Numerical Analysis on the Initial Cool-down Performance Inside an Automobile for the Evaluation of Passenger's Thermal Comfort

CopyrightⒸ2010 KSAE 1225-6382/2010/107-17 Transactions of KSAE, Vol. 18, No. 5, pp.115-123 (2010)

차량 내부 탑승자의 쾌적성 평가를 위한 초기 냉방운전 성능에 대한 수치해석적 연구

김 윤 기¹⁾․양 장 식²⁾․백 제 현³⁾․김 경 천⁴⁾․지 호 성^*4)

부산대학교 기계공학과¹⁾․부산대학교 화력발전에너지분석기술센터²⁾․ 포항공과대학교 기계공학과³⁾․부산대학교 기계공학부⁴⁾

Numerical Analysis on the Initial Cool-down Performance Inside an Automobile for the Evaluation of Passenger's Thermal Comfort

Yoon Kee Kim¹⁾․Jang Sik Yang²⁾․Je Hyun Baek³⁾․Kyung Chun Kim⁴⁾․Ho Seong Ji^*4)

1)Graduate School of Mechanical Engineering, Pusan National University, Busan 609-390, Korea

2)Clean Coal Center, Pusan National University, Busan 609-390, Korea

3)Department of Mechanical Engineering, Pusan National University, Busan 609-390, Korea

4)Department of Mechanical Engineering, POSTECH, Gyeongbuk 790-784, Korea (Received 13 January 2010 / Accepted 3 March 2010)

Abstract : Cool-down performance after soaking is important because it affects passenger's thermal comfort. The cooling capacity of HVAC system determines initial cool down performance in most cases, the performance is also affected by location, and shape of panel vent, indoor seat arrangement. Therefore, optimal indoor designs are required in developing a new car. In this paper, initial cool down performance is predicted by CFD(computational fluid dynamics) analysis. Experimental time-averaging temperature data are used as inlet boundary condition. For more reliable analysis, real vehicle model and human FE model are used in grid generation procedure. Thermal and aero- dynamic characteristics on re-circulation cool vent mode are investigated using CFX 12.0. Thermal comfort represented by PMV(predicted mean vote) is evaluated using acquired numerical data. Temperature and velocity fields show that flow in passenger's compartment after soaking is considerably unstable at the view point of thermodynamics.

Volume-averaged temperature is decreased exponentially during overall cool down process. However, temperature monitored at different 16 spots in CFX-Solver shows local variation in head, chest, knee, foot. The cooling speed at the head and chest nearby panel vent are relatively faster than at the knee and foot. Horizontal temperature contour shows asymmetric distribution because of the location of exhaust vent. By evaluating the passenger's thermal comfort, slowest cooling region is found at the driver's seat.

Key words : Thermal comfort(쾌적성), Cooling cycle(냉동사이클), Computational fluid dynamics(전산유체역학), Heating, Ventilating, Air conditioning system(공기조화 시스템)

Nomenclature¹⁾ q : Heat flux, W/m²

G : Incident radiation heat flux density, W/m² hc : Convective heat transfer coefficient, W/m²°C

*Corresponding author, E-mail: [email protected]

Subscripts o : Outside

w : Surface of vehicle

김윤기․양장식․백제현․김경천․지호성

1. 서 론

자동차 내부의 공조시스템(Heating, Ventilating, Air conditioning system; HVAC)은 실내 온도 및 공기 의 질을 제어해 주는 매우 중요한 시스템으로 자동 차의 부가가치 향상에 밀접한 영향을 미친다. 이러 한 공조시스템은 덥거나 추운 외부환경에 상관없 이, 차량 내부 탑승자에게 쾌적한 상태를 제공하는 기능을 수행한다. 따라서 자동차 실내 환기에 따른 열적 쾌적성은 자동차 개발 시 매우 중요한 평가 지 표가 되며, 이를 평가하기 위해 cool-down 또는 warm-up 테스트가 필수적으로 요구된다. 그러나 새 로운 개발 차량의 부가가치 상승에 대한 공기조화 설비의 최적사양을 도출하기 위하여 실험적 연구를 수행하는 것은 과다한 연구비용의 투입이 요구될 수 있기 때문에, 전자산업의 급격한 발달에 힘입어 고성능 컴퓨터를 이용한 수치해석적 연구를 통한 개발 기간의 단축과 관련된 기술적 노력이 이루어 지고 있다.

자동차 내부의 열 유동 해석 및 쾌적성 평가와 관 련된 다양한 선행 연구들은 HVAC 시스템의 개발과 함께 많은 연구자들에 의해 진행되어 왔다. Hara 등¹⁾ 은 4만개의 격자를 사용하여 자동차 내부 승객실의 비정상 유동에 의한 자동차 내부의 온도 분포를 수 치해석적 기법으로 구하였다. Currle²⁾은 k-ɛ 난류모 델, 300만개의 격자를 사용하여 자동차 내부의 유동 을 해석하고 운전자의 쾌적성을 평가하였다. Lin 등³⁾ 은 공기유량, 벤트의 위치 및 유리의 특성 등 설계 변수를 활용하여, k-ɛ 난류모델, 20만개의 격자를 사 용하여 자동차 내부의 열적 쾌적성을 평가하였다.

Chien 등⁴⁾은 k-ɛ 난류모델, 약 5만개의 격자를 사용 하여, ε-NTU법에 의한 입구벤트의 온도를 예측한 후 시간에 따른 예상 평균 온열감(Predicted Mean Vote; PMV)의 변화를 예측하였고, Kadel 등⁵⁾은 k-ɛ 난류모델, 35만개의 격자를 사용하여 HVAC system 의 냉방 운전 조건하에서 차량 실내의 온도 변화를 수치해석적으로 예측하였다. Zhang 등⁶⁾은 k-ɛ 난류 모델, 6만개의 격자를 사용하여 자동차 실내 cool- down test를 모사하였고, 차량 내부에 설치한 온도감 지 센서에서 얻은 실험결과를 바탕으로 계산결과를 검증하였다.

그러나 많은 선행 연구가 수행 되었음에도 불구 하고, 다양한 형상과 기하학적 구조를 지니고 있는 실제 차량의 구조적 복잡성으로 인하여 정확한 예 측과 평가를 위한 격자 생성의 어려움이 존재하여 단순화된 모델을 사용하거나 내부 유동구조에 지배 적 영향을 미치는 벤트의 크기와 모양을 실제와 다 르게 적용하는 등 해석방법에 대한 몇가지 문제점 이 제기되었다. 자동차의 경우, 밀폐된 좁은 공간에 서 속도나 온도의 비균일성이 매우 크게 나타나므 로, 모델의 단순화 정도에 따라 정확하게 유동 구조 를 예측할 수 없으며, 실험과의 비교도 어려움이 따 른다.

본 연구에서는 승객이 느낄 수 있는 열적 쾌적성 에 지배적으로 영향을 미칠 수 있는 상세한 유동 구 조를 수치 해석적으로 관찰하기 위하여 자동차 실 차모델을 연구대상으로 하였다. 또한 벤트의 위치 및 크기도 실제 자동차와 동일하게 설정하여 적용 하였고, 승객실과 자동차 차체에 대해 각각 도메인 을 생성하여 이를 연동시키는 Coupling해석을 통해 차체가 가지는 열용량에 따른 효과를 해석과정에 반영하였다. 수치해석 결과를 토대로 Fanger⁷⁾의 식 을 이용한 열적 쾌적성을 평가하였고, 각 위치별 쾌 적성의 정도를 비교 분석하여 자동차 내부 열유동 연구의 기초자료로서의 활용도를 높이고자 하였다.

2. 해석방법 2.1 지배방정식

본 수치해석 연구는 아래와 같이 비정상RANS 방 정식(Unsteady Reynolds Averaged Navier Stokes equation)을 지배방정식으로 적용하였다.⁹⁾

연속방정식(Continuity Equation)과 운동량방정식 (Momentum Equation)은 아래와 같이 표현할 수 있다.



 ∇⋅   (1)





 ∇⋅⊗  ∇  ∇⋅ _ (2) 여기서, 는 분자응력텐서이고, _는 운동량항 (Momentum source)이다. 연속방정식은 변환되어 지 지 않지만 운동량 방정식과 스칼라 수송방정식은

차량 내부 탑승자의 쾌적성 평가를 위한 초기 냉방운전 성능에 대한 수치해석적 연구

분자확산유동에 추가되는 난류유동항을 포함한다.

그리고 레이놀즈 평균 에너지 방정식(The Reynol ds-Averaged Energy Equation)은 식 (3)과 같이 표현 할 수 있다.



_

 

 ∇⋅_  ∇⋅∆

⋅__ (3)

여기서, ^:열전도계수(Thermal conductivity), _: 에너지항(Energy source)을 나타내며, 평균 총 엔탈 피(enthalpy, _)는 식 (4)와 같이 표현할 수 있다.

_   

^  (4)

운동에너지(kinetic, )는 다음과 같다.

  

 ^ (5)

따라서, 변수들이 추가된 방정식은 다음과 같다.





 ∇⋅  ∇⋅∆   _ (6) 본 연구에서는 대부분의 선행연구에서 사용되었 던 표준 k-ε모델을 사용하여 수치해석을 수행하였다.

고체에서 유동은 없고 전도와 열원에 의한 열전 달만 고려 대상이 되므로, 고체 도메인에서의 방정 식은 다음의 식과 같이 표현할 수 있다.





 ∇⋅∇ _ (7)

여기서 _에 대한 정의는 단지 고체에서의 물리량이라는 것 이외에는 식 (3)과 동일하다.

2.2 해석 및 경계조건

본 연구에서는 자동차의 초기 냉방성능을 해석하 고 평가하기 위해 외기온도 30°C의 날씨에서 1시간 이상 햇빛에 노출되어 내부온도가 60°C가 된 상태 에 있는 자동차 내 승객실을 가정하였다. 실험적 연 구에 있어서, 태양의 복사에너지가 차량의 천정에 1000W 제공되도록 모사하는 조건과 동일하게 수치 해석적 연구에 적용하였으며, 제공된 복사열에 의 해 차량 내부 공기가 가열된 상태에서 운전자가 시 동을 걸고 출발하여 정속주행(60km/hr)을 하면서 에

Table 1 Volumetric flowrate at each vent

Mode Air vent

Volumetric flowrate Flowrate

(CMH)

Sub-Total (CMH)

Total (CMH)

Rec.

Cool.

Vent Vent

Left 128.0

477

505 L/C 112.4

R/C 116.5 Right 120.0

Floor

Left 7.2 L/C 8.6 28

R/C 6.5

Right 5.5

어컨을 가동하였을 때, 시간에 따른 실내 온도의 변 화를 수치해석적 기법을 이용하여 예측하였다. 본 연구에서 적용된 유량은 실제 차량에서 적용되는 최대 토출유량의 70%인 330CMH(m³/hr)를 적용하 였으며, Table 1에 실제 운전모드에 따른 최대 풍량 과 각 duct의 배분 토출유량을 요약하여 나타내었 고, 벤트에서 나오는 냉기의 온도는 실험값을 curve fitting하여 얻어진 식 (8)과 같은 함수로 정의하였다.

  exp 

   exp 

   

(8) 차량 내부의 열유동 특성에 영향을 미치는 외부 환경은 차량 외부의 외기조건과 차체 표면 사이의 대류현상과 태양으로부터 인가되는 복사열이다. 이 때 차체와 외기 사이에서 일어나는 열 교환량은 식 (9)와 같이 정의하였다.⁶⁾

  __ _   (9)

여기서 q는 열유속(W/m²), _는 대류열전달 계수 (W/m²°C), _는 외기온도(°C), _은 차체의 바깥표면 온도(°C), ^는 태양 복사 흡수율, 는 태양 열유속 (W/m²)을 나타낸다.

차체에 축적된 열의 효과를 모델링하기 위해 유 동 도메인과 차체에 대한 고체 도메인을 각각 생성 하였으며, 이들이 상호 연동되어 해석되도록 하였 고, 이에 따른 격자를 Fig. 1(a),(b)에 나타내었다. 유 동장과 차체가 공유하는 면은 CFX 코드 자체 내에 서 제공하는 GGI(General Grid Interface)기법을 이용 하여 서로 일치하지 않는 노드사이의 데이터 교환

Yoon Kee Kim․Jang Sik Yang․Je Hyun Baek․Kyung Chun Kim․Ho Seong Ji

Fig. 1 Computational domain and grid system

이 이루어지도록 하였다.

실제 차체를 구성하는 부분은 단순히 하나의 물 질로 이루어 진 것이 아니라, 다양한 열적 특성을 갖 는 여러 층으로 이루어져 있다.¹⁰⁾ 실제 차량의 Door 는 실내 측 Trim과 외측 판넬 그리고 그 사이의 공기 층으로 구성되어 있으며, 이외에도 Wire, Actuator, Steel Frame 등이 존재하여 내/외부 구성품 사이의 공기 층이 Thermal Bridge 역할을 한다. 이와 같이 복 잡하게 여러 층으로 구성되어 있는 차체의 구조를 해석하는 것은 매우 어려우므로, 본 연구에서는 차 체를 구성하는 각 층에 대한 물성치(C^p, k, ρ)를 고려 하여 차체에 대한 등가물성치를 구하였고, 이를 계 산과정에 반영하였다. 차체를 이루는 각 물성치의 등가물성치에 대한 기여도는 각 물질의 부피에 비 례한다는 가정하에 식 (10), 식 (11), 식 (12)와 같이 표현된다.

_ __ __⋯ __

_ _⋯ _

(10)

_{ }

_ _ ⋯ _

__ __ ⋯ __

(11)

_ __ ⋯_

__ __ ⋯ __

(12) 마지막 경계조건으로서 태양복사에 의한 고체표 면에서의 열전달은 CFX 코드 자체에 내장되어 있

는 Monte Carlo모델을 사용하였고, 복사 열유속은 1000W/m²로 가정하였다. 복사 열해석에 앞서, 유리 를 제외한 모든 고체표면에서의 방사율은 0.9를 , 전 후면 및 도어측 유리창에서는 0.84를 사용하였다.

2.3 열적 쾌적성 평가

열적 쾌적성을 평가하는 지표는 PMV(Predicted Mean Vote), ET*-DISC, HSU모델이 있다. 각각의 모 델의 장단점이 있으나 본 연구에서는 가장 고전적 모델이면서 광범위한 영역에서 사용되는 PMV 지 표를 사용하였다.^4),11-13) PMV는 정상상태에서의 열 적 쾌적성 평가기준이나 본 연구에서는 냉각과정 동안의 시간에 따른 변화를 살펴보기 위해 각 timestep에서의 속도와 온도값을 식 (13)에 대입하여 PMV값을 계산하였다.

 ^{ }  ×  

×   _   

  × ^{ }××  _  

×  _   × ^{ }⋅_⋅_

 ^ _ ^  _⋅_⋅_

_

(13)

여기서 M은 인체의 활동량, _은 의복 표면온도,

_은 평균 복사온도, _는 공기의 온도, _은 몸의 표면적에 대한 의복을 착용하였을 때의 면적비, _

은 옷의 열 저항, _는 대류 열전달 계수를 나타내며 식 (14)과 같이 표현된다.

_^{}^__^{for}for^^_^^^_^^{≺ }≥ ^^_ (14) 인체의 활동량(M)은 열적으로 쾌적한 상태에서 의자에 앉아 안정을 취하고 있을 때의 1met=58.2 W/m²를, 옷의 열저항(_)은 1clo=0.155m² °C/W를 가 정하였다. 계산상 수증기압()은 PMV 값에 미치 는 정도가 무시할 정도로 작으므로 각 온도에 따른 포화수증기압을 기준으로 상대습도 50%로 가정하 여 계산하였다.

의복 표면온도()는 의복 표면에서의 평균온도 로서 식 (15)에 의해 반복계산법에 의해 결정하였고, 계산결과를 식 (13)에 대입하여 각 시간별 PMV를 구하였다.

Numerical Analysis on the Initial Cool-down Performance Inside an Automobile for the Evaluation of Passenger's Thermal Comfort

_    _ ×^{ }_×

_ ^ _ ^  ____

(15)

3. 결과 및 토의 3.1 유동 및 열전달 해석 결과

Fig. 2는 본 연구에 사용된 직교 좌표계 및 자동차 내부의 기하학적 제원을 나타낸 그림이다. Fig. 2(a) 에서 좌표계의 원점은 차량의 앞부분에 위치하고 있으며, 원점을 기준으로 x축은 자동차의 길이방향, y축은 자동차의 너비 방향, z축은 자동차의 높이방 향을 가리킨다. 유동장 계산을 위한 자동차 내부는 폭이 약 1.8m, 길이는 약 3.1m, 높이는 약 1.2m의 제 원을 가진다. Fig. 2(b)에서 y=0인 자동차의 중심 단 면에 대해 4개의 패널벤트는 z축에 대해 서로 대칭 을 이루고 있으며 측면 벤트의 중심은 z=0.68m에 위 치하며, 중앙 좌우 벤트의 중심은 측면 벤트보다 0.08m 아래인 z=0.6m에 위치해 있음을 알 수 있다.

HVAC 덕트의 끝에 위치하는 그릴에 의해 조절되는 냉풍의 분사각도는 좌우 측면 벤트에서는 x축에 대 해 약 45° 각도로 위쪽을 향해 분사되도록, 그리고

(a) General cartesian coordinate system of vehicle

(b) Coordinates at front panel

Fig. 2 Coordinate system and specification of indoor panel vents

중앙 좌우측 벤트에서는 x축 방향으로 분사되도록 조정하였다.

Figs 3~5는 내부 순환모드 하에서 자동차 내부 냉 각 과정의 수치모사 결과를 시각적으로 나타낸 그 림이다. 냉방 운전이 진행되면서 자동차 내부의 온 도분포는 시간에 따라 변화의 폭이 크게 나타나는 반면, 속도장에 의해 정의되는 유동구조는 전체 해 석 시간동안 거의 변함없이 일정한 패턴을 형성하 였다. Fig. 3은 일정 시간(t=1600s)이 지난 후의 차내 단면에 대한 속도장을 나타낸다. 양 측면 벤트에서 분사된 냉기는 운전자와 조수석 승객의 어깨를 지 나 뒷좌석으로 유입되며, 운전자와 보조석 승객의 머리 위쪽으로 약 1.3m/s의 기류를 형성한다(Fig.

3(a)). 이 유동은 큰 저항 없이 천정벽면을 따라 뒷좌 석으로 유입되어 흐르다가 다시 양 측면 도어 벽면 을 따라 앞좌석으로 되돌아오는 순환 유동구조를 가진다(Fig. 3(b)). 중앙 좌우벤트에서 나오는 냉기 는 수평방향으로 그대로 뒷좌석까지 직진하여 다시 양 측면 도어 쪽을 통해 앞좌석으로 유입되며, 이 과 정에서 약 30% 정도의 냉기는 뒷좌석으로 유입되지 않고 조수석 쪽으로 흘러 조수석 무릎쪽의 재순환 출구벤트(exhaust vent)로 유출된다. 벤트에서의 출 구 속도는 위치에 따라 0.5~0.7m/s 정도의 차이를 가 지고 있으나 평균적으로 약 3.7m/s로 계산되었고, 평균 실내 속도는 약 0.5m/s, 최저 속도는 전면유리 창에서 0.02 m/s의 속도분포를 가지는 것으로 나타 났다. 유동장 내부로 들어온 냉기는 주위의 더운 공 기에 의해 열을 차츰 공급받아 온도가 상승하는 한 편, 속도는 점차적으로 감소하여 뒷좌석에서는 벤 트에서 나온 분사속도의 약 70%의 속도를 가지는 것으로 나타났다. 이는 속도가 다른 두 유체간에 일 어나는 에너지 소산에 의한 효과로 사료되며, 이 과 정에서 유동장 내부로 분사된 차가운 공기와 정체 된 더운 공기 사이에 활발한 열교환이 이루어지게 되어 최종적으로 열적 평형상태에 이르게 되는 것 으로 사료된다.

Fig. 4(a)와 (b)는 각각 운전석 중앙 x-z 단면(y=

-0.365m), 조수석 중앙 x-z 단면(y=0.365m)에 대한 온도 분포를 등온도 분포 형태로 나타낸 그림이다.

공통적으로 승객의 머리 위쪽에서 약 19°C 정도의

김윤기․양장식․백제현․김경천․지호성

(a) Velocity field at centers of each seat

(b) Velocity field at centers of each vents Fig. 3 Velocity field at the vertical planes

(a) Center plane of driver's seat (y=-0.365m)

(b) Center plane of assistant's seat (y=0.365m) Fig. 4 Temperature contour at vertical planes

(a) Horizontal plane at z=0.68m

(b) Horizontal plane at z=0.6m Fig. 5 Temperature contour at horizontal planes

낮은 온도 분포를 보이는 기류가 형성되었고, 전면 유리창에서 높은 온도 정체영역이 존재함을 확인하 였다. Fig. 4(a)와 (b)에서 조수석 line 보다는 운전석 line에서 냉각속도가 느린 것으로 분석되었다. 앞좌 석 운전자 주위와 조수석 승객 주위의 온도차는 5~10°C 정도, 앞좌석과 뒷좌석의 온도차는 약 2~

5°C로 관찰되었다. 이는 HVAC 시스템 쪽으로 재순 환되는 출구벤트의 위치가 조수석 근처에 위치함에 따라 냉기가 상대적으로 출구 근처에 있는 조수석 쪽으로 흐르고자 하는 공기역학적인 원인에 의한 것으로 사료된다. Fig. 4(a)에서 운전자의 가슴에서 발까지 최대 30°C 정도의 높은 온도를 가지는 영역 이 형성되었고, 그 주위로 3~4°C 정도의 온도편차를 가지면서 유동하는 영역이 존재하였다. 그리고 운 전석 뒷좌석에 있는 승객 주위로는 목 주위에서 국 부적으로 30°C도 정도, 주위와의 최대 온도차는 5°C 정도로 나타났다. 한편, 조수석에서는 전체적으로 22°C 정도의 균일한 온도분포를 지니고 있었으나 무릎 쪽에서 약 25°C 정도의 온도 정체구간이 나타

차량 내부 탑승자의 쾌적성 평가를 위한 초기 냉방운전 성능에 대한 수치해석적 연구

났고, 이러한 경향은 조수석 뒷좌석에서도 관찰되 고 있다. 자동차 내부에서 이와 같이 국부적으로 큰 온도차가 나타나는 원인은 공기조화 시스템에 의해 차 실내의 공기가 냉방되고 있는 중에도 천정과 도 어쪽 벽면을 통해 복사에 의한 열전달이 계속 이루 어지기 때문이다.

Fig. 5(a)와 (b)는 승객실 내 x-y 단면에 대한 온도 분포를 나타낸다. Fig. 5(a)는 바닥으로부터 z=0.68m 에 위치한 양 측면 벤트의 중앙단면에 대한 온도분 포를, Fig. 5(b)는 이보다 0.08m 아래에 위치한 z=

0.6m에서 중앙좌우 벤트의 중앙단면에 대한 온도 분포를 나타낸 것이다. Fig. 5(a)와 (b)에서 가장 높은 온도가 운전석에서 집중적으로 나타나고 있음을 확 인할 수 있다. 중앙 좌우 벤트에서 나오는 냉풍도 운 전석으로 거의 침투되지 못하고 있다. 운전석에서 의 평균온도는 대략 27~30°C,로 나타나고 있는 반 면, 조수석에서의 온도는 20~23°C로 국부적인 온도 편차가 심하게 나타났다. 전체적으로 운전석과 운 전석 뒷좌석보다 조수석과 뒷좌석에서 더 낮은 온 도를 나타내고 있으며, 특히 조수석 뒷좌석에서의 온도가 운전석에서보다 평균적으로 약 3~4°C 더 낮 게 나타나고 있다.

Fig. 6은 자동차 내부의 온도 검출 위치에 따른 16 개의 지점에서의 시간에 따른 온도의 변화를 나타 낸 그래프이다. 그래프 안의 그림은 16개의 온도검 출 위치를 나타내며 운전자, 운전석 뒷좌석 승객, 보 조석 뒷좌석 승객, 보조석 승객순으로 1~4의 번호를 붙였고, 각 승객의 머리, 가슴, 무릎, 발 에서의 온도 검출 위치를 나타낸다. 초기에는 모든 지점에서 60°C의 온도값을 가지고 있으나, 냉풍이 토출 그릴 을 따라 유동장 내부로 들어옴에 따라 내부 온도는 점차 감소하며, 국부적인 온도의 불균일성이 최대 10°C 정도의 값을 가지고 나타남을 알 수 있었다. 모 든 위치에서 온도는 지수 함수의 형태로 처음에는 감소폭이 크게 나타나지만 시간이 경과함에 따라 점차 온도 변화폭이 줄어들었고, 일정시간이 경과 한 이후 각 위치에서 온도값의 순서가 바뀌지 않는 일관성을 보였다. 조수석의 냉각속도는 다른 위치 에 비해 상대적으로 급격하게 진행되었으며, 운전 자의 발이 위치하는 가속 페달과 제동 페달이 있는

Fig. 6 Temperature variation as a function of time domain

영역에서 냉각속도가 가장 느린 것으로 나타났다.

전체적으로 냉기가 직접 전달되는 가슴과 머리 쪽 에서의 온도가 무릎이나 발쪽에서보다 더 빨리 냉 각됨을 확인할 수 있었다.

3.2 쾌적성 평가

Fig. 7은 유동해석 결과를 이용하여 시간에 따른 PMV 값을 나타낸 그래프이다. 실제 Fanger의 식에 서의 PMV값은 ±3의 범위를 가지면서 +3은 매우 더 운 상태를, -3은 매우 추운 상태를 그리고 0은 가장 쾌적한 상태를 지수로 표시하였다. 그러나 매우 덥 거나 매우 추운 극한의 상태에서 PMV를 계산해 보 면 PMV 값이 ±3의 범위를 벗어남을 볼 수 있다. 본 계산에서도 초기온도가 60°C일 때의 PMV값은 계 산구간에 따라 12.5~15.9의 범위를 가지고 있는 것 을 관찰할 수 있었다. 따라서 PMV값이 +3보다 클 때에는 이미 쾌적성을 평가할 열적 상태를 벗어났 다고 판단하는 것이 타당할 것이다. 그러므로 PMV 가 ±3의 범위 안에 얼마만의 시간 내에 도달하는지 에 대한 분석이 선행되어야 한다. 앞 절에서, 냉각속 도가 가장 느린 것으로 분석되었던 운전석에서의 PMV를 나타내는 Fig. 7(a)의 경우, 냉방운전을 가동 하여 약 10분이 경과한 후, 머리와 가슴에서 각각 2.3, 2.89로 +3의 범위 안에 들어오게 되었다. 그러나 무릎과 발쪽은 각각 3.37, 3.69로 아직도 범위를 벗 어나 있음을 볼 수 있다. 반면, 같은 시각에서 조수 석에서의 PMV 지수는 모두 3 이하가 되었으며, 특

Yoon Kee Kim․Jang Sik Yang․Je Hyun Baek․Kyung Chun Kim․Ho Seong Ji

(a) PMV at 4 monitor points of driver's seat (b) PMV at 4 monitor points of assistant's seat

(c) PMV at 4 monitor points of rear driver's seat (d) PMV at 4 monitor points of rear assistant's seat Fig. 7 Real time PMV plot at 16 monitor points

히 머리 쪽은 1.19로 약간 더운 정도가 되었다. Fig. 7(a) 와 (b)는 공통적으로 가슴보다 머리 쪽에서 더 낮은 PMV값을 가지게 되는데 그 이유는 양 측면에서 나 온 냉기가 머리 위쪽으로 형성한 기류에 의해 측정 하는 지점에서의 온도가 낮고, 동시에 속도도 높게 나타나기 때문이다. 이와 반대로, 뒷 좌석에서의 PMV 값을 나타내는 Fig. 7(c)와 (d)를 보면 공통적으 로 가슴보다 머리 쪽에서 더 높은 PMV 값을 가지는 데 이는 뒷좌석에서는 머리보다는 가슴 쪽에서 더 낮은 온도와 높은 속도를 가지기 때문인 것으로 분 석된다. 계산에 의하면, 중앙 좌우벤트에서 나온 냉 기는 앞 좌석 사이를 지나 뒷좌석으로 유입되면서 뒷좌석 승객의 가슴쪽 주위로 흐르게 되어, 머리쪽 보다 약 2°C 정도 낮은 온도가 분포되고, 속도도 머

리 쪽보다 약 0.13m/s 빠르게 나타나고 있다. 600초 후, 조수석 line 뒷좌석 승객 쪽은 머리, 가슴, 무릎, 발 쪽에서 모두 3이하의 PMV값에 수렴하였다. 운 전석 line 뒷좌석 승객쪽 역시 가슴, 무릎, 발쪽에서 3이하의 PMV값에 수렴하였으나, 머리 쪽은 3.37 정 도로 쾌적성의 범위 안에 들지 못하고 있다. 전체적 으로 종합하면, 시간이 경과함에 따라 에어컨의 영 향으로 PMV 지수가 낮아지며, 약 600초가 지나면 몇 지점을 제외한 대부분의 영역에서 쾌적성을 평 가할 수 있는 범위 안에 들게 된다. 약 1600초가 지 났을 때의 모든 신체부위를 평균한 PMV 지수는 조 수석, 조수석 열 뒷자리, 운전석 열 뒷자리, 운전석 순으로 높아지며, 그 값은 각각 0.712, 0.955, 1.562, 1.563으로 나타났다.

Numerical Analysis on the Initial Cool-down Performance Inside an Automobile for the Evaluation of Passenger's Thermal Comfort

4. 결 론

자동차 내부의 열유동 현상을 규명하고 쾌적성을 평가하기 위해 기존의 연구와는 달리 실차모델을 이용한 수치해석 연구를 수행하였으며, 차량 내부 각 위치별 쾌적성 평가를 시도하여 실차에 바로 적 용가능한 정량적인 데이터 분석을 제시하였다. 내 부 순환모드 조건에서 비정상 열유동 해석수행 결 과 얻어진 결과를 다음과 같이 요약할 수 있다.

1) 자동차 내부에서의 cool-down 해석을 통해 자동 차 내부는 열적으로 비균일성이 강한 유동장임 을 밝혔고, 1600초 후에도 위치에 따라 10°C이상 의 온도 편차가 존재함을 알 수 있었다.

2) 냉기 토출구 근처에 위치하는 머리나 가슴부분 에서 공기가 다른 위치보다 더 신속히 냉각되고, 온도의 변화가 가장 작게 나타나는 부분은 발쪽 임을 확인하였다.

3) 내부 순환모드 조건 하에서 출구 경계조건의 위 치는 내부 압력과 속도 및 온도 분포에 큰 영향을 미치고 있음을 확인하였다.

4) 약 600초가 경과한 이후, 계산 위치별 PMV는 국 부적으로 +3 범위 이내로 수렴하였고, 1600초가 지났을 때 열적 쾌적성의 정도는 조수석 열에서 0.712로 가장 좋았고, 다음으로 조수석열 뒷자리 에서 0.955, 운전석열 뒷자리 1.562로 나타났고 가장 낮은 쾌적성을 가지는 영역은 운전석으로 그 값은 1.563으로 분석되었다.

후 기

본 연구는 지식경제부에서 시행한 자동차 핵심기 반기술개발 사업의 기술 개발 결과이며, 이에 감사 드립니다. 아울러 이 연구과제 수행에 도움을 준 현 대자동차에 감사드립니다.

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