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TRNSYSで昼光利用シミュレーション（2）Daysim,RadianceとTRNSYS

TRNSYS18の新機能、昼光利用シミュレーションでは、室内照度から照明負荷を制御、温熱環境のシミュレーションが行えます。昼光利用シミュレーションでは、Daysimを使用して室内照度の計算を行っています。

今回は、このDaysimについて掘り下げてみたいと思います。

Daysimとは？

光環境のソフトウェアとしては定番のRadianceをベースに作成された解析ソフトウェアです。

DAYSIM is a validated, RADIANCE-based daylighting analysis software that models the annual amount of daylight in and around buildings.

https://daysim.ning.com/　より引用

訳）DAYSIMは、建物内および建物周辺の年間日照量をモデル化した、検証済みのRADIANCEベースの昼光解析ソフトウェアです。

開発は、Christoph Reinhart氏を中心として、複数の組織で行われています。

The overall development of DAYSIM has been coordinated by Christoph Reinhart since 1998. The global illumination calculation in DAYSIM is based on the RADIANCE backward raytracer. Past and ongoing development work for DAYSIM has been conducted at

・Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (ISE)
・Harvard University
・Massachusetts Institute of Technology (MIT)
・National Research Council (NRC) Canada

https://daysim.ning.com/page/credits より引用

訳）DAYSIMの開発は、1998年以来Christoph Reinhartによってコーディネートされています。DAYSIMのグローバルイルミネーション計算は、RADIANCEのレイトレーサーに基づいています。DAYSIMの過去および現在進行中の開発作業は、以下の組織、団体で行われています。

そうそうたる開発体制です。ここに登場するChristoph Reinhart氏ですが、おそらくMITのこの方です。（間違っていたらすみません）

MIT
Christoph Reinhart

Radianceとは？

Daysimが使用しているRadianceは米国ローレンスバークレー研究所で開発された、レイトレーシング （ray tracing, 光線追跡法） のソフトウェアです。上述したように光環境の定番ツールです。

Radianceの詳しい情報は以下のリンク先を参照。

ローレンスバークレーのRaianceのサイト

Daysimとの関係は図のようなイメージのようです。Daysimの昼光解析はRadianceの機能によって実現されています。

DaysimはRadianceの機能を使って実装されている
DaysimはRadianceの機能を使って実装されている

Radianeceは、それ単独でも使用できるアプリケーションです。コマンドラインで詳細なオプションを指定して計算を行うことが可能です。

Daysimは、このRadianceの機能を使って、昼光解析を行っています。

TRNSYSのドキュメントでは、どちらも前置きなしに登場します。少々分かりにくい記述になっていますが、TRNSYS（というかType56/TRNBuild）からは、このDaysimを使って計算を行っています。

TRNSYSとDaysim

DaysimとTRNSYSは、図に示すような関係です。温熱と昼光の計算を相互にやり取りしながら処理を行います。

TRNSYS、Daysimで相互に計算処理
TRNSYS、Daysimで相互に計算処理

詳しくは前回の記事を参照。

動作環境

以下の環境で動作を確認しています。
Windows10 Pro(64bit, 1803)
TRNSYS18.01.0001(64bit)

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TRNSYSとMatlab

TRNSYSにはMatlabと連携するType155が用意されています。下の図はサンプルのモデルですが、太陽熱集熱パネルの計算にMatlabを使用しています。

"C:\TRNSYS18\Examples\Calling_Matlab\Calling Matlab.TPF"　より
“C:\TRNSYS18\Examples\Calling_Matlab\Calling Matlab.TPF”　より

Type155について

Matlabを使用する場合、TRNSYSとMatlabのバージョンの組み合わせごとに専用のType155が必要です。

さらに、どちらも32bit, 64bitの2種類があります。こちらもTRNSYS, Matlabで種類を合せる必要があります。

TRNSYS17は32bitアプリケーションのため、連携するMatlabも32bit版が対象になっています。TRNSYS18は64bitアプリケーションなので連携するMatlabも64bit版が対象になります。

32bit,64bitの組み合わせを簡単にまとめると次の表のようになります。

バージョンMatlab
TRNSYS17（32bit）Matlab 32bit版
TRNSYS18（64bit）Matlab 64bit版

Matlabのバージョン

Matlabって半年間隔で新しバージョンがリリースされます。下の表はここ数年のリリースです。この表には2018年以降が記載されていませんが、たぶんリリースされています。（気になる方は販売店へ問い合わせてみて下さい）

Matlabのバージョン
Matlabのバージョン（Wikipediaより引用　https://ja.wikipedia.org/wiki/MATLAB）

TRNSYSと連携する場合、それぞれのバージョンに対応した専用のType155が必要になります。バージョンの他、上述したように32bit/64bitの違いもあるので注意が必要です。

例えば、TRNSYS18とMatlab R2016bを組み合わせて使用する場合、Matlabも64bit版、Type155もR2016b対応の64bit版が必要です。

組み合わせが多いため、もしType155を使用される場合はサポートまでお問い合わせ下さい。おそらく適切なType155を個別対応でご提供することになります。

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TESS LibraryのTRNSYS18対応について

TRNSYS18がリリースされてしばらく経ちますが、TESS Library(以下、TESS Lib)についての情報です。

TESS LibはTRNSYS17, 18で機能的には同じです。計算内容に変更はありません。

ただし、TRNSYS17からTRNSYS18へのバージョンアップで64bit化されています。このため、以前にTRNSYS17用として購入されたTESS Lib（32bit版）は、TRNSYS18では動作しません。

TRNSYSのバージョンとTESS Libの組み合わせは以下のようになります。

バージョンTESS lib
TRNSYS1732bit版
TRNSYS1864bit版

TESS Lib 64bit版の提供について

TRNSYS17用に購入されたTESS Libをお持ちであれば、TRNSYS18対応の64bit版は無償提供の対象になります。

通常、TRNSYS18のバージョンアップをお届けする際に、すでにTESS Libをお持ちのお客様へは、64bit版TESS Libを同梱しています。（もし、届いていなかったらサポートの窓口まで連絡下さい）

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TRNSYSでPMVを計算する

建物の温熱環境の評価として、快適性指標が使われる事があります。

TRNSYSの快適性指標

TRNSYS,TRNBuildでは、以下のような快適性指標の計算が行えます。

  • MRT　平均放射温度
  • OT 　 作用温度
  • PMV  予想平均温冷感申告
  • PPD  予想不満足者率

この中から、比較的よく使われるPMVの設定方法について解説します。

PMVとは？

PMVは人間の感覚量から物理的考察に基づいて温熱快適性を表示したもので、1967年にデンマーク工科大学のオレ・ファンガー（英語版）によって提唱された。温冷感を決定する環境側の4要素（気温[℃]・湿度[%]・風速[m/s]・熱放射[℃]）に、人体側の2要素（代謝当量（英語版）[met]・着衣量[clo]）を加えて考慮する。PMVでは、PMV=0の状態を熱的中立とし、-3から3のあいだで人間の温熱快適性を表現する。なお、極端に過酷な環境下ではPMVは適応できない。

Wikipediaより引用

ということで、計算にはいくつか値が必要です。気温、湿度など通常、Type56が計算する値の他、風速、met, cloなどの値が必要になります。

TRNBuildでは、これらの値を Comfort typeで扱います。（PMVを出力する前提としてComfort typeの定義が必要です）

次の順序で設定します。

  1. clo, metなどPMVの計算に必要な値をComfort typeとして定義する
  2. PMVを計算したいZone（Airnode）へComfort typeを割り当てる
  3. OutputsへPMV（PMVLV、Ntype124）を追加する

Comfort typeを定義する

TRNBuildの画面で操作します。

  1. Comfort typeのアイコンをクリック
  2. 表示された画面の右下の「N」ボタンをクリックする
「N」ボタンで新しいComfort typeを追加する
「N」ボタンで新しいComfort typeを追加する

名前の入力画面が表示されるので、分かりやすい名前を入力します（この例ではデフォルトのままです）

新しいComfortTypeの名前を入力する
新しいComfortTypeの名前を入力する
  1. Clo,Metなどの値を確認、必要に応じて値を変更する
  2. 「✔」ボタンをクリックして、画面を閉じる
Clo,Metなど値を確認する
Clo,Metなど値を確認する

それぞれの値については、ドキュメントの「5.2.4.9. Comfort」に参考値が記載されています。

以上で、Comfort typeの作成は終了です。次は、Zoneへ作成したComfort typeを割り当てます。

ZoneへComfort typeを割り当てる

PMVを計算するZoneへComfort typeを割り当てます。対象のZoneの設定画面を開いて、次にように設定します。

  1. Comfort typeのアイコンをクリック
  2. 表示された画面で、「＋」ボタンをクリックしてComfort typeを追加する
  3. リストから、先ほど作成したComfort typeを選択する
  4. 「✔」ボタンをクリックして画面を閉じる
ZoneへComfort typeを割り当てる
ZoneへComfort typeを割り当てる

MRT（Mean Radiant Temperature)の計算方法を指定する事も可能です。デフォルトでは「simple model」が選択されていますが、「detailed mode」で、GeoPositionを使った詳細な計算も可能です。
参考：TRNSYSでPMVのDetailed modeの設定

Outputの指定

Outputの設定画面で、PMVの出力を追加します。

  1. リストから計算対象のZoneを選択する
  2. 「←」ボタンをクリックして、Zoneを「Selected “Thermal Airnodes”」へ追加する
  3. 「comfort outputs」を選択する
  4. リストから「PMVLW」(NType 124)を選択する
  5. 「←」ボタンをクリックして出力を追加する
  6. 「PMVLW」をダブルクリックする
PMV（PMVLW）の出力を追加する

ここで、さらに設定画面が表示されます。つづいて次のように設定します。

  1. リストからComfort typeをクリックして選択する
  2. 「←」ボタンをクリックして、”Selected “Comfort Definitions””へ追加する
  3. 「✔」ボタンをクリックして画面を閉じる
PMVの出力へComfort typeを割り当てる
PMVの出力へComfort typeを割り当てる

以上で、設定は終了です。

Simulation Studioへ戻って、「Update building variable list」を実行すると、Outputsの項目にPMVの出力が追加されます。

あとはType65などでグラフへ出力して、計算結果を確認すればOKです。PPDの計算も同じ方法で追加できます。

これで快適性指標を使った室内環境の評価が可能になります。

動作環境

以下の環境で動作を確認しています。

Windows10 Pro(64bit, 1809)
TRNSYS17.02.0005

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TRNSYSと換気計算の連成

建物の温熱シミュレーション

TRNSYSで多数室モデル、いわゆる建物の温熱計算はType56(TRNBuild）を使って行います。暖冷房負荷の計算や、設備機器との組み合わせの計算に便利なモジュールです。

建物のシミュレーションでは条件として外気からの換気の負荷を設定する必要がありますが、通常は換気量を「条件」として計算を行います。例えば、住宅などであれば省エネ法に基づいた0.5回/hを固定の条件として設定します。

この条件として設定する方法は、換気の効果、例えば窓開けの効果を検討するようなケースも、換気回数を増やした条件に変えることで対応することができます。

とはいえ、風向や風速の影響や、建物の気密性など、より詳細な換気を検討する場合には換気計算が必要になります。

換気回路のシミュレーションとの連成

TRNSYS、Type56は上述したように、温熱計算のモジュールです。換気の計算は別途、換気計算のツールと組み合わせて計算を行います。

概ね以下のように処理します。

  1. 換気回路のシミュレーションで風向、風速や建物の気密性、換気ファンなどの機器、それに室温などにもとづてい換気量を計算する。
  2. Type56では、その換気量を外気、室間の換気として扱い、その他の条件とともに室温を計算します。
  3. 室温は換気にも影響を与えます。例えば、室間や吹き抜けの温度差によって換気に影響します。Type56の室温は、再び換気回路の計算へ引き渡されます。（1．へ戻って繰り返します）

このように温熱、換気の結果を相互に利用して連成計算を行います。

換気回路のシミュレーション

TRNSYSには連成可能な換気回路のシミュレーションがいくつかあります。

TRNFlow

TRNSYS,TRNBuildのオプション。TRNBuildと統合されています。温熱のモデルに対して換気回路の条件を設定することで連成計算を行います。温熱と換気のモデルをまとめ扱えます。

TRNFlowのサンプル "C:\TRNSYS18\Examples\TRNFLOW_example\Restaurant_TRNFlow.tpf"
TRNFlowのサンプル
“C:\TRNSYS18\Examples\TRNFLOW_example\Restaurant_TRNFlow.tpf”

TRNFlowはType56に統合されているため、見た目には通常の温熱計算のモデルのように見えます。

CONTAM

NIST（National Institute of Standards and Technology、アメリカ国立標準技術研究所）が開発、提供する換気シミュレーションプログラム。https://www.nist.gov/services-resources/software/contam

TRNSYSとの連成はType97を使用します。サンプルも標準（C:\TRNSYS18\Examples\Calling_Contam）で添付されています。

サンプル C:\TRNSYS18\Examples\Calling_Contam\CombinedThermalAirflow_AHU.tpf

CONTAMのサンプル
C:\TRNSYS18\Examples\Calling_Contam\CombinedThermalAirflow_AHU.tpf

図から分かるように、Type56とType97（CONTAM）を相互接続して連成計算を行います。建物の計算と、換気のモデルを分けて計算を行います。

MATHIS

フランス、cstb（フランス建築科学技術センター） が開発する換気計算シミュレーション。cstbはTRNSYSのSimulation Studioの開発元です。このため、TRNSYSのプロジェクト作成時のオプションとしても用意されています。

Mathisのオプション
MathisとTRNSYSの連成

上記のように、TRNSYSは3種類の換気回路のシミュレーションツールに対応しています。それぞれ、分かり易いサンプルも用意されています。

このように温熱と換気を組み合わせることで、より詳細な計算が可能になります。

動作環境

以下の環境で動作を確認しています。

Windows10 Pro(64bit, 1809)
TRNSYS18.01.0001(64bit)

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TRNFlowのエラーと対策

TRNSYSには、換気回路のオプション、TRNFlowが用意されています。このオプションでは多数室モデルのデータ(Type56/TRNBuild）を基に換気回路の情報を構成することができます。温熱に加えて、同じモデルで自然換気や機械換気の影響を考慮した連成計算を行う事ができます。TRNFlowで換気回路網を構成していると、温熱の計算とは違った種類のエラーが発生するケースがあります。

換気回路は1つのネットワークで構成する

TRNBuildでファイルを保存する際に図のようなメッセージが表示されることがあります。下図は「C:TRNSYS18\Examples\TRNFLOW_example」のサンプルを意図的にエラーが発生するように編集して保存しようとした際の画面です。

image

エラーメッセージ

The airlink network is not properly connected.
All Airflow nodes must be connected in ONE network.
Please check the INF-file for future information.

和訳

エアリンクネットワークが正しく接続されていません。
すべてのエアーフローノードが1つのネットワークに接続されている必要があります。
詳しい情報については、INF ファイルを確認してください。

この例では、換気回路が1つにまとまっていない構成になっています。(複数の換気回路で構成されています)メッセージに従って、INFファイルのメモ帳などで開いてみると、次のような箇所が見つかります。

TRNFLOW (2003-06-04) based on COMIS 3.1

Copyright (C) 2001 EMPA

——————————————————-

NETWORK ERROR

All zones should be connected, but here are 2 isolated groups of zones.
You have to add links, or delete not-used zones from &-NET-ZONes.
You have to add at least 1 link between those groups.
Zones in group 0 are not in &-NET-LIN or are connected only toknown pressure(s).

Here follow the zones and the group they are in.
Zone Group Zone name:
1 1 DINING
2 2 KITCHEN
3 1 STORAGE
4 2 AN_001
5 2 AN_006
6 2 AN_005
7 2 AN_002
8 2 AN_003
9 2 AN_004

—————————————————————-

COMIS MESSAGE ***** ERROR *****The Network is not properly connected:

このメッセージから2つの独立した換気回路が存在していることが分かります。換気回路網を図に描いてみると、下図のようになります。

Restaurant_TRNFlow_error_airnetwork

この図では、一見1つの換気回路にまとまっているように見えますが、良く見るとThermal Zone, Auxiliary nodeに混じってExternal nodeで分断されていることが分かります。

image

対策として、建物内のThermal zoneが1つの換気回路で構成されるように修正します。KITCHNからDINING、もしくはSTORAGEとLarge OpeningやCrackなどを介してつないで、1つの換気回路網として構成する必要があります。

下図は「C:TRNSYS18ExamplesTRNFLOW_example」の本来の換気回路網の例です。このように1つの換気回路でまとまるように構成します。

Restaurant_TRNFlow - コピー_airnetwork

動作環境

以下の環境で動作を確認しています。
Windows10 Pro(64bit, 1803)
TRNSYS18.00.0019(64bit)
TRNFlow 1.4

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TRNSYS日本語版マニュアル

TRNSYSのマニュアルの一部日本語化しようと考えています。とはいえ、オプションを除いた標準機能だけで1700ページ以上あります。いきなりすべてを日本語化するのは難しそうです。まずは、はじめて使われる方向けに、TRNSYSの概要や使い方についてまとめられている、Getting StartedやTutorialsから段階的にはじめようと思います。ということで、第一弾として以下のマニュアルを公開しました。

2018/12/25更新

Vol.1 Getting Started

  • すべて翻訳済み

Vol.6 TRNEdit

  • 6.9. TRNSEDアプリケーションの作成
  • 6.10. 参考資料(追加)

Vol.9 Tutorials

  • 9.1. TRNSYSサンプルの使用
  • 9.2. シンプルなTRNSYSプロジェクトの作成New
  • 9.3. 3D データモデルを使用した建物プロジェクトNew
  • 9.3.1. はじめにNew
  • 9.3.2. TRNSYS3D(SketchUp Plugin)と 3D Building ウィザードNew

ダウンロードは、以下のサイトから。

GitHub/TRNSYS.JP

https://github.com/TRNSYSJP/TRNSYS.JP/tree/master/TRNSYS18/Documentation

順次、追加、更新を行う予定です。なお、日本で作成しているオリジナルテキストは、引き続きこちらのURLで公開中です。

https://github.com/TRNSYSJP/TRNSYS.JP/tree/master/Docs

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Weather Data Map Plugin 0.9.2をリリースしました

TRNSYS の気象データリーダー、Type15-x、Type99のプラグインを更新しました。EPWを含め、新たに3種類の気象データ形式に対応しています。あとはドイツで使われている形式に対応すれば世界制覇なんですが、もうちょっと時間が掛かりそうです。

Type15-2 TMY2
Type15-3 Energy+(EPW) New!
Type15-6 Meteonorm for TRNSYS
Type15-7 TMY3 New!
Type99 User Format New!

ダウンロードはこちらから
https://github.com/TRNSYSJP/WeatherDataMap/releases

動作環境

以下の環境で動作を確認しています。
Windows10 Pro(64bit, 1803)
TRNSYS18.00.0019(64bit)

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TRNSYSのデモ版、テキスト、動画など

はじめてTRNSYSを使われる方や検討されている方向けにデモ版やテキスト、動画のご紹介です。

TRNSYSデモ版情報

デモ版は以下のサイトで公開されています。こちらからダウンロード、ご試用いただけます。

TRNSYS18 Demo Version

image

製品版に比べて機能制限はありますが、後述する基本操作ガイドの内容もお試し頂けます。デモ版の制限事項、注意点については以下のサイトをご覧下さい。

参考：TRNSYS18のデモ版が公開
https://www.kankyoukei.com/2017/11/trnsys18.html

テキスト

下記URLのサイトで日本語版の入門、トレーニングテキストを公開しています。
https://github.com/TRNSYSJP/TRNSYS.JP/tree/master/Docs

はじめてTRNSYSを使われる方には以下のテキストがお勧めです。

  • TRNSYS入門.docx
  • TRNSYS18 – 基本操作ガイド – Meteonorm編.docx
  • TRNSYS18 – 基本操作ガイド(2室モデル演習).docx

2018/12/27追記一部ドキュメントの和訳を行っています。主にチュートリアルの日本語訳を公開中です。現在、太陽熱集熱システム、多数室モデル（建物）の日本語訳が公開されています。

TRNSYS日本語版マニュアル

動画

TRNSYSの基本操作の動画を公開中です。

https://www.youtube.com/channel/UCC0w9ExqnMmSVTZsjJB6p3g

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TRNSYSで日単位で平均、最低、最高気温を計算する

2018/11/21 追記　日平均、月平均のサンプルを作成、公開しました。

https://github.com/TRNSYSJP/TRNSYS.JP/tree/master/TRNSYS18/MyProjects/Type155_DailyAndMonthlyAve

社内的なリクエストでタイトルのような処理を考えてみました。（何のために要るのかはよく分かっていないんだが。。。）

さてと、計算結果を出力すると、通常は図のようにタイムステップごとに結果が出力されます。（タイムステップ1hの例）

image

こういったデータから日平均を計算は、通常Excelなどを使って処理することになります。でも、何度も繰り返して計算する場合、Excelで計算を繰り返すのも大変です。

TRNSYSには標準で積算や平均値を計算する便利なコンポーネント、Type55が用意されています。これを使って日平均、最低、最高気温を計算してみます。

用意する物

  • Type99-AMeDAS
  • Type55 Periodic Integrator
  • Type25a

Type99-AMeDAS

気温のデータが必要なので、気象データリーダーを用意します。今回はType99-AMeDASを使いましたが、気温のデータが出力できるコンポーネントであれば何でもOKです。

Type55 Periodic Integrator

期間を指定可能な積分コンポーネント。任意の時間間隔で平均や最高、最低値を出力してくれる便利なコンポーネントです。

Type25a

ファイル出力用。

プロジェクトの作成例

image

必要最小限の構成のでシンプルなプロジェクトになります。一つ一つコンポーネントの設定を見ていきましょう。

Type99-AMeDAS

デフォルトのままで変更なし。

Type55 Periodic Integrator

日単位（24h間隔）で処理するため何カ所か設定を変更します。

image
  1. 気温を扱うので積分ではなく合計値処理を指定(-1)
  2. 気象データの開始（1:00）に合せて相対開始時刻を0hへ変更
  3. 集計する間隔を24hへ設定
  4. 平均、最高、最低値をリセットする間隔を24hへ設定

Type25

Excelで扱いやすくするため、ファイルの区切り文字をカンマ”,”へ変更。

image

ファイルの拡張子もExcelで扱いやすいように”.csv”へ変更しておきます。

image

コンポーネントの接続

Type99-AMeDAS　→　Type25c

image

気温の値のみ接続する。

Type99-AMeDAS　→　Type55 Periodic Integrator

image

こちらも気温の値のみ接続する。

Type55 Periodic Integrator　→　Type25c

image

動作確認のためすべての出力を接続する。

出力結果

計算を実行して書き出した結果が下の図です。一日分のデータを抜きして、重要な項目を塗りつぶしています。

image
  1. 集計範囲(24h)
  2. 合計値
  3. 平均値
  4. 最低値と発生時刻
  5. 最高値と発生時刻24時間の範囲で平均、最低、最高の値が出力されているのが確認できます。

Type25で一工夫

さて、欲しい値が書き出されているのは確認できました。でも、これだと毎時間ごとの値も出力されているので、少々見にくい状態です。日単位の値が欲しいので、次はType25の機能を使って必要な値のみを抜き出す処理を追加します。変更箇所は一箇所だけ、Printing intervalの設定をデフォルトの「STEP」から「24」へ変更します。

image

再度実行してCSVファイルを開くと、下の図のように24h間隔で値が書き出されるようになりました。必要なデータだけまとまっています。タイムステップごとの出力に比べて大分すっきりしました。こういった一工夫で計算の作業がぐっと楽になります。

image

動作環境

以下の環境で動作を確認しています。
Windows10 Pro(64bit, 1803)
TRNSYS18.00.0019(64bit)