JP2019152392A

JP2019152392A - 空調システム

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Publication number: JP2019152392A
Application number: JP2018038668A
Authority: JP
Inventors: 恒佑近藤; Kosuke Kondo
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Priority date: 2018-03-05
Filing date: 2018-03-05
Publication date: 2019-09-12

Abstract

【課題】風量及び風速を抑えつつ、空調空気を室内に広く到達させることができ、コアンダ効果を利用して常時好適な空調状態を確保できる空調システムを提供する。【解決手段】天井面から下方に突出し、天井面に沿う一方向に延び、平行配置された複数の突出部と、隣り合う突出部の間に設けられ、一方向を向き、空調空気が吹き出される吹出口とを備える。また、本システムの適用対象となる室の奥行ｄよりも、下記の式（１）で推定される剥離距離ｘｓｐの方が大きくなるように吹き出し風速ｖ０を設定する。［数１］ここで、ｈ０は吹出口高さ、ｖ０は噴流の吹き出し風速、△Ｔは室温と空調空気の温度の差（吹き出し温度差）、ＫＰは吹出口定数、ＫＳＰは室内の熱負荷分布に関する定数である。【選択図】なし

Description

本発明は、空調システムに関する。

例えば学校教室などの低階高の建物、階層においては、上部躯体と天井仕上材との間の天井裏空間に冷暖房機器やダクト等を設置すると、天井高さが非常に低くなる。このため、低階高の学校建物では、廊下の天井裏空間等に機器やダクトを設置するとともに教室内の廊下側の壁に吹出口を設け、壁から教室内に向かって空調空気（給気）を吹き出す空調方式が多用されている。

また、大空間建物でも、ノズル型吹出口を採用し、大風量の空調空気を大空間の室内側に壁から給気する同様の空調方式が用いられている。

一方、上記のような空調方式においては、吹き出した空調空気と室内空気との温度差によってノズルから吹き出した空調空気が室内の床側に吹き下ろすような気流が発生し、この下方に向かう気流によって、室内を均等に空調できなかったり、室内の上部と下部に大きな温度差が生じ、室内の人にドラフト感などの不快感を生じさせるケースがあった。

また、ノズル型吹出口が壁に設置されていることで見栄えが悪くなったり、意匠計画の自由度が低下するなどの課題もある。

これに対し、コアンダ効果を利用した空調方式が提案、実用化されている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。
コアンダ効果とは、粘性流体が室内などで流れると、壁面近くに負圧が発生し壁に引き寄せられる現象であり、例えば、吹出口から空調空気を天井面に沿わせて吹き出すことにより、天井面に沿って流れる気流を形成することができる。これにより、コアンダ効果を利用した空調方式が、より効率的で快適な空調を実現する手法として注目されている。

特開２０１１−２２６７３９号公報特開２００３−２１４６５７号公報特開２０１４−１３０９７号公報

しかしながら、コアンダ効果を利用した従来の空調方式（空調システム）においては、夏期に冷房で室温よりも温度の低い空気が吹き出される際に、コアンダ効果による天井方向への誘因力よりも重力作用による床方向への力が大きいと、室内空気よりも温度が低く密度が大きい空調空気が天井面から剥離（離間）し、室内の上部と下部に温度差が生じるおそれがあった。すなわち、冷房温度を低くするほど、空調空気が天井面から剥離しやすくなり、室内の均等で好適な空調状態が保てず、ノズル方式と同様にドラフト感が生じてしまうケースがあった。

なお、コアンダ効果を利用した従来の空調において、風量を多くしたり、風速を速くすることで、天井面からの冷風の剥離を抑止することができるが、この場合には室温にむらが生じる等の問題が生じる。

本発明は、上記事情に鑑み、風量及び風速を抑えつつ、空調空気を室内に広く到達させることができ、コアンダ効果を利用して常時好適な空調状態を確保できる空調システムを提供することを目的とする。

上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。

本発明に係る空調システムは、天井面から下方に突出し、前記天井面に沿う一方向に延び、平行配置された複数の突出部と、隣り合う前記突出部の間に設けられ、前記一方向を向き、空調空気が吹き出される吹出口とを備え、本システムの適用対象となる室の奥行ｄよりも、下記の式（１）で推定される剥離距離ｘ_ｓｐの方が大きくなるように吹き出し風速ｖ_０が設定されていることを特徴とする。

ここで、ｈ_０は吹出口高さ、ｖ_０は噴流の吹き出し風速、△Ｔは室温と空調空気の温度の差（吹き出し温度差）、Ｋ_Ｐは吹出口定数、Ｋ_ＳＰは室内の熱負荷分布に関する定数である。

本発明に係る空調システムにおいては、前記噴流の最低温度Ｔ_ｍｉｎが下記の式（２）〜式（５）を用いて設定されていることが望ましい。すなわち、変風量制御などで剥離が生じることが懸念される場合には、剥離位置における前記噴流の最低温度Ｔ_ｍｉｎが室温に比し著しく低くないことを下記の式（２）〜式（５）を用いて検証した上で実施されることが望ましい。

ここで、隣り合う突出部の間の凹溝鉛直断面上において、ｘは吹出口からの距離、ｙは天井からの距離、Ｔ_Ｒは室温、Ｔ_ｍｉｎは吹出口からの距離ｘにおける噴流の最低温度、Ｋ_ＰＴは温度に関する定数、Ｔ（ｘ，ｙ）は座標（ｘ，ｙ）における噴流の温度、ｙ_{Ｔ_１／２}は噴流の温度に関する半値幅（ｍ）である。

本発明に係る空調システムにおいては、前記隣り合う突出部の間の溝内での前記噴流の風速ｖが下記の式（６）、式（７）を用いて設定されていることがより望ましい。

ここで、ｘは吹出口からの距離、ｙは天井からの距離、ｖ（ｘ，ｙ）は座標（ｘ，ｙ）における噴流の風速、ｙ_{ｖ_１／２}は噴流の風速に関する半値幅である。

本発明の空調システムにおいては、風量及び風速を抑えつつ、空調空気を室内に広く到達させることができ、コアンダ効果を利用して常時好適な空調状態を確保することが可能になる。

本発明の一実施形態に係る空調システムを示す図である。本発明の一実施形態に係る空調システムの要部を示す図である。数値流体解析によるシミュレーション検討において、（ａ）一般的なノズル案のモデルを示す図であり、（ｂ）本発明の一実施形態に係るリブ利用案のモデルを示す図である。室中心における温度のシミュレーション結果を示し、（ａ）ノズル案を示す図であり、（ｂ）リブ利用案を示す図である。室中心における風速のシミュレーション結果を示し、（ａ）ノズル案を示す図であり、（ｂ）リブ利用案を示す図である。実大モックアップによる性能検証におけるモックアップの概要を示す図である。図６のＡ−Ａ線断面図である。図６のＢ−Ｂ線断面図である。実大モックアップによる性能検証における溝の断面に対する測定点の位置関係を示す図である。吹き出し風速２ｍ／ｓにおいて、吹出口からの距離と、天井の溝断面中心における風速との関係を示す図である。吹き出し風速３ｍ／ｓにおいて、吹出口からの距離と、天井の溝断面中心における風速との関係を示す図である。数値流体解析による本発明適用可能性の検討における解析モデルを示す図である。数値流体解析による本発明適用可能性の検討における解析モデルにおいて、天井直下平面の風速分布を示し、（ａ）条件１の結果を示す図であり、（ｂ）条件２の結果を示す図であり、（ｃ）条件３の結果を示す図であり、（ｄ）条件４の結果を示す図である。数値流体解析による本発明適用可能性の検討における解析モデルにおいて、天井直下平面の風速分布を示し、（ａ）条件５の結果を示す図であり、（ｂ）条件６の結果を示す図である。数値流体解析による本発明適用可能性の検討における解析モデルにおいて、室中央断面の風速分布を示し、（ａ）条件１でｘ＝３５００の断面図であり、（ｂ）条件２でｘ＝５０００の断面図であり、（ｃ）条件２でｘ＝４４００の断面図であり、（ｄ）条件３でｘ＝１５００の断面図である。数値流体解析による本発明適用可能性の検討における解析モデルにおいて、室中央断面の風速分布を示し、（ａ）条件４でｘ＝３０００の断面図であり、（ｂ）条件４でｘ＝３９００の断面図であり、（ｃ）条件５でｘ＝３０００の断面図であり、（ｄ）条件６でｘ＝２５００の断面図である。二次元乱流自由噴流のフローモデルを示す図である。二次元壁面噴流と溝内噴流におけるｙ_{Ｔ_１／２}の広がりを示す図である。実験より得た溝内噴流の温度に関する無次元プロファイルを示す図である。推定できる環境要素を示す図である。式（８）による剥離位置の推定結果を示す図である。式（８）による剥離位置の推定結果と実験結果を比較した図である。式（１２）による噴流の最低温度の推定結果と実験結果を比較した図である。式（１４）による溝内中心の風速の推定結果と実験結果を比較した図である。

以下、図１から図２４を参照し、本発明の一実施形態に係る空調システムについて説明する。ここで、本実施形態は、本発明に係る空調システムが大学の講義室等の低階高の学校教室の室内に設置されているものとして説明を行うが、勿論、本発明は教室等に限定して用いる必要はなく、空調を必要とするあらゆる場所に適用可能である。

本実施形態の空調システム１０は、図１及び図２に示すように、天井面Ｃに沿って設けられた複数のリブ（突出部）１と、天井面Ｃに沿って設けられた空調チャンバー２と、空調チャンバー２に設けられた吹出口３とを備えている。

複数のリブ１はそれぞれ、天井面Ｃから下方に突設されるとともに天井面Ｃに沿う一方向に延びて設けられている。本実施形態では、このリブ１が窓Ｗ側を向く方向（インテリア側からペリメータ側）に延びて設けられている。また、複数のリブ１は、隣り合うリブ１の対向する面１１及び天井面Ｃによって凹溝１２が形成されるように平行に配設されている。

空調チャンバー２は、壁Ｖの上端側に且つ天井面Ｃに沿って設けられ、ダクトが接続されている。

また、空調チャンバー２には、天井面Ｃに沿って吹出口３が設けられている。本実施形態では、吹出口３が窓Ｗ側を向いて配設されるとともに、リブ１の延在方向から見て、隣り合うリブ１の間に配設されている。

さらに、本実施形態の吹出口３は、リブ１を延在方向から見た開口形状が方形状であり、吹出口３の高さＨ３とリブ１の高さＨ１が同一、吹出口３の幅Ｗ３と隣り合うリブ１の離間距離Ｗ１が略同一となるように形成されている。なお、吹出口３の高さと幅とをかけあわせた面積を開口断面積と称する。

このように構成した本実施形態の空調システム１０においては、天井面Ｃに設けられた複数のリブ１の間の吹出口３から空調空気が吹き出される。吹出口３から吹き出された空調空気は周囲の空気を巻き込む面が小さいほど風速をより維持できるため、天井面Ｃ及び隣り合うリブ１で形成された凹溝１２に対して空調空気が吹き出されることで、本実施形態の空調システム１０においては、通常のフラットな天井よりもコアンダ効果が効果的に発揮され、気流到達距離を好適に延長することができる。

ここで、従来のノズルを用いた空調システムでは、例えば３〜５ｍ／ｓ程度の風速で吹き出す必要があるが、本実施形態の空調システム１０では、有効にコアンダ効果が発現するため、より小さい風速、風量で気流を室奥に到達させることが可能になる。

すなわち、上記構成からなる本実施形態の空調システム１０によれば、風量や風速を抑えつつ、空調空気を室内のより広範囲に到達させることができる。

また、リブ１の高さＨ１を吹出口３の高さＨ３と略同一とし、リブ１間の離間距離Ｗ１が吹出口３の幅Ｗ３と略同一であることにより、吹出口３から吹き出された空調空気が天井面Ｃとリブ１とで形成される角部に沿って流れ、コアンダ効果をより有効に発現させることができる。

さらに、本実施形態では、吹出口３をインテリア側からペリメーター側に向けて形成することで、外気との温度差が大きい窓Ｗ側に空調空気を好適に供給することができる。

ここで、汎用熱流体解析ソフトウェアであるＳＴＲＥＡＭを用いて「数値流体解析によるシミュレーション検討」を行い、本発明（本実施形態の空調システム１０）の優位性を確認した結果について、以下に説明する。

図３は、「数値流体解析によるシミュレーション検討」において、（ａ）一般的なノズル案のモデルを示す図であり、（ｂ）本発明の一実施形態に係るリブ利用案のモデルを示す図である。
この図３に示すように、モデルは、一般的なノズル案と、本発明の一実施形態に係るリブ利用案との２種とした。

リブを有する天井に合わせて建築施工で製作したＳＡとＳＯＡとを混合させて供給するものを想定し、ここではリブ利用案とする。吹き出し風速は、ノズル案で３．３６ｍ／ｓ、リブ利用案で１．６１ｍ／ｓとした。開口断面積はノズル案で２４０φ、０．０４４１ｍ^２とし、リブ利用案でｗ３００×ｈ１２５ｍｍ＝０．０３７５ｍ^２とした。
したがって、各条件における１つの吹出口からの吹き出される空調空気の風量は、ノズル案で５３３ｍ^３／ｈ、リブ利用案で２１７ｍ^３／ｈとなる。

また、吹き出し温度は、ノズル案で１６．８℃、リブ利用案で１９．７℃とし、室温を２６℃に制御するものとしている。

その他の条件として、窓面は北西面を向いていると仮定し、日射負荷については夏期に負荷の大きい１７時の値を採用している。室内の負荷は人体と照明を考慮しており、５０人が在室することを想定した。また、乱流モデルはｋ−εモデルとしている。

図４は、室中心における温度のシミュレーション結果を示し、（ａ）ノズル案を示す図であり、（ｂ）リブ利用案を示す図である。図５は、室中心における風速のシミュレーション結果を示し、（ａ）ノズル案を示す図であり、リブ利用案を示す図である。

図４及び図５に示すように、ノズル案に比べて吹き出し風速が遅く風量が半分以下であるリブ利用案においても、窓面まで気流が届いている様子が確認でき、期待した性能を満足する結果が得られた。

次に、「実大モックアップによる性能検証」を行った。本発明の実寸大モックアップを製作し、その性能を検証した。

図６は、実大モックアップによる性能検証におけるモックアップの概要を示す図である。図７は、図６のＡ−Ａ線断面図である。図８は、図６のＢ−Ｂ線断面図である。

図６から図８に示すように、実験スペース全体は、大きな執務空間を壁面Ｕで区画してなる約９５００×６４００×３０００ｍｍの室である。天井面には、フラットな平面に対しｗ２００×ｈ１００ｍｍのリブが３本、その両外側にｗ１００×ｈ１００ｍｍのリブが１本ずつ並んで取り付けられている。
したがって、このリブ間にはｗ３００×ｈ１００ｍｍの溝（凹溝）が４つ形成されるが、端部に吹出口を有し実際に空調空気（気流）が流れる箇所は、内側の溝１及び溝２である。

空調設備は、冷却水循環装置（東京理化器械：ＣＡ−４１１０）、ファンコイルユニット（新晃工業：ＳＣＲ−ＰＢ−８００）、ダクト接続チャンバー、吹き出しチャンバーとで構成されている。吹出口から窓面までの距離は７６００ｍｍとした。

本「実大モックアップによる性能検証」では、天井の溝内で風速を測定するとともに、スモークによって気流を可視化し、その挙動を観察した。

表１に検討した実験条件を示す。

吹き出し温度及び吹き出し風速（風量）をパラメータとした。また、リブ設置の効果を検証すべく、パターン２〜４の吹き出し条件ではリブのないフラットな天井での検証も併せて実施し、冷風の挙動を比較した。室温はときに変化することがあったが、風速測定時や可視化時には２６℃程度であった。

以下に、結果を示す。
まず、１ｍ／ｓの吹き出し速度では窓面まで気流が到達しないことが確認された。一方で、２ｍ／ｓの吹き出し速度では吹出口から６ｍ付近の位置でも天井直下を冷風が流れており、３ｍ／ｓの吹き出し速度では十分な風速を維持したまま窓面まで気流が到達する様子が確認された。

さらに、天井面がフラットな条件では、２ｍ／ｓの吹き出し速度では吹き出し後すぐに冷風が天井面を剥離し、床方向へ吹き下りる挙動が確認された。また、３ｍ／ｓの吹き出し速度であっても、吹き出し温度が１５℃の低温である場合には、気流が吹出口から２〜３ｍ付近で剥離する結果となった。さらに、３ｍ／ｓ、１９．５℃の吹き出しでは、吹出口から６ｍ付近で冷風が天井直下を流れることが確認されたが、その挙動は非常に乱れており、窓面近傍に人がいた場合にはドラフト感が生じる可能性が高いと判断された。

吹出口から所定の距離だけ離れた天井の溝１内にて風速を測定した結果について説明する。

図９は、「実大モックアップによる性能検証」における溝の断面に対する測定点の位置関係を示す図である。図１０は、吹き出し風速２ｍ／ｓにおいて、吹出口からの距離と、天井の溝断面中心における風速との関係を示す図である。図１１は、吹き出し風速３ｍ／ｓにおいて、吹出口からの距離と、天井の溝断面中心における風速との関係を示す図である。

図１０及び図１１に示すように、天井がフラットな条件に比べ、本発明ではどの吹き出しパターンにおいても、風速が多くなるほど天井近傍を気流が流れる結果が確認され、本発明によれば、ペリメーター側へ達する広範囲に冷風を効率的に供給できることが確認された。

次に、「数値流体解析による本発明適用可能性の検討」について説明する。
「数値流体解析によるシミュレーション検討」及び「実大モックアップによる性能検証」では、ｗ３００×ｈ１２５ｍｍ（解析）、ｗ３００×ｈ１００ｍｍ（実験）の開口が同じ高さのリブに挟まれた溝を有する天井を対象としており、これらの寸法が異なる場合における本発明の適用可能な範囲が明確でない。このため、ここでは、適用条件をある程度絞り込むため簡易な室形状のモデルを作成し、開口幅及びリブ間隔やリブ高さを変更して解析することで、各条件下における冷風の挙動を確認した。

表２に各解析条件を示す。

図１２は、数値流体解析による本発明適用可能性の検討における解析モデルを示す図であり、解析モデルの一例である。
解析にはＦｌｏｗＤｅｓｉｇｎｅｒを使用した。吹き出し条件は温度１５℃、風速３．０ｍ／ｓとした。また、室温は２６℃となるように窓面と室内に負荷を与えた。これにより、吹き出し気流と室温との温度差は１１℃となる。モックアップと同寸法の開口を持つ条件１を基準とし、まず開口幅を５００ｍｍに変更してリブ間隔をそれに追従させた条件２の検討を行った。

図１３は、「数値流体解析による本発明適用可能性の検討」における解析モデルにおいて、天井直下平面の風速分布を示し、（ａ）条件１の結果を示す図であり、（ｂ）条件２の結果を示す図であり、（ｃ）条件３の結果を示す図であり、（ｄ）条件４の結果を示す図である。

図１４は、「数値流体解析による本発明適用可能性の検討」における解析モデルにおいて、天井直下平面の風速分布を示し、（ａ）条件５の結果を示す図であり、（ｂ）条件６の結果を示す図である。

図１５は、「数値流体解析による本発明適用可能性の検討」における解析モデルにおいて、室中央断面の風速分布を示し、（ａ）条件１でｘ＝３５００の断面図であり、（ｂ）条件２でｘ＝５０００の断面図であり、（ｃ）条件２でｘ＝４４００の断面図であり、（ｄ）条件３でｘ＝１５００の断面図である。

図１６は、数値流体解析による本発明適用可能性の検討における解析モデルにおいて、室中央断面の風速分布を示し、（ａ）条件４でｘ＝３０００の断面図であり、（ｂ）条件４でｘ＝３９００の断面図であり、（ｃ）条件５でｘ＝３０００の断面図であり、（ｄ）条件６でｘ＝２５００の断面図である。

条件１、条件２の結果を示す図１３（ａ）、図１３（ｂ）、図１５（ａ）、図１５（ｂ）、図１５（ｃ）の通り、開口幅３００ｍｍで窓面まで届いていた気流が５００ｍｍでは到達しないことが確認された。また、ｚ＝２９５０断面の結果から、条件２では天井面付近で逆流が生じており、この逆流によって溝内の気流の軌道が乱され、溝から気流が離脱して、床面方向へ流れていくものと考えられた（図１５（ｂ）、図１５（ｃ））。

したがって、リブの高さを大きくし、逆流の影響を弱めるとともに溝からの気流の離脱を防ぐことで、開口幅５００ｍｍで同じ吹き出し条件であっても気流が窓面まで到達し得ると考えられる。

条件２のリブ高さを１５０ｍｍにしたものを条件３として解析した結果を図１３（ｃ）及び図１５（ｄ）に示す。
これらの図から、リブの高さを大きくしたことで逆流による干渉が減り、気流が溝からあふれることなく窓面に到達することが確認された。

また、開口幅を１０００ｍｍに、リブ高さを１５０ｍｍにした条件４の結果を図１３（ｄ）及び図１６（ａ）、図１６（ｂ）に示す。
これら図から、この条件では条件２と同様、溝からの気流の離脱が生じることが確認された。

条件４のリブ高さを２００ｍｍに変更した条件５の結果を図１４（ａ）及び図１６（ｃ）に示す。
これらの図から、図１３（ｄ）に比べて気流の偏りが減り、窓面までの到達距離が伸びることが確認された。

以上により、開口幅は狭い方が気流は溝内を流れやすいが、リブの高さを調整することで、１ｍ程度の開口幅まで対応できることが確認された。

また、比較として、条件１のリブを排除した条件６でも解析を行った。
その結果を図１４（ｂ）及び図１６（ｄ）に示す。
これら図から、リブを排除することで窓面からの逆流によって吹出口から３ｍ程度までしか気流が到達しないことが確認され、本解析条件においてもリブを設けることによる優位性が確認された。

したがって、本実施形態の空調システム１０においては、平坦な天井面を流れる場合と気流の挙動が異なり、吹き出された冷気をより室奥まで到達できることが実証された。

ここで、上記の優れた作用効果を奏功する本実施形態の空調システム１０に対して従来のコアンダ効果を利用した空調方式の設計手法を用いてしまうと、冷気の到達距離が小さく見積もられ、過剰な機器選定に繋がってしまう。このため、本実施形態の空調システム１０に合わせた新たな設計手法が必要になる。

よって、以下に、本実施形態の空調システム１０に合わせた新たな設計手法について説明する。なお、ここでは、リブをＰＣ板と称し、リブで形成された溝内を流れる気流を溝内噴流と称する。

コアンダ空調の設計において重要となるのは、以下の２点である。
１）吹き出し風速と到達距離（剥離までの進行距離）の関係
２）剥離位置での風速と空気温度

既往の二次元壁面噴流に関する実験式と、前述の実大実験の結果を基に、上記１）、２）の２点の情報を設計条件から導き出すための指針を示す。なお、以下の指針は、溝の断面と吹出口寸法が同じ場合に適用可能である。

また、以下において、ｘ：吹出口からの距離（ｍ）、ｙ：天井からの距離（ｍ）、ｈ_０：吹出口高さ（ｍ）、ｖ_０：吹き出し風速（ｍ／ｓ）、Ｔ_Ｒ：室温（℃）、△Ｔ：吹き出し温度差（℃）、Ｔ_ｍｉｎ：吹出口からの距離ｘにおける噴流の最低温度（℃）、Ｋ_Ｐ：吹出口定数＝４、Ｋ_ＳＰ：室内の熱負荷分布に関する定数で一般室内において１．５、Ｋ_ＰＴ：温度に関する定数（いずれの定数も無次元）、ｘ_ＳＰ：剥離位置までの距離（ｍ）、ｖ（ｘ，ｙ）：座標（ｘ，ｙ）における噴流の風速（ｍ／ｓ）、Ｔ（ｘ，ｙ）：座標（ｘ，ｙ）における噴流の温度（℃ｓ）、ｙ_{ｖ_１／２}：噴流の風速に関する半値幅（ｍ）、ｙ_{Ｔ_１／２}：噴流の温度に関する半値幅（ｍ）である。

まず、上記１）の噴流の到達距離ｘ_ＳＰについては、二次元壁面噴流に関する式である下記の式（８）を用いる。

上記２）については、噴流の温度・速度（風速）に関する無次元プロファイルを把握する必要がある。

噴流を同一流体の静止空間中に噴出させると、噴流は周囲流体との間の大きな速度勾配と粘性の作用により、周囲流体を巻き込み、噴流幅を広げながら、また噴流自体は速度を減少させながら進行する。

この噴流を自由噴流といい、建築空調などではノズルなどからの吹き出し気流がこれにあたる。

図１７に二次元自由乱流噴流のフローモデルを示す。

噴流は、発達領域において速度分布を最大流速ｕ_Ｍ（ｘ）と半値幅ｙ_{Ｖ_１／２}（図１７中のｂ_１／２）で無次元化することで相似な分布となる。これが、噴流の速度に関する無次元プロファイルである。

さらに、ｙ_１／２は吹出口からの距離（進行距離）ｘに比例し、ｕ_Ｍ（ｘ）は吹き出し風速ｕ_０およびｘに比例することから、速度に関する無次元プロファイルを予め把握しておき、ｕ_０が分かれば、ある位置ｘにおける噴流の風速分布を知ることができる。

これは、温度についても同様であり、室の制御温度、吹き出し温度、温度に関する無次元プロファイルにより、ある位置ｘにおける噴流の温度分布を求めることができる。

これらプロファイルは、噴流の種類（自由噴流、壁面噴流（壁面に沿って噴出される噴流））によって異なる。

したがって、溝内噴流に関する「速度・温度の無次元プロファイル」と、「半値幅ｙ_{Ｖ_１／２}・ｙ_{Ｔ_１／２}とｘの関係式」を知ることができれば、吹出口からいずれの距離にある溝内噴流でも、その速度・温度分布を得られる。

さらに、剥離する位置ｘ_ＳＰを上記の式（８）から求めれば、上記プロファイルから、ｘ_ＳＰにおける風速と空気温度を知ることができる。

なお、速度プロファイルと温度プロファイルは形状が異なり（速度に関する半値幅ｙ_{Ｖ_１／２}と温度に関する半値幅ｙ_{Ｔ_１／２}も異なる）、一般に温度分布の方がその幅が拡散しやすい（広がりやすい）性質を持っている。例えば、ｙ_{Ｖ_１／２}とｙ_{Ｔ_１／２}の間にはｙ_{Ｔ_１／２}＝１．３３ｙ_{Ｖ_１／２}の関係がある。

自由噴流や二次元壁面噴流に関する温度・速度の無次元プロファイルはこれまで多くの研究がなされているが、溝内噴流については知見がないため、本実施形態では、前述の実験結果を基にして導くこととした。

図１８は、前述の実験結果から得られた溝内噴流の温度分布に関する半値幅ｙ_{Ｔ_１／２}と、二次元壁面噴流のｙ_{Ｔ_１／２}の実験式を示している。

この図の通り、二次元壁面噴流に比し、溝内噴流は左右のリブにも噴流が付着することから、半値幅の広がりが抑制されている。

図１８から得られたｙ_{Ｔ_１／２}を求める近似式は下記の式（９）である。但し、仮想原点を二次元壁面噴流についてはｘ＝−１０ｈ_０、溝内噴流についてはｘ＝−１８．５ｈ_０とする。

この式（９）から改めて算出した半値幅で幅方向の距離を無次元化したｙ／ｙ_{Ｔ_１／２}を横軸、実験から得られた相対温度α=（Ｔ_Ｒ−Ｔ）／（Ｔ_Ｒ−Ｔ_ｍｉｎ）を縦軸にプロットしたものが図１９であり、これが溝内噴流の温度の無次元プロファイルである。
図１９の実線はＡｌｂｒｉｇｈｔらによる二次元壁面噴流の温度の無次元プロファイルの実験式で、溝内噴流のものと極めてよく一致している。

したがって、溝内噴流は温度の無次元プロファイル自体は二次元壁面噴流と同じと考えてよく、半値幅（噴流幅）の広がり方のみが異なる特性を持つ。

以上より、温度の無次元プロファイルを表す実験式は下記の式（１０）で表される。

温度の無次元プロファイルを知ることができれば、前述の通り、様々な情報を得ることができる。図２０は本実施形態の手法で推定できる要素を示している。
なお、剥離する前であれば噴流の温度と風速はいずれの位置でも推定できる。また、天井面からの剥離位置も推定できる。

剥離後の挙動や降り注ぐ冷気が快適性に及ぼす影響は既存の推定式や評価手法が設計指針としてまとめられている。それら手法を用いた評価の際に重要となるのが本実施形態の手法で得られる剥離位置での噴流の風速と温度である。

まず、天井下の噴流の温度Ｔ（ｘ，ｙ）を推定できる式が下記の式（１１）である。ただし、式（１１）に含まれるＴ_ｍｉｎは吹出口からの各距離における天井下の噴流の最低温度を表し、下記の式（１２）で求められる。式（１２）は自由噴流や二次元壁面噴流に関する既往知見と同様、（ｈ_０／ｘ）^０．５の関数とし、係数Ｋ_ＰＴは実験値に対し最小二乗法を使用することでＫ_ＰＴ＝２．１とした。

さらに、下記の式（１３）、式（１４）によって天井下の噴流の風速分布の推定が可能になる。溝内噴流の温度の無次元プロファイルが二次元壁面噴流のものと同じであったことから、風速の無次元プロファイルについても二次元壁面噴流に則すると判断できることに基づき、式（１４）を用いることとした。

そして、吹き出し条件から式（８）で室の奥まで届かせるための吹き出し風速ｖ_０を推定できる。また、変風量制御などで吹き出し風速が変化し、剥離が懸念される場合には、式（８）より剥離位置を推定し、式（９）〜式（１２）、式（１３）、式（１４）により剥離位置での風速と空気温度を把握できる。

図２１は、式（８）をグラフ化したものであり、横軸が到達距離（剥離位置）、縦軸が吹き出し風速であり、吹き出し温度差は７．５℃としている。吹き出し温度差と冷気を届かせたい距離が明らかな場合には、必要な吹き出し風速をこの図で推定することができる。なお、図中の破線は開口両端に壁やリブを持たないスリットから天井に冷気を吹き出した場合（吹き出し風速２ｍ／ｓ）の到達距離を推定する窪田らの式である。

図２２は、図２１中のＳ１、Ｓ２、Ｓ３の各条件で実際に気流の挙動を可視化した様子を示している。また、図２２（ａ）は本発明の空調システム、図２２（ｂ）は従来方式の空調システム、図２３（ｃ）は本発明の空調システムを用いた実験の要する示したものである。そして、図２２（ａ）の剥離距離と、式（８）を用いて推定した推定剥離距離とがよく一致し、図２２（ｂ）の剥離距離と、窪田らの式を用いて推定した推定剥離距離とがよく一致することが確認された。また、図２２（ｃ）において式（８）を用いて推定した推定剥離距離が１２．６ｍであり、実験の最大距離７．６ｍで剥離が生じない結果と一致した。

また、図２３は式（９）から噴流の最低温度Ｔ_ｍｉｎを推定したものであり、こちらも実験値とよく一致した。

さらに、図２４は式（１４）で溝内の風速ｖを推定したものであり、こちらも実験値に概ね一致した。

なお、窓近傍で誤差が大きくなるが、これは、推定式では無限に流路が続くことを仮定するのに対し、実験では流路の先に窓面が存在したことが原因である。窓面から１〜１．５ｍほどの距離から影響を受け始めるが、この領域は居住域としての使用はあまり想定されないため、推定の上で支障はないと言える。

したがって、本実施形態の空調システム１０に対し、上記の式（８）〜式（１４）に示す指針、手法を用いることによって、精度よく冷気の到達距離を求めることができ、過剰な機器選定を招くおそれを解消することができる。すなわち、本実施形態の空調システム１０に適した合理的な設計手法を提供することが可能になる。

以上、本発明に係る空調システムの一実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１リブ（突出部）
２空調チャンバー
３吹出口
４ダクト
１０空調システム
１２凹溝
Ｃ天井面
Ｖ壁
Ｗ窓（ペリメーター）

Claims

天井面から下方に突出し、前記天井面に沿う一方向に延び、平行配置された複数の突出部と、隣り合う前記突出部の間に設けられ、前記一方向を向き、空調空気が吹き出される吹出口とを備え、
本システムの適用対象となる室の奥行ｄよりも、下記の式（１）で推定される剥離距離ｘ_ｓｐの方が大きくなるように吹出し風速ｖ_０が設定されていることを特徴とする空調システム。
ここで、ｈ_０は吹出口高さ、ｖ_０は噴流の吹き出し風速、△Ｔは室温と空調空気の温度の差（吹き出し温度差）、Ｋ_Ｐは吹出口定数、Ｋ_ＳＰは室内の熱負荷分布に関する定数である。
請求項１記載の空調システムにおいて、
前記噴流の最低温度Ｔ_ｍｉｎが下記の式（２）〜式（５）を用いて設定されていることを特徴とする空調システム。
ここで、隣り合う突出部の間の凹溝鉛直断面上において、ｘは吹出口からの距離、ｙは天井からの距離、Ｔ_Ｒは室温、Ｔ_ｍｉｎは吹出口からの距離ｘにおける噴流の最低温度、Ｋ_ＰＴは温度に関する定数、Ｔ（ｘ，ｙ）は座標（ｘ，ｙ）における噴流の温度、ｙ_{Ｔ_１／２}は噴流の温度に関する半値幅（ｍ）である。
請求項１または請求項２に記載の空調システムにおいて、
前記噴流の前記隣り合う突出部の間の溝内での前記噴流の風速ｖが下記の式（６）、式（７）を用いて設定されていることを特徴とする空調システム。
ここで、ｘは吹出口からの距離、ｙは天井からの距離、ｖ（ｘ，ｙ）は座標（ｘ，ｙ）における噴流の風速、ｙ_{ｖ_１／２}は噴流の風速に関する半値幅である。