기호설명

하첨자

1. 연구배경 및 목적

경제 성장에 따른 생활양식의 변화로 자동차를 이용하는 시간이 지속적으로 증가하고 있다. 이에 따라 주행 및 제동 성능과 같은 자동차의 기본적인 성능 이외에 안전성이나 편의성, 쾌적성과 같은 인간 중심적인 기능이 차량을 구입할 때 고려하는 중요한 기준의 하나가 되고 있다. 하지만 이러한 소비 추세와는 반대로 최근 연비 및 배출 물질의 규제 강화, 편의성 및 심미도 향상을 위하여 차량에서 유리 면적의 증가 등은 탑승자의 온열 쾌적성을 확보하기가 점점 어려워지고 있다. 따라서 자동차회사 및 관련 연구기관에서는 탑승자의 쾌적성을 향상하기 위하여 여러 연구들이 진행되고 있으며, 전석과 후석의 온도차 및 인체 온열감을 향상한 공조 시스템(HVAC, Heating, Ventilation and Air-conditioning System)은 탑승자에게 쾌적감을 제공하고 심리적 안정감을 부여하여 사고 회피도 가능하다고 한다. 미국인 10명 중 8∼9명은 차 실내 열적 쾌적성 향상이 가능한 별도의 기술을 요구하고 있으며 이를 위하여 추가로 비용을 지불할 용의가 있다는 소비자 설문조사 결과가 있을 정도이다.⁽¹⁾

자동차에서 공기 분배 장치(AHU, Air-Handling Unit)는 차 실내 탑승자의 요구에 따라 더운 공기 또는 차가워진 공기를 직접 차 실내로 공급하거나, 또는 이들 더운 공기와 차가운 공기를 적절히 혼합하여 온도조절을 한 후 각각 얼굴 방향(face mode), 발 방향(foot mode), 제상 방향(defrost mode)으로 단독 혹은 복합적으로 송풍 하여 승객에게 쾌적한 환경을 제공한다. 이러한 공조장치는 인간과 직접 접촉하기 때문에 좁은 공간에서의 답답함을 극복하고 보다 편안한 환경을 제공하기 위하여 많은 연구가 진행되고 있으며, 최근에는 인간의 감성까지 고려한 공기 분배 장치들이 요구되고 있다.⁽²⁾

최근 들어 자동차 시장에서 소비자들은 SUV(Sport Utility Vehicle), MPV(Multi-Purpose Vehicle)에 대한 선호도가 높아지고 있다. 특히 인도와 동남아를 포함한 아세안(ASEAN) 지역의 경우, 특성상 대가족 중심의 사회이고, 화물을 적재할 넓은 공간을 요구하며, 비포장 도로 등으로 인해 차체가 큰 SUV나 MPV의 판매량이 급격한 증가세에 있다. 또한 당해 지역은 온열대 기후 특성으로 인해 차량 실내 쾌적성을 위한 소비자의 요구가 다양한데, 무더운 날씨에 에어컨을 작동하면, 1열 탑승자의 쾌적성은 만족하나, 2열과 3열 탑승자는 상대적으로 불쾌지수가 상승하며, 2열과 3열 탑승자를 중심으로 에어컨을 가동하면 1열은 너무 차가워지는 문제점이 있다. 따라서 현재는 2열 및 3열석 탑승자를 위하여 차량 뒤쪽에 후석 공조시스템(Rear HVAC) 또는 천정 장착형 공조시스템(Roof-top HVAC)이 주로 사용되고 있다.

인체의 온열 쾌적감은 사람의 감성과 연관된 부분으로 여름철에 에어컨을 작동하여 차가운 바람이 사람에게 직접 도달하게 되면, 이를 쾌적하고 느끼는 사람이 있는 반면, 불쾌하게 느끼는 사람들도 있다. 따라서 인체의 온열 쾌적감을 예상 온열 냉감(PMV, Predicted Mean Value)으로 표시하고, 예측 불만족율(PPD, Prodicted Percentage Dissatisfied)로 불만족율을 계산하게 된다.⁽³⁾

Lee et al.⁽⁴⁾은 전산 해석으로 차 실내에서 탑승자의 자세별 예상 온열 냉감을 해석하여 열 쾌적성 보정 계수를 도출하였고 열적 만족감을 수치화 하였다. 해석 결과 냉각 풍량이 앞에서 토출되면 앞좌석은 열적으로 만족하나 뒷좌석은 열적으로 불만족하였고, 뒷좌석으로 풍향을 바꾸면 앞좌석의 불만족도가 높아지는 경향을 보였다.

Kim et al.⁽⁵⁾은 차 실내와 탑승자를 실제 차량과 같이 모델링하여 냉방 운전시 탑승자의 온열 쾌적성을 전산 해석하여 탑승자의 발과 가슴과의 온도차 및 앞좌석과 뒷좌석과의 온도차, 각 좌석마다의 쾌적성이 서로 다르게 나타나는 것을 확인하였다.

미츠비씨 중공업(Mitsubishi heavy industry)과 다이하츠 자동차(Daihatsu motors)에서는 차 실내를 축소하여 만든 모델에서 열 환경을 실험하고 해석 결과와 비교하였다. 실내 열 환경에서 바닥에서는 복사의 영향이 지배적이었고, 차 실내 계기판(instrument panel) 중심에서는 대류의 영향이 가장 크게 나타났다.⁽⁶⁾

Lee⁽⁷⁾는 입체 냉방 공조시스템이 실내 온열 쾌적성에 미치는 영향에 대하여 연구를 하였다. 실내에 별도의 보조 송풍기를 두고, 여러 위치로 변경하면서 실내 냉방성능의 영향도와 차이 및 탑승자의 온열 쾌적성을 측정하였고, 실험 결과 탑승자의 전 후석 예상 온열 냉감의 차이가 줄이는 것을 확인하였다. 또한 차 실내 온열 쾌적성의 인자로 풍향과 바람의 세기에 대하여 다양한 실험으로 온열 쾌적감에 미치는 영향에 대하여 연구하여 바람의 세기만 적절하게 조절해도 탑승객의 온열 쾌적성이 상당부분 해소될 수 있다는 것을 알았다.

건물과 빌딩 공조에서도 공기순환 시스템을 이용하는 연구가 활발하다. Rhee and Jung⁽⁸⁾열적 불편뿐만 아니라 냉각에 사용되는 공조 기기의 에너지가 증가하는 문제점을 극복하기 위해 공조 공간에서의 공기확산을 개선하여 공조장치의 단점을 보완할 수 있는 대안으로 공기순환기를 제안하였다.

공기 분배 장치에서 외기 도입은 건물의 환기와 에너지 절약의 관점에서 중요한 요소로, 공동 주택과 고밀도 집합 건물인 빌딩 등에서는 다양한 환기 방법에 대하여 오래전부터 연구가 진행되어 왔다.⁽⁹⁾

특히 가정용 에어컨에서 기류에 의한 불쾌감을 개선하여 쾌적한 환경이 될 수 있도록 개발한 무풍 에어컨은 에어컨 전면부 하단에 써쿨레이터(circulator)를 둠으로서 기존의 가정용 에어컨 대비 냉기의 확산속도가 60% 이상 증가되어 실내 온열쾌적성에 도움이 될 수 있음을 확인하였다.⁽¹⁰⁾

본 연구에서는 SUV 또는 MPV차량에서 2열 및 3열석 탑승자의 온열 쾌적성 향상을 위하여 차량용 공기 순환 장치를 개발하였다. 간편하고 저렴한 공기 순환 장치로 기존의 후석용 에어컨 시스템을 대신하고자 하였고, 기능적으로는 단순히 전석의 차가운 바람을 적절히 후석 탑승자에게 공급함으로써 온열 쾌적성에 미치는 영향에 대하여 연구하였다.

Fig. 1 Schematic of air-circulator.

공기 순환 장치는 유동 해석으로 최적의 풍량과 풍량 배분이 되도록 최적 설계를 하였다. 또한 시작품(prototype product)을 제작하고 단품 성능을 시험하여 해석 결과와 비교하였고, 향후 설계 기초자료로 활용할 수 있도록 하였다. 또한 차량에서의 효과를 확인하기 위하여 SUV 차량에 시작품인 공기 순환 장치를 장착하여 토출 온도와 예상 온열 냉감을 측정하였고, 2열과 3열석에 사람이 탑승하여 직접 온열감을 평가하여 온열 쾌적성에 미치는 영향에 대하여 살펴보았다.

2. 차량용 공기 순환 장치

일반적으로 차량의 공조 시스템은 증발기를 지난 차가운 바람이 차 실내 전석에서 뒷좌석으로 이동하면서, 승객에게 시원을 바람을 제공한다. 하지만, 차량의 실내 체적이 커지게 되면, 전석에서 공급되는 차가운 바람이 2열과 3열석의 탑승객에게 충분히 공급되지 않아 탑승자의 열적 불쾌지수는 높아지게 된다. 따라서 2열, 3열석 탑승자까지 온열 쾌적성을 만족할 수 있는 방안으로 기존에는 후석에 별도의 보조 에어컨 시스템을 장착하곤 했다. 하지만 이와 같이 후석에 에어컨 시스템을 장착하게 되면 구성 부품이 많아지고, 냉매를 공급하는 배관 등 시스템은 매우 복잡해지고 많은 비용이 소요된다.

공조 장치에서 기류의 제어는 매우 중요하다. 전석 에어컨에서 토출되는 다양한 기류의 분포가 후석 탑승객의 온열 쾌적성에 미치는 영향을 살펴보면 적절히 기류와 풍속을 조절함으로써 후석 탑승객의 열 쾌적성이 향상될 수 있음을 알 수 있다.⁽¹¹⁾ 여기에 착안하여 차량용 공기 순환 장치가 개발되었다. 차량 앞쪽에 위치하는 에어컨 시스템으로부터 차가운 바람이 토출되면, 천정에 장착된 공기 순환 장치는 이 공기를 흡입하여 다시 2열과 3열석의 승객에게 송풍함으로써 후석 승객들의 온열 쾌적성을 향상하고자 한다.

2.1 공기 순환 장치의 구성

공기 순환 장치에서 풍량, 풍량 배분, 풍향은 승객의 쾌적성과 냉방성능에 큰 영향을 미치므로 차량의 구조를 고려하여 설계를 해야만 할 것이다. 특히 풍향은 탑승자의 인체의 온열 쾌적성에 밀접한 영향이 있으므로 바람의 방향이 어디를 향하는지에 따라 예상 온열 냉감 지수가 달라지기 때문에 사전에 면밀한 검토가 필요하다.

Fig. 1의 공기 순환 장치의 개략도를 보면, 에어컨에서 토출된 차가운 공기를 흡입한 송풍기는 다시 바람을 후석 승객들에게 공급한다. 공기 순환 장치는 사용자의 선택 또는 실내 온도를 감지하여 다음의 모드로 선택될 수 있다. 먼저 직접 토출 모드(direct air discharge mode)는 차량 초기에 승객이 탑승시 빠른 시간 내 냉감을 가질 수 있도록 바람이 탑승자에게 직접 토출되도록 하는 모드로 공기 순환 장치의 아래쪽에 위치한 토출구를 통하여 바람이 토출된다. 반면 간접 토출 모드(indirect air discharge mode)는 어느 정도 실내가 안정된 후 바람이 은은하게 승객에게 제공되도록 하여 온열 쾌적성을 향상하는 모드로 공기 순환 장치의 위쪽에 위치한 토출구로 토출되는 바람은 차량의 천정을 타고 측면 벽을 따라 흐르는 모드이다. 이들 모드의 조절은 공기 순환 장치 내에 위치한 댐퍼(damper)로 선택을 한다. 주요 구성부품은 팬(fan)과 모터(BLDC motor), 그리고 공기정화 필터(air pollution filter), 모드를 선택하는 댐퍼와 구동 엑츄레이터(actuator), 상하 토출구 등이며, 토출구는 약 3mm 폭의 노즐(nozzle)형태로 구성하여 주변의 공기도 함께 유도되는 효과를 얻고자 하였다.

Fig. 2 Schematic of air-circulator for computational fluid analysis.

공기 순환 장치의 최적 설계의 방법으로는 먼저 적절한 형상 도출을 위하여 전산해석(numerical analysis)을 진행하였다. 실험에서 얻은 공기 순환 장치의 송풍기 구동모터의 제어량(duty control)을 이용하여 목표 풍량에 도달하는지를 확인하였고, 이때 각 모드별로 2열과 3열석으로 가는 바람의 양과 배분을 해석하여 적절한 풍량과 배분이 되도록 하였다. 이어 전산해석 결과를 바탕으로 시작품을 제작하였다.

2.2 전산 해석

공기 순환 장치의 해석은 상용 열 유체 해석프로그램인 FLUENT를 이용하여 다음의 경우에 대하여 수치해석으로 최적화를 진행하고자 하였다. 해석의 대상은 다음 4가지에 대하여 살펴보았다. 먼저 공기 정화 필터의 위치를 결정하기 위하여 공기 정화 필터와 모드 조절 댐퍼의 위치에 따른 영향성을 해석 하고, 다음으로 공기 순환 장치에서 송풍기 구동 팬의 회전수별로 토출 풍량을 해석하여 모드별로 적정한 풍량인지를 확인하였다. 마지막으로 공기 순환 장치와 차 실내에 대하여 직접 토출 모드와 간접 토출 모드에서의 2열과 3열석으로 적절하게 바람이 배분되는지를 해석하여 후석 승객에게 적절한 바람의 공급으로 온열 쾌적성에 직접 영향을 주는 바람의 방향에 대하여 해석을 하였다.

해석 모델 형상은 캐드 데이터(CAD data)로부터 추출하였으며, 전체 격자(mesh)수는 공기 순환 장치가 21,079,504개, 차량은 18,143,219개 정방형 격자(tetra mesh)이다. 난류 모델은 Realizable $k-\epsilon$모델, 비평형 벽함수(non-Equilibrium wall function)이고 송풍기는 다중 참조 프레임(MRF, Multiple Reference Frame) 모델을 사용하였고, 공기 정화 필터는 다공성 매체(porous media) 로 하였습니다.

Fig. 2는 해석 모델을 보여주고 있다. 공기 순화장치의 송풍기가 위치한 방향이 차량의 전면으로 향하여 전석의 에어컨 시스템에서 토출되는 찬바람을 쉽게 흡입할 수 있도록 하였고, 공기 순환 장치에서 바람이 토출되는 방향은 2열과 3열 승객석 방향이다.

Table 1은 해석 모델별 풍량 결과를 보여 주고 있다. 직접 토출 모드와 간접 토출 모드의 2가지 모드에 대하여 해석을 하였다. 먼저 직접 토출 모드에서 토출 풍량 해석 결과, 공기 정화 필터가 댐퍼 후단에 위치한 Model-B가, 공기 정화 필터가 댐퍼 전단에 위치한 Model-A 보다 풍량이 3.8% 증가하였다. 다음으로 간접 토출 모드의 경우에도, 송풍기 모터 Duty가 30% 일 때 Model-B가 73.7 m/h로 Model-A 보다 약간 우수하게 해석되었다. 실제 사용 조건이라면, 댐퍼 후단에 공기 정화 필터가 배치되는 구조는 댐퍼를 지난 바람이 공기 정화 필터를 통과하면서 일부가 공기순환 장치의 직접 토출구와 간접 토출구간에 서로 혼입될 가능성도 있을 것이다.

Table 2는 공기 순환 장치의 직접 토출 모드와 간접 토출 모드에서 각 토출구로 바람이 고르게 분배되어 토출되는가를 해석한 결과이다. 직접 토출 모드와 간접 토출 모드 모두 측면과 전면의 좁은 노즐을 통하여 바람이 토출되며, 각 토출구에서 토출되는 바람의 양은 좌측과 우측, 그리고 가운데로 고르게 분배되는 것을 알 수 있다. 풍량 배분율은 두 모드 모두 32∼34% 수준으로 분배되었다.

Table 1. Numerical analysis results of airflow volume for Model-A and Model-B air-circulator

Motor duty (%)	Fan speed (rpm)	Model	Airflow volume ($m^{3}$/h)
			Direct air-discharge mode	Indirect air-discharge mode
30	1610	A	72.3	69.4
		B	75.1	73.7
40	2140	A	109.3	107.5
		B	111.7	110.2

Table 2. Numerical analysis results of airflow volume and air distribution rate both direct and indirect air- discharge mode of Model-B air-circulator (Motor duty=30%)

	Direct air-discharge mode			Indirect air-discharge mode
	Left	Center	Right	Left	Center	Right
Airflow volume ($m^{3}$/h)	24.3	26.2	24.6	24.5	24.3	24.8
Distribution rate (%)	32.3	34.9	32.8	33.3	33.0	33.7

Fig. 3 Numerical analysis results of airflow direction form air-circulator for 2nd row seats and 3rd row seats passengers in the cabin.

Fig. 3은 공기 순환 장치의 토출 모드별 차 실내에서의 공기 유동을 보여주고 있다. 먼저 Fig. 3(a) 직접 토출 모드를 보면, 바람이 2열과 3열 승객의 머리 쪽으로 향하고 있으며, 풍속은 2열 승객석의 경우 1.3∼1.8 m/s, 3열 승객석은 0.9~1.1 m/s 정도이다. 반면 Fig. 3(b)의 간접 토출 모드는 2열과 3열석 승객의 더운 온열감이 어느 정도 해소된 후 사용하는 모드로, 바람이 사람의 머리로 직접 향하지 않기 때문에 2열 승객석은 약 2.1~2.8 m/s, 3열 승객석은 1.2~1.6 m/s의 풍속으로 차량 천정과 벽면을 따라 마치 에어 커튼처럼 고르게 퍼지고 있다. 따라서 간접 토출 모드는 외부에서의 열 침입을 막아주고, 은은하게 탑승객의 온열 쾌적감을 지켜줄 수 있을 것으로 생각된다.

3. 공기 순환 장치의 성능 시험

3.1 단품 성능 시험

전산 해석으로 공기 순환 장치의 풍량, 풍량 배분, 바람의 방향과 차 실내 유동 분포에 대하여 최적화를 진행 후, 해석된 결과를 바탕으로 공기분배 장치의 시작품을 제작하여 단품 성능 시험을 하였다.

공기 순환 장치의 풍량 시험 장비는 Torrington사의 FM150 모델로 ANSI/ASHRAE 51-1985, ANSI/AMCA 210-85에 따라 제작되었고, 토출되는 풍량은 시험 장비에 설치된 여러 개의 노즐을 풍량에 따라 적절히 조합하여 ±2.0% 오차로 체적 유량을 측정한다. 장비에 설치된 열전대와 습도, 기압계는 공기 밀도를 계산하여 정확한 풍량을 위한 보정 값으로 사용되고, 습도 센서는 Rotronic사의 CH8303 모델로 ±1.0%의 오차를 가지고 0∼100%의 상대 습도를 측정한다. 압력 측정은 Japan Technology의 Kavlico P500의 압전 센서로 노즐 전후의 차압을 측정하며 오차는 ±0.1% 이내이다. 그밖에 공기 분배 장치의 송풍기 팬의 구동 모터에 전원을 공급하는 전원 공급기(power supply)는 International P.S의 Mouser모델로 ±0.2%의 오차를 가진다.

Table 3은 공기 순환 장치에서 송풍기 구동 팬의 회전수별로 직접 토출 모드와 간접 토출 모드에서의 풍량과 풍량 배분 시험 결과이다. 시험 결과는 해석 결과와 거의 비슷하며 해석 결과의 오차는 약 1.7∼7.1% 이다. 오차율로 보면 커 보이지만, 각 토출구에서 나오는 바람의 양이 적다보니 상대적으로 오차는 커진 것으로 보인다. 해석과 시험과의 토출 풍량 값으로 보면 차이는 0.4∼1.9 m/h 정도이다.

Fig. 4는 공기 순환 장치 단품의 작동 소음을 측정하는 사진이다. Fig. 4(a)는 무향실에 설치된 공기 순환 장치로 송풍기 팬에 DC 12V를 공급하면서 팬 회전수가 안정된 다음에 각각 전석과 2열 승객의 오른쪽 귀 위치(송풍기 팬의 흡입 소음과 공기 순환 장치에서 토출되는 바람 소음)에서 2개의 마이크로폰(microphone)을 설치하여 측정하였다.

Table 3. Comparison of numerical analysis and experimental results for airflow volume both direct and indirect air-discharge mode (Motor duty=30%)

Mode	Direct air-discharge mode			Indirect air-discharge mode
	Left	Center	Right	Left	Center	Right
Numerical analysis ($m^{3}$/h)	24.3	26.2	24.6	24.5	24.3	24.8
Experiment ($m^{3}$/h)	24.8	27.0	25.7	24.1	26.2	25.6

Fig. 4 Photo of noise experimental apparatus and experimental results of air-circulator noise.

Fig. 4(b)의 소음 시험 결과를 보면 송풍기 모터의 Duty가 증가할수록 소음도 증가하며, 약간의 차이지만 간접 토출 모드가 직접 토출 모드보다 크게 나타났다. 이는 간접 토출 모드일 때가 직접 토출 모드보다 약간 더 높은 풍속 영향으로 보인다. 송풍기 팬 모터의 Duty가 30%일 때 소음은 직접 토출 모드시 마이크로폰 1위치에서 51.2 dB, 마이크로폰 2는 53.2 dB로 측정되었다.

3.2 실차 성능 시험

3.2.1 평가 방법 및 조건

단품 성능 시험 후 공기 순환 장치의 온열 쾌적성에 실차 환경제어 풍동에서 시험을 하였다. 실차 환경 제어 풍동은 온도를 -40∼60℃±2.0%까지 제어할 수 있고, 습도는 0~90±1.0%로 제어되기 때문에 여러 다양한 기후 조건을 모사한 시험이 가능하다.

평가 차량은 현대자동차에서 생산한 SUV인 Max Cruze를 이용하였다. 차 실내 천장에 공기 순환 장치를 장착하고 T-type 열전대(thermos couple)를 1열석과 2열, 3열석 각 좌석별 머리 부위에 4개씩, 바닥부분에도 각각 4개씩 48개를 설치하였고, 공조시스템의 토출구에도 각각 4개를 설치하였다. 또한 공기 순환 장치의 각 토출구에도 열전대를 추가하여 실내 기류의 거동에 따른 온도분포를 상세히 살펴보고자 하였다. 2열과 3열석에는 예상 온열 냉감을 측정하기 위하여 TESTO 400 장비를 설치하여 복사 온도, 풍속 및 습도를 측정하였다. TESTO 400 장비는 풍속, 온도, 습도, 방사열 등 국제 기준에 따른 측정 방식이 내장되어 있어 예상 온열 냉감(PMV, Predicted Mean Vote)과 예측 불만족율(PPD, Predicted Percentage Dissatisfied) 등 실내 쾌적도와 직결되는 항목을 간편하게 측정할 수 있다. 온도는 K-type 열전대로 -40∼150±0.3℃로 측정이 가능하며, 압력은 -100∼200±0.3 hPa, 습도는 0∼100±1.8%, 풍속은 0∼30±0.1 m/s로 측정이 가능한 열선풍속계이다. 시험 데이터의 취득은 Agilent사 34970를 노트북 컴퓨터와 연결하여 실시간 확인하고 저장하였다.

온열 쾌적성은 주어진 공간에서 열적 환경에 대한 만족감을 표현하는 하나의 지표로, 예상 온열 냉감과 예측 불만족율로 표현되며, 이는 각 개인이 느끼는 감각적인 상태량으로, 기본적으로는 온도, 기류, 개인의 활동량, 착의량, 성별 등에 따라 달라진다. 예상 온열 냉감 지수는 열 균형에 근거하여 7점 척도로 표현되며, 대규모 집단의 사람들이 표현하는 평균값을 예측하는 지수로 활용된다. 또한 예상 온열 냉감 측정과는 별개로 2열석과 3열석에 긴소매 티셔츠 및 긴 바지 착용한 두 명의 승객이 탑승하여 동일한 기준으로 온열 쾌적성에 대하여 주관적인 평가를 실시하였다.

Fig. 5는 공기 순환 장치의 실차 온열 쾌적성 시험을 하는 사진을 보여주고 있다. 예상 온열 냉각을 평가하기 위한 각종 센서의 위치와, 승객의 위치 및 공기 순환 장치의 장착위치를 볼 수 있다. 시험은 일사가 없는 상태에서 외기 온도 40℃로 차량 실내 평균 온도가 40℃가 될 때까지 기다린 후, 시동을 켜고 정차(idle mode) 상태에서 에어컨을 작동하면서 진행하였다. 먼저 에어컨의 성능 시험을 진행하여 공기 순환 장치의 작동과 운전모드에 따른 영향을 살펴보고, 다음으로 차 실내의 2열과 3열석의 예상 온열 냉감과 각 좌석에서 탑승자가 느끼는 온열 쾌적성에 대하여 시험을 하였다.

Fig. 5 Photo of sensor positions and evaluation environment for vehicle experiment.

3.2.2 실차 시험 결과

먼저 환경제어 풍동에서 공기 순환 장치의 작동이 냉방 성능에 미치는 영향에 대한 시험결과를 Fig. 6에 나타내었다. Fig. 6(a)을 보면 에어컨을 작동함에 따라 차가워진 공기가 실내로 토출되면서 차 실내 온도는 급격하게 낮아진다. 전석 에어컨에서의 토출 공기 온도는 공기 순환 장치의 작동에 관계없이 거의 유사하나, 실내 평균온도는 공기 순환 장치를 작동할 때가 작동 모드에 따라 약간씩 다르지만, 공기 순환 장치가 작동하지 않을 때(Base, 이하 Base) 보다 약 1.1∼1.5℃ 정도 높아졌다. 이는 실내의 축척된 열부하가 공기 순환 장치에서 토출되는 바람에 의하여 실내 공기가 교반하기 때문에 높아진 것으로 판단된다. 공기 순환 장치에서 토출되는 공기 온도를 Fig. 6(b)에 나타내었다. 공기 순환 장치에서 토출되는 공기 온도가 Base보다 낮기 때문에 공기 순환 장치는 전석 에어컨에서 토출되는 차가운 바람을 후석으로 잘 공급하고 있는 것으로 보인다. 시간이 지날수록 그 차이는 줄어드는 경향이나, 초반 5분 시점에서 공기 순환 장치를 작동할 경우 Base 대비 직접 토출 모드에서는 4.2℃ 정도, 간접 토출 모드로 작동할 경우에도 약 2℃ 정도 토출 온도가 낮았다.

Fig. 7은 공기 순환 장치의 작동유무에 따른 예상 온열 냉감과 탑승객의 주관적인 온열 쾌적성을 시험한 결과이다. 전석 에어컨 시스템의 송풍기를 최대 송풍량(Q = Max. blower)에서 공기 순환 장치의 작동에 따라 2열과 3열석에서의 예상 온열 냉감과 탑승자의 주관적인 온열 쾌적성을 보여주고 있다. 전반적으로 시간이 지나면서 예상 온열 냉감은 쾌적에 가깝게 되며, 공기 순환 장치를 작동하였을 때가 Base보다 더 빠르게 쾌적해 지는 것을 알 수 있다. Fig.7(a)은 2열석에서의 예상 온열 냉감과 주관적인 쾌적성 평가로 공기 순환 장치를 작동하면 10분 정도에서 쾌적해 지는 반면, Base는 아직 쾌적하지 않다. Fig. 7(b)은 3열석에서의 예상 온열 냉감과 주관적인 쾌적성 평가 결과로 공기 순환 장치를 작동하면 약 14분 시점에서 온열 냉감 지수 0에 도달하고 있으며, 승객이 평가한 주관적인 온열 쾌적성도 유사한 결과를 보여주고 있다.

Fig. 8은 Fig. 7과 유사한 시험으로, 전석에 위치한 에어컨 시스템의 송풍량을 절반으로 줄이면서(Q = Half blower), 공기 순환 장치의 작동 유무에 따라 온열 쾌적성에 미치는 영향을 시험한 결과이다. Fig.8(a)은 2열석에서의 예상 온열 냉감을 비교한 결과로 약 10분 정도에 쾌적해 졌으며, Fig.8(b)의 3열석에서의 예상 온열 냉감은 약 15분 시점에 쾌적함에 도달하였다. 승객이 평가한 주관적인 열 쾌적성도 유사한 경향을 보이고 있다. 즉, 3열석의 예상 온열 냉감은 전석 에어컨 시스템의 송풍량이 절반으로 줄었기 때문에 Base의 2열석과 3열석의 예상 온열 냉감은 높아졌으며, 이때 공기 순환 장치의 작동으로 예상 온열 냉감이 현격히 개선되는 것을 알 수 있다. 따라서 전석 에어컨 시스템은 2열과 3열석의 승객을 위하여 풍량을 크게 하지 않고, 송풍량을 줄여도 공기 순환 장치의 작동만으로 2열과 3열석 승객의 예상 온열 냉감이 향상되는 효과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.

Fig. 6 Experimental results of air-conditioning system cool-down and air-circulator performance.

Fig. 7 Experimental results of thermal comfort at direct air-discharge mode with air-circulator (Qair = Max.blower).

Fig. 9는 자동 온도제어 성능(auto-temperature controllability performance)을 시험한 결과이다. 공조 시스템의 설정 온도를 22℃ → 20℃ → 22℃ → 24℃ → 22℃로 순차적으로 변경하면서 실내 각 좌석에서의 온도가 얼마나 설정한 온도에 잘 추종하는가를 확인하는 시험이다. Fig. 9(a)는 자동 온도제어 성능 시험을 하는 동안 3열석과 1열석과의 온도 차이를 비교한 결과로 공기 순환 장치를 작동하면 전석과 3열석과의 온도차는 설정온도에 따라 다르지만 0.4~2.1℃ 정도 줄어들어 각 좌석간 고른 온도 분포를 가지는 것을 알 수 있다. Fig. 9(b)는 자동 온도제어 성능 시험에서 설정한 온도에 얼마나 가깝게 제어되는가를 확인하는 시험으로 공기 순환 장치를 작동하면 Base보다 0.9~2.0℃정도로 실내 평균온도가 설정온도에 가깝게 제어되는 것을 확인할 수 있었다.

이상으로 차 실내 온열 쾌적성에 미치는 영향에 대한 실차 시험 결과, 전석의 에어컨 시스템의 운전과 연관 지어 운전시간(또는 운전부하)을 줄여도 공기 순환 장치의 작동만으로 실내 평균온도는 고르게 분포되는 효과가 있으며 2열과 3열석 승객의 온열 쾌적성은 향상되었고, 설정된 온도에 보다 근접하게 제어되는 효과를 얻을 수 있었다.

Fig. 8 Experimental results of thermal comfort at direct air-discharge mode with air-circulator (Qair = Half blower).

Fig. 9 Experimental results of auto-temperature controllability performance.

4. 결 론

SUV와 MPV와 같이 실내 체적이 큰 차량에서 2열과 3열석 승객의 온열 쾌적성을 향상하기 위하여 차량용 공기 순환 장치를 개발하였다. 공기 순환 장치는 바람의 방향과 풍량, 풍량 배분에 대하여 전산 해석으로 최적화를 진행하였고, 시작품으로 단품 성능 시험을 검증하였다. 나아가 차량에 공기 순환 장치를 장착하여 2열석과 3열석의 예상 온열 냉감을 측정하고, 탑승자가 열 쾌적성을 평가하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1) 차량 온열 환경을 고려하여 후석 승객들에게 직접 차가운 바람을 공급하는 직접 토출모드와 차 실내 천장을 타고 바닥으로 바람이 흘러내리는 간접 토출 모드를 가지는 공기 순환 장치를 개발하였다.

(2) 공기 순환 장치의 최적화를 위하여 전산 해석으로 송풍기 팬 모터의 Duty가 30%에서 간접 토출 모드와 직접 토출 모드에서 설계 목표 풍량을 만족하는 Model-B를 선정하였다.

(3) 공기 순환 장치의 풍량 배분은 직접 토출 모드와 간접 토출 모드 모두 좌측과 우측 및 가운데로 균일하게 분배되며, 최대 1.6% 차이가 난다. 각 모드에서의 해석 결과와 시험 결과는 풍량의 경우는 송풍기 팬 모터의 Duty가 30%에서 직접 토출 모드 시는 1.0 m/h 간접 토출 모드 시는 1.9 m/h차이가 나며, 풍량 배분은 각 토출구마다 조금씩 다르지만 최대 3.2%의 오차를 가진다.

(4) 실차 시험 결과, 공기 순환 장치를 작동하면 초반에 후석으로 차가운 바람이 공급되어 공기 순환 장치가 없을 때 보다 최대 4.2℃ 정도 토출온도가 낮아졌다.

(5) 차량에서 2열석과 3열석의 예상 온열 냉감은, 전석 에어컨의 송풍량에 따라 달라지지만, 예상 온열 냉감 0에 도달하는 시간이 약 1.5∼5분 이상 빨라졌다.

(6) 실차에서 공기 순환 장치를 작동하면, 각 좌석간 고른 온도 분포로 인하여 3열석과 1열석의 온도차이가 약 0.4~2.1℃ 정도로 줄어들고, 사용자가 설정한 온도에 보다 근접하여 제어되는 효과가 있었다.

이상으로 공기 순환 장치의 해석과 시작품 제작 및 단품 성능 시험, 실차 시험결과를 통하여 차량에 적용할 수 있는 공기 순환 장치를 개발하였다. 개발된 공기 순환 장치는 실내 체적이 큰 차량에 적용할 경우 온열 쾌적성 측면에서 후석 탑승객에게 효과가 있음을 확인하였고, 비교적 저렴하고 간편한 구조로 기존에 별도로 후석에 설치하던 보조 에어컨 시스템을 대체할 수 있을 것으로 생각된다.