放射状壁面噴流を用いた準置換換気空調方式に関する研究 （その 3

放射状壁面噴流を用いた準置換換気空調方式に関する研究
（その 3）実験室実験による大型発熱体を有する室内の温度分布性状
Fundamental Study on Temperature and Airflow Distribution
in Semi-Displacement Ventilation using Radial Wall Jet
Part3. Indoor temperature distribution in a room with large heating element
by the laboratory experiment
○ 冨田　篤（大阪市立大学）　梅宮　典子（大阪市立大学）
小林　知広（大阪市立大学）
岸本　孝志（きんでん）
Atsushi TOMITA*1 Tomohiro KOBAYASHI*1 Noriko UMEMIYA*1
Takashi KISHIMOTO*2
*1 Osaka City University　*2Kinden Corporation
It is considered that the relaxation of the air-conditioning control conditions of the non-occupied zone can be effective
from viewpoint of energy-saving, because only the residential area is essentially targeted in the room. Impinging Jet Ventilation and Displacement Ventilation systems can be such an air-conditioning system, but differences in the thermal environment of the room are not fully understood for the time being. In this study, therefore, it is aimed to clarify basic properties
of the airflow distribution and temperature distribution in a room with Impinging Jet Ventilation system, and to understand
the differences from the displacement ventilation systems experimentally.
実験は 2013 年 9 月 9 日～ 10 月 18 日に行った。Fig.1 に
示 す 実 験 室 ( 縦 5,000mm 幅 9,000mm 高 さ 2,700mm) に お
いて照明は消灯の状態で半円筒型の IJV 吹出口 (Fig.2) の
下端が床上 600mm3）位置となるように設置して空調を行
い、室全体の温度分布及び吹出口近傍の風速分布を測定
した。室内温度測定において Fig.3 の ● で示す位置では高
2,700mm
Exhaust Opening
Heat Load (Black Lamp:60W×32)
Z Y
X
5,000mm
9,000 mm
Fig.1 Experimental set-up (Black Lamp)
m
300m
X
1,000mm
IJV 方式は冬期の暖房にも適用できる可能性を有するこ
とも利点の一つと考えられるが、DV 方式と IJV 方式で室
内の熱環境の違いはこれまで十分に解明されていない。そ
こで、本研究では実験により IJV 方式の温度分布及び気流
分布の基礎性状を明らかにするとともに、DV 方式との差
異を把握することを目的とする。
2．実験概要
2.1　実験室による測定概要
Supply Duct
5,000mm
1. はじめに
室内の居住域を対象とした空調方式は、非居住域の空
調制御条件の緩和ができるため、省エネルギーの観点か
ら有効と考えられる。そのような効率的な空調方式の 1
つとして置換換気方式 1,2)（Displacement Ventilation、以降 DV
方式）が考えられるが、DV 方式は低温低速で給気を行う
ため、大きな熱負荷があればその周辺で気流が上昇して
水平方向に温度分布が生じるという可能性がある。また、
条件によって室下部を過剰に冷却する可能性もあり、快
適性の観点からも注意が必要と考えられる。一方、DV 方
式と同様に上下温度分布を形成し、水平方向の分布が生
じにくい方式として、床面付近に設置したダクトから鉛
直下向きに給気する方式 3)（Impinging Jet Ventilation 方式、以
降 IJV 方式）が提案されている。
Z
9,000mm
Fig.2 IJV Diffuser
1,800mm
●Measurement Point for Vartical Temprature Profile
(12points at every 250mm from the floor)
○Measurement Point for Vartical Temprature Profile
(6points at every 500mm from the floor)
Fig.3 Measurement point of temperature
Table1 PIV analysis condition
Camera
Laser
Number of flames
Time Interval of Pulse
Camera Flame Size
Program
Algorithm
Interrogation Window Size
Over Lap
ImagerProX2M
Nd:YAG Laser:DPIV-L50
100
1000μs
1500pixel× 1200pixel
Davis8.0
Direct Cross-correlation Method
First Pass:64× 64
Iterating Pass:16× 16
0%
さ 250mm ごとに 12 点の温度を測定し、○ で示す位置では
高さ 500mm ごとに 6 点の温度の測定を行う。なお、室内
温度測定においては、水晶温度計 ( 九州計測器、TempLan)
を用いて測定を行った。
2.2　PIV 測定
吹出し気流の定性的な性状を把握するため、ディフュー
Exhaust Opening
Large HeatingElement(1~3kw)
Y
Z
near
X
height(mm)
2,700mm
Supply Duct
5,000mm
center
9,000mm
far
600
600
500
500
400
400
300
300
200
200
100
100
Fig.4 Experimental set-up(Lurge Heating Element)
Table2 Measure case
300CMH 400CMH 600CMH 900CMH
case1
case2
case3
case4
14deg.C
17deg.C
20deg.C
22deg.C
0
0
100
200
300
400
length(mm)
500
600
700
1m/s
0
0
100
200
300
400
500
length(mm)
600
700
1m/s
Fig.5 Result of PIV measurement
Table3 Measure case
2.4　大型発熱体を用いた実験概要
600CMH
DV
IJV
case5
case3
case3
case6
高熱工場などの大空間において作業者などが活動する
床面近くの空間を効率的に空調を行うことができるか、
人や稼働中の機械から発生する熱により水平方向の温度
ザー周辺の風速を PIV により測定した。光源にはダブル
分布が発生するかを確認するために、大型発熱体を設置
パルス Nd:YAG レーザー (Litron Luser 社、
DPIV-L50) を用い、
して実験を行った。
ディフュザー中央の鉛直断面を投影し、側部に設置した
こでは夏期の冷房時を想定し、工場などでの発熱体を
CCDカメラ(LAVISION社、
ImagerProX2M)により撮影した。
想定した大型発熱体 (800mm×800mm×800mm) を配置し空
撮影は 10Hz で 10 秒間行い、1 回の撮影で 1000μs の間隔
調開始後定常状態となったところで室内鉛直温度分布を
で 2 枚の画像を撮影し、一回の測定で 100 組 200 枚の画
測定する。(Fig.4)
像を測定した。
大型発熱体を室中央に設置し、発熱体の発熱量 1kw、
画像処理には Davis 8.0(LaVision 社 ) を使用し、カメラ
2kw、3kw の 3 条 件 に 関 し て、Table2 の 条 件 (case1 ～
とレーザーの制御もこれによった。また、風速算定に
case4) で測定を行った。また、大型発熱体の設置位置を
は GPU を使用した直接相互相関法 (Direct Cross-Correlation
変化させ測定を行った。発熱体の設置位置をディフュー
Method) を用いて、再帰的相関法 4）により計算を行った。
ザーに近づけた場合 (near)、遠ざけた場合 (far)(Fig.4) にお
Table1 に PIV 測定の概要をまとめて示す。実験条件とし
いて発熱量 2kw、吹出条件 case3 の室内温度分布の測定
ては、熱負荷条件としてブラックランプ 60W×32 個、給
を行う。IJV 方式、DV 方式において以上の条件をそれぞ
気量を 400CMH、給気温度を 17deg.C とした。
れ測定する。さらに、大型発熱体を中央に配置し DV 方
2.3　ブラックランプを用いた実験概要
式では case5 を IJV 方式では case6 における室内鉛直温度
均等な熱負荷での IJV 方式、DV 方式における温度分
分布の測定も行う (Table3）。
布の基礎性状の把握をすることを目的として、ブラッ
3.　結果と考察
クランプを設置して実験を行った。IJV 方式、DV 方式
3.1　PIV 測定の結果
での水平方向に温度分布及び、IJV 方式と DV 方式での
Fig.5 に IJV、DV 方式における PIV 測定結果を示す。こ
鉛直方向の温度分布の違いの有無を確認する。実験条
Supply small
Supply large
件としては吹出温度・吹出風量を変化させて測定を行 2700
DV case4
う (Table2）
。ここでは夏期の冷房時を想定し、人体から 2160
DV case2
の発熱を想定したブラックランプ（60W×32）を設置し、 1620
IJV case1
IJV case3
(Fig.1)、空調開始後定常状態となったところで室内鉛直 1080
height(mm)
18deg.C
20deg.C
22deg.C
温度分布を測定する。なお、ブラックランプはプルーム
の広がりが人体に見立てたシリンダーの上部と同じ広が
りになるように高さ 500mm の位置に設置した 5)。また吹
出口を取換え、DV 方式においても Table2 に示す 4 条件
で温度測定を行う。
400 CMH 17deg.C
DV
height(mm)
2700
1620
540
0
IJV
0
25
24
22 23
2160
26
24
6000
3000
1620
27
0
0
26
25
23 24
26
2700
26
26
3000
25
6000
length(mm)
26
25
540
0
9000 0
2700
22 23
24
6000
26
1080
25
540
25
2160
1620
1620
1080
26
0
26
25
26
25
24
3000
25
6000
26
6000
length(mm)
9000
Fig.7 Temperature distribution (z=0mm)
0
9000
26
26
540
3000
26
26
1080
540
0
26
0
9000 0
2700
2160
9000
24
25
26
temperature(degree.C)
900 CMH 22deg.C
26
2160
3000
27 23
DV case3
Fig.6 Vertical distribution of average temperature over the
horizontal cross-section
1620
1080
25
24
27
540
IJV case2
24
25
26
temperature(degree.C)
1620
2160
1080
23
600 CMH 20deg.C
2700
26
26
1080
2700
height(mm)
26
2160
0
IJV case4
DV case1
540
0
25
20
26
3000
6000
length(mm)
9000
27 (deg.C)
27
気量が大きい場合において IJV 方式が DV 方式に比べ適
度に混合しているため DV 方式と比べると快適な空調と
言える可能性がある。また、発熱量の大きさ別に室内平
均温度鉛直分布 (case1 ～ 4) を比較すると、発熱量の大き
さにより差はあるが概ねすべての条件において、給気量
が小さい場合では IJV 方式、DV 方式において大きな差
の結果より、DV 方式において低速で給気していること
が確認でき、一方で IJV 方式では床面に衝突し、周囲の
空気を混合しながら給気している様子が確認できた。
また、風速の大きさに関して吹出風量 400CMH の場合、
DV 方式では概ね 0.35m/s で吹出しているのに対して、IJV
方式では概ね 1.5m/s で吹出しているのが確認できた。こ
れより給気量が等しい条件においての吹出風速の違いが
確認できた。
3.2　ブラックランプを用いた実験の結果
1kwcenter Supply small
2700
2160
height(mm)
IJVcase4
540
0
21
22
23
2700
height(mm)
DV
1620
26
25
24
23
22
22
1080
540
0
28
0
23
3000
height(mm)
2700
28
IJV
2160
27
1620
26
25
24
1080
540
0
0
DV
heightmm)
2160
IJV
height(mm)
27
1620
540
0
2160
height(mm)
24
26
24
24
6000
28
27
26
27
26
1080
540
3000
6000
length(mm)
30
2700
IJVcase4
1080
0
23
25
27
29
temperature(degree.C)
31
25
27
29
temperature(degree.C)
31
33
24
900 CMH 22deg.C
2700
27
27
2160
28
1620
26
1080
25
26
25
24
540
24
0
0
9000
2700
6000
24
24
3000
6000
28
27
2160
27
26
25
9000
27
26
1620
26
1080
25
6000
9000
length(mm)
center
1620
27
26
25
24
0
9000
0
2700
0
0
3000
28
27
26
25
24
3000
32 (deg.C)
far
27
27
1620
26
25
24
23
540
27
1620
540
3000
25
length(mm)
6000
9000
Fig.10 Temperature distribution (z=1000mm)
0
23
3000
6000
9000
27
26
26
25
1080
28
26
25
24
27
2160
27
26
25
28
2160
0
0
9000
2700
6000
9000
21
1080
24
28
24
6000
length(mm)
2700
29
26
25
0
33 23
540
28
0
DVcase3
(3) Heat Generation rate(3kw)
Fig.9 Vertical distribution of average temperature over the
horizontal cross-section
27
26
25
3000
2160
9000
IJVcase3
DVcase2
29
0
1080
30
540
24
1620
28
DVcase4
27
2160
26
temperature(degree.C)
3kwcenter Supply large
IJVcase2
1620
26
25
540
24
2160
28
1080
22
3kwcenter Supply small
3000
540
25
0
0
28
temperature(degree.C)
Fig.8 Temperature distribution (z=1000mm)
26
25
28
1620
0
9000
27
DVcase3
(2) Heat Generation rate(2kw)
2700
28
3000
540
540
length(mm)
26
IJVcase3
DVcase1
27
26
25
24
1080
1080
6000
26
25
24
1080
0
24
1620
1620
near
2700
2700
23
3000
DVcase4
IJVcase1
600 CMH 20deg.C
2160
27
26
25
24
25
IJVcase4
DVcase2
0
22
28
0
9000
0
2700
6000
24
540
2160
26
25
24
23
23
temperature(degree.C)
2kwcenter Supply large
IJVcase2
1620
1080
2700
27
22
2160
height(mm)
400 CMH 17deg.C
26 21
25
2kwcenter Supply small
では IJV と DV 方式において大きな差異は見られず、給
27
24
temperature(degree.C)
(1) Heat Generation rate(1kw)
示す。また、Fig.9 に IJV、DV 方式における水平面平均温
度の鉛直分布 ( 発熱量 1kw ～ 3kw、case1 ～ 4) を示す。給
気量が小さい場合では IJV 方式、DV 方式において大き
な差異は見られず、どちらも温度成層が形成されている
ことが確認できる。一方、給気量の大きい場合では IJV
方式が DV 方式に比べ混合している。居住域である高さ
1.5m 以内の温度分布を比較すると、給気量が小さい場合
2160
DVcase3
DVcase4
DVcase2
1080
(1) 大型発熱体を中央に設置した結果
Fig.8 に大型発熱体を中央に設置した場合での発熱量
2kw の IJV、DV 方式における室内温度分布 (case2 ～ 4) を
2700
IJVcase3
IJVcase2
1620
Fig.6 に IJV、DV 方式における水平面平均温度の鉛直分
布を示す。また、Fig.7 に IJV、DV 方式における室内温度
分布を示す。case1、2 では IJV 方式と DV 方式に大きな
差異は見られず、どちらも室内で明確な温度成層が形成
されていることが確認できた。case3、4 では給気量が大
きいためどちらの吹出方式においても温度成層が形成さ
れにくくなっているが、これらの結果から、IJV 方式は
DV 方式と比較して、給気量が多い条件で、温度成層が
より形成され難いことがわかった。
3.3　大型発熱体を用いた実験の結果
1kwcenter Supply large
25
24
0
3000
6000
length(mm)
21
9000
32 (deg.C)
異は見られず、どちらも明確な温度成層が形成されてい
ることが確認できる。
(2)　発熱体設置位置での比較
Fig.10 に発熱体設置位置を変更した場合の室内温度分
布を示す。また、Fig.11 に IJV、DV 方式における水平面
平均温度の鉛直分布 (2kw case3) を示す。発熱体を近づけ
た場合 (near)、中央に配置した場合 (center)、遠ざけた場合
(far) において DV 方式、IJV 方式でのそれぞれの条件間で
内の温度分布を比較すると、吹出風量 600CMH の条件に
おいて IJV 方式給気温度 20℃と DV 方式給気温度 18℃ 、
IJV 方式給気温度 22℃と DV 方式給気温度 20℃が概ね等
しい温度となることが確認できた。このことより、居住
域に対する空調という点において IJV 方式は DV 方式に
比べてより快適かつ省エネルギーな空調方式になる可能
性を有していることがわかった。今後の課題として、IJV
方式の冬期における暖房での室内温度分布・気流分布の
基礎的性状の把握を行うとともに、非等温場を対象とし
て、室内負荷の条件や空調吹出条件を変更した CFD 解
析を行う必要がある。IJV 方式、DV 方式での足下のドラ
フト感の評価を行う必要がある。
height(mm)
の大きな差異は見られなかった。
(3)　省エネルギー性に関する考察
Fig.12 に IJV、DV 方式における風量 600CMH におけ
る室内温度分布を示す。また、Fig.13 に IJV、DV 方式に
IJV 2kw case3 fix
DV 2kw case3 fix
おける室内平均鉛直温度分布を示す。吹き出し温度 20℃ 2700
では、IJV と DV で居住域内である高さ 1.5m 程度での温 2160
center
near
度に差がみられた。IJV での高さ 1.5m では概ね 26℃であ 1620
center
near
り、DV 方式では給気温度を 18℃に下げても 26℃までに 1080
far
far
は下がらないにも関わらず、室下部では 23℃程度を示し 540
ている。このため、DV 方式では居住域内でも強い温度 022.0
24.0
26.0
28.0
30.0
24.0
26.0
28.0
30.0 22.0
temperature(degree.C )
temperature(degree.C )
成層が発生し易く、足下を過剰に冷却して頭部付近では
Fig.11Vertical distribution of average temperature over the
高い温度を示す傾向があり、快適性の観点からは適切と
horizontal cross-section
は言い難い温度分布が形成され易いと言える。一方、IJV
謝辞
方式で吹き出し温度 22℃とすると、居住域内部では比較 本研究を行うにあたり、水野慶蔵氏 ( きんでん )、PIV 測定実験に用
的一様な鉛直温度分布を示している。この結果より、居 いた実験機器一式をお貸しいただいた甲谷寿史先生 ( 大阪大学　准教
住域に対する空調という点において IJV 方式は DV 方式 授 ) はじめ大阪大学建築環境設備 Gr と多くの方々に多大なご協力を賜
りました。ここに記し、深く感謝の意を表します。本研究の一部は科
に比べてより快適かつ省エネルギーな空調方式になる可 学研究補助金 ( 若手研究 B、課題番号 24760476( 研究代表：小林知広 ))
の助成を受けた。
能性を有しているといえる。
参考文献
４　まとめ
1) P. V. Nielsen : DISPLACEMENT VENTILATION –theory and design, Aalborg
University, 1993
ブラックランプを用いた実験において IJV・DV 方式と
2)Daid Etheridge, Mats Sandberg:BUILDING VENTILATION Theory and
もに給気量が大きくなると温度成層が形成され難いが、
Measurement,1996
DV 方式においてより明瞭な温度成層が確認された。
3) T. Karimipanah, H. B. Awbi : Theoretical and experimental investigation of
大型発熱体を用いた実験においては、給気量の大きい
場合では IJV 方式が DV 方式に比べ混合している。居住
域内における空調において、居住域である高さ 1.5m 以
DV:600 CMH 18deg.C (case5)
height(mm)
2700
28
2160
1620
27
26
25
24
1080
540
0
0
23
3000
23
24
27
1620
540
6000
9000
length(mm)
0
27
26
25
26
25
1080
2160
28
1620
27
26
1080
540
24
0
IJV:600 CMH 22deg.C (case6)
2700
28
2160
27
26
25
24
5)H. Skistad Displacement ventilation, Research Studies Press, 1994
IJV:600 CMH 20deg.C case3)
2700
28
impinging jet ventilation and comparison with wall displacement ven-tilation,
Building and Environment, 37, Issue 12, pp.1329-1342, 2002
4) 可視化情報学会編：PIV ハンドブック、森北出版、2002 年
3000
25
length(mm)
6000
9000
0
28
27
26
25
3000
0
length(mm)
6000
9000
Fig.12 Temperature distribution for the cases of large heating element (600CMH) (z=1000mm)
22
2,700
height(mm)
2,160
1,620
1,080
2,700
2,160
IJV20deg
(case3)
1,620
DV18deg
(case5)
540
0
22
1,080
2,700
2,160
IJV20deg
(case3)
1,620
DV20deg
(case3)
30
0
22
IJV22deg
(case6)
1,080
540
24
26
28
temperature(degree.C)
29 (deg.C)
DV20deg
(case3)
540
24
26
28
temperature(degree.C)
30
0
22
24
26
28
temperature(degree.C)
Fig.13 Vertical distribution of average temperature over the horizontal cross-section(600CMH)
30