2.1 대상 설비

주방용 레인지후드의 대상 공간은 지난 연구(7)와 배기 성능을 비교하기 위하여 국내 중소형 공동주택의 주방 식당을 대상으로 하였으며, 주방의 공간은 폭 3 m, 깊이 3 m, 높이 2.3 m로 같이 설정하였다. 그 실의 삼면은 막힌 벽체로 가정하고 한 면은 상부와 측면에 200 mm 크기의 벽체가 있는 개방된 면으로 설정하여 배기에 필요한 추가 공기가 유입될 수 있도록 하였다. 실의 한쪽 면에는 가스대와 주방가구를 배치한 상태로 하였으며, 가스대와 레인지후드는 한쪽 벽 중앙에 설치하고, 가스대의 높이는 850 mm, 가스대 윗면에서 렌지 후드 하부까지는 750 mm이다. 주방 배기용 렌지 후드는 폭 600 mm인 범용적인 것을 기준으로 하였다. 가스대의 전면 하부에는 Fig. 1과 같이 100 mm 돌출된 챔버 윗면에 폭 60 mm, 길이 600 mm의 급기 슬롯을 설치하고 상부로 공기가 공급되도록 하였다. 가스대 위에는 발생된 오염물질을 제거하기 위하여 레인지 후드를 설치하고 후드 하부 면에 가로 400 mm, 세로 250 mm의 배기그릴을 통하여 배기하도록 하였다. 가스대에서는 4.2 kW인 대형 가스레인지 2구, 1.2 kW인 소형 가스레인지 1구를 이용하는 경우로 하였다.

2.2 해석 모델

주방에서의 배기 성능은 여러 가지 조건으로 인하여 달라진다. 배기 성능을 해석하기 위하여 선행 연구에서 가스대 상부에서 토출하는 공기를 이용한 에어커튼 방식에서 배기 성능이 우수한 경우인 토출풍량 380 m³/h인 경우를 기준으로 하였다. 가스대 하부의 급기슬롯의 토출풍속은 table 1과 같이 슬롯에서 토출 공기가 없는 경우와 레인지후드 배기 풍량의 20%에서 80%까지 8가지인 경우로 토출 풍속을 바꾸어 해석하였다. 이때 슬롯에서의 토출 풍속은 0.586 m/s에서 2.35 m/s까지의 범위를 가지고 있다.

그리고 조리대에서 발생되는 입자상 오염물질이 레인지후드의 배기그릴을 통하여 제거되는 성능을 확인하기 위하여 가스레인지 위의 가열 팬에서 1,100개의 미세 입자가 발생되는 것으로 하였다. 이때 레인지 후드를 통하여 입자상 오염물질의 배출성능은 식(1)과 같이 포집효율 ε_c로 나타내었다.(9)

위 식에서 N_e는 위 렌지후드를 통하여 나가는 오염물질의 입자 수이고, N_g는 아래 조리대에서 발생되는 오염물질의 입자 수이다.

배출성능을 해석하기 위하여 3차원 수치해석 방법으로 약 270만 개의 셀로 이루어진 비정렬 격자를 이용하였고, 레인지후드의 슬롯 주위와 가스레인지 주위, 그리고 배기구 주변은 유동 상태를 세밀하게 해석하기 위하여 조밀한 격자로 구성하였다. 수치해석은 정상상태로 계산하였으며, k-ε 난류모델을 사용하고, 급기슬롯의 난류강도는 0.05로 하였다.

레인지후드가 설치된 공간에서 유동현상과 설치 후의 성능을 해석하기 위한 지배방정식은 식(2)∼식(4)와 같은 연속방정식, 운동량방정식, 에너지방정식이다.

위 식에서 u_i는 속도성분, p는 압력, T는 온도, S_M은 운동량 생성항, S_E는 에너지 생성항이다.

조리대 아래에 설치되어 있는 급기슬롯은 위 방향으로 공급되는 에어커튼을 형성한다. 이 에어커튼의 성능에 관한 기본 개념은 Hayes와 Stoecker가 하향식 에어커튼을 설계하기 위하여 제안한 토출공기의 속도에 관하여 아래의 식(5)와 같다.(10) 이 식은 에어커튼 양쪽의 온도차로 인하여 발생하는 연돌효과에 대하여 가로지르는 힘인 에어커튼의 토출공기 운동량의 비를 나타낸 휨계수 D_M으로 나타내었다. 이 식을 통하여 개략적인 에어커튼의 최소 토출속도를 유추할 수 있으며 대략 3.5 m/s이다. 그러나 이 속도는 가스대 전면에서의 속도로는 너무 높은 편으로 2 m/s 이내가 적정하다.

여기서 u_o는 에어커튼의 토출속도[m/s], H는 에어커튼의 공기 출구높이[m], T_o는 슬롯 출구 온도[K]이다. 여기서 에어커튼 슬롯의 제트 모멘텀이 최소 휨계수로부터 구해진 최소 모멘텀보다 커야 에어커튼이 안정된 기능을 발휘하며, 이 모멘텀보다 작은 경우에는 중간에서 휘어짐으로 인하여 에어커튼의 차단 기능을 상실하게 된다.

3.1 에어커튼의 차단 효과

가스대 상부에 설치된 레인지후드를 통하여 배기하는 경우 가스대 하부 전면에 설치된 슬롯에서 수직방향으로 보급 공기를 분출되도록 하여 Fig. 3과 같이 조리대 전면에 에어커튼을 형성하고 레인지후드로 유입되는 주위 공기의 유동면적을 작게 하여 후드의 면속도를 높여 줌으로 배출 오염물질의 확산을 줄이고자 하였다. 이때 슬롯에서 토출되는 공기속도와 방향에 따라 에어커튼의 형상과 도달거리가 다르게 되므로 차단 효과에 변화를 가져 온다.

Fig. 3은 Case 1-g인 경우로 레인지후드에서 배기되는 공기량의 20%만을 슬롯에서 공급하고 나머지는 주방의 전면 외부에서 자연 급기되는 것으로 하였을 때의 속도벡터선도로 에어커튼이 상부 전면으로 미약하게 형성되는 것을 볼 수 있다.

이때 조리기구에서 나오는 고온의 유동 공기로 인하여 슬롯에서 나온 토출공기의 에어커튼이 후드 바깥쪽으로 휘어지는 현상이 일어나 후드의 면속도를 높이는 역할이 낮아지고, 조리대에서 발생되는 오염물질이 외부로 빠져나가는 현상을 크게 방지하지 못함을 알 수 있다.

이에 따라 에어커튼의 차단 효과가 그다지 높지는 않지만 하부에 돌출되어 있는 슬롯 주위의 공기 유동으로 인하여 후드의 면속도를 약간 빠르게 할 수 있는 것으로 나타나 오염물질의 확산을 어느 정도 줄이는데 역할을 하는 것으로 보인다.

Fig. 4는 Case 1-d 경우로 레인지후드에서 배출되는 공기량의 50%를 슬롯에서 공급하고 나머지 50%는 주방의 전면 외부에서 공급되는 것으로 하였을 때 속도벡터선도이다. 이는 Fig. 3의 경우보다 슬롯의 토출속도가 2.5배 정도 빠른 경우이다. 이때 전면부에 형성되는 에어커튼 형상이 Fig. 3의 경우보다 수직방향으로 또렷하게 형성되어 에어커튼의 효과를 발생시키고 기류가 레인지 후드가 있는 상부에서 배기구 방향으로 회절되어 조리대에서 발생되는 오염물질이 밖으로 확산되는 것을 줄여 주는 것으로 보인다.

Fig. 5는 Case 2-d인 경우로 토출공기의 조건은 Case 1-d인 경우와 같으나 슬롯에서의 공기 토출 방향이 전면으로 10도 향했을 때이다. 슬롯 전면에서 형성되는 에어커튼이 1-d인 경우보다 바깥쪽으로 형성되면서 레인지후드 전면과 토출공기에 의하여 형성되는 에어커튼이 사이의 간격이 벌어져 후드의 면속도를 형성하는 면적이 커져 레인지후드의 면속도가 낮아지므로 Fig. 4인 경우보다 포집효율이 약간 낮아졌다. 이에 따라 후드의 오염물질 차단 효과는 Case 1의 경우보다 약간 낮아지는 것을 알 수 있다.

각 슬롯의 토출공기 속도에 의하여 나타나는 에어커튼의 형성 상태에 따라 에어커튼으로 인한 차단 성능이 다르게 나타나므로 이를 알기 위하여 유선을 따라 슬롯 출구에서의 거리를 슬롯의 폭으로 나누어 무차원수로 나타낸 선도를 Fig. 6에 나타내었다.

슬롯의 공기 토출 속도가 0.59 m/s로 가장 낮은 Case 1-g인 경우 에어커튼은 레인지 후드 바깥 방향으로 형성되어 역할이 낮아지는 것을 볼 수 있으며, 토출 속도가 1.17 m/s로 Case 1-e인 경우에는 에어커튼이 레인지 후드 안쪽 방향으로 휘어지면서 흡입되고 후드의 면속도를 낮추게 되므로 오염물질이 앞의 경우보다는 개선되는 것을 볼 수 있다. 토출 속도가 1.75 m/s로 Case 1-c인 경우에는 확연하게 에어커튼이 레인지 후드 안쪽 방향으로 또렷하게 형성되어 차단성능을 향상시키는 것을 볼 수 있다. 토출 속도가 2.35 m/s로 후드에서 배기되는 필요 공기를 슬롯에서 전부 공급하는 Case 1-a인 경우에는 에어커튼을 형성하는 공기의 운동량이 높아 레인지 후드의 흡입 영향을 적게 받아 레인지후드 위 방향으로 직선적으로 형성되므로 차단 효과는 오히려 떨어지는 것을 볼 수 있다. 이와 같이 에어커튼의 유동 상태는 슬롯에서의 토출속도에 따른 운동량의 변화와 레인지 후드에서 흡입되는 유동 공기의 조건에 따라 에어커튼의 형성이 다르게 일어나는 것을 알 수 있다.

3.2 발생 물질의 차단 성능

아래 쪽 슬롯에서 토출되는 공급 풍량을 에어커튼으로 형성하여 조리대에서 발생되는 오염물질이 조리대 외부로 확산되지 않고 레인지후드를 통하여 배출되도록 성능을 개선하고자 하는 경우 슬롯의 공급풍량에 따라 나타나는 포집효율을 Fig. 7에서 나타내었다. 선도에서와 같이 슬롯에서의 토출풍량이 없는 경우 조리대에서 발생되는 오염물질의 49%는 레인지후드를 통하여 제거된다. 하지만 나머지 51%는 실내로 확산되어 실내공기를 오염시켜 실내 공기질을 나쁘게 한다. 이 경우에도 조리대 하부에 설치된 급기슬롯의 돌출부로 인하여 돌출부가 없는 경우보다 레인지후드의 포집효율이 약간 개선되는 것을 선행 연구(7)와 비교하여 보았을 때 알 수 있었다. Case 1인 경우 슬롯을 통하여 공급되는 풍량을 레인지 후드 배기 풍량의 20~80%로 10%씩 증가시켜 슬롯의 토출공기 속도를 증가시켰을 때 포집 성능을 비교하여 보면 50%까지 증가시킬 때 포집성능이 97% 정도까지 향상되어 크게 개선되는 것을 볼 수 있다. 토출 공기의 양을 더 증가시켜 60%를 넘게 되면 오히려 포집성능이 점차 낮아지는 것을 볼 수 있다. 결과적으로 Case 1의 경우 에어커튼의 형성으로 인한 포집성능이 2배 정도 개선되는 것을 선도를 통하여 실내 공기질 개선에 효과가 있음을 알 수 있다.

Case 2인 경우 슬롯의 토출 각도를 전면으로 10도 방향으로 기울였을 때 레인지 후드의 포집 성능은 공급 풍량이 점차 늘어남에 따라 증가하여 60%에서 가장 높게 나타났으며 수직 방향으로 토출하는 Case 1의 경우 보다 전 영역에서 낮은 성능으로 나타났다.

그러므로 슬롯에서의 토출방향은 전면으로 기울이는 것 보다 수직방향으로 하는 것이 포집효율 개선에 더 좋은 것을 알 수 있다. 아울러 에어커튼을 아래에서 위로 형성하는 것이 위에서 아래 방향으로 하는 것 보다 포집효율 개선에 더 효과적인 것을 선행 연구(8)와 비교하여 보았을 때 알 수 있다. 이와 같이 슬롯을 통하여 공급되는 공기의 풍량이 배기 풍량에 대한 비율에 따라 변화할 때 슬롯에서의 토출속도가 달라지고 그에 따라 형성되는 에어커튼의 형태가 변화하므로 오염물질의 포집효율이 달라지는 것으로 보여 진다. 이때 토출기류의 속도가 너무 빠르면 오염물질의 일부가 외부로 유도되는 기류형태가 일어나 포집효율이 낮아지고, 적절한 토출속도인 경우에는 토출기류가 어느 구간을 지나면 속도가 감소하여 오염물질과 같이 배기구로 회절하여 포집효율이 높아지는 것을 볼 수 있으며, 토출속도가 너무 낮은 경우에는 가스레인지의 상승기류에 의한 에어커튼의 차단효과가 감소하여 포집효율이 낮아지는 것을 알 수 있다.