2.1 UFAD 시스템의 성층화

UFAD 시스템의 성층화는 사람의 머리 높이 1.7 m를 기준으로 온도 경계층을 형성시켜 하부의 거주역과 상부의 비거주역으로 구분되며, 거주역과 비거주역의 온도차가 클수록 성층화가 잘 형성됨을 뜻한다. 또한 상부의 비거주역에서 발생하는 냉방 부하를 고려할 필요성이 없어지게 됨으로 인해 냉방에너지 절감효과를 가져온다. 이처럼 성층화는 UFAD 시스템의 중요 요소로써 공기의 부력효과에 의한 바닥에서 천장까지의 일정치 않은 수직 온도 분포를 뜻하며, 열적 거동과 환기, 에너지 성능에 중요한 영향을 미친다.⁽⁴⁾

2.2 Gamma-Phi

본 연구에서는 성층화 모델링을 위해 미국 버클리 대학에서 제공한 Gamma-Phi 식을 적용하였다. Phi는 성층화를 나타내는 무차원 계수로 0.0~1.0의 값을 갖으며, 식(1)과 같다. 그 값이 0.0에 가까울수록 성층화가 잘 형성됨을 뜻하며, 반대로 1.0에 가까울수록 성층화가 잘 형성되지 않음을 뜻한다. 또한 Phi가 0.6에 가까울수록 이상적인 성층화를 뜻한다.⁽⁴⁾ Gamma는 부력과 운동량의 비를 표시하는 무차원 계수로 식(2)는 내주부의 Gamma를, 식(3)은 외주부의 Gamma를 나타낸다.⁽⁵⁾ Gamma는 일반적으로 2와 30의 사이 값을 가지며 일반적으로 값이 작을수록 Phi 값이 낮아진다.⁽⁶⁾Fig. 1은 각각 내주부와 외주부의 대표적인 급기구들의 Gamma-Phi 상관관계 예시를 나타낸다.⁽⁵⁾

3.1 시뮬레이션 선정

본 연구에서는 미국에너지성에서 개발된 건물 냉난방 부하, 열환경 및 에너지 해석 프로그램인 EnergyPlus를 사용하였다. EnergyPlus는 DOE-2와 BLAST의 장점만을 통한시킨 프로그램으로서 부하해석시에 미국 냉동 고조학회(ASHRAE)에서 권장하는 Heat Balance 기법을 사용하며, 비정상 상태의 열전도와 복사 및 대류 열전달에 대한 동적 해석이 가능하다.⁽⁷⁾ 특히 EnergyPlus는 UFAD 모델 기능이 업그레이드되어 각 바닥 플래넘을 완전한 별개의 영역으로 모델링이 가능하며, 그로 인해 공급 플래넘에서의 공조 공기 온도상승(Thermal Decay) 반영이 가능하다.⁽⁸⁾ 이는 표면과 내부 부하 사이의 복사열 교환을 포함하는 각 표면의 상세한 Heat Balance를 수행하여, 매 시간별 표면 온도를 정밀 계산하기 때문이다. 또한 Room Air Model와 Gamma-Phi 식을 통해 UFAD의 중요 요소인 성층화 구현이 가능하기 때문에 본 연구에 적합하다고 판단되어 선정하였다.⁽⁸⁾

3.2 모델링 방법

본 연구에서는 Fig. 2와 같이 가로 53 m 세로 35 m, 창면적비 40%, 층고 3.9 m(공급 플래넘 0.4 m, 리턴 플래넘 0.8 m)의 직사각형 형상의 3층 사무소 건물을 모델링하였는데, 각 층은 Fig. 2와 같이 1개의 내주부와 4개의 외주부로 가정하였다. 내주부의 바닥면적은 1,137 m²이고, 서측와 동측의 경우 각각 140 m²이며, 남측과 북측의 경우 220 m²의 바닥면적을 갖는다. 창문의 구성과 물성치는 ASHRAE 90.1-2004의 표 5.5를 준수하였다.⁽⁹⁾ 차양 장치의 경우 내부에만 적용하였다. 급기구의 경우 내주부에 일반적으로 많이 사용되는 스월(Swirl Type) 타입을, 외주부는 선형(Linear Bar Grille) 타입을 적용하였으며, Fig. 3은 급기구 형상의 예를 나타낸다.

3.3 시뮬레이션 입력 조건

본 연구의 기상데이터는 EnergyPlus에서 자체적으로 제공하는 인천기상데이터를 사용하였으며 내부발열 조건은 Table 1과 같다. 건물은 이코노마이저와 냉동기를 포함한 단일 가변 속도 중앙공조기(AHU)를 통해 냉난방이 공급되며, 냉난방 코일 및 공급팬은 정압 Reset 제어된다. 열원장치로는 압축식 냉동기와 2단 냉각탑으로 구성되었다. 보일러는 중앙 AHU 난방코일과 모든 가열 코일에 온수를 제공하며, 입력 조건은 Table 2와 같다. 시스템 작동 시간은 05시시부터 20시이며, 실내 냉방 설정온도는 25℃, 난방온도는 21℃로 설정하였다. 또한 급기설정온도는 15.6℃로 설정하였다. 야간시간의 경우 공조가 종료되며, 시스템 최소 외기도입량은 4.2475 m³/s이다. 전술하였듯이, 내주부의 경우 스월 급기구를, 외주부의 경우 선형 급기구를 적용하였으며, 외부주 냉난방용 팬코일유닛(FCU)은 외주부의 선형 급기구에만 연동하였다.

3.4 시뮬레이션 변수

본 연구에서는 여름철 냉방 부하가 가장 높게 나타난 8월 10일을 대표일로 선정하여 성층화 분석을 진행하였다. 시뮬레이션 변수는 Gamma 값에 영향을 미치는 요소인 급기구의 개수, 유효면적 및 슬롯각도이며, HVAC 스케줄에 따라 05시부터 20시까지의 성층화 분석을 진행하였다. Table 3은 각 시뮬레이션 Case에 따른 급기구의 조건을 나타낸다. 급기구 개수와 유효면적의 경우, 내주부와 외주부의 급기구 모두 Base 경우 대비 1.5~2.0배 증가시켰다. 슬롯각도의 경우 내주부(Swirl Type)는 슬롯각도에 따른 성층화의 변화가 거의 나타나지 않아 고정하였으며, 외주부의 선형 급기구 슬롯각도만을 45°, 75°로 증가시켰다.

4.1 존 위치에 따른 성층화 및 바닥공간 온도상승 현상(Thermal Decay)

Fig. 4는 내주부와 외주부 향에 따른 Base의 Phi 변화와 바닥공간 온도상승(AHU 토출온도와 Diffuser 취출온도 차이)을 나타낸다. 외주부는 내주부와 달리 외기 조건의 영향을 많이 받아 바닥면적당 부하가 높게 나타난다. 또한 공급 플래넘을 통해 실내로 공기가 공급될 때, 내주부의 플래넘을 거쳐서 각각의 외주부로 공급되기 때문에 바닥공간의 온도상승(Thermal Decay) 현상이 이중으로 발생하게 왼다. 그로 인해 Fig. 4(b)에 나타난 바와 같이 외주주에서의 공급온도(Diffuser 취출온도)가 내주부의 공급온도보다 높아지게 되는 것을 확인할 수 있다. 그로 인해 내주부에 비해 성층화가 상대적으로 잘 형성되지 않는다. 대부분의 외주부는 초기 공조가 시작되는 05시부터 08시까지 Phi가 1.0보다 낮아 성층화가 일부 형성되었다. 09시부터는 Phi가 1.0 값을 나타내어 성층화가 형성되지 않고 거주역과 비거주역 사이의 수직온도차가 존재하지 않았다. 무엇보다, 외주부의 향에 따른 부하 조건이 달라지기 때문에 성층화를 나타내는 Phi의 패턴이 다르게 나타난다. 이는 식(3)에서 나타나듯이 외주부의 Gamma는 외주부의 총 풍량과 급기구의 조건, 외주부 길이 당 부하에 따라 변화한다. 급기구의 조건이 동일하다고 가정하더라도, 외주부의 위치에 따라 부하와 공급풍량이 다르기 때문에 Gamma 값이 변화하게 되고, 그로 인해 각 외주부의 Phi가 서로 다르게 변화한 것으로 사료된다. 특히, 동측 외주부의 경우 다른 외주부에 비해 낮은 Phi를 나타냈으며, 11시를 제외한 모든 시간에 성층화가 잘 형성되었다. 다른 외주부들과 달리 외기온이 높아지는 오후 시간대에도 낮은 Phi 값을 유지하였는데, 이는 오후시간대 동측의 낮은 일사 유입과 그에 따른 부하가 높지 않아서 전반적으로 성층화가 잘 형성된 것으로 판단된다.

4.2 내주부 성층화

Fig. 5와 Fig. 6은 각각 급기구의 조건 변화에 따른 내주부의 Phi와 Gamma의 변화를 나타낸다. 전술하였듯이, Phi는 성층화를 나타내는 무차원 계수로서 그 값이 낮을수록 성층화가 잘 형성됨을 의미한다. 공조가 시작됨에 따라 모든 Case의 내주부 Phi는 0.7을 넘지 않아서 성층화가 잘 형성됨을 확인할 수 있다. 내주부는 바닥공간 온도상승(Thermal Decay)의 영향이 외주부에 비해서 상대적으로 적어 외주부보다 성층화의 형성이 유리하다. 또한 외주부와 달리 외부로부터 받는 부하의 영향이 적어 내부발열에 의해서만 냉방부하가 발생하게 된다. 따라서 일정한 비교적 부하패턴을 나타내며, 실내부하의 크기도 작기 때문에 성층화가 잘 형성된 것으로 사료된다. Gamma는 Phi와 밀접한 관계를 갖으며, 그 값이 작을수록 Phi가 낮아져 성층화가 잘 형성된다. 내주부의 Gamma는 식(2)에서 나타난 바와 같이 전체 풍량의 크기가 적고 실내부하가 클수록 그 값이 감소한다. 내주부의 경우 전체 바닥면적이 전체의 75%를 차지하기는 하지만 내부발열만을 고려하기 때문에 바닥면적당 부하의 크기는 작다. 또한 넓은 바닥면적으로 인해 외주부보다 높은 풍량을 나타내지만, 단위 면적당 바닥면적으로 환산할 경우 풍량의 크기가 작기 때문에 Gamma가 작게 나타나고 그로 인해 Phi가 낮게 나타난 것으로 사료된다. 이와 같이 내주부는 성층화가 잘 형성되는 조건을 갖추고 있기 때문에 급기구의 변수 변화에 따른 성층화의 개선은 미비하였다. Angle-1과 Angle-2들은 외주부의 급기구(Linear Bar Grille) 슬롯각도만 증가시키고 내주부의 급기구(Swirl)의 슬롯각도는 증가시키지 않았기 때문에 Phi의 변화가 거의 없었다.

4.3 남측 외주부 성층화

외주부는 앞서 설명한 바와 같이 외기 조건의 영향으로 인해 바닥면적당 부하가 내주부에 비해서 높게 나타난다. 특히 바닥공간의 온도상승(Thermal Decay) 현상이 이중으로 발생하여 급기구 취출온도가 증가하기 때문에 성층화가 내주부에 비해 상대적으로 잘 형성되지 않는다. Fig. 7은 급기구의 조건 변화에 따른 남측 외주부의 성층화 및 공급풍량을 나타낸다. 급기구의 갯수와 유효면적을 각각 변하시킨 Case들의 경우 거의 동일한 패턴을 나타냈다. 이는 식(3)을 통해 확인할 수 있듯이 두 변수(급기구 갯수와 유효면적)가 분모에 위치하였으며, Gamma에 미치는 영향이 비슷하여 결과가 유사한 것으로 사료된다. Phi는 0에서 1사이의 값을 가지는 무차원 계수로서 그 값이 작을수록 성층화는 잘 형성됨을 뜻한다. Base의 경우 대부분의 시간대에서 Phi가 1.0을 나타냄으로써 성층화가 형성되지 않음을 나타냈다. 반면 급기구의 조건이 변화함에 따라 성층화는 상당히 개선됨을 나타냈는데, 시스템 작동시간에 따른 각각의 변수에 따른 Phi의 평균값을 비교한 결과 Base는 0.94로 거의 1에 가까운 값을 나타냈다. 반면, 급기구 개수와 유효면적을 각각 변화 시킨 Number-1, Area-1의 경우 7.3으로 7% 감소하였고, Number-2, Area-2는 0.75로 20%의 큰 감소율을 나타냈다. 급기구 슬롯 각도를 변화시킨 경우인 Angle-1은 Phi 평균값이 0.89로서 4.9%의 다소 낮은 개선 정도를 나타냈으나 Angle-75는 평균값이 0.71로서 24%의 가장 큰 Phi 감소율을 나타냈다. 급기구의 개수, 유효면적을 1.5배 증가시킨 Number-1와 Area-1은 10시에 Phi가 0.8에 근접하게 나타났으나, 11시부터 다시 Phi가 증가하여 1에 근접함을 확인할 수 있다. 또한 급기구의 슬롯각도를 증가시킨 경우 45°인 Angle-1은 앞서 설명한 Number-1과 Area-1보다 좀 더 높은 Phi를 나타났다. 11시에 Phi가 1에 근접하며 성층화가 파괴된 이유는 실내 발열 부하의 증가로 인한 공급 풍량의 증가로 사료된다. 급기구의 조건 변화로 10시까지 Phi가 감소하여 성층화가 잘 형성되었지만, 일사량 및 내부발열의 증가에 따른 풍량 증가로 인해 성층화가 파괴된 것으로 사료된다. 급기구의 개수, 유효면적을 각각 2.0배 증가시킨 Number-2, Area-2와 급기구의 슬롯각도가 75°인 Angle-2의 경우 Phi가 0.7에 근접함을 보였으며, 이는 성층화가 크게 개선됨을 의미한다. 이와 같이 급기구의 조건 변화에 따라 성층화가 개선된 이유는 초기 Gamma의 감소와 외주부 전체 풍량의 감소로 사료된다. Fig. 8은 급기구 변수에 따른 남측 외주부의 Gamma를 나타낸다. Phi와 마찬가지로, 급기구의 조건 변화에 따라 모든 Gamma가 감소함을 확인할 수 있다. Gamma는 풍량이 작을수록 그 값이 작아지게 되는데, 급기구의 조건들이 변화함에 따라 남측 외주부의 공급 풍량이 감소하여 Gamma가 감소한 것으로 사료된다. 즉, 성층화가 개선되면서 전체 풍량이 감소하게 되는데, 이는 성층화 높이를 경계로 거주역까지만 공조하는 UFAD 시스템의 특성 때문이다. 또한 전체 풍량의 감소는 Gamma가 감소하게 되는 요인이 되기 때문에 초기 성층화가 잘 나타날수록 성층화가 파괴되지 않고 유지될 수 있는 것으로 사료된다. 18시에는 모든 Case가 낮은 Phi 값을 나타났다. 내주부의 경우와 마찬가지로, 18시 이후 실내설정온도가 증가하여 실내부하 감소 및 풍량 감소로 인해 Phi가 감소한 것으로 사료되며, 20시에 시스템이 종료되면서 성층화도 사라진 것으로 판단된다.

4.4 북측 외주부 성층화

Fig. 9와 Fig. 10은 각각은 북측 외주부의 급기구 조건 변화에 따른 Phi와 Gamma를 나타낸다. 북측 외주부는 다른 외주부와 비교하였을 때, 초기 Gamma 값이 가장 높다. 이는 다른 외주부와 바닥면적 당 부하의 차이는 크지 않지만 풍량이 높게 나타나기 때문이다. 또한 남측 외주부와 마찬가지로 급기구의 개수, 유효면적에 따른 결과는 유사한 패턴을 나타내었다. 하지만 북측 외주부의 경우 급기구의 개수, 유효면적을 1.5배 증가시킨 경우와 슬롯각도가 45°인 경우 성층화는 향상되지 않았다. 이는 급기구의 조건변화에 따라 Gamma가 감소하였지만 다른 외주부와 비교하였을 때, 그 값이 상대적으로 더 높았기 때문이다. 급기구의 개수, 유효면적을 각각 2.0배 증가시킨 Number-2, Area-2와 슬롯각도가 75°인 Angle-2의 경우는 성층화가 향상되었는데, 이는 남측 외주부와 마찬가지로 급기구 조건 변화에 따른 Gamma 감소 및 공급 풍량 감소로 인해 연쇄적으로 성층화가 형성된 것으로 사료된다. 급기구의 개수, 유효면적을 증가시킨 경우와 슬롯각도를 증가 시킨 경우를 비교하였을 때, Phi가 일정하게 0.7을 유지하는 슬롯각도와 달리 개수와 유효면적을 증가시킨 경우 Phi가 상대적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 남쪽 외주부의 경우와 마찬가지로, 18시 이후에는 실내설정온도가 증가하여 실내부하 감소 및 풍량 감소로 인해 Phi가 감소하는 것을 Fig. 10에서 나타내고 있으며, 20시에 시스템이 종료되면서 성층화도 동시에 사라진다.

4.5 서측 외주부 성층화

Fig. 11과 Fig. 12는 각각 급기구의 조건 변화에 따른 서측 외주부의 Phi와 Gamma 변화를 나타낸다. 서측 외주부의 실내부하는 일사의 영향을 많이 받게 되며, 초기에는 일사량이 적기 때문에 부하가 낮게 나타나지만 시간이 지남에 따라 태양이 남서측으로 지게 되면서 오후에 실내부하가 급증하게 된다. 따라서 초기의 실내부하가 낮기 때문에 초기 공급풍량이 다른 외주부 보다 낮아 Gamma가 낮아져 성층화가 잘 형성된 것으로 사료된다. 하지만 내부발열 증가에 따라 실내부하가 증가하여 풍량이 높아져 08시부터 성층화가 파괴 되었으며, 대부분의 시간에 성층화가 형성되지 않았다. 서측 외주부의 경우 급기구의 조건 변화에 따라 성층화 개선이 가장 잘 나타났다. 급기구의 개수, 유효면적를 각각 1.5배 증가시킨 Number-1의 경우 모든 시간대에서 Phi가 감소하며 성층화가 개선됨을 나타냈으며, 슬롯각도가 45°인 Angle-2의 경우 16시와 17시를 제외한 대부분의 시간에 성층화가 개선되었다. 16시와 17시의 경우 Phi가 증가한 이유는 실내부하가 일사의 영향으로 급증하면서 풍량이 급증하게 되는데, 그로 인해 급기구의 조건이 변화하였어도 풍량의 증가로 인해 Phi가 증가한 것으로 사료된다. 식(3)에서 나타나듯이, 급기구의 조건이 성층화에 유리한 방향으로 변함에 따라 Gamma는 감소하기 때문에 급기구의 개수, 유효면적을 2.0배 증가시킨 Number-2와 슬롯각도를 75°로 조정한 Angle-2의 경우 성층화 개선 효과는 더욱 컸으며, 대부분의 시간에 Phi가 0.7로 일정하게 유지됨을 확인할 수 있다. 이는 성층화가 계속 유지됨에 따라 풍량의 감소가 연속적으로 이루어지며, 급기구의 변수 값이 Gamma의 증가를 상쇄하였기 때문으로 판단된다.

4.6 동측 외주부 성층화

Fig. 13과 Fig. 14는 각각 북측 외주부의 급기구 조건 변화에 따른 Phi와 Gamma를 나타낸다. Base를 보면, 동측 외주부의 Gamma와 Phi 값이 다른 외주부들에 비해 낮으며, 11시에서 12시를 제외한 모든 시간에 성층화가 형성됨을 알 수 있다. 동측 외주부의 경우 바닥면적이 작으며, 다른 외주부와 비교하였을 때 냉방 부하가 상대적으로 작고 그에 따라 풍량 또한 낮기 때문이다. 하지만 급기구 조건 변화에 따라 성층화의 개선정도가 다른 외주부에 비해 크지는 않았다. 다른 외주부의 경우 대부분의 시간에 높은 부하 및 풍량으로 인해 성층화가 잘 형성되지 않아 급기구의 조건 변화로 인해 성층화의 개선정도가 뚜렷했지만, 동측 외주부의 경우에는 Base에서도 부하 및 풍량이 다른 외주부에 비해 낮아 성층화가 잘 이미 형성되었기 때문에 급기구의 조건 변화로 인한 성층화 차이가 크지 않은 것으로 사료된다.