HVAC 관련 매개변수 및 탑승조건에 따른 자동차 실내의 온열쾌적성 평가모델에 관한 수치해석적 연구 논문자료

HVAC 관련 매개변수 및 탑승조건에 따른 
자동차 실내의 온열쾌적성 평가모델에 관한 수치해석적 연구
A Numerical Study of Automotive Indoor Thermal Comfort Model 
According to Boarding Conditions and Parameters Related to HVAC

자동차를 이용하는 시간이 늘어남에 따라 자동차 실내의 온열쾌적성에 대한 관심이 급증하고 있다. 그러나 아직까진 실제 자동차 중에서 공조시스템의 냉방성능은 자동차 제조사별로 온열쾌적성 지표를 통해 평가되지 않고, 실내의 공기 속도와 온도 등 열환경 기준에 의해 평가되고 있다. 또한 차 실내의 온열쾌적성을 수치해석으로 평가하는 경우 타당한 결과를 도출할 수 있는 수치기법에 대한 기준이 확립되지 않은 상황이다. 본 연구에서는 외부 열원을 모사하기 위하여 태양광선 추적모델을 사용하고, 공조시스템 작동 후 20 분까지 다양한 매개변수(공조시스템의 작동모드와 작동풍량, 인체모델 탑승조건)에 대한 자동차 실내의 온열쾌적성 평가를 수행하였다. 이를 통해 자동차 실내의 온열쾌적성 지표를 예측할 수 있는 평가모델을 도출하였다.

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연구 주제

 

1. 문제 정의

본 연구에서는 타당한 온열쾌적성 평가 결과를 도출하기 위한 수치해석 방법을 제시하고, 다양한 매개변수에 따라 온열쾌적성 지표를 예측할 수 있는 평가모델을 도출하였다.

자동차의 온열쾌적감 향상을 위해 자동차 실내 열환경 모사가 가능한 수치해석조건의 수립 및 타당성을 검증하였고, HVAC 작동특성(HVAC 모드, 작동풍량) 과 탑승조건 등에 따라 열유동 해석을 수행하였다.

 

연구 방법

 

1. 제안 방법

또한 평가모델을 도출하기 위해 온열쾌적성에 영향을 미치는 매개변수를 선정하였으며, 이에 따라 온열쾌적성을 평가하였다.

이를 바탕으로 실내 열환경과 온열쾌적성 지표의 상관관계를 파악하였으며, 일정한 냉방시간과 임의의 작동풍량에서 온열쾌적성 지표를 예측할 수 있는 평가모델을 도출하였다.

태양광선 추적모델은 계산영역에 입사되는 태양복사의 직접 조명 에너지광원(direct illumination energy source)을 조사되는 태양의 위치벡터(longitude, latitude, timezone)와 태양의 조사량을 결정하는 광원의 매개변수(date, time, solar irradiation method, sunshine factor)를 이용하여 예측한다.

본 모델은 복사의 흡수(absorption), 방사(emission), 산란(scattering)을 무시하고, 오직 표면과 표면의 복사만 해석한다.

토출구별 공기의 토출방향은 뒷좌석의 등받이와 90°를 이루도록 고려하였고, 토출되는 공기의 온도는 실험값을 고려하였다.

HVAC 작동모드는 여름철 에어컨으로 주로 사용되는 vent mode 와 겨울철 히터로 주로 사용되는 foot mode 등 2 가지 모드를 고려하였으며, 각 모드에 따른 토출구 위치와 토출구 별 배분율은 실제 자동차 공조시스템의 작동조건을 고려하여 나타내었다.

HVAC 의 작동풍량은 토출할 수 있는 최대 풍량인 0.152kg/s 를 기준풍량으로 고려하였고, 다양한 작동풍량에 따른 결과를 도출하기 위해 기준풍량의 75%(0.114kg/s), 50%(0.076kg/s), 25%(0.038kg/s)의 조건들도 함께 고려하였다.

또한 표면 격자모양에 따라 계산영역 위에 가상의 layer 를 생성하고 외벽에 경계조건을 적용하여 외벽에서 내벽으로의 전도 발생을 모사하는 shell conduction 을 적용하였다.

HVAC 작동모드 별 열환경을 고려하기 위해 vent mode 와 foot mode 를 고려하였고, 작동풍량은 0.152kg/s 를 기준(100%)으로 75%(0.114kg/s), 50%(0.076kg/s), 25%(0.038kg/s)를 고려하였다.

HVAC 작동모드가 foot mode 인 경우 CASE 별, 구역별 평균온도를 비교하였다.

위의 PMV 지표를 다항식 회귀분석법으로 접합하여 식 (15)와 같이 온열쾌적성에 관한 함수를 도출함으로써 수치해석을 수행하지 않고 임의의 냉방시간에서 구역별 온열쾌적성 지표를 평가할 수 있는 평가모델을 작성하였다.

이를 바탕으로 온열쾌적성 지표(PMV, PPD) 평가결과를 비교하고, 열환경과 온열쾌적성의 상관관계를 분석한 후, 적정 수준의 자동차 실내 온열쾌적성을 제어할 수 있는 평가모델을 도출하였다.

이를 위해 S2S 복사모델을 사용하여 차 실내에 적용되는 태양에너지를 고려하고, 열 경계조건을 정의한 후 이를 바탕으로 매개변수 선정 및 연구를 통해 차 실내 구역을 설정한 후 그에 따른 온열쾌적성을 평가한 후 얻은 결과를 바탕으로 온열쾌적성 예측 모델을 제안하였다.

2. 대상 데이터

본 연구에서는 ASHRAE 55 에 근거하여 운전석 인체모델에는 약 90.9W/m2, 조수석에는 69.93W/m2 의 발열량을 고려하였다.

3. 이론/모형

속도, 압력 및 온도 등을 계산하기 위해 계산하기 위해 연속방정식, 운동량 방정식, 에너지 방정식을 고려하였으며, 표준 k −ε 모델을 사용하여 난류를 고려하였다.

본 연구는 상용코드인 FLUENT V13 을 이용하여 계산을 수행하였다.

자동차 실내로 유입되는 태양복사를 모사하기 위해 태양광선 추적모델을 적용하고, 복사모델이 온열쾌적성에 미치는 영향을 파악하기 위해 S2S(surface to surface) 복사모델을 고려하였다.

각 부품의 경계조건은 Jonsson의 연구를 바탕으로 적용

 

연구 결과

 

1. 성능/효과

구역별로 온도장을 비교해 보면 대부분의 CASE1~4(vent mode)에서 앞좌석 구역(S1, S2)과 뒷좌석 구역(S3, S4)의 평균온도 차이는 최대 약 2.5℃로 나타났고, 이를 통해 vent mode 로 작동할 시 실내 열환경은 불균일한 것을 확인하였다.

CASE 5 와 CASE 6 그리고 CASE 7 에서 구역별 평균온도는 S2, S1, S4, S3 의 순으로 높게 나타났고, CASE 8 은 S2, S1, S3, S4 의 순으로 높게 나타났다.

구역별로 온도장을 비교해 보면 CASE 5~8 에서 앞좌석 구역(S1, S2)과 뒷좌석 구역(S3, S4)의 평균온도 차이는 최대 약 1℃로 Vent mode(약 2.5℃)보다 비교적 실내 열환경이 균일하게 나타났다.

본 해석에 고려된 매개변수 중 풍량이 PMV 에 가장 큰 영향을 미치는 것을 확인할 수 있다.

PMV 와 PPD 평가결과는 열유동 해석결과에 크게 의존하는 것으로 나타났고, 적용된 매개변수 중에서 작동풍량의 영향을 가장 크게 받는 것으로 나타났다.

또한 HVAC 의 작동 모드에 따라 구역별 열환경을 분석한 결과 foot mode 로 작동하는 경우가 vent mode 에 비해 비교적 균일한 열환경을 유지할 수 있는 것으로 확인하였다.

자동차 실내의 열환경과 온열쾌적성 지표의 상관관계를 나타낸 결과 인체모델이 포함되어 있는 구역에서 온도장이 유사하더라도 실제 인체가 느끼는 온열쾌적성 지표는 서로 다른 감성영역에 속할 수 있는 것으로 나타났다.

2. 후속 연구

본 연구에서 도출한 온열쾌적성 평가모델을 이용하면 다양한 HVAC 작동조건에 따라 온열쾌적성 및 감성영역 평가를 빠르게 할 수 있으므로 추후 자동차 공조시스템의 제어로직에 관한 연구가 수행될 시 기초 연구자료가 될 수 있을 것으로 사료된다.

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▼출처 및 바로가기 : 
https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchArticle.do?cn=JAKO201426636276191

[논문]HVAC 관련 매개변수 및 탑승조건에 따른 자동차 실내의 온열쾌적성 평가모델에 관한 수치해