[논문]수치해석을 이용한 바닥공조 시스템의 공기환경 평가

방승기; 안혜린; 이원근; 문기선; 김종률; 이광호

doi:10.17664/ksgee.2016.12.4.040

Abstract ▼ AI-Helper

In order to improve air quality of indoor environment, studies of the underfloor air distribution (UFAD) system for application in buildings are actively in progress based on temperature and air flow distribution. However, although the age of air is the major evaluation parameter, there has been ver...

In order to improve air quality of indoor environment, studies of the underfloor air distribution (UFAD) system for application in buildings are actively in progress based on temperature and air flow distribution. However, although the age of air is the major evaluation parameter, there has been very little study on this parameter for the UFAD system. In this study, we investigated the age of air to reach the air diffuser, which is installed at the bottom of the interior by the UFAD system. Computational fluid dynamics simulations showed no regular pattern to the maximum value of the age of air in accordance with air flow rate and the velocity at air diffuser. These factors can be deduced from air movement by considering that air emitted from air conditioners was rotated according to the bottom shape of the floor, and then, the age of air in the rotation center was increased. The average age of air of internal interior was reduced considerably as the flow velocity at the underfloor air diffuser was increased from 0.5 m/s to 1.0 m/s However, the age of air was not substantially affected with change in the air volume. Moreover, when the flow velocity at the underfloor air diffuser was higher than 1.0 m/s, the age of air showed no significant difference with change in air volume or height of measurement. These results imply that indoor air quality is more substantially influenced by flow velocity than air volume, and the appropriate flow velocity is 1 m/s or more.

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문제 정의

따라서 본 논문에서는 건축예정인 40m×40m 규모의 서울 시내 중심부에 위치한 지하 6층, 지상 26층의 사무소 건물을 대상으로 CFD를 이용하여 바닥취출에 따른 바닥하부에서의 공기령, 실내에서의 높이별 평균 공기령과 천장내부의 공기령을 중심으로 바닥취출 공조시스템의 성능 평가 및 바닥 취출속도의 최적화를 목적으로 연구를 진행하였다.
본 논문에서는 실내공기질의 평가지표인 공기령 항목을 이용하여 바닥 취출공조방식의 성능을 평가할 목적으로 연구를 진행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

3에 표기하였다. 해석 대상건물의 규모가 크고 바닥에 설치하는 LECU의 취출구 크기는 상대적으로 매우 작아서 바닥 하부-실내공간-천장내부를 동시에 해석하게 되면 Volume Mesh가 70,000,000 Cells 정도로 해석에 어려움이 발생되므로 해석은 2단계로 구분하여 실시하였다. 첫 번째 단계에서는 해석대상건물의 바닥 하부는 두 개의 Zone으로 구획되어 별도의 공조기를 사용하므로 Zone 1, Zone 2를 각각 나누어 시뮬레이션을 실시하였다.
첫 번째 단계에서는 해석대상건물의 바닥 하부는 두 개의 Zone으로 구획되어 별도의 공조기를 사용하므로 Zone 1, Zone 2를 각각 나누어 시뮬레이션을 실시하였다. 각 시뮬레이션에서는 Zone 별 LECU의 취출속도에 따른 각 취출구에서 상부로 토출되는 온도를 구하였으며 두 번째 단계에서는 Zone 1과 Zone 2에서 취출된 공기가 실내공간에서는 1개의 영역으로 공급되므로, 실내공간과 천장내부를 동시에 해석하였다. 이때, 천장내부에는 보와 같은 구조물이 있어서 기류의 흐름에 영향을 크게 미칠 것으로 판단하여 내부의 보, 기둥의 형상을 고려하여 모델링 하고 LECU는 Zone 1에는 40개, Zone 2에는 42개를 설치하는 것으로 하였다.

대상 데이터

시뮬레이션은 서울 시내 중심부에 위치한 지하 6층, 지상 26층의 사무소 건물의 기준층을 대상으로 CFD를 이용하여 바닥취출에 따른 냉방시의 실내온도, 기류 분포 및 실내의 공기령과 바닥하부의 공기유동을 평가하였다. Fig.
Table 1은 바닥 하부 해석을 위한 각 Zone별 시뮬레이션 Case를 나타낸 것으로 해석은 총 18case를 하였으며 해석 시 공조기의 취출 풍량은 각 Zone에서 10,000CMH, 13,000CMH 및 15,000CMH로 하고, 바닥하부에 설치된 취출구의 풍속은 0.5, 1.0 m/s 및 1.5 m/s로 설정하였다.

성능/효과

공조기에서 공급되는 풍량이 증가 할수록 최대 공기령은 짧아지는 것으로 나타나, 바닥취출구 전체의 평균공기령은 49초, 43초 및 40초로 나타났다.
1) 바닥하부에서 실내의 바닥에 설치된 취출구에도달하는 공기의 공기령의 최대값은 풍량 및 풍속에 따라 일정한 패턴을 보이지 않는 것으로 나타났다. 이는 바닥하부에서 공조기에서 공급된 공기가 실의 형태에 따라 회전하기 때문에 회전 중심부에서 공기령이 길어지기 때문인 것으로 판단된다.
2) 공조기에서 바닥취출구까지의 공기령의 평균 값은 공조기의 풍량이 증가하고, 바닥취출구에서의 취출속도가 증가할수록 짧아지는 것으로 나타났다.
3) 각 풍량에서 바닥취출구에서의 취출속도가 0.5 m/s에서 1.0 m/s로 증가하면 실내의 평균 공기령은 비교적 큰 값으로 짧아지는 것으로 나타났지만 풍량을 증가시키는 경우에는 그 효과가 다소 떨어지는 것으로 나타났다. 또한 바닥취출구에서의 취출속도가 1 m/s, 1.
4) 실내의 높이별 평균공기령은 공조기의 풍량에 큰 영향을 받지 않고, 바닥 취출구의 취출속도에 큰 영향을 받지만 취출속도가 일정속도 이상 증가하게 되면 평균 공기령의 차이는 거의 없는 것을 알 수 있다.
5) 실내의 공기환경을 유지하기 위해서는 각 Zone의 바닥하부에 공급하는 풍량보다는 바닥취출구의 풍속을 1.0 m/s 이상으로 하는 것이 바람직 할 것으로 판단된다.
해석결과 풍량이 10,000CMH인 경우 바닥 하부의 온도는 공조기에서 공급되는 온도가 16.5℃인 경우 바닥하부의 중앙부에서의 온도분포는 Zone 1에서는 최고 18.12℃, Zone 2에서는 19.7로 나타났으며 대부분의 영역에서는 16.5~17.5℃의 분포를 보이고 있다. 풍량이 13,000CMH인 경우는 Zone 1과 Zone 2의 최고온도는 17.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	공조기에서 바닥취출구까지 공기령의 평균 값은 어떻게 나타나는가?	2) 공조기에서 바닥취출구까지의 공기령의 평균 값은 공조기의 풍량이 증가하고, 바닥취출구에서의 취출속도가 증가할수록 짧아지는 것으로 나타났다.
	공기령의 최대값이 일정한 패턴을 보이지 않는 이유는 무엇인가?	1) 바닥하부에서 실내의 바닥에 설치된 취출구에도달하는 공기의 공기령의 최대값은 풍량 및 풍속에 따라 일정한 패턴을 보이지 않는 것으로 나타났다. 이는 바닥하부에서 공조기에서 공급된 공기가 실의 형태에 따라 회전하기 때문에 회전 중심부에서 공기령이 길어지기 때문인 것으로 판단된다.
	바닥공조시스템이란 무엇인가?	바닥공조시스템(UFAD, Underfloor Air Distribution System)은 공기조화시 건물 내부의 공기흐름을 바닥을 통해 공급하여 공조하는 방식이다[1]. 이러한 시스템은 층고의 감소, 급기 디퓨져 배치의 유연성 및 온열 쾌적성 향상 등으로 인해 건물에 적용하는 사례가 점차 증가하고 있다[2].

참고문헌 (8)

Kim, J. R., Lee, W. K., Moon, K. S., and Kim, H. Y., Introduction of Underflow Air Distribution System, 2016, Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building System, Vol. 10. No. 2, pp. 20-26.
Yoon, S. H., Jan, H. I., Jung, H. K., Choi, S. K., and Yu, K. H., Post Occupancy Evaluation for Office Building with An Underfloor Air Distribution System, 2011, Journal of the Korean Solar Energy Society, Vol. 31, No. 6. pp. 78-85.
Jung, K. S., Han, H. T., Kim, Y. S., Lee, E. T., and Kim, J. H., A Study on the Assessment of indoor Environment of Office Building with underfloor Air-Conditioning (UFAC) System, 1998, Journal of Architectural Institute of Korea, Vol. 14, No. 11, pp. 279-286.
Kim, S. H. and Park, J. I., Evaluation of Indoor Air Environment by Changing Diffuser location and Air Temperature with Under Floor Air Conditioning System. 2005, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 17 No. 15, pp. 397-403.
Lee, Y. H., Chang, J. D., Hwang, J. H., and Kim, J. I., Assessments of the Temperature and Velocity in an Office Using the Underfloor Air Conditioning System, 2004, The Korean Society of Living Environmental System. Vol. 11, No. 1, pp. 42-53.
Choi, E. H., Lee, Y. H., Kwon, Y. C., and Hwang, J. H., An Estimation on Indoor Thermal Environment by Pressurized Plenum Under Floor Air Conditioning System in Heating, 2010, Journal of the Korean Solar Energy Society, Vol. 30, No. 4, pp. 92-99.
Y. J. P. Lin and P. F. Linden, A Model for and Under Floor Air Distribution System, 2005, Journal of Energy and Buildings, Vol. 37, No. 4, pp. 399-409.

상세보기
S. Schiavon, T. Webster, D. Dickerhoff, and F. Bauman, Stratification Prediction Model for Perimeter Zone UFAD Diffusers based on Laboratory testing with Solar Simulator, 2014, Journal of Energy and Building, Vol. 82, pp. 786-794.

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