[논문]CFD 해석을 통한 하이브리드 공조시스템의 인체 온열감의 불균일성에 관한 연구

남유진; 성민기; 송두삼

doi:10.6110/kjacr.2011.23.3.216

CFD 해석을 통한 하이브리드 공조시스템의 인체 온열감의 불균일성에 관한 연구
Study on Non-uniform Thermal Comfort in Hybrid Air-Conditioning System with CFD Analysis 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.23 no.3, 2011년, pp.216 - 222

남유진 (청주대학교 건축공학과) , 성민기 (동경대학교 생산기술연구소) , 송두삼 (성균관대학교 건축공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, hybrid air-conditioning system has been proposed and applied to achieve building energy saving. One example is a system combining radiation panel with natural wind-induced cross-ventilation. However, few research works have been conducted on the non-uniformity of thermal comfort in such hybrid air-conditioning system. In this paper, both thermal environment and non-uniform thermal comfort of human thermal model under various air-conditioning system, including hybrid system, were evaluated in a typical office room using coupled simulation of computation fluid dynamics, radiation model and a human thermal model. The non-uniformity of thermal comfort was evaluated from the deviation of surface temperature of human thermal model. Flow fields and temperature distribution in each case were represented.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 복사해석을 연성한 CFD 해석을 통해, 각 공조방식 별 인체모델의 온열감 및 각 부위별 온열감의 불균성에 대해 검토하였다. CFD 해석 결과에 기초하여, 인체모델의 PMV치를 산출한결과, 복사패널과 공기식 공조방식을 병용한 방식에서의 인체모델 평균 PMV가 0.
본 연구에서는 자연환기와 복사냉방을 병용하는 하이브리드 공조를 포함한 몇 가지 공조시스템을 대상으로 복사 열전달 모델을 접목한 CFD 시뮬레이션을 통해 각각의 공조시스템에 의해 형성되는 온도분포 특성, 그에 따른 인체 온열감의 불균일성에 대해서 검토하고자 한다.
본 연구에서는 표준 k-ε 모델을 사용한 3차원 CFD 해석과 Monte Carlo법 및 Gebhart의 흡수계수법을 사용한 복사열전달 해석을 통해 대상 공조시스템의 열적 쾌적성을 검토하였다.

제안 방법

Hao et al.⁽²⁾은 천장에 부착된 복사 패널과 자연통풍, 그리고 데시 칸트 공조를 동시에 결합한 시스템을 대상으로 실내공기질과 에너지 효율 개선효과를 평가하였다. 또한, Song⁽³⁾과 Kato⁽⁴⁾는 거실 공간에 있어서 온도 성층의 존재에 착안하여, 자연통풍과 복사냉방 패널을 조합한 하이브리드 공조시스템을 제안하고, 대류ㆍ복사 연성된 CFD(Computational Fluid Dynamics) 시뮬레이션 및 실증실험을 통해, 제안된 시스템의 실내 온열환경 제어 특성, 에너지절감 효과 등을 검토하였다.
Sakoi et al.⁽⁵⁾은 대부분의 공조시스템이 불균일한 온도분포가 형성되며 이로 인해 재실자의 열적 불쾌감을 유발할 수 있다는 점에 착안하여, 피험자 실험 및 Thermal Mannequin 실험을 통해 불균일한 온열 환경하에서의 인체 온열감 평가법을 도출하였다.
3에서 보여주는 것과 같이 네 종류의 공조 방식을 대상으로 하여 비교 해석을 실시하였다. Case 1은 기존 전공기방식의 공조방식으로 천장면에 각각 두 개의 취출구와 흡입구를 설정 하였다. Case 2는 바닥취출 공조방식으로 바닥면에 5개의 급기구로부터 취출된 공기가 천장면의 4개의 배기구로 배기된다.
8은 각 부위별 PMV 평가를 위해 분할한 인체모델의 영역이다. PMV 계산을 위한 대사율 (met치) 및 착의량(clo치)은 각각 1.2, 0.5로 설정하고, PMV는 ISO-7730에 근거하여 산출하였다.
PMV 를 추정하기 위해서 실내에 배치한 인체 모델은 0.5 m×0.3 m×0.9 m의 크기의 발열체(120 W)로 설정하였고, 인체의 국소적 온냉감을 평가하기 위해 표면을 14영역으로 분할하였다.
공조 방식의 차이에 따른 인체의 열쾌적성의 불균일 특성을 검토하기 위해 본 연구에서는 인체모델 표면을 14개의 영역으로 분할하고, CFD 해석 결과를 바탕으로 인체모델 각 영영별 PMV를 계산하였다. Fig.
급기구 온도와 풍속 및 복사 냉방 패널의 온도는 종래의 공조설계에서와 같이 실내 평균 온도를 26℃로 일정하게 제어하기 위해서 요구되는 열부하 제거량으로부터 산출되었다. 본 계산에서는 습기 계산의 효율성을 위해, 실내 설계 온습도(온도 26℃, 상대습도 50%)에 대한 절대습도를 취출구의 절대습도와 같게 하여, 결로가 생기지 않는 최저 온도를 취출구 온도로 설정하였다. 식(1)과 식(2)는 공조기 및 복사 패널의 투입열량의 계산식 (6)을 각각 나타낸다
파티션형 복사패널(8.0 m×1.2 m)과 책상(8.0 m×0.7 m) 을 실내에 배치하고, 책상 위에는 발열체로서 컴퓨터(0.5 m×0.5 m)를 배치하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 Fig. 3에서 보여주는 것과 같이 네 종류의 공조 방식을 대상으로 하여 비교 해석을 실시하였다. Case 1은 기존 전공기방식의 공조방식으로 천장면에 각각 두 개의 취출구와 흡입구를 설정 하였다.
크기는 10.8 m×1.8 m×2.6 m이며, 폭은 대칭 경간의 3.6 m 모듈의 반으로 설정하였다.

성능/효과

본 연구에서는 복사해석을 연성한 CFD 해석을 통해, 각 공조방식 별 인체모델의 온열감 및 각 부위별 온열감의 불균성에 대해 검토하였다. CFD 해석 결과에 기초하여, 인체모델의 PMV치를 산출한결과, 복사패널과 공기식 공조방식을 병용한 방식에서의 인체모델 평균 PMV가 0.43으로 가장 낮아 열적 쾌적성이 가장 우수한 것으로 나타났다. 하지만, 인체모델 부위별 PMV를 평가한 결과, 복사냉방 패널을 병용한 하이브리드 공조시스템이 기존 공기식 공조방식에 비해 인체 전체의 평균적인 온열감은 향상 시킬 수 있으나, 복사패널 및 발열체의 위치나 표면 온도 등에 따라, 각 부위별 열적 불균일성은 다소 높아짐을 정량적으로 확인하였다.
88이다. 검토한 4가지 공조방식 중에서 공기 냉방 방식을 취하고 있는 Case 1과 Case 2의 PMV치가 높게 나타났다. 그러나 표준편차는 Case 1이 검토한 케이스 중에서는 가장 낮아, 인체모델의 각 부위별 온열감의 차이가 가장 적다고 할 수 있다.
또한 자연환기와 복사패널을 병용한 방식에서는 인체모델 주변의 공기 온도가 30.2°C로 비교적 높음에도 불구하고 복사패널과의 열교환을 통해 상대적으로 낮은 PMV(1.48) 를 얻을 수 있음을 알 수 있었다.
모든 케이스에서 각 부위별 열쾌적성에 차이가 발생함을 알 수 있다. 또한, 모든 케이스에서 인체모델의 좌측부위의 PMV치가 우측보다 높게 나타남을 알 수 있는데, 인체 좌측 전방에 위치한 컴퓨터 및 창으로부터의 복사의 영향에 의한 것으로 판단된다.
43으로 가장 낮아 열적 쾌적성이 가장 우수한 것으로 나타났다. 하지만, 인체모델 부위별 PMV를 평가한 결과, 복사냉방 패널을 병용한 하이브리드 공조시스템이 기존 공기식 공조방식에 비해 인체 전체의 평균적인 온열감은 향상 시킬 수 있으나, 복사패널 및 발열체의 위치나 표면 온도 등에 따라, 각 부위별 열적 불균일성은 다소 높아짐을 정량적으로 확인하였다. 또한 자연환기와 복사패널을 병용한 방식에서는 인체모델 주변의 공기 온도가 30.

후속연구

48) 를 얻을 수 있음을 알 수 있었다. 향후, 인체 온열생리모델 및 공조 제어모델을 조합한 수치해석을 실시하여, 공조 소요에너지량과 인체 쾌적성과의 관련성에 대해 상세히 검토할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	인체 부위별 온열감의 분포가 발생하는 이유는 무엇인가?	그러나 이러한 연구들은 실내 온열환경 평가에 있어서, 평형 상태에 있는 인체와 주변 환경과의 열수지로부터 대표점 한 점 또는 인체 모델 전체에 대한 평균적인 PMV(Predicted Mean Vote)를 기준으로 하고 있다. 하지만, 일반적으로 인체는 부위마다 피부표면의 온도와 현열 수지량이 달라, 인체 부위별 온열감의 분포가 발생한다. Sakoi et al.
	바닥취출 공조방식은 어떻게 배기되는가?	Case 1은 기존 전공기방식의 공조방식으로 천장면에 각각 두 개의 취출구와 흡입구를 설정 하였다. Case 2는 바닥취출 공조방식으로 바닥면에 5개의 급기구로부터 취출된 공기가 천장면의 4개의 배기구로 배기된다. Case 3과 Case 4는 복사 패널 병용 형태의 하이브리드 공조시스템을 도입한 방식으로, Case 3은 Case 2와 같은 급배기 방식에 복사 패널을 추가한 형태이다.
	건축분야의 고효율의 에너지 성능을 가진 다양한 공조시스템이 만족 시키지 않으면 안되는 것은 무엇인가?	최근 건축분야에서 건물 에너지 절감이 화두가 되고 있는 가운데, 고효율의 에너지 성능을 가진 다양한 공조시스템이 개발되고 있다.(1) 그러나 이러한 시스템은 에너지 절약 성능과 더불어 공조시스템 본연의 역할인 실내 거주자의 열적 쾌적성을 만족 시키지 않으면 안 된다. 이 두 가지 측면을 동시에 만족시키기 위해 다양한 시스템을 조합한 하이브리드 공조시스템이 제안되고 있다.

참고문헌 (10)

IPCC Fourth Assessment Report, International Panel on Climate Change, 2007(http://www.ipcc.ch/ipccreports/ar4-syr.htm).
Hao, X. and Zhang, G. et al., 2007, A combined system of chilled ceiling, displacement ventilation and desiccant dehumidification, Building and Environment, Vol. 42, pp. 3298-3308.

상세보기
Song, D., Kato, S. et al., 2002, Study on crossventilation with radiational panel cooling for hot and humid regions, ASHRAE Transactions, Vol. 21, pp. 1-6.
Kato, S., Murakami, S. and Chang, H. et al., 1999, Hybrid air-conditioning based on natural and mechanical ventilation in office buildings, Indoor Air 99.
Sakoi, T. et al., 2006, Study on Evaluation Method for Non-uniform Thermal Environment : Part 1-Human Subject Experiments under Non-uniform Radiant Fields, Transaction of Society of Heating, Air-Conditioning and Sanitary Engineers of Japan, Vol. 112, pp. 23-32 (Japanese).
Ma, S. and Sunaga, N., 2005, An Experimental Study on the Thermal Performance of Ceiling Radiant Cooling by Water Flow on Roof : Study on the Roof Water Flow Radiant Cooling System Part 1, Journal of Environmental Engineering (Transactions of AIJ) Vol. 590, pp. 29-35
ASHRAE HANDBOOK, 1993, Fundamentals, Chapter 8, Physiological Principles and thermal comfort.
Murakami, S. and Kato, S. et al., 2001, Indoor climate design based on CFD Coupled simulation of convection, radiation, and HVAC control for attaining a given PMV value, Building and Environment, Vol. 36, pp. 701-709.

상세보기
Omori T., Taniguchi H. and Kudo K., 1990, Monte-Carlo simulation of indoor radiant environment, International Journal for Numerical Methods in Engineering, Vol. 30, No. 4, pp. 615-628.

상세보기
Kim, T. and Kato, S. et al., 2001, Indoor cooling/ heating load analysis based on coupled simulation of convection, radiation and HVAC control, Building and Environment, Vol. 36, pp. 900-908.

저자의 다른 논문 :

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증