[논문]벽체 매립형 환기용 팬 성능개선에 관한 연구

권용일

doi:10.6110/kjacr.2014.26.5.206

벽체 매립형 환기용 팬 성능개선에 관한 연구
Study on the Performance Improvement of Ventilation Fan Installed in Walls of Underground Parking Lots 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.26 no.5, 2014년, pp.206 - 211

권용일 (신한대학교 자동차공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The objective of the present study was to identify ventilation problems, and also to suggest new axial fan systems for the improvement of IAQ in the underground parking lots. Numerical results for air mean-velocity, local mean age, and sound power level are presented along with some of fan angles. The results showed the influence of airflow patterns on the fan performances installed in the underground parking lots. Discharge air volume is increased with the angle of the blade. And also, the main factors affecting the noise of the ventilation fan was found to be a rotational speed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

⁽⁴⁾은 축류팬 성능에 영향을 미치는 피치각과 최대캠버에 대해, 연구한 결고, 축류팬의 성능에 지배적인 영향을 주는 인자는 피치각이지만 너무 큰 피치각과 최대캠버를 선정하면, 과도한 유동손실이 발생한다고 발표하였다. 본 연구는 지하주차장의 외벽체에 설치되어 환기용급, 배기 팬으로 시공되고 있는 환기용 축류형(프로펠라)팬의 성능을 개선하기 위해, 날개 모양 및 회전수를 변화시켜 기류 소음 및 환기효율변화를 평가하여 최적 환기팬을 설계하기 위해, 수행되었다.
지하주차장의 외벽에 매립형으로 설치되어 지하주차장 급배기용 환기팬으로 적용되고 있는 축류형 환기팬의 성능을 개선하기 위해, 블레이드 모양, 설치각도 및 회전수를 변화시켜 환기성능을 평가한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

가설 설정

본 연구의 경계조건은 축방향 4면은 대칭조건으로 가정하였으며 팬이 설치된 면은 벽체로 가정하였고 팬과 마주보는 면은 출구영역으로 가정하여 압력경계 조건을 적용하였다. 본 연구를 수행하기 위해 사용한 상용 프로그램은 Fluent Ver.3.4를 이며 해석을 위한 격자계는 1,300,000개의 비균일격자계를 사용하였으며 수렴조건은 압력방정식을 소스 항으로 구성되는 연속방정식이 10^-8 이하로 유지되는 조건으로 가정하였다. 압력방정식은 SIMPLE 알고리즘을 사용하였다.
4와 같은 형상을 갖는(15 m×15 m×30 m) 해석영역을 구성하였다. 본 연구의 경계조건은 축방향 4면은 대칭조건으로 가정하였으며 팬이 설치된 면은 벽체로 가정하였고 팬과 마주보는 면은 출구영역으로 가정하여 압력경계 조건을 적용하였다. 본 연구를 수행하기 위해 사용한 상용 프로그램은 Fluent Ver.

제안 방법

본 연구에서 지하주차장에 외벽체에 설치되는 급, 배기팬의 성능을 향상시키기 위해, 연구를 수행하였으며 변수로 블레이드의 회전수(500～700 rpm) 그리고 폭방향으로 15°의 비틀림각을 갖는 블레이드를 반경방향으로 5°, 10°, 15° 회전하여 설치한 경우, 환기성능, 풍량, 소음에 미치는 영향을 비교분석하기 위해, Fig. 4와 같은 형상을 갖는(15 m×15 m×30 m) 해석영역을 구성하였다.
3은 6개의 날개 깃이 팬 케이스에 설치된 상태를 나타내고 있다. 팬 케이스 내에 설치된 날개 깃의 각도는 Fig. 2와 같이 중심축을 기준으로 날개 깃의 종류에 관계없이 각도를 변화시켜 환기성능 등을 비교 분석하였다.
폭 방향으로 15° 비틀린 블레이드를 반경방향을 기준으로 Fig. 2와 같이 5°, 10°, 15°로 변화시켜 환기성능에 미치는 영향을 분석하였으며 회전수는 500 rpm～700 rpm으로 변화시켰다.

대상 데이터

또한 난류 유동의 해석은 표준 벽함수(standard wall function)를 적용한 난류(k-ε 2-equation) 모델을 적용하였다. 블레이드의 회전거동을 수치적으로 모사하기 위해, MRF를 사용하였다. MRF 방법은 블레이드가 부착된 허브의 중심부의 좌표를 부여하고 그 좌표를 중심으로 블레이드주변의 유체를 회전시켜 블레이드가 회전하면서 발생하는 유동과 흡사한 결과를 나타내는 방법이다.

이론/모형

또한 난류 유동의 해석은 표준 벽함수(standard wall function)를 적용한 난류(k-ε 2-equation) 모델을 적용하였다.
4를 이며 해석을 위한 격자계는 1,300,000개의 비균일격자계를 사용하였으며 수렴조건은 압력방정식을 소스 항으로 구성되는 연속방정식이 10^-8 이하로 유지되는 조건으로 가정하였다. 압력방정식은 SIMPLE 알고리즘을 사용하였다. 또한 난류 유동의 해석은 표준 벽함수(standard wall function)를 적용한 난류(k-ε 2-equation) 모델을 적용하였다.
5와 같다. 타당성검증을 위해, 스칼라변수인 국소평균공기연령(LMA)를 사용하였다. 격자계가 작은 경우는 송풍기에서 토출되는 공기가 확산반경이 작게 나타나고 있으나 본 연구에서 채택한 격자계수가 13,000,000인 경우, 확산반경이 증가하고 이로 인하여 LMA가 낮게 나타는 것을 확인할 수 있었다.
환기성능을 평가하기위해, 국소평균연령을 구하였으며 난류유동에 의해, 발생하는 유속음을 구하기 위한 소음해석은 라이트힐의 소음상사이론(Lighthill’s acoustic analogy)를 이용한 Broadband Noise Sources법을 이용하여 계산하였다.

성능/효과

(3)은 축류팬의 블레이드길이와 피치각이 성능에 미치는 영향을 실험적인 방법을 통하여 연구하였으며 피치각이 증가함에 따라 축동력은 선형적으로 증가하였지만 풍량은 30° 이하에서는 증가하고 35° 이상에서는 급격히 감소하는 것으로 발표하였다.
1) 동일한 회전수에서도 선회류가 발생하도록 블레이드의 부착각도를 변화시키면 토출풍량이 증가하는 특성을 갖고 있다.
2) 환기팬의 소음에 영향을 미치는 주요인자는 회전수이며 선회류가 소음에 큰 영향을 미치고 있음을 알 수 있다.
3) Non-linear blade의 경우, 소음이 민감한 현장에서는 블레이드의 부착각도를 낮추고 소음이 민감하지 않은 현장에서는 블레이드의 부착각도를 증가시켜도 될 것으로 판단된다.
타당성검증을 위해, 스칼라변수인 국소평균공기연령(LMA)를 사용하였다. 격자계가 작은 경우는 송풍기에서 토출되는 공기가 확산반경이 작게 나타나고 있으나 본 연구에서 채택한 격자계수가 13,000,000인 경우, 확산반경이 증가하고 이로 인하여 LMA가 낮게 나타는 것을 확인할 수 있었다. Fig.
비틀림각이 5° 인경우보다 10° 이상인 경우 회전수 변화에 따른 풍량증가 비율이 높은 것으로 나타났다. 또한 회전수가 동일하더라도 블레이드의 비틀림각에 따라 토출풍량은 최대 50% 이상이 증가하는 것으로 나타났다. 이는 블레이드의 비틀린각이 회전 중심축을 기준으로 선회류를 많이 발생시킴으로 인해, 토출풍량이 증가되기 때문이다.
2와 같이 비선형 블레이드의 비틀린 각이 변화될 때, 환기팬의 토출면의 최대 음압레벨을 나타내고 있다. 블레이드의 비틀림 각과 블레이드의 종류에(선형, 비선형)에 관계없이 소음치는 환기팬의 회전속도가 증가함에 따라 증가되지만 선형 블레이드의 경우, 동일한 회전수에서 비틀린 각이 증가하면 소음이 감소하지만 비선형 블레이드의 경우, 비틀린 각이 증가하면 소음이 미소하게 증가하는 현상을 나타내고 있다. 이는 비선형 블레이드인 경우, 선형 블레이드보다 와류를 많이 발생시켜 유속음을 증가시키기 때문으로 판단된다.
블레이드의 비틀린각도가 증가할수록 회전방향 중심축을 기준으로 선회류를 많이 발생함으로 인해, 벽체 부착된 환기팬으로부터 도출된 신선외기의 주 기류가 도달하는 거리가 5 m 이상 증가되지만 블레이드의 비틀린각도가 10° 이상에서는 도달거리의 차이가 없는 것을 입증하고 있다. 비선형 블레이드인 경우도 선회류를 발생하도록 블레이드 각도를 증가시키면 도달거리가 증가함을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	일반적으로 많이 설치하는 시로코팬의 문제를 해결하기 위해 외벽체 부착형 환기용 급, 배기팬을 설치할 경우 장점은 무엇인가?	(1) 이로 인해, 추가적인 공간이 확보되고 팬룸의 외벽에 설치된 그릴을 통하여 신선외기가 지하주차장으로 공급되거나 지하주차장의 오염된 공기가 배기되기 때문에 압력손실이 증가되고 소음이 많이 발생하게 된다. 이러한 문제점을 해결하고 환기성능을 양호하기 유지할 수 있는 지하주차장과 건식 외기도입구 사이에 위치한 외벽체 부착형 환기용 급, 배기팬을 설치할 경우, 지하주차장에 압력강하를 최소화하고 저소음형으로 급배기 효율을 향상시킬 수 있는 것으로 알려져 있다. 축류형 송풍기의 성능은 블레이드룰 구성하는 피치각과 비틀림각, 블레이드의 길이, 두께 및 폭에 의해 영향을 받게 된다.
	축류형 송풍기 성능에 영향을 미치는 요인은?	이러한 문제점을 해결하고 환기성능을 양호하기 유지할 수 있는 지하주차장과 건식 외기도입구 사이에 위치한 외벽체 부착형 환기용 급, 배기팬을 설치할 경우, 지하주차장에 압력강하를 최소화하고 저소음형으로 급배기 효율을 향상시킬 수 있는 것으로 알려져 있다. 축류형 송풍기의 성능은 블레이드룰 구성하는 피치각과 비틀림각, 블레이드의 길이, 두께 및 폭에 의해 영향을 받게 된다. 축류팬의 성능향상방안에 대한 이론적, 실험적 연구가 많이 수행되었으며,(2) Jeon et al.
	원심형 시로코팬 설치 시 필수적인 팬룸으로 인한 문제점은 무엇인가?	지금까지 지하주차장에 설치되는 급, 배기팬은 일반적으로 원심형 시로코팬을 많이 설치하며 이 경우, 급, 배기팬을 설치해야 되는 팬룸의 설치가 필수적이다.(1) 이로 인해, 추가적인 공간이 확보되고 팬룸의 외벽에 설치된 그릴을 통하여 신선외기가 지하주차장으로 공급되거나 지하주차장의 오염된 공기가 배기되기 때문에 압력손실이 증가되고 소음이 많이 발생하게 된다. 이러한 문제점을 해결하고 환기성능을 양호하기 유지할 수 있는 지하주차장과 건식 외기도입구 사이에 위치한 외벽체 부착형 환기용 급, 배기팬을 설치할 경우, 지하주차장에 압력강하를 최소화하고 저소음형으로 급배기 효율을 향상시킬 수 있는 것으로 알려져 있다.

참고문헌 (4)

Sandberg, M., 1981, What is ventilation efficiency, Building and Environment, Vol. 16, pp. 123-135.

상세보기
Inoune, M. and Kuroumaru, M., 1984, Three-dimensional structure and decay of vortices behind and an axial flow rotating blade row, Trans. ASME, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Vol. 106, No. 3, pp. 561-569.

상세보기
Jeon, S. T. and Cho, J. P., 2013, Effect of pitch angle and blade length on an axial flow fan performance, Korean Journal of SAREK, Vol. 25, No. 1, pp. 43-48.

원문보기 상세보기
Kim, C. J., Jang. C. M., Choi, M. Y., and Lee, D. I., 1996, Effects of pitch angle and maximum camber on an axial flow fan performance, Proceedings of the SAREK Winter Annual Conference, pp. 269-274.

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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