[논문]자연환기 벤틸레이터 형태에 따른 환기효율 평가

하현철; 김태형

문제 정의

따라서, 본 연구에서는 다양한 기상조건과 작업장 내부조건에서 일반형 벤틸레이터와 창문형 벤틸레이터의 환기효율 및 환기특성을 평가하여, 가장 효율적인 자연환기 벤틸레이터 형태를 선정하고자 한다.

가설 설정

전기아크로의 경우 정상운전상태에서 일산화탄소 평균 배출농도는 800ppm 이하이기 때문에 일산화탄소의 농도는 500ppm으로 설정하였고, 용해로 표면 온도는 l,800℃로 설정하였다.⁽⁹⁾ 그리고, 외기의 CO 농도는 공장지역 임을 감안하여 일반 대기 중 측정농도보다 약간 높은 5ppm으로 가정하였다. Table 2는 용해로가 설치된 조건에서의 경계조건을 정리한 것이다.
계산에 의해 구하였다. 바닥면을 제외하고 경계조건을 알 수 없는 풍하지역은 outlet으로 두고 압력경계조건(fixed pressure condition)을 주어 미지변수들의 변화량을 고려하지 않았고, 건물 및 바닥 벽면은 단열된 것으로 가정하였다.
5m²를 창문면적으로 설정하였다. 설치 위치는 지상으로부터 1.5m 지점이고, 건물 길이방향 (Z축 방향)으로 모두 개방된 것으로 가정하였다.
4는 벤틸레이터 형태에 따른 오염물질 과열 배기효율을 평가하기 위해 작업장 내부에 용해로 3대를 배치한 그림이다. 용해로의 크기는 1m×1m×0.25m(W×L×H)이고, 위치는 건물중앙에 있는 용해로를 중심으로 X축 방향으로 ±6m 지점에 각각 설치된 것으로 가정하였다.

제안 방법

5m(L×W×H)이고, 계산을 위한 제어 체적은 100m×75m×25m(L×W×H)이다. 건축법에서 채광과 환기를 위해 창문을 바닥면적 1/20 이상 설치하도록 되어 있기 때문에(건축법 시행령 제51조 2항), 바닥면적(50mX25m)의 1/20인 62.5m²를 창문면적으로 설정하였다. 설치 위치는 지상으로부터 1.
공장 지붕에 설치되는 자연환기 벤틸레이터의 환기 특성과 효율을 평가하기 위해 일반형 벤틸레이터와 2가지 형태의 창문형 벤틸레이터를 선정하여 환기효율을 평가하였다. 작업장 내부조건에 상관없이 일반형 벤틸레이터(Type 1)가 창문형 벤틸레이터(Type 2, Type 3)보다 환기효율이 높아 환기를 목적으로 할 경우 적합한 형태인 것으로 예측되었다.
따라서, 본 연구에서는 일반형 벤틸레이터와 창문형 벤틸레이터의 환기효율을 비교할 수 있도록 하기 위해 Fig. 2와 Table 1에 나타낸 바와 같이 벤틸레이터 길이당 목부분 면적과 개구면면적을 각각 3m²/m과 l.4m²/m으로 통일하였다.
5와 같이 벤틸레이터의 기류가 흐르는 부분에 최소 4개 이상의 격자를 생성시켜 급격한 기류변화에 의해 발생될수 있는 오차를 최소화하도록 하여 직접 모델링하는 방법을 택하였다. 바닥 전체를 열원으로 가정한 경우에 형상이 복잡한 Type 1(일반형)은 16만여 개, Type 2(들창형)는 13만여 개, Type 3 (미닫이창형)은 11만여 개의 격자를 생성시켰고, 작업장 내부에 용해로가 있는 경우 Type 1은 28만여 개, Type 2와 Type 3은 25만여 개의 격자를 생성시켜 수치해석을 실시하였다.
출입되는 기류를 정확하게 예측하기 위해서는 벤틸레이터 부분에 대한 정확한 경계조건이 필요하다. 벤틸레이터에서 발생되는 압력손실은 모형실험으로 측정하는 방법도 있지만,^⑹ 본 연구에서는 Fig. 5와 같이 벤틸레이터의 기류가 흐르는 부분에 최소 4개 이상의 격자를 생성시켜 급격한 기류변화에 의해 발생될수 있는 오차를 최소화하도록 하여 직접 모델링하는 방법을 택하였다. 바닥 전체를 열원으로 가정한 경우에 형상이 복잡한 Type 1(일반형)은 16만여 개, Type 2(들창형)는 13만여 개, Type 3 (미닫이창형)은 11만여 개의 격자를 생성시켰고, 작업장 내부에 용해로가 있는 경우 Type 1은 28만여 개, Type 2와 Type 3은 25만여 개의 격자를 생성시켜 수치해석을 실시하였다.
수치해석을 위한 경계조건은 바람이 불어오는 풍상지역을 inlet으로 두고 속도, 온도, 농도 값을 입력하였고, 난류운동에너지와 난류에너지 소산율은 계산에 의해 구하였다. 바닥면을 제외하고 경계조건을 알 수 없는 풍하지역은 outlet으로 두고 압력경계조건(fixed pressure condition)을 주어 미지변수들의 변화량을 고려하지 않았고, 건물 및 바닥 벽면은 단열된 것으로 가정하였다.
distribution)이다. 온도 차이에 의한 환기 효율을 평가하기 위해 3대의 용해로가 설치된 경우 작업장 전체 내부 평균온도 및 오염물질농도를 예측하여 벤틸레이터 형태별 환기효율을 평가하였다.
5m/s 와 2m/s일 때, 용해로에서 발생된 열과 오염물질을 가장 효율적으로 제어할 수 있는 벤틸레이터 형태를 찾기 위하여 작업장 전체 내부 평균온도와 오염물질 평균농도를 예측하였다. 용해로는 열 뿐만 아니라 다양한 종류의 가스상 및 입자상물질이 발생하지만, 산업보건 측면에서 가장 큰 관심이 있는 일산화탄소만 예측하였다. 전기아크로의 경우 정상운전상태에서 일산화탄소 평균 배출농도는 800ppm 이하이기 때문에 일산화탄소의 농도는 500ppm으로 설정하였고, 용해로 표면 온도는 l,800℃로 설정하였다.
작업장 내부와 실외 공기의 온도가 같은 등온조건에서 풍향·풍속에 따른 벤틸레이터 형태별 환기효율을 평가하였다. 환기효율은 작업장 전체의 평균 공기연령 (mean age of air)을 이용하였는데, 평균 공기연령은 급기구에서 급기된 후 실내 임의의 지점까지 도달되는 시간으로, 평균 공기연령이 높다는 것은 외부에서 유입된 기류가 작업장 내부에 정체되어 있다는 것을 의미하기 때문에 환기효율이 낮은 것으로 평가할 수 있다.
풍속이 증가할수록 작업장 평균온도가 상승하는 현상을 알아보기 위해 Fig. 11과 같이 열 배기 효율이 가장 좋은 Type 1 벤틸레이터의 Z방향 25m 단면에서 풍속에 따른 등온도선을 비교해 보았다. 풍속이 0.
용해로 3대를 설치하였다. 풍향각은 자연환기에 대한 기존 연구에서 환기효율이 가장 좋은 것으로 예측된 90°로 설정하였고,^(7,8) 풍속 0.5m/s 와 2m/s일 때, 용해로에서 발생된 열과 오염물질을 가장 효율적으로 제어할 수 있는 벤틸레이터 형태를 찾기 위하여 작업장 전체 내부 평균온도와 오염물질 평균농도를 예측하였다. 용해로는 열 뿐만 아니라 다양한 종류의 가스상 및 입자상물질이 발생하지만, 산업보건 측면에서 가장 큰 관심이 있는 일산화탄소만 예측하였다.
5와 2m/s로 구분하였다. 풍향은 건물을 중심으로 0°, 45°, 90º로 구분하였다.

대상 데이터

Fig. 3과 같이 본 연구에 사용된 건물체적은 50m×25m×9.5m(L×W×H)이고, 계산을 위한 제어 체적은 100m×75m×25m(L×W×H)이다. 건축법에서 채광과 환기를 위해 창문을 바닥면적 1/20 이상 설치하도록 되어 있기 때문에(건축법 시행령 제51조 2항), 바닥면적(50mX25m)의 1/20인 62.
용해로와 같이 고열원에 의해 발생되는 부력이 작용할 때 환기효율을 평가하기 위해 작업장 내부에 용해로 3대를 설치하였다. 풍향각은 자연환기에 대한 기존 연구에서 환기효율이 가장 좋은 것으로 예측된 90°로 설정하였고,^(7,8) 풍속 0.
자연환기 효율평가를 위해 Fig. 2와 같이 일반형 벤틸레이터와 2가지 형태의 창문형 벤틸레이터를 선정하였다. 벤틸레이터의 환기효율은 개구면적과 벤틸레이터 높이에 비례하여 증가하기 때문에^(5,6)벤틸레이터 형태별 환기특성을 정확하게 평가하기 위해서는 벤틸레이터 개구면적과 목부분 면적을 같게 해야 한다.

데이터처리

자연환기 벤틸레이터 배기유량 및 유동특성을 해석하기 위해 상용 수치해석 프로그램인 AIRPAK (Ver 2.0)을 사용하였다. AIRPAK에서는 질량, 운동량, 에너지 수송은 Navier-Stokes 방정식의 해를 이용하여 구하고, 난류유동에 대해서는 별도의 난류방정식을 이용해서 구한다.

이론/모형

0)을 사용하였다. AIRPAK에서는 질량, 운동량, 에너지 수송은 Navier-Stokes 방정식의 해를 이용하여 구하고, 난류유동에 대해서는 별도의 난류방정식을 이용해서 구한다. 이산화 방법으로는 유한체적법(Finite Volume Method)을 사용하였고, 유동장 해석을 위해서는 SIMPLE(Semi- Implicit Method for Pressure - Linked Equations) 알고리즘을 이용하였다.
이산화 방법으로는 유한체적법(Finite Volume Method)을 사용하였고, 유동장 해석을 위해서는 SIMPLE(Semi- Implicit Method for Pressure - Linked Equations) 알고리즘을 이용하였다. 난류방정식은 기존 연구에서 작업장 내부기류 예측에 있어 정확도가 입증된 표준 k-e 모델을 사용하였다.⁽⁶⁾
6과 같이 건물을 중심으로 건물과 평행한 Z축 방향을 풍향 0°, X축 방향을 풍향 90°로 설정하였다. 수렴도를 향상시키기 위해 하향이완법(under-relaxation)을 사용했으며, 에너지를 제외한 종속변수에 대하여 잉여치값이 10^-3, 에너지는 10^-6이하에 도달되면 수렴된 것으로 간주하였고, Pentium-Ⅲ 1 GHz, RAM 용량 1 Gbyte P/C에서 약 4~7시간 정도의 계산시간이 소요되었다.
AIRPAK에서는 질량, 운동량, 에너지 수송은 Navier-Stokes 방정식의 해를 이용하여 구하고, 난류유동에 대해서는 별도의 난류방정식을 이용해서 구한다. 이산화 방법으로는 유한체적법(Finite Volume Method)을 사용하였고, 유동장 해석을 위해서는 SIMPLE(Semi- Implicit Method for Pressure - Linked Equations) 알고리즘을 이용하였다. 난류방정식은 기존 연구에서 작업장 내부기류 예측에 있어 정확도가 입증된 표준 k-e 모델을 사용하였다.

성능/효과

벤틸레이터 형태별로 살펴보면, 일반적으로 풍속에 관계없이 Type 1과 Type 3에 비해 Type 2의 공기연령이 높아 환기효율이 나쁜 것으로 나타났다. 그리고, 풍향 0°에서는 일반형 벤틸레이터인 Type 1이 창문형 벤틸레이터보다 환기 효율이 좋지 못한 것으로 나타났다.
외 온도차이가 크게 나지 않는 조립공장 같은 곳에서는 외부풍속에 의해 환기효율이 결정된다는 것을 알 수 있다. 벤틸레이터 형태별로 살펴보면, 일반적으로 풍속에 관계없이 Type 1과 Type 3에 비해 Type 2의 공기연령이 높아 환기효율이 나쁜 것으로 나타났다. 그리고, 풍향 0°에서는 일반형 벤틸레이터인 Type 1이 창문형 벤틸레이터보다 환기 효율이 좋지 못한 것으로 나타났다.
벤틸레이터의 규격을 결정하기 위해 벤틸레이터 제조회사의 홍보자료를 검토한 결과, 일반형 벤틸레이터에 대한 설계자료는 모든 회사에서 거의 유사하였고, 창문형 벤틸레이터의 경우 회사마다 다른 규격이 제시되어 있었다. 벤틸레이터 제조회사의 홍보자료에 제시된 일반형 벤틸레이터의 규격을 살펴보면 목부분 면적을 기준으로 비례적으로 높이 및 너비를 결정하는데, 높이는 대략 목너비의 2배 정도이다.
5m/s일 때는 부력에 의해 상승된 작업장 내부 기류가 원활하게 벤틸레이터 양쪽 개구면을 통해 작업장 외부로 배출되고 있지만, 풍속이 2 m/s일 때는 바람이 불어오는 쪽 벤틸레이터 개구면에서 작업장 외부기류가 작업장 내부로 유입되는 것을 알 수 있다. 실제 벤틸레이터 개구면에서 유속을 측정해 본 결과, 풍속 0.5 m/s에서는 풍상, 풍하 방향에서 각각 0.23m/s, 0.44m/s로 배기되지만, 풍속 2 m/s에서는 풍상에서 0.21 m/s 로 유입되고, 풍하 방향에서는 0.72 m/s로 유출되는 것을 알 수 있었다. 즉, 외기풍속이 0.
실제 작업자가 위치한 곳에서 온도를 평가해 보면, 원활한 상승기류가 형성된 풍속 0.5m/s에서는 16℃ 정도로 외기와 큰 차이가 없지만, 풍속 2m/s에서는 25℃ 이상 상승하여, 작업장 내부에 고온의 열원이 있는 경우에는 창문으로 유입되는 기류속도가 빠를수록 온도제어 효율이 저하되는 것으로 나타났다.
특히, 작업장 내부에 고열원의 오염원이 있는 경우에는 반드시 일반형 벤틸레이터를 설치하는 것이 바람직할 것으로 판단된다. 작업장 내부에 큰 오염원이 없어 많은 환기량이 필요 없을 경우 창문형 벤틸레이터를 설치하여 채광과 환기를 동시에 달성하고자 할 때는 들창형(Type 2)보다는 미닫이형(Type 3) 벤틸레이터를 설치하는 것이 효율적인 것으로 예측되었다.
환기효율을 평가하였다. 작업장 내부조건에 상관없이 일반형 벤틸레이터(Type 1)가 창문형 벤틸레이터(Type 2, Type 3)보다 환기효율이 높아 환기를 목적으로 할 경우 적합한 형태인 것으로 예측되었다. 특히, 작업장 내부에 고열원의 오염원이 있는 경우에는 반드시 일반형 벤틸레이터를 설치하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
72 m/s로 유출되는 것을 알 수 있었다. 즉, 외기풍속이 0.5m/s에서 2m/s로 증가될 때 작업장 내부공기의 배출량은 약 25% 정도 감소되면서 CO 농도가 크게 증가되는 것으로 나타났다.
7과는 상반된 결과이다. 하지만, 작업장 평균온도는 Type 1, Type 3, Type 2의 순서로 낮아 열 배기효율이 높은 것으로 예측되어 등온조건일 때와 일치한 결과를 얻을 수 있었다.

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