[논문]CFD를 활용한 바닥공조시스템 디퓨저의 성층화 모델 예측

손정은; 유병호; 방승기; 이광호

doi:10.6110/kjacr.2017.29.3.105

Abstract ▼ AI-Helper

Underfloor air distribution (UFAD) is an air distribution strategy for providing ventilation and space conditioning in buildings. UFAD systems use the underfloor plenum beneath a raised access floor to provide conditioned air through floor diffusers that create a vertical thermal stratification duri...

Underfloor air distribution (UFAD) is an air distribution strategy for providing ventilation and space conditioning in buildings. UFAD systems use the underfloor plenum beneath a raised access floor to provide conditioned air through floor diffusers that create a vertical thermal stratification during cooling operations. Thermal stratification has significant effects on energy, indoor air quality, and thermal comfort performance. The purpose of this study was to characterize the influence of a linear bar grille diffuser on thermal stratification in both interior and perimeter zones by developing Gamma-Phi based prediction models. Forty-eight simulations were carried out using a Computational Fluid Dynamics (CFD) technique. The number of diffusers, the air flow supply, internal heat gains, and solar radiations varied among the different cases. Models to predict temperature stratification for the tested linear bar grille diffuser have been developed, which can be directly implemented into dynamic whole-building simulation software such as EnergyPlus.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구는 바닥공조시스템 디퓨저의 성층화 모델예측식 산출을 목표로 하는 논문으로 전산유체역학 프로그램인 CFD를 활용하여 실시하였다. 시뮬레이션은 각각 다른 부하 조건의 16개 Case를 설정하여 내주부와 외주부에서 실시하였다.
본 연구에서는 Gamma-Phi 회귀분석 상관관계식을 활용하여 디퓨저 고유의 성층화 모델을 예측함으로써 성층화 모델 관련 가이드라인을 위한 기초자료로 제공하고자 한다. 국내의 경우 바닥공조시스템에서의 성층화 관련 체계적 연구 사례가 부족한 실정에서 성층화에 중요한 영향을 미치는 인자인 디퓨저에 관한 연구를 통해 차후 유용한 성층화 모델 설계 자료가 될 것으로 기대된다.

제안 방법

73로 나타났다. Gamma 값 증가에 따라 Phi 값은 좁은 상승폭을 보였으며 외주부에서의 상관관계식은 일차식으로 산출하였다.
16개의 Case를 설정하여 내주부에 대하여 한 번, 외주부에 대하여 두 번 시뮬레이션 하여 총 48개의 Case를 시뮬레이션 하였으며 각 Case 설정 값은 Table 3과 같다. 넓은 범위의 Gamma 값을 얻기 위해 디퓨저 갯수와 공급 풍량, 실내 기기, 인체, 조명 부하 값을 다양하게 설정하였다. 기기 및 인체, 조명에 대하여서는 발열량은 Table 1과 같이 설정하였으며 각 Case 별로 개수를 변화시켰다.
본 연구는 전산유체역학 해석기법을 활용하여 다양한 디퓨저의 갯수, 풍량, 실내 발열을 설정하고 실내 수직 온도 분포를 정밀하게 분석하여 바닥공조시스템의 디퓨저에 대한 성층화 성능식인 Gamma-Phi 상관관계식을 도출한 것으로, 그 결론은 다음과 같다.
초기 실내 온도는 28℃로 설정하고 실 공급온도는 16℃로 고정하였다. 실을 공조하고 천장을 통해 배기되는 공기 온도는 모델링한 환기구에 각 5개의 측정점을 설정하고 그 평균값으로 하였다.
기기 및 인체, 조명에 대하여서는 발열량은 Table 1과 같이 설정하였으며 각 Case 별로 개수를 변화시켰다. 외부 환경에 영향을 받지 않는 내주부는 일사로 인한 부하를 0 W로, 외주부는 서측 벽에 일사 부하를 1,000 W와 2,000 W를 각각 한 번씩 입력하여 Case당 세 번 시뮬레이션 하였다.

대상 데이터

16개의 Case를 설정하여 내주부에 대하여 한 번, 외주부에 대하여 두 번 시뮬레이션 하여 총 48개의 Case를 시뮬레이션 하였으며 각 Case 설정 값은 Table 3과 같다. 넓은 범위의 Gamma 값을 얻기 위해 디퓨저 갯수와 공급 풍량, 실내 기기, 인체, 조명 부하 값을 다양하게 설정하였다.
바닥에 설치된 디퓨저를 통해 공조되며 천장에 위치한 환기구를 통해 배기된다. 본 연구를 통해 개발된 디퓨저는 Fig. 3과 같이 Linear Bar Grille 형상이며 디퓨저 및 시뮬레이션 설정 값은 Table 1과 같다.
시뮬레이션 모델링은 가로와 세로가 8 m, 높이 2.7 m의 4면이 벽체로 구성된 사무소 건물을 모사한 것으로 Fig. 2와 같다. 바닥에 설치된 디퓨저를 통해 공조되며 천장에 위치한 환기구를 통해 배기된다.
본 연구는 바닥공조시스템 디퓨저의 성층화 모델예측식 산출을 목표로 하는 논문으로 전산유체역학 프로그램인 CFD를 활용하여 실시하였다. 시뮬레이션은 각각 다른 부하 조건의 16개 Case를 설정하여 내주부와 외주부에서 실시하였다. 실 높이에 따른 온도 값을 구하여 Gamma 값에 따른 Phi 값 패턴을 확인하고 회귀분석을 통해 성층화 예측 모델인 Gamma-Phi 상관관계식을 도출하였다.

데이터처리

시뮬레이션 결과를 바탕으로 회귀분석을 통해 내주부, 외주부에서 디퓨저의 Gamma 값 변화에 따른 Phi 값 변화 상관관계식을 산출하였으며 상관관계식은 Table 6과 같다. 시뮬레이션을 통해 산출한 내주부 Gamma 값은 1.
시뮬레이션을 통해 산출한 내주부 Gamma 값은 1.78⦤Γ⦤24.43의 범위를 나타냈으며, Gamma 값이 커질수록 Phi 값 또한 상승하였고 다중회귀분석을 통해 식을 산출하였다.
시뮬레이션은 각각 다른 부하 조건의 16개 Case를 설정하여 내주부와 외주부에서 실시하였다. 실 높이에 따른 온도 값을 구하여 Gamma 값에 따른 Phi 값 패턴을 확인하고 회귀분석을 통해 성층화 예측 모델인 Gamma-Phi 상관관계식을 도출하였다.
실측 및 CFD 시뮬레이션을 통해 여러 조건 하에서의 Gamma와 Phi를 산출한 후 회귀분석을 통해 Gamma에 따른 Phi 값 변화에 대한 Gamma-Phi 상관관계식을 산출한다.

이론/모형

본 연구에서 선정한 시뮬레이션 프로그램은 Computational Dynamics사에서 개발한 범용 CFD 프로그램인 STAR-CCM+를 활용하였다. 정상상태로 계산하였으며, 중력을 적용하였고 실내 환경평가를 위해 Realizablek-∊ 난류 모델로 설정하여 시뮬레이션 하였다.
본 연구에서 선정한 시뮬레이션 프로그램은 Computational Dynamics사에서 개발한 범용 CFD 프로그램인 STAR-CCM+를 활용하였다. 정상상태로 계산하였으며, 중력을 적용하였고 실내 환경평가를 위해 Realizablek-∊ 난류 모델로 설정하여 시뮬레이션 하였다. Mesh는 Trimmer를 사용하여 Grid를 형성하였다.

성능/효과

⁽²⁾ 최근 바닥공조시스템과 관련하여 미국 냉동공조학회 ASHRAE를 중심으로 바닥공조시스템 관련 기술과 설계 지침 등의 연구가 활발히 진행되고 있다.⁽¹⁾ 바닥공조시스템에서는 바닥 디퓨저로부터 취출 된 공조 공기가 실내 발생한 열부하(Heat Load)를 처리하고 천장(Return Plenum)으로 배기되면서 실내 온도 성층화(Temperature Stratification)가 발생하는 것이 이상적이다.⁽³⁾ 온도 성층화는 바닥에서 천장까지 일정하지 않은 수직 온도 분포로 공조된 찬 공기는 거주역에, 상승된 공기는 비거주역에 집중됨으로써 상대 밀도에 따른 내부 공기의 온도분포 결과이다.
(1) 일사에 영향을 받지 않는 내주부는 외주부에 비해서 적은 실내 부하를 보이는데, 공급 풍량이 증가할수록 거주역뿐만 아니라 비거주역까지 공조되어 거주역-비거주역 온도차 감소로 Phi 값이 1.0에 가까워져 성층화가 잘 형성되지 않음을 나타냈다.
⁽¹⁾ 바닥공조시스템에서는 바닥 디퓨저로부터 취출 된 공조 공기가 실내 발생한 열부하(Heat Load)를 처리하고 천장(Return Plenum)으로 배기되면서 실내 온도 성층화(Temperature Stratification)가 발생하는 것이 이상적이다.⁽³⁾ 온도 성층화는 바닥에서 천장까지 일정하지 않은 수직 온도 분포로 공조된 찬 공기는 거주역에, 상승된 공기는 비거주역에 집중됨으로써 상대 밀도에 따른 내부 공기의 온도분포 결과이다.⁽⁴⁾ 온도 성층화가 잘 형성될수록 비거주역의 부하를 고려할 필요성을 없애주기 때문에 바닥공조시스템에서 에너지 효율에 매우 큰 영향을 주는 핵심적인 기술이라고 할 수 있다.

후속연구

본 연구에서는 Gamma-Phi 회귀분석 상관관계식을 활용하여 디퓨저 고유의 성층화 모델을 예측함으로써 성층화 모델 관련 가이드라인을 위한 기초자료로 제공하고자 한다. 국내의 경우 바닥공조시스템에서의 성층화 관련 체계적 연구 사례가 부족한 실정에서 성층화에 중요한 영향을 미치는 인자인 디퓨저에 관한 연구를 통해 차후 유용한 성층화 모델 설계 자료가 될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	온도 성층화은 무엇인가?	(1) 바닥공조시스템에서는 바닥 디퓨저로부터 취출 된 공조 공기가 실내 발생한 열부하(Heat Load)를 처리하고 천장(Return Plenum)으로 배기되면서 실내 온도 성층화(Temperature Stratification)가 발생하는 것이 이상적이다.(3) 온도 성층화는 바닥에서 천장까지 일정하지 않은 수직 온도 분포로 공조된 찬 공기는 거주역에, 상승된 공기는 비거주역에 집중됨으로써 상대 밀도에 따른 내부 공기의 온도분포 결과이다.(4) 온도 성층화가 잘 형성될수록 비거주역의 부하를 고려할 필요성을 없애주기 때문에 바닥공조시스템에서 에너지 효율에 매우 큰 영향을 주는 핵심적인 기술이라고 할 수 있다.
	바닥공조시스템은 무엇인가?	바닥공조(Underfloor Air Distribution)시스템은 거주역(Lower Zone)과 비거주역(Upper Zone)으로 나누어 공조 공기를 바닥 패널(Raised Access Floor) 상부에 위치한 바닥 디퓨저(Floor Diffuser)를 통해 공조기로부터 실내 거주역으로 직접 공급하는 시스템을 말한다.(1) 기존 천장취출형 공조(Ceiling Based Air Distribution)시스템에 비해 냉방운전 시 상대적으로 적은 반송동력과 높은 공급온도로 실내 설정온도를 맞출 수 있어 에너지 절약적인 시스템으로 알려져 있다.
	바닥공조시스템이 천장취출형 공조 시스템과 비교하여 가지고 있는 장점은 무엇인가?	바닥공조(Underfloor Air Distribution)시스템은 거주역(Lower Zone)과 비거주역(Upper Zone)으로 나누어 공조 공기를 바닥 패널(Raised Access Floor) 상부에 위치한 바닥 디퓨저(Floor Diffuser)를 통해 공조기로부터 실내 거주역으로 직접 공급하는 시스템을 말한다.(1) 기존 천장취출형 공조(Ceiling Based Air Distribution)시스템에 비해 냉방운전 시 상대적으로 적은 반송동력과 높은 공급온도로 실내 설정온도를 맞출 수 있어 에너지 절약적인 시스템으로 알려져 있다.(2) 최근 바닥공조시스템과 관련하여 미국 냉동공조학회 ASHRAE를 중심으로 바닥공조시스템 관련 기술과 설계 지침 등의 연구가 활발히 진행되고 있다.

참고문헌 (10)

Chung, J. D., Hong, H. K., and Yoo, H. S., 2006, Effect of Radiative Mean Temperature on Thermal comfort of Underfloor Air Distribution, In Proceedings of the Summer Conference of SAREK, Yongpyong, South Korea, pp. 15-20.
Yoon, S. H., Jang, H. I., Kim, K. A., Yu, K. H., and Suh, S. J., 2013, An Energy Performance Evaluation of UFAD System under the Various Conditions of Thermal Load, Journal of Air-Conditioning and Ref. Eng, Vol. 25, No. 1, pp. 14-19.
Zhang, K., Zhang, X., Li, S., and Jin, X., 2014, Experimental Study on the Characterisrics of Supply air for UFAD System with Perforated Tiles, Journal of Energy and Buildings, Vol. 80, pp. 1-6.
Zhang, K., Zhang, X., and Li, S., 2016, Simplified Model for Desired Airflow Rate in Underfloor Air Distribution( UFAD) Systems, Journal of Applied Thermal Engineering, Vol. 93, pp. 244-250.

상세보기
Jang, H. I., Yoon, S. H., Lee, H. S., and Suh, S. J., 2012, Comparison on the Energy Performance of Underfloor Air Distribution System According to Modeling Method Using EnergyPlus, Journal of Air-Conditioning and Ref. Eng., Vol. 24, No. 10, pp. 718-723.
Lin, Y. J. P. and Linden, P. F., 2005, A Model for and Under Floor Air Distribution System, Journal of Energy and Buildings, Vol. 37, No. 4, pp. 399-409.

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

상세보기
Webster, T. and Bauman, F., 2006, Design Guidelines for Stratification in UFAD Systems, Journal of HPAC Eng., Vol. 78, No. 6, pp. 6-16.
Paftery, P., Lee, K. H., Webster, T., and Bauman, F., 2011, Analysis of a hybrid UFAD and Radiant Hydronic Slab HVAC System, Center for the Built Environment, pp. 1-10.
Webster, T., Lee, K. H., Hoyt, T., Feng, J., Daly, A., Schiavon, S., and Bauman, F., 2011, Development of Guidelines for Modeling Underfloor Air Distribution (UFAD) Systems in EnergyPlus, eQUEST, and Energy-Pro for Use in California non-residential Building Energy Efficiency Standards, Center for the Built Environment, Final Report, pp. 1-39.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

[국내논문] CFD를 활용한 바닥공조시스템 디퓨저의 성층화 모델 예측
Prediction of Stratification Model for Diffusers in Underfloor Air Distribution System using the CFD 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (10)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

[국내논문] CFD를 활용한 바닥공조시스템 디퓨저의 성층화 모델 예측 Prediction of Stratification Model for Diffusers in Underfloor Air Distribution System using the CFD 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (10)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

손정은 (2) 유병호 (3) 방승기 (31) 이광호 (18)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

[국내논문] CFD를 활용한 바닥공조시스템 디퓨저의 성층화 모델 예측
Prediction of Stratification Model for Diffusers in Underfloor Air Distribution System using the CFD 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper