최근 기후변화에 따른 이상 기상현상이 증가하고 있는데, 특히 동절기의 혹한은 승객의 열적 쾌적성을 크게 저하할 우려가 있다. 이에 본 연구에서는 철도차량 실대형 환경챔버를 이용하여 저온 조건에서 철도차량의 난방장치 가동시 객실 내부의 온도변화 및 분포를 알아보았다. 실험결과 난방시스템 가동 직후에는 객실 내부온도가 급격하게 증가하였으나, 일정 시간 경과 후에는 더 이상 증가하지 않았으며, 객실의 위쪽이 아래쪽보다 온도가 더 높게 나타났다. 이러한 결과들을 통해 승객의 온열 쾌적감 저하를 최소화할 수 있는 방안을 제시하고자 하였다.
최근 기후변화에 따른 이상 기상현상이 증가하고 있는데, 특히 동절기의 혹한은 승객의 열적 쾌적성을 크게 저하할 우려가 있다. 이에 본 연구에서는 철도차량 실대형 환경챔버를 이용하여 저온 조건에서 철도차량의 난방장치 가동시 객실 내부의 온도변화 및 분포를 알아보았다. 실험결과 난방시스템 가동 직후에는 객실 내부온도가 급격하게 증가하였으나, 일정 시간 경과 후에는 더 이상 증가하지 않았으며, 객실의 위쪽이 아래쪽보다 온도가 더 높게 나타났다. 이러한 결과들을 통해 승객의 온열 쾌적감 저하를 최소화할 수 있는 방안을 제시하고자 하였다.
Abnormal climate or weather is more frequently reported nowadays due to the global climate change. Especially, extremely low temperature in winter season may cause bad thermal discomfort of passengers. In this study, the effect of car heating modes on cabin temperature change and distribution was st...
Abnormal climate or weather is more frequently reported nowadays due to the global climate change. Especially, extremely low temperature in winter season may cause bad thermal discomfort of passengers. In this study, the effect of car heating modes on cabin temperature change and distribution was studied by using a real-scale environmental chamber for passenger cabin. It was found that the cabin temperature rose quickly at the initial stage of heating system operation, but it stopped increasing after certain point. And, temperature was higher when the height from the floor was higher. Based on the obtained result, the way to minimize the decrease of passengers' thermal comfort was suggested.
Abnormal climate or weather is more frequently reported nowadays due to the global climate change. Especially, extremely low temperature in winter season may cause bad thermal discomfort of passengers. In this study, the effect of car heating modes on cabin temperature change and distribution was studied by using a real-scale environmental chamber for passenger cabin. It was found that the cabin temperature rose quickly at the initial stage of heating system operation, but it stopped increasing after certain point. And, temperature was higher when the height from the floor was higher. Based on the obtained result, the way to minimize the decrease of passengers' thermal comfort was suggested.
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문제 정의
이에 본 연구에서는 다양한 기후 환경 조건을 인위적으로 구현할 수 있는 철도차량 실대형 환경챔버를 이용하여 저온 조건에서 철도차량의 난방 장치 가동시 객실 내부의 온도변화 및 분포를 알아 보았다. 또한, 얻어진 결과의 분석을 통해 승객의 온열 쾌적감 저하를 최소화할 수 있는 방안을 제시하고자 하였다.
이에 본 연구에서는 다양한 기후 환경 조건을 인위적으로 구현할 수 있는 철도차량 실대형 환경챔버를 이용하여 저온 조건에서 철도차량의 난방 장치 가동시 객실 내부의 온도변화 및 분포를 알아 보았다. 또한, 얻어진 결과의 분석을 통해 승객의 온열 쾌적감 저하를 최소화할 수 있는 방안을 제시하고자 하였다.
제안 방법
-20℃ 의 저온에서 철도차량 객실의 난방장치를 가동할 때 난방장치의 출력에 따른 객실 내부 온도 변화 및 온도 분포를 알아보았다. 실험결과, 난방장치를 가동하기 시작한 처음에는 객실 내부의 온도가 급격하게 증가하였으나, 점차 온도 상승률이 감소하여 일정 시간 경과 후에는 온도가 더 이상 증가하지 않고 일정하게 유지하는 것을 볼 수 있었다.
객실 내부의 온도분포를 수직적, 수평적 평면에서의 위치에 따라 분석하였다. 우선 수직적 평면으로 높이에 따른 온도분포를 알아보았다.
이렇게 충분히 평형상태에 이르게 되면, 실험차량의 모든 출입문을 닫고, 차량에 전원을 공급하여 실험차량의 난방장치 및 조명장치를 가동하였다. 난방장치의 출력은 350W 모드, 700W 모드, 1,050W 모드 등의 세 가지 모드로 설정하여 각각의 조건에서 객실 내부의 온도변화를 측정 및 저장하였다. 이러한 온도 측정은 실험차량 객실 내부의 평균온도 변화가 한 시간 동안 0.
7m 높이에 3지점)와 위치(앞 부분에 5지점, 중간 부분에 5지점, 뒷 부분에 5지점)에 따른 온도분포 변화를 모니터링 할 수 있도록 하였다. 또한 실험차량 객실의 외부에도 마찬가지로 Fig. 4와 같이 EN14750-2 규격에 따라 온도센서를 설치하여 실험차량의 외기온도, 즉 환경챔버의 온도를 측정할 수 있도록 하였다. 온도센서를 통해 측정된 온도는 데이터 로거(Data logger, Graphtec GL 800, Japan)를 이용하여 실험 종료 시까지 매 10초 간격으로 지속적으로 측정 및 저장되도록 하였다.
1과 같은 서울메트로 3호선 광폭형 전동열차(1984년, 대우중공업 제작)였다. 시험차량에는 3상 200V 교류 전력을 난방용 전력으로 공급하고, 100V 직류 전력을 제어 전력으로 공급하도록 하였다. 이 때 차량의 난방 및 조명장치에서 사용한 전력은 3상 전력분석기(Fluke 1735, USA)를 이용하여 전압과 전류를 측정하여 계산하였다.
실험 방법은 기본적으로 유럽의 철도차량 기후 환경 시험 규격인 EN 14750-1[17]과 EN 14750-2[18]에서 제시한 철도차량의 난방성능 시험 방법에 따라 수행하였다. 실험 차량을 철도차량 실대형 환경챔버에 위치한 후에 Fig. 3과 같이 EN 14750-2 규격에 따라 실험차량 객실 내부의 15개 지점에 온도센서로 T 타입의 열전대(PMC, USA)를 설치하여 높이(0.1m 높이에 3지점, 1.1m 높이에 9지점, 1.7m 높이에 3지점)와 위치(앞 부분에 5지점, 중간 부분에 5지점, 뒷 부분에 5지점)에 따른 온도분포 변화를 모니터링 할 수 있도록 하였다. 또한 실험차량 객실의 외부에도 마찬가지로 Fig.
4와 같이 EN14750-2 규격에 따라 온도센서를 설치하여 실험차량의 외기온도, 즉 환경챔버의 온도를 측정할 수 있도록 하였다. 온도센서를 통해 측정된 온도는 데이터 로거(Data logger, Graphtec GL 800, Japan)를 이용하여 실험 종료 시까지 매 10초 간격으로 지속적으로 측정 및 저장되도록 하였다.
객실 내부의 온도분포를 수직적, 수평적 평면에서의 위치에 따라 분석하였다. 우선 수직적 평면으로 높이에 따른 온도분포를 알아보았다. Fig.
실험차량 내부와 외부의 온도측정을 위한 온도센서의 설치가 완료된 후 실험차량이 있는 환경챔버의 온도를 -20℃의 저온으로 일정하게 유지하였다. 이 때 시험차량의 모든 전원을 차단하여 시험차량에 일체의 난방에너지 공급이 불가능하도록 하였고, 또한 차량의 출입문을 열어둔 채로 12시간 이상 유지하여 객실 내부와 외부의 온도가 모두 -20℃의 평형상태에 도달하도록 하였다. 이는 EN 14750-1,2 등의 시험규격에 나타난 바와 같이 실제로 차량 운행을 시작하기 전에 혹한의 외기에 방치한 상태를 모사하기 위함이다.
시험차량에는 3상 200V 교류 전력을 난방용 전력으로 공급하고, 100V 직류 전력을 제어 전력으로 공급하도록 하였다. 이 때 차량의 난방 및 조명장치에서 사용한 전력은 3상 전력분석기(Fluke 1735, USA)를 이용하여 전압과 전류를 측정하여 계산하였다. 실험차량의 난방장치는 승객용 의자 하단부에 설치되어 있으며, 난방장치의 출력은 운전실에서 350W 모드, 700W 모드, 1050W 모드의 세가지 모드로 설정할 수 있도록 되어 있다.
대상 데이터
또한, 본 실험에서는 철도차량의 저온시험(최저 -40℃), 고온시험(최고 +60℃) 저습시험(상대습도 최저 5%), 고습시험(상대습도 최고 95%) 태양광복사시험(최대 1,200W/m2), 저속풍동시험(0~15km/h) 등이 가능한 Fig. 2와 같은 실대형 환경챔버를 이용하였다[6,7]. 본 환경챔버는 철도차량 완성차의 냉난방 성능시험 관련규격인 UIC 553[13], 553-1[14], EN 13129-1[15], EN 13129-2[16], EN 14750-1[17], EN 14750-2[18], EN 14813-1[19], EN 14813-2[20] 등의 규격시험 수행이 가능하다.
본 실험에서 사용한 실험차량은 수도권 전동차로 Fig. 1과 같은 서울메트로 3호선 광폭형 전동열차(1984년, 대우중공업 제작)였다. 시험차량에는 3상 200V 교류 전력을 난방용 전력으로 공급하고, 100V 직류 전력을 제어 전력으로 공급하도록 하였다.
이론/모형
실험 방법은 기본적으로 유럽의 철도차량 기후 환경 시험 규격인 EN 14750-1[17]과 EN 14750-2[18]에서 제시한 철도차량의 난방성능 시험 방법에 따라 수행하였다. 실험 차량을 철도차량 실대형 환경챔버에 위치한 후에 Fig.
성능/효과
1m 높이 지점에서의 온도 차이를 나타낸 것이다. 각 높이 지점에서의 온도 차이는 시간이 갈수록 증가하였는데, 초기 6시간 정도만 증가한 후 그 이후로는 거의 일정하게 나타나는 것을 볼 수 있었다. 이는 평균 온도의 변화 양상과도 거의 동일한 경향인데, 6시간 경과 후에는 객실 내부의 평균온도가 거의 변화하지 않기 때문에 온도 차이도 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.
객실 평균 온도 변화에 대한 실험결과, 실험차량의 난방장치 가동을 시작함과 동시에 객실 내부의 모든 지점에서 온도가 서서히 상승하기 시작하였다. 난방장치 가동 전에는 객실 내부의 온도가 -20℃ 였으나, 난방장치를 가동하자 객실 내부의 평균 온도가 Fig.
유사하게 전류를 측정하여 실제로 차량에 공급되는 에너지를 계산하여 Table 1에 같이 나타냈다. 계산결과 조명장치를 켠 경우가 조명장치를 끈 경우에 비하여 항상 약 500~600W 가량의 전력을 더 사용함을 알 수 있었다. 이렇게 조명장치에 의하여 소모되는 에너지는 난방장치가 최대로 가동되는 1,050W 모드에서는 전체 에너지의 4.
수평적으로는 객실 중간 부분이 앞 부분이나 뒤 부분보다 약간 더 온도가 높은 것으로 나타났는데, 이는 앞 부분이나 뒤 부분의 경우 운전실 및 복도 등을 통하여 열손실이 더 많이 발생하기 때문인 것으로 보인다. 그러나, 그 차이는 0.5 K 이내로 나타나 수평적 분포도는 비교적 우수함을 알 수 있었다.
이는 평균 온도의 변화 양상과도 거의 동일한 경향인데, 6시간 경과 후에는 객실 내부의 평균온도가 거의 변화하지 않기 때문에 온도 차이도 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. 그러나, 난방장치의 출력이 커질수록 높이에 따른 온도 차이는 급격하게 증가하는 것으로 나타났다. 350W 모드에서는 최대 온도 차이가 4.
그러나, 본 실험결과 수직적 온도분포는 가장 좋은 경우도 4.9K에 이를 정도로 온도 차이가 크게 나타나, 승객의 열적 쾌적성은 크게 떨어지는 것으로 나타났다.
6배 이상 높게 나타났다. 동일한 외기온도 조건에서 온도변화율은 난방장치의 출력과 비례할 것으로 예상되었으나, 실제 측정된 결과에서는 정비례하지는 않는 것으로 나타났다. 온도변화율은 시간이 경과할수록 급격하게 감소하는데, 350W인 경우에는 1시간 만에 약 43%가 감소한 0.
또한, 특이한 점은 1.7m 높이 지점에서의 온도와 0.1m 높이 지점에서의 온도의 차이와 1.1m 높이 지점에서의 온도와 0.1m 높이 지점에서의 온도의 차이는 그 값이 매우 유사했으며, 시간이 흐름에 따라 지속적으로 증가하는 것에 비하여, 1.7m 높이 지점에서의 온도와 1.1m 높이 지점에서의 온도 차이는 처음 1시간 동안만 증가하고, 이후로는 감소하는 것으로 나타났다는 것이었다. 이처럼 초기에 증가하다가 감소하는 이유를 현재로서는 알 수 없었으나, 향후 높이에 따른 온도 분포에 대한 추가적인 연구(온도센서를 수직적으로 더 조밀한 간격으로 설치하여 높이별 시간에 따른 온도 변화 분석 등)를 통하여 이를 더욱 명확히 규명하고자 한다.
일반적으로 난방시 승객이 쾌적하다고 느끼는 온도는 19~22℃이기 때문에[17] 외기온도 -20℃ 조건에서는 현재 설치된 난방장치를 최대로 가동하여도 승객들이 충분한 열적 쾌적성을 얻을 수 없다. 산술적으로 열량과 온도가 비례한다면, 승객이 없는 조건, 즉 승객에 의한 열부하가 전혀없는 조건에서, 본 실험차량의 난방장치가 승객에게 쾌적성을 줄 수 있는 외기온도의 범위는 최소한 -8℃ 이상이 되어야 하며, 이 온도 이하에서는 난방성능이 부족함을 실험적으로 알 수 있었다. 일반적으로 열량과 온도의 관계는 다음 식과 같다.
5와 같이 상승하였다. 실험결과 난방장치 출력이 350W, 700W, 1,050W인 경우 모두 난방장치 가동 시작 후 6시간까지는 온도가 빨리 상승하였으나, 그 이상으로의 온도상승에는 상당히 많은 시간이 소요되었는데, 난방장치 가동 시작 6시간 경과 후부터 10시간이 경과할 때까지 객실 내부의 평균온도는 세 경우 모두 온도 변화가 1℃ 이내로 나타나 6시간 경과 후부터는 온도가 크게 변화하지 않음을 알 수 있었다. 이는 특히 난방장치 출력이 작을 때 약간 더 빨리 안정화되는 것으로 나타났는데, 350W인 경우에는 5시간 경과 후에 거의 안정화 되어 이후 7시간 동안의 온도 변화가 1℃ 이내로 나타났다.
-20℃ 의 저온에서 철도차량 객실의 난방장치를 가동할 때 난방장치의 출력에 따른 객실 내부 온도 변화 및 온도 분포를 알아보았다. 실험결과, 난방장치를 가동하기 시작한 처음에는 객실 내부의 온도가 급격하게 증가하였으나, 점차 온도 상승률이 감소하여 일정 시간 경과 후에는 온도가 더 이상 증가하지 않고 일정하게 유지하는 것을 볼 수 있었다. 난방장치의 출력이 작은 경우에는 상대적으로 빨리 온도가 평형상태에 이르나, 출력이 큰 경우에는 평형상태에 이르는 시간이 더 길었다.
실험차량 내부와 외부의 온도측정을 위한 온도센서의 설치가 완료된 후 실험차량이 있는 환경챔버의 온도를 -20℃의 저온으로 일정하게 유지하였다. 이 때 시험차량의 모든 전원을 차단하여 시험차량에 일체의 난방에너지 공급이 불가능하도록 하였고, 또한 차량의 출입문을 열어둔 채로 12시간 이상 유지하여 객실 내부와 외부의 온도가 모두 -20℃의 평형상태에 도달하도록 하였다.
계산결과 조명장치를 켠 경우가 조명장치를 끈 경우에 비하여 항상 약 500~600W 가량의 전력을 더 사용함을 알 수 있었다. 이렇게 조명장치에 의하여 소모되는 에너지는 난방장치가 최대로 가동되는 1,050W 모드에서는 전체 에너지의 4.2%에 불과하지만, 350W 모드인 경우에는 무려 12.2%에 달하여 조명장치에 의한 열공급량이 무시할 수 없는 양임을 알 수 있었다. 이러한 영향을 무시하기 위해서는 조명을 켜지 않은 상태에서 동일 시험을 반복 수행하여 확인이 가능할 것으로 예상되며, 향후 추가 실험에서 이러한 영향도 알아보고자 한다.
9는 객실을 앞 부분, 중간 부분, 뒤 부분의 세 구역으로 나누었을 때 각 구역에서의 난방장치 가동시간에 따른 평균 온도 변화를 나타낸 것이다. 이를 통해 수평적 온도분포를 분석해 보면, 이상적으로는 각 구역의 평균 온도가 같을 것으로 예상되었으며, 도표상으로도 구역에 따른 온도 차이는 거의 없는 것으로 나타났다. 그러나, 실험시간 동안의 전체 평균을 측정해본 결과 Table 2와 같이 중간 부분의 온도가 다소 높았고, 앞 부분과 뒤 부분의 온도가 다소 낮게 나타났다.
1절에서 논의된 객실의 평균온도 변화와도 유사한 경향이었다. 즉, 난방장치의 출력이 커질수록 객실 내부의 평균온도가 증가하며, 이에 비례하여 객실 내부의 온도 차이도 증가함을 알 수 있었다.
온도 변화값은 난방장치의 출력이 클수록 컸으나, 출력에 정비례하지는 않았는데, 그 이유는 크게 세 가지로 생각해볼 수 있었다. 첫 번째는 난방장치의 출력이 클수록 외부로의 열 손실이 커지는 것이고, 두 번째는 조명에 의한 열에너지 공급이 부가적으로 객실 내부의 온도를 난방장치의 출력과 상관없이 어느 정도 높여주는 것이며, 세 번째는 본 분석에 사용한 객실 내부의 평균온도는 객실 내부가 완전히 혼합되어 모든 지점에서 같은 온도를 갖는 실제 객실 내부의 평균온도를 의미하는 것이 아니라 단지 측정된 15개 지점에서 얻은 값의 평균일 뿐이기 때문에 난방장치의 출력이 온도 변화값과 정확히 비례할 수 없는 것으로 추정된다.
후속연구
2%에 달하여 조명장치에 의한 열공급량이 무시할 수 없는 양임을 알 수 있었다. 이러한 영향을 무시하기 위해서는 조명을 켜지 않은 상태에서 동일 시험을 반복 수행하여 확인이 가능할 것으로 예상되며, 향후 추가 실험에서 이러한 영향도 알아보고자 한다.
1m 높이 지점에서의 온도 차이는 처음 1시간 동안만 증가하고, 이후로는 감소하는 것으로 나타났다는 것이었다. 이처럼 초기에 증가하다가 감소하는 이유를 현재로서는 알 수 없었으나, 향후 높이에 따른 온도 분포에 대한 추가적인 연구(온도센서를 수직적으로 더 조밀한 간격으로 설치하여 높이별 시간에 따른 온도 변화 분석 등)를 통하여 이를 더욱 명확히 규명하고자 한다.
승객이 많이 탄 경우에는 승객의 체온에 의해 발생하는 열에 의하여 난방을 끄더라도 온도가 더 올라갈 우려가 있으며, 이 경우에는 환기장치 또는 냉방장치를 가동하여 객실의 온도를 적절하게 유지하는 것이 매우 중요하다. 향후 승객에서 나오는 전열부하 (현열부하 및 잠열부하) 조건에서 난방성능에 대한 연구를 수행하고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
서울메트로의 2011년 승객 민원의 다수를 차지한 것은?
서울 지하철을 운영하는 서울메트로의 경우 2011년에 승객이 제기한 민원의 92.5%가 냉난방에 관한 것이었다[1]. 이처럼 승객들이 냉난방에 대하여 민감해하고 있기 때문에 철도차량의 냉난방 성능 평가가 매우 중요하다.
혹한이나 혹서가 승객의 열적 쾌적성에 미치는 영향은?
최근 전지구적으로 기후변화에 따른 이상기후 현상이 크게 증가하고 있다. 특히 동절기의 혹한이나 하절기의 혹서 현상 등이 자주 보고되고 있는데, 혹한이나 혹서는 철도차량의 냉난방 용량을 거의 최대로 사용하여야 하며, 때로는 구현 가능한 냉난방 용량을 초과하는 경우가 발생할 수 있기 때문에 승객의 열적 쾌적성이 크게 저하될 우려가 있다. 이러한 승객의 열적 쾌적성은 철도운영에 있어서 가장 중요한 부분 중의 하나인데, 실제로 철도를 이용하는 승객들이 가장 자주 제기하는 민원 중의 하나가 바로 객실 내부의 온도 등의 열적 쾌적성에 관한 것이다.
철도차량 실대형 환경챔버를 이용하여 저온 조건에서 철도차량의 난방장치 가동시 객실 내부의 온도변화 및 분포를 알아본 결과는?
이에 본 연구에서는 철도차량 실대형 환경챔버를 이용하여 저온 조건에서 철도차량의 난방장치 가동시 객실 내부의 온도변화 및 분포를 알아보았다. 실험결과 난방시스템 가동 직후에는 객실 내부온도가 급격하게 증가하였으나, 일정 시간 경과 후에는 더 이상 증가하지 않았으며, 객실의 위쪽이 아래쪽보다 온도가 더 높게 나타났다. 이러한 결과들을 통해 승객의 온열 쾌적감 저하를 최소화할 수 있는 방안을 제시하고자 하였다.
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