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Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

ISO Journal TitleKorean J. Air-Cond. Refrig. Eng.
  • Open Access, Monthly
Open Access Monthly
  • ISSN : 1229-6422 (Print)
  • ISSN : 2465-7611 (Online)

  1. 중앙대학교 대학원 박사과정 (Ph.D Candidate, Graduate School, Chung-Ang University, 84 Heukseok-ro, Dongjak-gu, Seoul, Republic of Korea)
  2. 중앙대학교 대학원 석사과정 (Master's course, Graduate School, Chung-Ang University, 84 Heukseok-ro, Dongjak-gu, Seoul, Republic of Korea)
  3. 중앙대학교 대학원 석사과정 (Master's course, Graduate School, Chung-Ang University, 84 Heukseok-ro, Dongjak-gu, Seoul, Republic of Korea)
  4. 중앙대학교 대학원 박사과정 (Ph.D Candidate, Graduate School, Chung-Ang University, 84 Heukseok-ro, Dongjak-gu, Seoul, Republic of Korea)
  5. 중앙대학교 건축학부 교수 (Professor, School of Architecture & Building Science, Chung-Ang University, 84 Heukseok-ro, Dongjak-gu, Seoul, Republic of Korea)



자연환기율(Natural ventilation efficiency), 집풍루버(Windcatcher louver), 공동주택(Apartment houses), 전산유체역학(Computational fluid dynamics)

기호설명

ρ:밀도 [kg/m3]
k:난류 유동 에너지 [m2/s2]
μ:점성계수 [Pa․s]
Gk:평균속도에 의한 생성항
Gb:부력에 의한 생성항
εε :난류 운동 에너지 소산율 [m2/s2]

1. 연구배경 및 목적

미국 국립직업안전건강연구소(NIOSH; National Institute for Occupational Safety and Health)에서는 실내공기의 오염 기여도는 ‘불충분한 환기’로 인한 영향이 가장 크다(52%)고 발표하였다.[1] 환기가 원활하게 이루어지지 않아 실내공기가 오염될 경우 감각둔화, 두통, 호흡기질환 등 새집증후군(Sick House Syndrome)과 빌딩증후군(Sick Building syndrome) 등의 인체영향이 발생될 수 있으며 심할 경우 사망에 이르기도 한다.[3]

이와 같이 실내공기질 오염을 완화하고 청정한 환경을 조성할 수 있는 가장 효과적이며 일반적인 방법은 환기이며, 우리나라에서는 실내공기질을 일정수준 이상 확보하기 위하여 100세대 이상의 공동주택 또는 주택 외의 시설과 동일건축물로 건축하는 경우로서 주택이 100세대 이상인 건축물에서는 시간당 환기횟수 0.5회 이상을 요구하고 있다.[5] 이와 같은 환기횟수 성능평가를 위해서는 한국산업표준의 KS F 2921 「자연환기설비의 환기성능 시험방법」을 이용한다.[6]

본 연구에서는 공동주택에서 루버(Louver)를 창호 개구부에 적용하여 외기의 바람 및 실내·외 온도차가 크지 않은 경우에도 상대적으로 보다 원활하게 자연환기가 이루어질 수 있는 집풍장치(Windcatcher)를 사용하여 자연환기의 효율을 상승시키고자 하였다. 전산유체역학(CFD; Computational Fluid Dynamics)을 이용하여 공동주택에 집풍장치(Windcatcher) 유·무에 따른 자연환기효율을 분석하였다. 집풍장치(Windcatcher)는 ‘Clark-Y형’ 에어포일형태로 디자인 하였으며, 세부 연구방법은 Fig. 1과 같다.

Fig. 1. Flow chart of research.
../../Resources/sarek/KJACR.2019.31.2.081/fig1.png

2. 이론고찰

2.1 개요

건축기술의 발달로 현대 건축물은 구조나 자재가 우수하며 특히 단열이 강화되어 침기 등으로 발생되는 자연환기율이 상대적으로 낮아 실내오염물질이 축적될 수 있다. 이에 따라 실내오염물질 제거를 위한 방법으로 외기의 신선한 공기유입을 통한 자연환기방법이 사용되고 있다. 그러나, 자연환기는 압력, 풍력 및 중력 등을 이용하기 때문에 외기의 바람의 유입양과 실내․외 온도차가 크지 않을 경우 높은 환기효율을 기대하기 힘들다. 특히, 창호의 위치가 맞통풍으로 되어있지 않은 경우에는 더욱 환기효율이 낮아진다.[7]

따라서, 공동주택에서 자연환기 고려요소로는 실내․외 온도, 풍속 및 풍향 등과 환기창 위치, 형태, 면적 및 개방방식 등 다양한 조건을 검토해야한다.[11,12]

2.2 집풍장치(Wind Catcher)

집풍장치는 고대 이집트에서 사용된 페르시아의 건축 요소 중 하나로 현재는 이란, 이집트, 두바이 등 덥고 건조한 기후지역에서 널리 사용되는 장치로 공기의 대류효과를 통한 자연환기시스템을 의미한다.[13] 오늘날에 집풍장치는 건물상층부의 공기를 모을 수 있도록 건물보다 높게 위치한 타워형태로 추가적인 설비장치없이 자연적 방법으로 실내 환기 및 냉방 장치로 사용된다.[14]

본 연구에서는 이와 같은 집풍장치의 개념을 국내 공동주택에 도입하고자 에어포일(airfoil) 형태를 적용하였다. 에어포일이란, 비행기의 날개와 같은 형상의 2차원 단면을 나타내는데 보통 앞전(leading-edge)을 둥글게 하고 뒷전(trailing-edge)을 뾰족하게 한 유선형 형상을 의미한다. 에어포일의 대표적인 형태는 미국의 항공자문위원(National Advisory Committee for Aeronautics; NACA)가 개발한 형태와 Clark-Y가 가장 일반적이다. Clark-Y는 1922년 Virginius E. Clark에 의해 디자인 되었으며 평평한 바닥면은 각도 측정을 단순화하여 디자인하기 수월하기 때문에 범용 항공기 설계에 널리 사용되는 에어포일의 형태로 공기역학 분야에서 다양하게 연구되었다.

본 연구에서는 집풍루버 디자인을 Clark-Y 에어포일 형태 기반으로 선정하였다. Clark-Y는 최대 두께비(Thickness ratio)가 28% 위치에서 11.7%이고, 캠버(camber) 3.4%에 최대 캠버 위치는 42%이다. 다음의 Fig. 2는 Clark-Y 에어포일의 단면과 양력계수, 항력계수의 특성을 나타낸다. Table 1은 Clark-Y 에어포일의 데이터이며 X좌표에 따른 블레이드의 상․하부의 Y좌표 값을 의미한다. 에어포일형상을 설계할 때는 블레이드의 크기와 주속비 등에서 레이놀드수를 고려할 필요가 있지만 일반적으로는 무시하여 NRe = 100,000정도의 데이터를 바탕으로 설계한다. 영각은 상대적인 바람의 방향과 블레이드의 현 길이, 선각도를 뜻하는데 이 각도에 따라 블레이드에 작용하는 양력이 크게 변화한다. Clark-Y 에어포일은 영각을 8°로 설정했을 때 최대 출력을 얻을 수 있으며, 형상에 따라 미세하게 다르지만 보통 양력계수 CL = 1, 영각 4~6°로 설정하면 큰 오차는 없다.[16]

Fig. 2. Cross-section, lift and drag coefficient characteristics of Clark-Y type airfoil.
../../Resources/sarek/KJACR.2019.31.2.081/fig2.png

Table 1. Data of Clark-Y airfoil

X

Y

Upper

Bottom

0.00

3.50

3.50

1.25

5.45

1.93

2.50

6.50

1.47

5.00

7.90

0.93

7.50

8.85

0.63

10.00

9.60

0.42

15.00

10.68

0.15

20.00

11.36

0.00

30.00

11.70

0.00

40.00

11.40

0.00

50.00

10.52

0.00

60.00

9.15

0.00

70.00

7.35

0.00

80.00

5.22

0.00

90.00

2.80

0.00

95.00

1.49

0.00

100.00

0.12

0.00

2.3 루버(Louver)

루버는 폭이 좁은 판을 비스듬히 일정 간격을 두고 수평 또는 수직으로 배열한 것으로써 실외에서는 실내가 보이지 않고, 실내에서는 실외를 보는데 불편함이 없도록 설치한다. 주로 채광 및 일조조정에 사용되며 통풍과 환기의 목적으로도 사용된다.[18] 환기의 목적으로 사용되는 루버는 일반적으로 블레이드(blade)가 움직이지 않는 고정식과 상황에 따라 개폐 및 각도조절이 가능한 가동식으로 구분되며, 블레이드의 설계에 따라 환기가 될 때 공기 저항을 받기 때문에 유동에 의한 압력분포나 유동패턴에 따라 설치 위치와 블레이드의 개수가 결정된다.[19] 또한 기계환기 시스템에 루버를 적용하면 공기의 유량과 취출구에서 발생되는 차압을 제어할 수 있는 특징이 있다.[14,15] 다음의 Fig. 3은 건물의 개구부에 적용되는 루버의 사례이다.

Fig. 3. Louver applied to windows.[23,24]
../../Resources/sarek/KJACR.2019.31.2.081/fig3.png

3. 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션

3.1 개요

국내 KS F 2921에서는 자연환기의 환기성능 시험방법에 대해 테스트 챔버를 활용한 판정에 대하여 명시하고 있으나, 챔버를 구성하기 전 시뮬레이션 기법을 통해 사전 분석을 실시 할 수 있다. 본 연구에서는 집풍루버의 유무와 형상에 따른 자연환기성능의 분석을 위해 전산유체역학(CFD; Computational Fluid Dynamics) 분석을 실시하였다.

CFD 분석 프로그램은 CD-Adapco사의 Star-CCM+(ver.13.03)를 사용하였으며, 난류모델은 K-epsilon 모델을 사용하였다. K-epsilon 모델은 실내·외 기류분석에 있어서 높은 정확도의 Tetra 격자 해석능력으로, 상대적으로 큰 모델링에도 에러율이 낮은 장점이 있기 때문에[22,23] K-epsilon 모델을 사용하였다. 관련 방정식은 3차원 정상상태의 비압축성 유동이며 다음의 식(1), 식(2)와 같다.[24]

(1)
$\frac { \partial u _ { i } } { \partial x _ { i } } = 0$

(2)
$\frac { \partial } { \partial x _ { i } } \left( \rho k u _ { j } \right) = \frac { \partial } { \partial x _ { j } } \left( \alpha _ { k } \mu _ { e f f } \frac { \partial k } { \partial x _ { j } } \right) + G _ { k } + G _ { b } - \rho \epsilon$

여기서,

ρ : 밀도(kg/m2)

Gk : 평균속도에 의한 생성항

k : 난류 유동 에너지(m2/s2)

Gb : 부력에 의한 생성항

μ : 점성계수(Pa․s)

ε : 난류 운동 에너지 소산율(m2/s2)

또한, CFD 분석의 기본 설정조건은 Table 2와 같으며, 대상 모델의 규모를 고려하고 시뮬레이션의 효율적인 작동을 위하여 Mesh의 Base size를 0.01 m, Target size를 50%로 설정하여 최소 0.005 m가 되도록 설정하였다. 격자 형상은 효과적으로 3차원 해석이 구현 가능한 Polyhedral mesh로 설정하였으며, 분석 간격은 20초 간격으로 설정하였다. 분석은 84 m2의 공동주택에 집풍루버(Louver) 설치 유무에 따른 자연환기효율을 비교하였다. 루버(Louver)의 설치 유무에 따른 자연 환기 비교 시, 초기 기체 설정은 내·외부 모두 CO2 100%로 설정한 뒤, inlet 값으로 서풍 3.6 m/s로 설정하여, 시간 변화에 따른 실내 농도 변화를 분석하였다.

Table 2. Simulation environment setting

Item

Settings

Space

Three Dimensional

Mesh

Polyhedral Mesh

Mesh Size

Base size

0.01 m

Target size

50%(0.005 m)

Time

Analysis of windcatcher louver by angle

Steady

Analysis of windcatcher application

Implicit unsteady(Time step : 20s)

Material

Gas

Flow

Segregated Flow

Fluid state

Inlet : Air

Initial : CO2

Viscosity

Turbulent

Reynolds-turbulent flow

K-epsilon Turbulence

3.2 집풍루버설계 및 모델링 및 분석 조건

집풍루버설계는 Clark-Y 에어포일형상타입으로 제작하였다. 또한, 모델링 분석조건은 서울의 2017년 풍향․속을 기준으로 루버 선단을 주풍향인 서향으로 설치하였으며 현의 길이는 220 mm로 설계 하였다. Fig. 4는 집풍루버의 단면 및 전체 형상과 외기의 바람이 불어왔을 경우 생성되는 주변의 압력 분포와 설치 예시를 나타낸다. Clark-Y 에어포일은 영각을 8°로 설정했을 때 최대 출력을 얻을 수 있으며, 형상에 따라 미세하게 다르지만 보통 양력계수 CL = 1, 영각 4~6°로 설정하면 큰 오차는 없기 때문에 시뮬레이션의 영각은 8°로 설정하였다.[16] 공동주택 모델링은 Fig. 5와 같이 국내의 일반적인 84 m2의 평면을 사용하였고, 창호는 모두 열려 있는 상태로 설정하였다. 외기의 풍속은 서울시의 2017년 평균 풍속인 풍속 3.6 m/s(지상 10 m 기준)로 적용하였고, Outlet의 비율은 동, 남, 북향 각각 33%씩으로 설정하여 Inlet으로 유입된 기류가 자연스럽게 흐를 수 있도록 설정하였다. Fig. 6은 공동주택 모델링 후 남측에 8°의 집풍루버를 적용한 모습이다. 국내 대부분의 공동주택은 남향으로 되어 있기 때문에 대부분의 창호가 남측에 집중되어 있고, 집풍 장치는 외기 바람을 활용하여 부압을 형성시키는 장치이기 때문에 남향에 설치하였다.

Fig. 4. Clark-Y airfoil shape-based windcatcher : (a) Section of the windcatcher, (b) Modeling of the angle setting, (c) Pressure distribution of the windcatcher, (d) Overall shape of the windcatcher.
../../Resources/sarek/KJACR.2019.31.2.081/fig4.png

Fig. 5. Floor plan of apartment house used for CFD analysis.
../../Resources/sarek/KJACR.2019.31.2.081/fig5.png

Fig. 6. Modeling with the windcatcher.
../../Resources/sarek/KJACR.2019.31.2.081/fig6.png

4. 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션 결과

집풍루버의 설치 유무에 따른 자연환기성능을 분석하기 위해 시뮬레이션을 활용하여 평가하였다. 분석 간격은 20초, 40초, 80초, 160초, 320초로 하였고 Air와 CO2 농도를 분석을 하였다. 결과는 Fig. 7과 같다. 즉, (a), (c), (e), (g), (i)는 집풍루버를 설치하지 않은 평면이며, (b), (d), (f), (h), (j)는 집풍루버를 설치한 평면이다. 범례에서는 왼쪽부분의 파란색이 Air 100%, 오른쪽의 붉은색이 CO2 100%를 의미한다. 분석은 건물 평면 내에서의 농도 분포(픽셀 수) 변화량으로 확인하였으며, 초기농도(CO2) 100%의 픽셀 수는 총 875,663개이다.

Fig. 7. Concentration analysis with or without windcatcher louver installation.
../../Resources/sarek/KJACR.2019.31.2.081/fig7.png

분석결과, 집풍루버를 설치했을 경우 1.2 kg/m3 이하의 농도까지 감소한 반면 집풍 루버를 설치하지 않은 경우는 약 1.4 kg/m3 이상의 농도까지만 감소하였다. 또한 320초 후의 CO2 평균농도를 분석한 결과 집풍루버를 설치하지 않은 평면이 1.52 kg/m3로 15.6% 감소하였고, 집풍루버를 설치한 경우 1.44 kg/m3로 20% 감소하였다. 상세한 농도 변화량은 Table 3과 같다. Fig. 8은 공기가 실내로 유입되는 기류 분석을 보여주기 위한 단면이며 상부와 하부의 기류가 반대로 나타나는 것을 확인할 수 있다. Fig. 9는 루버를 설치한 경우와 설치하지 않은 경우의 각 공동주택 거실 중앙의 CO2 농도변화 그래프이다. 루버를 설치한 경우의 CO2 농도가 더 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있다.

Table 3. Concentration variation with time

Floor plan without windcatcher louver

Floor plan with windcatcher louver

Time

Concentration

Number of pixels (Ratio)

Time

Concentration

Number of pixels (Ratio)

0s

1.8 kg/m3

875,663(100%)

0s

1.8 kg/m3

875,663(100%)

20s

< 1.8 kg/m3

427,447(48.8%)

20s

< 1.8 kg/m3

521,897(59.6%)

< 1.6 kg/m3

304,951(34.8%)

< 1.6 kg/m3

191,235(21.8%)

< 1.4 kg/m3

143,265(16.4%)

< 1.4 kg/m3

125,166(14.3%)

< 1.2 kg/m3

0

< 1.2 kg/m3

36,993(4.2%)

320s

< 1.8 kg/m3

109,756(12.5%)

320s

< 1.8 kg/m3

96,953(11.1%)

< 1.6 kg/m3

302,586(34.6%)

< 1.6 kg/m3

152,015(17.4%)

< 1.4 kg/m3

463,115(52.9%)

< 1.4 kg/m3

459,042(52.4%)

< 1.2 kg/m3

0

< 1.2 kg/m3

167,919(19.2%)

Fig. 8. Horizontal section for airflow analysis, (a) upper part of louver, (b) lower part of louver.
../../Resources/sarek/KJACR.2019.31.2.081/fig8.png

Fig. 9. Change of Indoor CO2concentration.
../../Resources/sarek/KJACR.2019.31.2.081/fig9.png

5. 결 론

본 연구는 공동주택의 창호 개구부에 에어포일형태의 집풍장치(Windcatcher)를 적용하여 자연환기의 효율을 상승시키고자 전산유체역학(CFD; Computational Fluid Dynamics) 시뮬레이션을 실시한 것으로 연구결과를 요약하면 다음과 같다.

(1) Clark-Y 에어포일형상은 영각 8°일 때 루버의 상부 부압 형성 면적이 가장 넓어져 8°에서 풍속이 가장 빨라진다.

(2) 영각 8°의 집풍루버를 공동주택에 설치한 결과 설치하지 않은 경우보다 높은 자연환기율이 나타난다.

(3) 영각 8°의 Clark-Y 에어포일형상 집풍루버 설치 유무에 따른 CO2 농도(1.8 kg/㎥) 비교결과, 집풍루버를 설치한 경우 자연환기 성능이 4.6% 증가하는 것으로 나타났다.

따라서, 지금까지의 연구결과를 종합해 보면 공동주택 창호 개구부에 Clark-Y 에어포일형상의 집풍장치 (Windcatcher)를 적용 시 약 4.6% 자연환기효율 향상과 특히 영각 8°에서 최대효과를 기대할 수 있다.

후 기

본 연구는 국토교통부 국토교통기술촉진연구사업의 연구비지원(18CTAP-C133322-02)에 의해 수행되었습니다.

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