鉛直流入型ディフューザーを有する温度成層型水蓄熱槽に関する CFD 解析による検討

－槽内水位と流量変化が蓄熱性能に及ぼす影響－Study of Thermal Storage Performance of Temperature-stratified Water TES Tank

with Vertical Inlet Diffuser by CFD Analysis- Effect of Tank Water Level and Changing Flow Late on Thermal Strage Performance -

○樋津 太一 （大阪大学） 相良 和伸 （大阪大学）

山中 俊夫 （大阪大学） 甲谷 寿史 （大阪大学）

桃井 良尚 （大阪大学） 古賀 修 （関西電力）

一谷 匡陛 （関西電力） 西山 満 （大気社）

Taici HINOTSU*1 Kazunobu SAGARA*1

Toshio YAMANAKA*1 Hisashi KOTANI*1 Yoshihisa MOMOI*1 Osamu KOGA*2

Kyohei ICHITANI*2 Mitsuru NISHIYAMA*3

*1 Osaka University *2 The Kansai Electric Power Co., Inc. *3 Taikisha Ltd.

Water heat-storage type air-conditioning system can store heat energy and is used to cut down heating and cooling cost in the daytime.But as we operate the heat storage tank, two things have been a concern.One is the effect of water level in tank on the heat storage performance when water level rises due to any malfunctions.Another thing is the effect of sudden change in flow rate on the heat storage performance when the input flow rate is increased under peak cut operation of the heat storage tank.In this paper, the effect of water level in tank and sudden flow rate change on the thermal storage performance is presented.

1．はじめに

蓄熱式空調システムとは、夜間の安価な電力を利用

して熱エネルギーを蓄え、昼間の冷暖房負荷の処理に

利用する空調システムである。本研究では、水蓄熱式

空調システムの内、水の密度差に着目し、温度の異な

る水を混合させずに蓄える温度成層型水蓄熱槽を対象

としている。

蓄熱槽を運転管理するにあたり、不具合等により槽

内水位が上昇する問題が発生した時や、蓄熱槽のピー

クカット運転時に入力流量が急増した時に蓄熱性能に

どのような影響を与えるのかといった点が懸念され

る。本報では、CFD 解析手法の設定条件が計算結果

に与える影響を検討した後、蓄熱槽の槽内水位上昇が

蓄熱性能に及ぼす影響と入力流量変化が温度成層部に

及ぼす影響について解析した結果を示す。

2．CFD 解析手法の検討

2.1 CFD 解析概要

(1) CFD 解析空間

CFD 解析において大阪中心地に立つ高層ビル ( 以下 Fビル ) の実大蓄熱槽の一部を模擬した槽を CFD 解析対

象とした (Fig. 1(a))。計算負荷軽減のため全槽の 1/4(Fig. 1(b)) を解析空間とした。この解析手法の検討段階での

解析空間は F ビル蓄熱槽と若干異なった寸法で解析を

行ったが解析結果に影響はないと思われる。ディフュー

ザの概要と寸法については Fig. 2 に示す。

(2) CFD 解析手法・解析条件

CFD 解析手法の概要を Table 1 に示す。流入口流速

は 10 時間で 1 回換水することを想定し設定した。鉛直

方向のメッシュ間隔の最小幅は 2mm、最大幅は 50mmとし、ディフューザ吐出面に設置したパンチングメ

タルの設定に 3 次元圧力損失モデル1)を用いた。解析

条件の設定が計算結果に与える影響を検討するため、

FLUENTで選択設定可能なセル勾配オプション2)、メッ

シュ分割法、流入口境界条件の長さスケールと乱流強

Fig. 1 Analysis domain

510 1800

1610

33002400

3650

XY

Z

（b）1/4tank

5103600 510 1610

1610

7300

33002400

Inlet

Outlet

(a) Thermal strage tank（all tank、230m ）3

Tank wall

Inlet

Outlet

（e） XY-symmetry

Symmetry

Water surface

Symmetry

Water surface

Inlet

Outlet

XY-symmetry

（f） XZ-symmetry

XY-symmetry

XZ-symmetry

（d） XZ-tank plan

Tank wall

T=0.1h T=0.2h

T=0.3hT=2.0h

T=4.0h T=8.0h

Fig. 3 Temprature contours(caseA-2)

14 515 0

13 012 512 011 511 010 510 09 59 08 58 07 57 06 56 05 55 0

[℃]

Table 2 CFD analysis case

Table 1 CFD analysis condition

Fig. 2 Diffuser and punched-metal

3

CFD codeTurbulence modelDensityDiscretization schemeAlgorithmNumber of mesh

Time step

Initial tempratureInlet tempratureInlet flow late

FLUENT14.4.7RNG k-εmodelPolynomial(quartic function)Second order upwindTransient state(SIMPLE)(caseA,caseB)655782(caseC,caseD)643980(caseA,caseB,caseC)1.0s(caseD-1,2,3)0.5s(caseD-4,5)0.125s5℃15℃(caseA,caseB,caseC)22.74 m /h(caseD-1,2,3,4,5)fig.7Define flow lateDefine flow lateWall:Generalized log lowSymmetry:free slip

Boundary condition InletOutletTank wallWater surface

100mm

200mm

water surface

400mm

(1) caseC-1

(2) caseC-2 (3) caseC-3

water surface

water surface

installation depth

water surface

diffuser(example)

Fig. 4 Analysis domain Fig. 5 CFD analysis case

500 1800

1600

33002340

3650

XY

Z

（b）1/4 tank

Cell slope option

GCB

GCB

GCB

LCB

LCB

GCB

GCB

GNB

GNB

case

caseA-1

caseA-2

caseA-3

caseB-1

caseB-2

caseB-3

caseB-4

caseB-5

caseB-6

GCB=Green-Gauss Cell Based、GNB=Green-Gauss Noded Based、

LCB=Lease Squqres Cell Based

Length scale[m]

0.0014

0.014

0.14

0.014

0.014

0.014

0.014

0.014

0.014

Turbulenceintersity[%]

1

3

10

3

3

3

3

3

3

Decomposition mesh

inequality

inequality

inequality

equality

inequality

equality

inequality

equality

inequality

度をパラメータとして、Table 2 に示す 6 条件を設定し

た。

2.2 CFD 解析結果と考察

流入口境界条件の長さスケール、乱流強度 (caseA)、セル勾配オプションとメッシュ分割法 (caseB) が CFD解析結果に与える影響については、caseB-1 と caseB-2を除く 7 ケースにおいてほぼ同じ温度成層の時間変

化となり、ここでの設定範囲では設定方法の影響は

ほとんど認められなかった。槽内温度分布の推移の

例として、Fig. 3 に caseA-2 の温度コンター推移を示

した。セル勾配オプションを LCB に設定した caseB-1と caseB-2 の場合には不自然な熱の伝播が見られた。

したがってセル勾配オプションを LCB にしなければ、

ここでの設定範囲では、流入口境界条件の長さスケー

ルと乱流強度、メッシュ分割法が CFD 解析結果に与

える影響はないと考えられる。よって以降の解析では、

流入口境界条件の長さスケール、乱流強度、セル勾配

オプションとメッシュ分割法は caseA-2 と同じ設定で

行う。

3．槽内水位と入力流量変化が蓄熱性能に及ぼす影響

3.1 CFD 解析概要

(1) CFD 解析空間

CFD 解析において F ビルの実大蓄熱槽を CFD 解析対

象とし、正確な寸法の解析空間 (Fig. 4) で解析を行った。

槽内水位を変化させているので解析空間の高さは条件に

よって異なる。F ビルでは流出入口のパイプに円管パイ

プを用いているが、本解析では単純化して矩形パイプと

している。

(2) CFD 解析ケース・条件

CFD 解析手法は Table 1 に示す。メッシュ間隔は樋

等間隔、パンチングメタルの設定は CFD 解析手法を検

討したときと同じ設定で行った。槽内水位が蓄熱性能

に与える影響についての解析条件ではディフューザ吐

出面の設置水深が 100mm(caseC-1)、200mm(caseC-2)、

Vertical pipe:

200×200mm

Length 1000mm

Boxdiffuser：

400mm×400mm×400mm

Punched-metal:

bore 1.5mm

pich2.0mm

60 staggered arreangement

aperture ratio 22.7%

thickness 2mm

Fig. 6 Comparison of different installation depth Fig. 7 Comparison of different installation depth

( )5,540mm( )5,640mm( )5,840mm

instllation depth

100mm

200mm

400mm

0 0.2 0.4 0.8 10.6

Nondimen temperature[-]

Dep

th[m

]

0

1

2

3

4

5

6

T=2.0h

T=4.0h

T=6.0h

T=8.0h

T=10.0h

400mm(caseC-3)と段階的に変わるように槽水深を変化

させた (Fig. 5)。caseC、D における流入口流速は 1 回

換水するまでの時間を 10 時間、8 時間を想定し設定し

た。入力流量変化が蓄熱性能に与える影響についての

解析条件では入力流量、流量を変化させる時間をパラ

メータとして、流入開始から 1 時間後に 2 倍に変化さ

せるケース (caseD-1)、4時間後に 2倍に変化させるケー

ス (caseD-2)、最初から 2 倍のケース (caseD-3)、1 時

間後に 8 倍に変化させるケース (caseD-4)、最初から 8倍のケース (caseD-5) の 5 種類を設定した (Fig. 10)。3.2 CFD 解析結果・考察

(1) 槽内水位が蓄熱性能に与える影響

ディフューザ吐出面の設置水深 (caseC) が蓄熱性能

に及ぼす影響について検討するために、Fig. 6 に設置

水深を変化させたときの槽内鉛直温度分布の推移を示

す。図中の T は入水開始時からの経過時間である。設

置水深 400mm の場合に温度勾配は緩くなっており、

設置水深が 100mm の場合に最も急な勾配となってい

る。一般的に温度勾配が緩くなると蓄熱性能が悪くな

ると考えられるが、同じ温度勾配でも蓄熱槽の形状に

より蓄熱性能は異なる。そこで定量的に F ビルの蓄熱

槽を評価するために槽内温度プロフィルから面積の比

で求められる蓄熱槽効率 (η) を評価指標に用いる。蓄

熱槽効率の定義式は次式で表される。

「基準蓄熱量」の定義を「槽内初期温度と入力温度の

温度差および槽容量により定まる蓄熱量」としたが、

槽水位の影響を評価するために、ここでは、設置水深

100mm の場合の蓄熱量を基準蓄熱量としている (Fig.

7)。本報では「蓄熱量」の定義は「槽最下部が送水限

界温度に達したときの槽内蓄熱量」とした (Fig. 7)。本

報では簡単のため、10 時間経過したときの槽内温度

プロフィルを下方へ平行移動して、槽底温度が送水限

界温度 (6℃、無次元温度 0.1) に達したときに蓄熱 ( 冷房時の放熱 ) 完了時の温度プロフィルとなると仮定し

た。Fig. 7 は Fig. 6 の 10 時間経過時の温度プロフィル

を槽底部の温度が 6℃になるまで下へ平行移動させた

グラフである。また、Fig. 7 中に以上の過程から得ら

れた蓄熱槽効率を示す。Fig. 7 は設置水深が深くなる

と蓄熱性能が良くなるという結果を示している。これ

は水深が深くなり蓄熱槽の容積が大きくなったので実

質的に蓄熱量が増えたためであり、槽内水位が上昇す

ると温度勾配は緩くなるが、蓄熱量の観点からは必ず

しも蓄熱性能が悪化したとは言えないことを示してい

る。

(2) 流量変化が蓄熱性能に及ぼす影響

Fig. 9 に caseD-4 における温度コンター図を示す。こ

の図より流量が増えた時に温度成層は一時的に乱れる

が、時間が経つと元の状態に戻ることが分かる。流量

変化に関する各 case の垂直温度分布図を Fig.10 に示す。

いずれの条件においても温度勾配図に大きな変化は見

られず、入力初期の段階で、ある程度強い温度勾配が

形成される場合には、入力流量変化が蓄熱性能に及ぼ

す影響は小さいと考えられる。caseD-2 における 3 時

間経過後と 4 時間経過後の温度プロフィル間のように

幅が狭くなる部分があるが、これは槽の水平断面積が

槽の下半分で拡大している (Fig. 1) ためと考えられる。

caseD-3 と caseD-5 を比較すると確かに初期入力流量を

増加させた場合には弱い温度成層が形成され、蓄熱性

能は低下している。しかし入力流量を流入途中で 2 倍、

0 0 2 0 4 0 8 10 60

1

2

3

4

5

6

Dep

th[m

]

instllation d

100

200

400

(caseC-1) η =100

(caseC-2) η =200

(caseC-3) η =400

= 98.31%

= 99.25%

= 100.55%

=Thermal storage tank efficiency(η)

Storage of heatStandard storage of heat

蓄熱槽効率 (η) = 蓄熱量

基準蓄熱量量(Thermal storage tank efficiency)

(Storage of heat)

(Standard storage of heat)

Fig. 9 Temprature contours(caseD-4)

(1) caseD-1

本研究の一部は文部科学省平成 25年度科学研究費補助金（基盤研究（Ｂ）（一般）24360236 研究代表：相良和伸）によった。

参考文献1)

2)

8 倍と増加させた caseD-1、caseD-4 では垂直温度分布

図に変化はあまり見られなかった。

4．おわりに

本報では、CFD 解析手法の設定が計算結果に与える

影響を検討した後、蓄熱槽の槽内水位上昇が蓄熱性能

に及ぼす影響と入力流量変化が蓄熱性能に及ぼす影響

について解析した。槽内水位上昇の蓄熱性能への影響

については、槽内水位が上昇したとき F ビルの蓄熱槽

の性能は悪くなるのではなくむしろ良くなるという可

能性を示した。入力流量変化の蓄熱性能への影響につ

いては、入力初期の段階である程度強い温度勾配が形

成される場合には、入力流量が増加したときに温度成

層は一度乱れるが、一定時間後に元に戻るので結果と

して蓄熱性能に影響はないということがわかった。

15.0

14.5

14.0

13.5

13.0

12.5

12.0

11.5

11.0

10.5

10.0

9.5

9.0

8.5

8.0

7.5

7.0

[℃]

(2) caseD-2

(3) caseD-3

(4) caseD-4

(5) caseD-5

T=0.8hT 0 8h

T=1.075h

T=0 8h

T=1 075h

T=1.175h

0 0.2 0.4 0.8 10.60

1

2

3

4

5

6

Dep

th[m

]

Nondimen temperature[-]

T=1.0h

T=2.0h

T=3.0h

T=4.0h

T=5.0h

T=6.0h0 0.2 0.4 0.80.6

0

1

2

3

4

5

6

Dep

th[m

]

Nondimen temperature[-]

T=1.0h

T=2.0hT=3.0h

1

T=0.5h

T=1.5h

0 0.2 0.4 0.80.60

1

2

3

4

5

6

Dep

th[m

]

Nondimen temperature[-]

T=1.0h

T=2.0h

1

T=0.8hT=1.075hT=1.175h

0 0.2 0.4 0.80.60

1

2

3

4

5

6

Dep

th[m

]

Nondimen temperature[-]1

T=0.125h

T=0.25hT=0.375hT=0 5h

0 0.2 0.4 0.80.60

1

2

3

4

5

6

Dep

th[m

]

Nondimen temperature[-]1

樋口彩子：温度成層型水蓄熱槽の CFD 解析 : ディフューザ吐出面のモデル化手法の検討、卒業論文Fluent12.0/12.1 ユーザーズガイド、第 26.17.5 節、ソルバー設定のチェック、p.26.2

227.41

Time [h]

Flow

late

[m/h

]

028.4356.85

227.41

0 1.0 2.0 3.04.0 5.0 6.0 7.0 8.0

3

(8 times the flow rate from the beginning)

028.4356.85

227.41

0 1.0 2.0 3.04.0 5.0 6.0 7.0 8.0

3Fl

ow la

te[m

/h]

Time [h]

(2 times the flow rate from the beginning)

028.4356.85

227.41

0 1.0 2.0 3.04.0 5.0 6.0 7.0 8.0

3

Time [h]

Flow

late

[m/h

]

(8 times the flow rate after one hour)

028.4356.85

227.41

0 1.0 2.0 3.04.0 5.0 6.0 7.0 8.0

3

Time [h]

Flow

late

[m/h

]

(2 times the flow rate after 1 hour)

028.4356.85

227.41

0 1.0 2.0 3.04.0 5.0 6.0 7.0 8.0

3Fl

ow la

te[m

/h]

Time [h]

(2 times the flow rate after 4 hour)

謝辞