[논문]환기시스템 설치 강의실에서 시스템에어컨과 팬코일유닛의 열쾌적성 및 환기성능 평가

한창우; 노광철; 오명도

문제 정의

또한 Han et al.⑸은 시스템에어컨(system air-conditioner, 이하 SAC라 칭함)이 설치된 대학교 강의실에서 환기방식(직결형과 병렬형)에 따른 온열환경과 공기질환경의 특성을 비교하는 연구를 수행하였다.
그러나 국내 빌딩에서 공조를 위하여 사용되고 있는 팬코일유닛(fan coil unit, 이하 FCU라 칭 함)과 추후 많이 사용될 것으로 예상되는 SAC의 실내 공조특성을 비교한 연구는 아직까지 없었다. 따라서 본 연구에서는 환기시스템이 설치된 대학교 강의실에서 SAC와 FCU의 개별작동에 따른 재실영역에서의 온열환경 및 공기질환경의 특성을 비교하였다.
본 연구에서는 환기시스템이 장착된 강의실에서 두 공조시스템의 토출풍량 변화가 실내 열쾌적성 및 환기성능에 미치는 영향을 살펴본 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.

가설 설정

강의실 내재실 인원은 피실험자와 실험자를 포함 총 30명이고, 피실험자의 대부분은 수강을 위하여 강의실 앞부분에 정좌해 있다. 수치해석시 정좌상태의 재실자는 0.45m(W) X 1.05m(H) x 0.3m(L)의 직육면체로 모델링하였으며, 재실자 피부의 온도는 330로 정하였다(6~7) 또한 재실자는 시간당 0.018m3^ CO2를 배출한다고 가정하였다(5)
는 호흡을 통한 증발열전달을 각각 나타낸다. 계산시 사용된 인체의 신진대사량은 일반적인 정좌상태 1.2met (69.84W/m2)를 적용하였고, 착의상태는 여름철 평상복 차림으로 가정하여 0.5clo(0.0775m'K/W)를 사용하였다.

제안 방법

Kwon et al.(4)은 천정형 4-way 히트펌프를 설치한 초등학교 교실에서 외기도입 방식에 따른 재실영역의 온도분포, LMA, ADPI, 환기효율을 비교하는 수치적인 연구를 수행하였다. 또한 Han et al.
1에서와 같이 SAC를 중심으로 대각선 방향에 4개를 설치하여 신선공기의 분배성능을 우수하게 하였고, (2) 급기구를 통한 신선외 기도입량은'약 1,000CMH이다. 배기구는 재실자에 의해 오염된 공기와 칠판에서 발생하는 분진을 효과적으로 배출하기 위해 강의실 앞쪽과 뒤쪽에 각각 2개씩 설치하였다. 대상 강의실은 1종 환기방식이 적용되어 배기량은 급기량과 동일하다.
SAC의 냉기토출은 우수한 냉기분배 성능을 위하여 4방향으로 되어 있고, 최대풍량은 29CMM으 로 강의실의 폭과 길이의 비에 관계없이 균일하게 냉기가 토출된다. 본 연구에서는 토출각을 30°로 고정하였다. 이는 선행연구에서 SAC의 냉기 토출각이 30° 이상인 경우 재실자가 온열불쾌감 을 느낄 수 있다고 언급했기 때문이다.
67 CMM 이고, 교실바닥면에 대하여 45°의 각도로 냉기가 토출된다. 실험시에는 두 공조시스템 중 하나와 환기시스템을 동시에 가동하여 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 환기시스템이 가동되는 강의실에서 SAC와 FCU 개별가동시 PMV와 CO2 농도를 측정하였다. 측정실험은 두 공조시스템의 냉기 토출풍량이 29 CMM, SAC와 FCU의 냉기토 출온도가 각각 12.
본 연구에서는 환기시스템이 가동되는 강의실에서 SAC와 FCU 개별가동시 PMV와 CO2 농도를 측정하였다. 측정실험은 두 공조시스템의 냉기 토출풍량이 29 CMM, SAC와 FCU의 냉기토 출온도가 각각 12.7℃, 15.6P인 경우에 대하여 이루어졌다. 신선외기의 급기풍량은 L000CMH로 설정하였다.
2와 같다. 실험자는 PMV와 CO2 농도를 측정하기 위하여 측정점 (13)에서 CO2 농도가 안정화된 이후에 측정센서의 위치를 이동시켜 가면서 샘플링하였다. 각 측정점에서 CO2 농도는 안정화 상태에 도달하는데 약 1분 정도 소요되었고, 이후 2분간 PMV와 CO2 농도를 측정하여 이들의 평균값으로 결과를 나타냈다.
실외 측정실험은 해당 건물의 옥상에서 이루어졌고, 외기온도, 상대습도, CO2 농도를 10분간 측정하여 결과의 평균값을 경계조건으로 사용하였다.
본 연구에서 사용된 수치적 방법의 타당성을 검증하기 위하여 PMV와 CO2 농도 측정결과를 수치 결과와 비교하였다.
앞에서 사용된 수치적 방법이 실험결과를 비교적 정확하게 예측하는 것으로 판단되었다. 따라서 이후의 논의에서는 SAC와 FCU가 제거해야 할 냉방부하가 같은 조건 하에서 Table 4에 제시된 제어변수에 따라 강의실 내 열쾌적성과 환기성능의 특성을 비교하는 수치적인 연구를 수행하였다.
환기 효율(ventilation effectiveness, VER 국소 평균급기효율을 실(room) 전체 영역에 확장하여 평균한 것이다.(11) 국소급기효율은 국소평균공기 연령에 대한 명목시간상수의 비율로서 정의하고 식 (3)과 같다.
강의실에 대한 열쾌적성 및 환기성능을 평가하기 위하여 3차원 대상 공간에 대하여 Table 2의 연속방정식, 운동량방정식, 에너지 방정식, 난류운 동에너지방정식, 난류운동량 소멸방정식 및 농도 방정식을 적용하여 계산하였다. 위의 지배방정식 들을 풀기 위하여 상용 CFD 코드인 STAR-CD 를 사용하였고, 정상상태의 온도장, 속도장을 얻기 위하여 SIMPLE 알고리즘을 사용하였다.

대상 데이터

1은 본 연구에 사용된 강의실의 개념도로서 기존에는 공조를 위하여 FCU만 설치되어 있었지만 이곳에 SAC와 환기시스템을 새로 설치하여 연구를 수행하였다. 강의실의 크기는 6.4m (W) X 2.45m(H)x 11.2m(L)이고, 체적은 175m 이다. 환기시스템은 급.
신선외기의 급기풍량은 L000CMH로 설정하였다. 측정실험에 사용된 장비는 PMV의 경우 Innova사의 Model 1221을 이용하였고, CO2 농도는 Graywolf사의 Model IAQ-410을 이용하여 측정하였다.
실내 측정실험은 재실자의 호흡선 높이인 1.1이에서 13개의 위치를 선정하여 이루어졌고, 측정 위치는 Fig.2와 같다. 실험자는 PMV와 CO2 농도를 측정하기 위하여 측정점 (13)에서 CO2 농도가 안정화된 이후에 측정센서의 위치를 이동시켜 가면서 샘플링하였다.

이론/모형

예상온열감(predicted mean vote, 이하 PMV 라칭함)은 인간의 온열환경에 대한 반웅을 정량화시킨 것으로 인체의 대사율, 의복의 열저항치 등과 건구온도, 평균복사온도, 기류, 습도 등을 종합적으로 고려하여 인체가 느끼는 열쾌적도를 이론적으로 나타낸 것이다. 열쾌적도를 평가하기 위하여 ISO Standard 7330에서 규정하고 있는 PMV 계산법을 사용하였다(9) PMV는 식 (1)을 이용하여 계산하고, Table 1에서와 같이 7단계로 온열 감을 구분한다. 재실자를 만족시키는 쾌적범위는 -0.
그리고 본 연구의 해석대상은 모두 516, 000개의 비균일 제어체적으로 구분되어 있다. 난류계산은 실내 유동해석에서 많이 사용되는 표준 난류 모델을 사용하였다. 계산시 온도차에 의한 부력 효과는 운동량방정식과 에너지방정식의 생성 항에 포함시켰고, 재실자에 의해 발생하는 CO2는 농도 방정식의 생성항에 포함시켰다.
강의실에 대한 열쾌적성 및 환기성능을 평가하기 위하여 3차원 대상 공간에 대하여 Table 2의 연속방정식, 운동량방정식, 에너지 방정식, 난류운 동에너지방정식, 난류운동량 소멸방정식 및 농도 방정식을 적용하여 계산하였다. 위의 지배방정식 들을 풀기 위하여 상용 CFD 코드인 STAR-CD 를 사용하였고, 정상상태의 온도장, 속도장을 얻기 위하여 SIMPLE 알고리즘을 사용하였다. 그리고 본 연구의 해석대상은 모두 516, 000개의 비균일 제어체적으로 구분되어 있다.

성능/효과

3(a)은 SAC의 토출풍 량이 29 CMM, 토출 각도는 30°, 디퓨저를 통한 신선외기의 급기풍량 이 1,000 CMH인 경우 수치결과와 측정결과를 비교한 것이다. PMV 측정결과의 평균값은 -0.17, 수치결과의 평균값은 -0.20으로 중립상태보다 약간 시원한 것으로 나타났다. 측정점에 따라 수치 결과와 측정결과를 비교해보면 최소 0.
CO2 농도는 수치결과와 측정결과의 평균값이 각각 1, 287 ppm과 1, 256 ppm으로 나타났다. 모든 측정점에서 수치결과와 측정결과는 오차범위 5% 이내로 잘 일치하는 것으로 나타났다. 다만 SAC에서 토출된 냉기가 직접 도달하는 측정점 (6)과 (8) 사이에서 경향성의 차이를 보였다.
3(b)은 FCU의 급기풍량이 L000CMH이고 냉기 토출각도를 45°로 설정하였을 때 수치결과와 측정결과를 비교한 것이다. PMV 측정결과의 평 균값은 0.32, 수치결과의 평균값은 0.28로 쾌적범 위인 -0.5~0.5 사이에 포함되는 것으로 나타났다. CO2 농도는 수치결과와 측정결과의 평균값이 각각 1, 328ppm, 1, 347ppm으로 나타났다.
CO2 농도는 수치결과와 측정결과의 평균값이 각각 1, 328ppm, 1, 347ppm으로 나타났다. 대부분의 측정점에서 수치결과와 측정결과는 오차범위 12% 이내로 비교적 유사한 것으로 나타났다.
그러나 냉기 토출풍량이 23CMM 이상인 경우 모든 측정점에서 PMV가 쾌적범위를 만족하였다. 토출 풍량이 증가할수록 측정점에 따른 PMV의 표준편차는 0.15에서 0.21 로, 최대편차는 0.49에서 0.66으로 증가하였다. Fig.
Fig. 8(a)에서 SAC의 토출풍량 증가로 실내 평균 CO2 농도는 1, 269 ppm에서 1, 291 ppm으로 2% 증가하였고, 환기효율은 1.02에서 1.00으로 2% 감소하였다. Fig.
Fig. 8(b)에서 FCU의 토출풍량이 20CMM 에서 29CMM으로 증가함에 따라 재실영역 평균 CO2 농도는 1, 344 ppm에서 1, 314 ppm으로 2% 감소하였으나 SAC와 마찬가지로 환경부 기준치(1)인 1,000ppm 이하로는 유지시키지 못하였다. 그림에서 환기효율의 변화를 살펴보면 20CMM에서 1.
(1) 두 공조시스템의 냉기 토출풍량이 동일한 경우 SAC보다 FCU 가동시 측정점에서 PMV가 낮게 형성되었다. 이는 SAC에서 토출되는 냉기가 실내를 순환하고 측정점에 도달하지만 FCU에서 토출되는 냉기는 측정점에 바로 도달하기 때문이다.
(2) FCU 가동시 토출풍량의 증가가 실내 평균 CO2 농도에 미치는 영향은 거의 없지만 환기효율은 감소시켰다. 이는 FCU에서 토출되는 냉기가 증가할수록 강의실 앞뒤의 공기혼합을 방해하는 효과가 커졌기 때문이다.
(3) SAC보다 FCU 가동시 강의실 앞뒤의 CO2 농도가 더 큰 차이를 보였다. 이는 SAC의 경우 4방향으로 냉기가 토출되어 실내공기를 혼합하는 반면, FCU의 경우에는 강의실 내 유동이 주로 좌우로만 이루어져 강의실 앞뒤의 공기를 혼합하는 메커니즘이 없기 때문이다.
(4) 동일한 작동조건에서 SAC와 FCU가 가동되는 경우 열쾌적성을 살펴보면 재실영역 균일도 측면에서는 SAC가 효과적이지만 냉방성능 측면에서는 FCU가 효과적인 것을 알 수 있었다.

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