공기조화설비(HVAC) 설계시 혼합손실의 정량적 평가방안의 제안 논문자료

공기조화설비(HVAC) 설계시 혼합손실의 정량적 평가방안의 제안
The Proposal of a Quantitative Evaluation Method 
on Mixing Loss in the HVAC System Design

주변부와 내부 구역에 두 가지 유형의 공조 시스템을 적용한 건물에서 가열된 공기와 냉각된 공기의 혼합으로 인한 에너지 손실을 방지하는 것은 에너지 절약의 중요한 과제입니다. 본 논문의 목적은 혼합손실의 정량적, 정성적 메커니즘을 규명하고 이에 대한 예방방안을 제안하는 것이다. 본 논문에서는 동적 열부하 계산법을 이용하여 부산 지역의 대표적인 사무용 건물의 열추출 부하를 계산하였다. 결과에 따라 물리적 크기의 HVAC 시스템에서 혼합 손실을 측정하기 위해 전산유체역학을 기반으로 한 수치 시뮬레이션을 수행했습니다. 그리고 온도차가 혼합손실에 미치는 영향을 설정하여 그 관계를 파악하기 위해 기온과 유속의 분포를 분석하였다.

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연구 주제

 

1. 문제 정의

본 논문에서는, 상기의 배경에서 CFD(Compu-tational Fluid Dynamics)에 의한 실내공기분포의 simulation 을 실시하여 혼합손실을 정량적으로 평가하는 새로운 방안을 제시하고, 제안된 평가법의 적용가능성을 검토하기 위하여 페리미터존과 인테리어존의 설정온도차에 따른 혼합손실을 정량적으로 평가하였다.

실험에 의한 혼합손실 평가법의 문제점을 보완하기 위하여 CFD에 근거한 실내공기분포의 simulation을 실시하여 혼합손실을 정량적으로 평가할 수 있는 새로운 방안을 제안하고, 제안된 평가법의 적용가능성을 검토하기 위하여 페리미터존과 인테리어존의 설정온도차에 따른 혼합손실을 정량적으로 평가하였다.

2. 가설 설정

해석대상공간은 나타낸 것처럼 사무소 건물의 중간층을 대상으로 상정하였으므로, 창에 면한 부분만이 외기로부터 영향을 받으며, 나머지 세 벽처)(천정, 바닥 및 인테리어 내벽)는 전열이 발생되지 않는 완전 단열조건으로 가정하였다.

 

연구 방법

 

1. 제안 방법

냉난방이 동시에 실시되는 부산지역의 일반적인 사무소 공간을 상정하여 CFD simulation을 실시하였다.

난방부하를 계산하였다.

동적열부하 계산결과를 토대로, 급기구의 온도 및 풍량을 결정한 다음, CFD에 의한 기류 및 온도 분포의 수치 simulation을 실시하여 mixing loss를 정량적으로 산출하였다.

수치 simulation은 Table 2에 나타낸 것과 같이 설정온도차에 따른 A(페리미터 : 22°C, 인테리어 : 20°C), B(페리미터 : 20 °C, 인테리어 :20"C), CX페리미터 : 20°C, 인테리어 :22°C)의 3case를 상정하여 실시하였다.

혼합손실을 평가하기 위하여, 1차적으로 페리 미터 존과 인테리어존의 경계면에 단열벽를 설치하고, CFD에 의해 정상상태의 기류 및 온도분포를 계산한 후 다음의 식에 의해 혼합전의 공급 열량을 산정하였다.

한편, 혼합후의 공급열량은 경계단열벽을 제거하고 동일한 공조조건하에서 수치 Simulation을 실시하여 정상상태에 도달한 후 동일 방법에 의해 제거열량을 계산하여, 식(1)에 의해 혼합손실량을 산정하였다.

2. 대상 데이터

해석대상 모델은 사무소 건물의 북서측에 면한 공간으로서, 부산지역의 표준기상테이 터로부터 1, 2월의 대표적인(평균적인) 외기조건을 작성하고, 이에 대응하여 발생하는 열부하를 HASP/ACLD/ 9801을 사용하여 페리미터존과 인테리어 존에서의 냉난방부하를 계산하였다.

기류계산에 사용된 공간 mesh 분할은 검토대상공간의 전영역으로 하였으며, 90X50=4500mesh 의 격자계을 이용하였다.

3. 이론/모형

계산은 PHOENICS 3.1 Code에 의하여 실시되었으며, 수치계산에 사용된 난류모델은 Table 1에 나타낸 Viollet형 표준 k-ε모델을 사용하였다.

 

연구 결과

 

1. 성능/효과

혼합손실은 설정온도차에 따라 상당한 차이를 보이고 있음을 알 수 있으며, 혼합손실량은 페리미터, 인테리어존의 설정온도차에 크게 의존하여 페리미터존의 설정온도가 높을수록 혼합손실은 현저하게 나타나고 있다.

ML 및 MLR의 계산결과에 주목하면, 페리 미터 존의 온도를 인테리어존의 온도보다 높게 설정할수록 혼합손실이 증가한다는 것을 알 수 있다.

따라서, 혼합손실 방지를 위해서는 페리미터와 인테리어 존의 설정 온도 차를 작게, 또는 인테리어존의 온도를 페리미터 존보다 약간 높게 설정하는 것이 유리한 것으로 판단된다.

상기결과는 中原교수의 실대실험결과와 매우 일치된 결과를 보이고 있어 본 연구에서 새롭게 제안된 평가법의 적용 타당성을 입증하고 있다.

2. 후속 연구

새로운 평가법을 적용한 혼합손실의 평가 결과는 中原교수의 실대실험결과와 매우 일치된 결과를 보이고 있어, 본 연구에서 제안된 평가법의 적용 타당성을 입증하였으며, 향후 혼합손실에 영향을 주는 다양한 요인들에 대한 정량적 평가를 통해 혼합손실의 효율적 방지대책을 수립할 수 있을 것으로 기대된다.

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▼출처 및 바로가기 : 
https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchArticle.do?cn=JAKO200011921106792

[논문]공기조화설비(HVAC) 설계시 혼합손실의 정량적 평가방안의 제안