ねるヘッダーゾーンと、前記熱プルームの下部を束ねるフッターゾーンと、を作成するので、プルーム間での循環流を抑制し、より実用的なモデルを作成することができる。
【００２０】
また、前記温度成層化ゾーン間の混合流に関する一般化熱コンダクタンスと、前記換気回路網の流路の圧力損失係数とを、予測値と実測値との誤差の評価関数を最小にするように求めるパラメータ演算手段を有するので、最適なパラメータを求めることができ、より正確なモデルができる。
【００２１】
また、前記評価関数は、前記温度成層化ゾーンの各空気温度と前記発熱体の各表面温度に関して、予測値から実測値を差し引いた差の評価期間積分値を、これらの空気と表面温度それぞれで平均化し、さらに空気温度と表面温度の平均温度をとるので、より正確な評価をすることが可能となる。
【００２２】
さらに、本発明は上記課題を解決する方法であって、室内の温度分布をモデル化する室内温度分布モデル作成方法において、モデル化する対象のデータを入力するステップと、室内を複数のゾーンに分割し、上下温度分布を表現する温度成層化ゾーンを作成するステップと、室内外を画成する外皮が外気に接することで前記外皮の内表面側に下降流や上昇流を生じる温度境界層ゾーンを作成するステップと、発熱体ごとに発熱体ゾーンを設定し、前記発熱体から発生する熱による上昇流からなる熱プルームを発熱体ゾーンごとに作成するステップと、前記ゾーン底面の静圧とゾーン間の空気移動量を求める換気回路網を作成するステップと、前記ゾーン間の熱の伝わりやすさを表す一般化熱コンダクタンスを求め、熱回路網を作成するステップと、モデル化した室内の温度分布を出力するステップと、を備えたので、実用的にモデルを作成することができる。そして、精密なモデルにより、冷暖房の定常・非定常の熱負荷の予測ができ、空調機器設定の目安が正確に計算できる。また、部材毎の伝熱量が概算できるので、熱負荷低減アイテムの効果が概算できる。さらに、個々の発熱体による温度変化を、対応する熱プルームが表現できる様になり、より正確なモデルを実用的に作成することができる。
【００２３】
また、前記熱プルームの上部をヘッダー領域で束ねるステップと、前記熱プルームの下部をフッター領域で束ねるステップと、を有するので、プルーム間での循環流を抑制し、より適切なモデルを作成することができる。
【００２４】
また、前記温度成層化ゾーン間の混合流に関する一般化熱コンダクタンスと、前記換気回路網の流路の圧力損失係数とを、予測値と実測値との誤差の評価関数を最小にするように求めるステップを有するので、最適なパラメータを求めることができ、より正確なモデルができる。
【００２５】
また、前記評価関数は、前記温度成層化ゾーンの各空気温度と前記発熱体の各表面温度に関して、予測値から実測値を差し引いた差の評価期間積分値を、これらの空気と表面温度それぞれで平均化し、さらに空気温度と表面温度の平均温度をとるステップを有するので、より正確な評価をすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本実施形態の室内温度分布作成装置が作成するモデルの概要を示す図である。
【図２】本実施形態の装置構成を示す図である。
【図３】車両を図１に示す領域に分割する例を示す図である。
【図４】図３に示す車両に換気回路網を構築しモデル化した図である。
【図５】熱プルーム領域の拡大図である。
【図６】図３に示す車両に熱回路網を構築しモデル化した図である。
【図７】実測時の外気温度と相対湿度を示すグラフである。
【図８】法線面直達日射量と水平面天空拡散日射量を示すグラフである。
【図９】頭部のモデルによる計算値と実測値のグラフである。
【図１０】胸部のモデルによる計算値と実測値のグラフである。
【図１１】膝先のモデルによる計算値と実測値のグラフである。
【図１２】足元のモデルによる計算値と実測値のグラフである。
【図１３】ルーフ中央部のモデルによる計算値と実測値のグラフである。
【図１４】ドア後左部のモデルによる計算値と実測値のグラフである。
【図１５】右シート背面のモデルによる計算値と実測値のグラフである。
【図１６】右シート座面のモデルによる計算値と実測値のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図面を参照して本発明にかかる実施形態の室内温度分布作成装置１について説明する。
【００２８】
図１は、本実施形態の室内温度分布作成装置１が作成するモデルの概要を示す図である。図１において、Ａは温度成層化領域、Ｂは温度境界層領域、Ｃは熱プルーム領域を示す。また、換気回路網２では、矢印２１は空気の移動を表す換気回路網の流路を示す。さらに、熱回路網３では、節点３１は例えば外気温度等の既知の温度を表す与条件温度節点、節点３２は温度が未知な未知数温度節点を示し、第１熱コンダクタンス３３は伝導・伝達・貫流・放射等の一般化熱コンダクタンス、第２熱コンダクタンス３４は移流・対流による一般化熱コンダクタンスを示し、太矢印３５は節点への発熱量を示す。なお、一般化コンダクタンスとは、伝導、伝達、放射、貫流、移流等すべての伝熱形態の熱の伝わりやすさを表す。
【００２９】
本実施形態では、温度成層化領域Ａ、温度境界層領域Ｂ及び熱プルーム領域Ｃに区分する。また、温度成層化領域Ａ及び温度境界層領域Ｂをそれぞれ上下に層状のゾーンＡ１，Ａ２・・・Ｂ３，Ｂ４に分割して、換気回路網２と熱回路網３を構築する。熱プルーム領域Ｃは、発熱体ごとに熱プルームＣ１，Ｃ２，Ｃ３を構築し、複数の熱プルームＣ１，Ｃ２，Ｃ３の上下端を束ね、上端にヘッダーゾーンＣｈ、下端にフッターゾーンＣｆを設けた。
【００３０】
温度成層化領域Ａは、室内の上下温度分布を複数の層に分割し、離散的に表現したものであり、各層内での温度は一様である。温度成層化領域Ａ間の平均的な流れは上向きまたは下向きの押し出し流れであり、こうしたピストン流れとすることが温度成層化を模擬する要件となる。また、自然対流（熱対流のみ）と強制対流（ファン作動時など）の両状態は、温度成層化領域Ａ内の各ゾーン間の混合流の一般化熱コンダクタンス３３，３４の数値を，小さくまたは大きくすることでモデル化する。
【００３１】
温度境界層領域Ｂは、室内外を画成する外皮が外気に接することで外皮の内表面側に下降流や上昇流を生じるゾーンである。例えば、車両の外気温度が外皮を通じて車内を冷却すると、温度境界層領域Ｂを冷却し、温度境界層領域Ｂ内で下降流が生じ，この下降流が温度成層化領域Ａに入り込み、循環流を引き起こす。
【００３２】
熱プルーム領域Ｃは、発熱体から発生する熱による上昇流を生じるゾーンである。例えば、日射を受けた車室内の物体から発生する上昇流を表現するものであり、熱プルーム領域Ｃは、発熱体ごとに熱プルームＣ１，Ｃ２，Ｃ３を構築し、複数の熱プルームＣ１，Ｃ２，Ｃ３の上下端を束ね、上端にヘッダーゾーンＣｈ、下端にフッターゾーンＣｆを設けた。また、上下方向を位置を設定することで，発熱体との接触位置が高い場合、低い場合の熱上昇力の違いを考慮できる様にした。
【００３３】
なお、ファンなどで強制対流加熱した場合には，室内は空気的に混合状態になることから，温度成層化領域Ａの全てのゾーンに発熱量は均等に分散して与えられる。これでも上下温度分布が生成されるのは押し出し上昇流が生じるからである。また、この強制対流加熱状態では熱プルーム領域Ｃ内には加熱源がなく、また熱プルーム流路の断面積が小さいことから熱プルームの流の影響はなくなる。こうして強制対流と自然対流の両状態は同じモデル構造で表現できる。
【００３４】
ここで、換気回路網２と熱回路網３について説明する（詳細については、非特許文献１を参照）。
【００３５】
換気回路網２は、各ゾーン底面の静圧と複数ゾーン間の流量を示すものである。
【００３６】
前提として、各ゾーンでは風量の収支が成り立つとする。また、各ゾーン底面に静圧ｐ(Pa)を持ち、ゾーンの空気密度をρ(kg/m3)とすると、この底面から上方へｈ(m)上がった点での静圧はｐ−ρ・ｈ・ｇ(Pa)とする。空気密度はそのゾーンの空気温度の関数である。流路は、圧力損失係数、指数及び流路面積、さらに基準面からの高さの属性を持ち、流路の通過風量は，前後の静圧差と圧力損失係数、指数および流路面積の関数である。そして、ゾーン数分の静圧に関する非線形連立方程式を修正ニュートンラプソン法で解くことで風量が求められる。
【００３７】
熱回路網３は、熱の移動を示すものである。前提として、各節点では、流入熱流から流出熱流を引いたものが、熱容量に温度変化を乗じたものに等しくなるという熱流収支が成り立つものとする。これを完全連結システムの節点方程式とする。また、伝導、表面伝達、長波長放射、移流など全ての伝熱形態の熱の伝わりやすさを一般化熱コンダクタンス３３，３４という一種類の係数で表現する。従って空気流動による一般化熱コンダクタンス３３，３４も数式記号上は同じ係数となる。
【００３８】
そして、全節点の温度に関する連立常微分方程式が前述の節点方程式から構成され、連立常微分方程式を後退差分などの時間積分法によって解き、毎時間ステップの温度の解を算出する。
【００３９】
次に、換気回路網２と熱回路網３の連成について説明する。換気回路網２の駆動条件となる各ゾーンの密度は熱回路網３の解の温度によって計算される。熱回路網３の係数となる風量は換気回路網２の解から得られる。非定常の時間ステップ毎に、一方の回路網への条件はもう一方の回路網の前時間ステップでの結果をもとにつくる。こうして両モデルの連成がとられる。
【００４０】
図２は本実施形態の室内温度分布作成装置１を用いたシステム構成図である。
【００４１】
入力手段１０１は、モデル化する対象のデータを入力するものである。記憶手段１０２は、演算式等の不変のデータを記憶するものである。入力手段１０１から入力されたデータ及び記憶手段１０２に記憶されたデータは、制御手段１１０に入力される。
【００４２】
室内温度分布作成装置１の制御手段１１０は、温度成層化領域作成手段１１１、温度境界層領域作成手段１１２、熱プルーム領域作成手段１１３、換気回路網作成手段１１４及び熱回路網作成手段１１５、パラメータ演算手段１１６を有する。
【００４３】
温度成層化領域作成手段１１１は、室内を複数のゾーンに分割し、上下温度分布を離散的に表現する温度成層化ゾーンを作成する。温度境界層領域作成手段１１２は、室内外を画成する外皮が外気に接することで外皮の内表面側に下降流や上昇流を生じるゾーンを作成する。なお、温度境界層ゾーンは、複数のゾーンに分割し作成されてもよい。熱プルーム領域作成手段１１３は、発熱体から発生する熱による上昇流を生じるゾーンを作成する。なお、熱プルームゾーンは、複数のゾーンに分割し作成されてもよい。換気回路網作成手段１１４は、ゾーン底面の静圧とゾーン間の空気移動量を求める換気回路網を作成する。熱回路網作成手段１１５は、ゾーン間の熱の移動を求める熱回路網を作成する。パラメータ演算手段１１６については後述する。
【００４４】
制御手段１１０により作成されたモデルは、表示装置等の出力手段１２１に出力される。
【００４５】
図３は、車両５０を図１に示す領域に分割する例を示す図である。車両５０の車室５１内を上下４段の温度成層化領域Ａに区分し、温度境界層領域Ｂとして、屋根温度境界層Ｂ１、窓温度境界層Ｂ２、ドア温度境界層Ｂ３及び床温度境界層Ｂ４を設定したものである。
【００４６】
図４は車両５０に換気回路網２を構築しモデル化した図、図５は熱プルーム領域Ｃの換気回路網２の拡大図である。
【００４７】
図５に示すように、本実施例では、熱プルームを合計１４本有し、各熱プルームは各日射発熱体に対応している。Ｃ１ａは左後部ピラー、Ｃ１ｂは右後部ピラー、Ｃ２ａはインスツルメントパネル、Ｃ２ｂは左ドア内側、Ｃ２ｃは右ドア内側、Ｃ２ｄはリアトレイ、Ｃ２ｅは後席左側背面、Ｃ２ｆは後席右側背面、Ｃ２ｇは左前席背面、Ｃ２ｈは右前席背面、Ｃ３ａは後席左側座面、Ｃ３ｂは後席右側座面、Ｃ３ｃは左前席座面、Ｃ３ｄは右前席座面となっている。
【００４８】
各発熱体に接する空気の発熱ゾーンの高さは発熱体の高さに対応し、熱プルームの上昇力は発熱ゾーンの高さに関係する。なお、発熱ゾーンの高さとはゾーンの底面高さである。これらには発熱体の実際の高さを設定している。また、流路の高さとは，その流路の出口側のゾーンに流れ込む位置での高さを意味する。流路内の空気温度は風上側のゾーンの温度に近いと考えるからである。
【００４９】
次に、作成するモデルのパラメータについて説明する。作成するモデルは、工学モデルなので、実験的に定めなければならない特性値がある。これらは、換気回路網２の圧力損失係数ζ及び熱回路網３の層間混合流一般化熱コンダクタンスｃijからなる二種のパラメータである。
【００５０】
これらパラメータをパラメータ演算手段１１６により最適化する方法について説明する。まず、パラメータを最適化するために評価関数を設定する。式（１）は、上下の平均温度は、室空気が持つ熱エネルギーに比例するので、室内の総エネルギーが一致すべきという観点から導かれる評価関数である。
【００５１】
【数１】
ただし、pθjは頭部又は足元の予測計算温度、
mθjは実測温度、
Ｔは検討期間
である。
【００５２】
ここにｊは成層化ゾーンの上下方向の位置番号を示し，一般に２以上あるものとする．
【００５３】
次に、頭部と足元それぞれで温度が近ければ良いという各層での温度が一致するかの評価を式（２）で行う。
【００５４】
【数２】
【００５５】
これら式（１）と式（２）の両方を平均し、総合的に考慮する式（３）の誤差評価関数Ｊを定める。
【００５６】
【数３】
【００５７】
次に、日射発熱体の表面温度が一致することの評価関数は式（４）で定める。日射発熱面は１４面存在するので、これらの表面温度は受熱体表面積で重み付け平均した面積加重平均として評価関数とするのが妥当である。
【００５８】
【数４】
ただし、Ｓｊは受熱体の表面積である。
【００５９】
以上の空気温度と表面温度の誤差評価関数の平均の温度である式（５）を最終的な評価関数とする。
【００６０】
【数５】
【００６１】
次に、未定パラメータである換気回路網の圧力損失係数ζと温度成層化ゾーン間の混合流熱コンダクタンスｃijを求める。まず、空気温度についての評価関数である式（３）を調べる。
【００６２】
圧力損失係数ζは１，１２，１００の３通りについて、層間混合流一般化熱コンダクタンスｃijは０．０３５，０．３５，３．５の３通りについて計算した。
【００６３】
【表１】
【００６４】
次に、同様なパラメータの組み合わせにより、発熱体表面温度の評価関数式(４)を計算する。
【００６５】
【表２】
【００６６】
そして、空気温度と表面温度の平均値を表す式（５）について計算する。
【００６７】
【表３】
【００６８】
以上のような検討により、最適なパラメータを表（４）の様に定める。ここに、対流熱伝達率は予測表面温度が実測値に近付く様に調整したものである。
【００６９】
【表４】
【００７０】
図６は、車両５０に熱回路網３を構築しモデル化した図である。本実施例のモデルについては、室内表面の放射伝達と表面対流伝達を分離したモデルなので、総合伝達率のモデルと比較して、室内部位間の長波長放射伝達の様子を描いた分だけ複雑になっている。
【００７１】
次に、このような室内温度分布作成装置１により作成したモデルによる計算値と実測値との比較結果について説明する。図７は実測時の外気温度と相対湿度を示すグラフ、図８は法線面直達日射量と水平面天空拡散日射量を示すグラフである。
【００７２】
図７において、薄線は外気温度、濃線は相対湿度である。１日目及び２日目は、日中に、高温且つ低湿度であり、３日目及び４日目は、日中に、気温が上がらず、高湿度であった。
【００７３】
また、図８において、濃線は法線面直達日射量、薄線は水平面天空拡散日射量を示す。１日目及び２日目は、日中に、法線面直達日射量が多く、３日目及び４日目は、日中に、法線面直達日射量が少ない。
【００７４】
図７及び図８から、１日目及び２日目は、日中に晴天であり、３日目及び４日目は、日中に曇天又は雨天であったことがわかる。
【００７５】
図９から図１２は、４日分の室内の空気についてモデルによる計算値と実測値とで比較したものである。
【００７６】
図９は頭部のモデルによる計算値と実測値のグラフ、図１０は胸部のモデルによる計算値と実測値のグラフ、図１１は膝先のモデルによる計算値と実測値のグラフ、図１２は足元のモデルによる計算値と実測値のグラフである。
【００７７】
図９から図１２のグラフをみると、４日間の全期間について、頭部、胸部、膝先、足元の４層での空気温度に対して、モデルによる計算値は、実測値に近い結果が得られている。
【００７８】
図１３から図１６は、１日分の表面温度についてモデルによる計算値と実測値とで比較したものである。
【００７９】
図１３はルーフ中央部のモデルによる計算値と実測値のグラフ、図１４はドア後左部のモデルによる計算値と実測値のグラフ、図１５は右シート背面のモデルによる計算値と実測値のグラフ、図１６は右シート座面のモデルによる計算値と実測値のグラフである。
【００８０】
図１３から図１６のグラフをみると、１日間の全期間について、ルーフ、ドア、シート背面、シート座面の表面温度に対して、モデルによる計算値は、実測値に近い結果が得られている。これは、熱プルームを発熱体ごとに複数設けたことにより、個々の発熱体による温度変化を、対応する熱プルームが表現できる様になったからであると考えられる。
【００８１】
このように、本実施形態によれば、室内の温度分布をモデル化する室内温度分布モデル作成装置１において、室内を複数のゾーンに分割し、上下温度分布を表現する温度成層化ゾーンＡ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４を作成する温度成層化領域作成手段１１１と、室内外を画成する外皮が外気に接することで外皮の内表面側に下降流や上昇流を生じる温度境界層ゾーンＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４を作成する温度境界層領域作成手段１１２と、発熱体ごとに発熱体ゾーンＣ１，Ｃ２，Ｃ３を設定し、発熱体から発生する熱による上昇流からなる熱プルームを発熱体ゾーンＣ１，Ｃ２，Ｃ３ごとに作成する熱プルーム領域作成手段１１３と、ゾーン底面の静圧とゾーン間の空気移動量を求める換気回路網２を作成する換気回路網作成手段１１４と、ゾーン間の熱の伝わりやすさを表す一般化熱コンダクタンス３３，３４を求め、熱回路網３を作成する熱回路網作成手段１１５と、を備えたので、実用的なモデルを作成することができる。そして、実用的なモデルにより、冷暖房の定常・非定常の熱負荷の予測ができ、空調機器設定の目安が正確に計算できる。また、部材毎の伝熱量が概算できるので、熱負荷低減アイテムの効果が概算できる。さらに、個々の発熱体による温度変化を、対応する熱プルームが表現できる様になり、実用的で正確なモデルを作成することができる。
【００８２】
また、熱プルーム領域作成手段１１３は、熱プルームの上部を束ねるヘッダーゾーンＣｈと、熱プルームの下部を束ねるフッターゾーンＣｆと、を作成するので、プルーム間での循環流を抑制し、より実用的なモデルを作成することができる。
【００８３】
また、温度成層化ゾーンＡ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４間の一般化熱コンダクタンス３３，３４と、換気回路網２の流路の圧力損失係数ζとを、予測値と実測値との誤差の評価関数を最小にするように求めるパラメータ演算手段１１６を有するので、最適なパラメータを求めることができ、より正確なモデルができる。
【００８４】
さらに、本実施形態は、室内の温度分布をモデル化する室内温度分布モデル作成方法において、モデル化する対象のデータを入力するステップと、室内を複数のゾーンに分割し、上下温度分布を表現する温度成層化ゾーンＡ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４を作成するステップと、室内外を画成する外皮が外気に接することで外皮の内表面側に下降流や上昇流を生じる温度境界層ゾーンＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４を作成するステップと、発熱体ごとに発熱体ゾーンＣ１，Ｃ２，Ｃ３を設定し、発熱体から発生する熱による上昇流からなる熱プルームを発熱体ゾーンＣ１，Ｃ２，Ｃ３ごとに作成するステップと、ゾーン底面の静圧とゾーン間の空気移動量を求める換気回路網２を作成するステップと、ゾーン間の熱の伝わりやすさを表す一般化熱コンダクタンス３３，３４を求め、熱回路網３を作成するステップと、モデル化した室内の温度分布を出力するステップと、を備えたので、実用的にモデルを作成することができる。そして、精密なモデルにより、冷暖房の定常・非定常の熱負荷の予測ができ、空調機器設定の目安が正確に計算できる。また、部材毎の伝熱量が概算できるので、熱負荷低減アイテムの効果が概算できる。さらに、個々の発熱体による温度変化を、対応する熱プルームが表現できる様になり、より正確なモデルを実用的に作成することができる。
【００８５】
また、熱プルームの上部をヘッダー領域Ｃｈで束ねるステップと、熱プルームの下部をフッター領域Ｃｆで束ねるステップと、を有するので、プルーム間での循環流を抑制し、より適切なモデルを作成することができる。
【００８６】
また、温度成層化ゾーンＡ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４間の一般化熱コンダクタンス３３，３４と、換気回路網２の流路の圧力損失係数ζとを、予測値と実測値との誤差の評価関数を最小にするように求めるステップを有するので、最適なパラメータを求めることができ、より正確なモデルができる。
【００８７】
なお、本実施形態では、車両５０のモデル作成について説明したが、これに限らず、建築物や構造物等の室内に適用してもよい。
【符号の説明】
【００８８】
１…室内温度分布作成装置、２…換気回路網、２１…流路、３…熱回路網、３１…与条件温度節点、３２…未知数温度節点、３３…第１熱コンダクタンス、３４…第２熱コンダクタンス、３５…節点への発熱量、３６…熱橋熱コンダクタンス、５０…車両、５１…車室、５２…熱橋、１０１…入力手段、１１０…制御手段、１１１…温度成層化領域作成手段、１１２…温度境界層領域作成手段、１１３…熱プルーム領域作成手段、１１４…換気回路網作成手段、１１５…熱回路網作成手段、１１６…パラメータ演算手段、１２１出力手段、Ａ…温度成層化領域、Ｂ…温度境界層領域、Ｃ…熱プルーム領域、Ｃｈ…ヘッダーゾーン、Ｃｆ…フッターゾーン、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３…発熱体ゾーン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、室内の温度分布をモデル化し、熱負荷等を検討できる室内温度分布モデル作成装置及び室内温度分布モデル作成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、室内の温度分布を予測する手段として、数値流体解析が用いられていた。しかしながら、数値流体解析は、計算負荷が大きく、数値的な安定性の問題等から長時間の現象を予測することが難しかった。
【０００３】
一方、本発明者は、建築物の熱回路網及び換気回路網モデルを考案していた。これにより実用的に熱負荷計算や平均的室温の変化を計算することができた。しかし今までは、室内の温度は一様混合の１ゾーンモデルであった。
【０００４】
そこで、本発明者は室内の上下温度分布を表現できるモデルとして、室空間を上下に複数に分割した温度成層化ゾーン、発熱体から上昇流が発生する部分を上下に複数に分割した熱プルームゾーン、及び外皮の内表面に接して冷却される下降流が発生する部分を上下に複数に分割した温度境界層ゾーンの複数のゾーンを設け、ゾーン間の空気の移動量や熱の伝わりやすさ等を求め、実測の温度を再現する室内の精密なモデルを作成した（特許文献１参照）。
【０００５】
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−５３７４９号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】（変更？） 宇田川,石田,石野等,「熱負荷算法小委員会報告書-大空間の熱負荷計算法-」,1993年3月,空衛学会,空気調和設備委員会,熱負荷算法小委員会
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上記特許文献１に記載されたものは、熱プルームを１本に想定していたので、これを加熱する複数の日射吸熱の表面が１本の熱プルームを介して平均化され、一様に近い温度になってしまうことがあった。
【０００９】
本発明は上記課題を解決し、室内の実用的なモデルを作成する室内温度分布モデル作成装置及び室内温度分布モデル作成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は上記課題を解決するものであって、室内の温度分布をモデル化する室内温度分布モデル作成装置において、室内を複数のゾーンに分割し、上下温度分布を表現する温度成層化ゾーンを作成する温度成層化領域作成手段と、室内外を画成する外皮が外気に接することで前記外皮の内表面側に下降流や上昇流を生じる温度境界層ゾーンを作成する温度境界層領域作成手段と、発熱体ごとに発熱体ゾーンを設定し、前記発熱体から発生する熱による上昇流からなる熱プルームを発熱体ゾーンごとに作成する熱プルーム領域作成手段と、前記ゾーン底面の静圧と前記ゾーン間の空気移動量を求める換気回路網を作成する換気回路網作成手段と、前記ゾーン間の熱の伝わりやすさを表す一般化熱コンダクタンスを求め、熱回路網を作成する熱回路網作成手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
また、前記熱プルーム領域作成手段は、前記熱プルームの上部を束ねるヘッダーゾーンと、前記熱プルームの下部を束ねるフッターゾーンと、を作成することを特徴とする。
【００１２】
また、前記温度成層化ゾーン間の混合流に関する一般化熱コンダクタンスと、前記換気回路網の流路の圧力損失係数とを、予測値と実測値との誤差の評価関数を最小にするように求めるパラメータ演算手段を有することを特徴とする。
【００１３】
また、前記評価関数は、前記温度成層化ゾーンの各空気温度と前記発熱体の各表面温度に関して、予測値から実測値を差し引いた差の評価期間積分値を、これらの空気と表面温度それぞれで平均化し、さらに空気温度と表面温度の平均温度をとることを特徴とする。
【００１４】
さらに、室内の温度分布をモデル化する室内温度分布モデル作成方法において、モデル化する対象のデータを入力するステップと、室内を複数のゾーンに分割し、上下温度分布を表現する温度成層化ゾーンを作成するステップと、室内外を画成する外皮が外気に接することで前記外皮の内表面側に下降流や上昇流を生じる温度境界層ゾーンを作成するステップと、発熱体ごとに発熱体ゾーンを設定し、前記発熱体から発生する熱による上昇流からなる熱プルームを発熱体ゾーンごとに作成するステップと、前記ゾーン底面の静圧とゾーン間の空気移動量を求める換気回路網を作成するステップと、前記ゾーン間の熱の伝わりやすさを表す一般化熱コンダクタンスを求め、熱回路網を作成するステップと、モデル化した室内の温度分布を出力するステップと、を備えたことを特徴とする。
【００１５】
また、前記熱プルームの上部をヘッダー領域で束ねるステップと、前記熱プルームの下部をフッター領域で束ねるステップと、を有することを特徴とする。
【００１６】
また、前記温度成層化ゾーン間の混合流に関する一般化熱コンダクタンスと、前記換気回路網の流路の圧力損失係数とを、予測値と実測値との誤差の評価関数を最小にするように求めるステップを有することを特徴とする。
【００１７】
また、前記評価関数は、前記温度成層化ゾーンの各空気温度と前記発熱体の各表面温度に関して、予測値から実測値を差し引いた差の評価期間積分値を、これらの空気と表面温度それぞれで平均化し、さらに空気温度と表面温度の平均温度をとるステップを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、室内の温度分布をモデル化する室内温度分布モデル作成装置において、室内を複数のゾーンに分割し、上下温度分布を表現する温度成層化ゾーンを作成する温度成層化領域作成手段と、室内外を画成する外皮が外気に接することで前記外皮の内表面側に下降流や上昇流を生じる温度境界層ゾーンを作成する温度境界層領域作成手段と、発熱体ごとに発熱体ゾーンを設定し、前記発熱体から発生する熱による上昇流からなる熱プルームを発熱体ゾーンごとに作成する熱プルーム領域作成手段と、前記ゾーン底面の静圧と前記ゾーン間の空気移動量を求める換気回路網を作成する換気回路網作成手段と、前記ゾーン間の熱の伝わりやすさを表す一般化熱コンダクタンスを求め、熱回路網を作成する熱回路網作成手段と、を備えたので、実用的なモデルを作成することができる。そして、実用的なモデルにより、冷暖房の定常・非定常の熱負荷の予測ができ、空調機器設定の目安が正確に計算できる。また、部材毎の伝熱量が概算できるので、熱負荷低減アイテムの効果が概算できる。さらに、個々の発熱体による温度変化を、対応する熱プルームが表現できる様になり、より実用的で正確なモデルを作成することができる。
【００１９】
また、前記熱プルーム領域作成手段は、前記熱プルームの上部を束ねるヘッダーゾーンと、前記熱プルームの下部を束ねるフッターゾーンと、を作成するので、プルーム間での循環流を抑制し、より実用的なモデルを作成することができる。
【００２０】
また、前記温度成層化ゾーン間の混合流に関する一般化熱コンダクタンスと、前記換気回路網の流路の圧力損失係数とを、予測値と実測値との誤差の評価関数を最小にするように求めるパラメータ演算手段を有するので、最適なパラメータを求めることができ、より正確なモデルができる。
【００２１】
また、前記評価関数は、前記温度成層化ゾーンの各空気温度と前記発熱体の各表面温度に関して、予測値から実測値を差し引いた差の評価期間積分値を、これらの空気と表面温度それぞれで平均化し、さらに空気温度と表面温度の平均温度をとるので、より正確な評価をすることが可能となる。
【００２２】
さらに、本発明は上記課題を解決する方法であって、室内の温度分布をモデル化する室内温度分布モデル作成方法において、モデル化する対象のデータを入力するステップと、室内を複数のゾーンに分割し、上下温度分布を表現する温度成層化ゾーンを作成するステップと、室内外を画成する外皮が外気に接することで前記外皮の内表面側に下降流や上昇流を生じる温度境界層ゾーンを作成するステップと、発熱体ごとに発熱体ゾーンを設定し、前記発熱体から発生する熱による上昇流からなる熱プルームを発熱体ゾーンごとに作成するステップと、前記ゾーン底面の静圧とゾーン間の空気移動量を求める換気回路網を作成するステップと、前記ゾーン間の熱の伝わりやすさを表す一般化熱コンダクタンスを求め、熱回路網を作成するステップと、モデル化した室内の温度分布を出力するステップと、を備えたので、実用的にモデルを作成することができる。そして、精密なモデルにより、冷暖房の定常・非定常の熱負荷の予測ができ、空調機器設定の目安が正確に計算できる。また、部材毎の伝熱量が概算できるので、熱負荷低減アイテムの効果が概算できる。さらに、個々の発熱体による温度変化を、対応する熱プルームが表現できる様になり、より正確なモデルを実用的に作成することができる。
【００２３】
また、前記熱プルームの上部をヘッダー領域で束ねるステップと、前記熱プルームの下部をフッター領域で束ねるステップと、を有するので、プルーム間での循環流を抑制し、より適切なモデルを作成することができる。
【００２４】
また、前記温度成層化ゾーン間の混合流に関する一般化熱コンダクタンスと、前記換気回路網の流路の圧力損失係数とを、予測値と実測値との誤差の評価関数を最小にするように求めるステップを有するので、最適なパラメータを求めることができ、より正確なモデルができる。
【００２５】
また、前記評価関数は、前記温度成層化ゾーンの各空気温度と前記発熱体の各表面温度に関して、予測値から実測値を差し引いた差の評価期間積分値を、これらの空気と表面温度それぞれで平均化し、さらに空気温度と表面温度の平均温度をとるステップを有するので、より正確な評価をすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本実施形態の室内温度分布作成装置が作成するモデルの概要を示す図である。
【図２】本実施形態の装置構成を示す図である。
【図３】車両を図１に示す領域に分割する例を示す図である。
【図４】図３に示す車両に換気回路網を構築しモデル化した図である。
【図５】熱プルーム領域の拡大図である。
【図６】図３に示す車両に熱回路網を構築しモデル化した図である。
【図７】実測時の外気温度と相対湿度を示すグラフである。
【図８】法線面直達日射量と水平面天空拡散日射量を示すグラフである。
【図９】頭部のモデルによる計算値と実測値のグラフである。
【図１０】胸部のモデルによる計算値と実測値のグラフである。
【図１１】膝先のモデルによる計算値と実測値のグラフである。
【図１２】足元のモデルによる計算値と実測値のグラフである。
【図１３】ルーフ中央部のモデルによる計算値と実測値のグラフである。
【図１４】ドア後左部のモデルによる計算値と実測値のグラフである。
【図１５】右シート背面のモデルによる計算値と実測値のグラフである。
【図１６】右シート座面のモデルによる計算値と実測値のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図面を参照して本発明にかかる実施形態の室内温度分布作成装置１について説明する。
【００２８】
図１は、本実施形態の室内温度分布作成装置１が作成するモデルの概要を示す図である。図１において、Ａは温度成層化領域、Ｂは温度境界層領域、Ｃは熱プルーム領域を示す。また、換気回路網２では、矢印２１は空気の移動を表す換気回路網の流路を示す。さらに、熱回路網３では、節点３１は例えば外気温度等の既知の温度を表す与条件温度節点、節点３２は温度が未知な未知数温度節点を示し、第１熱コンダクタンス３３は伝導・伝達・貫流・放射等の一般化熱コンダクタンス、第２熱コンダクタンス３４は移流・対流による一般化熱コンダクタンスを示し、太矢印３５は節点への発熱量を示す。なお、一般化コンダクタンスとは、伝導、伝達、放射、貫流、移流等すべての伝熱形態の熱の伝わりやすさを表す。
【００２９】
本実施形態では、温度成層化領域Ａ、温度境界層領域Ｂ及び熱プルーム領域Ｃに区分する。また、温度成層化領域Ａ及び温度境界層領域Ｂをそれぞれ上下に層状のゾーンＡ１，Ａ２・・・Ｂ３，Ｂ４に分割して、換気回路網２と熱回路網３を構築する。熱プルーム領域Ｃは、発熱体ごとに熱プルームＣ１，Ｃ２，Ｃ３を構築し、複数の熱プルームＣ１，Ｃ２，Ｃ３の上下端を束ね、上端にヘッダーゾーンＣｈ、下端にフッターゾーンＣｆを設けた。
【００３０】
温度成層化領域Ａは、室内の上下温度分布を複数の層に分割し、離散的に表現したものであり、各層内での温度は一様である。温度成層化領域Ａ間の平均的な流れは上向きまたは下向きの押し出し流れであり、こうしたピストン流れとすることが温度成層化を模擬する要件となる。また、自然対流（熱対流のみ）と強制対流（ファン作動時など）の両状態は、温度成層化領域Ａ内の各ゾーン間の混合流の一般化熱コンダクタンス３３，３４の数値を，小さくまたは大きくすることでモデル化する。
【００３１】
温度境界層領域Ｂは、室内外を画成する外皮が外気に接することで外皮の内表面側に下降流や上昇流を生じるゾーンである。例えば、車両の外気温度が外皮を通じて車内を冷却すると、温度境界層領域Ｂを冷却し、温度境界層領域Ｂ内で下降流が生じ，この下降流が温度成層化領域Ａに入り込み、循環流を引き起こす。
【００３２】
熱プルーム領域Ｃは、発熱体から発生する熱による上昇流を生じるゾーンである。例えば、日射を受けた車室内の物体から発生する上昇流を表現するものであり、熱プルーム領域Ｃは、発熱体ごとに熱プルームＣ１，Ｃ２，Ｃ３を構築し、複数の熱プルームＣ１，Ｃ２，Ｃ３の上下端を束ね、上端にヘッダーゾーンＣｈ、下端にフッターゾーンＣｆを設けた。また、上下方向を位置を設定することで，発熱体との接触位置が高い場合、低い場合の熱上昇力の違いを考慮できる様にした。
【００３３】
なお、ファンなどで強制対流加熱した場合には，室内は空気的に混合状態になることから，温度成層化領域Ａの全てのゾーンに発熱量は均等に分散して与えられる。これでも上下温度分布が生成されるのは押し出し上昇流が生じるからである。また、この強制対流加熱状態では熱プルーム領域Ｃ内には加熱源がなく、また熱プルーム流路の断面積が小さいことから熱プルームの流の影響はなくなる。こうして強制対流と自然対流の両状態は同じモデル構造で表現できる。
【００３４】
ここで、換気回路網２と熱回路網３について説明する（詳細については、非特許文献１を参照）。
【００３５】
換気回路網２は、各ゾーン底面の静圧と複数ゾーン間の流量を示すものである。
【００３６】
前提として、各ゾーンでは風量の収支が成り立つとする。また、各ゾーン底面に静圧ｐ(Pa)を持ち、ゾーンの空気密度をρ(kg/m3)とすると、この底面から上方へｈ(m)上がった点での静圧はｐ−ρ・ｈ・ｇ(Pa)とする。空気密度はそのゾーンの空気温度の関数である。流路は、圧力損失係数、指数及び流路面積、さらに基準面からの高さの属性を持ち、流路の通過風量は，前後の静圧差と圧力損失係数、指数および流路面積の関数である。そして、ゾーン数分の静圧に関する非線形連立方程式を修正ニュートンラプソン法で解くことで風量が求められる。
【００３７】
熱回路網３は、熱の移動を示すものである。前提として、各節点では、流入熱流から流出熱流を引いたものが、熱容量に温度変化を乗じたものに等しくなるという熱流収支が成り立つものとする。これを完全連結システムの節点方程式とする。また、伝導、表面伝達、長波長放射、移流など全ての伝熱形態の熱の伝わりやすさを一般化熱コンダクタンス３３，３４という一種類の係数で表現する。従って空気流動による一般化熱コンダクタンス３３，３４も数式記号上は同じ係数となる。
【００３８】
そして、全節点の温度に関する連立常微分方程式が前述の節点方程式から構成され、連立常微分方程式を後退差分などの時間積分法によって解き、毎時間ステップの温度の解を算出する。
【００３９】
次に、換気回路網２と熱回路網３の連成について説明する。換気回路網２の駆動条件となる各ゾーンの密度は熱回路網３の解の温度によって計算される。熱回路網３の係数となる風量は換気回路網２の解から得られる。非定常の時間ステップ毎に、一方の回路網への条件はもう一方の回路網の前時間ステップでの結果をもとにつくる。こうして両モデルの連成がとられる。
【００４０】
図２は本実施形態の室内温度分布作成装置１を用いたシステム構成図である。
【００４１】
入力手段１０１は、モデル化する対象のデータを入力するものである。記憶手段１０２は、演算式等の不変のデータを記憶するものである。入力手段１０１から入力されたデータ及び記憶手段１０２に記憶されたデータは、制御手段１１０に入力される。
【００４２】
室内温度分布作成装置１の制御手段１１０は、温度成層化領域作成手段１１１、温度境界層領域作成手段１１２、熱プルーム領域作成手段１１３、換気回路網作成手段１１４及び熱回路網作成手段１１５、パラメータ演算手段１１６を有する。
【００４３】
温度成層化領域作成手段１１１は、室内を複数のゾーンに分割し、上下温度分布を離散的に表現する温度成層化ゾーンを作成する。温度境界層領域作成手段１１２は、室内外を画成する外皮が外気に接することで外皮の内表面側に下降流や上昇流を生じるゾーンを作成する。なお、温度境界層ゾーンは、複数のゾーンに分割し作成されてもよい。熱プルーム領域作成手段１１３は、発熱体から発生する熱による上昇流を生じるゾーンを作成する。なお、熱プルームゾーンは、複数のゾーンに分割し作成されてもよい。換気回路網作成手段１１４は、ゾーン底面の静圧とゾーン間の空気移動量を求める換気回路網を作成する。熱回路網作成手段１１５は、ゾーン間の熱の移動を求める熱回路網を作成する。パラメータ演算手段１１６については後述する。
【００４４】
制御手段１１０により作成されたモデルは、表示装置等の出力手段１２１に出力される。
【００４５】
図３は、車両５０を図１に示す領域に分割する例を示す図である。車両５０の車室５１内を上下４段の温度成層化領域Ａに区分し、温度境界層領域Ｂとして、屋根温度境界層Ｂ１、窓温度境界層Ｂ２、ドア温度境界層Ｂ３及び床温度境界層Ｂ４を設定したものである。
【００４６】
図４は車両５０に換気回路網２を構築しモデル化した図、図５は熱プルーム領域Ｃの換気回路網２の拡大図である。
【００４７】
図５に示すように、本実施例では、熱プルームを合計１４本有し、各熱プルームは各日射発熱体に対応している。Ｃ１ａは左後部ピラー、Ｃ１ｂは右後部ピラー、Ｃ２ａはインスツルメントパネル、Ｃ２ｂは左ドア内側、Ｃ２ｃは右ドア内側、Ｃ２ｄはリアトレイ、Ｃ２ｅは後席左側背面、Ｃ２ｆは後席右側背面、Ｃ２ｇは左前席背面、Ｃ２ｈは右前席背面、Ｃ３ａは後席左側座面、Ｃ３ｂは後席右側座面、Ｃ３ｃは左前席座面、Ｃ３ｄは右前席座面となっている。
【００４８】
各発熱体に接する空気の発熱ゾーンの高さは発熱体の高さに対応し、熱プルームの上昇力は発熱ゾーンの高さに関係する。なお、発熱ゾーンの高さとはゾーンの底面高さである。これらには発熱体の実際の高さを設定している。また、流路の高さとは，その流路の出口側のゾーンに流れ込む位置での高さを意味する。流路内の空気温度は風上側のゾーンの温度に近いと考えるからである。
【００４９】
次に、作成するモデルのパラメータについて説明する。作成するモデルは、工学モデルなので、実験的に定めなければならない特性値がある。これらは、換気回路網２の圧力損失係数ζ及び熱回路網３の層間混合流一般化熱コンダクタンスｃijからなる二種のパラメータである。
【００５０】
これらパラメータをパラメータ演算手段１１６により最適化する方法について説明する。まず、パラメータを最適化するために評価関数を設定する。式（１）は、上下の平均温度は、室空気が持つ熱エネルギーに比例するので、室内の総エネルギーが一致すべきという観点から導かれる評価関数である。
【００５１】
【数１】
ただし、pθjは頭部又は足元の予測計算温度、
mθjは実測温度、
Ｔは検討期間
である。
【００５２】
ここにｊは成層化ゾーンの上下方向の位置番号を示し，一般に２以上あるものとする．
【００５３】
次に、頭部と足元それぞれで温度が近ければ良いという各層での温度が一致するかの評価を式（２）で行う。
【００５４】
【数２】
【００５５】
これら式（１）と式（２）の両方を平均し、総合的に考慮する式（３）の誤差評価関数Ｊを定める。
【００５６】
【数３】
【００５７】
次に、日射発熱体の表面温度が一致することの評価関数は式（４）で定める。日射発熱面は１４面存在するので、これらの表面温度は受熱体表面積で重み付け平均した面積加重平均として評価関数とするのが妥当である。
【００５８】
【数４】
ただし、Ｓｊは受熱体の表面積である。
【００５９】
以上の空気温度と表面温度の誤差評価関数の平均の温度である式（５）を最終的な評価関数とする。
【００６０】
【数５】
【００６１】
次に、未定パラメータである換気回路網の圧力損失係数ζと温度成層化ゾーン間の混合流熱コンダクタンスｃijを求める。まず、空気温度についての評価関数である式（３）を調べる。
【００６２】
圧力損失係数ζは１，１２，１００の３通りについて、層間混合流一般化熱コンダクタンスｃijは０．０３５，０．３５，３．５の３通りについて計算した。
【００６３】
【表１】
【００６４】
次に、同様なパラメータの組み合わせにより、発熱体表面温度の評価関数式(４)を計算する。
【００６５】
【表２】
【００６６】
そして、空気温度と表面温度の平均値を表す式（５）について計算する。
【００６７】
【表３】
【００６８】
以上のような検討により、最適なパラメータを表（４）の様に定める。ここに、対流熱伝達率は予測表面温度が実測値に近付く様に調整したものである。
【００６９】
【表４】
【００７０】
図６は、車両５０に熱回路網３を構築しモデル化した図である。本実施例のモデルについては、室内表面の放射伝達と表面対流伝達を分離したモデルなので、総合伝達率のモデルと比較して、室内部位間の長波長放射伝達の様子を描いた分だけ複雑になっている。
【００７１】
次に、このような室内温度分布作成装置１により作成したモデルによる計算値と実測値との比較結果について説明する。図７は実測時の外気温度と相対湿度を示すグラフ、図８は法線面直達日射量と水平面天空拡散日射量を示すグラフである。
【００７２】
図７において、薄線は外気温度、濃線は相対湿度である。１日目及び２日目は、日中に、高温且つ低湿度であり、３日目及び４日目は、日中に、気温が上がらず、高湿度であった。
【００７３】
また、図８において、濃線は法線面直達日射量、薄線は水平面天空拡散日射量を示す。１日目及び２日目は、日中に、法線面直達日射量が多く、３日目及び４日目は、日中に、法線面直達日射量が少ない。
【００７４】
図７及び図８から、１日目及び２日目は、日中に晴天であり、３日目及び４日目は、日中に曇天又は雨天であったことがわかる。
【００７５】
図９から図１２は、４日分の室内の空気についてモデルによる計算値と実測値とで比較したものである。
【００７６】
図９は頭部のモデルによる計算値と実測値のグラフ、図１０は胸部のモデルによる計算値と実測値のグラフ、図１１は膝先のモデルによる計算値と実測値のグラフ、図１２は足元のモデルによる計算値と実測値のグラフである。
【００７７】
図９から図１２のグラフをみると、４日間の全期間について、頭部、胸部、膝先、足元の４層での空気温度に対して、モデルによる計算値は、実測値に近い結果が得られている。
【００７８】
図１３から図１６は、１日分の表面温度についてモデルによる計算値と実測値とで比較したものである。
【００７９】
図１３はルーフ中央部のモデルによる計算値と実測値のグラフ、図１４はドア後左部のモデルによる計算値と実測値のグラフ、図１５は右シート背面のモデルによる計算値と実測値のグラフ、図１６は右シート座面のモデルによる計算値と実測値のグラフである。
【００８０】
図１３から図１６のグラフをみると、１日間の全期間について、ルーフ、ドア、シート背面、シート座面の表面温度に対して、モデルによる計算値は、実測値に近い結果が得られている。これは、熱プルームを発熱体ごとに複数設けたことにより、個々の発熱体による温度変化を、対応する熱プルームが表現できる様になったからであると考えられる。
【００８１】
このように、本実施形態によれば、室内の温度分布をモデル化する室内温度分布モデル作成装置１において、室内を複数のゾーンに分割し、上下温度分布を表現する温度成層化ゾーンＡ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４を作成する温度成層化領域作成手段１１１と、室内外を画成する外皮が外気に接することで外皮の内表面側に下降流や上昇流を生じる温度境界層ゾーンＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４を作成する温度境界層領域作成手段１１２と、発熱体ごとに発熱体ゾーンＣ１，Ｃ２，Ｃ３を設定し、発熱体から発生する熱による上昇流からなる熱プルームを発熱体ゾーンＣ１，Ｃ２，Ｃ３ごとに作成する熱プルーム領域作成手段１１３と、ゾーン底面の静圧とゾーン間の空気移動量を求める換気回路網２を作成する換気回路網作成手段１１４と、ゾーン間の熱の伝わりやすさを表す一般化熱コンダクタンス３３，３４を求め、熱回路網３を作成する熱回路網作成手段１１５と、を備えたので、実用的なモデルを作成することができる。そして、実用的なモデルにより、冷暖房の定常・非定常の熱負荷の予測ができ、空調機器設定の目安が正確に計算できる。また、部材毎の伝熱量が概算できるので、熱負荷低減アイテムの効果が概算できる。さらに、個々の発熱体による温度変化を、対応する熱プルームが表現できる様になり、実用的で正確なモデルを作成することができる。
【００８２】
また、熱プルーム領域作成手段１１３は、熱プルームの上部を束ねるヘッダーゾーンＣｈと、熱プルームの下部を束ねるフッターゾーンＣｆと、を作成するので、プルーム間での循環流を抑制し、より実用的なモデルを作成することができる。
【００８３】
また、温度成層化ゾーンＡ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４間の一般化熱コンダクタンス３３，３４と、換気回路網２の流路の圧力損失係数ζとを、予測値と実測値との誤差の評価関数を最小にするように求めるパラメータ演算手段１１６を有するので、最適なパラメータを求めることができ、より正確なモデルができる。
【００８４】
さらに、本実施形態は、室内の温度分布をモデル化する室内温度分布モデル作成方法において、モデル化する対象のデータを入力するステップと、室内を複数のゾーンに分割し、上下温度分布を表現する温度成層化ゾーンＡ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４を作成するステップと、室内外を画成する外皮が外気に接することで外皮の内表面側に下降流や上昇流を生じる温度境界層ゾーンＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４を作成するステップと、発熱体ごとに発熱体ゾーンＣ１，Ｃ２，Ｃ３を設定し、発熱体から発生する熱による上昇流からなる熱プルームを発熱体ゾーンＣ１，Ｃ２，Ｃ３ごとに作成するステップと、ゾーン底面の静圧とゾーン間の空気移動量を求める換気回路網２を作成するステップと、ゾーン間の熱の伝わりやすさを表す一般化熱コンダクタンス３３，３４を求め、熱回路網３を作成するステップと、モデル化した室内の温度分布を出力するステップと、を備えたので、実用的にモデルを作成することができる。そして、精密なモデルにより、冷暖房の定常・非定常の熱負荷の予測ができ、空調機器設定の目安が正確に計算できる。また、部材毎の伝熱量が概算できるので、熱負荷低減アイテムの効果が概算できる。さらに、個々の発熱体による温度変化を、対応する熱プルームが表現できる様になり、より正確なモデルを実用的に作成することができる。
【００８５】
また、熱プルームの上部をヘッダー領域Ｃｈで束ねるステップと、熱プルームの下部をフッター領域Ｃｆで束ねるステップと、を有するので、プルーム間での循環流を抑制し、より適切なモデルを作成することができる。
【００８６】
また、温度成層化ゾーンＡ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４間の一般化熱コンダクタンス３３，３４と、換気回路網２の流路の圧力損失係数ζとを、予測値と実測値との誤差の評価関数を最小にするように求めるステップを有するので、最適なパラメータを求めることができ、より正確なモデルができる。
【００８７】
なお、本実施形態では、車両５０のモデル作成について説明したが、これに限らず、建築物や構造物等の室内に適用してもよい。
【符号の説明】
【００８８】
１…室内温度分布作成装置、２…換気回路網、２１…流路、３…熱回路網、３１…与条件温度節点、３２…未知数温度節点、３３…第１熱コンダクタンス、３４…第２熱コンダクタンス、３５…節点への発熱量、３６…熱橋熱コンダクタンス、５０…車両、５１…車室、５２…熱橋、１０１…入力手段、１１０…制御手段、１１１…温度成層化領域作成手段、１１２…温度境界層領域作成手段、１１３…熱プルーム領域作成手段、１１４…換気回路網作成手段、１１５…熱回路網作成手段、１１６…パラメータ演算手段、１２１出力手段、Ａ…温度成層化領域、Ｂ…温度境界層領域、Ｃ…熱プルーム領域、Ｃｈ…ヘッダーゾーン、Ｃｆ…フッターゾーン、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３…発熱体ゾーン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
室内の温度分布をモデル化する室内温度分布モデル作成装置において、
室内を複数のゾーンに分割し、上下温度分布を表現する温度成層化ゾーンを作成する温度成層化領域作成手段と、
室内外を画成する外皮が外気に接することで前記外皮の内表面側に下降流や上昇流を生じる温度境界層ゾーンを作成する温度境界層領域作成手段と、
発熱体ごとに発熱体ゾーンを設定し、前記発熱体から発生する熱による上昇流からなる熱プルームを発熱体ゾーンごとに作成する熱プルーム領域作成手段と、
前記ゾーン底面の静圧と前記ゾーン間の空気移動量を求める換気回路網を作成する換気回路網作成手段と、
前記ゾーン間の熱の伝わりやすさを表す一般化熱コンダクタンスを求め、熱回路網を作成する熱回路網作成手段と、
を備えたことを特徴とする室内温度分布モデル作成装置。
【請求項２】
前記熱プルーム領域作成手段は、
前記熱プルームの上部を束ねるヘッダーゾーンと、
前記熱プルームの下部を束ねるフッターゾーンと、
を作成することを特徴とする請求項１に記載の室内温度分布モデル作成装置。
【請求項３】
前記温度成層化ゾーン間の混合流に関する一般化熱コンダクタンスと、前記換気回路網の流路の圧力損失係数とを、予測値と実測値との誤差の評価関数を最小にするように求めるパラメータ演算手段を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の室内温度分布モデル作成装置。
【請求項４】
前記評価関数は、前記温度成層化ゾーンの各空気温度と前記発熱体の各表面温度に関して、予測値から実測値を差し引いた差の評価期間積分値を、これらの空気と表面温度それぞれで平均化し、さらに空気温度と表面温度の平均温度をとることを特徴とする請求項３に記載の室内温度分布モデル作成装置。
【請求項５】
室内の温度分布をモデル化する室内温度分布モデル作成方法において、
モデル化する対象のデータを入力するステップと、
室内を複数のゾーンに分割し、上下温度分布を表現する温度成層化ゾーンを作成するステップと、
室内外を画成する外皮が外気に接することで前記外皮の内表面側に下降流や上昇流を生じる温度境界層ゾーンを作成するステップと、
発熱体ごとに発熱体ゾーンを設定し、前記発熱体から発生する熱による上昇流からなる熱プルームを発熱体ゾーンごとに作成するステップと、
前記ゾーン底面の静圧とゾーン間の空気移動量を求める換気回路網を作成するステップと、
前記ゾーン間の熱の伝わりやすさを表す一般化熱コンダクタンスを求め、熱回路網を作成するステップと、
モデル化した室内の温度分布を出力するステップと、
を備えたことを特徴とする室内温度分布モデル作成方法。
【請求項６】
前記熱プルームの上部をヘッダー領域で束ねるステップと、
前記熱プルームの下部をフッター領域で束ねるステップと、
を有することを特徴とする請求項５に記載の室内温度分布モデル作成方法。
【請求項７】
前記温度成層化ゾーン間の混合流に関する一般化熱コンダクタンスと、前記換気回路網の流路の圧力損失係数とを、予測値と実測値との誤差の評価関数を最小にするように求めるステップを有することを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の室内温度分布モデル作成方法。
【請求項８】
前記評価関数は、前記温度成層化ゾーンの各空気温度と前記発熱体の各表面温度に関して、予測値から実測値を差し引いた差の評価期間積分値を、これらの空気と表面温度それぞれで平均化し、さらに空気温度と表面温度の平均温度をとるステップを有することを特徴とする請求項７に記載の室内温度分布モデル作成方法。
【請求項１】
室内の温度分布をモデル化する室内温度分布モデル作成装置において、
室内を複数のゾーンに分割し、上下温度分布を表現する温度成層化ゾーンを作成する温度成層化領域作成手段と、
室内外を画成する外皮が外気に接することで前記外皮の内表面側に下降流や上昇流を生じる温度境界層ゾーンを作成する温度境界層領域作成手段と、
発熱体ごとに発熱体ゾーンを設定し、前記発熱体から発生する熱による上昇流からなる熱プルームを発熱体ゾーンごとに作成する熱プルーム領域作成手段と、
前記ゾーン底面の静圧と前記ゾーン間の空気移動量を求める換気回路網を作成する換気回路網作成手段と、
前記ゾーン間の熱の伝わりやすさを表す一般化熱コンダクタンスを求め、熱回路網を作成する熱回路網作成手段と、
を備えたことを特徴とする室内温度分布モデル作成装置。
【請求項２】
前記熱プルーム領域作成手段は、
前記熱プルームの上部を束ねるヘッダーゾーンと、
前記熱プルームの下部を束ねるフッターゾーンと、
を作成することを特徴とする請求項１に記載の室内温度分布モデル作成装置。
【請求項３】
前記温度成層化ゾーン間の混合流に関する一般化熱コンダクタンスと、前記換気回路網の流路の圧力損失係数とを、予測値と実測値との誤差の評価関数を最小にするように求めるパラメータ演算手段を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の室内温度分布モデル作成装置。
【請求項４】
前記評価関数は、前記温度成層化ゾーンの各空気温度と前記発熱体の各表面温度に関して、予測値から実測値を差し引いた差の評価期間積分値を、これらの空気と表面温度それぞれで平均化し、さらに空気温度と表面温度の平均温度をとることを特徴とする請求項３に記載の室内温度分布モデル作成装置。
【請求項５】
室内の温度分布をモデル化する室内温度分布モデル作成方法において、
モデル化する対象のデータを入力するステップと、
室内を複数のゾーンに分割し、上下温度分布を表現する温度成層化ゾーンを作成するステップと、
室内外を画成する外皮が外気に接することで前記外皮の内表面側に下降流や上昇流を生じる温度境界層ゾーンを作成するステップと、
発熱体ごとに発熱体ゾーンを設定し、前記発熱体から発生する熱による上昇流からなる熱プルームを発熱体ゾーンごとに作成するステップと、
前記ゾーン底面の静圧とゾーン間の空気移動量を求める換気回路網を作成するステップと、
前記ゾーン間の熱の伝わりやすさを表す一般化熱コンダクタンスを求め、熱回路網を作成するステップと、
モデル化した室内の温度分布を出力するステップと、
を備えたことを特徴とする室内温度分布モデル作成方法。
【請求項６】
前記熱プルームの上部をヘッダー領域で束ねるステップと、
前記熱プルームの下部をフッター領域で束ねるステップと、
を有することを特徴とする請求項５に記載の室内温度分布モデル作成方法。
【請求項７】
前記温度成層化ゾーン間の混合流に関する一般化熱コンダクタンスと、前記換気回路網の流路の圧力損失係数とを、予測値と実測値との誤差の評価関数を最小にするように求めるステップを有することを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の室内温度分布モデル作成方法。
【請求項８】
前記評価関数は、前記温度成層化ゾーンの各空気温度と前記発熱体の各表面温度に関して、予測値から実測値を差し引いた差の評価期間積分値を、これらの空気と表面温度それぞれで平均化し、さらに空気温度と表面温度の平均温度をとるステップを有することを特徴とする請求項７に記載の室内温度分布モデル作成方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１１−２２６８６（Ｐ２０１１−２２６８６Ａ）
【公開日】平成２３年２月３日（２０１１．２．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１６５４３０（Ｐ２００９−１６５４３０）
【出願日】平成２１年７月１４日（２００９．７．１４）
【出願人】（０００００２２９９）清水建設株式会社 (2,433)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月３日（２０１１．２．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月１４日（２００９．７．１４）
【出願人】（０００００２２９９）清水建設株式会社 (2,433)
【Ｆターム（参考）】
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