[論文レビュー] Multiple model software for airflow and thermal building simulation. A case study under tropical humid climate, in R\'eunion Island

Harry Boyer, Jean-Claude Gatina+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2012

Wind and Air Flow Studies被引用数 7

ひとこと要約

本論文では、正確性と計算効率のバランスを図るために、詳細または簡略化された熱的・気流モデルを部分的に適用する多モデル建築シミュレーションソフトウェアCODYRUNを提示する。レユニオン島の熱帯湿潤気候の建物に対して、主なゾーンでのみ非線形対流モデルを適用することで、全非線形基準ケースと比較してシミュレーション時間を約50％短縮したが、温度差は0.1°C以内、冷却負荷差は0.1kW以内に保った。

ABSTRACT

The first purpose of our work has been to allow -as far as heat transfer modes, airflow calculation and meteorological data reconstitution are concerned- the integration of diverse interchangeable physical models in a single software tool for professional use, CODYRUN. The designer's objectives, precision requested and calculation time consideration, lead us to design a structure accepting selective use of models, taking into account multizone description and airflow patterns. With a building case study in Reunion Island, we first analyse the sensibility of the thermal model to diffuse radiation reconstitution on tilted surfaces. Then, a realistic balance between precision required and calculation time leads us to select detailed models for the zone of main interest, but to choose simplified models for the other zones.

研究の動機と目的

• 設計上の優先順位に基づき、熱的および気流モデルを部分的に適用可能な柔軟なシミュレーションツールの開発を目的とする。
• 多ゾーン建物におけるシミュレーションの正確性と計算時間のトレードオフを解決することを目的とする。
• 特に拡散放射および対流モデルの感度を評価し、熱帯湿潤気候における影響を明らかにすることを目的とする。
• 重要なゾーンでの詳細モデルの部分的適用が、正確性を損なわずに効率を向上させることを示すこと。
• 複雑で気候に敏感な建物における実用的な熱的シミュレーションフレームワークを提供すること。

提案手法

• CODYRUNは、プロジェクト、建物、ゾーン、相互ゾーン、部材を用いたツリー構造のデータモデルを採用し、モジュラーな入力を行う。
• 熱的モデリングには有限差分ノード離散化と行列縮約を用い、エネルギー収支方程式を解く。
• 気流は圧力に基づくネットワークモデルを用い、開口部を通過する流れに非線形方程式を適用する。
• 対流モデルは選択的に適用される：大多数のゾーンでは線形（定数係数）を、関心のある主なゾーンでのみ非線形モデルを適用する。
• 感度分析のため、異なるスカイ拡散放射モデルを用いて気象データを再構成する。
• モデルの複雑さを変えてシミュレーション結果を比較し、正確性と時間効率を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 傾斜面における拡散放射モデルの選択が、熱帯気候における熱的シミュレーションの正確性にどのように影響するか？
• RQ2 非線形対流モデルと線形対流モデルの使用が、室内温度および冷房負荷予測に与える影響は何か？
• RQ3 重要なゾーンでの詳細モデルの部分的適用が、シミュレーション時間を短縮しつつ正確性を維持できるか？
• RQ4 多ゾーン建物において、非線形対流モデルを全領域に適用するのと局所的に適用するのとで、計算コストにどのような差が生じるか？
• RQ5 異なるモデルの組み合わせが、熱的快適性を確保するための冷却能力要件にどのように影響するか？

主な発見

• 主なゾーンでのみ非線形対流モデルを適用したケースCでは、1日あたりのシミュレーション時間が、全非線形ケース（ケースB）の2.53分から1.35分に短縮された。
• ケースCの温度誤差は、基準非線形ケース（ケースB）と比較してわずか0.1°Cであったのに対し、ケースA（全線形モデル）では1.2°Cの誤差を示した。
• ケースCの冷却出力誤差は0.1kWであり、ケースAの0.5kWに比べて顕著に低かった。
• ケースBとケースCの時間比は約0.5であり、ゾーンごとの非線形反復処理に基づく理論的期待値とよく一致した。
• 部分的モデル適用アプローチは、温度および出力予測において全非線形モデルとほぼ同一の結果を達成しながら、計算コストを半分に削減した。
• 本研究は、モデル選択が全領域への適用ではなく、ゾーンごとの重要性に基づくべきであることを確認した。特にエネルギー集中的なシミュレーションにおいて顕著である。