JP7019977B2 - 日射遮蔽装置、日射遮蔽部材及び日射遮蔽装置の設計方法 - Google Patents
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次に、図2を用いて、第1部材30の形状の詳細について説明する。
第1部材30は、下端側面部31、底部32、第1拡散面部33、連結部35、第2拡散面部36、上側側面部37、上面部38、補強部39を備える。第1拡散面部33及び第2拡散面部36は、下方に配置された羽板20の第1部材30によって反射された光が入射される面を有している。本実施形態では、第1拡散面部33及び第2拡散面部36の傾斜角度は、それぞれ異なっている。
第1拡散面部33は、底部32の端辺と連結部35の端辺とを連結する傾斜部を構成する。
第2拡散面部36は、連結部35の端辺と上側側面部37の下側の端辺を連結する傾斜部である。第2拡散面部36の連結部35側の端部の上面側は、固定部36aと嵌合部36bを備える。
上面部38は、上側側面部37の上端部に連接される。この上面部38は、上面部38と第2拡散面部36とを連接する補強部39よりも突出した先端部38aを有している。
次に、第2部材40の形状の詳細について説明する。
第2部材40は、第1天空反射部41、支持部43、連結部45、接続部44、中央係合部46、第2天空反射部42、上端係合部47を備えている。本実施形態では、第1天空反射部41及び第2天空反射部42は、太陽光が入射される面を有している。本実施形態では、第1天空反射部41及び第2天空反射部42の傾斜角度は、それぞれ異なっている。
第1天空反射部41の先端部41aは、第1部材30の下端側面部31の下端係合部31aに係合する。
第1天空反射部41の上側端部は、連結部45に接続されている。連結部45は、第1部材30の連結部35の上方に配置され、連結棒15が貫通される部分である。連結部45は、垂直方向に延在する接続部44を介して、第2天空反射部42と接続される。
上端係合部47は、第2部材40が第1部材30に嵌合した際に、第1部材30の補強部39に固定される。
次に、図3を用いて、上述した羽板20の形状を設計する形状設計システム50の構成について説明する。
入力部56は、キーボードやポインティングデバイス等で構成され、各種指示や情報を入力するための入力手段から構成される。
出力部58は、ディスプレイ等で構成され、情報処理結果を出力するための出力手段から構成される。
パラメトリックモデル記憶部53は、3次元CADにおいて、寸法値として定義された変数の値や拘束条件を指定して形状を作成するためのパラメトリックモデル情報を記憶している。このパラメトリックモデル情報は、羽板20の各部の各水平長さ(X1~X6)と高さ(Y1~Y7)について、定数又は変数、算出式に関するデータを含む。更に、この変数に対応して、変数範囲及び変数刻みに関するデータが含まれている。
条件特定部511は、ルーバー10の設置条件や日射条件を取得し、期間重み係数を算出する。期間重み係数は、評価対象の期間及び時間帯の鉛直面直達日射量をプロファイル角毎に集計した値を、鉛直面直達日射量の積算値で除算した値(比率)である。
次に、図4~図6を用いて、上述した羽板20における具体的な形状設計の前処理について説明する。
ここでは、図5に示すように、上述した羽板20のプロトタイプPTとして、第1部材PT30及び第2部材PT40を備えた構成を用いる。第1部材PT30は、上述した羽板20の第1部材30の第1拡散面部33及び第2拡散面部36と水平長さと高さとが異なる第1拡散面部PT33及び第2拡散面部PT36を有する。また、第2部材PT40は、上述した羽板20の第2部材40の第1天空反射部41及び第2天空反射部42と水平長さと高さとが異なる第1天空反射部PT41及び第2天空反射部PT42を有する。更に、このプロトタイプPTは、第1天空反射部PT41及び第2天空反射部PT42の表面を階段状に形成して入射光を2回反射させることにより、天空反射面を構成する。第1部材PT30及び第2部材PT40は、その他の部分については、第1部材30及び第2部材40と同じ構成を有する。
上述した光線追跡シミュレーションのフローについて説明する。
まず、形状設計システム50の制御部51は、光源の設定処理を実行する(ステップS21)。具体的には、制御部51のシミュレーション部512は、光源はプロトタイプPT(又は羽板20)の入射側間口に対して設定する。詳細には、上方のプロトタイプPT(又は羽板20)の第1部材PT30(30)の下端側面部(31)と底部(32)との接続辺(P1)から、下方のプロトタイプPT(又は羽板20)の第1部材PT30(30)の下端側面部(31)の上端部までの鉛直面を光源として設定する。
次に、上述した反射ベクトルを算出するために用いる反射モデルについて説明する。
光線追跡法の特徴として、反射性状は放射光度を基に立体角に対応したベクトルを乱数で表現し、反射エネルギーはエネルギー保存の観点から反射光線1本に集約させている。このため、反射率は表1~3にて測定した日射波長帯の平均全反射率を使用し、各反射性状を用いて、以下の式(1)~(8)を用いて反射ベクトルを算出する。
X=sinθcosφ …(1)
Y=cosθ …(2)
また、完全拡散反射モデルとしては、以下の式(3)及び式(4)を用いる。
R=L-2(L・N)・N …(5)
更に、指向性反射モデル(ガウス関数近似モデル)としては、以下の式(6)~式(8)を用いる。
R=L-2(L・H)・H …(6)
上述したステップS14における反射日射量の評価においては、以下の式(9)~式(12)を用いる。
次に、図7を用いて、上述した形状設計システム50を用いたルーバー10の羽板20の形状を設計する方法について説明する。ここでは、羽板20のパラメトリックモデルの形状の各変数を変更して、最適形状を模索する。
まず、図8を用いて、ステップS15で設定したパラメトリックモデルについて説明する。
羽板20の水平方向の全長をRWとする。また、羽板20の水平方向の各寸法(水平長さ)を、X1,X2,X3,X4,X5,X6と定義する。X1は羽板20の第1部材30の底部32の水平長さ、X2は第1拡散面部33の水平長さ、X3は連結部35,45の水平長さ、X4は第2天空反射部42の水平長さ、X5は第1部材30の上面部38の水平長さである。なお、水平長さX4,X5の和は、第1部材30の第2拡散面部36の長さに相当する。また、X6は第1部材30の下端係合部31aの水平長さ(羽板20の端部から第1天空反射部41の最下位置までの水平長さ)である。
X2=(RW-X1-X3-X5)×δ …(21)
X4=RW-(X1+X2+X3+X5) …(22)
X6=X1×m …(23)
ここで、δは変数、mは拡散面巻上げ率である。
Y1=RW×tanθ×α …(24)
Y2=RW×tanθ×(1-α)×β …(25)
Y3=RW×tanθ×(1-α)×(1-β)×γ …(26)
Y4=RW×tanθ-(Y1+Y2+Y3) …(27)
Y6=(Y1+Y2-Y5)×m …(28)
上述した寸法のうち、本実施形態において、羽板20を設計する際に用いる設定定数を表4に示し、設計変数と、変数の範囲及び刻みを、表5に示す。なお、図8におけるsp3,sp4は、sp1,sp2と同様、対応する面の反射率及び反射特性の設計変数を示している。
次に、図7を用いて、上述した形状設計システム50を用いたルーバー10の羽板20の形状を設計する方法について説明する。
そして、形状設計システム50の制御部51は、最適化後の形状の出力処理を実行する(ステップS37)。具体的には、制御部51の形状最適化部513は、最適解と特定した値を設計変数として有した羽板20の形状を生成し、出力部58の表示画面に表示する。なお、この場合に画面に表示された形状が、図2の羽板20の形状である。
図10(a)~(c)には、最適化する前の羽板のプロトタイプPTの入射角別の反射光軌跡を、図10(d)~(f)には、最適化した後の羽板20の入射角別の反射光軌跡を示す。なお、図10(a)~(f)において、羽板20の入射側間口間の太い直線は、設定した光源である。
また、最適化後は多重反射ではなく、1回反射による反射性能が向上するように、形状が変化していることがわかる。
図12は、沖縄、鹿児島、大阪、東京、仙台、札幌の各地に、ルーバー10を設置する羽板20の断面外形状を示している。これら羽板20の形状は、上述した形状設計システム50を用いて設計した結果である。
ここで、以下の表6に、各地域における夏期・中間期(評価対象期間)における入射角度別直達日射重み係数を示す。
また、札幌における羽板20の第2天空反射部42は、焼付塗装(白色)によって構成することが好ましい。この第2天空反射部42は、ほぼ平坦に近い勾配の形状になるため、焼付塗装(白色)を用いて拡散反射させることにより、天空反射率を増加させることができる。
(1)本実施形態のルーバー10は、水平方向に延在する複数の羽板20を、傾斜させて、鉛直方向に並べて備える。この羽板20の第1部材30には、拡散反射面を有する第1拡散面部33、第2拡散面部36、上側側面部37、上面部38を備える。羽板20の第2部材40には、天空反射面を有する第1天空反射部41及び第2天空反射部42を備える。これにより、ルーバー10が受ける日射を天空へと反射させて、周辺建物や地上への反射を低減させるので、ルーバー10を設けた建物の周囲の温熱環境を改善することができる。更に、室内側には、上側側面部37や上面部38の拡散反射面からの透過光が入るので、反射による眩しさを低減することができ、人に優しい視環境を実現できる。
(5)本実施形態の羽板20は、上側側面部37、上面部38を備える第1部材30に第2部材を内嵌させている。これにより、2つの部材を一体化して羽板20を構成することができる。
・上記実施形態のルーバー10は、鉛直方向に並んだ羽板20の中央部に貫通する連結棒15によって、複数の羽板20を支持した。各羽板20の支持方法は、これに限定されず、上側端部や下側端部において連結棒を配置して、各羽板20を連結してもよい。また、連結棒で連結する場合に限られず、柔軟性のある部材で連結してもよい。
Claims (5)
- 水平方向に延在させた複数の日射遮蔽部材を、室内側が高くなるように傾斜させて、鉛直方向に並べて備える日射遮蔽装置であって、
前記日射遮蔽部材の室外側の表面には、入射した日射を、入射角度に対して所定範囲角度内で、天空の方向に反射させる性質を有する天空反射面を設けるとともに、
前記日射遮蔽部材の室内側の側面、上面及び下面には、前記日射を天空へ反射する天空反射面の作用を妨げない位置に拡散反射面を設けたことを特徴とする日射遮蔽装置。 - 室内側が高くなるように傾斜させて、鉛直方向に複数、並べて日射遮蔽装置を構成し、水平方向に延在する日射遮蔽部材であって、
室外側の表面には、入射した日射を、入射角度に対して所定範囲角度内で、天空の方向に反射させる性質を有する天空反射面を設けるとともに、室内側の側面、上面及び下面には、前記日射を天空へ反射する天空反射面の作用を妨げない位置に拡散反射面を設けたことを特徴とする日射遮蔽部材。 - 前記拡散反射面を設けた前記室内側の側面、上面及び下面と、前記室外側の側面とを構成する部材を備えた第1部材に、前記天空反射面の表面を構成する部材を備えた第2部材を嵌合させて構成されることを特徴とする請求項2に記載の日射遮蔽部材。
- 前記上面の一部には、他の日射遮蔽部材と連結する連結部材が取り付けられる連結部が設けられていることを特徴とする請求項2又は3に記載の日射遮蔽部材。
- 水平方向に延在させた複数の日射遮蔽部材を、室内側が高くなるように傾斜させて、鉛直方向に並べて備える日射遮蔽装置を、コンピュータを用いて設計する設計方法であって、
前記日射遮蔽部材は、室外側の表面には、入射した日射を、入射角度に対して所定範囲角度内で、天空の方向に反射させる性質を有する天空反射面を有し、室内側の側面、上面及び下面には、前記日射を天空へ反射する天空反射面の作用を妨げない位置に拡散反射面を有しており、
前記コンピュータが、
前記日射遮蔽部材の形状を決めるパラメトリックモデルにおいて、前記形状における天空反射面の角度及び長さを変更して、前記天空反射面における天空反射率と、前記日射遮蔽部材の開口率とを算出するシミュレーションを繰り返し、
前記シミュレーションに用いた天空反射面の角度及び長さと、算出した前記天空反射率と前記開口率とを関連付けた計算結果を記憶し、
前記計算結果における前記天空反射率及び前記開口率の大きさに基づいて、前記日射遮蔽部材の形状を決定することを特徴とする日射遮蔽装置の設計方法。
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