김 은 기
㈜삼화에이스([email protected])
서 론
지구 환경파괴로 인한 전 세계의 온도환경 변 화는 냉동 공조산업의 발달과 사용을 크게 증가시 켰다. 이에 따라 에너지 사용은 더욱 증가되었고, 이 에너지를 만들면서 지구환경파괴에 일조하게 되어 버렸다.
현재는 세계 각국에서 에너지소비효율 제도를 더욱 강화하여 자국의 에너지 사용 효율을 높이려 는 움직임을 보이고 있어서, 냉동 공조 시스템은 더 욱 더 소비효율을 향상시켜야 하는 문제에 직면했 고 시스템의 각 요소 부품들을 고성능화 하기 위하 여 많은 연구가 진행되고 있다.
특히 시스템적인 연구 또한 활발하게 진행되고 있다. 이러한 연구 중 바닥급기시스템은 20세기부 터 선진국에서 활발히 이루어졌으며, 국내는 2001 년부터 연구 및 소개되어, 에너지 절감에 대한 이슈 화로 인한 많은 연구가 시작되었다. 바닥급기시스 템은 실내부하의 공조구역 축소와 높은 급기온도 로 인해 에너지 저감 및 국가에너지정책에 유리한 시스템으로 인식되어져 왔다. 또한 초고층 빌딩 출 현으로 각 층에 대한 급기 방식 및 사용시간 등이 상이하여 개별공조가 가능한 바닥공조시스템을 만 들기위한 제품으로 분산형 공기조화기와 바닥 터
미널유닛을 선택하게 되었다. 하지만 본 제품들은 선진사의 제품으로 국내 건축 및 설치 환경에 접합 하는데 있어서 많은 어려움이 있었다. 또한 제품에 대한 자동제어 및 제품 유지보수에도 애로사항이 많았다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 바닥 급기시스템의 유닛 국산화 및 자동제어 로직을 개 발하여 좀 더 진전된 국내 바닥공조시스템을 선도 할 수 있다고 생각된다. 바닥공조에 대한 국내 학회 및 저널에 설계방법 및 온열환경 분석 관련 연구는 다수가 이루어져 있다. 하지만 인터페이스에 따른 바닥공조시스템의 구성에 대한 각 제품의 연구는 미미하다 할 것이다. 본 연구에서는 분산형 공조기 의 적용성을 당사 사례 중심으로 소개하고자 한다.
바닥공조시스템 개별 유닛
바닥공조시스템에 사용되는 개별 유닛은 외기 처리를 전담하는 외기공기조화기, 각 공조실에 외 기와 리턴공기를 적절한 비율로 혼합 및 배기하고 바닥 플레넘하부로 급기하는 분산형 공조기, 가압 방식에 사용되는 디퓨저, 그리고 등압방식에 사용 되는 FTU(FLOOR TERMINAL UNIT) 유닛으로 구 성되며 각각의 역할에 따라 조화롭게 운전되어야 한다.
분산형 공조기는 풍량 2,500-31,000 CMH까지
분산형 바닥공조유닛 제품 최적화 및
적용에 대한 사례
바닥 공조시스템 제어
중앙제어 및 로컬제어는 Workstation에 의해 중앙에서 집중적인 제어 및 감시 기능을 수행할 수 있을 뿐만 아니라 각각의 장비마다 Local Display
& Control Unit를 부착하여 현장에서도 각종 운전 상태를 확인, 시스템의 운전 상태 변경 등을 쉽게 할 수 있다.
네트워크 자동 설정 기능 지원으로 장비 추가, 변경이 쉬어져 언제든지 필요에 의해서 장비들을 추가하면 자동으로 변경을 인식하여 복잡한 설정 과정 없이 정상적인 운전이 가능하도록 한다.
기존의 시스템에 추가적으로 재실인원 감시 센 서를 설치하여 실내 인원의 존재 여부에 따라 FTU 를 동작하도록 제어 제원을 변경하여도 각각의 제 어기에서 몇 가지 설정 정보만 바꿔주면 아주 쉽게 시스템을 변경, 확장할 수 있도록 제어기들이 설계 되어 있다.
설치사례 1) S사 신사옥 건설공사
적용 건물의 일반적 개요는 표 1과 같으며 공조 시스템 구성은 그림 1과 같이 필요외기는 외조기를 통하여 분산형 공조기에 공급되며 실내의 리턴공기 와 외조기로 부터 공급받은 공기가 분산형 공조기 를 통하여 실에 급기되는 방식으로 구성되었으며 그림 2의 공조평면도와 같이 층당 6개의 존으로 구 성되고 분산형 공조기도 6대가 설치되었다.
제작된 분산형 공조기는 코일내장 방식으로 제 원은 표 2와 같다.
당사에서는 표 3과 같이 외기처리 공조기와 분 산형 공조기를 제작 납품 설치하였다.
그림 2의 공조평면도를 보면 공조실은 바닥공 조 시스템의 특성상 설치 위치가 사무공간에 매우 인접하고, 공기 이송방법 또한 바닥 플레넘을 이용
하므로 설계 제작에 있어서 소음 및 진동 저감 방법 [그림 2] 공조 평면도 [그림 1] AIR FLOW DIAGRAM
구 분 내 용
공 사 명 S사 신사옥 건설공사
주 소 서울시 강동구 상일동
대 지 27,604 m²
연 면 적 181,756 m²
규 모
A동 지하 4층-지상 15층 B동 지하 4층- 지상 12층 C동 지하 4층-지상 8층
<표 2> 분산형 공조기 제원
구 분 내 용
풍 량 9,000 CMH
정 압 35 mmAq
송풍기&모터 Plug & 3.7 kW 8 p
냉방용량 26,000 kcal/h
필 터 PRE AFI 80% MED. NBS 85%
전 원 3 Φ x 380 V x 60 Hz
<표 3> 분산형 공조기 수량
구 분 외조기 분산형 공조기
A동 28 72
B동 16 60
C동 8
계 52 132
에 초점을 맞추어 제품개발을 하게 되었다.
S사 신사옥 건립공사에 제작되어 납품된 분산 형 공조기의 외형도 및 사진은 그림 3과 같다.
대형 사무공간의 실내 소음 기준은 45-50 dB(A) (ASHRAE 2003 HVAC Applications CHAPTER 47) 로 일반 공조기 적용시 설계 기준을 만족하기 위해 서는 다음과 같은 소음 및 진동 저감 기술을 적용 하 였다.
① 송풍기 회전수 900 RPM이하로 선정
② 흡음도료 적용
③ Casing Frame – Glass Wool 25 t 적용
④ 대형 Bell Mouth 및 Ring 보강 (그림4)
⑤ 하부 토출측 방사형 소음기 적용 (그림5)
⑥ 흡입측 격자 및 흡음재 부착
⑦ Fan & Motor Base 2중 고무방진 및 하부 SRP(Spring Rubber Pad) 설치
[그림 3] 분산형 공조기 외형도면
[그림 4] 송풍기
[그림 6] 소음 및 측정 위치
[그림 5]방사형소음기
<표 4> 측정 데이터
구 분 기준값 측정값
소 음 공조실 70 dB(A) 66.7 dB(A) 실중앙 45 dB(A) 35.7 dB(A) 진 동 공조실 63 dB(V) 53.6 dB(V) 실중앙 63 dB(V) 56.3 dB(V)
측정 데이터
사용자요구 소음기준은 공조실 70dB(A) 실중 앙 45 dB(A)이고 진동은 63 dB(V)로 측정위치는 그림 6의 위치에서 측정하였다. 표 4와 같이 측정 되어 소음/진동 문제는 매우 양호한 것으로 나타났 다. 완공후 최종 환경검토에서 사용자들의 바닥공 조시스템 평가 또한 높은 만족도를 보였다.
설치사례 2) K연합회 회관
현재 건설 중인 현장으로 표 5에 건물 개요를 나타내었고 분산형 공조기는 코일 없는 방식으로 162대가 설치중이다.
그림7 에서 보면 분산형 공조기는 리턴 공기를 유인하여 1차 공기와 혼합하여 실내로 공급한다.
그림 8의 공조평면도를 보면 층당 공조실은 2
분산형 공조기 제원은 표 6과 같고 외형도면은 그림 9와 같다.
S사 신사옥 건립공사에 적용된 소음 진동 저감 기술이 동일하게 적용되었고 전산유체역학을 통해 서 설치시 문제점을 미리 검토 하였다.
전산유체해석(Computational Fluid Dynamics) 수치해석을 위한 경계 조건으로 유입 유량 12,000 m³/h(primary flow rate 6,000 m³/h), 온도 조건은 공조 온도 12℃(285.15 K), 실내 온도 24℃
(297.15 K)이다. 따라서, 입구조건은 속도조건을 부여하였고, 출구조건은 질량 보존의 법칙을 만족 시킨다고 가정을 하여 유입 유량 그대로 토출되는 것으로 하였다. 또한 난류 모델링은 일반적인 수 치해석에서 많이 사용되고 있는 Standard k-ε 모 델을 적용하였고, 벽 조건은 No-slip 조건을 주었 다. 그리고 속도와 압력을 연동하여 계산하기 위해 SIMPLE 알고리즘을 적용하였다. 위에서 언급한 수
<표 6> 분산형 공조기 제원
[그림 7] AIR FLOW DIAGRAM [그림 9] 분산형 공조기 외형도면
[그림 8] 공조 평면도
구 분 내 용
공 사 명 K연합회 회관
주 소 서울시 영등포구 여의도동
연 면 적 168,681 m²
규 모 지하 6층-지상 50층
구 분 내 용
풍 량 12,000 CMH
정 압 30 mmAq
송풍기&모터 Plug & 3.7 kw 6p
필 터 PRE AFI 80%
전 원 3Φ x 380 V x 60 HZ
개소 이며 존구성은 4개로 되어있고 분산형 공조 기는 4대가 설치되어 있고 공조실은 거주구역 바 로 옆에 위치하여 있다.
치해석 경계조건은 표 7과 같다.
바닥공조용 공기조화 유닛의 수치해석 결과를 통해서 발생하는 소음은 유입 유량의 방향과 공조 된 공기 및 실내 공기가 만나는 유속에 영향을 받는 것으로 보인다. 일반적으로 압력 분포는 급격하게 변화되는 지역에서 소음이 많이 발생하기 때문에 전반적으로 압력의 변화가 거의 없는 모델에서 소 음이 좀 더 감소할 것으로 예측된다.
그림 10, 그림 11과 같이 유입되는 공기의 방향 이 위에서 아래 방향으로 유입되는 모델 같은 경우 전반적으로 내부에서 압력의 변화가 거의 없는 것 을 볼 수 있었다. 또한 그림 17과 그림 18과 같이 중 심선에서의 난류 강도를 비교한 그림에서도 유입 되는 방향에 영향을 받는 것으로 나타났다.
1단 모델 및 2단 모델, 그리고 3단 모델의 경우 에는 당사에서 실제 실험을 통해 소음의 정도를 측 정하였는데, 3단 모델이 가장 소음이 적은 것으로 나타났다. 이러한 이유는 그림 14와 같이 3단 모델 의 유입 유동이 충돌하는 지점에서의 유속이 거의 비슷하기 때문에 소음이 저감될 수 있었던 것으로 판단된다.
바닥공조용 공기조화 유닛의 본래 목적은 룸 실내 온도를 쾌적하게 유지하는 것이고, 이러한 목
<표 7> 바닥공조용 공기조화 유닛 수치해석 경계조건
[그림 10] 공기조화 유닛 기본 모델 압력 분포
[그림 11] 공기조화 유닛 개선 모델 1 압력 분포
[그림 12] 공기조화 유닛 개선 모델 2 압력 분포
구 분 조 건
유입 유량 12,000 m³/h
(primary flow rate 6,000 m³/h 공기 온도 공조 온도 12℃(285.15 K)
실내 온도 24℃(297.15 K) 입구 조건
속도 조건 입구1: 3.3 m/s,
입구2: 2.8 m/s
출구 조건 토출유량/유입유량 = 1
난류 모델 Standard k-ε 모델
벽 조건 No-Slip 조건
속도-압력 연동 SIMPLE 알고리즘
격자 개수 약 100 - 140 만개
수치해석 프로그램 FLUENT
[그림 13] 공기조화 유닛 3단 모델 속도 분포
[그림 14] 공기조화 유닛 기본 모델 온도 분포
[그림 15] 공기조화 유닛 3단 모델 온도 분포
[그림 19] 공기조화 유닛 3단 모델 중심선 난류강도 [그림 18] 공기조화 유닛 개선 모델 2 중심선 난류강도
[그림 17] 공기조화 유닛 1단 모델 중심선 난류강도 [그림 16] 공기조화 유닛 기본 모델 중심선 난류강도
적에 부합하기 위해서는 공기가 유닛을 통과하면서 잘 혼합되어 일정 온도로 배출되는 것에 있다. 그림 10~ 그림 15에서 각각 유입되는 공기의 혼합 정도 를 볼 수 있는데, 이 중에서 1단 모델이 다른 모델들 에 비해 비교적 잘 혼합되는 것을 볼 수 있다.
난류 강도를 비교한 결과에서는 상부에서 실내 공기를 유입하는 개선 모델 1과 개선 모델 2가 내 부에서 비교적 적은 난류 강도를 갖는 것으로 나타 났으며, 중심선에서 난류 강도를 비교한 그림 16~
그림 19에서도 유사한 결과를 보이고 있다.
본 연구는 전산유체역학(CFD)에 의해 바닥공 조용 공기조화 유닛에 대한 수치해석을 수행하였 으며, 각각의 바닥공조용 공기조화 유닛 형상 모델 에 대하여 압력분포, 속도분포, 온도분포, 난류 강 도 등을 비교하였다. 이러한 수치해석 결과를 통하 여, 다음과 같은 결론을 내릴 수 있었다.
바닥공조용 공기조화 유닛의 경우에는 실내에서 유입되는 입구 방향에 따라 소음과 상관 관계가 있 는 난류 강도가 변화하며, 위에서 아래로 유입되는 입구방향이 아래에서 유입되는 입구방향보다 더 적
은 난류 강도를 보였다. 또한 1단, 2단, 3단 모델의 경 우, 3단 모델의 소음이 줄어든 원인으로 공조된 공기 와 실내 공기가 만나는 지점에서의 유속이 같아지기 때문에 소음이 줄어든 것으로 판단된다.
맺음말
설치사례 1,2를 통하여 바닥 공조시스템의 분 산형 공조기의 소음 진동 저감 기술에 대하여 살펴 보았다. 국내에 아직 분산형 공조기에 대한 설계자 료가 부족한 점으로 비추어보아 본고에서 소개한 사례가 차후 바닥 공조시스템설계를 하는 엔지니 어들에게 조금의 보탬이 되었으면 한다.
후 기
본 연구의 전산유체해석결과는 2011년 (재)경 기테크노파크가 지원하는 “중기애로기술지원사 업”의 일환으로 한양대학교와 공동으로 수행되었 으며, 관계자 여러분께 감사를 드린다.