TRNSYSの換気連成計算の仕組み

TRNSYSの換気連成モデル

連成計算って何か難しく聞こえますが、仕組みとしては単純です。TRNSYSの換気連成の仕組みを見てみましょう。

図はTRNSYSのCONTAMを使った換気連成のサンプル(C:\TRNSYS18\Examples\Calling_Contam\CombinedThermalAirflow.tpf)です。Type56とCONTAMのコンポーネントが相互に接続されています。

BuildingとCONTAMの接続
BuildingとCONTAMの接続

接続関係を見ていきます。

Building(Type56)→CONTAMへの接続

BuildingからCONTAMへは、Type56で計算された室温の計算結果が接続されています。この室温を受け取ったCONTAM側では、この値を使って外気、室間との換気を計算します。

Type56からCONTAMへの接続
Type56からCONTAMへの接続

CONTAM→Building(Type56)への接続

次は、逆にCONTAMからBuildingへの接続です。CONTAMで計算された換気量をBuilding(Type56)へ引き渡しています。この例では各Zoneの外気との換気量、Zone間の室間換気量の計算をType56へ引き渡しています。

CONTAMからType56への接続
CONTAMからType56への接続

Building(Type56)の内部の設定

Type56が受け取った値がどのように使われているか、TRNBuildで設定を見ていきます。

図はZone(MAINZONE)に割り当てられているInfiltration type(漏気)の設定です。CONTAMから受け取った値を換気回数として扱っています。

Infiltration typeの設定
Infiltration typeの設定

Zone間の換気量(室間換気)は、隣接するZoneからのCoupling air flowとして扱っています。

隣接するZoneからの換気量
隣接するZoneからの換気量

このようにCONTAMの計算結果をInfiltration typeとCoupling air flowで処理して、温熱計算、室温の計算結果を再度CONTAMへ渡す繰り返しです。

ほらね、連成って仕組みとしてはごく単純です。却って、CONTAMでモデルを作成する方が大変かも知れません。

Type56と他のシステムを組み合わせる場合も、基本的に同じ考え方です。

例えば空調システムと組み合わせる場合は、Type56からは室温、湿度を渡し、逆に空調システムからは風量や、温度、湿度をType56へ渡します。Type56では、これらの値をVentilation type(機械換気)で処理します。

ヒートコンベクターなど、直接室内で使用する機器であれば熱源としてGain/Loss typeで処理することができます。

Type56はInputで受け取ったデータを、各種の設定として利用できるようになっています。工夫次第で様々なシミュレーションに対応することができるのです。

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

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)

Type56の出力項目あれこれ

Type56の出力項目は既定では数項目だけですが、実は100数十項目(※)が用意されています。室温、湿度の他、潜熱/顕熱負荷、表面温度や外皮のエネルギーバランスまで多岐に渡ります。

※詳しくはドキュメント(Vol.5 Multizone Building modeling with Type56 and TRNBuild)に記載されています。日本語版の簡易翻訳版(只今、作成中)はTRNSYS.JP/Docs/Type56/NTYPEs.docxで公開しています。

図はトレーニングテキストで作成したモデルですがOutputには4項目とシンプルな構成になっているのが分かります。

image

出力項目

出力の項目は出力対象ごとにカテゴリ分けされています。以下の図はTRNBuildで出力項目を指定する画面ですが、赤枠の部分でカテゴリを選択します。

image

・airnode outpus

Zone(Airnode)を対象とした出力項目。室温や湿度、暖冷房負荷や設定温度などが含まれます。

・group of airnode outputs

複数のZone(Airnode)を対象とした出力項目。複数のZoneの暖房負荷や冷房負荷をまとめて出力する項目が用意されています。

・surface outputs

壁や窓など面を対象とした出力項目。表面温度や窓のU値などの項目が用意されています。

・comport outputs

MRTなど快適性の値の出力項目が用意されています。

・balances

日射や湿度のバランスをまとめて出力する項目が用意されています。

出力項目の追加例

ここでは壁の表面温度の出力を例に項目を追加してみます。

1. 対象Zoneの選択

①はじめに表面温度を出力する壁を含むZoneを選択します。
②次に左向き矢印をクリックして選択状態にします。

image

2. 出力項目の選択

①surface outputs の項目をクリックします。
②次にPossible “Outputs”のリストからTSI(内表面温度)を選択して、
③左向き矢印をクリックして選択状態にします。

image

3. 壁の指定

表面温度を出力する壁を選択します。 ①Selected “Outputs”のリストに追加された、TSIの項目をダブルクリックして設定画面を表示します。

image

②Possible “Walls” in Airnode のリストから北面の壁(No.6の壁)を選択して、
③左向き矢印をクリックしてSelected “Surfaces”のリストへ追加します。

image

Selected “Surfaces”のリストに壁(赤枠)が追加されているのを確認したら、
④✔ボタンをクリックしてウィンドウを閉じます。

image

4. Simulation Studioで出力項目を更新

TRNBuildで出力項目を追加しただけではSimulation Studioでは認識されていません。Simulation Studioの画面でType56のアイコンを選択、右クリックで表示されるメニューからUpdate building variable listを選択して出力項目の更新を行います。【←ここ重要】

image

最後にType56のOutputの項目を確認して表面温度の項目が追加されていれば終了です。

image

TRNSYS17.1を試す:日射データの扱いが変わった!

日射データの扱いが変わったというか、新し設定方法が追加されています。

17.0までは、面ごとの日射量を気象データリーダー側で計算してType56へ接続するという流れで計算していました。

これが17.1ではType56内部で計算できるようになります。

何が便利かって言うと、日射の接続が極端に楽になります。これ見比べてみると一目瞭然なんですが、接続関係がおっそろしくシンプルになります。

【TRNSYS17.0】

【TRNSYS17.1】

今までのやり方に慣れていると、接続されているデータが少なくて心もとなくなるぐらいです。

というか、よく見ると全天日射すらつないでないので、理屈で考えると少々おかしな感じです。ここはType56と気象データリーダーで、うまいことやり取りしているようです。

2016/8/8 追記

AZEN(Input5)の接続先で判定しているようです。

以下、ドキュメントからの抜粋

The option “Internal calculation of radiation data” is a new feature of TRNSYS17.1 which reduces the required input data from the weather data component significantly. For using this feature only the solar zenith (Input 5) has to be connected to the weather data component Type 15, Type16, Type99. 

これ、通常のコンポーネントの仕組みから逸脱しているようで、それもどうかなーという気がしますが、使い勝手はいいです。つなぎ間違えとか、方位数の上限で悩まなくて済みます。

それはともかく、結果的にType56で方位別日射量の指定はProject Windowで出来るようになっています。しかも、TRNSYS3Dで作成したデータだと、インポートの際に自動的に方位が設定されるので、あまり気にしなくても日射の設定ができあがりです。

余談ですが、新しく北半球か南半球かの設定項目も追加されています。普段意識していないですがAzimuthって南北逆なんですね。

TRNSYSで地中温度

TRNSYS17から追加されたコンポーネントでType49 Slab on Gradeというのがあります。これ、タイトルに地中温度って書いてますが、Type56の地面側の温度を計算してくれるコンポーネントです。地中温度というとちょっと違うのかな?

それはさておき、ちょいちょい問い合わせがあるので使ってみました。と言ってもExampleを動かしてみただけなんですが、実際試してみていろいろと気づいた点などメモします。

  • Example

C:\Trnsys17\Examples\Slab on Grad

このフォルダに実際に動く例題が収められています。これを使って実際の動きを確認します。

  • チュートリアル

C:\Trnsys17\Documentation\TRNSYS_Multizone_Slab_Model_Tutorial.pdf

これが読んでみると、あっちこっち実際の内容と違います。どうも初期のバージョンに合わせて書いているらしく、実際のコンポーネントやツールの内容と違っている個所があります。

1.1.1 Implementing the Google SketchUp PlugIn

プラグインのファイル名が違ってます。

誤:SoilNoding_3D.rb

正:TRNSYS_SlabNodingProgram_V3.rb

1.1.2 TRNSYS Multizone Slab Google SketchUp Plugin

プラグインでパラメータを入力する際に表示されるメッセージでデフォルト値が表示されます。一見、そのままOKをクリックすればデフォルト値が入るような気になりますが、”0″として扱われてしまうようです。ここは、ちゃんと数字を入れる必要があります。(表示されているデフォルト値をキーボードから入力すればOK)

1.1.3 The ReportText File

プラグインが書き出すファイルの名前が違ってますね。

誤:”***_report.txt”と
正:”***_Soil Noding File.dat”

2.3 Surface ID Number

図が違ってます。Exampleのモデルだと、Surface ID # は1とかになります。

2.4 Connecting the Inputs of the Multizone Slab Component

冒頭で”The zone air temperatures(TAIR_ZONE#) and”とありますが、室温をつなぐ先はないので、たぶん誤記です。

以上。

ニホンゴ、スコシ、ハナシマスー、なTRNSYSさん

TRNSYSの一つの難関が英語の壁。TRNSYSって世界中で使われていますが、ローカライズ版というのは(たぶん)存在しません。

Type56は、まれにドイツ語でエラーメッセージを表示して困惑させてくれますが、これは開発の拠点がドイツの会社だから。共通語は英語オンリーなTRNSYS。

基本的にメニューもドキュメントもメッセージもすべて英語です。うっかり日本語入れると文字化けしてしまって意味不明。

でも、ちょっと工夫するとSimulation Studioなど一部では日本語が使えるんです。で、実際にやってみたのが以下の画面。

見慣れたSimulation Studioの画面も日本語を表示すると新鮮な感じがしますよね。今まで英語しか通じないと思っていた外国人が片言の日本語なら通じるみたいな。

やり方はいたって簡単です。日本語を表示したいコンポーネントを選択状態にして、右クリックで表示されるメニューから「Properties…」を選択します。

ここで表示されるダイアログの「Font」タブで、日本語のフォントを選んであげると、日本語が表示できるようになります。

例)表示用に「メイリオ」を選択

あとは、コンポーネントを選んで、日本語の説明を入力してあげればOK。

ただ、この方法はコンポーネントによっては対応してません。

と、ここまで書いて若干不安になったんですが、TRNSYSはそもそも英語版のツールなので、日本語使うと予想もしない動きをするかもしれません。という事で試される場合は自己責任でお願いしますね。

TRNSYS使いへの道 Type56/Input

TRNSYS/Type56を使って多数室モデルのシミュレーションを行う場合に便利な機能の一つにInputの仕組みがあります。ちょっと複雑な計算を行う場合には欠かせない機能なのですが、慣れないうちは何のためについているのか、少々分かりにくい機能でもあります。実際、よく質問を頂きます。

日射遮蔽を例に説明すると、例えば開口部にルーバーが付いているのを計算しようとすると、TRNSYSでは以下のように設定します。

開口部を選んで、External shad. factorの項目に遮蔽率の値を入力。

簡単ですね。じゃ、次に同じ項目を使ってルーバーを庇に変更してみます。庇の場合は庇の出などによって日射の遮られかたが時刻によって変わってくるので、固定値じゃ困ります。こういう時にInputの出番です。External shad. factorの項目を選んで、今度は値として入力値(Input)を選択ます。ここでは新規にInputを作成してEX_SHADEという名前を付けます。

これだけだと、なんのこっちゃですが、次にSimulation Studioで庇の計算をしてくれるType34という便利なモジュールを配置します。

こで庇の形状に合わせてパラメータを設定します。ここでは水平庇(Overhang)を選んで1mに設定しています。

設定が終わったらType34の計算結果をType56につなぎます。Type34のFraction of solar shadingからType56のEX_SHADEへ接続します

これで完成です。データの流れと説明が逆順になってしまいましたが、流れを整理すと、

Type34(庇) で日射の遮蔽率を計算

Type56/EX_SHADE  遮蔽率をEX_SHADEという名前で受け取って窓の計算で利用する。

というような流れで計算が行われます。

※この例では省略していますが、Type34の入力として日射の設定ももちろん必要です。

Inputの仕組みを使うと、こんな感じで他のコンポーネントで計算した値を入力として利用することができます。Type56の設定の至る所に出てくるので、例えば換気量だとか、発熱量だとか、いろいろなパラメータで利用することができます。

TRNSYS/Type56の新パラメーター

前々回の続きで、Type56を掘り下げてみました。

TRNSYS17のType56では以下の4つの入力項目が増えてます。

TSGRD 
AZEN    
AAZM
GRDREF

実際に何を渡しあげればいいのか確認のためSimulation StudioのウィザードでProject Typeに”Building Project(multizone)”を指定してプロジェクトを作ってみました。(ちゃんとマニュアル読めって話ですが、お手本を参考にする方が手っ取り早いのです)

調べてみると、以下のようなつなぎ方になってます。

TSGRD(GROUND TEMPERATURE)

説明を読むとGROUND TEMPERATUREとなっているけど、Simulation Studioで作ったプロジェクトを調べると、Dry bulb temperatureにつないでます。(いいのか?)

AZEN(SOLAR ZENITH ANGLE)

これは単純に気象データリーダーのsolar zenith angleからデータを貰っている。


AAZM(SOLAR AZIMUTH ANGLE)solar azimuth angleを渡せばいいように思えるけど、建物の向きを考慮した値を入力している。気象データリーダーのsolar azimuth angleの値から、Equationで北と建物の軸の傾き分(時計回りが+)を引いた値を指定。


GRDREF(GROUND REFLECTION FOR SKY DIFFUSE RADIATION SHADING)

これはひとまず既定値の0.2のまま。

以上。意外とシンプルです。