임석영
(Lim Seok-Young)
1
장현재
(Chang Hyun-Jae)
2†
-
홍익대학교 건축공학과 대학원
(Graduate School of Mechanical Engineering, Chungnam National University, Daejeon,
34134, KoreaDepartment of Architectural Engineering, Graduate school, Hongik University,
Sejong, 30016, Korea)
-
홍익대학교 건축공학과
(School of Mechanical Engineering, Chungnam National University, Daejeon, 34134, KoreaDepartment
of Architectural Engineering, Hongik University, Sejong, 30016, Korea)
Copyright © 2016, Society of Air-Conditioning and Refrigeration Engineers of Korea
Key words
급·배기 일체형 디퓨저(Combined type diffuser of supply and exhaust), 폐열회수형 자연환기설비(Heat recovery type natural ventilator), 유효드래프트 온도(Effective draft temperature), 공기 확산 성능지표(ADPI), 공기령(Age of air)
기호설명
Θeff·cool：유효드래프트 온도-냉방조건 [m]
Θeff·heat：유효드래프트 온도-난방조건 [℃]
Tr：실 평균 온도 [℃]
Tp：측정점 온도 [℃]
Vx：측정점 풍속 [m/s]
keff：Θeff의 보정계수
Nt：실 전체의 측정점 개수
NS：실 측정점 중, Θeff의 쾌적범위를 만족하는측정점의 개수
PMV：평균 예상 온열감
k：난류운동에너지 [m2/s2]
ε：난류운동에너지 소산률 [m2/s3]
Vref：기준 풍속 [m/s]
TI：난류강도
Cμ：유량계수
L：특성길이 [m]
ADPI：공기 확산 성능 지표 [%]
：무차원 공기령 [-]
：배기구 평균 공기령 [s]
：국소 평균 공기령 [s]
ηt：현열 교환 효율 [%]
TOA：외기 온도 [℃]
TSA：급기 온도 [℃]
TRA：환기 온도 [℃]
SA：급기
OA：외기
1. 서론
폐열회수가 가능한 자연환기설비로서 저자 등은
Fig. 1(1)에 나타낸 바와 같은 환기설비를 개발하고 있으며, 이에 대한 상세한 내용은 선행 논문
(1)에서 소개하였다. 선행 연구
(1)에서는 개발 자연환기설비의 구성요소 중, 급·배기 일체형 디퓨저의 환기 및 온열환경 유지 성능 평가를 위해 ‘SPS-KARSE B 0008-170
: 2004’
(2)의 기준에 따른 실험공간을 대상으로 CFD(Computational fluid dynamics) 해석을 이용한 평가를 수행하였다.
Fig. 1. Conceptual diagram of natural ventilation system developing(Plan).(1)
본 연구에서는 급·배기 일체형 디퓨저의 환기 및 온열환경 유지 성능에 대해 실제 거주공간인 아파트를 대상으로 적용한 경우에 대해 검토한다.
관련 연구로서, Park
(3) 등은 기존 아파트를 대상으로 디퓨저 형태 및 급·배기구 위치에 따른 환기성능의 차이를 분석하였으며, Chang
(4) 등은 학교 교실에 설치된 천장 카세트형 냉·난방기의 취출각도가 변화가 실내 열환경 및 공기환경 개선에 미치는 영향에 대해 검토하였다. 또한, Chang
(5) 등은 아파트를 대상으로 하여 팬형 디퓨저와 창호형 환기장치의 취출각도에 따른 기류분포, 온도분포 및 환기효율을 CFD 시뮬레이션을 통해 비교·검토하였다.
2. 연구방법
급·배기 일체형 디퓨저의 환기 및 온열환경 유지 성능 평가를 위한 대상 실로서 84 m
2형 아파트의 안방을 선정하였으며(
Fig. 2 참조), 디퓨저의 풍량은 ‘건축물의 설비 기준 등에 관한 규칙’
(6)에 따라 0.5 ACH(본 대상공간에서는 16.7 CMH)로 산정하였다.
Fig. 2. Isometric plan of target room.
2.1 대상 실 선정
대상 실은 국내 아파트 크기 중 대표성이 있다고 판단되는 84 m
2형의 안방(파우더 룸 포함)을 선정하였다(
Fig. 2 참조).
2.2 검토 대상 디퓨저 및 천장 카세트형 에어컨
본 연구에서는 급·배기 일체형 디퓨저의 성능 평가에 대한 별도의 기준이 없기 때문에 기존에 많이 사용되는 팬(pan)형 디퓨저와 그 성능을 비교․평가
한다. 팬형 디퓨저는 급기와 배기의 역할이 분리되어있기 때문에, 각 실에는 급기와 배기를 위한 두 개 이상의 디퓨저가 설치된다. 팬형 및 급·배기
일체형 디퓨저의 평면 및 단면을
Fig. 3에 나타낸다.
급·배기 일체형 디퓨저는 급기 디퓨저와 배기 디퓨저가 일체로 구성되어 있으며(
Fig. 3(b) 참조), 외부풍의 방향이 바뀌게 되면 외부 급·배기 유닛의 역할이 바뀌게 되며, 이에 상응하여 급·배기 디퓨저도 그 역할이 바뀌게 된다.
Fig. 3. Diffuser’s plan and section.
여름철 냉방시에 대한 검토를 위해 천장 카세트형 에어컨을 설치하였다(정격냉방능력 : 2,000 W, 풍량 : 420 CMH).
3. CFD 시뮬레이션
3.1 CFD 시뮬레이션 개요
CFD 시뮬레이션을 위한 해석 영역 및 메쉬 분할을
Fig. 4에 나타낸다. 팬형 디퓨저의 경우는 대상 공간을 사면체 메쉬 442,000개로 구성하였으며, 급·배기 일체형 디퓨저는 대상공간을 육면체 메쉬 267,000개로
구성하였다. CFD 해석은 상용프로그램인 ‘ANSYS 14.5.7’의 ‘FLUENT’를 사용하였으며, 난류모델은 ‘Standard κ-ε’
(8) 모델을 이용하였다. CFD 시뮬레이션의 수렴 판정은 각 계산 스텝에서의 Residual을 기준으로 Continuity, X-Y- Z Velocity,
κ, ε은 1 X 10
-3, Energy는 1 X 10
-6 이하로 하였다.
Fig. 4. Computational domain of test room.
3.2 CFD 시뮬레이션 경계조건
시뮬레이션의 경계조건을
Table 1에 나타낸다. 외기온도는 ‘건축물의 에너지 절약 설계기준
(9)’에 따라 여름철 31.2℃, 겨울철 -11.3℃로 설정하였으며, 실내온도는 여름철 26℃, 겨울철 20℃로 설정하였다. 실내온도를 일정하게 유지하기
위해서, 여름철에는 에어컨의 급기온도를 조절하였으며, 겨울철에는 바닥면의 Heat flux를 조절하였다(
Table 1 참조).
여름철 일사에 의한 영향을 고려하기 위해서 외기에 면한 벽체는 상당 외기온도를 적용하였으며, 창에 의한 일사열 취득량은 베란다의 차양효과를 고려한
열량을 바닥면에 부여하였다. 겨울철의 일사에 의한 영향은 고려하지 않았다.
급·배기 일체형 디퓨저는
Fig. 4의 C지점에 설치하였으며, 디퓨저의 취출 방향이 실내(NW) 또는 벽측(SE)인 두 경우에 대해서 시뮬레이션을 진행하였다. 팬형 디퓨저는
Fig. 4의 A, B지점에 각각 취출구와 배기구를 설치하였다. 실의 안쪽인 A지점에는 급기 디퓨저를 설치하였으며, 출입구와 인접한 B지점에는 배기 디퓨저를
설치하였다. 에어컨은 D지점에 취출 및 환기구를 설치하였으며, 취출 방향은 실내(NE) 또는 창측(SW)으로 하였다. 디퓨저의 급기온도는 ‘고효율
에너지 기자재 보급 촉진에 관한 규정(제2006-29호)
(10)’의 현열교환효율에 따라 냉방 시 효율 60%를 고려한 28.1℃, 난방 시 효율 90%를 고려한 16.9℃로 산정하였다.
4. 결과 분석
4.1 냉방조건에서의 디퓨저 특성
4.1.1 팬형 디퓨저
냉방조건 하에서, 검토 대상 디퓨저의 기류, 온도 및 공기령 분포에 대한 CFD 해석 결과를 Fig. 5에 나타낸다.
Fig. 5(a),
Fig. 5(b)는 팬형 디퓨저에 대한 해석 결과이며,
Fig. 5(c)~
Fig. 5(f)는 급·배기 일체형 디퓨저에 대한 해석 결과이다.
Fig. 5의 (a)는 팬형 디퓨저가 설치된 실에 대해서, 에어컨의 취출 방향이 실내측(NE)인 경우에 대한 해석 결과이다. 에어컨의 풍량이 420 CMH로서,
디퓨저의 풍량 16.7 CMH에 비해서 매우 크기 때문에 실내 기류분포는 에어컨의 기류에 크게 영향을 받는다. 단면상에서, 실의 안쪽으로 취출된 에어컨
기류는 우측 벽면에 부딪힌 후, 벽면을 따라 바닥면으로 흐르며, 실 전체에 대해서 시계방향의 순환류를 형성한다. 바닥면으로부터의 높이 1.2 m의
평면상에서는 에어컨에서 취출된 기류가 전체적으로 시계방향으로 선회한다.
온도분포는 에어컨의 취출기류 방향을 따라 상대적으로 낮은 온도분포의 영역이 나타나며, 좌측의 유리창면과 바닥면 근처는 상대적으로 고온인 외기로 인한
관류열 부하와 일사부하(바닥면에 분포)의 영향으로 주변보다 높은 온도분포를 나타낸다. 우측의 26℃ 전후의 온도분포를 보이는 영역은 복잡한 기류의
영향과 함께, 북쪽에 위치한 파우더룸의 영향인 것으로 판단된다.
공기령 분포는 실내 각 지점에서의 국소평균 공기연령을 명목환기시간으로 무차원화하여 나타낸다. 팬형 디퓨저의 급기구에서 취출된 신선외기가 에어컨의 기류에
유인되어 실내로 확산되기 때문에 에어컨 취출구 근처에서는 0.9~1.0의 분포를 나타내며, 그 이외의 영역에서는 1.0 이상의 분포를 나타난다.
Fig. 5의 (b)는 팬형 디퓨저가 설치된 실에 대해서 에어컨의 취출방향이 창측(SW)인 경우에 대한 해석 결과이다. 실내 기류분포는 에어컨의 취출방향이 실내측(NE)인
경우와 마찬가지로 에어컨에 의해서 크게 영향을 받는다. 단면상에서, 창측을 향해 취출된 에어컨 기류는 좌측 벽면을 따라 바닥면을 향해 하강하면서 반시계방향의
순환류를 형성한다.
온도분포는 에어컨에서 취출된 냉기류가 흐르는 좌측의 유리창 근처와 실의 하부에서 상대적으로 낮은 온도의 영역이 나타난다.
공기령 분포는 실 전반에 걸쳐 0.9~1.0의 분포를 나타낸다.
Fig. 5. Vertical section and plan of CFD simulation results(cooling mode).
4.1.2 급·배기 일체형 디퓨저
Fig. 5의 (c)는 급·배기 일체형 디퓨저의 취출방향이 실내측(NW)으로 향하고, 에어컨의 취출 방향도 실내측(NE)인 경우이며,
Fig. 5의 (d)는 급·배기 일체형 디퓨저의 취출 방향이 벽측(SE), 에어컨의 취출 방향이 실내측(NE)인 경우에 대한 해석 결과이다. 두 경우의 기류분포는
풍량이 훨씬 큰 에어컨 취출기류의 영향이 지배적이기 때문에
Fig. 5의 (a)와 유사한 분포를 나타낸다. 온도 및 공기령 분포도 이와 유사한 분포를 나타낸다.
Fig. 5의 (e)는 급·배기 일체형 디퓨저의 취출 방향이 실내측(NW), 에어컨의 취출 방향이 창측(SW)인 경우이며,
Fig. 5의 (f)는 급·배기 일체형 디퓨저의 취출방향이 벽측(SE), 에어컨의 취출 방향이 창측(SW)인 경우에 대한 해석 결과이다. 두 경우에 대해서도
상기의 이유로 인해 기류분포, 온도분포 및 공기령 분포는
Fig. 5의 (b)와 유사한 경향을 나타낸다.
4.2 난방조건에서의 디퓨저 특성
4.2.1 팬형 디퓨저
난방조건 하에서, 검토 대상 디퓨저의 기류, 온도 및 공기령 분포에 대한 CFD 해석 결과를
Fig. 6에 나타낸다.
Fig. 6의 (a)는 팬형 디퓨저에 대한 해석 결과이며, 난방시에도 환기장치와 연결된 디퓨저의 풍량이 적기 때문에 실내 기류분포는 온도차에 의한 부력의 영향을
크게 받는다. 단면상의 기류분포는 좌측의 유리창 면에서 하강기류가 형성되어 바닥면을 따라 우측으로 흐르며, 바닥난방에 의해 가열된 기류는 부력의 영향으로
인해 실의 우측에서 상승한다. 바닥면으로부터의 높이 1.2 m의 평면상에서는 반시계 방향의 순환류가 형성된다.
온도분포는 좌측의 유리창면과 인접한 영역에서 19~ 20℃, 우측 영역에서는 20~21℃의 분포를 나타낸다.
공기령 분포는 기류분포의 특성을 잘 반영하여 실의 하부에서는 0.9~1.0의 분포를 나타낸다.
Fig. 6. Vertical section and plan of CFD simulation results(heating mode).
4.2.2 급·배기 일체형 디퓨저
Fig. 6의 (b)는 급·배기 일체형 디퓨저의 취출방향이 실내측(NW)인 경우에 대한 해석 결과이다. 기류분포 및 온도분포는
Fig. 6의 (a)와 유사한 분포를 나타낸다.
공기령 분포는 실 전반에 걸쳐 1.0~1.1의 분포를 나타낸다.
Fig. 6의 (c)는 급·배기 일체형 디퓨저의 취출방향이 벽측(SE)인 경우에 대한 해석 결과이다. 단면상에서의 기류분포는
Fig. 6의 (a)와 유사한 분포를 나타내나, 바닥면으로부터의 높이 1.2 m의 평면상에서는 시계방향의 순환류가 형성된다.
온도분포는 급․배기 일체형 디퓨저의 취출방향이 실내측인 경우(
Fig. 6(b))에 비해서 19~20℃의 영역이 다소 축소된다.
공기령 분포는 실 전반에 걸쳐 1.0~1.1의 분포를 나타낸다.
4.3 유효드래프트온도 분포 및 ADPI
4.3.1 유효드래프트온도 분포
Fig. 7은 냉·난방 조건에 대한 유효드래프트온도 분포를 나타낸다.
Table 1은 각각의 검토 케이스에 대한 거주역(h ≤ 1.5 m)에서의 ADPI를 나타낸다.
냉방조건의 경우, 유효드래프트온도 분포는 에어컨의 취출방향이 실내측(NE)인 (a), (c), (d)와 창측(SW)인(b), (e), (f)에 따라
두 가지 양상을 나타낸다.
에어컨의 취출방향이 실내측(NE)인 경우, 단면상에서는 기류 및 온도분포의 특성이 반영되어, 에어컨 취출기류가 도달하는 영역에서 쾌적범위 하한치인
‘-1.7 ℃’를 벗어나는 분포가 나타난다. 또한 외기와 직접 면한 좌측의 유리창면과 일사에 의한 부하가 반영된 바닥면에서 쾌적범위 상한치인 ‘1.1℃’를
벗어나는 영역이 나타난다. 바닥면으로부터의 높이 1.2 m인 평면상에서는 외기와 면하는 좌측의 유리창면과 위쪽에 면한 벽체 근처에서는 여름철 고온의
외기로 인한 관류열 부하의 영향으로 쾌적범위 상한치인 ‘1.1℃’를 벗어나는 좁은 영역이 나타난다. 실의 우측 위쪽면 근처에서는 파우더룸에서 형성된
와류로 인해서 공기온도가 상승하기 때문에, 쾌적범위의 상한치인 ‘1.1℃’를 벗어나는 영역이 나타난다.
에어컨의 취출방향이 창측(SW)인 경우, 단면상에서는 앞에서 기술한 기류 및 온도분포의 특성에 따라 좌측 유리창면 근처에서 쾌적범위의 하한치인 ‘-1.7℃’를
벗어나는 영역이 나타난다. 바닥면으로부터의 높이 1.2 m인 평면상에서는 좌측의 유리창면에서 에어컨의 취출기류로 인하여 쾌적범위의 하한치인 ‘-1.7℃’를
벗어나는 영역이 나타나며, 위쪽의 벽면 근처 및 파우더룸에서는 고온의 외기로 인한 관류열 부하 및 와류의 형성으로 인하여 쾌적범위의 상한치인 ‘1.1℃’를
벗어나는 영역이 나타난다.
난방조건의 경우, 디퓨저의 종류에 상관없이 전체적으로 유효드래프트온도의 쾌적범위를 만족한다. 단면상에서는 창문이 있는 좌측 벽면에서 유효드래프트온도의
쾌적범위 하한치인 ‘-2.2℃’를 벗어나는 좁은 영역이 나타나며, 바닥면 근처에서는 바닥난방에 의해 쾌적범위 상한치인 ‘2.0℃’를 벗어나는 영역이
좁게 나타난다. 바닥면으로부터의 높이 1.2 m인 평면상에서는 좌측의 유리창면에서 유효드래프트온도의 쾌적범위 하한치인 ‘-2.2℃’를 벗어나는 좁은
영역이 나타난다.
Fig. 7. Vertical section and plan of effective draft temperature.
Table 1. Boundary conditions for CFD simulation of room.
|
Cooling or heating mode
|
Diffuser type
|
Location (Fig. 6)
|
Supply direction (bearing)
|
ADPI† [%]
|
Temperature [℃]
|
Heat flux [W/m2]
|
Heat transfer coefficient [W/m2]
|
|
Air-con.
|
Diffuser
|
Task zone (h≤1.5m)
|
SA (Air-con.)
|
Room avg.
|
OA
|
Floor
|
Wall (NW)
|
Wall (SW)
|
Window
|
|
Cooling
|
Pan type
|
A, B
|
NE
|
-
|
82.8
|
24.5
|
26
|
31.2
|
9.35
|
0.21
|
0.3
|
1.2
|
|
SW
|
-
|
87.4
|
24.8
|
|
Combined type
|
C
|
NE
|
NW
|
85.9
|
24.7
|
|
SE
|
86.0
|
24.5
|
|
SW
|
NW
|
90.9
|
24.8
|
|
SE
|
88.2
|
23.7
|
|
Heating
|
Pan type
|
A, B
|
NE
|
-
|
96.3
|
-
|
20
|
-11.3
|
11.8
|
0.21
|
0.3
|
1.2
|
|
Combined type
|
C
|
SW
|
NW
|
97.8
|
-
|
20
|
-11.3
|
12
|
|
SE
|
97.8
|
-
|
20
|
-11.3
|
12.6
|
†The value is the results of CFD simulation.
4.3.2 ADPI
Table 1에 디퓨저의 종류별, 에어컨 및 디퓨저의 기류 취출 방향별의 ADPI를 나타낸다.
냉방조건하에서는, 에어컨의 취출 방향이 실내측(NE)인 경우는 기존의 팬형 디퓨저가 적용된 경우에 대해 ADPI가 82.8%를 나타내며, 디퓨저의
취출방향이 실내측(NW)인 경우는 85.9%, 그리고 벽측(SE)인 경우는 86.0%로서 급·배기 일체형 디퓨저의 경우가 팬형 디퓨저에 비해 더 높은
값을 나타낸다. 또한, 에어컨의 취출방향이 창측 (SW)인 경우는, 기존의 팬형 디퓨저가 87.4%를 나타내며, 디퓨저의 취출방향이 실내측(NW)인
경우는 90.9%, 벽측(SE)인 경우는 88.2%로서 역시 급·배기 일체형 디퓨저의 경우가 더 높은 값을 나타낸다.
난방조건하에서는, 팬형 디퓨저의 경우가 96.3%, 급·배기 일체형 디퓨저의 경우는 취출방향에 상관없이 97.8% 로서 급·배기 일체형 디퓨저가 1.5%
더 높은 ADPI를 나타낸다.
5. 결 론
본 연구에서는 저자 등이 개발한 급․배기 일체형 디퓨저를 거주공간인 아파트에 적용한 경우를 대상으로 기류, 온도, 공기령, 유효드래프트온도의 분포
및 ADPI에 대해 기존의 팬형 디퓨저와 비교·검토하였다. 냉방시의 경우는, 에어컨의 풍량이 급․배기 일체형 디퓨저의 풍량에 비해 훨씬 크기 때문에
에어컨의 기류에 의한 영향이 실내 환기 및 온열환경 형성에 지배적이었으며, 난방시는 유리창 근처와 바닥 난방면 근처에서의 부력에 의한 영향이 크게
나타났다. 냉방시와 난방시의 기류, 온도 및 공기령 분포의 특성에서는 팬형 디퓨저와 급·배기 일체형 디퓨저간에 큰 차이를 나타내지 않았다.
온열환경지표인 ADPI를 이용한 온열환경의 평가에서는 냉방시와 난방시 모두 급·배기 일체형 디퓨저의 경우가 기존의 팬형 디퓨저에 비해 더 높은 ADPI
값을 나타내었다.
후 기
이 논문은 2012년 정부(교육과학기술부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(과제번호 : 2012R1A1A2003647).
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