[논문]외부바람의 영향을 고려한 난방공간에서의 하향토출 에어커튼의 성능

성순경

외부바람의 영향을 고려한 난방공간에서의 하향토출 에어커튼의 성능
Performance of Downward-blowing Air Curtain m Heating Space Considering External Wind Condition 원문보기

성순경 (경원대학교 건축설비공학과)

Air curtains are widely used for gates of shopping mall, warehouse, cold stores and refrigerated display cabinets. The purpose of the air curtain is to reduce the infiltration of outdoor air and heat loss from the air conditioning space to ambient air. Design data for the air curtain given by previous researchers do not mention the influence of wind speed. Thus, this paper presents a performance of single jet air curtain in heating space when the wind blows toward the opening space of the building. A numerical simulation is used to study the influence of various parameters on the efficiency of the downward-blowing air curtain device which is installed inside of the wall above the door. The performance of the air curtain is evaluated by sealing efficiency which provides the assessment of the energy savings. A new safety factor is also proposed for determination of air curtain jet velocity under the various wind conditions.

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문제 정의

정 해진 풍량과 고정된 노즐의 각도에 따라 작동하는 에어커튼의 성능은 시간에 따라 변화하는 줄 입구의 여러가지 조건을 만족시키기에는 부족하므로 과대한 용량을 선정하게 되어 열손실과 운전에너지의 증대를 가져 오게 되므로 가변풍량형 에어커튼 2>의 필요성이 대두되기도 한다. 한편 에어커튼에 대한 기본적인 개념과 설계자료를 정립한 Hayes와 Stoecker(3)가 제안한 설계자료는 바람이 없고 잘 밀폐된 공간에 대한 제한적인 조건일 경우에 대한 것이므로 본 논문에서는 바람의 영향을 받는 경우에 에어커튼의 규격을 어떻게 결정하여야 하는가에 대하여 살펴보았다.

제안 방법

건물의 개구부를 통하여 출입하는 외기의 양을 알기 위하여 에어커튼이 설치된 검사체적에 에너지 보존법칙과 연속방정식을 이용하여 계산하였다. 에어커튼과 풍압에 의하여 영향을 받는 건물 내의 작용압력은 작은 값이므로 실내공기를 비압축성으로 고려하면 개구부를 통하여 들어오는 공기와 나가는 공기의 체적유량은 같으므로 식(6) 과 같이 나타낼 수 있다.
이때 에어커튼이 설치된 개구부 주변과 급기구, 환기구 주변은 정밀한 해석을 위하여 조밀한 격자로 구성하였다. 이때 건물로 인한 공기의 유동 형태가 가능한 영향을 적게 받을 수 있도록 건물 주변의 공간을 최대한 확보하도록 하였다.
2와 같은 형상으로 구성하였다. 이때 바람에 의한 영향을 고려하기 위하여 가로, 세로, 높이가 12mxl0 mx6m인 외부 공간을 구성하고, 외부 공간 안에 대상 건물을 설치하였으며, 바람은 Fig. 2의 왼쪽에서 건물을 향하여 수직으로 불어오도록 하고, 오른쪽으로 유동하도록 하였다. 해석은 3차원 수치해석 방법으로 약 220만 개의 셀로 이루어진 비 정렬 격자를 이용하였고, 정상상태로 계산하였으며, SIMPLE방법과 k-e 난류모델을 사용하였다.

대상 데이터

0m인 경우를 선정하였다. 에어커튼은 Fig. 1과같이 개구부 안쪽 바로 위에 설치하였고, 에어커튼의 길이는 개구부 폭과 같은 1.8m를 선정하였으며, 슬롯의 폭은 일반적으로 많이 생산되고 있는 싱글형의 30mm로 하였다. 에어커튼은 실내공기를 흡인하고 가열 후 20 ℃의 상태로 개구부위에서 수직 하향으로 토출되도록 하였다.
에어커튼이 설치된 대상 건물의 가로, 세로, 높이 는 4 m><3 m이 고, 개구부는 폭 1.8 m, 높이 2.0m인 경우를 선정하였다.

이론/모형

그리고 토출기류의 방향에 따라 하향형과 상향형 그리고 수평형이 있다. 일반적으로 많이 이용하는 방식은 비순환형으로 본 논문에서도 이를 기준으로 하였다.
2의 왼쪽에서 건물을 향하여 수직으로 불어오도록 하고, 오른쪽으로 유동하도록 하였다. 해석은 3차원 수치해석 방법으로 약 220만 개의 셀로 이루어진 비 정렬 격자를 이용하였고, 정상상태로 계산하였으며, SIMPLE방법과 k-e 난류모델을 사용하였다. 이때 에어커튼이 설치된 개구부 주변과 급기구, 환기구 주변은 정밀한 해석을 위하여 조밀한 격자로 구성하였다.

성능/효과

(1) 바람의 영향이 없는 경우에 비하여 기준풍속이 5m/s, 10m/s, 15m/s일 때 에어커튼의 토출 공기가 실 안 쪽으로 약 20%, 50%, 90% 정도더 회절되W 것으로 나타났다.
(2) 에어커튼의 토출속도가 10m/s일 때 풍속변화에 따른 침 입 외 기량의 변화는 바람이 없는 경우에 대비하여 5m/s일 때 1.5배, 10m/s일 때 1.7배, 15m/s일 때 2.6배 정도로 크게 증가함을 알 수 있다.
(3) 기준풍속이 5m/s, lOm/s일 때 에어커튼의 토출 풍속은 8m/s, 10m/s일 때 가장 높은 차단효율을 보여주고, 토출속도를 선정하기 위한 안전계수는 각각 2.2, 2.7이 구해졌으나 안전성을 고려하여 이보다 더 높은 값을 선정하는 것이 바람직하다.
그리고 기준풍속 5 m/s일 때 토출속도 6 m/s에서는 77%, 8m/s에서는 87%로 가장 높게 나타나고 그 이후는 점차 낮아지는 것으로 나타났다. 이는 토줄속도가 너무 높아지면 회절현상은 줄어드나 기류가 바닥에 충돌한 후 실외로 빠져나가는 양이 증가하면서 침입 외기량이 점차 증가하여 차단효율이 낮아지는 것으로 보인다.
이 결과는 제트속도 10 m/s일 때 바람속도에 따라 회절 되는 기류 중심축의 변화를 개구부 위에서 부터의 높이 ZE와 설치된 에어커튼의 토출노즐의 중심 으로부터 편심된 거리 Xs를 제트슬롯의 폭 #로 나눈 무차원 값으로 나타낸 선도이다. 기준 풍속이 5 m/s, 10 m/s, 15 m/s로 높아질 때 바람이 없는 경우에 비하여 약 20%, 50%, 90% 정도 더 회절되는 것으로 나타났다. J.
이는 토줄속도가 너무 높아지면 회절현상은 줄어드나 기류가 바닥에 충돌한 후 실외로 빠져나가는 양이 증가하면서 침입 외기량이 점차 증가하여 차단효율이 낮아지는 것으로 보인다. 여기에서 바람의 속도가 높아지면 차단효율을 높이기 위하여 토출속도를 더 높여야 하는 것으로 나타났다.
위 결과를 이용하여 기준풍속 5 m/s, 10 m/s일 때에어커튼의 설계를 위한 제트슬롯의 토출속도로 각각 8m/s, 10m/s를 선정하면 Hayes와 Stoecker(3) 가 제안한 값의 각각 2.2, 2.7배가 되므로 안전계수는 바람이 없는 경우보다 더 높은 값을 선정하여야 함을 알 수 있다. 에어커튼의 차단성능은 바람의 풍속이 일정하지 않아 에어커튼의 막이계속적으로 흔들리며 부분적으로 깨지므로 이 결과보다 더 낮아질 수 있고, 외기의 침 입량이 늘어날 수 있으므로 앞에서 구해진 값 보다 좀 더 높은 값을 고려하여야 할 것으로 보인다.

후속연구

7배가 되므로 안전계수는 바람이 없는 경우보다 더 높은 값을 선정하여야 함을 알 수 있다. 에어커튼의 차단성능은 바람의 풍속이 일정하지 않아 에어커튼의 막이계속적으로 흔들리며 부분적으로 깨지므로 이 결과보다 더 낮아질 수 있고, 외기의 침 입량이 늘어날 수 있으므로 앞에서 구해진 값 보다 좀 더 높은 값을 고려하여야 할 것으로 보인다. A.

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