2.1 개요

2019년 건축기계설비분야에서 발표된 논문들은 냉난방 및 환기시스템 관련 기술, 열병합 발전시스템 관련 기술, 데이터센터 및 클린룸 관련 기술, 신재생에너지, 기타 기계설비기술로 분류할 수 있으며 각 논문의 내용을 정리하면 다음과 같다.

2.2 냉난방 및 환기시스템

Kim and Song⁽¹⁾은 TRNSYS 시뮬레이션 분석을 통해 공동주택의 에어컨의 용량 산정에 사용하는 ‘KS C 9306- 에어컨디셔너’의 적정성에 대해 검토하여 해당 기준의 개정 방향을 제시하였다.

Kim et al.⁽²⁾은 상업건물과 통합된 옥상온실의 에너지 소비특성에 주목하여 대형마트와 통합된 옥상온실에 대한 해석모델을 이용하여 냉난방부하 산정을 실시하였다.

Lee et al.⁽³⁾는 학교건물을 대상으로 VAV시스템의 에너지 절약을 위한 DCV와 이코노마이저 운전방식을 적용하여 에너지 소비량을 분석하였다.

Kwon and Kim⁽⁴⁾은 지하주차장에 설치된 벽체 매립형 송풍기에서 층별 배기풍량이 일정하게 유지되기 위해 CFD 해석을 통해 최적운전방안을 제시하였다.

2.3 급탕 및 열병합발전 시스템

Kim et al.⁽⁵⁾은 가정용 히트펌프 연계형 급탕탱크에 주목하고 열교환 방식에 따라 달라지는 축열탱크 성층화 및 COP를 실험을 통해 분석하였다.

Her et al.⁽⁶⁾은 PVT 모듈을 이용한 급탕시스템을 대상으로 설계인자에 따른 시스템 열효율 및 발전효율을 동적 에너지시뮬레이션을 통해 분석하고, 기존 급탕설비와 비교하여 경제성이 있는지를 초기 투자비용 회수 기간(Return of investment) 분석을 통해 확인하였다.

Ahn et al.⁽⁷⁾은 열병합발전 시스템의 열 수요량 예측을 위해 기계학습 중 ANN, SVR 알고리즘을 이용하여 다음 날 열에너지 수요량 예측 시뮬레이션을 진행하였으며, 정확도 검증을 위해 CvRMSE, MBE를 활용해 열병합 발전시스템 폐열 생산 최소화 연구를 실시하였다.

2.4 데이터센터 및 클린룸

Cho et al.⁽⁸⁾은 데이터센터의 IT환경 및 에너지 사용 특성을 반영한 룸 단위 공조냉각방식과 구역 단위 공조냉각방식의 운영효율을 측정 및 분석을 통해 개선효과를 제시하였다.

Cho and Park⁽⁹⁾은 데이터센터의 M&V 수행을 위한 핵심조건을 정의하고, 세부 측정방법 및 검증기술을 위한 구체적 수행절차 및 방법을 조사하여 실제 건물 운영현황과 사전 M&V 분석 간 오차를 최소화하기 위한 연구를 실시하였다.

2.5 신재생에너지

Kim et al.⁽¹⁰⁾은 지열에너지 보급 확산을 위해 공공데이터를 이용한 지중열교환기 용량계산 방법을 제시하고 그 적용 가능성을 검토하였다. 특히, 기상데이터, 수문지질 정보 등의 공공데이터를 활용하여 지열에너지 기초 설계 단계에서 활용할 수 있는 서비스 기술이 구축될 수 있음을 확인하였다.

Oh et al.⁽¹¹⁾은 High Concentration Photo-Voltaic Thermal(HCPVT)을 이용한 해수담수화 융합 발전 플랜트에 관한 연구의 일환으로 인공지능(Artificial Intelligence) 기반의 연구개발 동향 및 사례 조사를 발표하였다. 또한, HCPVT 해수담수화 예측진단시스템 기술 개발을 위한 AI기반 구축 흐름도를 제시하고 ANN(Artificial Neural Network)모델을 이용한 예측 진단 방법에 대해 설명하였다.

Yang et al.⁽¹²⁾은 전기히터식, 공기열원 및 지열원 열펌프식 농산물 열풍건조기의 건조 용량 50, 200, 500, 1,000 kg에 대한 초기투자비를 비교하였으며, 그 결과, 전기히터식, 공기열원 열펌프식, 지열원 열펌프식 순으로 초기투자비가 낮다고 분석하였다.

Roh et al.⁽¹³⁾은 재생에너지 보급 확대에 따른 전력계통의 변동성을 완화하기 위해 개발된 고온 전력저장 기술의 시스템 구성을 설명하고 LCOS(Levelized cost of storage)를 중심으로 경제성 변화요인을 분석하였다.

2.6 기타

Choi and Kim⁽¹⁴⁾은 2010년부터 2017년까지 국내 공동주택 20,050 세대의 준공 후 4년 동안 하자 접수된 데이터를 기반으로 기계설비 공사 하자를 공종별, 유형별로 분류하여 하자 원인 분석, 예방 및 개선대책방안을 제시, 품질 향상을 위한 기초 자료를 제공하였다.

Park et al.⁽¹⁵⁾은 ‘냉방, 열사용시설기준’의 2003년 이후 개정되지 않은 7가지 용도를 세분화하여 9가지 용도의 단위냉방부하 기준을 2019년 건축물에너지절약 설계기준 및 제도적 관점에 맞게 변경방안을 제시하는 연구를 진행하였다.

Park et al.⁽¹⁶⁾은 동적 에너지시뮬레이션 툴인 TRNSYS를 이용하여 공동주택 세대 공조기를 모델링하는 방법에 주목하고 TRNSYS 내 컴퍼넌트 모델을 이용하여 세대용 소형 공조기를 모사하였다.

3.1 개요

건축환경 분야의 논문은 실내 환경, 건물에너지 및 기타 등으로 분류할 수 있다. 실내 환경분야는 건축물 미세먼지 저감 관련 연구, 공동주택 자연환기, 실내 공기질, 음압병동 등에 관한 논문이 있었으며, 건물에너지 분야는 건물에너지 성능, 기밀성능, 예측모델, BEMS 등에 관한 논문이 있었다.

3.2 실내환경

Yang et al.⁽¹⁷⁾은 자연환기 효율을 상승시키고자 공동주택에 집풍장치(Windcatcher) 유․무에 따른 자연환기 효율을 전산유체역학(CFD; Computational Fluid Dynamics)을 통해 분석을 실시하였다.

Kim et al.⁽¹⁸⁾은 H13 등급의 헤파 필터를 장착한 가정용 공기청정기를 대상으로 6종류의 오염물질을 인위적으로 누적시켜 먼지 누적량에 따른 공기정화기의 성능 평가를 진행하였다.

Song et al.⁽¹⁹⁾은 미세먼지를 발생시킬 수 있는 전구물질 저감을 위해 TiO2를 혼합한 광촉매 페인트를 실내 벽면에 적용하였을 때 대표적인 전구물질인 NOx 농도 변화를 Mock-up 실험을 통해 분석하였다.

Cho and Shin⁽²⁰⁾은 국내 대표적인 주거형태라고 할 수 있는 공동주택의 형태에 대한 고려의 필요성을 강조하며, 일반인들이 활용 가능한 미세먼지 발생, 유입경로, 저감제품 관련정보 등에 대한 접근성이 확보를 주장하였다.

Choi and Song⁽²¹⁾은 현재의 실내 미세먼지 제어를 위한 알고리즘이 외부의 공기질에 따른 제어모드의 변경이거나, 실내외 미세먼지에 따라 환기량을 결정하는 방식에 국한되어있음을 지적하고 동시에 고려하는 알고리즘을 제시하였다.

Jung and Hong^(22,23)은 CFD 시뮬레이션을 이용하여 음압병실의 전실 유무에 따른 오염공기와 감염입자의 유출을 분석하였다. 외부가 비음압 복도인 음압병실과 전실을 갖춘 음압격리병실 모두 의료진이 병실 밖으로 나갈 때 병실내부의 감염입자가 유출될 수 있는 것을 검증하였다. 관련하여 Song et al.⁽²⁴⁾은 종합병원에서 발생할 수 있는 원내 감염을 예방하기 위해 실측조사를 바탕으로 한 CFD 시뮬레이션 분석을 진행하였다.

3.3 건물에너지

Min et al.⁽²⁵⁾은 창호의 열관류율과 일사 차폐성능 연동하여 작동하는 스마트창호에 대한 에너지성능평가를 진행하였다. 측정은 스마트 스킨형(SPD Model) 및 일반형(Non-SPD Model) 창호에 대해 동적 해석 시뮬레이션 프로그램인 TRNSYS를 이용하여 분석하였다.

Undram et al.⁽²⁶⁾은 주요 국가에서 가장 널리 적용하고 있는 건물 기밀성능 측정 방법인 블로우도어 테스트의 측정기준인 ASTM, CGSB, ISO, EN의 규정을 비교 검토하였으며 국내 건물의 기밀성능 수준을 비교하기 위해 ASHRAE에서 채택하고있는 기준 및 국외 중․고층 건물의 기밀성능 결과와 비교, 분석하였다.

Jeon et al.⁽²⁷⁾은 실제 건물에서 측정한 전력 데이터와 딥러닝 LSTM 알고리즘을 사용하여 재실정보 기반 건물의 전기수요 예측 방법을 제안하였다.

Nam and Kim⁽²⁸⁾은 최근 10년간의 데이터를 포함하여 ASHRAE Bin 방법으로 냉난방 설계용 온습도 외기조건을 재산정 하였다.

Lee et al.⁽²⁹⁾은 사무소 건물의 “창호에너지소비효율등급제”의 적용성 검토를 위해 97개 인증 창이 적용된 기준 건물의 연간 냉․난방에너지 요구량을 분석하였다.

Ahn et al.⁽³⁰⁾의 연구에서는 2017년부터 의무적으로 설치된 BEMS를 포함하여 다수의 기 설치된 19개 현장의 BEMS를 실태조사 하였다. 그 결과, 다양한 제도적 및 기술적 원인으로 BEMS의 유용성에 대한 인식이 26% 밖에 이르지 못하는 상황이었다.

3.3 기타 분야

Lee and Jeong⁽³¹⁾은 고체표면에서의 액적의 접촉 면적을 고려한 부착력 예측모델을 활용하여 다양한 표면에너지를 포함한 표면에서의 응축수 거동 해석을 진행하였으며, 표면 미세구조물을 가공한 소수성표면에서의 접촉면적에 따른 부착력 변화를 분석하였다.

Shin⁽³²⁾은 드릴 파이프를 통한 음파통신 가능성을 파악하기 위해 음파통신의 수치해석 모델을 개발하고 지하 시추장비에서 보낸 신호가 지상에 도달하는 과정을 모사하였다.

4.1 개요

냉동분야에서는 R600a의 국부적인 열역학적 비평형상태, 전기차용 가스인젝션 및 이젝터 히트펌프 사이클, 차량용 에어컨의 증발기 결빙, 저온저장고에서 보조덕트의 온도제어 특성, R1233zd(E) 냉매의 재질적합성, 멤브레인 증발냉각 및 가변속 냉동시스템의 PI제어 시스템에 대한 연구가 수행되었다.

4.2 냉동사이클 및 냉동시스템

Lee and Jeong⁽³³⁾은 R600a를 사용하는 증기 압축식 냉동기의 팽창밸브 입구에서 존재하는 기-액 2상유동의 열역학적 비평형상태를 이해하기 위해 R600a와 R134a를 대상으로 기-액 2상 단열압축 실험을 실시하고 두 냉매의 압축 및 응축 특성을 분석하였다.

Lim et al.⁽³⁴⁾은 전기차 냉난방용 R134a 히트펌프 시스템의 전동식 스크롤 압축기에 가스 인젝션을 적용할 때 스크롤 내부의 가스 인젝션 라인 형성이 난방 및 냉방 성능에 미치는 영향을 파악하기 위해 수치해석 연구를 수행하였다.

Lim et al.⁽³⁵⁾은 이젝터와 가스인젝션이 결합된 차량용 복합 히트펌프 사이클에서 스크롤 압축기의 가스 인젝션량에 대한 수치해석 모델을 개발하고 이를 전체 사이클 성능해석에 적용하여 얻은 해석결과를 제시하였다.

Lee⁽³⁶⁾는 차량용 에어컨의 증발기 결빙문제와 관련해 주입 냉매량, 외기온도 및 송풍량 변화가 증발기 결빙에 미치는 영향을 실험적으로 분석하였고 증발기 표면온도 분포와 환경변화가 냉매유동에 미치는 영향에 대해 논의하였다.

Yun et al.⁽³⁷⁾은 저온저장고에서 증발기의 착상 및 제상 과정의 온도제어 문제와 관련, 기류순환 보조덕트의 온도제어 성능을 확인하기 위해 실제 운영 중인 저장창고에 보조덕트를 설치한 경우와 설치하지 않은 경우 내부 온도의 시간과 공간 분포를 측정, 분석하여 보조덕트의 효용성을 확인하였다.

Song et al.⁽³⁸⁾은 HFO 계열 냉매인 R1233zd(E) 냉매와 2종의 오일(POE, PVE) 혼합물에 대한 5종의 고분자 (NBR, HNBR, CR, FKM, EPDM)의 재질 적합성을 판단하기 위한 실험연구를 수행하여 고분자가 냉매-오일 혼합물의 열화에 미치는 영향을 분석하였다.

Kim et al.⁽³⁹⁾는 열원유체와 열교환 과정에서 엑서지 파괴를 줄이기 위해 유기플래쉬 사이클(Organic Flash Cycle, OFC)에 있어서 가열기를 나온 유체를 이상팽창기를 통해서 팽창시키는 한편, 플래시 증발기를 나온 액체상태의 작동유체를 이용해서 응축기와 펌프를 거친 작동유체를 예열하는 수정 OFC에 대하여 열역학적 분석을 실시하였다.

Ko et al.⁽⁴⁰⁾은 고온용 히트펌프에 압축기를 탑재하여 운전할 경우에 발생할 수 있는 고장 원인을 추정하여, 이를 회피하며 압축기의 성능을 평가할 수 있는 고온용 압축기 단독 시험설비를 제작하여, 자기 베어링 내당 무급유 원심 냉매 압축기의 정격 열성능과 에너지 효율을 측정하고, 산업용으로 사용하기 위한 신뢰성과 내구성 확인 성능 시험을 수행하여 고온조건에 적합한 압축기 특성을 고찰하였다.

Ahn et al.⁽⁴¹⁾은 증기 압축사이클의 압축기에서 윤활유의 분리를 위한 유분리기에 있어서 유분리기의 냉매의 입구가 유분리기의 중심에 연결된 시제품과 몸체에 접하도록 연결한 시제품을 제작하고 성능평가를 실시하여 기존제품과의 성능을 비교 분석하였다.

Yun⁽⁴²⁾은 냉동기 효율을 높일 수 있는 새로운 방법으로 냉동효과와는 무관한 팽창과정 중 이미 증발 되어진 냉매기체를 증발기에 유입되기 전에 분리, 제거하는 공정을 고안하여 대표적인 R134a를 사용하는 냉장고의 냉동 공간 온도를 기준으로 하여 효율 향상 효과를 분석하였다.

Jeong and Kwon⁽⁴³⁾은 냉동사이클에 대한 해석적인 상태 공간 모델을 기반으로 잡음 및 모델링 오차 등에 강인한 제어성능을 갖는 LQG(Linear Quadratic Gaussian)제어기 설계법을 적용한 시뮬레이션 및 실험을 통해 그 타당성을 검증하였다.

Nguyen et al.⁽⁴⁴⁾은 제습기의 유동해석, 열전달 해석, 압력강하 특성 및 온도 균일도에 증발기의 제습성능을 추가하여 실제 제습기의 응축성능 해석을 주요 설계인자인 핀 개수 및 유입유량의 영향에 대하여 수행하였으며, 해석의 타당성을 검증하였다.

Park and Kim⁽⁴⁵⁾은 이동통신에 사용되는 중계기에 에어컨을 설치할 경우에 있어서 함체 냉각용 에어컨의 응축기와 증발기에 알루미늄 열교환기를 적용하여 전열성능향상을 위한 연구를 냉매의 충전량을 변화시키면서 성능실험을 수행하였다.

Lee et al.⁽⁴⁶⁾은 직접식 증발냉각기술의 대안으로 멤브레인을 이용한 증발냉각 기술에 주목하고 공기흐름 방식과 진공식 멤브레인 증발냉각기의 성능을 측정하여 각 방식의 장단점을 분석하였다.

4.3 기타

Kim et al.⁽⁴⁷⁾은 기존 PID 제어의 단점을 보완하기 위해 외란과 잡음에 강인한 외란관측기를 이용한 가변속 냉동시스템(VSRS)의 PI 온도제어법을 제안하였다.

5.1 개요

열전달 및 물질전달 분야에서는 일반적인 열전달 현상에 관한 연구를 비롯하여 열전달 촉진을 위한 증발 및 응축에 관한 열전달 실험 연구, 그리고 각종 산업용 열교환기 성능 특성에 관한 연구, 열전소자를 이용한 냉각 제습 유닛에 관한 연구, 전열촉진관 성능 특성 연구, 발전 플랜트용 응축기 성능 연구, 그리고 U-자형 곡관 내부 이상 유동 형태에 관한 연구가 수행되었다.

5.2 열전달 일반

Park and Oh⁽⁴⁸⁾는 사출 혹은 압출 금형에 존재하는 오리피스 유로 구조 내부에서 유동 중인 액상 PDMS와 탄소섬유 혼합액의 유동가시화 이미지 분석을 통하여 섬유 강화재의 유로 내부 위치별 각도, 길이를 계산하였다.

Jeong⁽⁴⁹⁾은 발전용 열전모듈에 대한 새로운 1차원 해석모델을 이용하여 동력 발생을 최대화하기 위한 최적화 방법을 제시하였다. 해석모델에서는 열전모듈에 내재하는 열적, 전기적 접촉저항뿐만 아니라 열교환기들의 열컨덕턴스도 고려되었다.

Kim and Ahn⁽⁵⁰⁾은 100 kW급 가스엔진 열병합 시스템에 연계된 축열조에서 축열이 이루어지는 동안 공간적 온도 분포를 측정한 결과를 바탕으로 시상수를 구하고 열전달 특성을 분석하여 축열조의 거동 측정 결과를 제시하였다.

Oh et al.⁽⁵¹⁾은 열풍 건조기의 내부 공기유로 개선을 위해 세 가지 내부 공기유로를 제안하고 실험 및 CFD 해석 연구를 수행하였으며, 공기 유입방식에 따라 건조기 내부 공기 유로와 건조성능이 달라진다는 것을 확인하였다.

Lee⁽⁵²⁾는 열전달과 물질전달의 상사성을 이용한 열전모듈 제습기의 해석 방법을 제안하였으며, 이를 통해 열전모듈 제습기의 제습능력, 소비전력, 제습량 및 성적계수를 계산하였다. 또한, 제습 효율을 극대화 시킬 수 있는 전압이 존재함과 이것이 제습 능력을 극대화 시킬 수 있는 전압과 상이함을 관찰하였다.

Ihm and Cho⁽⁵³⁾은 PV 모듈을 전원으로 하여 열전소자의 흡열면을 이용한 냉각 제습과 발열면을 이용한 회전 제습 필터의 재생이 가능한 일체형 냉각 제습 유닛을 제안하고 이에 대한 실험을 수행하여, 열전소자가 작동되는 주간시간 동안의 유닛의 평균 COP는 0.11이며, COP 향상을 위해서는 열전소자 흡열면의 표면온도를 약 14℃까지 하강시킬 필요가 있음을 관찰하였다.

5.3 이상유동 및 열전달

Park et al.⁽⁵⁴⁾은 국내에서 생산되는 7종류의 흡수식 냉동기용 전열촉진관에 대하여 액막 증발 열전달 실험을 수행하여 전열촉진관의 총괄 열전달계수가 평활관 값보다 2.6~57% 크게 나타남을 관찰하였다.

Seo and Park⁽⁵⁵⁾은 공기 유속분포와 관 내측 및 공기 측 열전달 향상을 고려하는 경우의 발전 플랜트용 ACC (Air-Cooled Condenser) 냉각용량의 변화를 시뮬레이션 모델을 통해 예측하였다.

Lee⁽⁵⁶⁾는 입구에서 공기 속도 크기가 수직 U-자형 곡관 내부의 상향 및 하향 이상 유동 형태에 미치는 영향에 관한 수치적 연구를 수행하였다.

5.4 기타

Lee et al.⁽⁵⁷⁾은 EGW를 2차 유체로 사용하는 R-410A 증기압축식 액체냉각시스템의 성능특성을 고찰하고, 최적 설계를 위한 데이터베이스 구축용 해석 프로그램을 제작하였다. 또한 해석의 유효성을 검증하기 위해서 냉매 질량유량, 압축기 소비전력, 응축기의 응축용량, 증발기의 증발용량 및 증발기 내부 EGW의 압력강하에 대해서 실험값과 해석값을 비교한 결과를 제시하였다.

Kim et al.⁽⁵⁸⁾은 산업공정용 고온열펌프시스템의 안정적 운용을 위해 사용되는 증발기를 PCM이 내장된 3 kW급 축열실 판형열교환기로 설계, 제작하고, R245fa 냉매 대신 브라인을 이용하여 축열실 판형 열교환기의 기초 열전달 특성을 보고하였다.

Lee and Kim⁽⁵⁹⁾은 열회수 환기장치용 전열교환소자 개발을 목표로 흡습제와 같은 첨가제를 비롯하여 고해 방법, 칼렌더링 속도 등 제조 공정이 종이 물성 및 전열 교환소자의 성능에 미치는 영향에 대해서 검토하고 그 성능 측정 결과를 제시하였다.