박우평
(Woo-Pyoung Park)
1
조진균
(Jinkyun Cho)
†
김진호
(Jinho Kim)
3
-
경기대학교 대학원 건축공학과 연구원
(
Researcher, Department of Architectural Engineering, Kyonggi University, 16227,
Suwon, Korea
)
-
국립한밭대학교 공과대학 설비공학과 조교수
(
Assistance Professor, Department of Building and Plant Engineering, Hanbat National
University, 34158, Daejeon, Korea
)
-
수원과학대학교 건축기계설비과 조교수
(
Assistance Professor, Department of Building Technology, Suwon Science College,
18516, Hwasung, Korea
)
Copyright © 2016, Society of Air-Conditioning and Refrigeration Engineers of Korea
Key words
Underground parking lot(지하주차장), Mechanical ventilation(기계환기), Design improvement procedure(설계성능개선방법), CFD(전산유체역학), Required air flow rate(요구환기풍량)
1. 연구배경 및 목적
최근 건설되고 있는 건축물의 경우, 초고층화와 함께 거주공간 점유율의 최대화 및 편의시설 확보를 위하여 지하공간에 대규모 주차장을 계획하고 있다.
지하주차장이 대형화됨으로 차량의 이동으로 인해 국소적으로 발생하는 오염물질을 제거하기 위해 설치해야 되는 환기시스템의 성능을 양호하게 유지할 필요성이
대두되고 있다.(1,2) 이러한 지하 주차공간에서는 고심도로 갈수록 자연환기가 어려워 기계 환기의 의존도가 높은 설계 성능과 실제 가동 환기성능에 차이로 실내공기질의 악화로
이어지고 사용자의 건강을 위협할 우려를 낳고 있다.(3) 정부는 에너지 절감을 기하고자 공동주택 지하주차장에 대하여 일정비율 이상의 자연환기 개구부를 설치하도록 권장하고 있지만 자연환기만으로는 지하공간의
실내공기질을 만족할 만큼 제어하기 어렵고, 환기설비의 배기경로와 서로 상충될 경우 역효과를 유발할 수 있기 때문에 공기흐름에 대한 면밀한 검토가 요구되고
있다.(4) 지하주차장의 환기를 위해 도입되는 외기량과 배출되는 배기량을 처리하기 위해 팬룸을 설치하고 연중 가동하고 있기 때문에 상당한 에너지소비도 지속적으로
발생하고 있다.
Table 1. Ventilation rate of underground parking lot by building types
|
Building type
|
Turnover rate
of a vehicle
|
Number of vehicles
[EA]
|
CO emission
[g/h]
|
OA intake
[m$^{3}$/h]
|
Coefficient
|
Ventilation rate [m$^{3}$/h․m$^{2}$]
|
|
Calculated
|
Recommend
|
|
Multiplex housing
|
2.1
|
33
|
1,391.5
|
31,165
|
1.0
|
7.0
|
7.0
|
|
Medical facility
|
6.4
|
99
|
4,153.5
|
93,024
|
2.99
|
21.0
|
21.0
|
|
Public building
|
7.1
|
110
|
4,613.54
|
103,327
|
3.32
|
23.2
|
23.0
|
|
Office building
|
3.6
|
56
|
2,353.94
|
52,720
|
1.69
|
11.8
|
12.0
|
|
Accommodation
|
5.5
|
85
|
3,567.4
|
79,897
|
2.56
|
17.9
|
18.0
|
|
Commercial building
|
5.9
|
92
|
3,860.34
|
86,458
|
2.77
|
19.4
|
20.0
|
현재까지 국내의 지하주차장 환기시스템 관련연구는 결로문제(5,6) 등 하자해결 이슈, 자연환기(7,8) 및 제연설비 연계(9,10)의 연구가 주를 이루고 있었다. 그러나 본 연구는 지하주차장의 환기구의 면적과 송풍기 종류 및 팬룸의 위치가 풍력환기에 미치는 영향을 파악하는데 그
목적을 두고 있다. 기계환기는 팬룸 내의 송풍기의 풍력에 의해 구동되지만 대심도 지하주차장에서의 급․배기 송풍량 부족은 위치에 따라 상이하며, 이는
dry area의 형상(DA의 연결부위 채널형태)과 너비에 따라 다르기 때문에 본 연구에서는 송풍기 재설정에 의한 기계환기 적정성을 검토하였다. 적용한
대상 건물은 지하 6개 층에 지하주차장을 갖는 최근 완공된 대규모 주상복합 건물로, 동-서측에 건물이 배치되어 있고 팬룸과 연결된 DA 환기타워를
분석하였다. CFD 수치해석을 활용한 대규모 지하주차장의 기계환기시스템 성능개선 설계방법을 적용하여 팬룸을 비롯한 지하주차장 내외의 환기성능을 도출하였고,
송풍기의 종류 등 다양한 변수가 환기성능에 미치는 영향을 분석하였다.
2. 지하주차장 환기설비에 관한 고찰
지하주차장 공기오염의 주원인은 자동차 배기가스이다. 배기가스의 유해 성분에는 일산화탄소, 탄산가스, 질소화합물, 탄화수소, 알데히드류, 흑연,
납화합물 등 여러 가지 있지만 인체에 대한 유독성, 배출량 등을 고려하여 주차장의 환경지표로는 일산화탄소(CO가스) 농도를 사용하고 있다. 주차장법
시행규칙 제6조 8항에 의하면 노외주차장 내부 공간의 일산화탄소 농도는 주차장을 이용하는 차량이 가장 빈번한 시각의 앞뒤 8시간 평균 50 ppm,
다중이용시설 등의 실내공기질관리법 제3조 제1항 제9호에 따른 실내주차장은 25 ppm 이하로 유지되어야 한다.(11) 국내의 경우 교통안전공단, 한국에너지공단, 서울시 자동차 공회전 제한에 대한 조례에서 일산화탄소 발생량 및 공회전 시간에 대한 기준을 제시하고 있다.
일반적인 지하주차장 환기시스템 설계는 일산화탄소 발생량 및 소요환기량 분석기법에 의해 지하주차장의 환기량을 계산한 경험치를 바탕으로 하여 Table 1과 같이, 지하주차장의 단위면적에 따른 필요 환기량(m$^{3}$/h․m$^{2}$)을 건물 용도별로 정형화하고 환기량 계산을 단순화하여 사용한다.(12) 이러한 단순화된 필요 환기량 기준으로 송풍기를 포함한 기계환기 설계를 할 경우, 팬룸의 위치에 따라서 급․배기 송풍량 불균형이 발생 할 수 있다.
따라서 수치해석을 통한 성능 검증을 통하여 설계의 타당성 확보를 위해 시스템 성능개선 절차(13)가 필요하다.
3. 연구방법
대형 주차장의 환기를 위해, 외기를 도입하거나 배기를 수행하기 위해 설치되는 송풍기는 일반적 편입형 (sirocco) 송풍기를 사용하고 있다.
급기용 송풍기와 같이 토출방향의 공간이 넓은 경우는 유동 저항에 크게 영향을 받지 않지만 환기타워와 같이 토출방향의 제한된 경우, 유동저항을 유발시키게
된다. 풍량이 어느 한계 이상이 되면 축동력이 급증하고 압력과 효율은 낮아지는 오버로드 영역과 서징현상이 있는 영역에서 운전하게 되는 문제점이 발생하게
된다. 따라서 성능개선 설계방법이 필요하게 된다. 1단계로 최초의 설계조건을 대상
으로 기본 수치해석(CFD)을 통한 풍량 부족 여부 확인하고, 2단계로는 2대의 송풍기 가동의 풍량 분배 및 압력차이 비율을 확인하여 각 구역별로
총 필요 풍량에 부합하도록 각 송풍량을 재 산출하고 압력차를 보정 1차 수치해석을 한다. 3단계는 새로운 송풍기를 선정하고 해당 성능곡선의 수식을
적용하여 새로운 조건으로 2차 수치해석을 수행한다. 마지막 단계로 목표 송풍량에 도달할 때까지 2단계와 3단계를 반복 수행한다.
Fig. 1 Design optimization (research) procedure of mechanical ventilation system.
이때, 송풍기가 서징현상이 있는 영역에서 운전될 경우, 양입형(airfoil) 송풍기로 변경하여 다시 설계개선을 수행한다. 5단계로 설계범위에서
풍량 및 정압 최소화 설정으로 3차 수치해석을 수행하고, 풍량이 부족할 경우, 6단계로 정압을 상향하여 4차 수치해석을 수행한다. 마지막으로 풍량을
증가시켜 5차 수치해석을 통하여 성능개선을 완료하게 된다. 연구방법 및 성능개선 설계절차는 Fig. 1과 같다.
3.1 설계 성능개선 대상건물
본 연구는 서울시 용산구에 위치한 R 주상복합건물의 지하주차장을 대상으로 설계변경 및 시공에 실제 반영한 프로젝트이다. Fig. 2와 같이 지하 3층~8층까지 총 6개 층으로 주차장이 구성되어 있고 급․배기 모두 기계환기인 3종환기가 적용되었다. 각 층에는 급기와 배기를 위한
팬룸이 6개가 설치되었고 최초의 송풍기 형식은 편흡입으로 등분 대수 분할되어 설계되었다.
Fig. 2 Underground parking spaces in a reference building and location of vents(fan rooms).
Table 2. Supply and exhaust fan curve functions of the original design [unit : Pa]
|
Floor
|
Fan curve functions(Q = 450 CMM)
|
|
Basement 8th floor
|
OA
|
$\Delta P=8.003\times 10^{-3}Q^{5}+0.313Q^{4}-4.611Q^{3}+28.05Q^{2}-63.17Q+231.6$
|
|
EA
|
$\Delta P=1.5787\times 10^{-4}Q^{5}-0.01971Q^{4}+0.04567Q^{3}+3.065Q^{2}+21.70Q+207.8$
|
|
Basement 7th floor
|
OA
|
$\Delta P=-7.204\times 10^{-3}Q^{5}+0.287Q^{4}-4.308Q^{3}+26.71Q^{2}-61.53Q+233.1$
|
|
EA
|
$\Delta P=2.893\times 10^{-4}Q^{5}-0.02287Q^{4}+0.07237Q^{3}+2.975Q^{2}-21.80Q+207.5$
|
|
Basement 6th floor
|
OA
|
$\Delta P=-8.577\times 10^{-3}Q^{5}+0.322Q^{4}-4.565Q^{3}+26.75Q^{2}-58.10Q+213.5$
|
|
EA
|
$\Delta P=-1.533\times 10^{-4}Q^{5}-0.02474Q^{4}-11.28Q^{3}+5.274Q^{2}-27.13Q+201.2$
|
|
Basement 5th floor
|
OA
|
$\Delta P=-8.341\times 10^{-3}Q^{5}+0.316Q^{4}-4.525Q^{3}+26.75Q^{2}-58.67Q+231.2$
|
|
EA
|
$\Delta P=-7.136\times 10^{-5}Q^{5}-0.01207Q^{4}-0.06101Q^{3}+3.600Q^{2}-22.20Q+196.2$
|
|
Basement 4th floor
|
OA
|
$\Delta P=-8.719\times 10^{-3}Q^{5}+0.328Q^{4}-4.648Q^{3}+27.09Q^{2}-58.47Q+207.2$
|
|
EA
|
$\Delta P=-1.025\times 10^{-4}Q^{5}-0.01034Q^{4}+0.09095Q^{3}+3.800Q^{2}-22.66Q+196.3$
|
|
Basement 3rd floor
|
OA
|
$\Delta P=-9.900\times 10^{-3}Q^{5}+0.354Q^{4}-4.722Q^{3}+26.63Q^{2}-55.19Q+194.7$
|
|
EA
|
$\Delta P=-2.328\times 10^{-4}Q^{5}-0.0084Q^{4}-0.107Q^{3}+3.787Q^{2}-21.65Q+183.8$
|
3.2 수치해석 조건
본 논문에서는 CFD 수치해석을 수행한 8개 층을 관통하는 환기타워는 총 6개중, 급기와 배기의 각 1개식 총 2개의 환기타워(OA-01,
EA-01)에 종속된 팬룸의 송풍기와 환기성능만 제시하였다. 팬룸 내부의 유동해석을 위해 적용된 경계조건은 편입형과 양입형 송풍기의 수직방향으로 회전할
수 있는 다익을 형상화하고 회전속도는 350 rpm 이상으로 적용하였다. 송풍기의 흡입측(EA), 토출측(OA)은 표준대기압력으로 가정한 압력경계조건을
적용하였다. 6개 층 팬룸에서 주차장으로 공급되는 급기구와 주차장에서 팬룸으로 유입되는 배기구는 압력
경계조건을 적용하였으며 모든 벽체는 no slip을 적용하였다. 난류방정식을 해석하기 위해 표준 k-ε방정식과 2차 상류차분기법(2nd order
upwind scheme)을 사용하였으며 압력 방정식은 SIMPLE 알고리즘을 적용하고 송풍기의 blower curve model은 Table 2와 같다. 최초의 설계에서 선정된 송풍기의 성능곡선을 제조사에서 제공받아서 기준 풍량 대비 압력손실을 산출하여 CFD 경계조건에 반영한 사항이다.
STAR-CCM+ 소프트웨어에서 사용된 격자계는 tetra mesh이며 해석의 정확성을 위해 팬룸에서 조밀한 격자계를 구성하는 비균일 격자계를 적용
하였다. 주차장 송풍기의 형식에 따른 정압 및 풍량이 설계 의도대로 작동하는 가를 확인하는 것이다. 따라서 주차장 전체를 모델링하는 것이 아니고 팬룸을
경계로 intake, outlet 개구부를 중심으로 환기타워와 연결되는 부분만 모델링하였으며, 각 팬룸 격자계의 개수는 약 500,000개를 사용하였다.
4. 수치해석 결과 및 설계 성능개선
4.1 설계안 환기시스템 분석(Baseline 시뮬레이션)
지하주차장 기계환기시스템의 송풍기는 필요 급기량(배기량)을 계산하고 송풍기와 덕트, 환기구의 설치조건을 고려하여 정압을 가정하여 용량을 결정하는
것이 일반적이다. 따라서 초기설계 기준은 Table 1에서 제시한 용도별 단위면적당 환기량을 지하주차장 해당 면적을 고려하여 산출하였다. 따라서 대상건물의 1개 층에서 담당하는 환기량은 250,000
CMH이다. Fig. 2에서와 같이, B3F~B6F의 급기 팬룸(OA-01)과 배기 팬룸(EA-01)은 각각 80,000 CMH의 환기량을 담당하고 있으며 팬룸 내부에는
동일한 풍량의 3개의 송풍기로 구성되어 있다. 최초 설계의 송풍기 사양은 Table 3과 같이 동일한 풍량으로 병렬운전을 적용하였다.
Table 3. The original design of supply and exhaust fan in fan rooms
|
Floor
|
Location
|
Fan specification details
|
|
Fan type
|
Air flow rate
|
Pressure drop
|
RPM
|
Rated output
|
Quantity
|
|
Basement 8th floor
|
Fan room OA-01
|
Sirocco(single suction)
|
450 CMM
|
245 Pa
|
370
|
7.5 kW
|
3 EA
|
|
~Basement 3rd floor
|
Fan room EA-01
|
Sirocco(single suction)
|
450 CMM
|
196 Pa
|
350
|
7.5 kW
|
3 EA
|
Fig. 3 Simulation results; a) velocity distribution along location of fans and b) air flow rate shortage ratio of supply air fan in fan rooms OA-01.
4.1.1 급기시스템(OA-01)
지하주차장 외기공급을 위한 각 증별 OA-01 팬룸에 적용된 3개의 송풍기는 동일한 유로를 사용하기 때문에 각 송풍기에 미치는 압력이 다르다. 이에
따라 송풍기의 성능이 다르게 나타나게 된다. Fig. 3은 CFD 해석 결과인 층별 팬룸에 설치된 송풍기의 지하주차장 토출구의 속도분포 및 설계에 적용된 송풍기의 설계풍량 대비 부족 풍량 비율을 보여주고
있다. 동일한 사양의 송풍기는 층별, 위치별로 최대 19% 초과 풍량과 약 90%의 심각한 풍량 부족현상 발생이 예상되었다. 또한 각 층별로 최소
3%에서 최대 35%까지 설계풍량에 도달하지 못한 상태에서 운전이 될 것으로 분석되었다. 이러한 상태로 시공이 되어 환기설비가 가동이 되면 환기성능을
절대 만족시킬 수 없으며 비정상 상태에서 운전되는 송풍기의 수명에도 큰 영향을 미칠 가능성이 크다.
4.1.2 배기시스템(EA-01)
지하주차장의 오염된 공기를 외부로 배출하기 위한 각 증별 EA-01 팬룸은 형상과 환기타워와의 연결 구조가 다른 팬룸에 비하여 공기유로의 구성이 단순하여
층간 및 송풍기간 성능차이가 비교적 작게 나타났다. Fig. 4는 배기팬룸인 EA-01의 CFD 해석 결과로 층별 팬룸에 설치된 송풍기의 지하주차장 흡출구와 1층의 환기타워 토출구의 속도분포와 각 배기 송풍기의
설계풍량 대비 부족한 비율을 보여주고 있다. 송풍기의 층별, 위치별 송풍량은 최소 63%에서 최대 71% 범위에서 운전될 것으로 예측되었다. 또한
각 층별로 31~35%의 풍량이 부족할 것으로 분석되었다.
Fig. 4 Simulation results; a) velocity distribution along location of fans and b) air flow rate shortage ratio of exhaust air fan in fan rooms EA-01.
Table 4. Design optimization of supply air fans in OA-01(Step 2~4)
|
Floor
|
1st simulation results(of Sirocco fan)
|
2nd simulation results(of Sirocco fan)
|
|
Left fan
|
Right fan
|
Left fan
|
Right fan
|
|
Frow rate
[CMH]
|
Pressure
[Pa]
|
Frow rate
[CMH]
|
Pressure
[Pa]
|
Frow rate
[CMH]
|
Pressure
[Pa]
|
Frow rate
[CMH]
|
Pressure
[Pa]
|
|
B3F
|
37,145
|
253
|
26,150
|
213
|
37,377
|
253
|
27,091
|
213
|
|
B4F
|
33,626
|
240
|
34,388
|
253
|
33,649
|
240
|
36,057
|
253
|
|
B5F
|
28,773
|
206
|
28,443
|
217
|
23,610
|
206
|
25,938
|
217
|
|
B6F
|
25,422
|
229
|
25,375
|
240
|
25,339
|
229
|
28,953
|
240
|
|
B7F
|
22,615
|
227
|
25,115
|
240
|
24,056
|
227
|
28,304
|
240
|
|
B8F
|
23,098
|
237
|
24,376
|
243
|
25,045
|
237
|
28,249
|
243
|
Fig. 5 Re-setting of supply air fans.
4.2 환기시스템 설계 성능개선
지하주차장 기계환기시스템은 팬룸의 형태와 환기타워와의 연결 구조 그리고 송풍기의 위치 및 지하주차장과 연결되는 환기구의 형상에 따라서 동일한
송풍기를 적용하여도 각각의 환기성능이 동일하게 확보되지 않는 것을 초기 설계안에 대한 CFD 시뮬레이션 결과분석으로 확인되었다. 따라서 이러한 문제를
해결하고 지하 주차장의 공기환경을 유지하기 위해 요구되는 풍량에 부합하도록 설계 성능개선 절차가 필요하다. 기계환기 시스템 성능개선 방법 및 절차는
Fig. 1에서와 같이 7단계로 진행하였다.
4.2.1 급기시스템(OA-01) 설계 성능개선
최초 설계는 송풍기 풍량의 불균형 증가로 압력손실이 증가하고 이에 따라서 설계풍량 보다 작아지고 송풍기의 층별, 위치별 송풍량의 차이가 커지는 문제점이
발생하는데, 이를 해결하기 위해 팬룸의 급기방향을 고려하여 3대 중 중간 송풍기를 삭제하고 2대의 송풍기 가동의 풍량 분배 및 압력차이 비율을 확인하여(Fig. 5 참조) 각 송풍량을 재 산출하고 압력차를 보정하는 1차 수치해석을 수행하였다. 송풍기 1대 기준으로 41.000 CMH, 196 Pa 조건에서 각
층별로 18~40%의 풍량이 부족하고 새로운 송풍기 성능곡선을 적용하여 2차 수치 해석을 수행한 결과, 각 층별로 12~21%의 풍량부족이 여전히
유지되었고 편입형 송풍기의 특성상 운전영역이 서징현상 발생의 위험도가 높았다. Table 4는 편입형 송풍기 1, 2차 수치해석의 결과를 통하여 부족 풍량을 보완하는 과정으로 보여준다. 동일조건 양입형 송풍기로 변경하여 다시 설계 성능개선을
수행하였다. 41.000 CMH, 245 Pa 설계범위에서 풍량 및 정압 최소화 설정으로 3차 수치해석을 수행하였고, 단계별로 풍량과 정압을 상향하여
4차, 5차 수치해석을 통하여 설계기준에 근접한 풍량이 확보될 때 까지 반복 수행하였다. Fig. 6은 OA-01 구역에서 시스템 성능개선의 정량적 분석과정을 보여주고 있고, Table 5는 양입형 송풍기 3~5차 수치 해석의 결과로 41.000 CMH, 343 Pa의 송풍기 조건으로 B3F, B6F, B7F와 B8F에서 5% 내외로
풍량 부족비율을 최소화하고 B4F와 B5F층에서는 설계풍량(80.000 CMH)에 만족시켜 급기계통인 OA-01 구역에서 설계 성능 개선을 완료하였다.
Fig. 6 Re-design and system optimization procedure of supply air fans in OA-01 fan rooms.
Table 5. Design optimization of supply air fans in OA-01(Step 5~7)
|
Floor
|
3rd simulation results(of airfoil fan)
|
4th simulation results(of airfoil fan)
|
5th simulation results(of airfoil fan)
|
|
Left fan
|
Right fan
|
Left fan
|
Right fan
|
Left fan
|
Right fan
|
|
Frow rate
[CMH]
|
Pressure
[Pa]
|
Frow rate
[CMH]
|
Pressure
[Pa]
|
Frow rate
[CMH]
|
Pressure
[Pa]
|
Frow rate
[CMH]
|
Pressure
[Pa]
|
Frow rate
[CMH]
|
Pressure
[Pa]
|
Frow rate
[CMH]
|
Pressure
[Pa]
|
|
B3F
|
35,635
|
255
|
29,680
|
250
|
37,348
|
267
|
28,193
|
239
|
44,042
|
288
|
35,577
|
276
|
|
B4F
|
34,544
|
262
|
34,842
|
260
|
35,606
|
269
|
26,669
|
271
|
42,709
|
297
|
42,854
|
296
|
|
B5F
|
31,242
|
277
|
31,545
|
276
|
31,343
|
274
|
32,301
|
276
|
38,716
|
320
|
38,896
|
319
|
|
B6F
|
30,410
|
280
|
30,881
|
279
|
24,616
|
271
|
30,641
|
274
|
37,512
|
326
|
37,965
|
324
|
|
B7F
|
29,709
|
283
|
30,210
|
281
|
28,882
|
274
|
29,983
|
275
|
36,748
|
329
|
37,160
|
328
|
|
B8F
|
29,326
|
284
|
29,828
|
283
|
28,839
|
275
|
28,859
|
274
|
36,171
|
331
|
36,652
|
330
|
4.2.2 배기시스템(EA-01) 설계 성능개선
배기시스템도 급기시스템과 거의 동일한 방법으로 시스템 성능개선을 진행 하였다. EA-01 구역은 급기시스템인 OA-01과 같이 송풍기의 배열위치가
복잡하지 않기 때문에 일부 위치는 설계용량만큼 풍량 확보되지만 대부분의 송풍기는 풍량이 부족하였다. 각 층별로, 최대 29%의 풍량이 부족한데, 이를
해결하기 위해 팬룸의 배기방향을 고려하여 3대 중 환기타워에서 가장 먼 위치에 있는 송풍기를 삭제하고 2대의 송풍기 가동을 기준으로 각 송풍량을 재
산출하고 압력차를 보정하는 1차, 2차 수치해석을 수행하였다. 42.000 CMH, 147 pa 조건에서 편입형 송풍기의 특성상 운전영역이 서징현상
발생의 위험도가 높았다. 동일조건 양입형 송풍기로 변경하여 다시 설계 성능개선을 수행하였다. 정압을 상향하여 3차 수치해석을 통하여 설계기준에 근접한
풍량이 확보할 수 있었다. Fig. 7은 EA-01 구역에서 시스템 성능개선의 정량적 분석과정을 보여주고 있고, Table 6은 편입형 송풍기 1~2차 수치해석(196 Pa)과 양입형 송풍기 3차 수치해석(245 Pa)의 결과를 보여준다. 최종적으로 B4F와 B8F에서 3%
내외로 풍량 부족비율을 최소화하고 대부분의 층에서는 설계풍량(80.000 CMH)에 만족시켜 배기계통인 EA-01 구역에서 배기시스템의 성능개선을
하였다.
Fig. 7 Re-design and system optimization procedure of exhaust air fans in EA-01 fan rooms.
Table 6. Design optimization of exhaust air fans in EA-01(Step 2~7)
|
Floor
|
1st simulation results(of Sirocco fan)
|
2nd simulation results(of Sirocco fan)
|
3th simulation results(of airfoil fan)
|
|
Left fan
|
Center fan
|
Left fan
|
Center fan
|
Left fan
|
Center fan
|
|
Frow rate
[CMH]
|
Pressure
[Pa]
|
Frow rate
[CMH]
|
Pressure
[Pa]
|
Frow rate
[CMH]
|
Pressure
[Pa]
|
Frow rate
[CMH]
|
Pressure
[Pa]
|
Frow rate
[CMH]
|
Pressure
[Pa]
|
Frow rate
[CMH]
|
Pressure
[Pa]
|
|
B3F
|
44,720
|
197
|
39,261
|
176
|
45,735
|
195
|
31,627
|
138
|
39,452
|
201
|
39,116
|
201
|
|
B4F
|
41,493
|
189
|
32,061
|
164
|
42,681
|
186
|
29,205
|
144
|
38,876
|
207
|
38,192
|
217
|
|
B5F
|
40,440
|
193
|
31,321
|
165
|
41,943
|
190
|
28,565
|
146
|
38,778
|
213
|
37,866
|
222
|
|
B6F
|
32,672
|
164
|
27,113
|
154
|
29,409
|
144
|
27,969
|
147
|
38,570
|
217
|
37,628
|
226
|
|
B7F
|
31,992
|
165
|
26,601
|
155
|
29,023
|
145
|
27,574
|
149
|
38,317
|
221
|
37,421
|
230
|
|
B8F
|
31,334
|
165
|
26,262
|
155
|
28,534
|
146
|
27,346
|
149
|
37,937
|
224
|
37,221
|
233
|
Table 7. The optimized re-design of supply and exhaust fan in fan rooms
|
Floor
|
Location
|
Fan specification details
|
|
Fan type
|
Air flow rate
|
Pressure drop
|
RPM
|
Rated output
|
Quantity
|
|
Basement 8th floor
|
Fan room OA-01
|
Air foil(double suction)
|
683 CMM
|
343 Pa
|
320
|
5.5 kW
|
2 EA
|
|
~Basement 3rd floor
|
Fan room EA-01
|
Air foil(double suction)
|
683 CMM
|
245 Pa
|
300
|
5.5 kW
|
2 EA
|
4.3 환기시스템 재설계
초기 설계에서 B3F~B6F의 급기 팬룸(OA-01)과 배기 팬룸(EA-01)은 각각 80,000 CMH의 환기량을 담당하고 있으며 팬룸 내부에는
동일한 풍량의 3개의 송풍기로 구성되어 있다. 이를 시스템 성능개선 방법론을 적용하여 풍량과 정압을 상향하고 편입형을 양입형으로 변경하여 최종적으로는
2대로 수량을 줄였다. 재설계의 송풍기 사양은 Table 7과 같으며, 정격전력도 약 50% 이상 저감이 가능하다.
5. 토의 및 결론
도심지 모든 주거용 및 상업용 건물의 지하주차장은 대형화, 대심도화 되고 있다. 따라서 기계환기시스템이 대부분 적용된다. 그러나 지하주차장 급․배기를
위한 송풍기 성능은 팬룸의 위치에 따라 다르고 환기타워의 형상과 연결부위 형태 및 면적에 따라 다르기 때문에 획일적인 시스템 설계는 운영단계에서 문제발생의
위험성이 크다. 이러한 공학적인 오류를 최소화하기 위해 본 연구에서는 수치해석을 통한 기계환기 시스템 성능개선 설계방법을 수행하였으며 그 결과를 정리하면
다음과 같다.
(1) 최초 설계안을 CFD 시뮬레이션을 수행하여, 위치별, 층별 송풍기 풍량과 압력손실을 분석하고 축동력 합이 일정수준을 넘지 않는 범위 내에서(주로
정압에 따라 결정됨) 대안 송풍기를 선정하여 반복 시뮬레이션을 통한 시스템 성능개선 방법을 제시하였다.
(2) 급기시스템은 팬룸 내 송풍기 위치에 따른 풍량 저하의 차이가 크고, 배기시스템은 팬룸 내 송풍기 설치에 대한 물리적 조건 차이는 영향도가 작게
나타났다.
(3) 편입형 송풍기는 운전점이 Surging영역 근처로 설계되어 안정적으로 운전되기 어렵기 때문에 양입형 송풍기의 대안설계가 가능하다.
(4) 이러한 수치해석을 이용한 시스템 설계 성능개선은 반복수행을 통한 설계풍량의 5% 이내 오차를 갖는 기계환기시스템 최적화가 가능할 것으로 예상된다.
(5) Index-based 설계의 한계를 공학적인 검증을 통하여 보완하는 차원으로 활용된 수치해석이며, 시간적인 제약 등 모든 건설 프로젝트에서
정밀한 수치해석을 통한 설계가 요구되지는 않는다. 따라서 학술적인 문제해결이 아니라 실무 공학적인 설계검증 차원에서 CFD 모델을 적용하였고 해석결과의
오차의 한계점은 분명히 존재한다.
국내 건축설비설계는 질적으로 세계적인 수준이다. 그러나 실질적인 운영단계 설비성능을 확보를 위한 시스템 최적화 절차는 규정되지 않다. 따라서 향후
기계설비법과 연계하여 성능점검을 위한 설계절차를 구체화함으로써 기초자료로 활용이 가능할 것으로 판단된다. 향후, 위치별 송풍기 성능 변동에 따른 변화에
대한 고찰이 추가적으로 필요하고, 송풍기 형식변경에 따른 초기투자비 및 운전에너지를 고려한 환기시스템의 경제성분석이 요구된다.