[논문]인체모델을 고려한 자동차 실내의 에어컨 토출구 위치 변화에 따른 냉방성능 및 온열쾌적성 평가

서진원; 박재홍; 최윤호

doi:10.7467/ksae.2012.20.5.120

인체모델을 고려한 자동차 실내의 에어컨 토출구 위치 변화에 따른 냉방성능 및 온열쾌적성 평가
Evaluation of Thermal Comfort and Cooldown Performance inside Automotive Cabin according to Air-conditioning Vent Location 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.20 no.5, 2012년, pp.120 - 129

서진원 (아주대학교 대학원 기계공학과) , 박재홍 (LIG 넥스원 기계연구센터) , 최윤호 (아주대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

As the recent advancement of automobile industry, there has been a great interest in the thermal comfort of the passengers inside the cabin of an automobile. Thermal comfort is affected by temperature, velocities, and mean radiation temperature of air, thermal resistance of clothes and physical active level of human. The present study performed computational analysis to select the location of air-conditioning vent that improves thermal comfort inside the cabin. In order to do this, we considered various air vent positions, and thermal flow analysis of each case is performed using CFD for the cabin with four passengers. The thermal comfort is evaluated using the computational results and the optimum location of air vent is suggested.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 냉방성능향상을 위해 총7개의 자동차 실내 에어컨 토출구 위치에 따른 열유동 해석 및 온열쾌적성 평가를 수행하였다. 여름철 냉방성능이 좋은 자동차 실내 에어컨 토출구의 최적위치는 차 실내의 온도가 낮은 순서 또는 온열쾌적성 평가 시 평가지표가 쾌적한(neutral) 영역이 아닌 추운(cold) 영역에 위치할 때의 조건이라 할 수 있다.
본 연구에서는 Park⁹⁾의 연구를 바탕으로 인체모델이 고려된 자동차 실내의 냉방 성능을 향상시킬 수 있는 에어컨 토출구 위치를 제안하였다. 이를 위해 기존의 에어컨 토출구 위치를 기본으로 구조상 토출구 설치가 용이한 부분들을 고려하여 총 7개의 Case를 선정하고, 실제 차량의 열환경 모사가 가능한 경계조건을 고려하여 열유동 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 인체모델을 고려한 자동차 실내의 에어컨 토출구 위치에 따른 냉방 성능 및 온열쾌적성 평가를 수행하고, 효율이 가장 좋은 설치 위치를 제안하였다. 이를 위해 자동차 실내 열환경 경계조건을 실험식으로부터 도출하고, 온열쾌적성평가방법인 PMV 지표에 대한 검증을 수행하였다.

가설 설정

엔진룸 부분에는 엔진 및 엔진 냉각수에서 발생하는 열량을 20 W/m²℃으로 가정하고,¹⁰⁾ 각 유리창별로 공급되는 열량은 각 유리창의 면적을 차량에 수직하게 투영시켜 그 면적에 해당하는 태양 복사에너지를 식 (10)을 이용하여 계산하였다.¹⁰⁾ 이 식을 이용하기 위해 본 연구에서는 자동차 속도를 100km/h로 가정하였고, 차량 수직면에 태양 복사에너지 1000W, 외기 온도는 35℃, 그리고 태양흡수율은 0.5로 가정하였다.
3과 같이 엔진룸과 유리창으로 구분하여 설정하였고, 차체는 단열로 가정하였다. 엔진룸 부분에는 엔진 및 엔진 냉각수에서 발생하는 열량을 20 W/m²℃으로 가정하고,¹⁰⁾ 각 유리창별로 공급되는 열량은 각 유리창의 면적을 차량에 수직하게 투영시켜 그 면적에 해당하는 태양 복사에너지를 식 (10)을 이용하여 계산하였다.¹⁰⁾ 이 식을 이용하기 위해 본 연구에서는 자동차 속도를 100km/h로 가정하였고, 차량 수직면에 태양 복사에너지 1000W, 외기 온도는 35℃, 그리고 태양흡수율은 0.
자동차 실내에 유입되는 열용량은 Fig. 3과 같이 엔진룸과 유리창으로 구분하여 설정하였고, 차체는 단열로 가정하였다. 엔진룸 부분에는 엔진 및 엔진 냉각수에서 발생하는 열량을 20 W/m²℃으로 가정하고,¹⁰⁾ 각 유리창별로 공급되는 열량은 각 유리창의 면적을 차량에 수직하게 투영시켜 그 면적에 해당하는 태양 복사에너지를 식 (10)을 이용하여 계산하였다.

제안 방법

6(a)에 나타낸 것처럼 사각형 방의 좌측 상단에 0.2m 크기의 입구와 우측 하단에 0.25m 크기의 출구, 그리고 중심부 천장에 전등이 달린 천장팬(고정되어 있음)이 설치되어 있는 2차원 계산영역(3.7×2.7m)에 대해서 열유동 해석 및 PMV 평가를 수행하였으며, 구체적인 경계조건은 Table 2에 나타내었다.
열유동 해석결과를 바탕으로 에어컨 토출구 위치에 따른 각 인체모델의 온열쾌적성 평가를 수행하였다. PMV와 PPD 평가를 이용하여 탑승객 별로 몸 전체의 온열쾌적성을 평가하고, 쾌적성 지표가 낮은 순서를 상 중 하로 나누어 부위별 평가방법인 등가온도를 이용하여 온열쾌적성 평가를 수행하였다. 탑승객별 PMV와 PPD 결과(운행 초기 10분 기준)를Table 4에 나타내었다.
PMV평가를 통해 각 Case별 지표가 낮은(냉방 성능이 좋은) 순서대로 정리하고, 그 결과 중 상(Case 2)·중(Case 3)·하(Case 1)를 선정하여 등가온도 평가를 수행하였다.
이를 위해 기존의 에어컨 토출구 위치를 기본으로 구조상 토출구 설치가 용이한 부분들을 고려하여 총 7개의 Case를 선정하고, 실제 차량의 열환경 모사가 가능한 경계조건을 고려하여 열유동 해석을 수행하였다. 또한, 이 결과를 바탕으로 PMV, PPD, 그리고 등가온도 등 온열쾌적성 평가를 통해 효과적인 에어컨 토출구의 위치를 제안하였다.
본 연구에서 고려한 지배방정식 및 standard k-ε 모델에서 난류운동에너지k와 난류소산율 ε의 수송방정식은 다음과 같이 표현하였다.
이들을 조합하여 t_cl(clothing surface temperature)과 h_c(heat transfer coefficient)는 반복계산으로 값을 구하였다. 본 연구에서는 이들을 MATLAB 코드로 작성하여 PMV와 PPD를 계산하였다.
열유동 해석결과를 바탕으로 에어컨 토출구 위치에 따른 각 인체모델의 온열쾌적성 평가를 수행하였다.
는 수증기 분압(partial water vapour pressure)이다. 이들을 조합하여 t_cl(clothing surface temperature)과 h_c(heat transfer coefficient)는 반복계산으로 값을 구하였다. 본 연구에서는 이들을 MATLAB 코드로 작성하여 PMV와 PPD를 계산하였다.
의 연구를 바탕으로 인체모델이 고려된 자동차 실내의 냉방 성능을 향상시킬 수 있는 에어컨 토출구 위치를 제안하였다. 이를 위해 기존의 에어컨 토출구 위치를 기본으로 구조상 토출구 설치가 용이한 부분들을 고려하여 총 7개의 Case를 선정하고, 실제 차량의 열환경 모사가 가능한 경계조건을 고려하여 열유동 해석을 수행하였다. 또한, 이 결과를 바탕으로 PMV, PPD, 그리고 등가온도 등 온열쾌적성 평가를 통해 효과적인 에어컨 토출구의 위치를 제안하였다.
본 연구에서는 인체모델을 고려한 자동차 실내의 에어컨 토출구 위치에 따른 냉방 성능 및 온열쾌적성 평가를 수행하고, 효율이 가장 좋은 설치 위치를 제안하였다. 이를 위해 자동차 실내 열환경 경계조건을 실험식으로부터 도출하고, 온열쾌적성평가방법인 PMV 지표에 대한 검증을 수행하였다. 또한 자동차 실내 온도변화율과 온열쾌적성 지표와의 상관관계에 대한 연구를 수행하고 다음과 같은 결론을 얻었다.
185m)이다. 자동차 실내의 복잡한 형상을 모사하기 위해 3차원 비정렬격자계를 이용하였으며, 표면 격자 크기 20mm와 성장률 1.3으로 약 1,770,000개의 격자를 구성하였다(Fig. 1).
자동차 실내의 열유동 해석을 위해 에어컨 토출구에 분사되는 총 유량은 최대 풍량의 70%인 330 CMH을 각 토출구별로 균일하게 나누어 적용하였다. 토출구에서 분사되는 공기의 분사각도는 토출구 위치에 따른 열환경을 파악하기 위해 모든 토출 면에 수직하게 적용하였고, 공기의 토출 온도는 다음실험식⁸⁾을 이용하여 시간에 따라 설정하였다.
자동차 실내의 열유동 해석을 위해 에어컨 토출구에 분사되는 총 유량은 최대 풍량의 70%인 330 CMH을 각 토출구별로 균일하게 나누어 적용하였다. 토출구에서 분사되는 공기의 분사각도는 토출구 위치에 따른 열환경을 파악하기 위해 모든 토출 면에 수직하게 적용하였고, 공기의 토출 온도는 다음실험식⁸⁾을 이용하여 시간에 따라 설정하였다. 이 실험식은 실차에서 초기온도 60℃를 시작으로 시간에 따른 에어컨 토출구의 온도를 함수식으로 정의한 것이다.

대상 데이터

Fig. 2와 Table 1에 나타낸 에어컨 토출구의 위치는 설치의 용이성을 감안하여 인체 모델의 정면, 측면, 윗면 등의 차체에 총 7가지 Case를 선정하였고, Case 1부터 Case 4까지는 8개의 토출구를, Case 5부터 Case 7까지는 12개의 토출구를 고려하였다. 기존 방식의 토출구 배치 형태인 Case 1은 대시보드에 4개, B필러에 2개 그리고 콘솔박스에 2개를 고려하였으며, Case 2는 차량 천정에 8개를 고려하였다.
2와 Table 1에 나타낸 에어컨 토출구의 위치는 설치의 용이성을 감안하여 인체 모델의 정면, 측면, 윗면 등의 차체에 총 7가지 Case를 선정하였고, Case 1부터 Case 4까지는 8개의 토출구를, Case 5부터 Case 7까지는 12개의 토출구를 고려하였다. 기존 방식의 토출구 배치 형태인 Case 1은 대시보드에 4개, B필러에 2개 그리고 콘솔박스에 2개를 고려하였으며, Case 2는 차량 천정에 8개를 고려하였다. Case 3은 대시보드 중앙에 2개, 콘솔박스에 2개, 좌우측 문에 4개를 고려하였으며, Case 4는 대시보드 중앙에 2개, 콘솔박스에 2개, 차량 천정 측면에 4개를 고려하였다.
본 연구에서 고려한 인체모델은 자동차 탑승조건인 운전석(H1)과 조수석(H2)에 각각 한 명씩, 그리고 뒷좌석(H3, H4)에 두 명을 배치하였고(Fig. 4 참조), 각 인체모델의 표면적은 약 1.5m²이다. 부위별 온열쾌적성 평가(등가온도)를 위해 인체를 15개 부위로 나누었으며 이들을 Fig.
본 연구에서 고려한 자동차 실내 모델의 전체 체적은 약 2.583m3 (2.976×1.588×1.185m)이다.
4에 나타내었다. 인체 모델의 경계조건은 ASHRAE¹¹⁾를 참조하여, H1은 운전 중 활동량인 1.3met(75.66W/m²)로 설정하였고, 나머지 H2/H3/H4는 앉아 있는 활동량인 1.0met (58.2W/m² )로 설정하여 열량을 적용하였다. 이처럼 수치해석에서 차량내부에 고려된 인체모델은 실내유동장의 장애물이나 열 또는 오염물질의 공급원으로 간주된다.

이론/모형

본 연구에서 고려한 PMV 평가방법(MATLAB 코드)의 타당성 검증을 위해 Ho 등¹⁹⁾의 연구결과를 이용하였다. Ho 등¹⁹⁾은Fig.
본 연구에서 이용한 온열쾌적성 평가방법은 ISO7730¹³⁾으로 제정된 Fanger¹⁴⁾의 PMV(Predicted Mean Vote)와 PPD(Predicted percentage of Dissatisfied)를 이용하는 방법과 부위별 쾌적성을 평가하는 등가온도(Equivalent Temperature) 평가방법(Dufton¹⁵⁾, Madsen 등¹⁶⁾, Nilsson 등^17,18))이다. PMV는 다음의 식 (11)-(14)를 이용하여 계산된다.
등가온도란인체의 부분별로 온열쾌적성을 평가하는 방법으로 열환경이 균일하지 않은 실내 공간을 이상적인 균일한 공간으로 가정했을 때의 실내온도이다. 본 연구에서는 Madsen 등¹⁶⁾이 제안한 다음 식들을 이용하여 온열쾌적성을 평가하였다.
본 연구에서는 상용 CFD코드인 FLUENT 12.1을 이용하였다. 지배방정식으로는 연속방정식, 운동량방정식, 에너지방정식을 이용하였으며, 난류모델은 standard k-ε 모델을 이용하고, standard wall function을 고려하였다.
지배방정식으로는 연속방정식, 운동량방정식, 에너지방정식을 이용하였으며, 난류모델은 standard k-ε 모델을 이용하고, standard wall function을 고려하였다.
해석기법은 저속의 비압축성유동해석에 적합한 압력 기반의 해법(pressure based method)과 SIMPLE 알고리즘을 이용하였고, 공간에 대한 이산화는 2차 정확도의 해를 획득하기 위하여 2차 상류차분법(2nd order upwind)을 고려하였다.

성능/효과

1) 자동차 냉방성능과 인체의 표면온도의 냉각 속도는 토출구의 위치와 개수에 따라 냉방성능 효율이 크게 차이가 나타났다. 에어컨 토출구를 천장에 설치하는 경우(Case 2)가 기존의 위치에 설치하는 경우(Case 1)보다 냉방성능(온도기준)이 약 20% 향상되었고, 기존(8개)의 설치 위치에서 도어 측면에 추가(12개) 설치한 경우(Case 5)는 약 5% , 천장에 추가(12개) 설치한 경우(Case 6)는 약 11% 향상되었다.
2) 에어컨 토출구의 위치에 따른 냉방속도 순서(Fig. 8)와 온열쾌적성(PMV) 평가를 이용한PMV 지표(Table 4)의 순서는 서로 비슷한 경향을 보이기는 하지만 차이가 있다. 따라서 바람직한 에어컨 토출구 위치를 선정하기 위해서는 단순히 온도를 비교하는 것보다 온열쾌적성 평가결과를 이용하는 것이 바람직한 방법으로 판단된다.
3) 등가온도 평가결과, 대부분의 Case에서 하반신의 지표가 높게 나타났는데, 이는 자동차 실내의 복잡한 구조 특성 때문에 효과적으로 유동이 흐르지 않기 때문이다. 따라서 이러한 특성을 개선 할 수 있는 에어컨 토출구 위치선정에 관한 연구가 추가적으로 수행되어야 할 필요가 있다.
6(b)와 (c)는 각각 Ho 등¹⁹⁾과 본 연구의 해석 결과(온도분포)를 나타낸 그림이다. 두 결과 모두 인체모델을 중심으로 공기가 유입되는 왼쪽은 공기가 순환하면서22 ~ 23.5℃의 온도가 형성되고, 공기가 배출되는 오른쪽은 전등과 인체 모델을 통과하면서 상당히 온도가 높아지는 등 두 결과의 온도분포는 거의 유사하게 나타난다. Table 3에 나타낸 것처럼 평균 유속(약 ±5% 이내)과 온도(약 ±1% 이내) 는 Ho 등¹⁹⁾의 결과와 거의 유사한 값이 측정되었고, PMV 평가 결과는 약 ±2% 이내로 거의 일치하는 것으로 나타났다.
7℃)으로 나타났고, 인체모델 주변온도가 낮은 순서와 동일하다. 또한, Case 2와 Case 1의 온도차이가 10분 뒤 약16.8%, 20분 뒤 약 19.5%, 그리고 30분 뒤 약 20.1% 등으로 시간이 지남에 따라 점점 더 커지는 것을 확인할 수 있었다.
1) 자동차 냉방성능과 인체의 표면온도의 냉각 속도는 토출구의 위치와 개수에 따라 냉방성능 효율이 크게 차이가 나타났다. 에어컨 토출구를 천장에 설치하는 경우(Case 2)가 기존의 위치에 설치하는 경우(Case 1)보다 냉방성능(온도기준)이 약 20% 향상되었고, 기존(8개)의 설치 위치에서 도어 측면에 추가(12개) 설치한 경우(Case 5)는 약 5% , 천장에 추가(12개) 설치한 경우(Case 6)는 약 11% 향상되었다. 따라서 설치가 가능하다면 토출구의 개수를 늘리고, 천장부위에 고려하는 것이 냉방성능을 향상시키는데 효과적인 방법으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PMV는 무엇인가?	PMV는 동일한 열환경에 있는 사람들의 온열감에 대한 의사 표시의 평균값을 –3부터 3까지의 값으로 정량화시키고, 인체의 열평형을 기초로 한 온 열쾌적성방정식에 대입하여 예측하는 것이다. PPD는 주어진 열환경에 대해 불만족을 느끼는 재실자의 예상비율을 의미하며, 일반적으로 주어진 환경에 대해서 그 값이 10% 이하면 ‘쾌적하다’라고 평가할 수 있다.
	표준 건물 실내 냉방에 필요한 열 부하는?	일반적으로 자동차 실내(약 3m3 )를 냉방하는데 필요한 열 부하는 약 5.0kW이지만, 표준 건물 실내 (약 30m3 )를 냉방하는데 필요한 열 부하는 약 2.4kW 로 크기가 약 1/10임에도 불구하고, 필요한 냉방능력은 단위체적당 약 20배로 매우 열악한 온열 환경 조건이다. 이러한 자동차 내부의 열악한 환경은 자동차용고성능HVAC 시스템을 이용하여 제어할 수 있지만, 이 시스템을 작동할 때 에어컨 토출구가 인체와 인접해 있어 신체 부위별로 온도와 풍속이 크게 차이나 쾌적한 온열환경을 유지하기가 쉽지 않다.
	자동차의 실내 온열 환경 관리가 건축물 실내에 비하여 어려운 이유는?	최근 자동차 실내의 온열쾌적성에 대한 관심이 매우 높아지고 있지만, 자동차의 실내 온열 환경은 건축물 실내에 비하여 상대적으로 관리하기가 쉽지 않다. 그 이유는 차체가 외부에 전부 노출되어있어 단열성이 나쁘고, 주행 중의 안전성 때문에 자동차 창문의 가시광투과율이 정해져 있어 이를 통해 유입되는 일사량(일정한 방향에서 유입될 수도 있지만 커브길, 터널, 구름 등에 따라 시시각각 일사의 방향과 강도가 변함)은 온열환경에 좋지 않은 영향을 미친다.

참고문헌 (19)

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상세보기
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상세보기
ISO Standard 7730, 3rd Edn., ISO, 2005
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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].

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