Architectural A.. Institute エ Stit of f Japan 鑷 n カテゴリー II 日本建築学会計画系論文集第 555 号 45 522002 年 5 月 J.Archit.Plann.Environ.Eng.AIJNo 55545 52 May 2002 大空問工場の夏季 冬季の熱負荷および室内環境に関する実測 FIELD MEASUREMENT ON THE HEAT LOAD AND INDOOR ENVIRONMENT OF A LARGE FACTORY SPACE 調査研究 翫融 宋 城 基 * 伽舷 木 醜 村 鯵 漉 建 嘘 * M 齦 The e t fth m a u em nt th h at l d d i d en i nm さ tうf 1 ge air c nditiqned 飴 t ry. pace i comparison with the simulation results are describedtogetherwith the results ofth サ questionnaire to the workers. twas 債 ) und thauh ai c nditi i g ffe tively 1 d th w k p e i umm and th 飢 the c d i w 御 e 麟 m th west p 琶貫 t6 th.heatedw ki g Qn. f t d t al p t i wi t Th v rtj a1 噸 at e g di t b i y ly pp ed 旗 h p 景 e ab ve 3m 費 m th fi i umm whu th p ce b v w h at d t b at hi 帥 u ゆ蝋 mp at e i wi t. みlth gh agreater amount ofheat bad was resulted with simulation than measuremeqt.ltcou1 :d bejudged thatthe simulation expressed the heatloadofthis factoryquite well except fbr the start up periodboth 童 n summer and wjnte 耽 The resuhs ofcfd a 日 alys 童 s tumed ut quitesimila t th m a ed e u i h eg d t h di ib 卿 p t n f i emp a 巳 d ai.fl w Th w ke s fth 飴 t 塀 w e ligmy ti fi d with th i d e vi ment i umm6 a d wipt a 偽 d 含 唄 he q 岫 naire and seemed to be accustomed to ra 重 herlow temperature inwintel KeyWO rds : Large Faeto 厂 y SpaceHeat Loadtndoor Eη V り鷹砿拘 θ14 漉 α 5μ κ 2θ 鷹 Simuiation NumerieatAna!ysis 大空間工場 熱負荷 室内環境 実測 シミュレーション 数値解析 1. はじめに 工場においても空調は作業者の安全衛生と快適な作業環境の揚を維 持することによって作業効率を向上させ さらに機械部品 電気製品 の故障を軽減させ 生産性を高めるこ とに寄与している しかし 作業域を中心とした空調を行う際にどれくらいの設備容量とエネルギー 使用量の低減とが図られるかを予測するには 熱負荷計算を正しく行 わなければならない 従来の大空間空調の研究では アトリウム 体 育館 ドームを対象とした大空間の室内温熱環境や熱負荷を予測する 研究がある 特に般の大空間の予測モデル としては空間を高さ方向 に分割し 空間と空間の問の空気移動の評価により上下温度分布と熱 負荷を予測する宮川のモデル 1 と戸河里ら 2 ) のブロックモデルがあ る 特に後者は実建物の実測からその有効性が確認されており これ に基いて空気調和衛生工学会 熱負荷算法小委員会で開発された大空 間プログラム ダイクウカン 3) がよく使われている 実測 模型実 験 CFD を用いた村 ± ら 4 ) i) 6 ) の研究もあり また 小林ら 7) による アトリウム内の温熱環境の実測とアンケート調査研究もある このよ うなア トリウム ドームなどの大空間に対する研究は多くなされてい るが 大空間工場の熱負荷を対象とした研究はほとんどない状況にあ る そこで 本研究では居住域空調が行われている大空間工場の夏季 と冬季の実測結果と大空間プログラムを用いた計算結果とアンケート 調査から 大空聞工場の室内空調熱負荷と温熱環境に関する総合的な 評価を目的としている さらに 数値計算 (CFD) を用い 夏季および 冬季の空調による工場の気流 温度性状の解析を行い その結果を実測結果と比較した 2. 建物およびシステ厶概要 実測した大空間工場は福岡県のある製缶プレス工場で 建築面積 900m2 延床面積 967.2m2 天井高さ約 97m の鉄骨造スレート葺き 部 2 階建ての構造で 東西に細長い形状をしている 工場は東側の 1 階に奥行 4m の倉庫とトイレがあり 2 階にも同じ奥行の事務室と休憩 室がある 工場空間の東側では製缶プレス作業を行っているが 西側 の部分は物置スペースとなっている 図 1 に工場の断面図及び平面 図を 写真 1 に工場内部を示す 工揚の空調システムは氷蓄熱 ( 冷蓄 熱専用 ) ビルマルチ方式で 室外機 3 台 蓄熱ユニ ッ ト 1 台 室内機 16 台から成っている 室内機は工場空間に 14 台 事務室と休憩室に それぞれ 1 台が設置されている また工場空間内の室内機は高さ 35m の壁面から斜め下向きに空気を吹出している 今回測定した工場は製 缶プレス作業による騒音のため壁に吸音材を使用し 断熱性がよく 気密性がよい反面 外気導入がない ただし 西側の壁面に高さ 65m 幅 5m の大きな製品運搬用自勦上下シャッターがあり この開閉によ る自然換気量が大きい と思われる また 空調機と生産機器は土日を 除く平目は 8 :30 17 : 30 毎日同じパターンで運転が行われている 奪早稲田大学大学院理工学研究科博士課程 工修 * 早稲田大学理工学総合研究センター教授 工博 Graduate StudentGraduate School of Science and EngineeringWaseda University M.Eng. Prof.Advanced Research Institute for Science and Engineeri Waseda UniversityDr.Eng. 45 NII-Electronic N 工工 Electronio Library
く 1 S ; 製品運搬用上下シャッター ( 西壁 ) D ; 吹出口 ( 床上約 35m) D 四 S D : 室内温度測定 ( 床上.m ) : 各表面温度測定 : 連続室内温度測定地点 ( 床上 1.5m ). (D :pnv 計測 ( 夏季 ) :CO2 測定地点 ( 冬は中央のみ測定床上 1.m ) 匚コ : グローブ温度 ( 床上 1.1m ) O : 作業者の位置回 :Phlv 計測 ( 冬季 ) 図 1 工場の断面図と平面図および測定位置 1 単位 : mm ] 室内温熱環境ア ンケート 辱月日 表 1 写真 1 工場内部 測定項目および測定機器 測定目損 1 定潰腱機 メーカー全体電力量 1 点 60 分積算デマンドロガー 空調システ 電力 ム 工場内動力 1 60 ロ込み温 湿度 16 点連続し温 湿度 16 点測定室内温度 5 皿 16 点 ( 週聞 ) 室内温度 (4m) 6 点室内温度 6 点 1 日 3 回測定 ( 夏 : 8 月 18 20 日 冬 : 2 月 16 日. 工 8 日 ) 3 点 60 分積算クランプオン 10 分間隔瞬時値 PMV 2 点 5 分 室内温慶 (1.1 皿 ) シュ間隔 電力計 自己記録型温湿度計 ポータブル P 贓 v 計 ( 冬季 ) テイア 日置電機 ンドデイ 京都電子工業 外気温 湿度 1 点 60 温湿度 テ アン げ ハ 5m ンディ温湿度メッ電圧データガーロ 神栄 室内風向 r 気流査器. 明理化学工業 室内風速し嵐速 12 点 低温度型熱式諷速計 グローブ温度 4 点高速グローブ温度計 P}IV1 点 5 分 ポータブル P 卜囎 ) 日本カノマック 英弘精機 京都電子工業 CO CO21 点 co2 モニタ しかし 工場空間の空調は 13 :00 14 :00 の昼休みの間停止する また 生産機器は 10:40 10 :50 15 :40 15 : 50 の休憩時間にも停止する 3. 測定およびアンケートの概要 測定期間は 999 年 8 月 8 目 月 24 日 200G 年 2 月 16 日 22 日の それぞれ 1 週間行った また 測定は 1 週聞連続測定と 2 日間 (8 月 18 日と 20 日および 3 月 16 日と 18 日 ) のトラバース測定に分け 工場内 外の環境 空調システムの電力消費量 室内温熱康境について行っ た 連続測定においては室内温度は 床上ユ.5m(6 点 ) 4m (6 点 ) に 自己記録型小型温度計を設置し 0 分間隔で測定した 室内表面温度 聴. 嬲 1 男 女 } 1 ( 記 Ml ) Ith 年代 :_ ( 例え ;30 代 ) 記入時間 :_. このアンケートは作業場の憲内環境調査を目的としています 1 番から 8 番まで各項目にしるしをつけてください. 1 鯉. 適快や快快常 2. 温冷感 3 湿度感 4. 気流感 寒非い常 } こ 気流感を感じる 寒い 憲い. やや もどなちいらで 湿非 o 常に鼕 てやいや検 どち =k い 1 つ も て V る な 気流感を感じない 1 こ や暑いや しややてい駝る燥 5. 4 番の答えがである方のみ答えてください その簿流懣は快適ですか? はい 5 におい ない いいえ に おわ に やおやう に おう に非おう 7. この温熱環境をあなたは受け入れることができますか? はいいいえ 8. 作業内容を書いてください ( ご協力ありがとうございました. もし. 気になるあるいは作業環境についてご意見があ りましたら 言お願い します e 図 2 アンケート内容 も壁面 4 点 天井面 床面各 1 点について室内温度と同じく連続測定 した さらに 吹出し 吸込み温湿度 外気温湿度も連続測定した トラバース測定においては 作業に支障をきたさないこととかっ冷房 負荷が番大きい 大きい 常に いる燥して 管い 乾 いる 詈い 非常に 乾非常燥にして と思われる 11 : 00 と 5 :00 暖房負荷が番 と思われる 9 :30 の暖房立上がり直後の工場空問の上下温度 分布 居住域温度 室内風速 室内風向を 1 日 3 回 分間間隔で測定 を行っ た また PMV 測定は図 に示すように 夏季は作業に支障を 来たすため中央部 点 (PMV) でトラバース測定を 冬季は夏季と違 い機器のレイアウトが変わ 6 たため作業者近傍の 2 点 (PMV PMV2 ) で 連続測定を行った 被験者の代謝量は夏季と冬季ともに作業内容が同 じであるため 2met 着衣量は夏季 0.7cl 冬季 0.85elo とした 測 定項目及び測定機器仕様などを表 1 に示す 室内温熱環境のアンケート調査は 作業中の快適感 温冷感 湿度 感 気流感について 1 日 2 回 (10 :30 15 ;3D) 夏季 冬季あわせて 約 146 データ x5 項目の回答を得た アンケート調査は工場の全ての 亠 46 NII-Electronic N 工工 Eleotronio Library
I 1000 900 800 _ 700 ミ 600 邑 500 囓お 400m 300 200 100 08 18 8 〆 24 216 2f22 1009080 _ 70 畫 60 遡 50 40 螢 20100 とシミュレーション結果の比較にまとめる なお ここでは居住城を 床上 3m 以下の空間とする また ここで用いる各時刻表示は 1 回のトラバース測定に 1 時間程度かかることから 9 :30 0:30 11 :30 12 :30 15 :00 16:00 とした 4.t 外気温度と日射量 夏季の測定期間中の温湿度は 24 32 ( 平均 27.12 58.5 93.4 % ( 平均 79.26% ) 冬季の洳定期間中の温湿度は〇.3 47 ( 平均 6.4 56 3 99 % ( 平均 54% ) の範囲で変動した また 夏 季の測定期間中には快晴目は無く 雨の日か曇天日が多かったため 例年より平均湿度は高い値であった 冬季も測定期間中の 2 月 19 日 図 3 外気温湿度 日射量の変動 の午前から 2 月 20 日午前にかけては雨が降っ たため例年より湿度が 高い値となった 図 2 に夏季と冬季の測定期間中の外気温湿度と福岡 気象データの目射量変動を示す 4.2 水平温度分布および水平気流速度分布 代表目として 8 月 20 目と 2 月 16 日の居住域床上 1 ユ m での水平温度 分布測定結果を図 4 と図 5 に示す 8 月 20 日は工場の中央部が全般的 に温度が約 L5 くらい低く 2 月 16 日は東部が全般的に温度が高い 傾向にあった これは西部に室内機が設置されていないことと西部に ある運搬用自動上下ジャソターによる外気の流入のためと思われる この工場は主に中央部から東部で作業が行われており 工場空調の負荷計算用基準値は空気調和 衛生工学会の設計用最大熱 負荷計算法によると夏季 27 29 冬季 19 20 であるこ とから作 業環境としては適切な空調が行われてい ると言える 図 6 に 8 月 20 日 ( 夏季 ) および図 7 に 2 月 6 日 ( 冬季 ) の 9 :30 0:30 1 ;30 12 : 30 15 :00 16 :00 に測定した居住域の水平気流速度分布を示す 8 図 4 8H20 日の床上 11m の水平温度分布 ( 上 :9:30 10:30 中 :11 :30 12 :30 下 : 15 ;00 16 :00) 月 20 日と 2 月 16 H の気流速度分布の測定結果では 工場の居住域気流速度は 0.5m s 以下であり 室内機が多く設置されている中央部で 0.5ms 東側では 03 O.4m s であった また 夏の場合は空調機 が主に設置されている中央部と東部に気流速度の大きい部分が形成さ れているが 冬は工場の西部から東部にかけて気流がほぼ均に分布 していることがわかる また 水平温度分布と気流分布とを総合的に 見てみると 8 月 20 日の場合は主に空調機が設置されてい る中央部と 東部では吹出し空気により室内温度が他の場所よりも少し低くなっ て おり さらに気流速度が大. きくなっ ていることから吹出し気流による 冷却効果がよく現れていることがわかる 冬季の 9 :30 10 :30 1 : 30 12 :30 の測定結果では推奨値より低い温度となっている さらに 図 9 に示すように 2 月 16 日の場合は気流向きの測定結果から 西 部から東部に向けて冷たい空気が拡散されていることがわかる 今回の測定から大空聞工場では 図 8 に示すように夏は冷房気流が主に作 業が行われてい るところを冷却し 冬季は空調機が設置されていない 西部の冷たい空気が空調されている中央部と東部へ拡散されるという 結果となった 図 5 2 月 16 日の床上 1.1m の水平温度分布 ( 上 :9:30 10 :3e 中 : 11 ;30 12:30 下 :15:00 16:00 ) 4 3. 空気質環境 この工場では強制換気は行われてい ないが 図 10 に示すように工 作業者を対象とし 午前 午後の体憩時聞に行った 回答に応じてくれた作業者は毎日同じ作業者である アンケート内容を図 2 に示す 4 測定結果 この節では外気温度と目射量 水平温度 気流分布 空気質の測定 結果を示し 上下温度分布と熱負荷の結果については 7 節の実測結果 場の CO C 濃度は般環境の建築基準法 ビル髄法の CO ( 基準値 1000ppm 以下 ) CO ( 基準値 10ppm 以下 ) の基準値以下であ? た これ は西壁面に製品運送のための自動シャッターがあり その開閉による 自然換気量が多かったためと思われる なお 作業に使われている潤 滑油の臭気が強かっ たが 粉塵 揮発性化学物質などの測定は行っ て いない 47 NII-Electronic N 工工 Eleotronio Library
_ 0. 趣醗 (11 30 12 :301 ). 媼凵 暫房皇 2 0. 廼 論マ癡渥 6 躍 L 亠 L 6... ( 上 図 6 8 月 20 日の床上 1. ユ m の水平気流分布 ;9 :30 10:30 中 : 1 :30 12 ;30 下 : 15 :00 6 :00) 鴟 α 曁 Ω. 03 05 Ω 墮 Q 軣皀弖堕 ザ 7 (930 1 0. 厂 Ω Ω5 鑾 0 炉 Of ワ 0 厂 p D 0_. (1:30 12. 壁喚 甥 tti ttt ド il 1 ei o (15 0 16 甑麺.... muofqs 図 72 月 16 日の床上 1.1 皿の水平気流分布 ( 上 :9 :30 10 :30 中 : 11 :30 12:30 下 :15:00 v16! 高宀弓 r り A 4 1F ( ρ A 図 88 月 20 日の床上 1.1m の水平気流風向 ( 左 : 9 :30 0:30 中 :1:30 12 ;30 右 : 15 ;00 6 :00) 05 l i l 1111? is.ittill 丶 丶 ノ 図 9 2 月 16 日の床上 1.1m の水平気流風向 ( 左 :9 :30 10:30 中 :1:30 12 :30 右 :5 :00 16:00) 図 CO2 (S 〆 18) 02 8 〆 20) 口 CO2 2 〆ユ 6 圏匚 2 21S) 日 CD 2 16} 口 CO 2 〆 18. 111 : 冨 遡 700 弩 600 巳 500 塁 躑 300 警 2008 100 0 図 10. ノ塾禦 _ 禽 シミュレ亀ショソ 已〆 20 諤 諤 : 5. アンケート跼査結果 ] じつ 粟測 2 15} 尸. ; シミュレー } li 910111213 4 5161718 時刻 [hour ] ション 2 〆 16) 空調によるの居住域の室内温度変動と CO2 CO 濃度 353025 [6 20 葱 1510 夏季と冬季の実測期間中のアンケート調査による快適感 温冷感 湿度感 気流感などの 146 データ 5 項目のうち有効回答の 6 割の結 果を図 11 図 13 に示す 5.1 快適感 図 11 に示す快適感と周囲温度とのアンケ ト調査結果から この 工場は 夏季は周囲温度が 26 32 で やや不快 と 不快 の間 であり 冬季は 12 20 で 快適 と やや不快 の問の結果となっ た ところが この工場の温熱環境を受け入れることができるのか の質問に対し 受け入れるのができる と答えたのが夏の場合 6 割 以上 冬の場合 8 割以上であっ た このような結果から作業者はこの 5 工場の環境に満足していることが言える 5.2 温冷感 :00) 図 12 に示すアンケートと PMV 測定による温冷感と作業者の周囲温 度との相関の結果からこの工場では周囲温度と温冷感との相関がある と判断できる 夏季の場合は周囲温度が 26 32 でアンケートと PMv 測定結果ともに やや暑い と 暑い の間であった また 冬季の 場合 13 以下で PMV 測定結果では やや寒い と 寒い との聞で あったが アンケート結果は やや寒い の結果であった これは作 業による人体発熱が大きいこととこの工場の作業者がこの工場の温熱 環境に慣れていたことを示すものと考えられる 5.3 湿度感 図 13 に示す湿度感と湿球温度との相関を見ると夏季の作業場の湿 度感は全体的に どちらでもない より やや湿っている 冬季の は どちらでもない より やや乾燥している との結果となった また 湿度感と湿球温度の相関関係では夏季より冬季の方が相関が高 い結果となった なお 湿度感と相対湿度との関係も調べたが 相関 は低かった 5.4 気流感とにおい 気流感は 夏の揚合は作業員の 2 害 llが気流感を感じ そのうち 5 割 以上が その気流感は快適だと答えた また 冬の場合は 3 割以上が 気流感を感じ そのうち 6 割がその気流は快適だと答えた においについては 夏と冬のアンケート結果 におう におわ ない 1 とも1 割を占めた また 作業者の経験年齢が多いに対する馴れが現れていた ほどにおい 48 NII-Electronic N 工工 Eleotronio Library
憤嶼坦 0 0 : 快適 1r やや不快 2 : 不快 3 : 非常に不快 乾球温度丁 [ ] 20 23 26 29 32 ユー ー 2 3 O [ 快適感 噸囎 雫 94 T キ ao うア > 爨ロ而 乾球温度 T 匚 蹤 35 LO 15 20 25 30 罫. ii : 蟄 1 廻 庚適感 = 00043x2 r O1793x 2.5618 班 ( 季目関係数 :0.46) 2 26 @3 ズ難躍 i : 壁醐欝 lll. : : ll 1. 櫞驫 1 30 乾球 度丁 ] 図 12 温冷感のアンケート調査結果 3 : 非常に寒い 2 : 寒い 11 やや寒い 0 : どちらでもない 1 : やや暑い 2r 暑い 3 ; }EmSt こ暑レ丶 3 尸 21 ー鵬誌饗登..... 迴鏤 艇芭. 蠧丶ア 0 憊彈蕪齟 123. 温冷. 感 = 015T. 281 唄 (.T. 稻関係數而 :69) 齟.@.@.h 國 D@.@.@ @ 凵 @..D.@D.@.D@.@.D.@.@.@.@.D@.D.@ 29 ー 20 ] 32 35......... 3 乾球温度 T [.. 18 21 24 湿球温度 T [ ] 2 ( 相関係数 : 0. 62 ) 5 10 1 @ 20 25 @ ( 上 : 夏季 下 : 冬季 ) 6. シミュレーション条件 D1 ダイクウカン によるシミュレーション条件シミュレー ョ. ンには空気調和 衛生工学会の大空間プログラム ダイクウカン を用いた この工場の空調時間は土日を除く平目で 夏は 8 :30 17 : 冬は 8 :30 18 :00 であるが シミ = レーションでは計 に必要な気象データの外気温 湿度を 1 時聞間隔で測定した ことと気象 からの目射量データも 1 時間聞隔のデータしかなかったため 空 時間を 8 : 00 18 ;00 とした また 居住域温度の測定結 から午前と午後の室内平均温度がかなり異なっていたため シミュ 戟 [ ションの設定温度としては居住域平均温度の測定値の各時聞帯の 平均値を用いた さらに 実際の工場では換気設備はあるものの工場 の作業事情により機械換気による外気導入は行っていない この工場 の建築の気密性は高いが 西側にある製品運搬用上下シャッターから 自然換気があるため シャッターの開閉回数測定から換気回数を夏ヘ1 回〆 h 冬は0. 5 回〆 h と推定した また 内部発熱量は電力を調べ 入体発熱は作業員の実数から求めた 壁面の放射 対流 伝達 率については表 2 のシミュレーション計算条件に示す値で与 た 居住域の空調轂定温度を表 3 に示す ここで 初期温度とは ミ = レーションのために必要な値で 各時間帯の前の時間の室温 測定値を用いた また 気象条件としての外気温 湿度は実測データを用い 日 ヒ量に ついてはその日の福 の気象データを用いた 空間分割は高さ方向に下から 5 分割 (3 1 2 2 2m ) とし 居住域高さを床から 3 皿とした 6 2GFD 値解析条件非圧縮 ( デカルト座標系 ) モジュールを用いて 8 月 2 フ 15 時および 2 月 16 日の 10 時のの室内温度分布と気流分 の数値解析を試みた 計算は k ε 乱流モデルを用い 定常計算を行った注 B 設計対象空間は工場空聞のみとした e 実際の工場の機械や照明などの形状を単純化 させた上で計算を行った また 床上 3.5m のところの壁面に 0 6m ( 横 0. m ( 縦 ) の吹出口 14 個を その下の床上 2. ている 図 11 快適感のアンケート調査結果 ( 上 : 夏季 下 : 冬季 ) 3 : 非常に湿ってる 2 : 湿っている 1 二やや湿って る 2 : 0 : どちらでもな 3 : 非常に乾燥して n53. いる 3210 2 齒 1 箇巡唄湿度感 = 0.40T 1 燥やして ( 牽係..i.. 自関数 e:3δ. や燥る 9 18 を配置さ た 空間メッシュ....... 32 0 ;i :. i 二...;. 34 18 16 = 9792 である 表 4 に計算のための境界条件を示 表 2 大空間シミ = レーショの 計算条件 1. 2 ト 3L. @0 5 1 のところにO. 6m ( 横 ).3m ( @ 15 20 縦 ) の吸込湿球温慶 T [ ] 図 1 シ度のアンケート調査結果 ( } : 夏 下 : 冬季 ) 表 @ 3 蜍シミ戟 [ @ ショ内唐フコイン定 @ x 午前 F 時 12 時 A 空間 <TAB><TAB>6 [ 皿 幅) 5 掾 i 奥行 j<tab> 午後 18 栫 j<tab> ~10 田 <TAB> 繹 )<TAB><TAB><TAB> 炎設定量 @ 回 <TAB> 18<TAB>t<TAB> 空 x 空調 <TAB> コ温 { @F<TAB>5<TAB> 時間 a[ ド <TAB> 照明 8 7.4 <TAB><TAB> 26C4<TAB><TAB><TAB><TAB><TAB> 設人体 機 <TAB><TAB>8 月 8 日セ <TAB>9 2<TAB>27 <TAB>3 Wm <TAB><TAB> C5 <TAB><TAB> <TAB><TAB><TAB> 空 CAV<TAB> 月 19 日 f<tab>2 2<TAB>28 吹出 <TAB> し <TAB>1 00@m3 <TAB><TAB><TAB>2 A<TAB>27 5 <TAB><TAB><TAB>i<TAB><TAB> 流吹し @r<tab> ャ @30 <TAB>80 日 31D4<TAB>2 :<TAB>0. 65 <TAB><TAB><TAB> 8<TAB>24 <TAB><TAB><TAB><TAB><TAB> 吹オ <TAB>14<TAB>8 3 日午 z<tab>26 625 2 気 O 気温 シ度 r<tab> 測 A[ 閭ター <TAB> 午 <TAB>2 <TAB> 日量 データ <TAB>8 月 24 日 <TAB> <TAB>7.8<TAB> 割 5 數 <TAB><TAB> 午 <TAB>1 2<TAB>12 <TAB><TAB><TAB><TAB><TAB> 達率 :<TAB> ( 上向き 2 月 16 日 <TAB> 午 f<tab>16.3<tab>. <TAB> [ f K] D33 i コ向き )<TAB> <TAB>10. <TAB>1 <TAB><TAB>4 5<TAB>2 月 17 日 <TAB> 午 κ<tab>17. 17D2<TAB><TAB> 他の <TAB> 放射熱 ` 達率 :<TAB>4C65 [WY 1<TAB><TAB><TAB><TAB><TA 1<TAB>11.5<TAB>13 5 : CB <TAB>2 l C 〆 K<TAB>2 8 日 <TAB> p 齟 <TAB><TAB><TAB><TAB>21.3<TAB>21. 1<TAB> 換気回数 @ <TAB>0 5( ~) <TAB><TAB>112.2<TAB>13. 4 口 h<tab>1 1 日 <TAB><TAB>9. 7<TAB> 0 <TAB> 窓面積ヲ <TAB>W:0 33 E :0.38 <TAB> 午前 <TAB> 7<TAB>13<TAB> 鄲 : 45<TAB>2 午 κ<tab> 21 <TAB>SrO D2<TAB> ユ 8.7 表 4 CFD 計算境界条件 <TAB><TAB> 吹出口 <TAB> 込口 <TAB><TAB> 各部分西 <TAB> 8 月 20 目 <TAB> 温度 ] <TAB>15<TAB>free<TAB>4L<TAB>32 532. 4 332 1<TAB>2915 00<TAB>1 m s<tab> =4 5 直下 = C4<TAB>r<TAB><TAB>sli<TAB>2 月 16 日 <TAB> 温度匚 <TAB>32<TAB>free<TAB> 14.2 工 O 112 6 U<TAB>10 810100<TAB>L m 〆 s<tab> 水 己 3. 6 = 垂直下 2. よ <TAB> <TAB><TAB>51ip<TAB>7. 実測結果と ダ クウカン シミュレーション結果の比較 7. 1 上下温度分布 8 月 20 日と 2 月 6 日の上下温度分 布測定結果とシミュレーション Di 結図果を NII-Electronic と図 15 に示す 測定結果から上下 Library 温度差は場所に よって異な
冖互 め厘 9876543210. 断面 A + 断面 A 断面 B 昏断面 B 三 鳩窪嚔 98765 3210.. 断面 A 凸シミュレーショー. ン篇断面 B 9 8 7 6. 三 5 抑嫗 4 3 2 02 0 25 30 35 20 25 30 35 20 25 温度 [ ] 温度 [ ] 温度 [ 1 図 14 8 月 20 日の上下温度分布 ( 左 :9:30 10:30 中 :11 :30 2:30 右 :15 :00 16:00) 30 35 9 8 7 6. 蹇 5M 価 4 3 2 010 15 20 25 温度 [ 1 量亜雪嬢 9876543210 01 図 15 2 月 16 日の上下温度分布 に大きな製品運搬用自動上下シャッターがあり そこからの外気の流 入があるためと思われる 上下温度分布測定結果からこの工場は夏季 では成層空調になっていることが分かる 居住域の上下温度分布は夏 季と冬季ともに ISO 7730の推奨値 3 以内に収まっており 居住域の 上下温度差の許容範囲は満足されている また 床から3m 以上の上 部空聞では 夏季は高さ方向に温度勾配が現れているが 冬季の温度 は居住域より数度高く上下方向にほとんど均になっている 2 月 18 日の上下温度分布ではシミュレーションと測定とで異なる結果となっ た これは図ユ 4 からわかるように 夏の代表日 8 月 20 目の断面 A はシミュレーションと実測の空調による居住域の室内変動はほぼ致 を見せているが 冬の代表日 2 月 16 日の場合は測定とシミ = レーショ ンとの居住域温度が異なっており その分上下温度差が生じているた めと考えられる しかし 対象工場に対する大空間シミュレーション の結果は夏においては上下温度分布をよく捉えていると言える 7 2 熱負荷 夏季の測定期間中の日積算熱負荷は測定で 622 707W m2 日 シ ミュレーションで 52 927Wm2 日であった また 冬季の場合は測定で 563 868W m2 日 シミュレーションで 716 063Wfm2 日となっ た 図 16 に 8 月 18 日と 8 月 20 日の実測とシミュレーションの熱負荷 変動を示す 1 日の熱負荷変動は冷房の立ち上がりの 8 時を除いて実 測とシミュレーションとでよく致している 8 時のシミュレーショ ンと実測との熱負荷が異なったのは実際の空調時間は 8 :30 からであ り シミュレーションでは 8 時からとなっているためと考えられる また 室内設定温度を午前中定としたため シミュレーションでは ( 左 i 11:30 12 :309876543210 ー r 即レ 愚 屮い聖の [ 廩 判 匝 15 :00 16:00 654 : 急 15 20 25 10 15 20 温度 [ ] 温度 [ ] :9 :30 10 :30 中 :11 :30 12 ;30 右 :15 :00 16:00) 冷房の立ち上がり時の熱負荷が過大となった lf 町廿 lli 罎 1 ゴ 図 17 に 2 月 6 日と 2 月 18 目の 1 日の熱負荷変動を示す c 熱負荷変 動パターンは午前を除いて実測とシミュレーションでほぼ同じ傾向の 結果となった しかし 午前においては空調の立ち上がり時間である 8 時では実測とかなり異なっており 負荷変動も異なる結果となった これは冷房と同様に実際の空調時間は 8 :30 からであり またシミュ レーションでは居住域設定温度を午前の平均温度を用いて計算したた め 8 時には空調設定温度と実際の室内制御温度とは 5 以上の温度 差があることからこのような結果となったと思われる また 熱負荷 の測定結果から工場の 1 日の負荷変動は空調立ち上がりを除いた時間 帯では外乱の変動とほとんど関係なく毎日ほぼ同じ変動をしているこ とがわかった 夏季と冬季の測定期閲中の目積算熱負荷を図 18 に示す 夏季と冬 季の測定期間中の熱負荷は全般的にシミュレーションの方が多い結果 となった これはシミュレーションでは設定温度を定にして熱負荷 を計算するが 実際の場合は制御対象の居住域温度が時間によって変 動するため 熱負荷変動が正確に定な設定温度の場合と異なるため と思われる また 今回行っ c9 25 た熱負荷計算に用いた日射量は 工場の ある地域と異なる福岡の気象庁のデータであるため その分誤差が生 じることになる しかし シミュレーションでは熱負荷変動は測定結 果と少し異なるが 実際の大空間工揚の熱負荷が比較的精度よく求められたと思われる 8. 実測結果と CFD 数値解析結果の比較 8 1 水平断面温度および気流速度分布 50 NII-Electronic N 工工 Eleotronio Library
Architectural A. h. Institute エ of f Japan 掃 n ;ii ドベ冨 ll: 葭. 逾 1 哩 10 冨 ) 40e 300m200100 50 πo 35302520P 80070060050D O O O 1 4 7 10 13 16 工 9 22 4 7 10 13 16 19 22 8 月 18 日 8 月 20 日 図 16 測定とシミュレーションの熱負荷変動 (8A8 8 20) 300 竈 200 還 E 磁 100 日射量. 外気温度 測定熱負荷 35302520800700600500400F 呂 15 鐙 10 300 醐 200an 5 100 O O o 1 4 7 1013 16 1922 1 4 7 10 13 16 19 22 2 月 16 日 2 月 18 日 図 17 測定とシミュレーションの熱負荷変動 (2 〆 16 2 8) 1500 冠 1200 蠢 goo II 齪 シ J レー Jl 図 19 CFD 数値解析による床上 1lm の水平断面温度分布 乏戸 ざ } ( 丗 妥噸 亠 雪ダ岬 ( 謝 ( 上 :8 月 20 目 15:00 下 : 2 月 16 日 IO :00 ) 斥 ヴ 壬彡姿 7 嘸 05 ア篝きぐ 眄 茖 ま屯ミへ ) 7 ミへ拿 ) 鱗蠶 製靆記 覊 亥 欝 驛泌 趣 緯 爨 図 20 CFD 数値解析による床上.1m の水平断面気流速度分布 ( 上 : 8 月 20 日ユ 5:00 下 :2 月 16 日 10 :00 ) 虚 兀 tt 匚 饗 6 1 仁 鬱瓜 300 IFI1 図 2l CFD 数値解析による断面の垂直断面温度分布 ( 左 :8 月 20 日 15 :00 右 :2 月ユ 6 日 10 :00) 08 18 819.820 8 23824 2 16217 218221222 図 18 日積算熱負荷 ( 左 : 夏季 右 : 冬季 ) CFD 解析の例として 8 月 20 日 15:00 と 2 月 16 日 10 :00 の水平断面 温度分布と気流速度分布の結果をそれぞれ図 19 と図 20 に示す 図 19 に示す床上ユ.1m の水平断面温度分布の計算結果では 実測結果と同 じく主に空調機が設置されている中央部と東部の温度が作業が行われ ていない西部より夏季 8 月 20 日の 15:00 は低く 冬季 2 月 16 日の 10: 00 は高くなった ところが 8 月 2Q 日の CFD 計算結果では実測より西 部で は約 2 中央部と東部では約 0.5 高く 2 月 16 目では実測よ り西部では 0.1 中央部と東部では約 1 高い結果となった これ は実際の工揚では西部のシャッターからの自然換気があるが CFD 計 算ではこれを考慮してないためと考えられる しかし 温度分布の形 状は実際の状況をよく捉えているといえる また 図 20 に示す水平気流速度分布の CFD 解析結果を見ると 8 月 20 日と2 月 16 目の気流速度は主に空調機が設置されているところで 0.3 0.4m 〆 s であった また 8 月 20 H と 2 月 16 日の気流方向は全 結果であった ところが 図 8 に示す 8 月 20 日の 15 :00 16 : 00 の測 定結果では CFD 計算結果と異なって西部から中央部にかけては逆の方 向であっ た これは実測の場合は 時間かけて測定したため また CFD 計算では西部にある上下自動シャ ッターの開閉を考慮していない ため と思われる 82 垂直断面温度分布 図 21 に CFD 解析による夏季 8 月 20 日ユ5 :00 と冬季 2 月 16 日 le:oo の断面の垂直断面温度分布結果を示す 居住域全体が空調の設 定温度にほぼ近くなっている また 東部の断面の CFD 計算結 果では 居住域を除いた上下温度分布で 図 14 に示す 8 月 20 日の 15: 00 16:00 の断面 B の測定結果と 図 15 の 2 月 6 日の 9 :30 ユ 0 : 30 の断面 A と B の測定結果とほぼ同じ結果となった これは西 部の上下自動シャッターからの外気の影響がこの断面では少ないためではないかと考えられる 9. 考察 1) 般的に冬季には冷気に触れると不快と感じるが アンケート調査 体的に西部から中央部にかけては西から東へ東部では東から西への 結果で は気流感に対して作業者の半数以上が快適と回答した これ 51 NII-Electronic N 工工 Eleotronlo Llbrary Library
は この工場で主に作業を行っ ているところは暖房空気が届いている ので 暖気流に触れることが快適に感じたためと思われる 2) 夏季に大きな皐下温度分布が形成される主な原因は日射と内部発 熱によるもの 温度分布の と考えられる 図 4 に示すように特に 8 月 20 日の上下 トラバース測定結果をみると 11:30 2 :30 の測定結果で は 他の時間より上下温度差が小さい結果となっている これは 1: 30 12 :30 の測定前の時間に雨が降ったため 屋根面に降り注ぐ直達 日射が. ないことと 雨により前の時間に温ま. った屋根面が冷やされた ため 屋根面の温度が下ったと考えられる. また. この工場の作業内 容上機器からの内部発熱はそれほどなく 作業人数も少ないため 1: 30 2 ;30 の上下温度差は他の時間より小さくなったと思われる 3 > 図 15 に示すように冬は室内空気温度より吹出し温度が高いため 3m 以上の空間を暖めているのは 空気の密度差により吹出された空気 が 3m 以下の居住域に届く分もあるが 直接 3m 以上の空間に拡散され る分もあるため 吹出し空気が 3m 以上の空間を暖めることとなり そ のため結果的に温度成層が生じたと思われる 4 ) 図 15 に示すように夏季に比べて冬季の実測結果とシミュレーショ ンの結果はあまりよい致を見せてない これはまず居住域の室内温 度変動の測定結果から夏の場合は室内温度変動はシミ = レーシ ョンの 居住域の空調設定値とほぼ致を見せているが 冬の場合は測定値の 室内温度が変動し場所によっても異なっているので その分上下温度 差が生じたと思われる また 測定値は瞬時値であるため西側にある 大きな製品運搬用上下シャッターからの冷たい外気が居住域温度を下 げるが シミュレーションでは空間全体の換気回数のみを算入してい るため上下温度分布が異なったと思われる 5) 図 18 に示すようにシミュレーションによる日積算熱負荷は冬季の 場合がより実測に近い結果となっている これは 図 16 図 17 に示 す実測とシミュレーションとの熱負荷変動が夏季より冬季に近い結果 を示していることから シミュレーションの日積算の熱負荷は夏季よ り冬季の方が測定結果に近くなったと思われる 6)CFD による数値解析では 西部にある上下自動シャッターの開閉を 考慮していないため居住域の水平温度分布や気流分布などが所々で実 測結果とやや違う結果となったが その分布形状は実測結果をよくと らえられていると思われる このことから他の日時についても急激な外乱の変動はないことから同様の結果が得られるものと推定される また 図 9 の水平温度分布と図 20 の水平気流速度分布の結果から 大空間の空調の場合主に作業が行われているところを中心に空調できることが CFD 解析でも示されたと考えられる 10. 結論 夏季と冬季の大空間工場の空調による室内環境と熱負荷について実 測とシミュレーションおよび CFD 解析を行い 以下の結果を得た 1) この測定を行った工場では夏は冷房気流が主に作業が行われてい る空聞を冷却し 冬季は空調機が設置されていない西部の冷たい空気 が暖房されている中央部と東部へ拡散されるという状況が確認され た 2> 上下温度分布の測定結果から 床から 3m 以上の空間では夏季の場 合上下温度差が現れているが 冬季ではほとんどなく 居住域より上 部の空間が暖められることが明らかとなった 3 ) また 夏の居住域温度は実測とシミュレーションとで少し違うも のの上下温度差はよく致した 冬はシミュレーションの方が 11 時より 15 時の上下温度差が大きい結果となった これはシミュレー ションでは実際のような居住域の温度変動がなく 常時設定温度に保たれるとしているためと思われる 4 ) 夏冬ともに空調の立ち上がりの 8 時の熱負荷が実測よりシミュ レーションの方が大きくなった これは実際の空調時間は 8 :30 から で またシミュレーシ g ンでは居住域設定温度を午前の平均温度を用 いて計算したため 8 時にはシミュレーションの空調設定温度と実際 の室内設定温度とが異なっているためだと思われる 5 ) 夏と冬の測定期間中の日積算熱負荷は全般的にシミュレーション の方が多くなったが 熱負荷の日変動の比較からシミュレーションは 立上がり時を除いてこの工場の熱負荷をよく示すことができたと判断される 6 ) アンケート調査結果と PMV 測定結果からこの工場の作業員は夏季 冬季とも温熱環壌にやや満足しており 冬季の温熱環境に慣れている と思われる また においに関しては夏季 冬季ともに平均的に やにおう と回答した 7)8 月 20 目の CFD 計算結果では実測より西部では約 2 中央部と東 部では約 0.5 高く 2 月 16 日では実測より西部では 01 中央部 と東部では約 高い結果となった これは実際の工場では西部の自 動上下シャッターからの自然換気があるが CFD 計算ではこれを考慮 してないためと考えられる しかし CFD による数値解析では 居住 域の温度分布や気流分布などが実測結果とおおむね同じ形状になっ ことから実際の状況がよく捉えられたといえる 本研究は早稲田大学理工学総合研究センターと九州電力電工との共同研究によるもので部は既に報告した S 謝辞 や 九 本研究にあたり九州電力株式会社の山下政夫氏 山崎達也氏 株式会社九電工の北村邦彦氏 毛利美氏に多大な協力を頂きまた ここに記レて深謝の意を表します 注 ) 気流解析には α flow 気流解析プログラムを用いた 文献 1 ) 宮川 : 大空間の上下温度分布算定に関する実験的研究 日本建築学会論文報 告集 第 286 号 pp.75 81 昭和騒 年 12 月 2) 戸河里 荒井 三浦 ; 大空間の空調 熱環境計画手法の研究 ( その 1 その 2 ) 日本建築学会計画系論文報告集 第 427 号 pp 9 19 1991 年 9 月 第 435 号 pp.11 21 1992 年 5 月 3 ) 空気調和 衛生工学会 : 大空間の熱負荷計算法 熱負荷算法小委員会報告集 1993 年 3 月 4 ) 平松 原田 村上 他 : 実験用実大アトリウム内の温熱環境解析 ( その 1 5) 日本建築学会学術講演梗概集 D 1995 年 空気調和衛生学会学術講演 論文集 1995 996 年 5> 平松 原田 村上 他 : 自然室温時における室内温熱環暁の統計的解析 その 2 実験用実大アトリウム内の温熱環境解析 目本建築学会計画系論文 集 第 504 号 1998 年 2 月 第 435 号 pp.11 21.1992 年 5 月 6 > 加藤 村上 他 : 自然換気される大規模卸市場内の夏季温熱空気環境に閲する研究 ( その 1 その 2 ) 空気調和 衛生工学会学術講演論文集 pp129 136 1995 年 10 月 7 ) 小林 他 : 低層建物におけるアトリウム環境の実測調査 ( その 1 5 ) 日. 本建築学会学術講演梗概集 pp 869 878 1993 年 9 月 8 ) 宋 木村 北村 他 ; 大空聞工揚の熱負荷に関する研究 ( その工 その 2) 空気調和 衛生工学会学術講演論文集 pp 1079 1082 2000 年 9 月 (2001 年 7 月 6 日原稿受理.2002 年工月 18 日採用決定 ) た 52 NII-Electronic N 工工 Eleotronio Library