이대영
(Dae-Young Lee)
1†
김사량
(Sa Ryang Kim)
2
김현정
(Hyun-Jung Kim)
3
김동선
(Dong-Seon Kim)
4
박준석
(Jun-Seok Park)
5
임병찬
(Pyeong Chan Ihm)
6
-
한국과학기술연구원 도시에너지연구단
(Center for Urban Energy Research, Korea Institute of Science & Technology, Seoul, 02792, Korea)
-
강릉원주대학교 기계자동차공학부
(School of Mechanical and Automotive Engineering, Gangneung-Wonju National University,
Wonju, 25457, Korea)
-
아주대학교 기계공학과
(Department of Mechanical Engineering, Ajou University, Suwon, 16499, Korea)
-
한국교통대학교 기계공학과
(Department of Mechanical Engineering, Korea National University of Transportation,
Chungju, 27469, Korea)
-
한양대학교 건축공학과
(Department of Architecture Engineering, Hanyang University, Seoul, 04763, Korea)
-
동아대학교 건축공학과
(Department of Architecture Engineering, Dong-A University, Busan, 49315, Korea)
Copyright © 2016, Society of Air-Conditioning and Refrigeration Engineers of Korea
Key words
축열(Thermal storage), 상변화 물질(PCM), 판형 열교환기(Plate heat exchanger), 제습(Dehumidification), 지열시스템(Geothermal system), 지중열교환기(Geothermal heat exchanger), 단열(Insulation), 조명(Lighting), 지역냉난방(District heating and cooling), 연돌효과(Stack effect), 공조(Air-conditioning), 건물 에너지(Building energy), 저에너지주택(Low energy house), 신종공기감염병(Airborne Infection Emerging Disease)
1. 서론
이 논문은 2016년도 한 해 동안 설비공학 국문논문집에 발표된 논문을 분석하여 설비공학 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위한 것이다. 주제에 따라
열유체 분야, 열전달 및 열교환기 분야, 냉동 분야, 건축기계 설비 분야, 건축 환경 분야로 분류하여 고찰하였다. 논문집에 게재된 73편의 논문에
대한 평가와 리뷰를 통하여 설비 분야의 전반적인 연구 동향을 파악함으로써 앞으로의 연구 방향을 설정하는데 유익한 정보가 될 것으로 기대한다.
2. 열유체
2.1 개관
열유체 분야에서는 열변환 및 열전달 효율을 높이기 위한 기초적인 열, 유동 및 물질전달, 환경유해요소 저감을 위한 장치와 관련된 유동해석 분야, 태양전지
및 지열에너지와 관련된 재생에너지 분야, 그리고 건물 풍압 분야에 대한 연구가 주로 수행되었다.
2.2 유동, 열 및 물질전달
Shin et al.
(5)은 건축물의 배관 설계시, 배관의 단위마찰저항 값을 일반적으로 30 mmAq/m을 사용하지만, 사용기간이 4년이 넘는 경우에는 20 mmAq/m를
사용하는 것이 더 경제적이며, 사용기간을 고려해서 경제적인 배관의 단위마찰저항값을 선정해야 한다고 하였다. Lee et al.
(28)은 원자로 연료봉 다발의 열전달 향상을 위하여 연료봉 다발을 지지하는 지지격자에 혼합날개를 설치하여 연료봉 간극 사이에서 선회류를 발생시키는 장치를
설치하기도 하는데, 이러한 장치로 인한 연료봉 다발 주위의 유동특성에 대하여 수치해석을 수행하였으며, 실험결과와 비교하여 소프트웨어의 예측성능을 평가하였다.
Seong et al.
(6)은 디젤엔진 배기가스의 질소산화물의 후처리를 위해 사용되는 SCR 반응기의 성능향상을 위하여 유동이 균일하게 촉매부를 통과해야 한다고 하였으며, 이를
위해 입구 면적, 디퓨져 길이, 가이드베인 유무에 따른 유동균일도를 검토하였다. 면적비가 작을수록, 디퓨져 길이가 길수록 유동균일도가 컸으며 원통형
가이드 베인이 있으면 5% 정도의 유동균일도가 상승한다고 하였다. 또한 Seong et al.
(48)은 앞서의 촉매부 유동균일도 연구의 후속으로, 디젤엔진의 질소산화물을 줄이기 위하여 부착하는 선택적 환원촉매(SCR) 반응기에 연결된 혼합증발관의
형상을 변화시켰을 때 반응기 내 유동의 균일도가 6% 정도 향상될 수 있다는 해석결과를 보였다. Cha et al.
(38)은 연소로 내부를 질소산화물 생성온도보다 낮게 유지하는 MILD 연소기술에 산화제로 공기 대신에 산소를 사용하는 경우에 대하여 실험 및 수치계산을
하여 특성을 분석하였다. 일산화탄소의 배출량은 약간 증가하였으며, 질소산화물의 경우는 약간 감소하는 등 배출허용기준을 만족함을 보였다.
Lee and Lee
(47)는 자동차 냉각수의 농도측정을 위하여 시험설비에 장착되어 있는 질량 유량계와 계측장치를 이용하여 측정하는 프로그램을 개발하였고, 실험을 통하여 1%
이내의 오차를 보이는 등의 타당성을 입증하였다. Oh et al.
(60)은 노즐을 이용한 소형화된 휴대형 풍량 측정장치를 개발하는 과정에서 중요한 노즐의 정압차 측정에 대한 연구를 수행하였다. 노즐의 정압차를 측정하기
위하여 내부에 삽입된 정압관을 통한 압력 측정값을 이용하여 측정된 풍량이 국제표준인 ANSI/ASHRAE 방식으로 측정한 것과 비교하여 1~2% 이내의
오차를 보임을 확인하였다.
Jeong and Yun
(44)는 고도산화부상분리(AOF) 방법을 사용하여 가축분뇨 처리를 하는 경우 응집제와 오존이 미치는 영향에 대한 연구를 수행하였으며, 각 약품에 대하여
최적 주입량이 존재함을 발견하였으며, 특히 폴리머 같은 경우는 일정량 이상으로 주입해도 결과가 차이가 나지 않는 것을 관찰하였다. 따라서, 각 사업장에
맞는 최적값을 찾아서 적용해야 한다고 하였다.
2.3 신재생에너지
Shin et al.
(24)은 클린에너지를 얻기 위하여 영구자석의 척력을 이용하기 위한 기초적인 연구를 수행하였다. 이미 알고 있듯이 거리가 멀어지면 척력은 작아지나, 영구자석의
조합 갯수와의 관계는 설명할 수는 없었다. 온도와 자기력의 관계는 온도가 올라가면 자기력은 줄어든다는 것을 확인하였다.
Kim
(41)은 지중열교환기 내부를 단순한 열 저항으로 처리하는 기존의 모델보다, 지중공간과 교환기 내부 전체를 계산 대상으로 하고 교환기의 열용량을 고려한 새로운
수치계산모델을 제안하고 계산을 수행하였으며, 열용량 효과는 짧은 시간단위로 운전되는 경우의 제어시스템 개발 등에 영향을 줄 것으로 예상하였다.
Kim et al.
(52)은 기존의 태양열시스템의 상하부가열 열교환코일 내장형 축열조에 대한 시뮬레이션을 통하여 고가의 인버터 대신 저렴한 삼방밸브를 사용하여 역전방지 운전
및 저유량 운전 등의 효과적인 운전방식을 제안하였다. Lee et al.
(66)은 태양열 집열기의 성능향상을 위한 연구의 일환으로 3가지의 평판집열기와 진공관형 집열기에 대하여 열성능실험을 하여 비교하였으며, 이중투과체 및 진공단열패널(VIP)을
동시 적용한 모델이 가장 성능이 좋았음을 확인하였다.
Oh and Lee
(53)는 고분자전해질연료전지(PEMFC)의 가스확산층(GDL)에 대한 기체투과율을 실험적으로 측정하였다. 가스확산층은 스택의 체결압력에 의하여 압축변형된
상태로 존재하나 비압축상태의 기체투과율만 알려져 있어서 압축된 경우의 자료를 확보하는데 의의가 있다.
2.4 건물 풍압
Shin et al.
(1)은 직육면체모양의 박스형 고층건물에 대하여 수치해석을 수행하여, 주변의 건물이 있는 경우 건물 사이의 간격에 따라서 풍압계수가 단독 건물의 경우보다
높아지거나 낮아지는 것을 확인하였고, 주변 건물의 영향(빌딩풍)을 고려해야 한다고 주장하였다.
3. 열전달 및 열교환기
3.1 개관
열전달 및 열교환기 분야에서는 일반적인 열전달 현상에 관한 연구를 비롯하여 열전달 촉진을 위한 비등 및 응축에 관한 열전달 해석, 그리고 각종 산업용
열교환기 효율 향상에 관한 연구가 수행되었다.
3.2 열전달 일반
Oh et al.
(23)은 비균일 단열재의 단열특성을 평가하기 위해 개발된 GHB 시험장치와 GHP법을 통해 측정된 열전도율 측정결과를 발표하였다.
Kim
(25)은 판형 종이 재질 전열교환 소자의 장기 성능 변화에 대해 실제 실험실에서 5년간 변화를 추적하여 소자의 성능변화에 대한 보고를 하였다. Eo et
al.
(50)은 금속단열재의 단열성능을 극대화하기 위한 박판 최적화 설계방안에 대한 연구를 수행하였고, 단열성능에 미치는 인자들에 대한 고찰을 하였다. Park
et al.
(57)은 180 W 급 LED 가로등에 적용할 수 있는 압출형 방열 구조물을 경량화하기 위한 최적 설계를 수행하였고, 그 결과로 60%의 경량화를 할 수
있다는 결과를 보고하였다. Lee and Eom
(65)은 상향 원형노즐 제트에 의한 하향 등온 원형평면에서의 열전달 현상에 대한 연구를 수행하였고, 여러 가지 조건에 대한 실험 상관관계식을 제안하였다.
Km et al.
(68)은 열가소성 엘라스토머 패킹의 자동화 양산을 위한 최적 조건을 찾기 위해 TPE 패킹의 열융착에 대한 연구를 수행하였다.
3.3 비등 및 응축
비등 및 응축에 관련된 연구는 5편이 출간되었다.
Jung et al.
(3)은 상변화물질을 적용한 핀-관 열교환기의 열전달 성능 특성을 파악하기 위한 실험적 연구를 수행하였다. 논문에서 상변화물질 내부의 전열면적과 열교환
성능과의 상관관계에 대하여 분석하고 이에 대한 상관식을 제시하였다.
Kim et al.
(15)은 나노유체에서 파울링 현상에 대한 연구를 보고하였다. 연구에서 나노유체의 파울링 현상이 비등 열전달의 임계 열유속, 비등 열전달 계수에 미치는 영향에
대해 고찰하였다.
Kim
(29)은 핀 밀도, 핀 높이, 핀 사이 간경이 다른 5종류의 삼차원 조도관에 대해 R-134a 풀비등 실험을 수행하였다. 연구에서는 핀밀도가 증가할수록
열전달계수가 증가되었고, 핀 높이가 열전달계수에 미치는 영향은 크지 않음을 보고하고 있다. Lee et al.
(43)은 액체 상태의 PCM이 충전된 사각 공간에서 좌우 경계면에 단열 및 가열, 냉각 조건을 부여함에 따라 PCM의 상변화 현상을 해석한 결과를 보고하였다.
한편 Lee et al.
(54)은 Thermoexcel-E 표면에서 임계 열유속 조건의 열전달 특성에 대한 연구를 보고하였는데, 액적유량밀도의 변화에 따른 열전달 계수의 값이 평판에서의
경향과 비슷하게 액적유량밀도가 증가할수록 높게 나타남을 확인하였다.
3.4 산업용 열교환기
Park et al.
(4)은 판형열교환기의 효율을 1차원 열유동 네트워크 프로그램, 다공성 매질 해석 방법을 사용한 간편화된 모델과 전체 모델을 통하여 계산 및 비교분석 결과를
제시하였다. Song et al.
(26)은 판형열교환기에 대한 실험적 연구를 보고하였다. 연구에서 판형열교환기의 핀 홀의 위치 및 유속에 따른 누수율, 내부 유동 특성을 측정하였다. Oh
el al.
(39)은 층상구조를 가지는 증발식 열교환기에 대한 연구를 수행하였다. 결과에서는 수직방향 패턴 구조를 통해 표면에 친수 코팅과 같은 추가적인 가공 없이
젖음도를 향상시킬 수 있는 형상에 대한 분석 결과를 보고하였다.
4. 냉동
4.1 개관
2016년 냉동 분야에서 발표된 논문들은 크게 냉동사이클, 대체 냉동/에너지 시스템 및 시스템 제어의 3개 분야로 나눌 수 있으며 각 논문의 간략한
내용을 아래에 정리하였다.
4.2 냉동사이클
Lee
(2)는 공회전시 자동으로 엔진이 꺼지는 ISG(Idle Stop and Go) 기술이 적용된 차량에서 에어컨 작동 중단으로 인한 토출 공기 온도의 급상승을
지연하기 위해 증발기 후단에 상변화물질(PCM)을 채운 축냉 열교환기를 설치, 실험하여 열교환기 사양, PCM 및 운전조건이 성능에 미치는 영향을
분석하였다.
Kim and Na
(14)는 피스톤 탑 클리어런스를 측정하는 기존 방법의 산포도(최대 0.1~0.2 mm)가 높아서 가변 사판식 압축기의 성능 평가에 대한 신뢰도가 낮음에
주목하고 진공펌프를 사용하는 새로운 방법을 개발하여 측정한 결과 산포도를 크게 낮출 수 있었다(최대 22 μm)고 보고하였다.
Kim et al.
(30)은 이산화탄소를 이차유체로 사용하는 R404A 간접시스템과 직접팽착식 시스템을 운전, 비교한 결과 배관길이 15 m 조건에서 냉방용량은 직접팽창식이
3% 크지만 COP는 간접시스템이 9% 높음을 확인하고 간접시스템의 COP가 높은 이유는 압축기와 순환펌프 동력이 직접시스템의 동력보다 낮기 때문이라고
판단하였다.
Jeon et al.
(46)은 연료전지 자동차에서 스택 폐열을 열원으로 사용하는 열펌프의 실험적 연구에서 스택을 모사한 온수탱크의 온수로 예열한 공기를 증발기 코일에 공급하는
공기열원 방식과 판형 증발기에 온수를 직접 공급하는 수열원 방식의 열펌프를 비교하여 소요 동력은 큰 차이가 없으나 난방용량은 수열원 방식이 2배 이상
크게 측정되었다고 보고하였다.
Kim et al.
(59)은 microwave 건조기와 고온 기류건조기가 결합된 microwave 복합건조기의 배열회수용 R245fa 열펌프시스템을 대상으로 실험연구를 수행하여
냉매 충전량, 공기 유속, 냉각수 온도 및 공기 우회비 등의 인자가 열펌프의 성능에 미치는 영향을 분석하고 건조기의 성능이 개선되는 열펌프의 운전조건을
확인하였다.
Lee and Park
(62)은 한 전열관에 두 개의 내경이 존재하는 연결세경관(two-port tube)의 확관특성을 구조해석하고 핀-관 열교환기를 제작하여 기존 열교환기와
비교 실험한 결과 기존열교환기 대비 1-pass 회로의 경우 응축성능 14% 향상, 증발성능은 동등하였고 2-pass 회로의 경우 응축성능 13%,
증발성능은 25% 향상되었다고 보고하였다. Lee
(64)는 밀집형 열교환기의 헤더에서 이상유동의 분배 매커니즘을 이해하기 위해 수평채널을 갖는 수직 및 수평헤더 내부에서 수평채널의 돌출길이가 분배특성에
미치는 영향을 실험적으로 파악하였다.
4.3 대체 냉동/에너지 시스템
Jang et al.
(12)은 제습공조 시스템에 적용하기 위해 중공사막 분리막모듈을 사용하여 제습장치를 제작하고 분리막 면적, 습공기의 건구온도, sweep gas 유량 및
모듈 내외부의 평균압력차(LMPD)가 제습능력에 미치는 영향을 측정, 분석하였다. Sim et al.
(31)은 고품질의 건조물을 얻기 위한 방안으로 저온진공건조 과정에 제습제의 적용을 고려하고 저온환경에서 몇 가지 제습제의 흡습량 및 확산계수를 측정한 후
제습제를 충진한 흡 착열교환기를 건조과정에서 직접 실험한 결과 건조시간이 평균 20% 단축되었다고 보고하였다.
Park et al.
(45)은 재생증발식 냉방기의 소형화를 위해 공기 유동방향의 길이를 축소한 대향류 핀삽입형 설계를 고안, 제작하여 다양한 운전조건에서 성능을 측정한 후 해석모델과
비교하여 습채널의 젖음도, 유효 증발수 유량 및 열전도 손실이 성능에 미치는 영향을 파악하고 성능 향상 방안을 제시하였다.
Kim and Choi
(63)는 다중효용 증발시스템의 에너지 효율을 향상시키기 위한 방안으로 이젝터를 사용하는 TVR(Thermal Vapor Recompression)을 채용한
강하액막식 4단 증발시스템을 해석하여 온도분포와 TVR의 성능을 예측하고 이젝터의 위치에 따른 영향을 분석하였다.
4.4 시스템 제어
Seo et al.
(21)은 업무용 건물의 동적 에너지 시뮬레이션을 수행하여 냉동기의 부분부하 특성을 고려한 연간성능을 분석하고 최적의 냉동기 대수분할 조건(5:5)에서 Sequential
및 Uniform 부하분배 제어 알고리즘의 연간 성능을 비교 분석하여 최적 알고리즘을 결정하였다.
Cho and Kang
(27)은 데이터센터 냉각시스템에 냉수를 공급하는 20 MW급 지역냉방 시스템의 운전이 중단되는 비상상황을 가정하고 냉수와 서버룸의 실온 변화를 예측하여
데이터센터의 안전 및 정상구간을 도출하였다.
Kwon et al.
(72)은 가변속 압축기 방식의 오일쿨러의 온도제어기로서 설계사양과 최적성능을 동시에 만족할 수 있도록 특정 평가기준을 적용한 PI 제어기를 제안하고 시뮬레이션과
실험을 통해 그 성능을 평가하였다.
5. 건축기계설비
5.1 개요
건축기계설비 분야에 관련된 논문은, 에너지성능, 공조설비, 환기설비, 신재생에너지, 급배수, 그리고 기타설비로 분류할 수 있었으며, 시스템 설계에
이르는 총 15개의 연구가 보고되었다. 우선 공조설비 분야에서는 총 4편의 논문이 보고되었으며 개별공조를 이용한 냉방에 관한 연구, 전열교환형 환기시스템을
이용한 나이트 퍼지, 그리고 일사량 예측모델개발과 차량 내의 에어컨 최적 제어를 위한 거주자 생리반응에 관한 연구가 진행되었다. 에너지성능 관련해서는
창호의 기밀성능, 주택의 단열성능과 사무소 건물에서의 에너지 소비 절감에 관한 연구 등 총 3편의 논문이 보고되었다. 환기설비와 관련해서는 외부의
바람이 건물 내 공기유동에 미치는 영향, 독립코어형 사무소 건물의 연돌효과와 주방 레인지후드의 배기성능에 관한 연구가 보고되었다. 급배수와 관련해서는
공동주택의 동절기 온수급탕부하 모델링에 대한 연구가 그리고 기타설비로는 재래시장의 화재확산 방지를 위한 수막설비, 초고층 건물의 피난안적구역의 성능과
서랍형 광선반에 관한 연구가 보고되었다. 각 분야에서 발표된 연구의 구체적 내용을 정리하면 아래와 같다.
5.2 에너지성능
창은 건물의 의장뿐 아니라 에너지 효율에도 큰 영향을 미치며 특히 실내외 압력차에 의하여 발생하는 의도하지 않은 틈새바람은 기밀성능은 물론이며 연도효과와도
밀접한 관계가 있다. Yun et al.
(10)는 창 부속의 일종인 풍지판의 형상이 기밀성능에 미치는 영향을 측정을 통하여 분석하였다. Park and Yang
(18)는 사무소 건물을 대상으로 각종 에너지 절감시나리오를 수립하고 이를 시뮬레이션에 적용하여 각각의 적용 요소에 따른 에너지 절감효과를 제시하였다. Lee
et al.
(69)는 최근 강화 추세에 있는 단열기준의 변화가 농어촌 표준모델의 냉난방에너지 소비에 미치는 영향을 시뮬레이션을 이용하여 분석하였다.
5.3 공조설비
공조설비는 건물의 시공에서 유지관리 단계에 이르기까지 초기투자비용뿐 아니라 에너지소비와 매우 밀접한 관계가 있다. Choi et al.
(8)은 에너지 절감 및 온열만족도 향상을 위한 공부방의 개별공조 시스템을 고안하고 실험을 이용하여 개별 냉방기 이용에 따른 주변 환경의 온도분포와 그
변화 추이를 보고하였다. Kim et al.
(32)은 일사량에 따른 운전자의 에어컨 조작 선호도에 관한 연구에 이어 차량 내의 실내 환경이 운전자의 생리반응에 미치는 영향을 실험을 통하여 분석하고
여름철 주차된 차량의 출발 시 에어컨 최적 운전 방안에 대하여 검토하였다. 또한 Kim et al.
(61)은 학교 건물에 설치되어있는 전열교환형 환기장치를 이용하여 여름철 냉방 부하를 줄이기 위한 최적 나이트퍼지 방법과 그 때의 에너지 소비량을 시뮬레이션을
통하여 분석하였다. 마지막으로 Shim and Song
(67)은 에너지 절약설계에 필수적 요소인 기상데이터에 있어 일사량 측정데이터가 없는 지역에 적용할 수 있는 일사량 예측방법을 검토하고 예측방법의 타당성
검증을 위하여 전국 12개 지역에 대한 일사량 예측값과 실측값을 비교분석하였다.
5.4 환기설비
Kim and Song
(9)은 건물 주변의 바람이 건물 내 공기 유동에 미치는 영향을 파악하고자 시뮬레이션을 시행하였고 기존 연돌효과 분석에 많이 사용하는 단순 압력차 계산법의
경우, ASHRAE 그리고 외부 풍압을 상세히 해석하여 이용하는 CFD 방법과 많은 차이가 있음을 제시하였다. 연돌효과와 관련하여 Song et al.
(22)은 독립형 코아를 가지고 있는 오피스빌딩 내의 연돌특성을 시뮬레이션을 이용하여 분석하고 기존 센터 코어형 오피스빌딩에서의 연돌효과 대책이 독립 코아형에서도
유효함을 제시하였다. 마지막으로 Sung
(70)은 상향 토출형 에어커튼을 이용한 레인지후드의 배기 특성에 관하여 시뮬레이션을 이용하여 분석하였고 에어커튼의 설치에 따라 레인지후드의 오염물질 포집효율이
크게 향상됨을 나타내었다.
5.5 신재생에너지
신재생에너지와 관련하여 Hwang and Cho
(20)는 건물의 환기부하 절감을 위한 수평형 지중 열교환기에 착목하여 EnergyPlus를 이용한 도출 공기의 온도 예측방법의 타당성을 실험과 수치해석을
이용하여 검증하였다. 검증결과 EnergyPlus의 예측값은 실험 및 수치해석 값과 유사한 것으로 나타났다.
5.6 급배수설비 및 기타설비
급탕부하와 관련하여 Park
(51)은 비선형시스템의 모델링에 활용되고 있는 LS-SVM(Least Squares Support Vector Machines)기법을 활용한 동절기 공동주택에서의
온수급탕부하를 예측 방법에 대하여 검토하였고 실제 측정결과를 바탕으로 모델링의 타당성을 검증하였다. 기타설비와 관련해서는 먼저 Choi and Cho
(37)는 점포와 포의 간격이 좁고 다양한 가연성 물품의 적재량이 많은 재래시장에서 화재확산 방지를 위한 수막설비 설치에 필요한 설계 및 설치 지침을 제시하였다.
또한 Lee and Lee
(40)는 광선반의 폭 조절이 가능한 서랍형 타입 광선반을 제안하였으며 실제 공간에서의 실측을 통하여 성능의 유효성을 검증하였다.
6. 건축 환경
6.1 개관
건축 환경 분야 연구는 크게 실내 환경, 건물에너지 및 기타 등으로 분류하여 연구동향을 분석하였다. 실내환경 분야에서는 공동주택에서 이동형 냉방기
설치에 따른 실내 온도분포특성 평가, 외부바람의 영향에 따른 건물 내 공기유동 해석, 풍지판 형상에 따른 창호의 기밀성능 분석, 독립코어형 오피스
빌딩의 연돌효과 특성 분석 및 서랍형 타입의 가동형 광선반의 개발 등에 관한 연구가 수행되었다. 건물에너지 분야는 사무소건물의 에너지 소비요소 분석,
수평형 지중 열교환기의 출구온도 예측을 위한 시뮬레이션 프로그램의 타당성 검토, 동절기 공동주택의 온수급탕부하의 모델링, 학교건물의 나이트퍼지 적용
및 단열성능 강화에 대한 주택의 냉난방부하 분석 등에 관한 연구를 수행하였다. 기타 분야는 쾌적제어를 적용한 자동차 에어컨이 운전자에게 미치는 온열감
분석, 화재확산 방지를 위한 수막설비 설치지침안 마련, 초고층 건축물의 피난안전구역 성능확보 방안, 국내의 일사량 예측 모델 적합성 평가 및 주방
레인지 후드의 배기성능 평가 등에 관한 연구 등 다양한 연구가 수행되었다.
6.2 실내 환경
실내 환경 분야에서는 이동형 냉방기 설치에 따른 실내 온도분포특성 평가, 외부바람의 영향이 건물 내에 미치는 공기유동 해석과 영향의 평가, 창호의
풍지판 형상에 따른 창호의 기밀성능 실험분석, 독립코어형 오피스 빌딩의 연돌효과 특성 분석 및 폭조절이 가능한 서랍형 타입의 가동형 광선반의 개발
등에 관한 연구가 수행되었다.
Choi et al.
(8)은 국내에서 사용되고 있는 실외기가 없는 소형 압축기를 사용한 포터블 형태의 개별 냉방기를 기존의 개별공조 시스템의 평가법을 적용하여 그 성능을 평가였다.
이를 위하여 여름날 실제 공동주택의 공부방에 개별 냉방기를 설치하여 운전했을 경우 이에 따른 실내 온도분포와 그 변화특성의 측정 결과를 분석하였다.
작업존(Task zone) 부분의 온도는 모두 26.5℃ 이하로 유지되었으며 온도분포는 가동 후 3시간이 지난 후에도 일정하게 유지된다고 보고하였다.
Kim and Song
(9)은 외부바람의 영향이 건물내 공기유동 해석에 미치는 영향을 연구하였다. 건물 공기유동 시뮬레이션 프로그램인 CONTAMW와 CFD 해석프로그램인 STAR-CCM+를
이용하여 외부 바람을 고려하는 방법들과 그에 따른 건물 공기유입, 유출 결과의 차이를 분석하였다. 고층 건물에 대한 건물 내 공기유동의 정밀해석하기
위해서는 건물 내 공기온도차와 밀도차 뿐 아니라 풍압을 고려해야 하며 풍압은 기존 CONTAMW에서 제공하는 ASHRAE 모델을 사용하기보다는 CFD
시뮬레이션을 통해 풍압을 산출하는 것이 건물 내 공기유동을 정확히 묘사할 수 있다는 결론을 도출하였다.
Yun et al.
(10)은 창호부속인 풍지판의 형상에 따른 창호의 기밀성능을 측정하여 풍지판의 형상에 따른 창호의 기밀성능의 영향을 분석하였다. 실험분석을 통하여 풍지판의
길이보다는 날개의 높이가 통기량 감소에는 더 효과적이며 내부유동의 압력손실식을 도출하여 풍지판의 길이는 풍지판 날개의 높이와 상관적임을 확인하였다.
Song et al.
(22)은 다양한 빌딩의 평면계획에 따른 연돌효과분석을 목적으로 센터코어 및 독립코어가 적용되어 있는 오피스빌딩의 연돌효과발생특성을 분석하여 기존의 연돌효과
저감대책을 효과적으로 적용하는 방안에 대한 연구를 하였다. 효과적인 연돌효과 대응을 위해서는 건물이 가지는 주요 공기유동 경로의 분석 및 공기유동
경로 간의 영향 및 특성에 대한 검토가 선행되어야 하며 이를 통하여 센터코어형 오피스빌딩은 연돌효과 저감대책을 충분히 효과적으로 활용할 수 있다고
보고하였다.
Kim et al.
(49)은 기존의 광선반이 가지는 문제를 해결하고자 광선반 폭의 조절이 가능한 서랍형 타입의 광선반을 제작하며 실거주 기반의 테스트베드를 통한 성능검증을
실시하였다. 서랍형 타입의 가동형 광선반의 적정 변인을 도출하여 하지, 중간기, 동지에 대하여 각각 폭 0.6 m/각도 20°, 폭 0.4 m/각도
20°, 폭 0.1 m/각도 20°의 광선반 폭의 조절은 효과적이며 기존의 폭 0.3 m 및 폭 0.6 m의 광선반에 대비하여 조명에너지는 각각 18.7%
및 14.3%가 저감되었다.
6.3 건물에너지
건물에너지 분야에서는 건물의 에너지 소비요소 분석, 지중 열교환기 프로그램의 타당성 검토, 온수급탕부하의 모델링, 나이트퍼지 및 단열성능강화에 따른
냉난방부하 분석 등에 관한 연구가 수행되었다.
Park and Yang
(18)은 사무소 건물에너지 소비에 관계되는 건축, 설비 및 조명의 각각 분야에 대한 에너지 소비 요소들을 추출하여 요소 값 변화에 따른 에너지 소비 절감
특성을 분석하였다. 부분별 비교에 있어서는 조명&기기 분야, 건축, 설비&운영부분의 순으로 절감율이 큰 것으로 분석되었다. 또한 조명&기기 부분에서 나타난 절감률 특성은 향후 조명&기기 부분의 에너지 절약에 큰 영향을 미칠 수 있을 것으로 보고하였다.
Hwang and Cho
(20)은 EnergyPlus를 활용하여 지중 열교환시스템을 통과한 출구온도 예측에 대한 타당성을 검토하기 위하여 수치해석과 실물실험을 수행하였다. 결과값에
대한 상관계수는 실험측정과 수치해석 결과값에서는 0.949, EnergyPlus와 수치해석 결과값에서는 0.753으로 나타나 EnergyPlus를
활용하여 출구온도를 예측하는 것은 타당성이 있다고 평가하였다.
Park
(51)은 복잡한 상관관계를 갖는 비선형시스템의 모델링에서 활용되고 있는 LS-SVM(least squares support vector machines)을
사용한 동절기 공동주택의 온수급탕부하 모델을 개발하였다. 지역난방의 온수급탕부하 모델은 측정된 시험 데이터에 대하여 평균절대비율오차 10% 이내의
예측 정확도를 가지고 있으며, 개별 공동주택의 온수급탕부하 모델은 10%∼20% 범위의 예측 정확도를 나타내었다.
Kim et al.
(61)은 학교건물에서 일반적으로 사용하고 있는 시스템에어컨(AC)과 전열교환형 환기시스템(ERV)의 나이트 퍼지 운전 시간 및 제어 방법에 따른 실내초기온도
및 에너지 소비량을 TRNSYS 시뮬레이션을 이용하여 분석하였다. 전열교환 모드의 경우 여름철 외기상태와 관계없이 전열교환을 통해 외기를 도입함으로써
초기 냉방부하의 증가하였다. 바이패스 모드에서 운전시간이 2시간인 경우가 전체 에너지 소비량을 절감에 가장 효과적인 것으로 보고하였다.
Lee et al.
(69)은 구조체의 단열성능 강화를 위한 열관류율 향상이 농어촌 주택 표준모델의 냉·난방 에너지부하량에 미치는 영향을 검토하였다. 구조체를 통한 열손실은
냉방기간 동안은 냉방부하를 저감시키지만, 난방기간 동안은 난방부하를 증가시켰다. 또한 국내에서 열관류율 기준향상은 난방기간 동안의 난방부하 저감률이
높아서 전체 건물에너지부하를 낮출 수 있는 것으로 파악하였다.
6.4 기타
앞 절에서 언급한 실내 환경, 건물에너지 분야의 연구 외에 자동차 에어컨이 운전자에게 미치는 온열감 분석, 화재확산 방지를 위한 수막설비 설치, 피난안전구역
성능확보 방안, 국내의 일사량 예측 모델 평가 및 주방 레인지 후드의 배기성능 평가 등에 관한 연구 등이 진행되었다.
Kim et al.
(32)은 여름철 승용차에 탑승 시 에어컨 쾌적 작동모드를 제시하기 위하여 초기 실내온도 영향에 따른 운전자의 뇌파, 심전도, 평균 피부온도를 평가하여 운전자의
생리반응을 검토하였다. 일사량에 따른 승용차 내의 열환경 변화는 운전자의 쾌적한 운전환경 조성을 위하여 날씨변화에 따른 승용차 실내에어컨의 작동모드
변화가 필요하며, 외기도입을 통한 실내 냉방모드나 송풍모드는 실내 기류를 조성하여 인체 피부와의 열교환을 향상시켜 운전자의 쾌적감을 높일 수 있다고
보고하였다.
Choi and Cho
(37)은 재래시장에서 화원의 화재확산을 방지하기 위한 수막설비의 설치지침에 대한 연구를 수행하였다. 화재확산의 원인이 되는 화염과 복사열을 차단하기 위하여
수막설비는 필수적이며 복사열의 차단은 수적의 크기와 수직높이 및 유량에 의하여 영향을 받는 것으로 보고하였다.
Lee and Lee
(40)은 초고층 건축물의 용도별 피난관련 법규를 검토하여 재실자의 피난안전구역 성능확보방안에 관하여 연구하였다. 현재 법규에서 규정하고 있는 최대 30층
마다 피난안전구역을 설치하는 것은 불합리한 요소가 있다고 보고하였으며 이용약자의 구급이나 구조 활동을 위해서는 고가사다리차를 이용할 수밖에 없는 상황에서
지상으로부터 피난안전구역의 첫 번째 층은 상층부 재실자의 피난을 확보를 위한 높이설정이 필요성을 제시하였다.
Shim and Song
(67)은 일사량 미측정 지역에 대한 일사량 예측하기 위하여 12개 대표 지역을 중심으로 일사량 예측 모델의 정확성을 검토하였다. Kasten Model,
Zhang and Huang Model, Angstorm-Prescott Model, Winslow Model 등 4개의 일사량 예측 모델을 적용하여
그 적합성을 분석하였다. 모델 예측값의 정확성이 가장 높은 모델은 Zhang and Huang 모델이며 국내에 적합한 일사량 예측 모델이라고 보고하였다.
Sung
(70)은 주거용 건축물의 주방용 레인지후드 배기 성능 향상을 위하여 조리대 하단 전면부에 급기용 슬롯을 설치하여 레인지후드의 오염물질 제거 성능에 관한
연구를 수행하였다. 오염물질의 포집효율은 에어커튼이 없는 경우보다 에어커튼의 슬롯을 통하여 상부로 공급되는 공기의 양을 배기풍량의 50%로 적용할
경우 약 1.9배 정도 성능향상이 있다고 보고하였다.
7. 결 론
2016년 설비공학 논문집에 발표된 논문을 열유동, 열전달, 냉동, 건축설비, 건축 환경 등 5개 분야로 분류하여 분석한 결과를 요약하면 다음과 같다.
(1) 2016년도에 열유체 분야에서는 주로 환경 유해물질 발생 저감을 위한 장치와 신재생 에너지 관련 설비의 성능향상에 대한 실험 및 열유동해석에
관련된 연구가 많이 수행되었다. 모든 분야에서 실험보다는 CFD 해석 관련 연구가 대부분을 차지하고 있다.
(2) 열전달 일반분야에서는 비균일 단열재의 단열특성을 평가하기 위해 개발된 GHB 시험장치와 GHP법을 통해 측정된 열전도율 측정, 판형 종이 재질
전열교환 소자의 장기 성능 변화에 대해 실제 실험실에서 5년간 변화를 추적한 소자의 성능변화, 금속단열재의 단열성능을 극대화하기 위한 박판 최적화
설계방안, 단열성능에 미치는 인자들, 180 W 급 LED 가로등에 적용할 수 있는 압출형 방열 구조물을 경량화하기 위한 최적 설계를 통한 60%의
경량화, 상향 원형노즐 제트에 의한 하향 등온 원형평면에서의 열전달 현상 및 여러 가지 조건에 대한 실험 상관관계식, 열가소성 엘라스토머 패킹의 자동화
양산을 위한 최적 조건을 찾기 위해 TPE 패킹의 열융착에 대한 연구를 수행하였다. 비등 및 응축분야에서는 상변화물질을 적용한 핀-관 열교환기의 열전달
성능 특성, 나노유체에서 파울링 현상, 핀 밀도, 핀 높이, 핀 사이 간경이 다른 5종류의 삼차원 조도관에 대해 R-134a 풀비등 실험, 액체 상태의
PCM이 충전된 사각 공간에서 좌우 경계면에 단열 및 가열, 냉각 조건을 부여함에 따라 PCM의 상변화 현상을 해석, Thermoexcel-E 표면에서
임계 열유속 조건의 열전달 특성에 대한 연구가 진행되었다. 산업용 열교환기 분야에서는 판형열교환기의 효율에 대한 이론적, 실험적 연구가 수행 되었고,
층상 구조를 가지는 증발식 열교환기에 대한 연구도 수행되었다.
(3) 냉동사이클 분야에서는 차량용 축냉시스템, 압축기 신뢰성, 이산화탄소-이차유체 간접냉방, 연료전지차량 열펌프, 복합건조기 배열 회수용 열펌프,
연결세경관 및 밀집형 열교환기 성능특성에 대한 연구가 발표되었고 대체 냉동/에너지 시스템 분야에서는 제습냉방을 위한 분리막 모듈, 저온건조를 위한
제습제, 재생증발식 냉방기 최적화, 이젝터 기반 다중효용 증발기에 대한 연구가 발표되었으며 시스템 제어분야에서는 냉동기 대수제어 알고리즘, 데이터센터
비상 냉각, 가변속 압축기 제어기에 대한 연구가 발표되었다.
(4) 건축기계설비 분야에서는 총 15편의 연구가 보고되었다. 공조설비 분야에서는 개별공조, 나이트 퍼지, 그리고 표준기상데이터와 차량 내의 온열환경
등에 연구가 진행되었다. 에너지성능 관련해서는 창호의 기밀성능, 주택의 단열성능, 에너지 소비절감 효과 등에 관한 연구가 수행되었고 환기설비와 관련해서는
연동효과와 주방 레인지후드의 배기성능에 관한 연구가 보고되었다. 급배수와 관련해서는 공동주택의 동절기 온수급탕부하 모델링에 대한 연구가 그리고 기타설비로는
수막설비, 피난안적구역과 광선반에 관한 연구가 발표되었다.
(5) 건축 환경의 실내 환경 분야에서는 이동형 냉방기 설치에 따른 실내 온도분포특성 평가, 외부바람의 영향이 건물 내에 미치는 공기유동 해석과 영향의
평가, 창호의 풍지판 형상에 따른 창호의 기밀성능 실험분석, 독립코어형 오피스 빌딩의 연돌효과 특성 분석 및 폭조절이 가능한 서랍형 타입의 가동형
광선반의 개발 등에 관한 연구가 수행되었다. 건물에너지 분야에서는 건물의 에너지 소비요소 분석, 지중 열교환기 프로그램의 타당성 검토, 온수급탕부하의
모델링, 학교건물의 나이트퍼지 적용 및 단열성능 강화에 따른 냉난방부하 분석 등에 관한 연구가 수행되었다. 추가적으로 자동차 에어컨 쾌적제어 알고리즘
개발을 위한 운전자의 온열감 분석, 재래시장의 화재확산 방지를 위한 수막설비 설치지침의 검토, 초고층건축물의 피난안전구역 성능확보 방안, 국내의 일사량
예측 모델 평가 및 주방 레인지 후드의 배기성능 평가 등에 관한 연구 등 다양한 연구가 수행되었다.