[논문]바닥취출공조와 수동형 냉방빔을 적용한 냉방 시스템 적용 사례

Weidner, Steve; Doerger, Jerome; Walsh, Michael

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문제 정의

해석을 실시하였다. 전체적인 전산 유체해석은 제시된 설계에서 거주 공간에 대한 공기 섞임의 완벽성, 공기의 원활한 흐름, 그리고 공기가 유입되어 되돌아가는데 까지 공기가 실내에 머무르는 시간 등을 평가하기 위해 실시되었다. 또한 환기 유효성과 거주자의 만족도 등도 계산에 포함되었다.

가설 설정

천장 복사냉방을 결합한 바닥취출공조 방식에서 제시된 공기 공급량은 모든 천장에 동일한 형태의 복사냉방 패널을 설치한 경우를 가정하여 결정되었다. 수동형 냉방 빔을 결합한 바닥취출공조 방식에서 제시된 공기 공급량은 외기의 공기가 혼합된 공기가 바닥에서 취출되는 경우에 대한 냉방용량을 기준으로 하여 계산되었다.
설계 단계에서 공기 온도의 성층화(공기가 상하로 섞이지 않아 그 온도 차이가 큰 상태)는 냉방빔 에서 냉각된 공기가 거주 공간으로 하강하면서 생성되는 찬 공기 기등에 의해 큰 영향을 받지 않을 것으로 예상되었다. 또한 설계팀은 냉방빔으로부터 생성된 공기가 바닥에 설치된 공기 확산장치의 공기 공급 유동에 부정적인 영향을 미치지 않을 것이라 추정하였다. 이러한 두 믿음은 전산유체해석을 통해 확인되어 틀림없을 것이라 여겨졌다.

제안 방법

미국 Kentucky 주에 소재하는 한 콜센터(call center: 고객의 전화 통화를 조직적으로 처리하는 컴퓨터 자동화가 되어 있는 중추적인 장소)를 위한 설계팀은 최적의 HVAC 방법으로 자연냉각방식이결합된 바닥취출공조(underfloor air-distribution (UFAD)) 시스템을 결정하였다. 몇 가지 선택 가능한 방법 중 설계팀은 수동형 냉방빔(passive chilled beams) 이 결합된 바닥취출공조 방식을 최종 선정하였다.
시스템을 결정하였다. 몇 가지 선택 가능한 방법 중 설계팀은 수동형 냉방빔(passive chilled beams) 이 결합된 바닥취출공조 방식을 최종 선정하였다. 이를 통해 전력소모와 천연가스 소비량을 각각 41%와 24% 절감하였으며, 처음에 고려되었던 프로젝트에 대해 혁신적인 방법으로 접근할 수 있었다.
것을 요구하였다. 설계 요소는 LEED (the Leadership in Design and Environmental Design, 미국 녹색건축협회(USGBC)에서 지정한 녹색건축물 등급 판정 시스템) 인증과 직원과 기능적 공간을 위한 최적화된 유연성을 포함하였다. 또한 새 설비는 모든 사무실에 컴퓨터나 통신 장비의 케이블을 위해 원래의 바닥위에 일정 높이의 공간을 두어 바닥을 하나 더 만든 액세스 플로어와 바닥 취출 공조를 요구하여 미래에 있을 직원의 사무공간 배열을 수용할 수 있는 유연성을 제공하도록 하였다.
설계 요소는 LEED (the Leadership in Design and Environmental Design, 미국 녹색건축협회(USGBC)에서 지정한 녹색건축물 등급 판정 시스템) 인증과 직원과 기능적 공간을 위한 최적화된 유연성을 포함하였다. 또한 새 설비는 모든 사무실에 컴퓨터나 통신 장비의 케이블을 위해 원래의 바닥위에 일정 높이의 공간을 두어 바닥을 하나 더 만든 액세스 플로어와 바닥 취출 공조를 요구하여 미래에 있을 직원의 사무공간 배열을 수용할 수 있는 유연성을 제공하도록 하였다.
설계팀은 제안된 설비를 위해 냉방 및 난방 부하계산을 실행하였다. 계산에 관련되는 모든 건물과 거주할 사람에 관한 특성이 고려되었고, 부하계산을 위해 표준화된 컴퓨터 모델링 프로그램이 사용되었다.
실행하였다. 계산에 관련되는 모든 건물과 거주할 사람에 관한 특성이 고려되었고, 부하계산을 위해 표준화된 컴퓨터 모델링 프로그램이 사용되었다. 처음 이 설계가 실행단계에 있었던 2006 년 초반에는 바닥취출공조 방식을 위한 검증된 컴퓨터 모델이 존재하지 않았고, 또한 냉방빔(chilled beam] 설치된 경우에 대한 모델역시 없었다.
처음 이 설계가 실행단계에 있었던 2006 년 초반에는 바닥취출공조 방식을 위한 검증된 컴퓨터 모델이 존재하지 않았고, 또한 냉방빔(chilled beam] 설치된 경우에 대한 모델역시 없었다. 안전도 높은 공학적 판단을 통해, 설계팀은 열부하 계산을 거주 지역(거주자, 컴퓨터, 그리고 외벽/창을 통한 투과량/바닥에서 그 위의 2 m 부분까지 영향을 주는 태양 에너지 부하)과 비거주 지역(조명과 외벽/창을 통한 투과량/2 m 이상 3 m 천장까지의 태양 에너지 부하)으로 나누어 고려하는 방법을 사용하였다. 이 데이터는 중앙 냉각 플랜트와 보일러의 크기를 결정하는데 이용되었다.
건물의 부하와 중앙 설비 용량이 결정된 후, 설계팀은 공기조화 장치의 선택과 크기 결정에 접근하였다. 공간 요구사항과 전체 설비 설계 사항은 주 공기조화 장치가 건물의 옥상에 위치해 있어야 하며 흡기 및 배기 덕트와 파이프를 위해 수직으로 위치해 있어야 한다는 것을 요구하였다.
공간 요구사항과 전체 설비 설계 사항은 주 공기조화 장치가 건물의 옥상에 위치해 있어야 하며 흡기 및 배기 덕트와 파이프를 위해 수직으로 위치해 있어야 한다는 것을 요구하였다. 설계팀은 가능한 시스템 해결방법을 브레인스토밍 하였고, 이를 통해 수직방향의 공기 유동을 위한 바닥 공간을 최소화하고 사용 가능한 바닥 면적을 최대화 하는 방법을 생각하였다.
이 방법을 사용하게 되면 냉방 모드의 경우 중앙 설비로부터 공기의 공급이 불필요하게 된다. 설계팀은 최적의 수동형 냉방 장치를 결정하기 위해 혁신적 이고 높은 에너지 효율에 특히 중점을 두어 많은 기술에 대한 검토를 실시하였다. 검토 결과 바닥 취출 공조 방식과 결합될 수 있는 방법으로 천장 복사냉방(radiant cooled ceiling)과 냉방빔 (chilled beams)0] 제시되었다.
보조 냉방 시스템의 적용은 공기를 공급하고 되돌리는데 필요한 팬의 용량감소와 바닥의 공기 확산 장치의 수량을 줄이는 것을 가능하도록 하였다. 이는 상당한 설치비용의 감소를 의미하며, 특히 거주자의 안락함을 위해 고가의 자동, 저소음 공기 확산 장치를 사용하기로 한 본 프로젝트에서는 비용 감소가 더욱 두드러졌다.
초기 냉방 시스템의 개략도와 크기를 결정한 후, 설계팀은 제안된 시스템에 대한 전산유체역학 (CFD) 해석을 실시하였다. 전체적인 전산 유체해석은 제시된 설계에서 거주 공간에 대한 공기 섞임의 완벽성, 공기의 원활한 흐름, 그리고 공기가 유입되어 되돌아가는데 까지 공기가 실내에 머무르는 시간 등을 평가하기 위해 실시되었다.
아직 냉방빔이 미국에서 널리 사용되지 않기 때문에, 많은 HVAC 시공사들은 냉방빔 설치에 대한 요구사항들에 익숙하지 않다. 입찰과 시공 과정에서 불필요한 어 려움을해소하기 위해, 설계팀은 냉방빔 시스템의 실물 모형을 제작하여 입찰에 응하는 HVAC 시공사들에게모형을 보내 실제 시스템을 살펴보고, 그 구조와 설치에 관한 지식을 습득하도록 하였다. 이를 통해, 시공 계약자의 냉방빔 시스템에 대한 비관적 시각이나 익숙하지 않다는 것에 기인하는 지나치게 높은 입찰가격을 예방할 수 있었고, 예상에 거의 일치하는 입찰가격을 이끌어낼 수 있었다.
제시된 방법은 거주 공간을 위해 수동형 냉방 장치가 연결된 바닥취출공조 방식을 사용하는 것이었다. 이 방법을 사용하게 되면 냉방 모드의 경우 중앙 설비로부터 공기의 공급이 불필요하게 된다.

대상 데이터

안전도 높은 공학적 판단을 통해, 설계팀은 열부하 계산을 거주 지역(거주자, 컴퓨터, 그리고 외벽/창을 통한 투과량/바닥에서 그 위의 2 m 부분까지 영향을 주는 태양 에너지 부하)과 비거주 지역(조명과 외벽/창을 통한 투과량/2 m 이상 3 m 천장까지의 태양 에너지 부하)으로 나누어 고려하는 방법을 사용하였다. 이 데이터는 중앙 냉각 플랜트와 보일러의 크기를 결정하는데 이용되었다. 플랜트의 설계에는 냉각수 및 온수를 위한(N+1)의 여유 용량이 고려되었다.

성능/효과

몇 가지 선택 가능한 방법 중 설계팀은 수동형 냉방빔(passive chilled beams) 이 결합된 바닥취출공조 방식을 최종 선정하였다. 이를 통해 전력소모와 천연가스 소비량을 각각 41%와 24% 절감하였으며, 처음에 고려되었던 프로젝트에 대해 혁신적인 방법으로 접근할 수 있었다.
Kentuckey 프로젝트를 위한 종합계획은 현재 있는 대학 캠퍼스 내에 2, 200명의 직원에게 공간을 제공할 수 있는 34, 932 nf의 면적을 가진 건물을 건설할 것을 요구하였다. 설계 요소는 LEED (the Leadership in Design and Environmental Design, 미국 녹색건축협회(USGBC)에서 지정한 녹색건축물 등급 판정 시스템) 인증과 직원과 기능적 공간을 위한 최적화된 유연성을 포함하였다.
설계팀은 최적의 수동형 냉방 장치를 결정하기 위해 혁신적 이고 높은 에너지 효율에 특히 중점을 두어 많은 기술에 대한 검토를 실시하였다. 검토 결과 바닥 취출 공조 방식과 결합될 수 있는 방법으로 천장 복사냉방(radiant cooled ceiling)과 냉방빔 (chilled beams)0] 제시되었다.
냉방용량과 냉방부하가 차이가 생기는 경우 수동형 냉방빔에 의해 초과된 냉방부하가 처리될 수 있다. 최종적인 계산 결과는 공기를 처리하는 장치, 팬의 용량, 덕트 설치를 위한 작업, 바닥에 설치된 공기 확산장치의 수량, 수동형 냉방 빔의 수량을 고려할 때 약 40% 외기의 유입이 가장 적절하다는 것을 보여주었다. 사용 가능한 냉방 빔은 건물의 외벽에 대해 수직으로 설치되어야 하며, 거주자의 작업 공간보다 위에 위치해야 할 것을 요구하였다.
7℃로 덕트를 사용하는 시스템에서 공급하는 통상적인 공기의 건구온도인 1280보다 높다. 또한 본 프로젝트에서 요구하는 제습 효과를 만족하기 위해서는 실내 조건보다 약 0.003 kgw/kga 정도 낮은 상대습도를 갖는 공기를 공급해야 했다. 결과적으로 공급공기를 재가열 하는 방법이 필요하였다.
또한 환기 유효성과 거주자의 만족도 등도 계산에 포함되었다. 환기 분석을 통해 제시된 설계안이 설계 요구 조건을 만족한다는 것을 보여주었다. 전산 유체역학을 이용한 해석으로부터 몇 가지 설계 개선사항이 제시되었는데 되돌아가는 공기의 유로에 대한 단면적을 약간 더 확대하라는 것과, 바닥 부분에 뜨거운 공기가 모이는 공간을 없애기 위해 몇 개의 공기 확산장치를 추가적으로 설치하라는 것이었다.
입찰과 시공 과정에서 불필요한 어 려움을해소하기 위해, 설계팀은 냉방빔 시스템의 실물 모형을 제작하여 입찰에 응하는 HVAC 시공사들에게모형을 보내 실제 시스템을 살펴보고, 그 구조와 설치에 관한 지식을 습득하도록 하였다. 이를 통해, 시공 계약자의 냉방빔 시스템에 대한 비관적 시각이나 익숙하지 않다는 것에 기인하는 지나치게 높은 입찰가격을 예방할 수 있었고, 예상에 거의 일치하는 입찰가격을 이끌어낼 수 있었다. 결과적으로 선택된 HVAC 시공회사는 시스템을 계획하였던 예산 이내에서 공기를 맞추어 시공완료 하였다.
이를 통해, 시공 계약자의 냉방빔 시스템에 대한 비관적 시각이나 익숙하지 않다는 것에 기인하는 지나치게 높은 입찰가격을 예방할 수 있었고, 예상에 거의 일치하는 입찰가격을 이끌어낼 수 있었다. 결과적으로 선택된 HVAC 시공회사는 시스템을 계획하였던 예산 이내에서 공기를 맞추어 시공완료 하였다.
본 프로젝트의 설계, 시공 및 운전을 통하여 많은 것을 배울 수 있었다. 설계 단계에서 공기 온도의 성층화(공기가 상하로 섞이지 않아 그 온도 차이가 큰 상태)는 냉방빔 에서 냉각된 공기가 거주 공간으로 하강하면서 생성되는 찬 공기 기등에 의해 큰 영향을 받지 않을 것으로 예상되었다.
이러한 현상은 제습과 재가열 과정을 어 렵게 만드는 요인이 되었다. 이러한 문제를 좀 더 분석해 본 결과, 실내의 공기를 되돌리기 위해 천장에 설치된 개구부 근처에 위치하는 냉방빔 근처에서는 공기의 흐름이 예상과 반대 방향으로 일어나고 있음이 확인되었다. 그 결과 차가운 공기는 아래로 내려오지 않고 되돌아가는 공기에 섞여 그 온도가 예상보다 낮았던 것이었다.
이러한 조건의 냉방 빔은 유동이 아래 방향으로 막혀 있는 것과 다르지 않았다. 결론적으로 매우 신중하게 시행하였던 전산 유체해석은 언제나 완벽하게 실제 유동을 예상하지 못했으며, 특히 이전에 시도되거나 시험 된 적이 없는 혁신적인 방법을 적용하는 경우에는 더욱 그러하였다. 다행스럽게도 적절하게 작동하고 있는 냉방빔은 바닥에 설치된 공기 확산장치의 성능에 부정적인 영향을 주지 않은 것으로 보였다.
결론적으로 매우 신중하게 시행하였던 전산 유체해석은 언제나 완벽하게 실제 유동을 예상하지 못했으며, 특히 이전에 시도되거나 시험 된 적이 없는 혁신적인 방법을 적용하는 경우에는 더욱 그러하였다. 다행스럽게도 적절하게 작동하고 있는 냉방빔은 바닥에 설치된 공기 확산장치의 성능에 부정적인 영향을 주지 않은 것으로 보였다. 사실, 거주자가 느끼는 쾌적도는 설계팀에 예상하였던 것 이상이었다.
사실을 이해하는 것이 매우 중요하다. 본 프로젝트에 반영된 혁신적인 공기측 시스템은 기존에 존재하는 바닥취출공조, 수동형 냉방빔, 수냉식 냉방 시스템, 공조기를 사용한 되돌아오는 공기를 우회시키는 기술을 모두 혼합한 형태로, 건물의 실내 조건을 만족하기 위한 소요 에너지를 현저히 줄여주었으며, 거주자에게 우수한 쾌적도를 제공하였다.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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