[논문]차량 내부 탑승자의 쾌적성 평가를 위한 초기 냉방운전 성능에 대한 수치해석적 연구

김윤기; 양장식; 백제현; 김경천; 지호성

문제 정의

본 연구에서는 승객이 느낄 수 있는 열적 쾌적성에 지배적으로 영향을 미칠 수 있는 상세한 유동 구조를 수치 해석적으로 관찰하기 위하여 자동차 실차모델을 연구대상으로 하였다. 또한 벤트의 위치 및 크기도 실제 자동차와 동일하게 설정하여 적용하였고, 승객실과 자동차 차체에 대해 각각 도메인을 생성하여 이를 연동시키는 Coupling해석을 통해 차체가 가지는 열용량에 따른 효과를 해석과정에 반영하였다.
또한 벤트의 위치 및 크기도 실제 자동차와 동일하게 설정하여 적용하였고, 승객실과 자동차 차체에 대해 각각 도메인을 생성하여 이를 연동시키는 Coupling해석을 통해 차체가 가지는 열용량에 따른 효과를 해석과정에 반영하였다. 수치해석 결과를 토대로 Fanger⁷⁾의 식을 이용한 열적 쾌적성을 평가하였고, 각 위치별 쾌적성의 정도를 비교 분석하여 자동차 내부 열유동 연구의 기초자료로서의 활용도를 높이고자 하였다.

가설 설정

본 연구에서는 자동차의 초기 냉방성능을 해석하고 평가하기 위해 외기온도 30°C의 날씨에서 1시간 이상 햇빛에 노출되어 내부온도가 60°C가 된 상태에 있는 자동차 내 승객실을 가정하였다.
인체의 활동량(M)은 열적으로 쾌적한 상태에서 의자에 앉아 안정을 취하고 있을 때의 1met=58.2 W/m2를, 옷의 열저항(Icl)은 1clo=0.155m2°C/W를 가정하였다.
10) 실제 차량의 Door는 실내측 Trim과 외측 판넬 그리고 그 사이의 공기층으로 구성되어 있으며, 이외에도 Wire, Actuator, Steel Frame 등이 존재하여 내/외부 구성품 사이의 공기층이 Thermal Bridge 역할을한다. 이와 같이 복잡하게 여러 층으로 구성되어 있는 차체의 구조를 해석하는 것은 매우 어려우므로, 본 연구에서는 차체를 구성하는 각 층에 대한 물성치(C^p , k, ρ)를 고려하여 차체에 대한 등가물성치를 구하였고, 이를 계산과정에 반영하였다.
마지막 경계조건으로서 태양복사에 의한 고체표면에서의 열전달은 CFX 코드 자체에 내장되어 있는 Monte Carlo모델을 사용하였고, 복사 열유속은 1000W/m²로 가정하였다. 복사 열해석에 앞서, 유리를 제외한 모든 고체표면에서의 방사율은 0.
155m²°C/W를 가정하였다. 계산상 수증기압(P_a)은 PMV 값에 미치는 정도가 무시할 정도로 작으므로 각 온도에 따른 포화수증기압을 기준으로 상대습도 50%로 가정하여 계산하였다.

제안 방법

본 연구에서는 승객이 느낄 수 있는 열적 쾌적성에 지배적으로 영향을 미칠 수 있는 상세한 유동 구조를 수치 해석적으로 관찰하기 위하여 자동차 실차모델을 연구대상으로 하였다. 또한 벤트의 위치 및 크기도 실제 자동차와 동일하게 설정하여 적용하였고, 승객실과 자동차 차체에 대해 각각 도메인을 생성하여 이를 연동시키는 Coupling해석을 통해 차체가 가지는 열용량에 따른 효과를 해석과정에 반영하였다. 수치해석 결과를 토대로 Fanger⁷⁾의 식을 이용한 열적 쾌적성을 평가하였고, 각 위치별 쾌적성의 정도를 비교 분석하여 자동차 내부 열유동 연구의 기초자료로서의 활용도를 높이고자 하였다.
이와 같이 복잡하게 여러 층으로 구성되어 있는 차체의 구조를 해석하는 것은 매우 어려우므로, 본 연구에서는 차체를 구성하는 각 층에 대한 물성치(Cp , k, ρ)를 고려하여 차체에 대한 등가물성치를 구하였고, 이를 계산과정에 반영하였다.
각각의 모델의 장단점이 있으나 본 연구에서는 가장 고전적 모델이면서 광범위한 영역에서 사용되는 PMV 지표를 사용하였다.^4),11-13) PMV는 정상상태에서의 열적 쾌적성 평가기준이나 본 연구에서는 냉각과정 동안의 시간에 따른 변화를 살펴보기 위해 각 timestep에서의 속도와 온도값을 식(13)에 대입하여 PMV값을 계산하였다.
자동차 내부의 열 유동현상을 규명하고 쾌적성을 평가하기 위해 기존의 연구와는 달리 실차모델을 이용한 수치해석 연구를 수행하였으며, 차량 내부각 위치별 쾌적성 평가를 시도하여 실차에 바로 적용가능한 정량적인 데이터 분석을 제시하였다. 내부 순환모드 조건에서 비정상 열유동 해석수행 결과 얻어진 결과를 다음과 같이 요약할 수 있다.
HVAC 덕트의 끝에 위치하는 그릴에 의해 조절되는 냉풍의 분사 각도는 좌우 측면 벤트에서는 x축에 대해 약 45° 각도로 위쪽을 향해 분사되도록, 그리고 중앙 좌우측 벤트에서는 x축 방향으로 분사되도록 조정하였다.
본 연구에서는 자동차의 초기 냉방성능을 해석하고 평가하기 위해 외기온도 30°C의 날씨에서 1시간 이상 햇빛에 노출되어 내부온도가 60°C가 된 상태에 있는 자동차 내 승객실을 가정하였다. 실험적 연구에 있어서, 태양의 복사에너지가 차량의 천정에 1000W 제공되도록 모사하는 조건과 동일하게 수치해석적 연구에 적용하였으며, 제공된 복사열에 의해 차량 내부 공기가 가열된 상태에서 운전자가 시동을 걸고 출발하여 정속 주행(60km/hr)을 하면서 에어컨을 가동하였을 때, 시간에 따른 실내 온도의 변화를 수치해석적 기법을 이용하여 예측하였다. 본 연구에서 적용된 유량은 실제 차량에서 적용되는 최대 토출유량의 70%인 330CMH(m³/hr)를 적용하였으며, Table 1에 실제 운전모드에 따른 최대 풍량과 각 duct의 배분 토출유량을 요약하여 나타내었고, 벤트에서 나오는 냉기의 온도는 실험값을 curve fitting하여 얻어진 식(8)과 같은 함수로 정의하였다.

대상 데이터

실험적 연구에 있어서, 태양의 복사에너지가 차량의 천정에 1000W 제공되도록 모사하는 조건과 동일하게 수치해석적 연구에 적용하였으며, 제공된 복사열에 의해 차량 내부 공기가 가열된 상태에서 운전자가 시동을 걸고 출발하여 정속 주행(60km/hr)을 하면서 에어컨을 가동하였을 때, 시간에 따른 실내 온도의 변화를 수치해석적 기법을 이용하여 예측하였다. 본 연구에서 적용된 유량은 실제 차량에서 적용되는 최대 토출유량의 70%인 330CMH(m³/hr)를 적용하였으며, Table 1에 실제 운전모드에 따른 최대 풍량과 각 duct의 배분 토출유량을 요약하여 나타내었고, 벤트에서 나오는 냉기의 온도는 실험값을 curve fitting하여 얻어진 식(8)과 같은 함수로 정의하였다.

이론/모형

본 수치해석 연구는 아래와 같이 비정상 RANS 방정식(Unsteady Reynolds Averaged Navier Stokes equation)을 지배방정식으로 적용하였다.⁹⁾연속방정식(Continuity Equation)과 운동량방정식 (Momentum Equation)은 아래와 같이 표현할 수 있다.
본 연구에서는 대부분의 선행연구에서 사용되었던 표준 k-ε 모델을 사용하여 수치해석을 수행하였다.
열적 쾌적성을 평가하는 지표는 PMV(Predicted Mean Vote), ET*-DISC, HSU모델이 있다. 각각의 모델의 장단점이 있으나 본 연구에서는 가장 고전적 모델이면서 광범위한 영역에서 사용되는 PMV 지표를 사용하였다.^4),11-13) PMV는 정상상태에서의 열적 쾌적성 평가기준이나 본 연구에서는 냉각과정 동안의 시간에 따른 변화를 살펴보기 위해 각 timestep에서의 속도와 온도값을 식(13)에 대입하여 PMV값을 계산하였다.
1(a),(b)에 나타내었다. 유동장과 차체가 공유하는 면은 CFX 코드 자체 내에서제공하는 GGI(General Grid Interface)기법을 이용하여 서로 일치하지 않는 노드사이의 데이터 교환이 이루어지도록 하였다.

성능/효과

중앙 좌우벤트에서 나오는 냉기는 수평방향으로 그대로 뒷좌석까지 직진하여 다시 양측면 도어쪽을 통해 앞좌석으로 유입되며, 이 과정에서 약 30% 정도의 냉기는 뒷좌석으로 유입되지 않고 조수석 쪽으로 흘러 조수석 무릎쪽의 재순환 출구벤트(exhaust vent)로 유출된다. 벤트에서의 출구속도는 위치에 따라 0.5~0.7m/s 정도의 차이를 가지고 있으나 평균적으로 약 3.7m/s로 계산되었고, 평균 실내 속도는 약 0.5m/s, 최저 속도는 전면 유리창에서 0.02 m/s의 속도분포를 가지는 것으로 나타났다. 유동장 내부로 들어온 냉기는 주위의 더운 공기에 의해 열을 차츰 공급받아 온도가 상승하는 한편, 속도는 점차적으로 감소하여 뒷좌석에서는 벤트에서 나온 분사속도의 약 70%의 속도를 가지는 것으로 나타났다.
02 m/s의 속도분포를 가지는 것으로 나타났다. 유동장 내부로 들어온 냉기는 주위의 더운 공기에 의해 열을 차츰 공급받아 온도가 상승하는 한편, 속도는 점차적으로 감소하여 뒷좌석에서는 벤트에서 나온 분사속도의 약 70%의 속도를 가지는 것으로 나타났다. 이는 속도가 다른 두 유체간에 일어나는 에너지 소산에 의한 효과로 사료되며, 이 과정에서 유동장 내부로 분사된 차가운 공기와 정체된 더운 공기 사이에 활발한 열교환이 이루어지게 되어 최종적으로 열적 평형상태에 이르게 되는 것으로 사료된다.
공통적으로 승객의 머리 위쪽에서 약 19°C 정도의 낮은 온도 분포를 보이는 기류가 형성되었고, 전면 유리창에서 높은 온도 정체 영역이 존재함을 확인하였다.
전체적으로 운전석과 운전석 뒷좌석보다 조수석과 뒷좌석에서 더 낮은 온도를 나타내고 있으며, 특히 조수석 뒷좌석에서의 온도가 운전석에서보다 평균적으로 약 3~4°C 더 낮게 나타나고 있다.
본 계산에서도 초기온도가 60°C일 때의 PMV값은 계산구간에 따라 12.5~15.9의 범위를 가지고 있는 것을 관찰할 수 있었다.
초기에는 모든 지점에서 60°C의 온도값을 가지고 있으나, 냉풍이 토출 그릴을 따라 유동장 내부로 들어옴에 따라 내부 온도는 점차 감소하며, 국부적인 온도의 불균일성이 최대 10°C 정도의 값을 가지고 나타남을 알 수 있었다.
초기에는 모든 지점에서 60°C의 온도값을 가지고 있으나, 냉풍이 토출 그릴을 따라 유동장 내부로 들어옴에 따라 내부 온도는 점차 감소하며, 국부적인 온도의 불균일성이 최대 10°C 정도의 값을 가지고 나타남을 알 수 있었다. 모든 위치에서 온도는 지수 함수의 형태로 처음에는 감소폭이 크게 나타나지만 시간이 경과함에 따라 점차 온도 변화폭이 줄어들었고, 일정시간이 경과한 이후 각 위치에서 온도값의 순서가 바뀌지 않는 일관성을 보였다. 조수석의 냉각속도는 다른 위치에 비해 상대적으로 급격하게 진행되었으며, 운전자의 발이 위치하는 가속 페달과 제동 페달이 있는 영역에서 냉각속도가 가장 느린 것으로 나타났다.
조수석의 냉각속도는 다른 위치에 비해 상대적으로 급격하게 진행되었으며, 운전자의 발이 위치하는 가속 페달과 제동 페달이 있는 영역에서 냉각속도가 가장 느린 것으로 나타났다. 전체적으로 냉기가 직접 전달되는 가슴과 머리 쪽에서의 온도가 무릎이나 발쪽에서보다 더 빨리 냉각됨을 확인할 수 있었다.
9의 범위를 가지고 있는 것을 관찰할 수 있었다. 따라서 PMV값이 +3보다 클 때에는 이미 쾌적성을 평가할 열적 상태를 벗어났다고 판단하는 것이 타당할 것이다. 그러므로 PMV가 ±3의 범위 안에 얼마만의 시간 내에 도달하는지에 대한 분석이 선행되어야한다.
13m/s 빠르게 나타나고 있다. 600초 후, 조수석 line 뒷좌석 승객 쪽은 머리, 가슴, 무릎, 발 쪽에서 모두 3이하의 PMV값에 수렴하였다. 운전석 line 뒷좌석 승객쪽 역시 가슴, 무릎, 발쪽에서 3이하의 PMV값에 수렴하였으나, 머리 쪽은 3.
37 정도로 쾌적성의 범위 안에 들지 못하고 있다. 전체적으로 종합하면, 시간이 경과함에 따라 에어컨의 영향으로 PMV 지수가 낮아지며, 약 600초가 지나면 몇 지점을 제외한 대부분의 영역에서 쾌적성을 평가할 수 있는 범위 안에 들게 된다. 약 1600초가 지났을 때의 모든 신체부위를 평균한 PMV 지수는 조수석, 조수석 열 뒷자리, 운전석 열 뒷자리, 운전석 순으로 높아지며, 그 값은 각각 0.
전체적으로 종합하면, 시간이 경과함에 따라 에어컨의 영향으로 PMV 지수가 낮아지며, 약 600초가 지나면 몇 지점을 제외한 대부분의 영역에서 쾌적성을 평가할 수 있는 범위 안에 들게 된다. 약 1600초가 지났을 때의 모든 신체부위를 평균한 PMV 지수는 조수석, 조수석 열 뒷자리, 운전석 열 뒷자리, 운전석 순으로 높아지며, 그 값은 각각 0.712, 0.955, 1.562, 1.563으로 나타났다.
1) 자동차 내부에서의 cool-down 해석을 통해 자동차 내부는 열적으로 비균일성이 강한 유동장임을 밝혔고, 1600초 후에도 위치에 따라 10°C이상의온도 편차가 존재함을알 수 있었다.
2) 냉기 토출구 근처에 위치하는 머리나 가슴부분에서 공기가 다른 위치보다 더 신속히 냉각되고, 온도의 변화가 가장 작게 나타나는 부분은 발쪽임을 확인하였다.
3) 내부 순환모드 조건 하에서 출구 경계조건의 위치는내부압력과 속도 및 온도 분포에 큰 영향을 미치고 있음을 확인하였다.
4) 약 600초가 경과한 이후, 계산 위치별 PMV는 국부적으로 +3 범위 이내로 수렴하였고, 1600초가 지났을 때 열적 쾌적성의 정도는 조수석 열에서 0.712로 가장 좋았고, 다음으로 조수석열 뒷자리에서 0.955, 운전석열 뒷자리 1.562로 나타났고 가장 낮은 쾌적성을 가지는 영역은 운전석으로 그값은 1.563으로 분석되었다.
모든 위치에서 온도는 지수 함수의 형태로 처음에는 감소폭이 크게 나타나지만 시간이 경과함에 따라 점차 온도 변화폭이 줄어들었고, 일정시간이 경과한 이후 각 위치에서 온도값의 순서가 바뀌지 않는 일관성을 보였다. 조수석의 냉각속도는 다른 위치에 비해 상대적으로 급격하게 진행되었으며, 운전자의 발이 위치하는 가속 페달과 제동 페달이 있는 영역에서 냉각속도가 가장 느린 것으로 나타났다. 전체적으로 냉기가 직접 전달되는 가슴과 머리 쪽에서의 온도가 무릎이나 발쪽에서보다 더 빨리 냉각됨을 확인할 수 있었다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자동차 내부의 공조시스템은 어떤 역할을 하는 시스템인가?	자동차 내부의 공조시스템(Heating, Ventilating, Air conditioning system; HVAC)은 실내 온도 및 공기의 질을 제어해 주는 매우 중요한 시스템으로 자동차의 부가가치 향상에 밀접한 영향을 미친다. 이러한 공조시스템은 덥거나 추운 외부환경에 상관없이, 차량 내부 탑승자에게 쾌적한 상태를 제공하는 기능을 수행한다. 따라서 자동차 실내 환기에 따른 열적 쾌적성은 자동차 개발 시 매우 중요한 평가 지표가 되며, 이를 평가하기 위해 cool-down 또는 warm-up 테스트가 필수적으로 요구된다.
	차량 내부의 열유동 특성에 영향을 미치는 외부 환경은 무엇이 있는가?	(8) 차량 내부의 열유동 특성에 영향을 미치는 외부 환경은 차량 외부의 외기조건과 차체 표면 사이의 대류현상과 태양으로부터 인가되는 복사열이다. 이때 차체와 외기 사이에서 일어나는 열 교환량은 식 (9)와 같이 정의하였다.

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