2010年度修士論文梗概 CFD解析を用いた温度成層型水蓄熱槽 ...labo4/www/thesis-top.files/10...2010年度修士論文梗概発表者：兪一非指導教員：相良

2010 年度　修士論文梗概

発表者　：兪　一非　

指導教員：相良　和伸　教授

大阪大学工学研究科　地球総合工学専攻　建築環境・設備 Gr

CFD 解析を用いた温度成層型水蓄熱槽におけるディフューザーに関する研究

1.はじめに

　温度成層型蓄熱槽の高効率な設計・運用を行うには、

流入・流出口として設けられるディフューザー、水蓄

熱槽の入力流量、入力温度と出力温度などが重要な要

因となる。そのためには、CFD 解析により蓄熱槽の蓄

熱性能を評価する方法が効果的であると考えられる。

本研究では、ディフューザーの様々な条件と水蓄熱槽

の入力条件が蓄熱性能へ及ぼす影響を把握し、高性能

の温度成層型水蓄熱槽を設計することを目的としてい

る。

　パンチングメタルを介して水が鉛直方向上向きに槽

内へ均等に流入するため、混合を良く抑えることがで

きる。したがって、既報1)で提案したパンチングメタ

ル付のハーフパイプ型ディフューザーを設置する場合、

最も良い蓄熱性能が得られた。さらに、コスト、施工

性などの方面にも優れていることが分かった。本報で

は、パンチングメタル付のハーフパイプ型ディフュー

ザーを対象とし、ディフューザーの設置条件（設置水深、

縦配管本数と間隔）と水蓄熱槽の入力条件（入力流量、

入力温度と初期温度）が蓄熱性能に及ぼす影響を検討

した。

２．CFD 解析概要

2.1　CFD 解析空間

　CFD解析において、実大冷水蓄熱槽（2.6m× 4.6m ×

水深 5.8m，槽容量 69m3）を CFD解析対象とした（Fig.1

参照）。計算負荷軽減のために、空間対称性を考慮して

上部半槽の 1/4 を CFD 解析空間（幅 1.3m(X) ×奥行き

2.3m(Y)×深さ 2.9m(Z)）として作成した（Fig.1参照）。ディフューザーの平面上の設置位置は槽の中心とした。

鉛直方向の設置位置は設置水深（水面からディフュー

■修士論文の構成及び概要

　本論文では、CFD解析を用いて温度成層型水蓄熱槽におけるディフューザーについての検討を行った。ディフュー

ザーの様々な条件と水蓄熱槽の入力条件が蓄熱性能に及ぼす影響を把握した上で、高性能の温度成層型水蓄熱槽

を設計することを目的としている。

　第 1章では、研究背景、研究目的及び既往研究について述べた。第 2章では、効果的な検討手法であると考え

られる CFD解析の精度検討について述べた。第 3章では、水蓄熱槽における新たに提案したディフューザーの形

状について CFD解析を行った結果により、ディフューザー形状の蓄熱性能へ及ぼす影響及び蓄熱性能の予測手法

について述べた。第 4章では、有効性、経済性、施工性を考慮した上で、最も優れているディフューザーを有す

る水蓄熱槽の蓄熱性能検討と、ディフューザーの設置条件と水蓄熱槽の入力条件の様々な要素が蓄熱性能へ及ぼ

す総合的影響について述べた。第5章では、本論文から得た知見をまとめた。

　本報は、平成22年度空気調和・衛生工学会近畿支部学術研究発表会に投稿予定（2011.2.17）の梗概を一部加筆・

修正したものであり、本論文の第3章の一部内容と第 4章の内容をまとめたものである。

ザー上面までの距離）を変化させて蓄熱性能を検討す

るため、条件によって異なっている。

2.2　CFD 解析ケース

　本報ではサイズの異なる二種類パンチングメタル付

のハーフパイプディフューザーを想定して検討を行っ

た。さらにディフューザーの設置水深、縦配管本数と

間隔、水蓄熱槽の入力流量、入力温度と初期温度をパ

ラメーターとして、Table.1に示す 18条件を設定した。Fig.2と Fig.3に検討した二種類のディフューザーを示す。

2.3　CFD 解析条件

　本報では、放熱過程での性能評価を行うことを想定

しているため、高温水が配管の下部から流れ込み、ディ

フューザーの上面から吹き出される。そして、上部半

槽の底面から均等に下方へ流出する（Fig.1参照）と近似している。計算負荷を軽減するために温度の輸送が

下方向への一次元移流拡散となっていると考えられた

0.3 回換水（無次元換水時間 t*=0.3）するまで、計算

時間間隔を 1sとして非定常解析を行った。Table.2にCFD 解析条件を示す。温度成層に対する重要な要素で

あると考えられる密度を温度の関数として与え、4次

式で近似している2)。また、パンチングメタルに関して、

多孔質ジャンプ3)という境界条件を適用することとし

た1)。

３．結果と考察

3.1　ディフューザーの設置条件による差異

　ディフューザーの設置水深（caseA1,caseA2,caseA3,c

aseA4,caseA5,caseA6,caseA7,caseA8）と、縦配管本数と

間隔（caseA2,caseC1,,caseC2,caseC3,caseD1,caseD2,ca

seD3,caseD4）が蓄熱性能に及ぼす影響について検討した。



(a) thermal storage tank (all tank,69m3)

2300mm1300

mm

2900m

m4600mm

2600

mm5800m

m

(b) 1/4 of upside half-tank

2300mm13

00mm

2900m

m

XZ

Y

A A'

symmetry

symmetry

tank wall

tank wall

(c) XY plan

2900m

m

1300mm

symmetry

installationdepth

outlet

inlet

water surface

tank wall

(d) A-A' section

Figure.1 Analytical spaceTable.1 Case of analysis

NameHalf-pipe size

of diffuser

No. and interval

of vertical pipe

Installation

depth

Flow

rate

Input/initial

temperature

Length:3000mm

Diameter:300mm

Length:3000mm

Diameter:300mm

Length:3000mm

Diameter:300mm

Length:2000mm

Diameter:400mm

8.67m3/h

8.67m3/h

19.8m3/h

55.7m3/h

43.4m3/h

caseA1 40mm

caseA2 140mm

140mm

140mm

100mm

caseA3 240mm

caseA4 340mm

caseA5 40mmcaseA6 140mmcaseA7 240mmcaseA8 340mm

4,750mm

4,750mm

caseC1 4,600mm

caseC2 2,1500mmcaseC3 2,1000mm

caseD1 2,1000mmcaseD2 1

caseD3 2,1000mm

caseD4 1

15℃/5℃

15℃/5℃

15℃/5℃

15℃/7℃caseB112℃/5℃caseB212℃/7℃caseB3

Table.2 CFD analysis conditionCFD code FLUENT 6.3

RNG k-ε modelcaseA1:

402980caseA7:

526527

caseA2:

466716caseA8:

595888

caseA3:

526527caseB1:

466716

caseA4:

595888caseB2:

466716

caseA5:

402980caseB3:

466716

caseA6:

466716caseC1:

490354caseC2:

382604

caseC3:

387316

caseD1:

392559

caseD2:

389013

caseD3:

392559

caseD4:

389013

Turbulence model

Number of mesh

Discretization Scheme QUICK

Unsteady state (SIMPLE)

1s

Polynomial(quartic function)

Algorithm

Time step size

Density

Inlet

Outlet Define flow rate

Define flow rate

Wall: Generalized log low

Symmetry: free slip

Tank wall

Water surface

Porous jumpPunched-metal

Boundary condition

Figure.2 Punched-metal half-pipe diffuser

Vertical pipe

outer 170mmφinternal 150mmφ

Half-pipe

length 3000mm


punched-metal

aperture ratio:22.7%

(projecting face)

330mm

600m

m600m

m600m

m600m

m600m

m

30

00m

m

caseC1330mm

375m

m375m

m375m

m375m

m375m

m375m

m375m

m375m

m

30

00m

m

caseA1caseA2caseA3caseA4caseA5caseA6caseA7caseA8

caseB2caseB1

caseB3

330mm

750m

m750m

m750m

m750m

m

300

0m

m

caseC2330mm

1000m

m1000m

m1000m

m

300

0m

m

caseC3

Vertical pipe


Half-pipe

length 2000mm


punched-metal

aperture ratio:22.7%

430mm

2000

mm

500m

m500m

m500m

m500m

m

caseD1

caseD3

430mm

20

00m

m

1000m

m1000m

m

caseD2

caseD4

(projecting face)



　流量の小さい場合（流量：8.67m3/h）、設置水深につ

いて検討した結果によって槽内温度プロフィルを作成

し、Fig.3に比較結果を示す。設置水深が深くなるほど、槽内温度プロフィルの温度勾配が緩やかになることが

見られた。また、流量の大きい場合（流量：43.4m3/h）も、

同じ結果が得られた。ディフューザーを水面の近くに

設置すると、蓄熱性能が向上すると考えられる。

　パンチングメタル付のハーフパイプ（長さ 3000、直

径 300mm）型ディフューザーに関して、縦配管 2本ま

たは 4本であっても差異は殆どないことが分かった。

パンチングメタル付のハーフパイプ（長さ 2000、直径

400mm）型ディフューザーに関して、Fig.4に示すように、流量の小さい条件（流量：19.8m

3/h）で縦配管 2本を

設置する場合は、縦配管 1本を設置する場合より槽内

温度プロフィルの温度勾配が急となり、蓄熱性能が向

上することが分かった。また、流量の大きい場合（流量：

55.7m3/h）も、同じ結果が得られた。縦配管を複数で

設置する場合、入力流量を抑えると同時に、さらに均

等に槽内へ流入できると考えられる。なお、縦配管が

複数の場合、間隔の影響は明らかでないことが考えら

れる。

3.2　水蓄熱槽の入力条件による差異

　水蓄熱槽の入力流量（caseA1,caseA2,caseA3,caseA4,

caseA5,caseA6,caseA7,caseA8,caseD1,caseD2,caseD3,cas

eD4）と、入力温度と初期温度が蓄熱性能（caseA2,caseB

1,,caseB2,caseB3）に及ぼす影響について検討した。

　入力流量だけをパラメーターとし、様々なケース

を検討した。caseA2 と caseA6 の比較を一つ例とし、

Fig.5に比較結果を示す。入力流量の小さい場合は入力流量の大きい場合より良い蓄熱性能が得られた。その

他条件の比較でも、同じ結果が得られた。また、入力

温度と初期温度に関して検討した結果、Fig.6に示すように、殆ど差異がなかった。そのため、入力温度と初

期温度が蓄熱性能に及ぼす影響は小さいと考えられる。

3.3　簡易的な蓄熱性能予測手法及び評価指標

　以上をまとめた結果から、定性的に蓄熱性能を把握

することができた。定量的に蓄熱性能を評価するため

に、簡易的な蓄熱性能の予測手法を提案し、評価指標

とする予測蓄熱槽効率を（η）定義した。Fig.7に簡易的な蓄熱性能の予測手法と予測蓄熱槽効率の定義を示

した。蓄熱槽効率の概念4),5)

に基づき、0.3回換水する

ときの槽内温度プロフィルは変化せず、下方へ推移し

ていくと仮定すると、蓄熱槽効率を予測できると考え

られる。なお、実際運転過程中の状況を考慮し、需要

側への送水温度は 7℃以下と設定すると、熱交換器を

介して約 +1℃となるために水蓄熱槽の出口温度は 6℃

以下に抑えなければならない。その出口限界温度を送

水限界温度と定めた。0.3 回換水するときの槽内温度

プロフィルは下方へ推移し、槽底面温度が 6℃に達す

る時にとまり、水蓄熱槽の放熱過程完了時の槽内温度

プロフィルと近似する。ただし、熱拡散の影響が存在

するため、放熱完了時の温度プロフィルとの差異があ

ると考えられる。

3.4　ディフューザーの設置条件と水蓄熱槽の入力条

件が蓄熱性能に及ぼす総合的影響

　温度成層型水蓄熱槽を設計する際に、ディフューザー

の設置条件（設置水深、縦配管本数と間隔）と水蓄熱

t*=0.1

t*=0.2

t*=0.3

caseA1 Installation depth:40mm




0

580

1160

1740

2320

2900

3480

4060

4640

5220

58004 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Temperature [℃]

dep

th [

mm

]

punched-metal half-pipe

(Length:3000mm,Diameter:300mm) diffuser

No. and interval of vertical pipe:4,750mm

Flow rate:8.67m3/h

Input/initial temperature:15℃/5℃

Figure.3 Comparison of different installation depth

t*=0.1

t*=0.2

t*=0.3

0

580

1160

1740

2320

2900

3480

4060

4640

5220

58004 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Temperature [℃]

dep

th [

mm

]punched-metal half-pipe


Installation depth:100mm

Flow rate:19.8m3/h


caseD1 No. and interval of

vertical pipe:2,1000mm

caseD2 No. and interval of

vertical pipe:1

Figure.4 Comparison of different No. and interval of pipe

t*=0.1

t*=0.2

t*=0.3

caseA2 Flow rate:8.67m3/h

caseA6 Flow rate:43.4m3/h

0

580

1160

1740

2320

2900

3480

4060

4640

5220

58004 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Temperature [℃]

dep

th [

mm

]






t*=0.1

t*=0.2

t*=0.3

caseA2 Input/initial temperature:

15℃/5℃caseB1 Input/initial temperature:



12℃/7℃

0

580

1160

1740

2320

2900

3480

4060

4640

5220

58000 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

Nondimensional temperature [-]

dep

th [

mm

]





Flow rate:8.67m3/h

Figure.6 Comparison of different input/initial temperature

Figure.5 Comparison of different flow rate

≒

-

=

=

-

Temperaturet':Limit temperature of supply water

drop down

unchanged

t*=0.3

t*=0.3

Temperaturet':Limit temperature of supply water

drop down

unchanged

Temperature

Temperature profile

when t*=0.3

Temperature profile

on completion of heat discharge

t*=0.3 t*=0.3

t*=0.3

Prediction

thermal storage tank efficiency

Thermal storage tank efficiency(%) =

Simplified prediction method of thermal storage performance

Definition of prediction thermal storage tank efficiency

Figure.7 Prediction of thermmal storage tank efficiency



槽の入力条件（入力流量、入力温度と初期温度）など様々

な要素が互いに複雑な関連をしており、蓄熱性能に総

合的影響を与える。本報では、それぞれの要素から定

量的な特長をまとめ、ディフューザーからの水吹出状

態を左右する無次元数を抽出し、蓄熱性能との関係を

検討した。

　入口アルキメデス数（式 (1)参照）を基本として流

れの性質を規定するという立場をとり、以下の理論を

進める。ディフューザー突出面（Fig.2参照）の突出等価直径（De）をディフューザーの突出面と等しい面積

を有する円形の直径と定義し、流入口の代表長さとし

た。突出面の平均流速（vave）を代表流速とした。

　また、水の吹出状態から分析し、突出等価直径と設

置水深の比（De/h）を一つ無次元数として用いる。

　その検討においては caseA1 から caseA8 までの 8条

件をはじめ、考察していく。横軸に無次元数の対数を

取って表し、縦軸に予測蓄熱槽効率（η）の対数を取っ

て表す。Fig.8(a),Fig.8(b)に示したように、入口アルキメデス数と予測蓄熱槽効率の関係のみを考え、傾きが

小さいため、同一の傾きにしてそれぞれの近似曲線群

と近似式を作成した。そして、切片部分は設置水深に

よる影響と考え、無次元数 De/h を導入して、切片 Bと

の関係式を最小二乗法で求めた（Fig.8(b)参照）。さらに、De/h との関係式で表した Bを近似式に代入し、4

つの近似式を一つの近似式にまとめた（Fig.8(c)参照）。Fig.8(c)に示すように、決定係数は0.8712であり、YはXの一次式で概ね近似できると考えられる。

　最後に、入口アルキメデス数の中に含まれる入力温

度と初期温度の影響と、今回は考慮していない縦配管

本数と間隔の影響を含めて、その他のケースデータを

プロットし、Fig.8(d)に示した。入力温度と初期温度の異なる条件のデータは近似曲線の近くにあるが、縦配

管本数と間隔の異なる条件のデータは近似曲線から離

れていることが見られた。これは縦配管本数と間隔の

影響を考慮していないためであると考えられる。

４．おわりに

　本報では、パンチングメタル付のハーフパイプ型ディ

フューザーを対象とし、ディフューザーの設置条件と

水蓄熱槽の入力条件が蓄熱性能に及ぼす影響を把握し

た。縦配管本数と間隔の影響を考慮しない場合、ディ

フューザーの設置条件と水蓄熱槽の入力条件が蓄熱性

能に及ぼす総合的影響を考察し、定めた無次元数と予

測蓄熱槽効率との関係を一次関数関係で近似した。ま

た、縦配管本数と間隔の影響は今後の課題として再検

討する必要があると考える。

NOMENCLATUREArin : Archimedes number [-]De : Projecting equivalent diameter[m]g : Gravitational acceleration [m/s

2]ρin : Water density at input temperature [kg/m

3]ρ0 : Water density at initial temperature [kg/m

3]vave : Average fluid velocity through projecting face [m/s]h : Installation depth [mm]t* : Nondimensional time [-]

兪・相良他：CFD 解析を用いた温度成層型蓄熱槽におけるディフューザー形状に関する研究、日本建築学会近畿支部研究報告集，第 50 号，環境系 pp.117-120，2010 年6 月兪・相良他：CFD 解析を用いた温度成層型蓄熱槽におけるディフューザーの蓄熱性能への影響に関する研究、空気調和・衛生工学会近畿支部学術研究発表論文集，pp.147-150，2010 年 3 月FLUENT6.2 ユーザーズガイド，第 7.22 節，多孔質ジャンプ (Porous Jump) 境界条件，pp.7-152 ～ 7-153空気調和・衛生工学便覧　第 14 版，2 機器・材料編，第9章　蓄熱装置　9.1.3 項，pp.278 ～ 288空気調和・衛生工学便覧　第 14 版，3 空気調和設備編，第 2章　熱源システム設計　2.3.1 項，pp.82 ～ 84

1)

2)

3)

4)

5)

REFERENCES

NameLegendHalf-pipe size

of diffuser

No. and interval

of vertical pipe

Installation

depth

Flow

rate

Input/initial

temperature

Length:3000mm

Diameter:300mm

Length:3000mm

Diameter:300mm

Length:3000mm

Diameter:300mm

Length:2000mm

Diameter:400mm

8.67m3/h

8.67m3/h

19.8m3/h

55.7m3/h

43.4m3/h

caseA1 40mm

caseA2 140mm

140mm

140mm

100mm

caseA3 240mm

caseA4 340mm

caseA5 40mmcaseA6 140mmcaseA7 240mmcaseA8 340mm

4,750mm

4,750mm

caseC1 4,600mm

caseC2 2,1500mmcaseC3 2,1000mm

caseD1 2,1000mmcaseD2 1

caseD3 2,1000mm

caseD4 1

15℃/5℃

15℃/5℃

15℃/5℃

15℃/7℃caseB112℃/5℃caseB212℃/7℃caseB3

97.47%

96.85%

95.46%

94.22%

94.61%94.53%93.50%92.21%

96.87%

96.75%96.71%

96.42%95.55%

91.79%

87.96%

96.91%96.90%96.91%

Prediction

thermal storage

tank efficiency

Figure.7 Prediction thermmal storage tank efficiency of each case

X:log (Arin)

Y:l

og ( )η

-0.06

-0.04

-0.05

-0.03

-0.02

-0.01

00 1 2 3 4 65

= 0.00753 -0.0373XY

= 0.00925 -0.0398XY

= 0.00644 -0.0402XY

= 0.00699 -0.0466XY

X:log [(Arin)

0.00748]

B

= +og[( ) CBD

h

e jl ]

= og[( ) -0.0518BD

h

e 0.0125l ]

Y:l

og ( )η

-0.06

-0.04

-0.05

-0.03

-0.02

-0.01

00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.060.05

affected

by installation depth

solved

using least square

= -0.0356XY= -0.0371XY

= -0.0427XY

= -0.0485XY

(a) (b)X:log [(Arin)

0.00748

･(De/ h)0.0125

]

R2 = 0.8712

= -0.0518log [(Arin)0.00748

]log ( )η ( )Dhe 0.0125

･

Y:l

og ( )η

-0.06

-0.04

-0.05

-0.03

-0.02

-0.01

00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.060.05

= -0.0518XY

X:log [(Arin)0.00748

･(De/ h)0.0125

]

Y:l

og ( )η

-0.06

-0.04

-0.05

-0.03

-0.02

-0.01

00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.060.05

= -0.0518log [(Arin)0.00748

]log ( )η ( )Dhe 0.0125

(c) (d)Figure.8 Comprehensive effect of installation condition and

input condition on thermal storage performance

ρ ρAr D g

vin e avein=

−ρ

0

0

21

（1）

Documents

2010年度 修士論文梗概 CFD解析を用いた温度成層型水蓄熱槽 ...labo4/www/thesis-top.files/10...2010年度 修士論文梗概 発表者 ：兪 一非 指導教員：相良

2010年度修士論文梗概 CFD解析を用いた温度成層型水蓄熱槽 ...labo4/www/thesis-top.files/10...2010年度修士論文梗概発表者：兪一非指導教員：相良