주거 공간에서의 룸 에어컨디셔너 실내기 유형에 따른 온열쾌적성 및 에너지성능 평가
Evaluation of Thermal Comfort and Energy Efficiency According to Indoor-Unit Types of Room Air-Conditioner in Housing Space
석호태* 김동우** 양정훈***
Seok, Ho-Tae Kim, Dong-Woo Yang, Jeong-Hoon
Abstract
The purpose of this study is to evaluate the air diffusion performance of a range of indoor units for room air- conditioners; the wall-mounted type, floor-standing type, and ceiling-mounted type. These types of units, which have been widely used in housing spaces, will be studied with respect to thermal comfort and the energy performance using CFD analysis. In this study, current air conditioning status and related problems in housing spaces are examined, and a CFD analysis is performed in order to compare and analyze the thermal comfort and energy efficiency across each type of indoor-unit using the PMV, ADPI, EUC and FCEI indexes. The analysis results collectively considering thermal comfort and energy performance indicated that the ceiling-mounted type 4-way indoor unit showed the best diffusion performance in terms of thermal comfort, and had the second best diffusion performance in terms of energy performance after the wall-mounted type under certain conditions.
Keywords : Room Air-Conditioner, Thermal Comfort, Energy Efficiency, Indoor-Unit, Housing Space
주 요 어 :룸에어컨디셔너, 온열쾌적성, 에너지성능, 실내기, 주거공간
I. 서 론
1. 연구의 배경 및 목적
오늘날 주거환경의 변화 및 국민생활수준 향상에 따른 거주자들의 실내온열환경 쾌적성에 대한 욕구가 증대됨에 따라 주거 공간에서의 냉방을 위한 룸 에어컨디셔너의 수 요가 급속도로 증가하고 있다. 2006년 현재 주거 공간에 서의 룸 에어컨디셔너 보급률은 가구당 0.48대이며, 특히 2000년 이후에는 격년 평균 18.6%의 급격한 보급률 증가 세를 보여 2022년도 주거 공간의 룸 에어컨디셔너 보급 률은 가구당 약 1.04대로 예측되고 있다1).
그동안 우리나라는 냉방필요기간이 난방 필요기간에 비 해 상대적으로 짧은 기후특성 및 온돌이라는 전통적인 난 방방식의 영향으로 주거 공간에서 냉방시스템은 거의 배 제한 상태로 난방시스템만을 고려하였다. 따라서 냉방시 스템은 주거 공간의 준공 후 거주자의 필요와 경제적 능
력에 따라 대부분 독립적인 개별냉방시스템으로서 룸 에 어컨디셔너를 설치하여 사용하고 있는 실정이다. 이러한 주거 공간에서의 냉방시스템 사용패턴으로 인해 룸 에어 컨디셔너의 취출성능, 설치 및 운영에 관한 기준 및 지침 등이 전무한 실정이다.
룸 에어컨디셔너와 같은 전공기방식의 개별 냉방시스템 의 경우, 거주역으로 냉각공기를 효과적으로 공급하는 것 은 쾌적한 실내온열환경 조성과 에너지를 절약하기 위한 가장 기본적인 고려사항이다. 따라서 본 연구에서는 오늘 날 가장 많이 사용하고 있는 룸 에어컨디셔너의 실내기 유형인 벽걸이형, 스탠드형, 천장형을 중심으로 CFD 해 석을 이용하여 룸 에어컨디셔너의 실내기 유형별 온열쾌 적성 및 에너지성능을 평가하는 것을 연구목적으로 한다.
2. 연구의 범위 및 방법
본 연구에서는 오늘날 주거 공간의 냉방시스템 현황과 문제점을 고찰하고, CFD 해석을 통하여 룸 에어컨디셔너 실내기 유형별 온열쾌적성 및 에너지성능을 평가하였다.
본 연구의 진행을 위한 방법은 다음과 같다.
1) 선행연구 고찰을 통해 기존 연구들의 문제점을 고찰
***정회원(주저자), 영남대학교 건축학부 부교수, 공학박사
***정회원(교신저자), 영남대학교 대학원 건축학과 석사과정
***정회원, 영남대학교 건축학부 조교수, 공학박사
이 논문은 2008년 교육과학기술부로부터 지원받아 수행된 연구임 (지역거점연구단육성사업/바이오하우징연구사업단).
이 논문은 2008년 바이오하우징연구소의 지원을 받아 수행된 연구임. 1) 전력거래소(2006), 가전기기 보급률 및 가정용전력 소비행태 조 사, pp. 20-22
하고, 평가대상 범위를 주거 공간의 거실부로 한정하였다.
2) 주거 공간의 냉방시스템에 대한 고찰을 통하여 주거 공간에서 이용되고 있는 냉방시스템의 현황과 문제점에 대하여 파악하였다.
3) 선행연구 및 참고문헌을 통하여 CFD해석의 냉방 가 동 초기 실내온도, 룸 에어컨디셔너 취출 풍량, 온도 및 취출각도를 결정하였다.
4) 룸 에어컨디셔너의 온열쾌적성 평가지표로서 예상평 균온열감(PMV), 기류분포성능지표(ADPI)를, 에너지성능 평가지표로서 에너지이용률(EUC), 급속냉각효과지수(FCEI) 를 선정하고 CFD 해석에 적합하게 수정하였다.
5) 오늘날 널리 사용되고 있는 벽걸이형, 스탠드형, 천 장형 룸 에어컨디셔너의 실내기 유형에 대하여 일반적인 주거 공간에 설치된 형상을 모사하여 상용 CFD 해석 코 드인 STAR-CD를 이용해 CFD 해석을 수행하였다.
6) CFD 해석 결과를 이용하여 평가지표를 통해 룸 에 어컨디셔너 실내기 유형별 온열쾌적감 및 에너지성능을 종합 평가하였다.
3. 선행연구 고찰
선행 연구의 경우 다수의 실내 거주역으로의 공조공기 공급과 온열쾌적성 및 에너지효율에 관한 연구가 수행되 었다. 하지만 이는 주로 중앙냉방시스템에서의 덕트를 이 용한 디퓨져 등을 대상으로 한 연구이며, 주거 공간에서 의 룸 에어컨디셔너 온열쾌적성 및 에너지성능에 관한 연 구는 거의 수행되지 않았다.
일부 룸 에어컨디셔너를 이용한 냉방과 관련한 기존의 연구들에서는 오피스와 같은 박스형 실에 적용된 룸 에 어컨디셔너에 관한 연구2,3,8)가 주로 이루어졌다. 또한 다 양한 실내기 유형의 취출성능을 상호 검토하기 보다는 한 가지 실내기 유형에 대하여 취출각도, 취출풍량, 설치위치 를 중심으로 온열쾌적성의 개선방향에 대한 연구3,8)가 주 류를 이루었다. 하지만 주거 공간의 경우 오피스와는 부 하 특성 및 평면형상이 다른 특징을 가지기 때문에 기존 연구의 결과를 그대로 주거 공간에 적용을 하기에는 무 리가 따를 것으로 판단된다.
또한 평가범위에서 룸 에어컨디셔너는 주로 주거 공간 의 거실부에 설치되며, 룸 에어컨디셔너 가동시 재실자 역시 거실부에 재실한 상태에서 대부분 사용4)되므로, 거 실과 연결되는 모든 공간을 대상으로 룸 에어컨디셔너의
온열쾌적성 및 에너지성능을 평가하기 보다는 평가대상 공간을 거실부로 한정하는 것이 바람직하다고 판단된다.
II. 주거 공간의 냉방시스템
1. 주거 공간의 냉방시스템 현황 및 변천 1) 주거 공간의 냉방시스템 현황
우리나라 주거 공간에서의 냉방시스템은 기후적 요인 및 온돌이라는 전통적인 바닥복사난방방식 선호 등의 영 향으로 인해 건축물의 준공 후 사용자의 필요에 의해 추 가로 설치하여 사용하는 개별냉방시스템을 이용하고 있 다. 이 개별냉방시스템은 거의 모든 세대에서 전기를 에 너지원으로 하는 룸 에어컨디셔너를 사용하고 있다.
주요 가전기기 보급률 변화추이를 살펴보면, 기타 주요 가전기기의 보급률이 1990년대에 증가추세에서 벗어나 안 정기에 접어든 것에 반하여, 룸 에어컨디셔너는 상승세가 점점 증가되는 추세를 보이고 있다. 또한 이러한 보급률 의 증가추세는 점점 가속화 되어 2022년도의 주거 공간 에서의 룸 에어컨디셔너 보급률은 가구당 약 1.04대로서 주거 공간에서의 필수품으로 자리 잡을 것으로 예상되고 있다1).
2) 주거 공간의 냉방시스템 변천
상술한 바와 같이 우리나라의 주거 공간에서 주요하게 사용되고 있는 냉방시스템은 여러 가지 이유로 인하여 일 명 룸 에어컨디셔너라 불리는 개별냉방시스템을 사용하고 있다.
우리나라 최초로 양산된 룸 에어컨디셔너는 1960년대 후반부터 그 역사가 시작된다. 이후로 소비자의 냉방용량 의 대형화, 디자인의 고급화, 다기능화의 요구 등으로 인 해 시스템의 용량 증대 및 효율 개선, 부가기능 포함, 디 자인의 변화 등을 통해 다양하게 발전해 왔다. 룸 에어컨 디셔너는 최초로 양산된 제품 이후로부터 전체적인 시스 템의 작동 사이클 및 구성자체는 거의 변한 것이 없으며, 실내기 유형의 변천을 중심으로 분류하면 크게 1세대 창 문형, 2세대 벽걸이형, 3세대 스탠드형, 4세대 천장형으로 2) 원종환외(2006), 냉방시스템에따른사무공간의열쾌적성연구,
대한건축학회논문집(계획계), 22(1), pp. 203-210
3) 박승익외(2002), 교실에서패키지에어컨의취출각도에따른열
환경시뮬레이션, 대한건축학회논문집(계획계), 18(10), pp. 243-250
홍민호(1997), 에어컨으로개별냉방하는공동주택의열환경특성에
관한연구, 중앙대학교대학원건축공학과석사
Weiwei Liu et al. (2008), Optimization on indoor air diffusion of floor-standing type room air-condirioners, Energy and buildings, 40(2), pp. 59-70
4) 전정윤외(2005), 공동주택의여름철수용쾌적온도범위와거주
자의냉방기사용행위에관한연구, 설비공학논문집, 17(5), pp. 477-486
그림 1. 우리나라 주요 가전기기 보급률 변화 추이
구분할 수 있다. 룸에어컨디셔너의 시대별 변천 및 그 특징은 <표 1>과 같다.
2. 룸 에어컨디셔너를 이용하는 냉방의 문제점
룸에어컨디셔너의 문제점은 전기를 에너지원으로 하는 냉방시스템의 보급확산에따른 에너지효율및비용 측면 에서의 문제점, 설치 및 운영에 관한 기준 및 지침 없이 사용자 또는 설치자 임의대로사용 및 설치함에 따른 온 열쾌적감 측면에서의 문제점으로 나눌 수 있다.
1) 온열쾌적감 측면에서의 문제점
룸에어컨디셔너는 취출기류가 한방향으로 전개되어 취 출구 부근은 저온의고풍속 기류가 형성되고 직접 거주 영역에 도달함에 따라거주자는 드래프트로인해불쾌감 을느낄 가능성이 많다. 또한 대부분의 룸에어컨디셔너 는흡입구에 위치한 온도센서를 통해흡입되는 공기온도 를감지하고 이를 기준으로 압축기 제어를 통해 취출온 도를 변화시켜 실내의 온열환경을 제어한다. 이러한 제어 방식으로 인해 거주영역의온도 변화를적절히 감지하지 못해 과냉방 또는 그 반대의 결과를 야기해 거주역의 쾌 적성을 저하시킬 수 있다.
2) 에너지효율 및 비용 측면에서의 문제점
오늘날전기에너지를 사용하는 냉방기기의 보급량 증가 는전력소비량의 증가로 이어져하절기 최대 전력수요 증 가와 전력 예비율 감소로 이어지고 있다. 이로 인해 발전 시설의 확충을 위한투자비 증가와 비수기 전력공급시설 의이용률 저하로 인하여 국가적인 전력공급계통의 효율 을저하시키는 요인이 되고있다. 또한 우리나라의 일반
주택용 전기요금은사용한 전력량이 많을수록 가중된 세 율을 적용하는 누진세를 적용한다. 따라서 소비자는 전력
소모량이 큰 룸 에어컨디셔너를 하절기냉방기간 중가 동할 경우 기존 사용하던 전력량에 룸 에어컨디셔너 가 동을 위해 사용한 전력량이 더해져 가중된전기요금을 부 담해야만 한다. 이와 같은 에너지 비용의 부담은 냉방이 필요한 기간에 냉방시스템이 갖추어져있음에도 불구하고 냉방시스템의 작동을 꺼리게 하는 요소로 작용한다. 이로
인해 룸에어컨디셔너를 설치하는 위치는 대부분의 세대 에서 가족 구성원이 함께 모일 수 있는 거실에 한정되는 경우가 대다수이며, 가동시간 또한낮 시간 외기온이최
고로 올라가는 13~15시 또는 모든 구성원이 함께 모여
있는 19~21시사이의 제한된 시간 내에서만 가동하는 가
정의 비율이 높은 것으로 조사되었다5).
이밖에 사용자는 룸 에어컨디셔너의 가동 도중 고온 의실외 공기 유입으로인한 실내 온도의 상승을 막기위 해환기를 소홀히 하는 경향을 나타낸다. 이러한 운전 패 턴은 냉방시스템 가동 도중 신선외기를전혀 도입하지않 음으로 인해 실내공기의 오염 및 냉방병을 유발하는 등 다수의 문제들을 발생시킨다.
III. 룸 에어컨디셔너의 온열쾌적성 및 에너지성능 평가를 위한 평가지표
1. 온열쾌적성 평가지표
1) 예상평균온열감(Predicted Mean Vote)
예상평균온열감(이하 PMV)6)은인체온열감에 영향을주
는 인자들에 대한 인간의 온열환경에 대한 반응을 정량 화시킨 것으로 인체가 느끼는 열쾌적도를 −3(cold)에서
+3(hot)까지의 7단계의 온열감 척도를통하여 나타낸것
이다. 일반적으로 대다수의사람이 쾌적함을느끼는 PMV
의 범위는 −0.5에서 +0.5의 범위이다.
PMV=[0.303exp(−0.036M)+0.028]L (1)
여기에서,
M =인체신진대사율[W/m2]
L =인체에가해지는 열부하[W/m2]
2) 기류분포성능지표(Air Diffusion Performance Index)
기류분포성능지표(이하 ADPI)7)는 디퓨져의 급기 유동 에의한 재실자의 열쾌적성과 관련된 지표로서, 전체 측 정점수에 대한 쾌적영역의비율을 백분율로 나타내는 지 표이다. 여기에서 각각의 측정점에서 식(2)에의해 유효드 래프트온도(이하 EDT)를산정하고, 산정된 값이 −1.5K<
θ<1.0K의범위에 있으면서기류속도가 0.35 m/s 이내에
그림 2. 각 유형의 룸 에어컨디셔너 표 1. 룸 에어컨디셔너 시대별 변천 및 특징
구 분 유 형 특 징
(1960년대1세대
후반) 창문형 • 실내기와 실외기가 하나로 구성되어 창문쪽에 붙어있는 형태
• 미관상 좋지 않으며, 냉방용량이 크지 않음 (1970년대2세대
후반) 벽걸이형 • 수직벽체에 부착하는 형태
• 미적 감각을 살려 가전제품의 구실을 벗어나 인테리어적 요소로 사용되기 시작 (1980년대3세대
중반) 스탠드형 • 실 바닥에 상치하여 설치하는 형태• 냉방가능 용량이 큼 (1990년대4세대
후반) 천장형 • 천장 속 공간을 활용하여 천장에 부착하는
• 디자인 및 공간 활용성을 높임형태
5) 대한주택공사주택연구소(2000), 공동주택의냉난방시스템도입 방안연구
6) ASHRAE (2004), Thermal environmental conditions for human occupancy, ANSI/ASHRAE Standard 55-2004
7) ASHRAE (2005), Method of testing for room air diffusion, ANSI/ASHRAE Standard 113-2005
있는경우 쾌적영역으로 분류된다. 일반적으로 ADPI의값
이 80% 이상인 공간은 쾌적성이 적정하다고 평가된다.
θ=(tx−tc)−8.0(Vx−0.15) (2)
여기에서,
tx =임의의 지점에서의 건구온도[K]
tc =실내 설정(또는 평균) 온도[K]
Vx =임의의 지점에서의 기류속도[m/s]
상기에 기술한방법은 실측을 통하여 얻어진 데이터를
바탕으로 계산하는 ADPI를정의한 것이다. 본 논문에서
는 CFD 해석에 적합하도록 선행연구8)를 참고하여 CFD
해석의 계산 기본단위인 셀(cell)을토대로 전체 셀 체적 에대한 쾌적영역에해당하는 셀체적의 비율을 수정한
ADPI로서 정의하기로 한다. 수정된 ADPI는 식(3)과 같 이 나타낼 수 있다.
−1.5K<θ<1.0K를 만족하며,
ADPI=Vx<0.35 m/s를 만족하는 셀 체적 ×100 (3) 거주역 부분의 전체 셀 체적
2. 에너지성능 평가지표
1) 에너지이용률(Energy Utilization Coefficient)
에너지이용률(이하 EUC)9)은대상공간의 온열쾌적성을 만족시키기위하여 공급되는 에너지의 이용 효율을 나타
낸다. 높은 EUC 값은 실내온열쾌적성을 만족시키는데 투
입되는 에너지의 효율적인 이용을 나타낸다.
본논문에서는 흡입구로 흡입되는 공기의 평균온도가 실내설정온도에 도달하게 되면 취출구로 취출되는 공기의 온도가 흡입구로 흡입되는 공기의 평균온도와같도록 설 정하였다. 따라서이러한 경우 식(4)의분자가 0이 되게 되어 계산이 불가능하게 된다.
공조공기 취출에 대한 에너지 이용효율은 결과적으로 거주역으로 들어오는 공기와 거주역으로부터 나가는 공기 온도의 차를 의미한다. 따라서 선행연구8)를 참고하여본
래 EUC 정의에서의 흡입구로 흡입되는 공기온도 대신에
거주역 이외 공간의 공기의 평균온도를 적용한다. 수정된
EUC는 식(4)와 같이 나타낼 수 있다.
(4)
여기에서,
=거주역 이외 공간의평균온도[K]
=취출구에서 취출되는 공기온도[K]
=거주역의 평균온도[K]
CFD 해석의 계산 기본단위인 셀(cell)을이용하여 공간 의 평균온도는 다음과 같이 계산할 수 있다.
(5)
여기에서,
ti =해당셀(cell) 공기 온도[K]
mi =해당셀(cell) 공기 질량[kg]
M =전체셀(cell) 공기 질량[kg]
2) 급속냉각효과지표(Fast Cooling Effect Index)
급속냉각효과지표(이하 FCEI)8)는공조시 실내온도의이
상적인 설정온도 도달까지의시간에 대한 실제설정온도 까지 하강시 소요되는 시간의 비율을 의미한다.
(6)
여기에서,
act =거주역 평균온도의 설정온도까지 하강시 소요되 는 실제시간[s]
ict =실에 부하가 전혀 없을 경우 거주역 평균온도의 설정온도까지 하강시 소요되는 이상시간[s]
ict는 정의에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다. (7)
여기에서,
m =거주역공기의 총질량[kg]
c =공기의비열[kJ/kgK]
∆t =실초기온도에서설정온도까지 하강온도[K]
W =룸에어컨디셔너의 냉방능력[kW]
IV. 룸 에어컨디셔너 실내기 유형별 온열쾌적성 및 에너지성능 평가를 위한 CFD 해석개요
1. 해석 대상공간
CFD 해석 대상공간은 <그림 3>에 나타낸 바와 같이 우리나라의일반적인 크기와형태의 주거 공간을 선택하 였다.10) 또한 주된 룸에어컨디셔너 설치 공간이거실인 점을 감안하여 거실부분에한정하여 해석 대상공간을설 정하였다. 거실부분은 일반적으로 주방 및 인접실로 연 결되는 복도와 공간적으로 연결되어 있으므로, 해석 대상 공간에 포함하여 인접한 개방공간과의 상호관계에 의한 영향을 파악하였다. 해석 대상공간은 하단 거실창 측이 EUC toz–t0
tiz–t0
---
= ×100
toz t0 tiz
t timi
---M
⎝ ⎠
⎛ ⎞
∑
=
FCEI act
---ict
=
ict mc∆t
---W
=
8) Weiwei Liu et al. (2008), Optimization on indoor air diffusion of floor-standing type room air-condirioners, Energy and buildings 40(2), pp. 59-70
9) G. Gan (1995), Evaluation of room air distribution systems using computational fluid dynamics, Energy and buildings 23, pp. 83-93
10) 국가통계포털(www.kosis.kr)에따르면, 2005년현재전국의주 택은약 1,320만호로서, 그중아파트가약 696만호(52.6%)로가장 높은비율을차지하고있다. 또한규모가커질수록룸에어컨디셔너 를설치하는세대의비율이증가하는추세를보이기는하나, 주거공 간의일반적인규모(76.0~109.1 m2)를고려하여, 본논문에서선정 한해석대상공간은규모 109.1 m2의일반적인평면형태를가지고 있는아파트로하였다.
정남향, 상단주방창 측이정북향으로 향한것으로 가정
하였다. 해석 대상공간은 7.1 m(W)×8.1 m(D)×2.3 m(H)의 공간으로 전체 바닥면적은 약 36.6 m2이다.
2. 해석 Case
선정한 해석 대상공간에 벽걸이형, 스탠드형, 천장형
4way 유형의 실내기를설치한 형상을 모사하여 CFD 해
석을 수행하였다. 각해석 Case의 실내기 설치위치는 <그 림 4>와 같다.
3. 해석 지오메트리(Geometry) 및 격자
룸에어컨디셔너의 지오메트리 및해석격자는 시중판매 제품을 선정하여 외형적 특징(취출구, 흡입구 위치 및 크
기등)을 반영하여 작성하였다. CFD 해석의공간분할은 룸에어컨디셔너의 복잡한 형상에 대응하기 좋은 비정형 격자인 Tetrahedral mesh를사용하였으며, 해석 Case에따 라약간의 차이가 있지만 전체의 공간분할은 약 65,000
요소로분할하였다. 본논문의해석결과는 <그림 6>의 ‘b)
결과 단면도 위치’에 나타낸 단면의 결과를 나타내었다.
4. 해석 모델 및 경계조건
실제 룸 에어컨디셔너가동시 실내의 온도 및 기류는 시간에 따라서 실시간으로 변화한다. 따라서 이러한 현상 을시뮬레이션을 통해반영하기 위해서 비정상(Unsteady state) 해석을 410초간 수행하였다.
기류장 해석은 표준 k-ε high reynolds number 난류모
델을 사용하였다. 또한 공간내의 복사에 의한 영향을 반 영하기 위하여 복사계산을 연성하였다. 해석 알고리즘은
STAR-CD에서 비정상해석시 제공되는 알고리즘인 PISO
를 이용하였다.
모든 Case에서 룸에어컨디셔너의 취출구에서취출되는
풍량을 0.2 m3/s로동일하게 고정하여해석을 실시하였다.
이를 기준으로 취출구의 크기 및 개수에의해 취출구로
부터 취출되는 기류의 풍속은 해석 Case별로 서로 다르
게 하였다. 취출온도는 룸 에어컨디셔너의 흡입구로 흡입 되는 공기온도를 감지하여 299K을 기준으로 on-off 제어 를 하였다<표 2>.
해석 대상공간은 중간층에 위치하며, 인접실 또한 해석 대상공간과 같은 온도조건으로 냉방을 실시하는 것으로 가정하였다. 또한 거실창, 주방창 및 거실 바닥을 제외한 나머지 벽체는 단열조건으로설정하였다. 거실과 주방측 창은 외기와 접한 부분으로서 ‘건설교통부 고시 제2008- 5호 건축물의에너지절약설계기준’12)에 의해 향에 따른 상
당외기온을 고려하여거실창은 외기온도 307.9 K, 주방창
은 306.9 K으로 설정하였다. 또한 열관류율은 일반적인
16 mm 복층유리에 해당하는 3 W/m2K으로 동일하게 설정
하였다. 거실 바닥의 경우 4인가족에 대한 인체 발열13) 과 TV 등의 기본가전의 발열량을 합산하여 총 334.5 W
그림 3. 해석대상공간의평면도와모델링
그림 4. 해석 Case
그림 5. 해석지오메트리(Geometry)
그림 6. 해석격자및결과단면도위치
11) 흡입구 평균온도의 감지는 비정상해석 경과시간 5초마다 한 번 씩 실시하도록 하여, 흡입구 평균온도가 설정온도와 유사하게 형성 될 때 과도하게 민감한 흡입구 평균온도의 감지로 인한 잦은 실외기 의 on-off 반복이 발생하지 않도록 하였다.
12) [별표 6] 서울지역의 냉ㆍ난방장치의 용량계산을 위한 설계 외 기온ㆍ습도인 304.2K을 기준으로 하였다.
표 2. 취출구취출온도의제어조건11)
조 건 취출구 온도
흡입구 평균온도 > 299K 289K 흡입구 평균온도 ≤ 299K 흡입구 평균온도와 동일
의발열을 평면상 거실부의바닥면적 약 15.7 m2에 균등
분배하였다.
해석 초기 실내온도, 룸 에어컨디셔너의 취출각도, 룸 에에어컨디셔너 실외기 가동시 취출온도는 ‘I. 서론의 3.
선행연구고찰’의참고문헌과 기타 통계자료를 바탕으로
산정하였다. 해석 초기 실내온도의 경우 룸에어컨디셔너 의 이용행태를 조사한 기존 연구4,14)를 바탕으로 거의 모 든세대에서 룸에어컨디셔너의 가동을시작하는 실내온 도인 302.8 K으로하였다. 각 Case별 룸에어컨디셔너의 취출각도는 기존 연구결과3)를참고로 하여 각유형별 온 열쾌적성을 만족하는 최적 취출각도로서 결정하였다.
CFD 해석의 경계조건은 <표 3>에 나타낸 것과 같다. V. 룸 에어컨디셔너 실내기 유형별
온열쾌적성 및 에너지성능 평가15)
1. 시간에 따른 거주역 온도 및 풍속변화
1) 온도변화
각해석 Case별 룸에어컨디셔너 가동 후 시간경과에
따른 거주역 및흡입구로 흡입되는공기의 평균온도의 변
화를 <그림 7>에나타내었다. 각그래프에서 음영으로표
시된 부분은흡입구로 흡입되는 공기의 평균온도가실내 설정온도인 299K에도달하지못하여 실외기가가동되어 취출구에서는 289K의냉각공기가 취출되고 있음을 의미 한다.
시간에 따른 거주역 온도변화의 분석 결과 모든 해석
Case에서 취출구로부터 취출된 냉각공기가 단시간내에 거 주역에 도달함에 따라 룸 에어컨디셔너 가동 직후 거주 역평균온도가 급속도로하강하였으며, 흡입구로흡입되 는 공기의 평균온도를 기준으로 한실외기 on-off 제어로
인하여 상승과 하강을 반복하였다.
흡입구의 위치가 거실창과 인접하고 거주역에서 먼곳
에위치한 Case1(벽걸이형)의경우 거실 창으로부터 관류
하는 부하의 영향 및 거주역과 멀리 떨어진 곳에 위치한 흡입구의 위치로 인해 흡입구로 흡입되는 공기의 평균온 도가 항상 거주역의 평균온도를 상회하며 과냉방현상이 발생하였다. 특히룸 에어컨디셔너가동 초기 실외기 가 동시 거주역 평균온도가 설정온도인 299K까지 도달하는 시간에 비하여 흡입구로 흡입되는 공기 평균온도의설정
온도 도달까지 소요되는시간이 44.5초 늦어져 Case2(스
탠드형) 4.5초, Case3(천장형 4way) 11.6초에 비하여 지 연현상이 과도하게 발생하였다. 이로 인해 룸에어컨디셔 너 가동초기 쾌적성 및에너지 측면에서 불리한 것으로 나타났다.
Case3(천장형 4way)의 경우 Case1과유사하게 흡입구 의위치가 거주역에서 먼천장에 위치하고 있다. 하지만
Case3은다수의 취출구에서저풍속으로 냉각공기가공급
됨에 따라 냉각공기가 천장면으로부터 부하를제거하여 거주역까지 영향을 미친다. 또한 이로 인해 상대적으로
다른 Case에비하여 냉각공기가 거실부이외의 영역으로의
13) 인체발열량은 ‘대한설비공학회, 설비공학편람제2권공기조화, 1.4-10, 표 4.3 공조공간에서재실자에의한열취득률’을참고하여 성인남성의활동량 1.1 met에서의현열발열량 70.0 W를기준으로 산정하였다.
14) 권서현외(2007), 여름철전기요금이거주자의냉방기조작과온 열감에미치는효과, 설비공학논문집, 19(10), 703-709
15) 본논문에서 4가지평가지표를이용하여평가한룸에어컨디셔 너의실내기유형별온열쾌적성및에너지성능평가의결과는선행 연구고찰등을바탕으로주된룸에어컨디셔너의설치위치, 사용자 의이용행태등을고려하여평가대상공간인거주역을거실부바닥 에서높이 1.5 m 이하의공간으로한정하였다.
표 3. CFD 해석의 경계조건 벽체
인체및장비발열(①)
•인체대류열전달량: 234.5W
•1) 남성: 70.0W(100%)
•2) 여성: 59.5W(85%)
•3) 어린이: 52.5W(75%)×2명
•장비: 100W
전도
•거실측창(②)
•상당외기온도: 307.9K
•열관류율: 3W/m2K
•주방측창(③)
•상당외기온도: 306.9K
•열관류율: 3W/m2K
공조
구분 Case1(벽걸이형) Case2(스탠드형) Case3(천장형 4way)
취출구
•풍량: 0.2m3/s
•온도: user subroutine 제어
•풍속: 2.4m/s
•크기: 0.98m×0.085m
•취출각: 하향 30°
•난류강도: 0.1
•난류길이: 0.0085m
•풍량: 0.2m3/s
•온도: user subroutine 제어
•풍속: 1.9m/s
•크기: 0.44m×0.24m
•취출각: 상향 30°
•난류강도: 0.1
•난류길이: 0.024m
•풍량: 0.2m3/s
•온도: user subroutine 제어
•풍속: 1.7m/s
•크기: 0.42m×0.07m×4개
•취출각: 하향 30°
•난류강도: 0.1
•난류길이: 0.007m
흡입구 •크기: 1.09m×0.11m •크기: 0.07m×0.86m×2개 •크기: 0.46m×0.46m
확산이 활발하지 않다. 따라서 흡입구로 흡입되는 공기의 평균온도가 거주역의 평균온도를 비교적 잘 반영한 것으 로 판단된다.
전체 해석시간동안 실외기가 가동된 시간은 각 해석 Case 순서대로 180초, 175초, 165초로 나타났으며, Case 별로 큰 차이는 없었다. 하지만 실외기의 on-off 횟수의 경우 각 해석 Case 순서대로 11회, 3회, 7회로 나타났다.
잦은 실외기의 on-off가 이루어지는 Case1과 Case3의 경 우 기기의 내구성 저하 및 초기구동시 비효율적인 전동 기의 특성상 에너지 측면에서 바람직하지 못한 것으로 판 단된다.
2) 풍속변화
모든 해석 Case에서 최초로 설정된 취출구의 위치 및 취출각, 취출풍량 등의 변화가 없기 때문에 설정온도 도 달이후 시간 경과에 따른 거주역에서의 풍속은 거의 일 정하게 형성되었다. 하지만 실외기가 가동하여 취출구에 서 냉각공기가 취출될 경우에는 취출기류와 주변공기와의 밀도차가 커져 취출기류가 하강함에 따라 취출기류가 최 초로 도달하는 지점에서의 풍속이 약간 상승하는 경향이 나타났다.
모든 해석 Case에서 룸 에어컨디셔너 가동 후 흡입구 로 흡입되는 공기 평균온도가 설정온도까지 도달하는 시 간이 거주역 평균온도가 설정온도까지 도달하는 시간에 비하여 지연되었으며, 실외기 가동 중지 후 해석대상공간 의 온도가 상승하는 가운데 기류의 분포가 불안정한 양 상을 나타내었다. 하지만 약 120초의 시간 경과 후 해석 대상공간의 급격한 온도의 변화가 발생하지 않음에 따라 풍속 분포 또한 안정화 되었다. 또한 거주역 평균온도의 설정온도 도달이후 약 180초가 경과한 시점부터 모든 해 석 Case별로 시간 경과에 따른 거주역 풍속분포가 유사 하게 형성되었다.
2. 온열쾌적성 평가
본 논문의 경우 비정상해석을 수행하였기 때문에 시간 의 경과에 따라 지속적으로 변화하는 PMV와 ADPI의 값 을 분석하기 위한 특정 시각의 선정이 중요하다.
PMV 및 ADPI의 평가를 위한 시각의 선정에서 거주역 에서 형성되는 풍속의 경우 각 해석 Case별 최초 실내설 정온도 도달 후 180초 이상의 시간이 경과하면 거주역의 그림 7. 해석 Case별 시간 경과에 따른 거주역 및 흡입구로 흡입
되는 공기의 평균온도 변화
그림 8. 해석 Case별 거주역 평균온도의 설정온도 도달이후 180초 경과한 시점에서의 풍속분포
