기호설명

1. 서 론

자동차 실내 공간은 사람들의 이용 시간이 늘어남에 따라 이동 수단이 아닌 하나의 생활공간으로 인식되어 사용자의 요구와 제조사의 개발 방향 중 일부는 차량 내 환경 개선에 맞춰지고 있다.⁽¹⁾ 자동차 내부의 공조시스템(Heating, Ventilation, Air Conditioning System; HVAC)은 실내 온도, 습도 및 공기의 질을 제어해 주는 시스템으로 자동차의 부가가치 향상에 밀접한 영향을 미친다.⁽²⁾ 하지만 이러한 공조시스템의 가동은 자동차의 동력원을 활용하기 때문에, 연비에 악영향을 미치며, 공조시스템 가동 시 내연기관 자동차의 경우 30%, 엔진 동력이 없는 전기차의 경우 40%까지 주행 거리가 감소하는 것으로 나타났다.⁽³⁾ 여름철 또는 겨울철 차량 운행 시 냉난방은 필수적이므로 요구되어 이러한 단점을 보완하기 위해 시스템의 성능을 향상시키고, 또한 시스템의 효율적인 운전이 필요하다. 제조사에서 실험하는 5-cycle의 SC03 모드와 같이 에어컨 운전 모드와 팬을 모두 최대로 가동하는 것이 아니라 적절한 온도와 풍속의 설정으로 연비 저하를 방지할 수 있을 것으로, 공조시스템 운전 조건에 따른 연비 영향성에 대한 연구와 필요 이상의 냉난방 가동을 줄이기 위해 다양한 조건에 따른 차내 실내공간의 열 특성을 분석하는 연구들이 진행되어 왔다.

이 전부터 수행된 여러 조건에서 자동차 실내 공간의 열 유동 특성에 대한 연구 중, Park et al.⁽⁴⁾은 자동차 실제 모델을 대상으로 내부의 상세한 열 분포와 유동 구조를 수치 해석적으로 연구하였다. Seo et al.⁽⁵⁾은 에어컨 토출구의 위치를 다르게 설정하고, 실제 차량의 열 환경 모사가 가능한 경계조건을 고려하여 열 유동 해석을 수행하였다. Chien et al.⁽⁶⁾은 실험결과를 바탕으로 탑승자를 고려한 자동차 실내 열 환경 및 유동장을 해석하였다. Zhang et al.⁽⁷⁾은 차량 내부에 설치한 온도감지 센서에서 얻은 실험 결과를 바탕으로 cool-down test 계산결과를 검증하였다. Zhu et al.⁽⁸⁾은 하버드 대학교 셔틀버스에서 수치적, 실험적 분석으로 실내 열 유동 특성 및 대기질을 평가하였다.

많은 선행 연구가 수행되었음에도 불구하고, Zhu et al.⁽⁸⁾과 같이 버스를 대상으로 한 실내 열 유동 특성 분석에 대한 연구는 일반 승용차에 비해 상대적으로 발표된 연구사례가 적다. 보편적으로 운행되는 시내버스들 중 상당수가 전기차로 대체되고 있고, 많은 인원이 수용되는 만큼 탑승객이 많을 때 공조시스템에 에너지가 더 많이 소모된다. 여러 시간대와 장소에 따라 탑승인원이 유동적으로 변하는 버스 특성상 다양한 조건에서 냉난방이 이루어질 때의 내부 열 환경 평가가 필요하다.

따라서 본 연구에서는 시내 저상버스를 대상으로 설정 온도, 설정 풍속 그리고 탑승객 수에 따른 열 유동 특성을 분석하고, 조건에 따라 차량 내부 중앙과 탑승객을 포함하는 단면에서의 온도, 속도 분포를 수치적으로 평가하였다. 이를 통해 과도한 냉난방을 예방할 수 있는 시스템 설정을 제시한다.

2. 수치해석

2.1 해석 모델 형상

Fig. 1은 버스와 신체 형상을 나타낸다. 해석에 사용된 버스는 현대사의 슈퍼 에어로시티로 크기는 2.324 m × 10.645 m × 2.367 m이며, 탑승객이 없을 때 내부 부피는 48.992 m3이다. 좌석은 버스 앞부분에 기사 1명과 승객 8명, 뒷부분에 16명이 앉을 수 있는 총 25개의 의자로 구성되고, 신체 형상은 ASHRAE⁽⁹⁾에서 정한 표면적 1.8 m²을 기준으로 0.938 m의 앉은 키, 0.405 m의 어깨너비로 설정하였다.

Fig. 2(a)의 버스 형상에서 천장 양 옆에 사각 급기구가 7개씩, 원형 급기구가 15개씩 배치되어 있고, 버스 뒷부분 천장에 배기구가 위치한다. 130 mm × 40 mm 크기의 사각 급기구를 확대한 형상과 D = 65 mm 직경의 원형 급기구 그리고 1,400 mm × 220 mm 크기의 천장 배기구를 Fig. 2(b)에 나타내었다. 급배기구 외의 창문과 출입문은 모두 닫혀 있는 것으로 가정하고, 버스 내부에서의 열유동 특성을 계산하기 때문에 덕트, 엔진룸, 천장의 공조시스템은 도메인에서 제외하였다.

Fig. 1 The schematics of (a) bus and (b) human body.

Fig. 2 (a) The outlet and lights from top view and (b) the rectangular and circular inlet.

2.4 유효성 검증

수치해석 모델을 검증하기 위해 Mao et al.⁽¹⁰⁾에서 제시한 실험 결괏값과 본 연구에서 얻은 수치해석 결과를 비교하였다. 해석에서 사용된 조건으로 급기 입구 온도 Tin = 23℃, 상대습도 50%, 각 신체 부위별 heat flux가 적용되었다. Fig. 3은 해석 대상의 형상과 위치 D를 나타내며 Fig. 4(a), (b)는 급기 유량 80 l/s 일 때 온도와 속도를, (c)는 급기 유량 50 l/s 일 때 상대 습도를 위치 D에서 높이별로 나타내었다. 전체적으로 참고문헌의 실험 결과와 근접하고, 수치해석 결과와 유사한 경향성을 나타내고 있으므로 모델의 타당성을 확인할 수 있다.

Fig. 3 The overview of the system.

Fig. 4 The comparison between numerically predicted and experimentally measured (a) temperature, (b) velocity, and (c) relative humidity at the TAC system.

2.5 경계 조건

버스 내부를 계산 영역으로, 경우에 따라 급기 온도를 14℃, 16℃, 18℃로, 풍속은 5.0 m/s, 2.54 m/s, 1.0 m/s로 변경하여 설정하였다. 공통된 조건은 다음과 같다. 급기에서의 상대습도는 50%이며 신체 표면에서의 상대습도 10%가 땀으로 적용되었다. 신체 표면은 34.05℃, 천장의 전등은 25℃의 일정한 온도로, 이 외의 의자 및 창문과 벽면들은 모두 단열조건으로 설정하였다. 이는 Table 1에 정리되어 있으며 버스 내부 탑승객의 위치를 Fig. 5에서 각각 25명, 12명, 6명일 때로 나누어 표시하였다.

Fig. 5 Location of passengers inside the bus when there are (a) 25 bodies, (b) 12 bodies, (c) 6 bodies.

Table 1 Boundary conditions used in CFD model

	Inlet	Light	Human body	Window	Chair and wall
Temperature [℃]	14, 16, 18	25	34.05	adiabatic
Velocity [m/s]	1.0, 2.54, 5.0	-	-	-	-
Humidity [%]	50	-	10	-	-

3. 결과 및 분석

수치해석의 결과를 Fig. 6에서 표시된 세 단면으로 구분하여 나타내었다. 버스 중앙의 middle을 기준으로 출입문이 있는 오른쪽을 door-side, 운전기사가 있는 왼쪽을 driver-side로 표현하였다.

탑승객 수가 25명이고, 설정 풍속이 2.54 m/s일 때 설정 온도에 따른 단면 별 온도분포와 각 단면에서의 평균온도를 Fig. 7에 나타내었다. 각 단면에서 설정 온도가 2℃씩 낮아질 때 단면 평균온도는 약 1.5℃씩 감소하였다. 모든 설정 온도조건에서 동일하게 middle에서의 단면 평균온도가 다른 단면에 비해 낮은 평균 온도를 나타내고 이는 버스 양 옆의 사각 급기구가 중앙으로 내보내는 에어컨 바람의 영향으로 낮은 온도의 기류가 활발하게 형성되었기 때문이다. 또한, 일정한 온도를 유지하는 탑승객 신체가 열원으로 작용하여 탑승객이 포함된 door-side와 driver-side에서 온도가 높게 나타났다. 버스 체적 평균온도는 설정 온도가 18℃ 일 때 약 23.72℃, 16℃ 일 때 약 22.26℃, 14℃일 때 약 20.75℃이며, 여름철 실내 쾌적 온도가 23~26℃임을 고려할 때⁽¹¹⁾, 14℃와 16℃의 냉방 설정에서는 버스 내부가 과냉방 되었음을 나타내었다.

Fig. 8에 탑승객 수 25명, 설정 온도 18℃일 때 driver-side에서의 유속분포를 나타내었다. 탑승객 상체 주위의 유속은 최대 0.3 m/s이며, 하체 주변의 유속은 최대 0.7 m/s까지 분포한다. 원형 급기구에서 수직으로 내려오는 기류들이 바닥에 부딪힌 후 서로 만나 와류를 형성하는 것을 확인하였다. 설정 풍속이 1.0 m/s 인 경우 상체 주변은 약 0.28 m/s, 하체 주변은 약 0.42 m/s까지 분포하지만, 설정 풍속이 5.0 m/s인 경우 상체 주변은 약 0.4 m/s, 하체 주변은 약 1.2 m/s까지 분포하여 ASHRAE Standard 55⁽⁹⁾에 의해 경우에 따라 최대 0.8 m/s으로 제한된 유속보다 높게 나타났다. 또한 설정 풍속이 1.0 m/s에서 버스 체적 평균온도는 27.41℃로 다른 두 경우보다 약 3.69℃, 5.2℃ 더 높은 것을 확인했다.

설정 온도와 풍속이 18℃, 2.54 m/s일 때 Fig. 9(a)는 탑승객 수에 따른 버스 체적 평균온도를, Fig. 9(b)는 각 단면에서의 단면 평균온도를 나타낸다. 승객 없이 운전기사만 있는 경우의 체적 평균온도 21.84℃를 기준으로 탑승객 수가 많아질수록 체적 평균온도가 약 1.83%, 4.08%, 8.61% 증가했다. 탑승객 신체 표면을 포함하는 door-side와 driver-side에서의 탑승객 수에 따른 증가율이 middle에서의 증가율보다 높게 나타났다. ISO Standard⁽¹¹⁾의 쾌적 범위를 고려할 때 탑승객이 25명 이하가 될 때 18℃보다 높은 온도 설정을, 2.54 m/s 보다 약한 풍속 설정이 필요하다.

Fig. 6 Three plane sections of door-side, middle, and driver-side.

Fig. 7 The temperature distribution at the cross section of door-side, middle, and driver-side for 25 passengers and the inlet velocity of 2.54 m/s.

Fig. 8 The distribution of velocity magnitude for vin =2.54 m/s, Tin = 18℃ and 25 passengers.

Fig. 9 The volume average temperature and section average air temperature per plane according to the number of passengers.

4. 결 론

본 연구에서는 저상버스를 모델링하여 시뮬레이션을 통해 여름철 냉방시스템 가동 시 설정 온도, 풍속 그리고 탑승객 수에 따른 내부 열 환경을 비교하였다. 그 결과는 다음과 같다.

- 탑승객 수가 25명이고, 설정 풍속이 2.54 m/s일 때 설정 온도 14℃와 16℃의 경우 체적 평균온도가 23℃ 이하로 버스 내부가 과냉방되고 있음을 확인하였다. 쾌적 범위를 유지하기 위한 설정 온도는 18℃ 이상이 에너지 낭비를 줄일 수 있는 온도라고 판단된다.

- 탑승객 수가 25명이고, 설정 온도가 18℃일 때 하반신 주변의 강한 기류가 형성되는 5.0 m/s의 설정 풍속과 약한 유속으로 인해 버스 체적 평균온도가 27.41℃에 달하는 1.0 m/s의 설정 풍속은 부적절한 냉방 설정임을 나타냈다. 세 가지 조건 중 2.54 m/s의 풍속 설정 시 평균온도는 쾌적 범위에 포함되지만 그중 낮은 값에 해당하고 탑승객 주변의 기류가 강하기 때문에 1.0과 2.54 m/s 사이에서 적정 풍속을 찾을 것이 필요하다.

- 설정 온도가 18℃이고, 설정 풍속이 2.54 m/s일 때 탑승객의 수가 적어질수록 버스 체적 평균온도가 감소하는 것을 확인하였고 이에 따라 유동적인 시스템 설정으로 과냉방을 방지할 수 있을 것이라 예상된다.