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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 이러한 국소적 환기효과를 평가하기 위하여 시스템에어컨과 환기시스템이 설치된 대학교 강의실을 대상으로 시스템에어컨의 토출풍량과 각도, 환기시스템의 급기풍량을 제어변수로 하여 추적가스를 이용한 국소평균공기연령을 산출하였고, 각 제어변수에 대하여 재실영역 내 CO2 농도를 구하였다. 또한 수치적 방법을 이용하여 국소평균공기연령과 환기효율, 그리고 재실영역 내 CO2 농도를 구였으며, 그 결과를 실험적 방법을 이용한 결과와 비교하여 국소평균공기연령과 재실영역 내 CO2 농도와의 연관성에 대한 연구를 수행하였다.
- 본 연구에서는 환기시스템의 가동 유무에 따라 실내 CO2 농도를 명확하게 측정하기 위하여 시스템에어컨과 환기유닛이 가동하지 않을 경우 시간에 따른 내부 CO2 농도변화를 먼저 측정하였다. Fig.
가설 설정
- 수치해석시 강의실 내부의 재실인원은 실험과 동일한 30명이고 개인당 발생 CO2 농도는 0.018 m3/h 로 하였으며, CO2의 발생위치는 재실자의 호흡선 높이인 Im에서의 제어체적을 재실자의 입의 위 치로 가정하였다.(8)
제안 방법
- 이와 관련하여 Kim et al.(3)은 환기시스템을 적용한 사무실에서 환기특성을 국소급기지수 등을 통하여 실험 및 수치적인 방법으로 분석하였고, 급 . 배기구의 위치에 따른 환기효율을 평가하였다.
- 고등학교 교실의 하계 및 동계 실내 공기오염도에 관한 측정 및 분석을 수행하였고, Shin et al.(5)도 환기장치가 설치된 고등학교 교실을 대상으로 CO2 농도를 측정하여 필요환기량을 산출하였다.
- 8em;">동일한 결과를 얻을 수 있다. 각각의 주입방법에 따라서 연령이나 잔여체류시간의 계산을 위한 수식의 형태는 다르나 결과는 동일하여 본연구에서는 체승법을 이용하였다. 실내의 점 4m(H)이고 체적은 약 175m3이다. 그림에서 보는 바와 같이 강의실 중앙에 시스템에어컨을 설치하였고 재실 영역의 환기를 위하여 4개의 급기구와 4개의 배기구를 설치하였다. 이때 급기구는 환기효율을 증가시키기 위하여 시스템에어컨의 대각선 방향에(3) 배기구는 강의실 앞쪽과 뒤쪽에 설치하였다.
- 농도와 국소평균공기연령의 상관관계를 평가하기 위하여 수치해석을 수행하였다. 수치해석결과에 대한 평가를 수행하기 전에 먼저 실험에서 측정한 실험값과 수치해석값을 비교하여 수치해석의 타당성을 검증하였다.
- 농도를 구하였다. 또한 수치적 방법을 이용하여 국소평균공기연령과 환기효율, 그리고 재실영역 내 CO2 농도를 구였으며, 그 결과를 실험적 방법을 이용한 결과와 비교하여 국소평균공기연령과 재실영역 내 CO2 농도와의 연관성에 대한 연구를 수행하였다.
- 먼저 건물 환기량 설계식에 의한 내부 CO2 농도와 본 연구의 내부 CO2 농도를 비교하여 보았다. 건물 환기량 설 계시 내부 CO2 농도는 이론식인 Seidel 식⑷에 의해 구해진다 m
- (3)은 환기시스템을 적용한 사무실에서 환기특성을 국소급기지수 등을 통하여 실험 및 수치적인 방법으로 분석하였고, 급 . 배기구의 위치에 따른 환기효율을 평가하였다. Shin et al(4)은 수원지역 초 .
- 본 연구에서는 국소평균공기연령을 측정하기 위하여 체승법으로 실험을 수행하였고, 실험시 급기구 4곳에서 급기풍량이 동일하도록 디퓨저를 조정하였다. 추적가스는 모든 급기구에서 동일한 양을 토출하기 위하여 급기구로 분지되기 전의 덕트에서 주입하였다.
- 따라서 본 연구에서는 동일한 조건에서 실내 CO? 농도와 국소평균공기연령의 상관관계를 평가하기 위하여 수치해석을 수행하였다. 수치해석결과에 대한 평가를 수행하기 전에 먼저 실험에서 측정한 실험값과 수치해석값을 비교하여 수치해석의 타당성을 검증하였다.
- 앞 절의 실험결과에서 실내 CO2 농도와 국소평균공기연령의 기준조건이 다르지만 시스템에어컨의 토출각도와 풍량을 각각 30°와 1,740CMH 로 하고 환기시스템 급기풍량을 변화시킨 경우에서는 동일한 조건에서 실험이 이루어졌다. 따라서 본 연구에서는 동일한 조건에서 실내 CO? 농도와 국소평균공기연령의 상관관계를 평가하기 위하여 수치해석을 수행하였다.
- 4에서 숫자로 표시된 지 점이다. 이때 측정점의 높이는 국소평균공기연령과 같은 높이인 1.1m로 하였고 데이터는 매 10초 간격으로 측정하여 측정점마다 2분씩 측정하였다.
- 재실영역 CO2 농도에 영향을 미칠 수 있는 시스템에 어컨의 토출풍량과 토출각도, 환기시스템의 급기풍량을 제어변수로 하여 각각의 조건변화에 따른 재실영역의 CO2 농도분포와 국소평균공기연령, 환기효율을 평가하였다. 이때 제어변수는 아래의 Table 1과 같다.
- 측정위치는 Fig.4에서 알파벳으로 표시된 곳과 같이 각각 급기구와 배기구의 사이 4점과 시스템에어컨 바로 아랫부분, 즉 강의실의 중앙부 1점을 포함하여 총 5점을 측정하였고, 측정높이는 앉은 상태에서 의 사람의 호흡선 높이인 LI m로 하였다. 실내 CO2 농도의 측정점은 총 13점으로 그 위치는 Fig.
대상 데이터
- 강의실에 제공되는 신선공기는 급기 디퓨저에 의한 급기풍량뿐이고, 이 양은 배기량과 동일하다. 그리고 실험시 재실인원은 피실험자와 실험자를 포함 총 30명이다.
- 본 연구는 4-way cassette형 시스템에어컨이 설치된 Fig.3과 같은 강의실을 대상으로 하였다. 전체 크기는 6.
- 이때 급기구는 환기효율을 증가시키기 위하여 시스템에어컨의 대각선 방향에(3) 배기구는 강의실 앞쪽과 뒤쪽에 설치하였다. 본연구에서 사용한 시스템에어컨은 병렬형(parallel type)으로써 단지 재실영역의 공기를 순환시키는 역할만을 담당한다. 강의실에 제공되는 신선공기는 급기 디퓨저에 의한 급기풍량뿐이고, 이 양은 배기량과 동일하다.
이론/모형
- 5에서 와 같이 약 450,000개의 비균일 격자를 사용하였고, 난류모델은 standard k-ε 모델을 사용하였다. 계산 알고리즘은 정상상태 SIMPLE을 사용하였으며 수렴판정은 운동량 및 연속방정식은 유수(residual)의 합이 10-3이하, 농도방정식은 유수의 합이 10'5 이하를 조건으로 하였다.
- 그리고 재실영역에서 여러 곳을 측정하기 위하여 Multi-point Sampler를 사용하였다. Multipoint Sampler는 한점의 샘플을 수집 후 측정기로 보내고 측정기에서 분석을 하는 동안 다른 측정점에서 샘플링을 수행하는 과정을 반복한다.
- 농도방정식에는 강의실 내부의 국소 공기속도가 표현되므로공기유동에 관한 연속방정식, 운동량방정식, 난류운동에너지방정식, 그리고 난류운동량 소산율방정식이 함께 적용되었다. 이들 지배방정식을 풀이하기 위하여 상용 프로그램인 STAR-CD를 사용하였다.
- 또한 재실영역에서의 국소공기평균연령과 환기효율을 측정 하기 위 하여 INNOVA 사의 Multi-gas monitor를 사용하였고 추적가스로는 SF6(Sulfur hexafluoride)를 사용하였다. SF&의 밀도는 NPT 조건에서 공기밀도의 5.
- 본 연구에서는 3차원 강의실에서 급기가 이루어질 때 신선공기 도달성능을 예측하기 위하여 정상상태 농도 방정식을 적용하였다. 농도방정식에는 강의실 내부의 국소 공기속도가 표현되므로공기유동에 관한 연속방정식, 운동량방정식, 난류운동에너지방정식, 그리고 난류운동량 소산율방정식이 함께 적용되었다.
- 농도방정식에는 강의실 내부의 국소 공기속도가 표현되므로공기유동에 관한 연속방정식, 운동량방정식, 난류운동에너지방정식, 그리고 난류운동량 소산율방정식이 함께 적용되었다. 이들 지배방정식을 풀이하기 위하여 상용 프로그램인 STAR-CD를 사용하였다.
- 재실영역의 CO2 농도분포를 측정하기 위하여 Gray-wolf사의 IAQ-410을 사용하였다. 측정원리는 비분산 적외선 방식으로 분자가 자신의 고유진동 에너지에 해당하는 에너지를 선택적으로 흡수하는 현상을 이용한 것이다.
- 해석모델은 Fig. 5에서 와 같이 약 450,000개의 비균일 격자를 사용하였고, 난류모델은 standard k-ε 모델을 사용하였다. 계산 알고리즘은 정상상태 SIMPLE을 사용하였으며 수렴판정은 운동량 및 연속방정식은 유수(residual)의 합이 10-3이하, 농도방정식은 유수의 합이 10'5 이하를 조건으로 하였다.
성능/효과
- (2) 실내 CO2 농도변화와 같이 국소평균공기연령도 환기시스템의 급기풍량 변화에 따라 크게 달라지 지 만, 시스템에어 컨 토출각도와 풍량에는 거의 영향을 받지 않는 것으로 나타났다.
- (3) 수치해석을 이용하여 실내 CO2 농도와 국소평균연령, 환기효율을 비교한 결과, 급기 풍량에 따라 실내 CO2 농도와 국소평균공기연령의 증감은 유사하게 나타나지만, 환기효율은 거의 일정한 값으로 나타났다.
- (4) 높이 2.4m, 체적이 175m: 재실인원이 약 30명인 강의실에서는 국소평균공기연령이 약 400초 이하로 유지되어야만 실내 CO2 기준치인 1,000 ppm을 만족하는 것으로 나타났다.
- 7(b)는 동일조건 중 환기시스템 급기풍량이 1, 000 CMH 일 경우로서 실내 CO-2 농도는 4 ~ 153 ppm, 국소평균공기연령은 30~75초 정도의 차이가 난다. 각각의 상대오차는 10% 이내로 수치해석결과가 실험결과와 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났다.
- 농도를 나타내고 있다. 값들을 비교해 보면 실험값이 식으로 구한 계산값보다 약 350 ppm 이상 높은 것으로 나타났다. 식에 의한 CO2 농도값이 낮은 것은 1차원적인 해석을 통하여 외부로부터 도입된 공기가 실내 CO2와 완전혼합된 후 배기구로 빠져나간다고 가정하기 때문이다.
- 9는 환기시스템의 급기풍량을 1, 800 CMH로 하고 시스템에어컨 토출각도가 30°, 토출풍량이 1, 740 CMH일 때 실내 CO2 농도와 국소평균공기연령 분포를 나타낸 그림이다. 국소평균공기연령이 약 400초보다 낮은 값을 나타내는 지역에서 CO2 농도는 실내 환경기준치인 1, 000 ppm 이하를 만족하는 것으로 나타났다. 이때 소음에 대한 제품의 실험결과를 보면 강풍일 경우 KS 측정점인 1.
- 이는 환기시스템의 풍량이 증가할수록 외부에서 실내로 유입되는 신선공기의 양이 증가하므로 재실 영역의 CO2 농도가 낮아지고 도입외기의 유동이 빨라져서 재실영역으로의 도달시간도 짧아지기 때문이다. 그러나 환기효율은 환기시스템의 풍량이 증가하더라도 값이 거의 변하지 않는 것을 알 수 있었다. 이는 환기효율이 명목시간상수를 국소평균공기연령으로 나눈 무차원수이기 때문에 환기시스템의 풍량이 증가함에 따라 국소평균공기연령이 감소하더라도 명목시간상수도 같이 감소하여 값이 거의 변하지 않기 때문이다.
- 8에서 실내 CO2 농도와 국소평균공기연령의 상관관계를 살펴보면 환기시스템 급기풍량의변화에 따라 실내 CO2 농도와 국소평균공기연령의 증감이 유사하게 변화하는 것을 볼 수 있다. 또한 Fig.8에서 보여준 결과로부터 높이 2.4m,체적이 175m3, 재실인원이 약 30명인 강의실에서 CO2의 실내 환경기준치인 1, 000 ppm을 만족시키기 위해서는 국소평균공기연령이 약 400초 이하로 유지되어야만 한다는 것을 알 수 있었다.
- 그러나 이때 외기 CO2 농도가 16 ppm 정도 낮았던 것을 고려하면 토출각도에 따른 내부 실내 CO2 농도는 거의 변화가 없는 것으로 나타났다. 또한 토출풍량만을 변화시켰을 때 토출풍량이 증가함에 따라 실내 CO2 농도는 약 26ppm 정도 증가하는 것을 알 수 있다. 그러나 이 경우에도 외부 CO? 농도의 변화가 약 20 ppm 증가된 상태였고 이러한 외부 COa 농도의 영향을 고려하면 시스템에어컨 토출풍량에 따른 실내 CO2 농도변화는 거의 없다고 판단된다.
- 그리고 재실영역 전체에서의 CO2 농도분포를 살펴보면 대부분의 재실자가 강의실 앞쪽에 위치하여 수업을 받아 CO2 발생량이 많기 때문에 강의실 앞쪽의 CO2 농도가 강의실 뒤쪽의 CO2 농도보다 약; lOOppm 정도 높은 것을 알 수 있다. 시스템에어컨:의 토출각도만 30°에서 50°로 변화시킴에 따라 실내 CO2 농도는 약 10 ppm 정도 감소하는 것으로 나타났다. 그러나 이때 외기 CO2 농도가 16 ppm 정도 낮았던 것을 고려하면 토출각도에 따른 내부 실내 CO2 농도는 거의 변화가 없는 것으로 나타났다.
- 측정실험시 외부 CO2 농도는 최대 lOOppm 정도 차이가 났지만 대체로 평균값±20 ppm의 범위 안으로 측정되어 강의실 내 실험 동안 외부 CO2 농도의 변화는 크게 없는 것으로 나타났다. 위의 조건에서 환기시스템의 급기풍량이 200CMH 증가함에 따라 내부 CO2 농도가 약 200ppm 정도 낮아지는 것을 알 수 있다. 이는 급기풍량이 증가할수록 재실영역으로 공급되는 신선외기의 양이 증가하기 때문이다.
- 국소평균공기연령을 보여준다. 위의 조건에서 환기시스템의 풍량이 1, 000CMH에서 800C MH로 감소함에 따라 국소평균공기연령은 약 165초 정도 증가하는 것으로 나타났다. 이는 환기풍량이 감소할수록 유입되는 공기의 유속이 느려져서 재실영역에 도달하는 시간이 증가하기 때문이다.
- 이는 시스템에역할을 하기 때문에 토출풍량이 증가할수록 유인된 신선외기가 재실영역에 도달하는 시간이 감소하기 때문이다. 이 결과로부터 앞서 설명한 실내 CO2 농도변화와 같이 국소평균공기연령도 환기시스템의 급기풍량 변화에 따라 크게 달라지지만, 시스템에어컨 토출각도와 풍량에는 거의 영향을 받지 않는 것으로 나타났다.
- 8m 아래의 재실영역에서 수치적으로 계산된 내부 CO2 농도와 국소평균공기연령, 환기효율의 평균값을 보여준다. 이 표로부터 환기시스템의 풍량만을 변화시켰을 경우 실내 CO2 농도와 국소평균공기연령 비교해 보면 환기시스템의 풍량이 증가할수록 실내 CO2 농도는 약 230 ppm, 국소평균공기연령은 약 180초 정도 감소하는 것으로 나타났다. 이는 환기시스템의 풍량이 증가할수록 외부에서 실내로 유입되는 신선공기의 양이 증가하므로 재실 영역의 CO2 농도가 낮아지고 도입외기의 유동이 빨라져서 재실영역으로의 도달시간도 짧아지기 때문이다.
- 이상의 실험결과로부터 시스템에어컨과 환기시스템이 동시에 가동될 때의 국소적인 실내 CO2 농도는 시스템에어컨 토출각도와 토출풍량과는 무관한 것으로 나타났다.
- 농도를 보여준다. 측정실험시 외부 CO2 농도는 최대 lOOppm 정도 차이가 났지만 대체로 평균값±20 ppm의 범위 안으로 측정되어 강의실 내 실험 동안 외부 CO2 농도의 변화는 크게 없는 것으로 나타났다. 위의 조건에서 환기시스템의 급기풍량이 200CMH 증가함에 따라 내부 CO2 농도가 약 200ppm 정도 낮아지는 것을 알 수 있다.
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