[논문]HVAC 작동특성에 따른 자동차 실내 공기질 평가에 관한 수치해석적 연구

윤성현; 서진원; 최윤호

doi:10.7735/ksmte.2014.23.3.299

문제 정의

본 연구에서는 먼저 실험데이터를 기반으로 한 해석을 통하여 실제 자동차 환경과 유사한 조건을 모사하고, 이를 이용하여 다양한 매개변수(자동차용 HVAC의 작동 특성 및 인체 탑승조건)에 대한 공기질 평가 연구를 수행하였다. 또한 본 연구에서는 이러한 결과를 바탕으로 적정 수준의 공기질을 예측할 수 있는 제어 방안을 도출하여 차 실내의 CO₂ 농도를 최적화하는 공조시스템의 개발에 관한 기초를 정립하고자 하였다.
본 연구에서는 그동안 on/off 형식으로만 작동하던 자동차용 HVAC 시스템의 내외기 모드를 도어의 개폐 수준(Ratio of freshair to recirculated air, 이하 RFR)에 따라 외기유입 비율을 얻기 위해 실험데이터(Fig. 1)를 바탕으로 재정의하였다^[3]. RFR은 0～100%의 범위로 구분되며 0%일 때 외기모드, 100%일 때 내기모드를 의미한다.
본 연구에서는 수치해석을 이용하여 자동차 실내 공기질에 대한평가 방법을 정립하고, HVAC 작동 특성(작동 풍량 및 RFR) 및 호흡을 고려한 인체 모델의 탑승조건에 따른 공기질을 평가하여 적정 수준의 실내 공기질을 제어할 수 있는 예측 모델을 개발하였다. 이를 위해 HVAC 시스템의 작동풍량과 RFR에 따른 외기유입량에 대한 CO₂ 농도측정 실험데이터를 통해 차 실내 누설에 대한보정 방정식 및 경계조건을 정의하였다.

가설 설정

15 kg/m³을 이용하였다. 또한 호흡횟수는 15회/분(일반적으로 12～20회)으로 정의하고, 호기 혼합공기 중 CO2의 체적 분율은 약 4%로 가정하였다.^[6,7] 인체모델의 호흡해석에 대한 타당성을 검증하기 위하여 실험결과와 해석결과를 비교하였다.
4에 나타낸 것처럼 사람의 총폐기량(total lung capacity; TLC)은 흡기예비량(inspiratory reserve volume)과 1회 호흡량(tidal volume), 호기예비량(expiratory reserve volume), 잔기용량(residual volume)으로 이루어져 있다. 본 연구에서 인체모델의 호흡 해석을 위한 경계조건은 일반 성인의 1회 호흡조건인 500 ml로 가정하고, 온도는 34℃, 밀도는 1.15 kg/m³을 이용하였다. 또한 호흡횟수는 15회/분(일반적으로 12～20회)으로 정의하고, 호기 혼합공기 중 CO2의 체적 분율은 약 4%로 가정하였다.

제안 방법

CFD 해석결과와 CO₂ 농도 측정 실험결과를 통해 오차를 구하고 다항식회귀분석법을 이용하여 자동차 실내 및 HVAC 시스템의 누설에 대한 실험보정식을 정의하고 그 타당성을 입증(오차 10%미만)하였다. 수치해석을 수행할 때 이 실험보정식을 이용하면 실제 자동차 내부의 여러 누설에 대한 보정이 이루어져 해석결과를 신뢰할 수 있을 것으로 사료된다.
이를 위해 HVAC 시스템의 작동풍량과 RFR에 따른 외기유입량에 대한 CO₂ 농도측정 실험데이터를 통해 차 실내 누설에 대한보정 방정식 및 경계조건을 정의하였다. 또한 이 보정 방정식을 고려하여 해석결과의 타당성을 실험결과와 비교하고 검증하였다. 이를 바탕으로 매개변수(HVAC 작동풍량, RFR, 탑승인원 등) 연구를 통해 차실내 공기질을 평가하고, 권장 농도를 유지하기 위한 작동 조건 및 차실내 농도(공기질) 예측 모델을 제안하였다.
인체모델의 탑승조건은 탑승자가 없을 때(P0)부터 4인 탑승(P4)까지 고려하였다. 또한 인체호흡(날숨)을 고려하기 위해 인체모델의 코 부위에 질량유량 경계조건을 사용하였다. HVAC 시스템의 재순환 유량은 Table 1을 바탕으로 각 작동 풍량 및 RFR에 따라 그 값을 도출하여 내기 모드에서 재순환 토출구의 target mass flow 조건으로 고려하였다.
HVAC 시스템의 재순환 유량은 Table 1을 바탕으로 각 작동 풍량 및 RFR에 따라 그 값을 도출하여 내기 모드에서 재순환 토출구의 target mass flow 조건으로 고려하였다. 또한 재순환되는 차실내 공기의 농도 계산은 Fig. 3의 흐름도를 바탕으로 UDF (user defined function) 코드를 작성하고, 각 경계조건에 적용하여 구현하였다. 초기 자동차 실내 CO₂ 농도는 2,000 ppm으로 설정하였고, 본 연구에서 고려한 경계조건은 Table 4와 같다.
본 연구에서는 먼저 실험데이터를 기반으로 한 해석을 통하여 실제 자동차 환경과 유사한 조건을 모사하고, 이를 이용하여 다양한 매개변수(자동차용 HVAC의 작동 특성 및 인체 탑승조건)에 대한 공기질 평가 연구를 수행하였다. 또한 본 연구에서는 이러한 결과를 바탕으로 적정 수준의 공기질을 예측할 수 있는 제어 방안을 도출하여 차 실내의 CO₂ 농도를 최적화하는 공조시스템의 개발에 관한 기초를 정립하고자 하였다.
^[6,7] 인체모델의 호흡해석에 대한 타당성을 검증하기 위하여 실험결과와 해석결과를 비교하였다. 실험은 자동차 실내에 성인 남성 한명을 탑승시킨 후 편안한 상태에서 180초 동안 호흡으로부터 발생하는 CO₂농도를 측정하였다. 차실 내에 CO₂ 센서는 운전석을 제외한 앞/뒤좌석 및 중앙 콘솔박스 위 등 총 4곳에 각각 위치시켰고, 실험이 진행되는 동안 HVAC 시스템을 가동시키지 않았다.
또한 이 보정 방정식을 고려하여 해석결과의 타당성을 실험결과와 비교하고 검증하였다. 이를 바탕으로 매개변수(HVAC 작동풍량, RFR, 탑승인원 등) 연구를 통해 차실내 공기질을 평가하고, 권장 농도를 유지하기 위한 작동 조건 및 차실내 농도(공기질) 예측 모델을 제안하였다. 이 결과를 바탕으로 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 수치해석을 이용하여 자동차 실내 공기질에 대한평가 방법을 정립하고, HVAC 작동 특성(작동 풍량 및 RFR) 및 호흡을 고려한 인체 모델의 탑승조건에 따른 공기질을 평가하여 적정 수준의 실내 공기질을 제어할 수 있는 예측 모델을 개발하였다. 이를 위해 HVAC 시스템의 작동풍량과 RFR에 따른 외기유입량에 대한 CO₂ 농도측정 실험데이터를 통해 차 실내 누설에 대한보정 방정식 및 경계조건을 정의하였다. 또한 이 보정 방정식을 고려하여 해석결과의 타당성을 실험결과와 비교하고 검증하였다.
자동차 실내의 HVAC 시스템의 RFR 및 풍량에 따른 실내 공기질 평가를 수행하기 위해 Table 4와 실험보정식을 바탕으로 경계조건(보정 RFR 및 풍량)을 선정하고 해석을 수행하였다. Fig.
실험은 자동차 실내에 성인 남성 한명을 탑승시킨 후 편안한 상태에서 180초 동안 호흡으로부터 발생하는 CO₂농도를 측정하였다. 차실 내에 CO₂ 센서는 운전석을 제외한 앞/뒤좌석 및 중앙 콘솔박스 위 등 총 4곳에 각각 위치시켰고, 실험이 진행되는 동안 HVAC 시스템을 가동시키지 않았다. 센서 4곳의 평균 농도 값을 이용하여 얻은 실험결과와 해석결과는 최대 약6.

대상 데이터

RFR은 0～100%의 범위로 구분되며 0%일 때 외기모드, 100%일 때 내기모드를 의미한다. 본 연구에서 고려한 HVAC 시스템은 증발기 유닛을 없애고 히터 유닛에 증발기와 히터코어를 함께 배치하여 구성한 semi-center type^[4]이다. 이 형식은 내기도어(recirculation modedoor)가 닫히는 만큼 외기도어(fresh mode door)가 열려, 내외기공기가 함께 HVAC 모듈로 혼합되어 차실내로 유입되는 구조로 되어있다.

데이터처리

또한 호흡횟수는 15회/분(일반적으로 12～20회)으로 정의하고, 호기 혼합공기 중 CO2의 체적 분율은 약 4%로 가정하였다.^[6,7] 인체모델의 호흡해석에 대한 타당성을 검증하기 위하여 실험결과와 해석결과를 비교하였다. 실험은 자동차 실내에 성인 남성 한명을 탑승시킨 후 편안한 상태에서 180초 동안 호흡으로부터 발생하는 CO₂농도를 측정하였다.

이론/모형

본 연구는 상용코드인 FLUENT V13을 이용하여 계산을 수행하였다.^[5] Fig.
속도, 압력, 온도 등을 계산하기 위해 연속방정식, 운동량 방정식, 에너지 방정식을 고려하였으며,[2] 표준 k-ε모델을 사용하여 난류를 고려하였다.

성능/효과

1에 나타내었다. Fig. 1을 살펴보면, 작동 풍량이 145 m³/h와 219 m³/h일 경우에는 RFR이 커질수록 내기유량의 측정값이 대부분 선형적으로 증가하는 것으로 나타났으나, 366 m³/h부터 538 m³/h까지의 경우에는 RFR이 커질수록 내기유량의 측정값이 비선형적으로 증가하는 것으로 나타났다. 이는 작동 풍량이 커지면서 HVAC 도어전후단의 압력차에 의한 유동의 섭동현상이 크게 발생했기 때문으로 판단된다.
이 그래프의 정확성을 검토하기 위해 1,000 ppm에 도달하는 시간을 무작위로 3가지 조건에 대해서 Table 7의 결과와 비교하였다. P0 (145 m³/h-RFR25%)의 실제 해석결과는 176 sec이고 그래프를 이용하여 구한 값은 약 180 sec, P0 (366 m³/h-RFR 75%)의 실제 해석결과는 245 sec이고 그래프를 이용하여 구한 값은 약 248 sec, P0 (538 m³/h-RFR50%)의 실제 해석결과는 97 sec이고 그래프를 이용하여 구한 값은 약 98 sec로, CO₂ 농도 예측 그래프를 통한 결과는 상당히 신뢰할 수 있음을 확인하였다. 이를 바탕으로 탑승 조건에 따른 자동차실내 CO₂ 농도를 실내권장농도(1,000 ppm) 이하로 제한 시간(60초,180초, 360초) 내에 제어하기 위한 풍량 및 RFR 조건은 Table 8에 나타내었으며, 360초 이후에 초기농도보다 차실내 CO₂ 농도가 증가하는 RFR 조건을 Table 9에 나타내었다.
11과 Table 7은 인체모델이 탑승하지 않았을 경우 차실내 CO₂의 농도(초기농도 2,000 ppm)가 실내 권장 농도인 1,000 ppm이 될 때까지의 풍량과 RFR에 따른 해석결과(소요 시간)를 나타낸다. RFR이 0%일 때는 538 m3/h를 기준으로 366 m³/h는 약 1.27배, 219 m³/h는 약 2.05배 그리고 145 m³/h는 약 2.89배 등의 시간이 더 걸리는 것으로 나타났고, RFR이 100%일 때는 538m³/h를 기준으로 366 m3/h는 약 1.61배, 219 m³/h는 약 2.55배 그리고 145 m³/h는 약 5.73배 등으로 RFR이 0%일 때보다 100%에서 자동차 실내의 오염물질을 정화하는데 풍량 대비 시간이 더 오래 걸리는 것으로 나타났다. 또한 RFR이 100%인 경우, 누설의 영향으로 차실내 오염가스가 감소하는 것으로 나타났다.
예를 들어 P1(145 m³/h-RFR 25%)와 P3 (366 m³/h-RFR 25%) 그리고 P4(538 m³/h-RFR 25%)에서는 체적평균 농도가 약 900 ppm으로 서로 비슷하게 나타났다. 그러나 CO₂ 농도 분포는 P1 (145 m³/h-RFR25%)는 운전자 가슴 앞부분과 발부분 등의 위치에서 농도가 높게 나타났고, P3 (366 m³/h-RFR 25%)는 호흡하는 코 부분을 제외한 나머지 부분은 거의 균일하게 나타났다. 또한 P4 (538 m³/h –RFR25%)는 탑승객의 코 부분과 운전석 발 부분, 뒷좌석 탑승객 등 부분에서 농도가 조금 높게 나타났다.
6과 7은 366 m³/h의 풍량 조건에서 RFR 0%와 100%의 유동해석 결과를 유선으로 나타내었다. 그림에서 볼 수 있듯이 RFR이 0%보다 100%에서 내기모드 출구를 통해 많은 양의 공기가 재순환되는 것을 확인할 수 있으며, RFR이 0%라 할지라도 재순환되는 유동이 약간은 존재함을 확인할 수 있다. 이 현상은 실제 자동차에서도유사하게 나타난다.
또한 본 연구에서 고려한 인체 호흡모델의 해석결과, 시간이 지남에 따라 호흡에 의한 CO₂ 농도는 선형적으로 증가하고, 실험결과와 비교한 결과 매우 유사한 결과(약 6.27%이하 오차)를 얻을 수 있었다. 이를 바탕으로 탑승인원(P1～P4)에 따른 차실내 CO₂농도를 평가한 결과 탑승인원과 비례하게 CO₂ 농도가 증가하는 것으로 나타났다.
또한 P3-366 m³/h (900 ppm)와 P3-538 m3/h (800 ppm)에서도 약 100 ppm의 차이가 발생하였고, P4-366 m³/h (1,100 ppm)와P4-538 m3/h (900 ppm)에서는 약 200 ppm의 차이가 발생하였다. 반면에 P0를 기준으로 풍량이 가장 작고 RFR이 작은 145m³/h-RFR 25%와 풍량이 가장 크고 RFR이 큰 538 m³/h-RFR75%의 차실내 CO₂ 체적평균 농도와 운전석 단면의 농도 분포가100 ppm 이하로 거의 유사한 것으로 나타났다.
차실 내에 CO₂ 센서는 운전석을 제외한 앞/뒤좌석 및 중앙 콘솔박스 위 등 총 4곳에 각각 위치시켰고, 실험이 진행되는 동안 HVAC 시스템을 가동시키지 않았다. 센서 4곳의 평균 농도 값을 이용하여 얻은 실험결과와 해석결과는 최대 약6.27%의 오차가 발생하였으며, 180초 동안 인체호흡에 따른 CO₂농도 변화는 거의 선형적으로 증가하는 것으로 나타났다(Fig. 5).
Table 1에서 정의한 HVAC의 RFR 방정식을 바탕으로 Table4의 경계조건에 따라 CFD 해석을 수행하였다. 이때, Fig. 1의 실험결과와 해석결과를 비교해보면 대부분의 작동 풍량에서 RFR이 작을수록(외기비율이 클수록) 오차가 커지는 것으로 나타났고, 작동 풍량에 따라서는 큰 차이를 보이지 않는 것으로 나타났다. 이러한 오차를 정정하기 위해, 실험에 의해 얻어진 이산화탄소 농도 및 해석 결과의 이산화탄소 농도 감소 비율의 차이를 기초 다항식 회귀법을 사용하여 식 (8)과 같은 실험보정식을 정의하였다.
27%이하 오차)를 얻을 수 있었다. 이를 바탕으로 탑승인원(P1～P4)에 따른 차실내 CO₂농도를 평가한 결과 탑승인원과 비례하게 CO₂ 농도가 증가하는 것으로 나타났다.
또한 P1의 CO₂ 농도가 1,000 ppm에 도달하는 동일한 시간(315sec)에 P2에서는 1,624ppm, P3에서는 2,279 ppm, P4에서는 2,962 ppm으로 측정되었다. 탑승인원(P1～P4)이 증가함에 따라 차실 내 CO₂ 농도는 비례하게 증가하였고, 초기 농도(400 ppm)에서 1,000 ppm에 비해2,000 ppm에 도달하는 시간이 약 2.6배 더 걸리는 것으로 나타났다.
2%씩 감소하였고,P3, P4의 저감율도 같은 경향을 보인다. 탑승인원이 늘어남에 따라 저감율의 감소비는 거의 비례하게 나타났고, 풍량이 커질수록 탑승인원 별 저감율의 차이는 줄어든다. Fig.

후속연구

자동차 실내의 냉난방 성능을 유지하면서 차실내 공기질 제어를 동시에 수행하기 위하여 상황에 따라 HVAC 시스템의 RFR은 작게 하면서 작동풍량을 키우거나, RFR을 크게 하면서 작동풍량을 작게 해야 하는 경우가 있다. 본 연구에서 도출한 CO₂ 농도 예측모델을 이용하면 상황에 따라 차실내 공기질의 정량적인 예측을 할 수 있을 뿐만 아니라, 이를 이용하여 제어 시스템을 개발하고 적용하면 능동적인 자동차 IEQ (indoor environmental quality)를 유지할 수 있을 것으로 판단된다.
농도 측정 실험결과를 통해 오차를 구하고 다항식회귀분석법을 이용하여 자동차 실내 및 HVAC 시스템의 누설에 대한 실험보정식을 정의하고 그 타당성을 입증(오차 10%미만)하였다. 수치해석을 수행할 때 이 실험보정식을 이용하면 실제 자동차 내부의 여러 누설에 대한 보정이 이루어져 해석결과를 신뢰할 수 있을 것으로 사료된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자동차 실내 오염물질 제거에는 어떤 방법이 있는가?	자동차 실내 오염물질 제거는 일반적으로 창문을 개방해서 신선한 외기(fresh air)를 실내에 도입시켜 오염된 공기를 희석시키는 방법과 공기청정기를 설치하여 정화시키는 방법 등이 있다. 이 중첫 번째 방법은 가장 빠르고 효과적인 방법이지만 외부 공기가 신선해야 하고, 여름과 겨울철은 실내외 온도 차이가 커서 승객의 쾌적성이나 에너지 보존 측면(연비 등)에는 좋지 않은 영향을 미친다.
	본 연구에서 사용한 HVAC 시스템의 형식은 무엇인가?	RFR은 0～100%의 범위로 구분되며 0%일 때 외기모드, 100%일 때 내기모드를 의미한다. 본 연구에서 고려한 HVAC 시스템은 증발기 유닛을 없애고 히터 유닛에 증발기와 히터코어를 함께 배치하여 구성한 semi-center type[4]이다. 이 형식은 내기도어(recirculation modedoor)가 닫히는 만큼 외기도어(fresh mode door)가 열려, 내외기공기가 함께 HVAC 모듈로 혼합되어 차실내로 유입되는 구조로 되어있다.
	HVAC 시스템의 장점은 무엇인가?	이 방법은 장치를 추가로 설치해야 하는 부담이 없고, 자동차 실내의 온도를 유지하면서 외부의 신선한 공기를 가장 빠르게 확보할수 있다. 또한 외부공기가 오염되었을 경우 내기모드로 전환하여 필터를 이용하면 일부 오염물질의 제거도 가능하다. 그러나 이 방법 또한 승객이 불편을 감지하고 환기의 필요성을 느낄 때만 HVAC 시스템을 가동하여 그 효과를 볼 수 있다.

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