기호설명

하첨자

로마자

1. 연구배경 및 목적

현대인은 밀폐공간에서 사무작업과 제조 작업함으로 실내에 거주하는 시간이 증가하여 실내에서 발생되는 발열과 고농도의 오염농도를 갖는 공기에 노출된다. 이러한 공간은 쾌적한 온열감과 양호한 청정도를 유지하기 위해 냉난방을 위해 조화된 공기에 혼합된 외기를 실내에서 공급하는 최적화된 공기분배시스템을 설치하고 있다. 사무작업을 하는 공간은 층고가 일반적으로 3 m 이하 이므로 냉난방 또는 환기를 위해 실내에 공급되는 공기가 체류하는 시간이 짧고 층고가 낮아 열부력효과가 크지 않지만 물건을 제조하는 작업공간은 층고가 10 m 이상 유지되므로 냉난방을 위해 공급되는 공기가 작업자가 위치한 하부영역으로 쉽게 이동되지 않도록 열부력 현상이 발생한다. 그러므로 층고가 높은 작업공간은 열쾌적감과 청정도를 양호하게 유지할 수 있는 최적 공기분배시스템을 고려해야 한다. 환기를 위해 실내에 적용되는 공기분배방식은 혼합환기(mixing ventilation)와 치환환기(displacement ventilation)로 구분된다. 또한 치환환기방식은 상향급기와 하향급기방식으로 구분되며 열부력의 활용관점에서 상향급기 치환환기방식이 일반적으로 사용된다. 상향급기 치환환기방식은 이중바닥을 설치하여 바닥면적 전체를 급기 챔버로 활용하는 방식과 다공판 디퓨저를 국소적으로 설치하는 저속치환방식으로 구분된다. 혼합환기방식은 급기와 배기구가 천장에 위치하므로 천정에서 급기된 공기가 오염물질을 포함 실내공기와 완전 혼합시키고 천장으로 배기하기 위해서는 일반적으로 점유공간의 기류속도가 1 m/s 이상으로 유지시켜야 됨은 익히 알려진 사실이다. 이로 인해 혼합환기방식은 저속치환방식보다 에너지소비량이 크고 기류 열적 불쾌감도 증가한 것으로 알려져 있다. ^(1-2) 공간의 하부에서 급기되는 치환환기시스템에 의해 조절된 공간의 공기 움직임은 본질적으로 부력에 의해 유발되어 오염 물질을 거주자 구역에서 멀리 이동시켜 천장에서 배출되는 상향 대류 열 기둥을 발생시킨다. ⁽³⁾ 바이러스 전파관점에서, 정상적인 호흡으로 인해 발생하는 작은 운동량을 갖는 입자에 대한 실내 환경의 교차 오염을 줄이는 데 매우 효과적인 것으로 알려져 있다. ⁽⁴⁾ 재채기, 기침과 같은 고 운동량 호흡은 오염물질을 수평으로 퍼뜨리기 때문에 치환환기시스템이 입자 제거관점에서 효율성을 감소시킬 수 있어 호흡 구역에 신선한 공기를 전달하는 맞춤형 환기 장치를 장착하거나 공기를 상향으로 토출하는 의자 팬을 장착하면 질병 전파를 크게 줄일 수 있음을 제시하였다. ^(5,6) 즉, 일방향 유동을 갖는 치환환기시스템은 열 부력으로 인해 생성된 열기둥으로 덥고 오염된 주변 공기를 유인 상승시켜 천정면이 위치한 배기구로 효과적으로 이동된다. 열 기둥으로 유입되는 유량이 급기량과 동일할 때, 열성층이 형성되어 상층부는 더워지고 하층부는 차가워진다. 그러나 혼합환기방식의 급기는 거주 구역에서 허용되는 속도보다 훨씬 빠른 속도로 토출되므로 실내를 냉방과 난방하는 급기의 취출구 온도차가 크고 재실자에게 증가된 기류 불만족도와 오염물질을 여러 방향으로 확산시키는 단점을 갖고 있다. 전술된 바와 같이 치환환기방식은 오염물질이 잉여 열과 함께 방출되고 오염된 공기가 주변 공기보다 따뜻하거나 가벼울 경우 일반적으로 적용하며 혼합환기방식과 달리 취출구온도차와 토출풍속이 낮아 실내공기질을 양호하게 유지할 수 있다. 그러므로 본 연구는 높은 층고를 갖는 공장의 하부영역인 작업공간만 냉방 및 난방하기 위해 적용하는 치환환기시스템의 장점을 혼합환기방식과 비교하여 분석하기 위해 수행되었다.

2. 연구방법

본 연구 대상건물은 Fig. 1과 같이 층고(H)가 14.3 m인 공장이다. 길이와 폭은 24 m(L)와 56.7 m(W)이다. 공장은 2열로 6개의 기둥이 설치되어 있고 길이 방향으로 짝수(2, 4, 6번째) 기둥 앞면 및 뒷면의 하부와 상부에 급기구를 설치하였다. 혼합환기를 위해 설치된 급기구는 Fig. 1(a)와 같이 수직높이 11.1 m 지점의 기둥 앞면 뒷면에 급기구를 설치하였고 급기구의 평균 토출속도는 13 m/s로 가정하였다. 치환환기를 위해 설치된 멀티급기유닛을 기둥 앞면과 하부에 Fig. 1(b)와 같이 바닥면에 설치하였다 멀티급기유닛은 Fig. 2와 같은 형상을 갖고 있으며 치수는 길이(Ld)와 폭(Wd)은 각각 0.6 m와 0.7 m이며 높이(Hd)는 2.8 m이며 하부토출구는 1.8 m 하부, 상부토출구는 2.3 m 부근에 위치한다. 멀티급기유닛이 처리하는 풍량은 3600 CMH이며 상부토출구와 하부토출구의 토출풍속은 각각 0.6 m/s와 4.8 m/s이며 이 유닛에서 처리하는 풍량의 40%만 상부토출구를 통과하는 것으로 가정하였다. 이는 이 유닛의 하부토출구의 중심(Z=0.85 m)에서 토출된 공기가 저속으로 다량의 공기를 급기하도록 하여 환기성능을 향상시켜 작업 공간의 공기질을 양호하기 유지하기 위함이다. 또한 6개의 기둥 앞면과 뒷면에 12개의 멀티급기유닛을 설치하여 19,459 m³의 부피를 갖는 해석영역의 환기 횟수는 2.22 회/h이다. 멀티 급기유닛으로 구성하는 치환환기방식의 환기성능과 비교하기 위해 Fig. 1(a)과 같이 구성된 혼합환기시스템이 처리하는 열부하 및 환기풍량은 Fig. 1(b)의 치환환기방식과 동일한 것으로 가정한다. 배기구는 환기방식에 관계없이 Fig. 1과 같이 수직높이 11.1 m 지점에 환기방식에 관계없이 균등하게 8개를 배치하였다. 또한 환기방식에 관계없이 냉방조건과 난방조건의 급기온도는 Table 1과 같이 각각 16.2℃, 28℃로 동일하게 가정하였다. 냉방 및 난방을 위한 취출구 온도차는 각각 9.8℃, 10.1℃가 되고 급기풍량이 동일하므로 난방부하 및 냉방부하의 크기는 유사하다. 그러므로 난방운전의 취출구온도차가 높아 열부력에 의한 수평으로 온기류를 토출하면 확산거리가 감소될 수 있으므로 멀티급기유닛에서 토출되는 온기류를 45°로 하향 토출하였다. 그러나 냉방운전조건에서는 수평방향으로 토출하는 것으로 가정하였다. 혼합환기방식에서 수평으로 설치된 급기구는 냉방 및 난방운전에 관계없이 수직으로 하향 토출하는 것으로 가정하였다. 해석영역을 구성하는 벽체는 점착조건을 적용하였으며 열적으로 단열조건을 가정하였다. 환기방식에 관계없이 급기구는 속도경계조건을 적용하였으며 난류 점성 계수비(TVR, Turbulence Viscosity Ratio)와 난류강도(TI, Turbulence Intensity)는 각각 10%와 10으로 가정하였다. 또한 배기구는 압력경계조건을 적용하였다.

Fig. 1 Perspective view of the factory for this study.

Fig. 2 Shape of the multi supply unit for displacement ventilation.

3. 수치해석방법

본 연구의 대상인 공장의 냉방 및 난방을 위해 설치된 혼합환기 및 치환환기시스템에서 토출되고 배기되는 과정에서 형성되는 기류분포를 이용하여 환기성능을 평가하기 위해 속도장, 압력장, 온도장 및 농도장을 해석하였다. 여기서는 전산유동해석을 위해 상업용 CFD프로그램을 사용하였으며 널리 알려진 지배방정식에 대한 설명은 생략한다. 온도장을 구성하는 부력항을 해석하기 위해 Boussinesq근사를 적용하였다. 압력방정식은 SIMPLE 알고리즘을 적용하였고 난류방정식은 표준 k-ε모델을 사용하였다. ⁽⁷⁾ 임의 형상을 갖는 공간에서 기류가 이동할 때 환기성능을 평가하는 방법은 다양하다. ^(8-9) 본 연구를 통해 구한 공장의 기류속도를 이용하여 환기성능은 식(1)과 식(2)를 이용하여 구한 명목시간상수와 국소공기연령(local mean age; τp)은 식(3)과 같이 표현되는 국소 공기교환효율(ε)을 구하는데 사용하였으며 환기성능지표로 활용하는 국소공기교환효율은 완전혼합조건인 100%를 기준으로 환기성능의 크기를 상대적으로 표현하는 것이다. ⁽¹⁰⁾

여기서, V = 실내의 체적(m³), Q = 급기풍량(m³/sec) 이므로 본 연구대상 공장의 명목시간상수는 1621 s이다. 비 정상거동을 가지는 오염확산현상을 정상상태로 해석된 농도장을 활용하여 국소평균연령으로 계산하기 위해 식(2)를 활용하여 계산한다. 여기서, C ∞는 정상상태 해석한 각 지점의 농도이며 R c는 오염발생률이며 각 지점의 체적당 오염발생률은 일정한 것으로 가정하였다.

4. 결과 및 고찰

본 연구의 대상인 공장에 설치된 환기방식에 따라 차이 나게 설치된 공기분배시스템에 의해 형성되는 기류거동에 따라 냉방과 난방조건에서 최적의 환기성능을 갖는 환기시스템을 제안하기 위해 수행된 연구결과는 다음과 같다.

혼합환기시스템의 경우, 치환환기를 위해 설치된 멀티급기유닛이 설치된 위치의 상부의 11.1 m의 수직높이에서 냉기류를 토출하므로 기둥면을 따라 수직 하강한 냉기류가 Fig. 3과 같이 지표면에 도달한 후, 바닥면과 평행하게 이동 한 후, 온도상승에 의해 천정면으로 이동하는 것을 알 수 있다. 그러나 12개소의 바닥면에 기둥 앞면과 뒷면에 균등하게 멀티급기유닛을 배치한 경우, 토출된 냉기류가 바닥면을 따라 360° 방향으로 넓게 확산된 후, 온도상승에 의해 천정면으로 상대적으로 균등하게 상승하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 공기분배시스템의 기류유동 특성에 따라 토출구 단면(x=1.6 m)에서의 온도분포가 Fig. 4와 같이 유지되고 있다. 멀티급기유닛을 이용하여 하부영역에서 기둥을 중심으로 360° 방향으로 냉기류를 토출하는 치환환기방식은 멀티급기유닛의 상부영역 즉, 2.8 m의 수직높이까지 최대온도가 20.9℃를 유지하지만 천정면 부근에서 냉기류를 토출하는 혼합환기시스템의 경우, 높은 층고로 인해 기둥면을 따라 하강하면서 온도상승이 발생함으로 인해 바닥면에 도달한 후, 냉기류가 작업영역에 넓게 확산하지 못함을 확인하였다. 이로 인해 멀티급기유닛의 높이인 2.8 m의 수직높이에서 최대 25.3℃의 온도까지 상승하는 것을 확인할 수 있다. 또한 환기방식에 관계없이 설계온도 26℃로 유지되어 설계조건은 만족한다. 그러나 치환환기방식이 혼합환기방식보다 냉방효과가 증가함을 예측할 수 있다. 난방운전할 때, 토출구가 위치한 단면(x=1.6 m)에서 온도분포는 Fig. 5와 같이 나타났다. 냉방운전을 하는 치환환기방식은 Fig. 6(b)과 같이 멀티급기유닛에서 토출된 공기가 바닥면을 따라 넓게 확산되므로 바닥면부근의 공기연령이 전체적으로 나타나지만 천정면 부근에서 급기를 수행하는 혼합환기방식은 Fig. 6(a)와 같이 바닥면의 공기연령이 상대적으로 높게 유지됨을 알 수 있다. 난방운전하는 혼합환기방식은 Fig. 7(a)와 같이 바닥면 부근에서 치환환방식보다 공기연령이 현저히 높은 값을 나타내고 있다. 이는 난방운전 급기의 토출온도가 28.1℃로 높기 때문에 열부력현상이 작용하여 급기가 바닥면에 넓게 확산되지 못하고 천정면부근으로 상승하기 때문임을 입증하는 것이다.

냉방 및 난방운전에 따른 환기방식별 호흡선과 호흡선 상부의 평균 공기연령과 호흡선(z=1.8 m)의 환기성능을 Table 2에 나타내고 있다. 호흡선과 그 상부의 평균공기연령은 환기방식에 관계없이 난방운전이 냉방운전보다 공기연령이 미소하게 높게 나타나고 있다. 이는 가열되어 토출된 기류의 무질서 때문으로 판단된다. 또한 치환환기시스템이 냉방운전을 하는 경우, 호흡선의 평균공기연령이 호흡선 상부영역 또는 난방운전조건보다 현저히 낮은 평균공기연령을 나타내고 있다. 이는 멀티급기유닛에서 360° 방향으로 바닥면에 평형하게 토출되어 환기성능이 개선됨을 입증하는 것이다. 난방과 난방운전을 수행하는 공장의 평균온도는 환기방식에 따라 Table 3과 같이 나타내고 있다. 호흡선의 평균온도는 냉방 설계조건보다 낮게 유지되고 특히, 냉방운전하는 치환 환기시스템은 설계조건보다 약 6℃ 낮게 유지되고 있다. 그러나 난방운전조건의 평균온도는 환기방식과 관계없이 난방 설계조건보다 미소하게 높게 유지된다. 이는 난방운전의 급기온도가 28.1℃로 높게 유지되어 확산력이 열부력에 의한 힘보다 작기 때문이다. 치환환기시스템으로 난방운전을 통하여 거주영역에 높은 온도를 유지하기 위해서는 급기온도를 낮추고 급기풍량을 높일 수 있도록 멀티유닛의 형상을 변경해야 될 것으로 판단된다.

Fig. 3 Pathline in summer condition for various ventilation systems.

Fig. 4 Temperature distribution in summer condition for various ventilation systems at x=1.6 m.

Fig. 5 Temperature distribution in winter condition for various ventilation systems at x=1.6 m.

Fig. 6 Local mean age in summer condition for various ventilation systems.

Fig. 7 Local mean age in winter condition for various ventilation systems.

5. 결 론

본 연구는 층고가 높은 공장에 적용된 멀티급기유닛을 설치하여 운전되는 치환환기시스템의 성능을 평기 위해 비교 대상인 혼합환기시스템을 구성하여 냉방 및 난방 운전조건에 대해 온도장 및 농도장을 해석하여 구한 환기성능을 비교하였다. 그 결과를 정리하면 다음과 같다.

(1) 바닥면에 멀티급기유닛을 설치하여 냉기류와 온기류를 토출하는 치환환기방식에 의해 형성된 평균온도는 설계온도보다 높은 온도를 유지하지만 운전조건에 관계없이 혼합환기방식보다 낮은 온도를 유지하고 있다.

(2) 바닥면에 멀티급기유닛을 설치하여 냉기류와 온기류를 토출하는 치환환기방식에 의해 형성된 평균공기연령은 명목시간보다 낮은 값을 유지하고 있다. 그러나 난방 조건의 경우, 치환환기방식의 평균공기연령이 평균온도와 유사하게 혼합환기방식보다 미소하게 낮게 유지되고 있다. 이는 멀티급기유닛에서 토출된 기류의 열부력효과가 혼합환기방식보다 미소하게 증가하기 때문이다.

(3) 냉방운전조건과 달리 난방운전조건에서 환기방식에 따른 평균공기연령과 평균온도에서 큰 차이를 나타내지 못한 이유는 토출온도가 28.1℃로 높게 공급되어 급기가 보유한 열부력이 크기 때문이다. 난방부하가 일정한 조건에서 급기온도를 낮추기 위해서는 토출풍량을 증가시켜야 하므로 멀티급기유닛의 치수 변경을 동반한 추가 연구가 필요하다.

(4) 멀티급기유닛에서 토출되는 기류의 속도, 온도 및 토출방향은 대상공간의 단일 부하조건으로 제한되어 다양한 부하조건에 적합한 유닛의 적용성에 대한 연구가 추가적으로 수행할 필요가 있다.