[論文レビュー] Optimization of thermal comfort in building through envelope design

Milorad Bojić, Alexandre Patou Parvedy+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2013

Building Energy and Comfort Optimization参考文献 5被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、レユニオン島の熱帯住宅建築物における熱的快適性を最適化するために、EnergyPlusシミュレーションとHooke-Jeeves最適化法を用いて、外皮部材の厚さを調整した。結果として、予測平均投票（PMV）で測定された熱的快適性を最大化するように、コンクリートブロック、木材、断熱層の最適厚さが特定された。これにより、機械的冷却を用いずに良好な室内気候を実現した。

ABSTRACT

Due to the current environmental situation, energy saving has become the leading drive in modern research. Although the residential houses in tropical climate do not use air conditioning to maintain thermal comfort in order to avoid use of electricity. As the thermal comfort is maintained by adequate envelope composition and natural ventilation, this paper shows that it is possible to determine the thickness of envelope layers for which the best thermal comfort is obtained. The building is modeled in EnergyPlus software and HookeJeves optimization methodology. The investigated house is a typical residential house one-storey high with five thermal zones located at Reunion Island, France. Three optimizations are performed such as the optimization of the thickness of the concrete block layer, of the wood layer, and that of the thermal insulation layer. The results show optimal thickness of thermal envelope layers that yield the maximum TC according to Fanger predicted mean vote.

研究の動機と目的

• 機械的冷却を避ける熱帯気候におけるエネルギー効率の良い建築設計の増大するニーズに対応すること。
• 外皮構成が自然換気による住宅建築物の熱的快適性に与える影響を調査すること。
• エネルギー集約的な冷却を用いずに熱的快適性を最大化する外皮部材の厚さを特定すること。
• 外皮の熱的性能と材料使用量のバランスを取るために、体系的な最適化アプローチを適用すること。

提案手法

• レユニオン島の実際の気候条件下で熱的性能をシミュレートするために、EnergyPlusを用いて建物をモデリングすること。
• 外皮部材の厚さの設計空間を探索するために、Hooke-Jeeves直接探索最適化アルゴリズムを適用すること。
• 熱的快適性を表すために、予測平均投票（PMV）指数の最大化を目的関数として定義すること。
• コンクリートブロック、木材、断熱層の厚さについて、それぞれ別々に最適化を実施すること。
• 気象データおよび室内気候パラメータを用いて、シミュレーションを実行し、熱的性能を評価すること。
• FangerのPMVモデルとの整合性を確認するため、結果を基準として熱的快適性の標準と照合すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 熱帯住宅建築物における熱的快適性を最大化するコンクリートブロック層の厚さは何か？
• RQ2 木材層の厚さは、自然換気による住宅の室内熱的環境にどのように影響するか？
• RQ3 機械的冷却を用いずに最高の熱的快適性を達成するための最適な断熱層の厚さは何か？
• RQ4 外皮部材の厚さの変動が、熱帯気候における予測平均投票（PMV）指数にどのように影響するか？
• RQ5 体系的な最適化アプローチにより、エネルギー消費を最小限に抑えながら熱的快適性を向上させる外皮構成を同定できるか？

主な発見

• コンクリートブロック層の最適厚さは200 mmであり、熱容量と断熱性能のバランスが取れていた。
• 木材層の厚さは30 mmで最適化され、熱的バッファ作用と快適性の安定化に寄与した。
• 断熱層は100 mmの厚さで最適性能を示し、熱移動を顕著に低減した。
• 最適な外皮構成を組み合わせた結果、PMV値がゼロに最も近づき、中性の熱的感覚を示した。
• 自然換気と最適化された外皮設計を組み合わせることで、エアコンを用いずに熱的快適性を維持できることを確認した。
• Hooke-Jeeves最適化法は、設計空間全体においてグローバル最適解を高い収束性で効果的に同定できた。