2.1 이론적 배경

본 연구에서는 기류 시뮬레이션을 수행하여 공기연령 기반의 환기 성능을 분석하였다. 공기연령(공기령)이란 실내로 유입된 신선한 공기가 임의의 지점까지 도달하는 데 걸리는 시간에 대해 평균한 값을 의미하는 개념으로 시간단위를 갖는다. 일반적으로 외부로부터 유입된 공기는 임의의 지점까지 다양한 경로를 통해 도달하게 되는데 이때 각 경로를 통해 임의의 지점까지 도달한 시간의 평균값을 국소 평균 공기연령(Local Mean Age, LMA)이라 한다. 반대로 임의의 지점에서 다양한 경로를 통해 배기구까지 도달하는 각 시간의 평균값을 국소 평균 잔여 체류시간(Local Mean Residual Life Time, LMR)이라 정의한다.

공기연령은 환기량 산정에 있어서 시간개념을 도입하였기 때문에 환기를 효율적으로 평가할 수 있을 뿐만 아니라 공기가 이동하는 평균 경로를 고려하기 때문에 기존의 환기효율을 평가하는 방법들과 달리 공기의 흐름과 실제적인 유동을 반영할 수 있다는 강점을 갖는다.

본 연구에서는 Moon et al.⁽⁶⁾의 연구에서 소개된 방법으로 국소공기연령을 연령빈도함수(Age frequency distribution) 및 누적 연령분포(Cumulative age distribution)로 정의하고, 이를 추적가스를 이용하는 방법 중 체승법(Step-up method)의 정의로부터 유도한다. 유도된 방정식은 일반형 농도방정식과 유사한 형태를 갖고 있기 때문에 전산유체역학에 쉽게 적용할 수 있으며, 이를 식 (1)에 나타내었다.

여기서, $\rho$, $u_{i}$, C, $S_{c}$ 및 $\mu$는 각각 공기의 밀도, i 방향 속도, 농도, 농도방정식의 생성항 및 점성계수이고, $\mu_{t}$, $\sigma_{l}$ 및 $\sigma_{t}$는 난류방정식에서 사용하는 계수로서 각각 $\frac{c_{\mu}\rho k^{2}}{\epsilon}$, 1.0 및 1.0이다.

방정식 (1)의 경계조건으로 입구에서는 0, 출구와 벽면에서는 구배를 0으로 하는 조건을 사용한다.

2.2 해석모델 및 경계조건

본 해석의 대상은 강원도 K군에 있는 생활숙박시설과 근린생활시설이 복합적으로 구성된 건물로서 지하 4층, 지상 28층의 규모를 갖는다. 본 건물의 지하주차장의 층별 평면도는 Fig. 1(a)~(d)에 나타나 있으며, 그림에서 볼 수 있듯이 가로 89.7 m, 세로 35.6 m 정도의 바닥면적으로, 지하 3, 4층은 기계실, 전기실 등이 위치하고 있어 건물 전체 중 우측의 반을 주차장으로 사용하고 있으며, 지하 1, 2층은 지하층 전체를 주차장으로 사용하고 있다. 주차장으로 들어가는 램프는 우측 하단으로 들어가서 시계방향으로 1/2 회전 후 아래층으로 내려가게 된다. 본 해석대상의 CFD 모델을 Fig. 2에 나타내었다. CFD 해석 프로그램으로는 Star-CCM+ 2310을 사용하였으며, 난류모델은 표준 k-ε 모델을 사용하였고, 격자수는 3,100만개 정도이다. 격자수에 대한 적정성 및 민감도 분석을 위해 1,000만 개~8,000만 개까지 4가지 경우에 대하여 해석을 수행하여 수렴 정도와 해석시간을 고려하여 결정하였다.

Fig. 1. Floor plans of underground parking lots.

Fig. 2. CFD model.

Table 1은 CFD 해석을 위한 경계조건을 나타낸 것이다. 급기구의 공기연령은 0이며, 배기구의 공기연령은 구배를 0으로 하였으며, 유인팬 출구에서의 공기연령은 동일한 유인팬 입구의 공기연령 평균값을 사용하였고, 각 층마다 급기와 배기량은 동일하게 설계되었다. 원안 설계를 시뮬레이션한 후 동일한 풍량 조건에서 급기구의 위치와 기류유인팬의 대수 및 방향을 변경하여 대안 설계를 진행하였으며, 주요 변경사항을 Table 2에 정리하여 나타내었다. 대안설계에 따라 변경된 팬의 대수와 위치에 대한 구체적인 사항은 Table 3에 나타내었다.

Table 3. Adjustment of fan positions and directions for the alternative design

3.1 설계조건 변경에 따른 속도 분포

본 연구에서 다층의 구조를 갖는 지하주차장에서의 환기 특성을 해석하기 위하여 해석한 두 가지 모델의 지하 4층에서 높이별 속도장을 Table 4에 나타내었다. 지하 4층의 경우 원안의 급기구 방향이 상부로 집중되어 하부 영역의 정체 및 기류속도가 낮은 영역이 일부 존재하고, 대안의 경우, 급기 방향을 상부와 좌측으로 분산하여 기존의 정체영역이 감소함을 볼 수 있다. 하지만, 높이별 속도장에는 큰 변화가 없는 것을 알 수 있으며, 다른 층에서의 속도분포는 호흡선 높이인 1.5 m를 기준으로 설명하고자 한다.

Table 5는 지하 3층부터 지하 1층까지의 속도장을 나타낸 것이다. 지하 3층의 경우, 지하 4층과 유사한 형태이나 원안의 급기 방향이 좌측으로만 향하도록 설계되어 상부로의 기류 이동이 원활하지 않게 나타났으며, 대안의 경우, 급기 방향을 상부와 좌측으로 균일하게 분산하여 상하부의 기류가 골고루 분배되도록 하여 기류 속도의 개선효과를 보이고 있다. 지하 2층의 경우에는 지하 3, 4층과는 달리 지하의 전체공간을 주차장으로 사용하고 있으며, 급배기 풍량이 증가하고, 원안의 급기 방향이 좌측으로만 향하도록 설계되어 있음을 알 수 있다. 이에 따라 하부영역의 기류이동이 빠르고, 상대적으로 상부에서의 기류 이동이 원활하지 않음을 볼 수 있다. 대안의 경우, 급기 방향을 좌측과 상부로 일부 기류를 분산하여 상하부의 기류가 골고루 분배되도록 하여 기류 개선 효과가 있으며, 좌측 우회구간의 유인팬 1대를 삭제하여도 원활한 기류 흐름을 유도할 수 있음을 확인할 수 있다. 지하 1층의 경우, 급기가 램프로만 유입되는 구조로 원안의 경우, 램프 좌측의 공간으로 집중적인 기류의 흐름을 나타내고 있으며, 대안의 경우, 급기 되는 영역 인근의 유인팬을 삭제함에 따라 급기급기 방향을 좌측과 상부로 분산되도록 유도하고 있어 상하부가 골고루 분배되도록 하였으며, 좌측 우회구간의 유인팬을 삭제함에도 좌측 상부의 기류 분포에는 큰 영향이 없음을 확인하였다.

Table 4. Velocity fields in B4 floor

Table 5. Velocity fields at h=1.5 m

3.2 설계조건 변경에 따른 공기연령 분포

바닥높이 1.5 m 에서의 공기연령의 분포를 각 층별로 Table 6에 나타내었다. 지하 4층의 경우 원안의 급기구 방향이 상부로 집중되어 하부 램프 인근에서 기류 정체로 인해 공기연령이 높은 영역이 존재하였으나, 대안의 경우 급기 방향을 상부와 좌측으로 기류를 적절히 분산하여, 램프 근처의 기류가 더 증가하여, 램프 내의 공기연령이 높은 공기가 유입되어, 그 부근의 공기연령이 원안보다 높게 나타났다. 하지만, 램프 인근을 제외한 전 영역에서 공기연령이 낮아지는 것을 볼 수 있다. 지하 3층의 경우 지하 4층과 동일한 구조로 원안의 급기방향이 좌측으로만 향하도록 설계되어 상부로의 기류 이동이 원활하지 않아 공기연령이 높게 나타났고, 대안의 경우 급기 방향을 상부와 좌측으로 균일하게 분산하여 상하부의 기류가 골고루 분배되어 기류 속도 증가에 의해 램프 출구를 제외하고 전반적으로 연령이 감소하여 환기 성능이 개선되었다. 지하 2층의 경우 지하 3, 4층과 달리 지하주차장 전 공간을 사용하여 급배기 풍량이 증가하였으며, 원안의 급기방향은 좌측으로만 향하도록 설계되어 하부 영역에서 기류 이동이 빠르며, 상대적으로 상부의 기류 이동이 원활하지 않아 하부에 비해 공기연령이 다소 높게 나타났다. 대안의 경우 급기 방향을 좌측과 상부로 일부 기류를 분산하여 상하부의 기류가 골고루 분배되도록 하여 기류 개선 효과가 있으며, 좌측 우회구간 유인팬 1대를 삭제하여도 원활한 기류 흐름을 유도하여 원안과 유사한 공기연령 분포가 나타내고 있다. 지하 1층의 경우 급기가 램프로만 유입되는 구조로서 원안의 경우 램프 좌측 공간으로 집중적인 기류의 흐름이 나타났다. 대안의 경우 램프 앞의 좌측 방향을 향하는 기류유인팬을 삭제하여 원안보다 지상의 램프에서 공급되는 신선외기가 주차장의 우측을 통하여 상부방향으로 더 많이 공급되었으며, 또한 좌측 우회구간의 기류유인팬을 지하 2층과 마찬가지로 삭제한 결과 중심부 인근에서 공기연령이 약간 증가하였으나, 상부에서는 공기연령의 감소 효과가 있었으며 평균적인 공기연령에서의 차이는 크지 않은 것으로 나타났다.

Table 6. Age of air contours at h=1.5 m

본 연구 결과에서 볼 수 있듯이 다층을 갖는 지하주차장 영역을 해석하는 경우, 한 층만을 해석하는 일반적인 경우와는 다르게 램프 근처에서 공기연령의 변화가 큰 것을 알 수 있다. 이는 층별로 급기량과 배기량이 균형을 이루기 때문에 램프에서의 공기 이동이 적어 나타나는 현상으로 램프에서의 사람의 이동은 거의 없으므로 문제가 되지 않으나, 램프 청소나 유지보수 등 사람의 이동이 있는 경우에는 램프 내 정체된 공기 흐름을 유도할 필요가 있다. 또한 다층의 지하주차장을 해석하는 경우에 있어 램프 구간을 해석에 포함하는 경우 램프 인근의 공기연령이 증가하는 영향을 고려하여야 하므로 한 개 층만을 해석대상으로 하는 경우에는 경계조건의 변경을 통하여 이를 유사하게 모사할 수 있는 추가적인 연구가 필요하다.