HVAC空調CFD

オフィス、商業施設、データセンター、病院などの室内環境を対象に、気流分布、温度分布、換気効率、快適性（PMV/PPD）をCFDで予測する技術だ。空調設備の設計段階での性能検証から、既存建物の改修計画まで幅広く使われている。

低速流（マッハ数 < 0.3）の非圧縮性Navier-Stokes方程式 + エネルギー方程式が基本だ。浮力効果はBoussinesq近似で取り入れる。

この項がNavier-Stokes方程式のソース項として加わる。$\beta$ は体膨張係数（空気の場合 $\beta \approx 1/T_0$ [1/K]）だ。

$\beta \Delta T \ll 1$ が条件だから、空気の場合 $\Delta T < 30$ K程度なら妥当だ。室内空調では通常10 K以内だから問題ない。

PMVはISO 7730で定義される温熱快適性指標で、6つのパラメータから計算する。

そう。S2S（Surface-to-Surface）モデルまたはDO（Discrete Ordinates）モデルで壁面間の放射伝熱を計算し、各点でのT_rを求める。

代表的な指標をまとめる。

スカラー輸送方程式を追加して、空気の平均滞留時間を計算する。FluentではUDS（User Defined Scalar）を使う。

室内気流ではSST k-omega か RNG k-epsilon が推奨される。特に天井吹出の混合換気では、壁面ジェットの挙動が重要なのでSST k-omegaが好まれる。

ディフューザの内部形状を全てメッシュ化するのは非効率だ。代わりにSimplified Diffuser Model（SDM）を使う。吹出口面に速度プロファイル（風速、角度、乱流量）を直接与える方法だ。

よく使われるディフューザタイプ別の設定:

ディフューザのネック面積に対する実効吹出面積の比率だ。ルーバーやフィンの陰になる部分を除いた面積になる。メーカーのカタログに記載されているCoanda効果の到達距離と照合してCFDの妥当性を確認する。

一般的なオフィス（10m x 15m x 3m）で200万〜1000万セルが目安だ。

室内環境ではS2S（Surface-to-Surface）モデルが推奨だ。壁面間のView Factorを事前計算して放射伝熱を評価する。DOモデルも使えるが、不透明壁面のみの室内環境ではS2Sで十分だ。

壁面の放射率の設定:

Solar Load Modelを有効にして、太陽の位置（緯度、経度、日付、時刻）と窓のSHGC（Solar Heat Gain Coefficient）から日射負荷を計算する。Fluentにはこの機能が標準搭載されている。

データセンターのサーバーラック冷却は HVAC CFD の最も重要な応用分野の一つだ。ホットアイル/コールドアイル配置の温度分布を評価し、局所的なホットスポットを特定する。

典型的な境界条件:

RCIはASHRAE TC 9.9で定義される指標だ。

$T_{in}$ がラック吸込温度、$T_{rec,max}$ がASHRAE推奨上限（27℃）。RCI > 95%が目標だ。

そう。飛沫・エアロゾルの拡散予測が重要になった。DPMで咳やくしゃみの飛沫軌道を追跡し、感染リスクを評価する。

咳のモデル化パラメータ:

そう。大きい飛沫は重力で落下するが、蒸発して飛沫核（droplet nuclei < 5 um）になると長時間空中に漂う。DPMにEvaporation modelを連成させる。

アトリウムや工場のような大空間では、温度成層が形成される。暖かい空気が天井付近に溜まり、居住域との温度差が問題になる。

置換換気での温度成層高さの予測には、Archimedes数が重要なパラメータだ。

建築環境に特化したCFDツールと汎用CFDツールの両方がある。

そう。サーバーラック、タイル、CRACユニットのライブラリが充実していて、データセンター特有のワークフローに最適化されている。CFDの知識がなくてもDCエンジニアが使えるのが強みだ。

建築設計ではBIM（Revit, ArchiCAD）が標準だから、BIMモデルを直接CFDに取り込めるとワークフローが大幅に効率化される。ただし、BIMモデルにはCFDに不要な細かいディテール（配線、金物）が含まれるので、形状簡略化の手間は残る。

buoyantSimpleFoam（定常、Boussinesq浮力）またはbuoyantPimpleFoam（非定常）を使う。放射モデルはviewFactor（S2S相当）が利用可能だ。

設定のポイント:

RANSでは時間平均的な気流パターンしか得られないが、LESでは瞬間的な気流変動（ドラフト感）を評価できる。ISO 7730のドラフトリスク（DR）の予測精度が向上する。

そう。RANSのTuは定義上、時間平均された値だが、LESでは瞬間的な速度変動からTuを局所的に計算できるので、DRの空間分布がより正確に得られる。

従来のPMVは定常状態の快適性指標だが、最近はUCB（UC Berkeley）Comfort ModelやFiala modelなど、人体の各部位の温度を動的に計算する多節点モデルが使われている。

CFDマネキン（Computational Thermal Manikin）は、頭部、胴体、四肢をそれぞれ独立した発熱面として設定し、衣服の断熱効果も考慮する。STAR-CCM+にはThermal Comfort modelが標準搭載されている。

CO2をトレーサーガスとして使い、在室人数に応じた換気量制御（DCV）をCFDでシミュレーションする。Species Transport方程式でCO2の拡散を追跡する。

安静時で約0.005 L/s（18 L/hr）、事務作業で約0.006 L/s、軽作業で約0.009 L/sだ。ASHRAE 62.1では室内CO2が1000 ppm以下を推奨している。

Building Management System（BMS）のセンサーデータとCFDモデルを連携させたデジタルツインが普及しつつある。

そう。フルCFDは1ケースに数時間かかるから、リアルタイム制御には使えない。事前に大量のCFDを回してROMを構築し、それをBMSに組み込む形だ。

チェックポイント:

対策:

対策:

原因: S2SモデルのView Factor計算がボトルネック。面の数が多すぎる。

チェックリスト:

パーティション（高さ1.2m以上）は気流パターンに大きく影響するので必ずモデル化すべきだ。デスクやキャビネットは高さ0.7m程度の単純な直方体で簡略化してよい。