[論文レビュー] A Comparison between CODYRUN and TRNSYS, simulation models for thermal buildings behaviour

Franck Lucas, Thierry A. Mara+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2012

Building Energy and Comfort Optimization参考文献 4被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、熱帯気候下における建物の熱的挙動をシミュレートするために、CODYRUNとTRNSYSを比較した。単一ゾーンの試験セルと実際の多ゾーン熱帯住宅を用いた。両モデルは同等の精度を示したが、スペクトル解析により、CODYRUNは直接日射および屋外温度の影響を正しくモデル化できていないことが判明。一方TRNSYSは散乱日射および屋外温度入力に対してより感受性を示し、放射熱移動および熱移動の表現におけるモデル固有の誤差が浮き彫りになった。

ABSTRACT

Simulation codes of thermal behaviour could significantly improve housing construction design. Among the existing software, CODYRUN and TRNSYS are calculations codes of different conceptions. CODYRUN is exclusively dedicated to housing thermal behaviour, whereas TRNSYS is more generally used on any thermal system. The purpose of this article is to compare these two instruments in two different conditions . We will first modelize a mono-zone test cell, and analyse the results by means of signal treatment methods. Then, we will modelize a real case of multi-zone housing, representative of housing in wet tropical climates. We could so evaluate influences of meteorological and building description data on model errors.

研究の動機と目的

• 湿潤熱帯気候下における建物の熱的挙動をシミュレートする際のCODYRUNとTRNSYSの精度を評価・比較すること。
• 気象および建物仕様パラメータが両モデルのシミュレーション誤差に与える影響を特定すること。
• 完全に計測された単一ゾーン試験セルおよび実際の多ゾーン熱帯住宅からの実験データを用いて、モデルの性能を評価すること。
• シミュレーション残差における日射（直接／散乱）、屋外気温、スカイライト温度の役割を調査すること。
• 各シミュレーションコードにおける主要な誤差要因を特定することで、モデル選定および改善を支援すること。

提案手法

• 熱的・物理的特性が明確に定義された断熱試験セル（22.5 m³）を用い、完全に計測された状態でシミュレーションを実施した。
• 軽量構造（換気ブロック、木繊維板、空気層を含む）の多ゾーン熱帯住宅をモデル化し、5つの熱的ゾーンを含んだ。
• CODYRUNとTRNSYSを用いて、同一の気象的励起条件下で室内温度応答をシミュレートした。
• 残差にパワー・スペクトル密度および二乗コherエンシー解析を適用し、主要な誤差要因を同定した。
• 分散分解を用いて、各気象入力（屋外温度、直接日射・散乱日射、風速）がシミュレーション誤差に与える寄与度を定量した。
• TRNSYSではType 56多ゾーン建物モデルにBIDおよびPREDBIDユーティリティを使用した。一方CODYRUNは、ユーザー定義の熱移動モデルを用いた集約容量有限差分法を採用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 制御された単一ゾーン試験セルにおいて、CODYRUNとTRNSYSは室内温度ダイナミクスをどの程度正確にシミュレートできるか？
• RQ2 どの気象入力（直接日射、散乱日射、屋外温度、風速）が各モデルのシミュレーション誤差に最も顕著に寄与しているか？
• RQ3 両モデルのシミュレーション残差に24時間周期が見られるのはなぜか？これはモデルの忠実性にどのような含意をもたらすか？
• RQ4 明確に定義された試験セルと、複雑で定義が曖昧な構造を有する実際の多ゾーン熱帯住宅との間で、モデル性能にどのような差が生じるか？
• RQ5 移動関数法と有限差分法の熱移動モデルの違いが、軽量熱帯建築物における精度にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• 単一ゾーン試験セルでは、CODYRUNとTRNSYSの両方が低い残差標準偏差（それぞれ0.44°Cおよび0.43°C）を示し、実験データと良好な一致を示した。
• パワー・スペクトル密度解析により、両モデルの残差は白色ノイズではなく、24時間周期に明確なピークを示しており、日周サイクルに起因する系的なモデル誤差が存在することが示された。
• 二乗コherエンシー解析により、CODYRUNの残差は屋外気温およびスカイライト温度との間で強い線形相関（最大0.8）を示したのに対し、TRNSYSはそれより弱い（最大0.6）。これは、CODYRUNがこれらの入力に対してより感受性が高いことを示唆している。
• TRNSYSでは、[0–0.02] h⁻¹範囲の残差パワーの64％が屋外温度に起因していた。一方CODYRUNでは、[0.02–0.08] h⁻¹範囲で同様の入力が56％の寄与を示した。
• 多ゾーンシミュレーションでは、CODYRUNは室内温度を一貫して低く推定しており、特に夜間において顕著であった。トイレゾーンでは残差標準偏差が2.02°Cに達し、長波放射のモデル化が不十分であることが示された。
• 分散分解により、TRNSYSでは[0–0.02] h⁻¹範囲の残差パワーの64％が屋外温度に起因し、CODYRUNでは同範囲で屋外またはスカイライト温度が56％の寄与を示した。両モデルにおいて、主要な誤差要因が同定された。