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数値解析による全熱交換エレメントの性能予測手法の開発と設計手法の確立

外川, 一 SOTOKAWA, Hajime ソトカワ, ハジメ 九州大学

2020.03.23

概要

室内環境の清浄度を維持した上で省エネルギーの最適化を図る設備設計の重要性は広く認識されている.特に,健康に深く関連する室内空気質が主に外気導入量,すなわち換気量によって決定されることから,室内汚染物質濃度を適正なレベルに維持した上で,空調負荷となる導入外気量を最小化する適正な制御のための研究開発は非常に長い歴史を有する.適切な外気導入量を維持した上で空調負荷を低減するための一方策として,全熱交換形換気システムの採用があり,特に我が国の住宅では,給排気を直交もしくは向流させた独立流路を積層させた静止型全熱交換器の採用事例が多く,比較的良く普及した技術となっている.しかしながら,全熱交換形換気システムの性能を決定する熱交換エレメント部分の開発においては,経験的,実験的な知見の蓄積による設計が主たる方法となっており,顕熱・潜熱の詳細な輸送メカニズム,さらには臭気物質などに代表される化学物質の輸送メカニズムを物理化学的に明確に記述した上で,数値解析モデルを構築し,性能予測や設計に適用するといったアプローチは非常に限定的であった.理論,実験と数値解析を相互にカップリングさせた総合的な研究開発の欠如が全熱交換エレメントの更なる性能向上の機会を逸した一因と云える.

本研究では,熱回収に伴う換気負荷抑制効果が期待できる住宅用の小型全熱交換形換気システムの基幹部分である全熱交換エレメントの更なる性能向上を目指すため,静止型熱交換エレメントの定量的な性能評価と系統的な検討を可能とする数値解析モデルの構築を目的とする.特にエレメント幾何形状を形成する基材内部の熱水分移動現象,エレメント流路内空気流動に伴う熱物質輸送現象を精緻にモデル化した高精度予測モデルの他,エレメント設計用に特化した簡易予測モデルの確立を目指す.更に,臭気物質の輸送現象に関しても予測モデルの構築を目的としている.各章の内容を以下に要約する.

第 1 章では,序論として,研究背景と目的を明らかにしている.特に,本研究で対象とした住宅用の小型全熱交換器の原理と構造,これらの研究開発の歴史を概説し,本研究の重要性,必要性,アドバンテージを明確にしている.

第 2 章では,全熱交換形換気システムの基礎,特に全熱交換エレメント内の顕熱・潜熱移動と交換効率を記述する基礎方程式に関して,既往研究を中心に整理している.

第 3 章では,全熱交換エレメントの性能評価と簡易数値計算モデルによる性能予測を整理している.数値解析検証用に,小型エレメントモデルを用いた基礎実験を実施し,各種交換効率を精緻に計測すると共に,熱水分移動を考慮した質点系モデルを構築し,基礎実験と同条件を対象とした数値解析を実施することで,非常に良い精度で実験結果を再現することを確認している.また,数値解析の境界条件となる各材料パラメータの同定方法に関しても報告している.

第 4 章では,簡易数値計算モデルによる全熱交換エレメントを対象とした感度解析結果を整理している.3 章で開発した簡易モデルは非常に高速に各種交換効率の解析を可能とするため,材料物性や流入空気条件等を段階的に変化させた感度解析を実施し,結果をチャートとして整理することで,全熱交換エレメントの性能を決定する要因と,定量的な改善可能性を整理している.

第 5 章では,計算流体力学 CFD と材料内の精緻な熱水分同時移動モデルを連成させた詳細数値解析モデルを構築し,3 章で報告した基礎実験結果との比較,さらには流路設計への展開に関して述べている.4 章で示した簡易モデルは流路内の空気流動を単純化し,対流熱伝達率・物質伝達率を予測式から簡易に与えているが,計算流体力学は粘性底層から乱流域までの速度分布を精緻に解析することが可能である.この利点を生かし,流路を半セル分ずらしたスタガード型の流路形状や,断湿面を設定し飛び石効果を期待した流路形状に関して CFD と熱水分同時移動方程式の連成解析手法を適用し,一定の改善効果が期待出来ることを数値的に検証している.

第 6 章では,湿度交換に伴う水溶性ガスの移行現象に関して,全熱交換エレメントを対象とした臭気物質の交換効率測定を実施すると共に,臭気物質移動モデルを提案している.全熱交換形換気システムがトイレなどの局所排気が必要となる箇所に適用される場合,アンモニアに代表される臭気物質の移行が問題となる.特にアンモニアは水溶性であり,潜熱交換と共にアンモニア移行が促進される可能性がある.この問題に対し,基礎実験と新たな視点での数値解析モデルを構築することで,定量的な予測が可能となることを報告している.

第 7 章では,本論文全体で得られた結果を総括し,学術的・工学的な貢献に関して言及すると共に,今後の課題を整理している.

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参考文献

[参 考 文 献]

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[参 考 文 献]

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[参 考 文 献]

3-1) JIS B 8628「全熱交換器」2003

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[参 考 文 献]

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[参 考 文 献]

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