기호설명

하첨자

그리스문자

1. 연구배경 및 목적

현재 건설되고 있는 대부분의 건축물은 출입문을 설치되고 그 내부는 인위적으로 온습도를 조절하기 위해 냉방 및 난방시스템을 설치․운전되고 있다. 이러한 건축물의 출입문은 용도에 따라 항상 또는 간헐적으로 개방한다. 항상 개방하는 출입문은 설비적인 관점에서 부력이 작용하여 실내공기의 유출과 실외공기의 유입으로 인하여 냉방 및 난방에너지가 손실되고 오염된 실외공기의 유입으로 인해 실내 청정도가 악화된다. 이러한 현상을 개선하고 사용자의 출입편의성을 증대시키기 위해 공기장벽(Air barrier)을 형성하는 에어커튼(Air curtain)은 개방된 출입문에 인접하여 설치하고 있다. 에어커튼은 1916년도에 유럽에서 처음 고안되었으며 1950년 대 이후에 상용화되어 물건의 출입이 빈번한 대형 물류창고의 대형 출입문 부근에 설치하여 사용하기 시작하였다. 에어커튼은 제트공기의 토출방향에 따라 수직토출 에어커튼과 수평토출에어커튼으로 분류되며 에어커튼의 차단성능을 향상시키기 위해 흡입구가 추가된 순환형 에어커튼도 개발되었다. 이러한 과정에서 많은 연구자들은 에어커튼 성능향상을 위한 다양한 연구를 수행하였으며 대표적인 연구결과는 다음과 같다. Valkeapää and Anttonen⁽¹⁾은 전실 전후에 1.8 m 폭을 갖는 두 개의 출입구에 각각 수평토출에어커튼을 설치하여 교대로 제트공기를 분사하고 운전조건에 적합하게 분사속도를 변화하는 변풍량 운전기능을 적용하면 에너지를 절약하고 차단성능이 10~15% 향상됨을 실험을 통하여 확인하였다. Awbi⁽²⁾는 N2O추적가스를 사용하는 추적가스분석기를 이용하여 에어커튼 차단성능을 평가하는 방법을 제시하였다. 개방된 출입구에 설치되는 수평토출에어커튼의 차단성능은 29~82% 범위로 유지되고 수직토출에어커튼의 차단성능은 36~86% 범위로 유지한다고 발표하였다.^(3-5) 또한 수평에어커튼은 일반적으로 중교통이용시설의 출입문 또는 냉장창고에 제한적으로 적용하는 것으로 알려져 있다. Theodoros and Savvas⁽⁶⁾는 도매상의 개방된 출입문에 직교한 방향으로 일정한 풍압이 작용할 때, 수직토출에어커튼을 설치하여 분사되는 제트공기의 토출속도와 토출각도를 변화시켜 차단성능을 평가하기 위한 연구를 수행하였다. 그 결과 차단성능은 제트공기를 내부로 휘어지도록 분사하거나 풍속이 증가되면 개선 되는 것을 확인하였다. 또한 냉방 및 난방조건에서 모두 운전되는 에어커튼은 차단성능을 향상시키기 위해 노즐에서 분사되는 제트공기의 속도를 조절하는 기능을 갖춰야 하며 조건에 따라 제트공기를 가열할 기능을 보유할 필요가 있다고 발표하였다. Hayes and Stoecker^(7-8)는 에어커튼의 차단성능의 연구를 수행한 초창기 연구자로서 Fig. 1(a)와 같이 수직 토출된 제트공기가 바닥면에 도달하도록 운전된다면 Fig. 1(b)와 Fig. 1(c)와 같이 바닥면에 도달하지 않고 내부나 외부로 이동되는 조건보다 차단성능을 증가시킬 수 있다고 발표하였다.

그러나 에어커튼의 차단성능은 임의 실내외 온도조건으로 토출된 제트공기의 토출각도, 난류강도, 토출속도, 제트공기가 토출되는 면적(폭과 길이) 등에 복합적으로 영향을 받고 있으며 차단성능이 높아도 Fig. 1(a)와 같이 바닥에 충돌한 기류가 실내로 이동하는 유입돌파조건(inflow breakthrough condition)과 실외로 이동하는 유출돌파조건(outflow breakthrough condition)이 동시에 발생하는 유동 분리현상을 최소화시켜야 한다고 많은 연구자들이 제안하고 있다. 본 연구는 소규모 상점의 개방된 출입구 외부에 설치된 흡입구 부착형 수평토출에어커튼에서 직각 분사된 제트공기의 압력변화에 따른 차단성능을 난방조건에 대하여 평가한 후, 차단성능을 향상시키고 에너지절약을 달성할 수 있는 제트공기의 토출조건(분사각도 및 토출압력)을 제시하기 위해 수행되었다.

2. 연구방법

본 연구 대상인 소규모 상점은 제품의 구입 또는 판매를 위해 사람들의 출입이 빈번하여 출입문을 항상 개방하지만 실내 온열쾌적감향상을 위해 냉방 및 난방운전을 수행하고 있어 개방된 출입문에서 발생하는 에너지손실을 차단하기 위해 일반적으로 에어커튼을 설치한다. 수평토출에어커튼은 토출구의 높이변화에 관계없이 수평으로 공기를 분사하므로 수직토출에어커튼과 달리 토출면 중앙영역에서 중성대가 존재함을 예측할 수 있다. 익히 알려진 바와 같이 중성대는 실내와 실내의 압력이 동일한 지점이므로 많은 풍량을 공급할 필요가 없다. 중성대를 기준으로 가장 먼 상부지점과 하부지점은 실내와 실내의 압력차이가 가장 높게 되므로 많은 풍량을 공급해야 한다. 이러한 관점에서 본 연구 대상인 수평토출에어커튼의 토출구면적은 Fig. 2에 표현된바와 같이 모래시계처럼 비선형적으로 구성하였다. 소규모 상점의 치수는 5 m×10 m×5 m이며 250 m$^{3}$의 부피를 갖고 있다. 매장에 설치된 출입문은 Fig. 2와 같이 장변길이를 갖는 매장의 중앙지점을 기준으로 3 m×3 m의 치수로 설치하였다. 상점의 난방을 위해 0.3 m×0.3 m의 치수를 갖는 급기구와 배기구는 출입구의 중앙지점을 기준으로 좌우 대칭위치인 천정면의 중앙지점에 설치하였다. 수평토출에어커튼의 토출구의 높이는 2.975 m이고 모래시계형태의 토출구 평균 폭은 0.098 m이므로 토출구면적은 0.29 m$^{2}$이다. 또한 토출구와 마주보는 개방된 출입구 끝단에 설치된 흡입구의 높이는 토출구의 높이와 동일하며 0.0141 m의 일정한 폭을 유지하여 0.042 m$^{2}$의 면적을 갖고 있다. 개방된 출입구와 접하고 있는 외기영역은 Fig. 2와 같이 25.5 m×54 m×28.5 m로 가정하였으며 상점의 장변이 포함된 수직단면이 개방된 출입구와 접하는 면적(54 m×28.5 m)이며 개방된 출입구에서 25.5 m 이격된 외기영역의 경계면에 외기의 유입을 위한 압력경계조건을 설정하였고 외기영역의 바닥면은 지표면으로 가정하여 벽체경계조건을 적용하였다. 그 외의 외기경계면은 대칭조건으로 가정하였다.

3. 결과 및 고찰

본 연구는 난방운전을 수행하는 소규모상점의 개방된 출입구에 설치된 수평토출에어커튼의 운전조건(토출압력, 분사각도)에 따라 변화되는 외기의 차단성능을 평가하기 위해 수행되었다. 에어커튼의 운전이 정지된 경우, 개방된 출입문을 통해 외기와 실내공기가 유출입 되는 현상을 파악하기 위해 시뮬레이션을 수행한 결과 Fig. 3과 같은 온도 및 등속도 컨투어를 나타내고 있다.

Fig. 3(a)에 표현된 속도컨투어는 상점의 난방을 위해 천정 면에서 하부로 공급된 더운 공기가 부력에 의해 천정 면 부근으로 재상승하면서 개방된 출입문의 상부영역으로 배출되고 출입문의 하부영역은 상부영역과 반대로 외기가 실내로 유입되는 현상이 발생되고 있다. 이러한 현상은 Fig. 3(b)에 표현된 온도분포에서 확인할 수 있듯이 급기구에서 토출한 더운 공기가 부력에 의해 바닥면에 도달하지 못하고 천정 면 부근인 상부영역으로 상승하는 열성층화 현상에 의해 발생하였다. 즉, 상점의 상부영역은 덥고 하부영역은 외기의 유입으로 인해 차가워짐으로 인해 설계평균온도 20℃를 유지하지 못함을 알 수 있다. 에어커튼이 정지한 상태에서 부력에 의해 개방된 출입문의 단면에 작용한 추력은 Table 2에 나타난 바와 같이 0.226 N을 유지하고 있으며 유입되는 공기나 유출되는 공기의 추력은 동일하게 유지되어 개방된 출입구 단면의 상부영역에 하부영역에서 공기의 유출입에 의해 형성된 운동량은 평형을 유지하고 있음을 확인하였다.

모래시계형상의 토출구를 갖는 에어커튼이 직각(AC$_\text{angle}$ = 0°)으로 제트공기를 분사할 때 토출구의 수평방향 중심에서 속도분포는 토출압력변화에 따라 Fig. 4와 같이 나타났다. 토출압력변화에 관계없이 실내외 압력차이가 낮게 유지되는 중성대영역(1 m < Z < 2 m)의 속도분포는 상부영역(2 m < Z < 3 m)과 하부영역(0 m < Z < 1 m)보다 낮게 나타났으며 상부영역과 하부영역의 속도는 거의 대칭분포를 유지하고 있다. 토출구의 상부 영역과 하부영역에서 상대적으로 높은 속도분포가 유지되는 것은 부력에 의해 외기나 실내공기의 대부분이 이들 영역으로 유입 또는 유출되므로 이러한 현상을 방지할 수 있는 큰 추력을 제공하기 위함이다. 토출구에서 분사되는 제트공기의 풍속은 토출압력이 50 Pa인 경우, 상부영역과 하부영역에서 최대 7.63 m/s를 유지하며 토출압력이 감소함에 따라 비선형적으로 토출풍속이 감소되어 토출압력이 10 Pa인 경우, 토출구의 최대풍속이 3.2 m/s로 유지되고 있다.

에어커튼에서 직각(AC$_\text{angle}$ = 0°)분사된 제트공기에 작용하는 토출압력이 10 Pa과 50 Pa인 경우, 에어커튼 토출구 주변에 형성된 속도컨투어를 Fig. 5에 나타내고 있다. 토출압력이 50 Pa인 경우, 토출구에서 분사된 제트공기가 흡입구에 도달하고 충돌한 후, 외부영역 또는 실내영역으로 분리되어 이동하지만 10 Pa의 낮은 토출압력으로 분사된 제트공기의 말단은 흡입구에 도달하지 전에 외부영역 또는 실내영역으로 이동하는 현상을 나타내고 있다. 수직높이가 Z = 0.5 m인 하부영역은 토출압력이 10 Pa인 경우, 제트공기의 말단이 흡입구에 도달하지 못하고 실내로 유입되어 외기와 에어커튼에 토출된 공기가 함께 실내로 유입되지만 토출압력이 50 Pa인 경우, 제트공기의 말단이 흡입구에 도달하고 충돌한 후, 실내방향으로 유입돌파(inflow breakthrough)하는 현상이 발생하여 제트공기가 공기장벽(air barrier)을 형성하여 외기유입을 현저히 차단하지만 에어커튼에 토출된 제트공기가 실내로 유입되어 온열환경에 크게 영향을 미칠 수 있음을 예측할 수 있다. 수직높이가 Z = 2.5 m인 상부영역에서 50 Pa의 토출압력으로 직각 분사된 제트공기가 흡입구에 도달하고 충돌한 후, 외부로 유출(outflow breakthrough)되는 현상이 발생한다. 또한 토출압력에 관계없이 상부영역에서 분사된 제트공기의 말단은 하부영역과 반대로 외부영역으로 이동하고 있음을 확인하였다. 이와 더불어 중성대 영역인 수직높이가 Z = 1.5 m인 지점은 토출압력이 10 Pa인 경우, 토출구에서 분사된 제트공기의 말단이 흡입구에 도달하지 못하고 실내로 유입되는 유입돌파현상이 발생하고 있으나 토출압력이 50 Pa인 경우는 토출구에서 분사된 제트공기의 말단이 흡입구에 도달하고 충돌한 후, 실내영역으로 유입돌파현상이 발생하고 있다. 이는 하부영역과 유사하게 토출압력이 높으면 외기차단성능을 향상시키지만 에어커튼에서 분사된 공기의 실내유입 양이 크게 증가됨을 예측할 수 있다. Fig. 6은 토출압력이 10 Pa과 50 Pa인 경우, 토출구 또는 개방된 출입문을 직교하게 가로지는 xy평면에서 제트공기의 U 속도분포를 나타내고 있다. 이 속도는 제트공기가 이동하는 주방향 속도이고 토출구 중심(Y$_\text{c}$)을 기준으로 좌우 ±0.8 m(-0.8 m < Y-Y$_\text{c}$ < 0.8 m)범위에서 토출구와 흡입구사이(-1.5 m < X < 1.5 m)의 일정한 간격(△X = 0.5 m)에 대해 표현하고 있다. 실내와 외부의 압력이 동일하면 토출구 주변의 속도분포는 일반적으로 토출구 중심점을 기준으로 대칭을 유지해야한다. 그러나 Fig. 6에 표현된 U속도는 토출면(X = -1.5 m)에서는 좌,우 대칭분포를 유지하지만 토출면에서 멀어질수록(X > -1.5 m) 토출구의 상부영역(Z = 2.5 m)의 U속도는 외부영역(Y-Y$_\text{c}$ > 0 m)에서 높은 값을 나타내고 중심영역(Z = 1.5 m)을 포함한 하부영역(Z = 0.5 m)의 U속도는 실내영역(Y-Y$_\text{c}$ < 0 m)에서 높은 값을 나타내고 있다.

이는 토출면에서 직각 분사된 제트공기가 실내와 실외의 압력차이로 인해 휘어지는 유동이 발생하기 때문이며 토출압력이 낮을수록 휘어지는 각도가 증가함을 알 수 있다. 또한 제트공기가 휘어지는 방향은 토출구의 상부영역은 외부영역으로 휘어지고 중심영역을 포함한 하부영역은 실내영역으로 휘어지는 것을 알 수 있다. 토출구에서 직각으로 분사된 제트공기가 휘어지는 유동이 발생하면 개방된 출입구에서 유입돌파(inflow breakthrough) 또는 유출돌파(outflow breakthrough)조건이 형성되어 외기를 실내로 더 많이 유인하거나 실내공기가 실외로 더 많이 유출되는 현상이 발생하여 기밀성 높은 공기장벽(air barrier)을 형성하지 못하고 에너지 손실을 증가시키게 된다. 이러한 돌파(breakthrough)현상를 방지하기 위해 직각으로 분사된 경우, 제트공기의 말단이 휘어진 각도의 반대방향으로 제트공기를 분사하면 실내와 실외압력차에 의해 발생되는 외기유입현상 또는 실내공기유출현상을 효과적으로 차단할 수 있음을 예측할 수 있다. 직각 분사된 제트공기의 말단이 휘어진 각도는 토출구에서 2.5 m이격된 지점(X = 1.5 m)에서 형성된 U속도가 최대값을 갖는 꼭 지점은 전단력($\partial u /\partial y$)이 0에 근사한 지점이므로 이동하는 제트공기의 중심점으로 예측할 수 있다. 이러한 예측방법을 이용하여 토출구 높이에 따라 제트공기의 말단이 휘어진 각도는 Table 3과 Table 4와 같이 구하였다. 토출압력이 50 Pa인 조건은 Fig. 5에서 논의된 바와 같이 흡입구에 도달하고 충돌한 제트공기에 의해 외기유입은 차단되지만 유입돌파현상으로 인해 에어커튼에서 분사된 풍량 중에서 실내로 유입되는 풍량이 증가하여 추가적인 에너지손실이 예측된다. 그러므로 토출압력이 낮은 조건에서 형성되는 제트공기의 말단이 휘어진 각도를 구할 필요가 있다. 토출구에서 10 Pa이거나 20 Pa의 토출압력으로 직각 분사된 제트공기는 Table 3과 Table 4에 나타난바와 같이 토출압력에 관계없이 Z = 2.0 m에서 제트기류의 말단이 휘어지는 각도가 가장 적게 나타나고 있어 그 부근이 중성대임을 추정할 수 있고 외기의 유입면적이 실내공기의 유출면적보다 크게 형성됨을 알 수 있다. 또한 토출압력이 10 Pa인 조건이 20 Pa인 경우보다 제트공기의 말단이 크게 휘어지는 것을 Table 3과 Table 4에서 확인하였다. 이는 토출압력이 감소하면 부력로 인해 발생된 실내외의 압력차이가 제트공기의 추력보다 크기 때문이다.

Fig. 7은 Table 3과 Table 4에서 표기된 제트공기의 말단이 휘어진 각도를 토출구의 수평방향 중심을 기준으로 대칭인 각도로 제트공기를 분사하여 형성된 에어커튼 주변의 속도 컨투어를 나타내고 있다. 토출압력이 10 Pa 이면서 Table 3에 표기된 각도와 대칭으로 분사된 제트공기에 의해 형성된 속도컨투어는 토출구 높이에 관계없이 직각 분사한 Fig. 5보다 흡입구부근에 가깝게 도달하였지만 실내영역으로 유입돌파(inflow breakthrough) 하는 현상을 소멸되지 않았다. 그러나 토출압력이 20 Pa이면서 대칭인 각도로 분사된 제트공기에의해 형성된 등 속도분포는 토출압력이 10 Pa인 경우와 달리 흡입구에 도달하여 충돌한 제트기류가 실내영역으로 유입돌파(inflow breakthrough)하는 현상이 많이 소멸되어 유입돌파되는 공기량이 줄고 상대적으로 기밀성을 향상시킴을 확인하였다. Fig. 8은 식(3)과 식(4)에서 정의된 외기량의 차단성능(sealing performance), 그리고 에어커튼운전 시 에어커튼에서 분사된 제트공기가 개방된 출입문을 통과하는 풍량과 에어커튼 정지 시 개방된 출입문으로 통과하는 풍량의 비로 표현되는 유입돌파비(inflow breakthrough ratio)를 토출압력과 토출각도를 변수로 하여 나타내고 있다. 차단성능은 토출압력이 증가함에 따라 비선형적으로 증가하여 토출압력이 50 Pa인 경우, 최대 성능(약 80%)을 나타내고 있다. 그러나 토출압력이 10 Pa인 경우, 차단성능이 음의 값을 나타내고 있다. 이는 Fig. 5에서 고찰한 바와 같이 토출구에서 직각분사된 제트공기가 흡입구에 도달하지 못하고 실내로 유입돌파되는 현상이 발생하고 그 제트공기가 주변의 외기를 더 많이 실내로 유인하기 때문이다.

또한 에어커튼에서 직각 분사된 제트공기가 실내로 유입되는 비율은 토출압력이 50 Pa인 경우, 최대(약 1.6배)값을 나타내고 있다. 이는 토출구에서 직각으로 분사된 제트공기의 토출압력이 증가하면 차단성능이 증가하지만 에어커튼에서 토출된 공기가 에어커튼이 정지 시 실내로 유입되는 외기량보다 1.6배 증가시켜 에너지손실이 증가됨을 예측할 수 있다. 이러한 문제를 개선하기 위해서 토출압력은 낮추고 토출구의 높이에 따른 토출각도는 Table 3와 Table 4와 같이 변화시켜 제트공기를 분사하였다. 그 결과 토출압력이 20 Pa인 경우, Fig. 8에 나타난바와 같이 차단성능(SP)은 약 79%까지 증가하였으며 에어커튼에서 분사된 제트공기의 유입돌파비(IBR)는 65%까지 감소하였다. 결론적으로 낮은 토출압력에서 에어커튼의 분사각도를 최적화 할 필요성이 있으며 분사각도와 토출압력에 따라 차단성능이 차이나므로 조건에 따라 분사각도와 토출압력을 재설정할 필요가 있다.

Fig. 9는 토출구에서 직각 분사되는 제트공기의 토출압력이 변화함에 따라 Fig. 2에 표현된 관측표면을 통과하는 외기량과 에어커튼에서 분사된 제트공기 풍량을 나타내고 있다. 토출압력이 증가함에 따라 관측표면을 통과하는 총 풍량은 토출압력이 20 Pa인 지점에서 최대값을 유지하면서 비선형적으로 증가한다.

이는 토출압력이 증가함에 따라 관측표면을 통과하는 외기량이 비선형적으로 감소하지만 에어커튼에서 토출한 풍량은 비선형적으로 증가되기 때문이다. 이로 인해 실 평균온도가 지배적으로 영향을 받게 됨 Fig. 10에서 확인하였다. 실 평균온도는 에어커튼이 정지된 경우, 5℃를 유지하고 있다. 이는 관측표면으로 유입되는 외기량(0.689 m$^{3}$/s)이 난방을 위해서 공급되는 풍량(0.277 m$^{3}$/s)보다 약 2.5배 증가되기 때문이다. 그러나 토출압력이 증가함에 따라 실평균온도는 토출압력이 50 Pa인 경우, 최대 14.8℃까지 상승하였다. 이는 실내로 유입되는 0℃의 외기량은 대부분 차단되었고 에어커튼에서 20℃로 토출되는 제트공기의 유입돌파비가 증가하여 실내 평균온도가 상승된 것이다. 그러나 에어커튼에서 분사되는 제트공기의 토출각도를 Table 3과 Table 4에서 제시된 각도에 대칭으로 설정한 경우, 토출압력이 20 Pa일 때, 실내 평균온도는 15.1℃까지 상승하여 낮은 토출압력에서도 최적분사각도로 운전하면 실내 평균온도가 상승됨을 확인하였다. 에어커튼의 설치목적은 개방된 출입구로 자연적으로 유입되는 외기량을 차단하기 위한 것이다. 제트공기의 토출압력이 높은 경우, 개방된 출입문으로 유입되는 외기량은 대부분 차단하지만 흡입구에 도달하여 충돌한 제트공기가 실내로 유입되는 현상이 현저히 나타나고 있다. 이와 같이 제트공기가 실내로 유입되는 현상을 완화시키기 위해 토출압력을 감소시키고 노즐의 분사각도를 최적화하였지만 난방 설계온도인 20℃로 실내온도를 유지시키지 못하여 추가적인 에너지소비가 필요함을 확인하였다. 에어커튼에서 낮은 토출압력으로 분사되는 제트공기의 온도와 분사각도가 차단성능에 미치는 영향에 대한 추가적인 연구가 필요한 것으로 판단된다.

4. 결 론

본 연구는 난방운전조건에서 개방된 출입구를 갖고 있는 소규모 상점에 설치된 수평토출에어커튼의 운전조건(토출압력, 분사각도)변화에 따른 외기차단성능을 평가하기 위해 수행하였으며 그 결과는 다음과 같다.

(1) 모래시계형상의 비선형 토출구에서 직각 분사된 제트공기의 말단은 토출압력변화에 관계없이 토출구의 상부영역은 외부(외기영역)로 하부영역은 내부(실내영역)로 휘어지는 유동현상을 나타내고 있다. 그러나 제트공기의 말단이 휘어지는 각도는 토출압력이 증가함에 따라 감소하였다.

(2) 본 연구조건의 부력이 작용하는 경우, 중성대는 모래시계형상의 비선형 토출구의 중앙지점(Z = 1.5 m) 보다 높은 Z = 2.0 m부근에서 형성됨을 확인하였다.

(3) 토출구에서 직각 분사된 제트공기가 갖는 토출압력이 증가함에 따라 차단성능은 최대 80%까지 증가하였으나 에어커튼에서 분사된 제트공기는 토출압력이 증가함에 따라 에어커튼이 정지시 실내로 유입되는 외기량보다 최대 1.6배 많이 실내로 유입되었다.

(4) 에어커튼에서 직각 분사된 제트공기가 실내로 유입되는 현상을 감소시키기 위해, 제트공기의 토출압력을 20 Pa으로 낮추고 제트공기를 Table 4에 표현된 각도에 대칭하여 분사하면 실내로 유입되는 제트공기는 에어커튼이 정지되었을 때 실내로 유입되는 외기량의 165%정도까지 감소되었다. 실내로 유입된 제트공기량은 실내로 공급되는 난방용 급기량 보다 약 1.5배 증가하므로 실내온도를 설계평균온도인 20℃로 유지하기 위해서는 추가적인 에너지소비가 요구된다.