2.1 디퓨저 성능시험 기준

디퓨저의 성능시험에 필요한 해석 영역의 사이즈는 ‘SPS-KARSE B 0008-170：2004’(7)에 따라서 식(1)을 만족하도록 선정한다.

식(1)의 H r 은 2.8 m 이상이 요구된다. 실험실의 길이는 디퓨저에서 취출된 취출기류의 방향과 평행한 방향으로서, 7.5 m 이상이 요구된다. 따라서 식(1)에 의해서 산정된 해석 영역의 최소 사이즈는 너비 5.6 m, 길이 7.5 m, 높이 2.8 m이며, 본 연구에서는 충분한 해석공간을 확보 위해서 너비 8 m, 길이 8 m, 높이 3 m로 선정하였다(Fig. 7 참조).

2.2 공기령(Age of Air)

공기령은 실내에 유입된 신선외기가 실내 체류시간이 길어질수록 내부 오염물질과 혼합되어 오염 농도가 상승한다는 개념에 입각한 것으로서, 본 연구에서는 식(2)와 같이 실내 각 지점의 평균 공기령( $\overline{{\tau }_p}$)을 배기구에서의 평균 공기령( $\overline{{\tau }_e}$)으로 무차원화 함으로써 공기령 분포( $\overline{{\tau }_{}}$)를 나타낸다.

2.3 디퓨저의 온열환경 유지 성능

본 연구에서는 디퓨저의 온열환경 유지성능(9)에 대한 평가 지표로서 유효드래프트 온도와 ADPI를 이용한다.

유효드래프트 온도( ${\theta }_{eff·cool}$) 및 ADPI는 각각 식(3)과 식(4)와 같이 나타낼 수 있다.

유효드래프트 온도( ${\theta }_{eff·cool}$)는 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 ‘-1.7℃ < ${\theta }_{eff·cool}$ < 1.1℃’의 범위에 해당하고 $V_x$가 0.35m/s이하일 때, 해당 측정점의 온열환경이 쾌적범위를 만족한다고 판단한다.

ADPI는 실내 전체의 측정점 수( $N_t$)에 대해서 유효드래프트 온도가 쾌적하다고 판단된 측정점의 수( $N_s$)의 비율을 백분율로 나타낸다.

유효드래프트 온도( ${\theta }_{eff·cool}$) 및 ADPI는 냉방조건하에서 적용하기 위해 개발된 지표로서, 난방조건하에서 적용하기 위해서는 추가적인 고려가 필요하다. Shichao et al.(5)은 냉방조건에 대한 유효드래프트 온도와 PMV의 관계를 검토하고 이를 바탕으로 하여 난방조건하에서 적용 가능한 유효드래프트 온도의 관계식을 유도하였다.

Fig. 2. Effective draft temperature in cooling mode.(5)

Fig. 3. PMV(-0.5~0.5) with effective draft temperature in cooling mode.(5)

냉방조건시의 유효드래프트 온도( ${\theta }_{eff·cool}$)의 쾌적범위 중, 온열감각이 중립을 나타내는 ‘ ${\theta }_{eff·cool}$’(Fig. 2 참조)와 PMV의 온열감각이 중립을 나타내는 ‘PMV = 0’¹⁾ 인 경우를 기준으로, 두 지표간의 관련성을 분석하면 Fig. 3과 같이 유효드래프트 온도의 쾌적범위가 PMV의 쾌적범위(PMV = -0.5~+0.5)와 매우 유사한 범위를 나타낸다. 동일한 방법으로 난방조건하에서 적용 가능한 유효드래프트 온도( ${\theta }_{eff·heat}$)를 산정하기 위해서, PMV의 쾌적범위(PMV = -0.5~+0.5,²⁾ (Fig. 4 참조)를 바탕으로 유효드래프트 온도의 쾌적범위가 같도록 하기 위한 관계식을 유도할 수 있다. 난방조건하에서 유효드래프트 온도( ${\theta }_{eff·heat}$)의 식은 식(3)으로부터 식(5)와 같이 나타낼 수 있다.

Fig. 4. PMV(-0.5~0.5) with effective draft temperature in heating mode.

Fig. 5. Effective draft temperature in heating mode.

식(5)의 는 난방조건시의 유효드래프트 온도( ${\theta }_{eff·heat}$)의 구성 요소인 온도와 기류속도 중, 기류속도가 온열환경의 쾌적범위에 미치는 영향을 나타내는 것으로서, ‘ $k_{eff}$= 9.1’(5)일 때, Figure 4의 PMV 쾌적범위와 의 쾌적범위가 가장 유사한 범위를 나타낸다.

따라서 난방조건하에서 유효드래프트 온도( ${\theta }_{eff·heat}$) 의 쾌적범위는 Figure 5에 나타낸 바와 같은 ‘V_x< 0.35 $m/s$’, ‘–2.2℃ < ${\theta }_{eff·heat}$ < 2.0℃’이 된다.

2.4 검토 대상 디퓨저

본 연구에서 개발한 디퓨저는 급·배기 일체형 디퓨저로서, 급기 디퓨저와 배기 디퓨저가 서로 인접하는 구조로 되어 있다(Fig. 6(c) 참조). 하나의 몸체 안에 서로 분리된 급·배기 챔버를 갖고 있으며, 각각의 챔버는 폐열 회수형 자연환기설비의 급·배기구와 연결된다. 따라서 폐열 회수형 자연환기설비의 외부 급·배기 유닛이 외부풍의 풍향이 바뀜에 따라 급기구와 배기구의 역할이 전환될 때, 실내의 급·배기 디퓨저도 이에 상응하여 급기구와 배기구의 역할을 전환할 수 있는 구조로 되어있다.

Fig. 6. Diffuser’s plan and section.

본 연구에서 개발한 디퓨저의 성능을 비교·분석하기 위해 기존의 아네모스탯형 사각디퓨저 및 기존의 특허품인 ‘일체형 급·배기 공급장치를 갖는 공기조화시스템’(13)의 급·배기 일체형 장치에 대한 성능도 함께 검토하였다. 검토 대상 디퓨저의 평면 및 단면을 Figure 6에 나타낸다. Figure 6(a)는 기존의 아네모스탯형 사각디퓨저, Figure 6(b)는 기존 특허의 급·배기 일체형 장치이며 이들은 급·배기구의 역할 전환을 전제로 개발되지는 않았다.

‘KS B 6386：2011’(8)을 기준으로 하여 아네모스탯형 사각디퓨저는 크기가 300 mm×300 mm이며, 허용풍량인 195 CMH~295 CMH의 중간 값인 250 CMH를 급기 및 배기 풍량으로 선정하였다.

본 연구의 개발 디퓨저와 기존의 급·배기 일체형 장치의 경우, 일반적인 형태의 디퓨저가 아니기 때문에 사이즈 및 풍량과 관련된 기준이 마련되어 있지 않다. 따라서 아네모스탯형 디퓨저에 대해서 선정한 사이즈와 풍량을 기준으로 평균 취출 풍속을 산정한 후, 해당 풍속을 개발 디퓨저 및 기존의 급·배기 일체형 장치에 동일하게 적용하고 ‘KS B 6386：2011’(8)에 따른 250 CMH의 풍량을 갖도록 취출구의 면적을 조정하여 모든 검토 대상 디퓨저가 동일조건하에서 비교·검토 되도록 하였다. 각 디퓨저의 급·배기구 면적 및 취출각도를 Table 1에 나타낸다.

4.1 냉방조건에서의 디퓨저 특성

4.1.1 아네모스탯형 디퓨저

검토 대상 디퓨저에 대한 냉방시와 난방시의 기류분포, 온도분포, 유효드래프트 온도분포, 공기령분포에 대한 CFD 해석 결과를 Figure 8과 Figure 9에 나타낸다.

Figure 8(a)는 냉방조건하에서의 아네모스탯형 디퓨저의 해석결과로서, 천장면에 대해 45° 방향으로 취출된 기류는 바닥면까지 도달하고, 취출기류의 우측에서는 반시계 방향의 순환류가 발생한다. 바닥높이 ‘+1.2 m’의 평면상에서, 디퓨저 상부에서는 시계방향의 순환류가 발생하고, 디퓨저 하부에서는 반시계방향의 순환류가 발생한다.

급기 디퓨저에서 취출된 냉각기류(15℃)에 의해 실의 중앙하부와 좌측에서는 26℃ 미만의 온도분포를 나타내며, 배기 디퓨저가 설치된 실의 우측은 26℃ 이상의 온도분포를 나타낸다. 우측 벽면 근처에서는 28℃이상의 상대적으로 고온인 온도분포를 나타낸다.

실의 좌측 천장에 설치된 급기 디퓨저의 취출구 영역에서 유효드래프트 온도의 쾌적범위에 대한 하한치 ‘-1.7℃’보다 낮은 영역이 ‘八’자 모양으로 나타난다. 이는 취출기류의 온도가 15℃로서 주위 공기에 비해 상대적으로 낮기 때문인 것으로 사료된다. 이에 비해 배기 디퓨저의 하부에 해당하는 실의 우측 영역은 쾌적범위의 상한치인 ‘+1.1℃’ 범위를 상회하고 있다.

공기령 분포는 급기 디퓨저의 하부와 실 우측의 상부에서 ‘1.0’ 이상의 분포를 나타내며, 나머지 영역에서는 ‘1.0’ 미만의 분포를 나타낸다.

Fig. 8. Vertical section and plan of CFD simulation results(cooling mode).

4.2 난방조건에서의 디퓨저 특성

4.2.3 개발 급·배기 일체형 디퓨저

Figure 9(d)는 본 연구를 통해 개발한 급·배기 일체형 디퓨저의 난방조건하에서의 해석 결과를 나타낸다.

Fig. 9. Vertical section and plan of CFD simulation results(heating mode).

기류분포는 수직단면상에서는 냉방조건과 비교해 보았을 때 큰 차이를 나타내지 않지만, 평면상에서는 취출기류의 상하 부분에 발생하는 선회류의 반경이 냉방조건시에 비해 크게 형성되는 특징을 나타낸다.

온도분포는 실의 우측에서 20℃ 이상의 온도분포를 나타내며, 실의 좌측에서는 18℃~20℃의 온도분포를 나타낸다.

유효드래프트 온도분포는 전체적으로 쾌적범위를 만족한다.

공기령 분포는 냉방시와 유사하나, 취출기류(25℃) 의 부력에 의한 영향으로 냉방조건에 비해 ‘0.6~0.8’의 영역이 실의 우측 상부 방향으로 확대되며, 실의 좌측 벽면 근처에서는 ‘1.2’를 초과하는 영역이 나타난다.

4.3 ADPI

4.3.1 냉방조건에서의 높이에 따른 ADPI 분포

Figure 10(a)는 냉방조건하에서의 높이에 따른 ADPI 분포를 나타낸다. 아네모스탯형 디퓨저는 실의 하단으로부터 높이 1.5 m지점까지는 75% 이상의 분포를 나타내나, 높이 1.5 m를 초과하는 지점부터 ADPI가 급격히 감소하는 경향을 보인다.

Fig. 10. ADPI Distribution according to height.

기존 급·배기 일체형 장치의 측면급기/중앙배기의 경우는 실의 하단으로부터 높이 0.5 m까지는 ADPI가 급격히 변화하며, 높이 1.5 m까지는 55% 이상의 ADPI를 나타내나, 그 이상의 높이에서는 높이가 높아질수록 ADPI가 감소하는 경향을 나타낸다.

기존 급·배기 일체형 장치의 중앙급기/측면배기의 경우는 실의 하단으로부터 높이 1.0 m지점까지는 90%내외의 ADPI를 나타내나, 그 이상의 높이에서는 ADPI가 급격히 감소하는 경향을 나타낸다.

본 연구에서 개발한 급·배기 일체형 디퓨저는 높이 1.5 m지점까지는 50% 전후의 ADPI 분포를 나타내며, 높이 1.5 m를 초과하면 ADPI가 증가하는 경향을 나타낸다.

4.3.2 난방조건에서의 높이에 따른 ADPI 분포

Figure 10(b)는 난방조건시의 높이에 따른 ADPI를 나타낸다.

아네모스탯형 디퓨저, 기존 급·배기 일체형 장치(측면급기/중앙배기), 개발 급·배기 일체형 디퓨저는 높이에 상관없이 100%에 가까운 ADPI를 나타낸다.

기존 급·배기 일체형 장치의 중앙급기/측면배기의 경우는 바닥면 근처에서 약 50%의 ADPI를 나타내며, 높이가 증가함에 따라 ADPI가 증가하는 경향을 나타낸다.