기호설명

1. 서 론

오늘날 현대인의 생활 중 90%가 실내에서 이루어지고, 이에 따라 생활공간에서 재실자가 느끼는 실내 쾌적성에 대한 중요성이 강조되고 있다. ⁽¹⁾ 재실자의 쾌적함을 위해서 기류, 오염 물질의 농도, 열 환경 등의 전반적인 검토가 필요하다. 건물 부분에서 국내 전체 에너지의 20% 이상이 소비되고, 이 중 대부분이 재실자의 열 쾌적함을 보장하기 위해서 실내를 난방하고 냉방하는 데 사용된다. 이는 주거 또는 사무공간뿐만 아니라 이동 수단에도 적용되며 자동차, 기차 또는 버스와 같은 대중교통에서 탑승객의 열 쾌적성과 그에 따른 에너지 소비가 요구된다. 이러한 열 쾌적성을 유지하기 위해 자동차에서 공조시스템은 연료의 최대 30%를 소비하면서 가동된다. ⁽²⁾ 이러한 공조시스템을 자동차의 주행상태 및 다양한 외부환경에 따라 유동적으로 제어하여 불필요한 냉난방 에너지를 줄여야 한다. 하지만 실제 자동차 개발과정 중에서 공조시스템의 냉방성능은 열 쾌적성 지표를 통해 평가되는 것이 아니라 자동차 제조사의 열 환경 기준에 따라 평가되고 있다. 이는 실제 인체가 느끼는 열 쾌적성을 반영하기에 한계가 있기에 여러 냉방 조건에서 탑승객을 포함한 자동차 실내의 열 쾌적성 평가가 필요하다. ⁽³⁾

이 전부터 실내 공간의 온열환경 평가, 이동 수단에서의 열 유동 해석 및 열 쾌적성 평가와 관련된 연구들이 진행되어 왔다. Aryal and Leephakpreeda ⁽⁴⁾은 에어컨이 가동되는 도서관에서 칸막이에 의해 영향을 받는 재실자의 열 쾌적성과 에너지 소비에 대해 평가하였다. Chung et al. ⁽⁵⁾은 건물 실내 바닥공조시스템에서 평균복사온도가 열 쾌적성에 미치는 영향을 분석하여 이를 공기온도로 가정하고 PMV(예상온열감)을 계산할 경우 열 쾌적성 결과를 왜곡시킬 수 있음을 나타내었다. Zhu et al. ⁽⁶⁾은 하버드 대학교 셔틀버스에서 수치적, 실험적 분석으로 실내 열 유동 특성 및 대기질을 평가하였다. Park and Kim ⁽⁷⁾은 버스 내에 냉난방 시 승객 유무에 따른 유속 및 온도 분포와 승객별 PMV를 비교하였다. Yoon et al. ⁽³⁾은 외부 열원을 모사하기 위해 태양광선 추적모델을 사용하여 여러 조건으로 공조시스템을 작동할 때 자동차 실내의 열 쾌적성 평가를 수행하였다.

그러나 많은 선행 연구가 수행되었음에도 불구하고, 버스를 대상으로 한 실내 평균복사온도와 PMV 분포에 대한 연구는 건물에 비해 상대적으로 발표된 연구사례가 적다. 버스를 비롯한 자동차를 대상으로 진행한 기존 연구에서도 평균복사온도를 공기온도와 동일한 값으로 취급하여 PMV를 계산하였다. 태양복사를 고려할 때 이러한 해석은 Chung et al. ⁽⁵⁾에 따라 정확한 PMV의 평가에 어려움이 따른다.

본 연구에서는 시내버스를 대상으로 설정 온도, 풍속 및 탑승객 수에 따라 계산된 열 유동 특성을 통해 차량 내부 중앙과 탑승객을 포함하는 단면에서의 평균복사온도와 예상온열감 분포를 평가하였다. 이를 바탕으로 실내 환경 조건과 온열감의 상관관계를 확인하고, 적절한 냉방 시스템 설정에 대한 지표를 제시한다.

2. 수치해석

2.1 해석 모델 형상 및 격자

Fig. 1의 측면도는 기사 측 외벽과 창문들을 생략한 버스 내부와 탑승객 신체 형상을 나타낸다. 탑승객이 없을 때 버스 내부 부피는 48.99 m²이고, 기사를 포함한 탑승객의 신체 형상은 최대 25개로 구성된다. 천장 양옆에 14개의 사각 급기구와 30개의 원형 급기구를 Fig. 1과 Fig. 2에서 나타내었다. 8개의 전등과 하나의 배기구가 천장에 위치하고, 각 형상의 크기를 Table. 1에 요약하였다. 창문과 출입문은 모두 닫혀 있다고 가정하고, 덕트, 엔진룸, 천장의 공조시스템을 제외한 버스 내부에서의 열 유동 특성을 계산하였다.

본 연구에서는 상용 수치해석 프로그램인 STAR-CCM+(v17.04)을 이용하여 격자를 생성하고 해석하였다. 격자는 육면체 기반의 비정렬 격자인 trimmed mesh가 탑승객이 25명일 때 5,791,019 cells, 12명일 때 3,599,592 cells, 6명일 때 2,155,411 cells이고, 신체표면과 그 주변에 세밀한 격자를 사용하였으며, 신체표면과 벽면에서 Prism layer를 적용하였다.

Fig. 1 The inside the bus and passengers.

Fig. 2 The top view of the bus.

2.3 경계 조건

Inlet을 통해 공급되는 급기 유량은 1925.58 CMH이며, 각 inlet에서의 유속 $v_{i}$는 2.54 m/s이다. 이를 기준으로 설정 풍속에 따른 영향을 비교하기 위해 $v_{i}$를 1.0 m/s, 2.54 m/s, 5.0 m/s으로 경우를 나누어 설정하였다. 또한 설정 온도에 따른 영향을 비교하기 위해 $T_{i}$를 14℃, 16℃, 18℃로 계산하였고, $N_{p}$(탑승객 수)는 6명, 12명, 25명으로 각각 해석을 진행하였다. 신체 표면은 34.05℃의 일정한 온도와 땀으로서의 상대습도 10%가 적용되었다. 복사모델을 사용함으로써 각 표면에 방사율($\epsilon$), 투과율($\tau$), 반사율($\rho$)이 주어진다. 신체 표면의 방사율은 0.07, 전등, 의자, 창문과 벽면의 방사율은 0.2이며 창문에서 투과율은 0.75이다. 이는 모델에서의 다른 경계 조건과 함께 Table 2에 정리되어 있으며 Fig. 3에서 버스 내부 탑승객의 위치를 그 수에 따라 나타내었다.

Fig. 3 Location of passengers for (a) 6 passengers, (b) 12 passengers, (c) 25 passengers.

Table 1 Details of the size

Part	Size		Part	Size
Length	10.65 m		Rectangular inlet	130 mm * 40 mm
Width	2.32 m		Circular inlet (diameter)	65 mm
Height	2.37 m		Sitting height	938 mm
Volume	48.99 m3		Shoulder width	405 mm
Outlet	1400 mm * 220 mm		Body surface area	1.8 m2

Table 2 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	-	-
Emissivity [-]	-	0.2	0.07	0.2	0.2
Transmissivity [-]	-	0	0	0.75	0

3. 결과 및 분석

수치해석 모델 검증은 저자의 선행논문 ⁽¹¹⁾ 중, Mao et al. ⁽¹²⁾에서 제시한 실험 결괏값과 비교하였고, 중복성을 배제하기 위해 자세한 내용은 생략한다.

수치해석의 결과를 Fig. 4과 같이 세 단면으로 나누어 표시하였다. 버스 중앙의 middle을 기준으로 출입문이 있는 오른쪽을 door-side, 기사가 있는 왼쪽을 driver-side로 표현하였다.

적용된 태양복사모델에 의해 X축 북향으로, Y축은 서향으로 정렬되어 XY 평면이 지표면 평면을 나타내고, Z축은 하늘을 가리킨다. 그리고 입력한 위도, 경도 및 날짜 데이터에 의해 태양복사 방향과 강도가 계산된다. Fig. 5에 $N_{p}$ = 25, $T_{i}$ = 18℃, $v_{i}$ = 2.54 m/s일 때 버스 내부의 표면 온도를 나타내었고, 여기서 바닥의 조사된 부분을 확인하기 위해 신체 형상은 생략되었다. driver-side의 의자와 middle 바닥의 고온 영역을 통해 태양복사 방향을 확인할 수 있으며, 버스 뒤 창문을 통해 조사된 영역을 확인할 때 버스 좌측 후방에서 복사열이 들어온다는 것이 나타난다.

Fig. 6에 $N_{p}$ = 25이고, $v_{i}$ = 2.54 m/s일 때의 단면 MRT 분포와 평균값을 나타내었다. $T_{i}$가 낮아짐에 따라 단면 평균값은 1.13~1.35℃ 낮아졌다. 단면 평균 MRT 값은 middle, driver-side, door-side 순으로 높게 나타났으며, 이는 Fig. 5에서 확인하였던 복사열에 의한 것으로 판단된다. $T_{i}$ = 18℃일 경우, middle에서 창문을 통해 도달하는 태양복사로 바닥 일부에서 최대 34.53℃의 값이 확인되고, 다른 $T_{i}$일 경우 또한 같은 영향으로 다른 단면에 비해 높은 평균값을 가진다. 반면에 버스 양쪽의 수직 방향 급기에 의해 door-side와 driver-side 바닥은 낮은 값을 보인다.

동일한 경우들의 단면 PMV 분포를 Fig. 7에 나타내었다. PMV 값이 -0.5에서 +0.5 사이의 값을 가질 때 탑승객이 쾌적함을 느낄 수 있고 ⁽⁹⁾, $T_{i}$ = 18℃일 때 세 단면의 평균값이 약 -0.38로 해당 범위에 포함되는 것을 확인하였다. middle의 평균 MRT가 driver-side보다 높지만, 단면 공기 온도가 더 높고, 낮은 유속에 의해 PMV는 driver-side에서 더 높게 나타났다. $T_{i}$가 2℃씩 낮아지면서 단면 평균 PMV가 0.5씩 낮아지므로 $T_{i}$가 16℃ 이하일 경우 탑승객 대부분이 추위를 느낄 것으로 보인다.

Fig. 4 Three plane sections of door-side, middle, and driver-side.

Fig. 5 The temperature of internal surfaces affected by solar radiation.

Fig. 6 The inlet temperature dependency on MRT at the cross-section of door-side, middle, and driver-side for $N_{p}$ = 25 and $v_{i}$ = 2.54 m/s.

Fig. 7 The inlet temperature dependency on PMV at the cross-section of door-side, middle, and driver-side for $N_{p}$ = 25 and $v_{i}$ = 2.54 m/s.

Fig. 8에 $v_{i}$에 따른 단면 평균 공기 유속과 PMV를 나타내었다. $v_{i}$ = 1.0 m/s, 2.54 m/s, 5.0 m/s 일 때 각각 버스 체적 평균온도는 27.41℃, 23.72℃, 22.21℃로, 경우에 따른 대류열전달에 의해 큰 차이를 확인하였다. $v_{i}$ = 1.0 m/s의 경우, 식(6)에서 높은 공기 온도와 평균복사온도 그리고 낮은 대류열저항의 영향으로 세 단면의 평균 PMV가 +0.93이며, 탑승객이 약간의 더위를 느낄 수 있는 +1.0에 근접하다. $v_{i}$ = 5.0 m/s의 경우, 반대의 영향으로 -1.83의 평균 PMV를 보이고 있어 버스 내부가 춥다고 느껴질 것으로 평가된다.

Fig. 9는 $T_{i}$ = 18℃, $v_{i}$ = 2.54 m/s 일 때 탑승객 수에 따른 PMV 분포를 보인다. 냉방 중인 버스 내부에서 탑승객은 열원으로 작용하기 때문에, 탑승객이 많을수록 평균복사온도 및 PMV가 높게 나타났다. 탑승객 수가 적어질수록 세 단면 평균 PMV는 -0.38에서 -0.75, -1.01로 약 0.37, 0.63만큼 감소하였다. 이는 -1.5 < PMV < -0.5 정도를 보이고 있어, $N_{p}$ = 6, 12에서는 쌀쌀하거나 춥다고 느껴질 수 있다. 또한 $N_{p}$ = 25에서 door-side 의 단면 평균 PMV가 -0.5 이하로 일부 탑승객은 쌀쌀함을 느낄 수 있고, driver-side에서 단면 평균 PMV가 -0.25지만 탑승객의 밀집과 태양 복사열의 영향으로 버스 뒷좌석의 탑승객은 더위를 느낄 것으로 판단된다.

Fig. 8 The plane average air velocity and PMV by cross-section over setup velocity.

Fig. 9 The number of passengers dependency on PMV at the cross-section of door-side, middle, and driver-side for $T_{i}$ = 18℃ and $v_{i}$ = 2.54 m/s.

4. 결 론

본 연구에서는 여름철 냉방 시 설정 온도, 풍속 및 탑승객 수에 따른 버스 내부의 열 유동 특성과 평균복사온도를 세 위치의 단면에서 분석하였고, 그에 따른 재실자가 느낄 예상온열감인 PMV 분포를 평가하였다. 그 결과를 다음과 같이 요약할 수 있다.

(1) 여름철 냉방 설정 온도의 효과를 비교한 결과 18℃의 설정 온도로 설정했을 때 버스 내부 평균 온도는 23.7℃ 이며, 단면 평균 -0.38의 PMV는 -0.5에서 +0.5 사이의 쾌적감을 느낄 수 있는 환경임을 확인하였다. 단면 평균 -1.4의 PMV를 보이는 14℃ 설정에서는 추움을 느끼고, 더 높은 PMV값을 보이는 16℃ 설정에서도 맨 뒤의 일부 승객을 제외하고 쌀쌀함을 느낄 것으로 동일 풍속 습도 조건에서 18℃의 설정온도가 적절하다고 판단된다.

(2) 높은 온도의 버스에 냉기를 공급하는 냉방시스템의 원형 급기구 영향으로 수직으로 내려오는 냉기가 버스 양옆에 앉아있는 탑승객의 아래 부분을 cooling 시키는 정도가 큰 5.0 m/s에서 MRT와 PMV 분포 모두 낮게 나타났다. 1.0 m/s일 때 약한 냉방에 의한 약 +0.93의 PMV 값은 탑승객들이 더위를 느낄 수 있음을 나타낸다.

(3) 동일 조건 계산에서 탑승객이 더 많을수록 MRT가 높게 분포, 그에 따라 PMV 또한 높게 분포하는 것을 확인하였다. 열원으로 작용하는 탑승객의 밀집도에 따라 한 버스에서 앞 좌석보다 뒷좌석에서의 PMV 분포가 더 높게 나타났다. 탑승객 수가 적어질수록 PMV가 낮아지기 때문에 승객의 수가 적을 때는 냉방 설정 온도를 높여야 할 것으로 판단된다.

냉방 시스템 운전 조건 또는 탑승객 수와 같은 변동 요인에 따라 승객이 느끼는 쾌적성과 그에 맞게 적절한 재설정 조건이 얻어진다. 이는 승객이 더 쾌적하게 버스를 이용할 수 있을 뿐만 아니라 불필요한 냉방 부하를 줄여 차량 운행 시 에너지 소비 효율을 높일 수 있다. 하지만 본 해석에서 외부 고온 영역으로부터 벽면과 창문을 통한 열 유입 등의 부재로 인해 냉방 효과가 과대하게 나타날 수 있기 때문에 이에 대한 추가적인 연구가 필요하다. 또한 추후 PMV에 따른 에너지소비량 등에 대한 추가적인 연구가 수행될 수 있을 것으로 예상된다.