대형 공장 개구부용 에어커튼의 설계 인자에 따른 차단 성능 변화에 대한 전산해석 연구 Numerical Study on Variations in the Sealing Performance of Air Curtains in Large-Scale Factory Opening Considering Various Design Factors원문보기
작업의 효율을 높이기 위해서 대형 공장에서 개구부는 주로 개방 되어 있다. 그러나 동절기에 공장에서 난방을 하는 경우 개방되어 있는 개구부는 난방부하를 상승시키는 큰 요인이다. 때문에 공장에서는 개구부 상단에 에어커튼을 설치하여 외부의 침기를 막아 난방부하를 낮춘다. 일반적인 에어커튼의 설계 변수로는 토출 각도와, 속도, 온도 등이 존재하며 이에 대한 연구는 이미 많이 진행되었다. 하지만, 공장이라는 공간적 특수성을 고려하였을 때, 기존에 연구되지 않은 개구부로부터의 이격 거리와 토출구 폭에 대한 부분도 차단 성능에 영향을 미친다. 그 결과 에어커튼은 이격 거리가 가깝고, 토출구 폭은 넓을수록 차단 성능이 좋았다. 이격 거리가 존재하더라도 토출구 폭을 증가시키면 차단 성능이 향상되었으며, 토출구 폭을 증가시킴으로써 약 13.7%의 차단 성능의 향상을 기대할 수 있다.
작업의 효율을 높이기 위해서 대형 공장에서 개구부는 주로 개방 되어 있다. 그러나 동절기에 공장에서 난방을 하는 경우 개방되어 있는 개구부는 난방부하를 상승시키는 큰 요인이다. 때문에 공장에서는 개구부 상단에 에어커튼을 설치하여 외부의 침기를 막아 난방부하를 낮춘다. 일반적인 에어커튼의 설계 변수로는 토출 각도와, 속도, 온도 등이 존재하며 이에 대한 연구는 이미 많이 진행되었다. 하지만, 공장이라는 공간적 특수성을 고려하였을 때, 기존에 연구되지 않은 개구부로부터의 이격 거리와 토출구 폭에 대한 부분도 차단 성능에 영향을 미친다. 그 결과 에어커튼은 이격 거리가 가깝고, 토출구 폭은 넓을수록 차단 성능이 좋았다. 이격 거리가 존재하더라도 토출구 폭을 증가시키면 차단 성능이 향상되었으며, 토출구 폭을 증가시킴으로써 약 13.7%의 차단 성능의 향상을 기대할 수 있다.
In large-scale factories, there are usually openings in the building to increase the efficiency of workers. However, if the factory is heated during winter, openings significantly increase the heating load. Therefore, there is a need for air curtains to be installed at the top of openings in factori...
In large-scale factories, there are usually openings in the building to increase the efficiency of workers. However, if the factory is heated during winter, openings significantly increase the heating load. Therefore, there is a need for air curtains to be installed at the top of openings in factories to reduce the heating load due to the cold air entering from outside. The main design variables of these air curtains are the discharge angle, speed, and temperature, etc. While there have already been many studies focusing on these design variables, the distance from the opening and the width of the discharge have not been studied even though they also affect the sealing performance. As a result, when the distance from the opening decreases and the width of the discharge increases, we realize an optimum air curtain performance. However, if the distance from the opening is about 1.5 m, by adjusting the discharge angle and the distance from the opening, the sealing performance of the air curtain is improved by 13.7％.
In large-scale factories, there are usually openings in the building to increase the efficiency of workers. However, if the factory is heated during winter, openings significantly increase the heating load. Therefore, there is a need for air curtains to be installed at the top of openings in factories to reduce the heating load due to the cold air entering from outside. The main design variables of these air curtains are the discharge angle, speed, and temperature, etc. While there have already been many studies focusing on these design variables, the distance from the opening and the width of the discharge have not been studied even though they also affect the sealing performance. As a result, when the distance from the opening decreases and the width of the discharge increases, we realize an optimum air curtain performance. However, if the distance from the opening is about 1.5 m, by adjusting the discharge angle and the distance from the opening, the sealing performance of the air curtain is improved by 13.7％.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 대형 공장에 존재하는 4 m × 4 m 크기의 대형 개구부에서 산업용 에어커튼의 설계 인자의 변화에 따라 외기 차단 성능을 전산 유체역학을 이용하여 연구하였다.
가설 설정
특히 층고가 길이에 비해 크게 작기 때문에 온도차이로 인한 굴뚝 효과는 거의 나타나지 않으며 이에 따라 중립 압력 높이(neutral pressure level)은 공장 건물 중앙에서 두드러지게 나타난다. (6,9,10) 때문에 대형 공장의 경우 밀폐공간이 아니고 개방된 개구부가 외풍을 받는 공장 전면부와 후면부에 전체적으로 존재하기 때문에 공장 내부에서의 압력 변화는 파티션 및 적재된 자재와 생산품들 그리고 생산 라인에 따른 국부적인 변화는 존재하나 넓은 총 면적의 영향으로 평균적인 대기압 상태와 동일하다고 가정하여 해당 연구를 진행하였다.
이는 팬 동력에 의해 에어커튼에서 토출되는 젯은 토출 각도에 관계없이 일정한 유량으로 토출된다고 가정하였기 때문이다. 또한 공장의 층고가 높지 않기 때문에 외부 유동은 고저에 관계없이 일정하다고 가정하였다. 그리고 해석 공간이 대칭적이고, 유동 방향 및 운동량 방향 역시 대칭적이며 도출되는 유동 패턴도 중심에서 대칭적인 결과가 나올 것을 예상할 수 있기 때문에 해석의 효율성을 위해 중앙에 대칭조건을 부여함으로써 절반의 영역만 해석을 수행하였다.
제안 방법
3처럼 구성하였다. 구역을 크게 내부 공간과 외부 공간으로 구분하였으며, 내부 공간은 공장의 일부분을 구현하였다. 공장의 단위 구역인 기둥과 기둥사이의 거리인 1개의 spanwise를 단위 길이로 적용하였으며, 그 경우 적용된 길이는 20 m이다.
또한 공장의 층고가 높지 않기 때문에 외부 유동은 고저에 관계없이 일정하다고 가정하였다. 그리고 해석 공간이 대칭적이고, 유동 방향 및 운동량 방향 역시 대칭적이며 도출되는 유동 패턴도 중심에서 대칭적인 결과가 나올 것을 예상할 수 있기 때문에 해석의 효율성을 위해 중앙에 대칭조건을 부여함으로써 절반의 영역만 해석을 수행하였다. Fig.
그리고, 이미 토출 각도에 대한 연구는 이미 진행되어 있으나,(6) 이격거리와 함께 토출 각도가 함께 미치는 영향을 알아보기 위해 각도를 0°, 7.5°, 15°, 그리고 22.5°의 각도에 대한 영향을 분석하였다.
에어커튼의 성능을 파악하는 방법 중 가장 확실한 방법은 외부에서 바람이 불 때 에어커튼을 가동시켜 여러 포인트에서 속력 측정을 하는 방법일 것이나 외풍의 유속이 일정하지 않기 때문에 외풍의 영향을 받아 회절하는 젯의 속력을 측정하는 것은 쉽지 않다. 따라서 여러 포인트에서 속력을 측정하면서 시간에 따라 속력의 변화를 추적하면서 그에 대한 평균치로 대표하는 방법으로 에어커튼에서 토출된 젯의 속력 분포를 파악하였다. 에어커튼에서 토출되는 공기의 형태는 젯의 형태와 동일하기 때문에 젯의 속력을 측정하는 방식을 택했으며, 측정을 위해 Lutron 사의 Am-4214SD 휴대용 속력 측정 장치를 사용하였고, 10분간 에어커튼이 가동 될 때의 내부 포인트 9개와 외풍 속력을 측정하는 1대를 외부 포인트에 사용하여 속력 데이터를 로깅하였다.
본 연구를 전산유체역학에 효과적으로 적용하기 위해서 해석 모델을 단순화하여 Fig. 3처럼 구성하였다. 구역을 크게 내부 공간과 외부 공간으로 구분하였으며, 내부 공간은 공장의 일부분을 구현하였다.
따라서 여러 포인트에서 속력을 측정하면서 시간에 따라 속력의 변화를 추적하면서 그에 대한 평균치로 대표하는 방법으로 에어커튼에서 토출된 젯의 속력 분포를 파악하였다. 에어커튼에서 토출되는 공기의 형태는 젯의 형태와 동일하기 때문에 젯의 속력을 측정하는 방식을 택했으며, 측정을 위해 Lutron 사의 Am-4214SD 휴대용 속력 측정 장치를 사용하였고, 10분간 에어커튼이 가동 될 때의 내부 포인트 9개와 외풍 속력을 측정하는 1대를 외부 포인트에 사용하여 속력 데이터를 로깅하였다. 속력을 측정한 포인트는 Fig.
1의 좌측 사진은 실제 개구부보다 토출구 폭이 작게 설치되어 있는 경우이며, 우측 사진은 개구부로부터 어느 정도 이격되어 에어커튼이 설치되어 있는 실제적인 현상을 보여주고 있다. 이처럼 대형 공장 내에서 실제적으로 설계 변수에 포함되는 이격 거리와 토출구 폭에 대한 영향을 전산유체역학을 이용하여 차단 성능의 변화를 알아보았다.
본 연구에서는 대형 공장에 존재하는 4 m × 4 m 크기의 대형 개구부에서 산업용 에어커튼의 설계 인자의 변화에 따라 외기 차단 성능을 전산 유체역학을 이용하여 연구하였다. 일반적인 에어커튼의 설계 변수 중 토출 각도와 토출 속도에 대한 영향은 이미 많은 연구를 통해 설명되었지만,(4~8) 일반적인 빌딩이나 상가에서 사용되는 에어커튼과는 다른게 대형 공장에 존재하는 대형 개구부가 가지는 설계 특성이 존재하며, 그 중 토출구 폭과 이격 거리에 대한 성능 변화를 중심으로 연구를 진행하였다. Fig.
에어커튼은 강한 모멘텀을 지닌 젯을 이용하여 외부에서부터 불어오는 외풍의 압력을 극복하고 내부로부터의 침입을 막고, 또한 내부의 공기가 외부로 나가는 것을 막아주는 역할을 한다. 하지만 젯의 모멘텀을 정량적인 가치로 측정하는 것은 불가능하며 수치적인 해석법(13)을 이용해서 계산하고 이에 대한 영향을 평가한다. 또한 직관적으로 에어커튼의 성능을 파악하기 위해서는 차단하는 외기량을 측정하여 이에 대한 차단 성능을 비교하는 방법이 주로 사용된다.
대상 데이터
구역을 크게 내부 공간과 외부 공간으로 구분하였으며, 내부 공간은 공장의 일부분을 구현하였다. 공장의 단위 구역인 기둥과 기둥사이의 거리인 1개의 spanwise를 단위 길이로 적용하였으며, 그 경우 적용된 길이는 20 m이다. 일반적인 공장에서 각 spanwise마다 적재 및 라인이 설치되는 기준이 되기 때문에 이를 단위 구역으로 정의하는 것은 타당하다고 간주하였다.
일반적인 공장에서 각 spanwise마다 적재 및 라인이 설치되는 기준이 되기 때문에 이를 단위 구역으로 정의하는 것은 타당하다고 간주하였다. 높이는 개구부의 높이인 4 m와 외부 벽면에는 원래 공장 높이인 12 m를 적용하였으며, 그 위 공간은 외부공간으로 하여 여유를 두어 해석 격자를 적용하였다. 공장 내부가 매우 넓기 때문에 실내 압력은 대기압 상태와 같았으므로 내부는 대기압 상태로 정의하였다.
모델이 되는 대형 생산 공장은 길이 약 400 m, 폭 약 150 m의 총 면적이 60,000 m2이 넘는 규모의 대형 공간이며, 높이는 약 12 m의 톱날형 지붕을 지녔다. 공장의 형상은 Fig.
산업용 에어커튼의 경우 앞서 설명한대로 개구부 상단부에 주요한 기타 설비들이 먼저 자리 잡을 경우 에어커튼이 개구부로부터 어느 정도 이격하여 설치되는 경우도 있기 때문에 이격 거리는 대형 공장에서 작동하는 에어커튼에 주요한 설계 변수로 존재할 수 있음을 설명하였다. 본 연구에서 적용한 에어커튼의 이격 거리는 실제 공장에서 설정되어 있는 일반적인 이격 거리인 1.5 m로 설정하였다. 1.
이론/모형
사용된 난류 모델로는 k-ε turbulence model for high Reynolds number를 적용했으며, 해당 난류 모델은 일반적인 외부 유동 및 환기 문제에서 다양하게 사용되기에 범용성이 강한 모델이다. 본 연구에서 원활한 해석을 위해서 상용 전산열유체역학 프로그램인 CD-Adapco 사의 STAR-CCM+ ver. 8.06을 사용하였다.
사용된 난류 모델로는 k-ε turbulence model for high Reynolds number를 적용했으며, 해당 난류 모델은 일반적인 외부 유동 및 환기 문제에서 다양하게 사용되기에 범용성이 강한 모델이다.
성능/효과
(1) 에어커튼은 일반적으로 개구부나 문에서 가까운 곳에 설치해야 차단 성능이 보장되며, 본 연구에서도 평균적인 차단 효율이 개구부 상단에 에어커튼이 설치된 경우 1.5 m 이격해서 설치한 경우보다 평균 25.8%의 차단 효율의 증가를 보인다.
(2) 개구부 폭에 대한 에어커튼의 토출구 폭비를 증가함으로써 에어커튼의 차단 효과를 향상시킬 수 있다. 특히 토출구 폭이 개구부 폭보다 5% 더 긴 경우에 이격 거리에 따라 약 1.
(4) 에어커튼은 개구부 상단부에 위치하는 것이 가장 효과적이나 부득이하게 개구부로부터 에어커튼의 이격 거리가 1.5 m 존재할 때 토출 각도를 15°, 토출구 폭비를 1.05로 에어커튼이 토출되는 경우 토출각도가 없고 (γ = 0°), 토출구 폭비가 1인 인반적인 상황보다 차단 효율을 13.7% 향상시킬 수 있다.
그리고, 토출 각도에 따라서도 기존 연구에서 밝혀진 대로 토출 각도가 약 7.5° ~ 15°방향으로 토출하는 하는 것이 차단 효율을 증가시키는 요인으로 작용되는 것을 알 수 있다.
그리고, 적색 동그라미는 해석한 결과를 보여준다. 전체적으로 해석 값이 측정한 평균값보다 근소하게 작으나 에어커튼 젯이 위치한 부분에서 큰 속도가 나오고, 멀어질수록 속도가 작게 나오는 경향이 유사하며, 중앙부가 양 옆보다 더 큰 속도가 측정되는 경향을 따르고 있다. 해석값과 측정값의 차이는 해석을 진행할 때 적용한 이상적인 경계조건을 따르며 정상상태의 값을 나타내는 조건의 차이에서 기인했다고 할 수 있다.
토출 폭비가 큰 경우에는 젯의 모멘텀이 유지되면서 외기를 차단하는 양상을 보인다. 즉 에어커튼에서 토출되는 유량이 같은 경우에도 토출구 폭을 증가시킴으로써 개구부 양 사이드로 침입하는 외부 침기를 막아주는 효과를 지니며 이를 통해 차단 효율이 증가함을 보여준다.
즉 일반적인 에어커튼의 설치 상황인 에어커튼 토출구 폭비 B/Wd = 1, 토출 각도 γ = 0° 인 상황에서의 차단 효율은 45.9%이나 토출구 폭비를 B/Wd =1.05로 증가시키고 토출 각도를 γ = 15°로 함으로써 차단 효율을 53.2%로 기존대비 13.7%의 차단 효율 향상을 기대할 수 있음을 의미한다.
이 경우 토출 각도가 15°에 가까울 수록 차단 성능이 약간 향상되는 현상을 보이는데, 같은 토출 유량이어도 에어커튼의 젯 모멘텀이 작용하는 면적을 증가시킴으로써 에어커튼을 우회하여 침입하는 외부 공기에 대한 차단 효과를 증대시킬 수 있음을 의미한다. 지금까지의 결과를 정리해보면 에어커튼의 토출구 폭이 작은 경우 에어커튼의 젯의 모멘텀을 피해 내부로 유입되는 유량이 분명하게 나타남을 알 수 있었으며 침기량이 토출 폭비가 작은 0.875인 경우 약 17.94 m3/s이나, 토출 폭비가 1.05인 경우에는 15.15 m3/s로 토출 폭비의 변화로 약 15.56 % 침기량을 줄일 수 있다. 에어커튼 설계 변수에 따른 차단 효율에 대한 정량적인 평가를 Fig.
각 기호에 대해서는 그래프에 설명되어 있다. 차단 효율은 토출구 폭비에 비례하며, 개구부 문폭보다 토출구 폭비가 더 큰 경우에도 차단 효율이 증가함을 보였다.
토출 각도가 0°일 때에 비해 7.5° ~ 15°의 각도를 주어 토출했을 때의 차단 효율이 이격 거리에 따라 4.6 ~7.7% 정도 향상되었다.
토출구 폭비에 대한 영향은 토출구 폭비가 클수록 차단 효과가 좋아지며, 개구부 폭보다 토출구 폭이 더 큰 경우 (B/Wd > 1)에도 토출 폭비에 대한 영향이 증가함을 보인다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
공장의 목적은 무엇인가?
공장은 일반적으로 생산이라는 합목적성이 강한 공간이기 때문에 효과적인 생산 및 작업 효과의 증대라는 가장 큰 목적을 지니고 있다. 그렇기 때문에 기존의 공장 내에서의 공기 조화라 함은 생산 제품의 효과적인 생산과 보관에 대한 적절한 온습도의 조절에 가장 큰 목적이 있었다.
대형 공장에서 효율적인 환기 성능을 보장하기 위해 사용되는 에어커튼의 역할은?
대형 공장에서 효율적인 환기 성능을 보장하고 발생되는 오염원의 유입 및 유출을 방지하며 이러한 상태에서도 안전하고 쾌적한 근로 환경을 보장하기 위한 공조 설비를 구성하면서 공조에 투입되는 에너지를 절감할 수 있는 많은 아이디어들이 연구되어 왔다.(1,2) 그 중 에어커튼은 실내외의 공기 교환을 막아주며 난방부하를 줄여주는 1차적인 역할을 담당한다.(1~3) 대형 공장의 경우 자재나 제품의 적하에 대형 차량을 이용하기 때문에 적하를 담당하는 대형 개구부가 상당량 존재하며, 작업의 효율성을 위해 동·하절기에도 항시 개방하는 경우가 잦다.
기존의 공장 내에서의 공기 조화는 어떤 목적이 있는가?
공장은 일반적으로 생산이라는 합목적성이 강한 공간이기 때문에 효과적인 생산 및 작업 효과의 증대라는 가장 큰 목적을 지니고 있다. 그렇기 때문에 기존의 공장 내에서의 공기 조화라 함은 생산 제품의 효과적인 생산과 보관에 대한 적절한 온습도의 조절에 가장 큰 목적이 있었다. 그러나 현대에 들어 실내 공간에서의 인간의 건강과 쾌적성에 대한 관심이 높아지면서 공조 공간 내에서의 재실자, 즉 공장 내의 근로자의 근로 환경 개선과 오염물질로부터 보호하는데 그 역할이 이동하고 있다.
참고문헌 (13)
Jeong, S. Y., 1993, "Ventilation System for Large Factories," Journal of the SAREK., Vol. 22, No. 2, pp. 135-144.
Cha, S. J., 1989, "Heating and Ventilating for Improving Large Factory's Indoor Condition," Journal of the SAREK., Vol. 18, No. 3, pp. 206-219.
Choi, D.-W., Eum, H.-S., Yoon, J.-I., Choi, K.-H., Agung, B. and Yoo, J.-K., 2013, "Research on the Effective Energy Conservation in the Cold Storage Imbedded with Air Curtain System," Proceedings of the Korean Solar Energy Society spring annual conference, Vol. 33, No. 1, pp. 171-175.
Joe, M.-J., Song, S.-Y. and Lim, J.-H., 2012, "A Study on the Air-tightness Criteria and Performance Improvement Methods of Domestic Curtain-wall Systems," Journal of the Architectural Institute of Korea, Vol. 28, No. 3, pp. 251-260.
Costa, J. J., Oliveira, L. A. and Silva, M. C. G., 2006, "Energy Savings by Aerodynamic Sealing with a Downward-blowing Plane Air Curtain A Numerical Approach," Energy and Buildings, Vol. 38, pp. 1182-1193.
Sung, S.-K., 2010, "Performance Variation of the Air Curtain for Various Discharge Angles in Feating Space," Journal of the SAREK., Vol. 22, No. 3, pp. 57-63.
Foster, A. M., Swain, M. J., Barrett, R., D'Agaro, P. and James, S. J., 2006, "Effectiveness and Optimum Jet Velocity for a Plane Jet Air Curtain Used to Restrict Cold Room Infiltration," International journal of refrigeration, Vol. 29, pp. 692-699.
Foster, A. M., Swain, M. J., Barrett, R. and D'Agaro, P. 2007, "Three-dimensional Effects of an Air Curtain Used to Restrict Cold Room Infiltration," Applied Mathematical Modeling, Vol. 31, pp. 1109-1123.
ASHRAE, 1992, "Cooling and Heating Load Calculation Manual," 2nd ed., American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning, Inc., Atlanta, GA.
Janssen, W. J., Pearman, A. N. and Hill, T. J., 1979, "Calculating Infiltration: An Examination of Handbook Model," ASHRAE Transactions, Vol. 86, Pt. 2.
Patankar, S. V., 1980, "Numerical Heat Transfer and Fluid Flow," McGraw-Hill, New York.
Myong, H. K. and Kasagi, N., 1990, "A New Approach to the Improvement of the k- ${\varepsilon}$ turbulence Model for Wall-bounded Shear Flows," International Journal of JSME (B), Vol. 33, No. 1, pp. 63-72.
Siren, K., 2003, "Technical Dimensioning of a Vertically Upwards Blowing Air Curtain - Part I," Energy and Building, Vol. 35, pp. 681-695.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.