학교교실 천장형 냉난방기 효율 최적화 방안 연구

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학교교실 천장형 냉난방기 효율 최적화 방안 연구

A Study on Efficiency Optimization of a Classroom Ceiling-mounted Cassette Type Cooling and Heating Unit

초 록

본 연구의 목적은 교실의 천장형 냉난방기의 최적의 난방효과와 설계 조건을 찾기 위해 천장형 냉난방기와 제어용 온도센서의 위치 최적화를 하고, 성층화를 해소하는 방안을 찾는데 있다. 이에 따라 시뮬레이션을 통해 교실내에서 난방시 천장형 냉난방기의 위치에 따른 PMV와 온도분포의 최적 지점을 찾았다. 또한 천장형 냉난방기의 단점인 성층화를 해소시키기 위해 선풍기를 반대방향으로 돌릴 경우를 시뮬레이션을 통해 연구하였다.

연구결과 교실의 천장형 냉난방기를 면적 65.8m^인 교실에 설치할 경우 교실 중앙에서 창측으로 1m, 칠판쪽으로 1m∼2m 떨어진 곳에 설치하는 것이 사용자에게 가장 효과적임을 알 수 있었다. 또한 제어용 온도센서가 들어있는 컨트롤러의 경우 온도 보정을 +2℃하여 복도쪽 벽면에 높이 170cm, 칠판에서의 거리 160~180cm에 위치할 경우 가장 제어에 효과적임을 알 수 있었다.

또한 성층화를 해소하는 방안으로 교실 벽면에 있는 선풍기를 거꾸로 돌릴 경우 교실 내 성층화가 상당부분 해소되고, 온열환경도 함께 좋아지는 결과를 얻을 수 있었다.

Key words : 천장형 냉난방기, 성층화, 최적 배치, 에너지 효율

차 례

Ⅰ. 서 론

1. 연구의 필요성 4

2. 선행 연구조사 6

3. 연구목표 7

Ⅱ. 연구내용

1. 시뮬레이션 장소 선정 및 기초 시뮬레이션 작업 8

2. 실제 교실과 시뮬레이션 상의 온도 비교 8

3. CFD 시뮬레이션을 통한 천장형 냉난방기의 난방 최적배치 11 4. CFD 시뮬레이션을 통한 제어용 온도 센서의 최적배치 23

5. 교실 내 성층화 해소 방안 및 검증 26

Ⅲ. 연구결과

1. CFD 시뮬레이션을 통한 천장형 냉난방기의 난방 최적배치 30 2. CFD 시뮬레이션을 통한 제어용 온도 센서의 최적배치 31

3. 교실 내 성층화 해소 방안 및 검증 32

Ⅳ. 결론 및 제언

1. 결론 34

2. 제언 34

참고문헌 35

부록

1. 천장형 냉난방기 배치 case별 수평방향 온도분포(바닥면 높이 110cm) ₃₆ 2. 계절 및 시간에 따른 Daylight 효과분석 ₃₇ 3. 천장형 냉난방기기 배치 case별 수직방향 온도분포 ₃₈

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그 림

그림 1. 천장형 냉난방기 위치 4

그림 2. 제어용 온도 센서의 위치 5

그림 3. 물리세미나실 온도측정 전 모습 8

그림 4. 천장형 난방기의 위치 모식도 8

그림 5. 풍속계 9

그림 6. 온도 및 풍속 측정 모습 9

그림 7. 시뮬레이션 제작과정 10

그림 8. 제작된 mesh 모습 10

그림 9. 천장면 온도분포 10

그림 10. 수직면 온도분포 10

그림 11. 시뮬레이션에 의한 온도 분포 11

그림 12. 실측한 온도 분포 11

그림 13. 시뮬레이션 상 천장형 냉난방기 좌표 설정 12

그림 14. 시뮬레이션 상 분석지점 좌표 설정 13

그림 15. 각 case 별 온도 분포 시뮬레이션 예시 15

그림 16. 가로 7m, 세로 9.4m 교실의 천장형 냉난방기 최적위치 22

그림 17. 시뮬레이션 상에서 고려한 제어용 온도센서 위치 23

그림 18. caes9의 호흡면 수평 온도분포와 복도쪽 벽면 수직 온도분포 비교 24

그림 19. 고려지점의 수직 온도 본포 24

그림 20. caes9의 수평 온도분포와 벽면 수직 온도분포 비교 (외기온도변경) 25

그림 21. 교실내 성층화 해소를 위한 아이디어 26

그림 22. 선풍기 미작동시 수평(높이 110cm), 수직 온도 분포 27 그림 23. 선풍기 정방향 작동시 수평(높이 110cm), 수직 온도 분포 27 그림 24. 선풍기 역방향 작동시 수평(높이 110cm), 수직 온도 분포 27

표

표 Ⅰ. 천장형 냉·온풍기 제품 제원 9

표 Ⅱ. 외기 온도에 따른 천장형 냉·온풍기의 토출 및 흡입 풍속 9

표 Ⅲ. 경계 조건(건축물 조건 K-value) 10

표 Ⅳ. 냉난방기의 위치(중앙으로부터 떨어진 위치) 14

표 Ⅴ 천장형 냉난방기 현재 위치 분석 15

표 Ⅵ. 천장형 냉난방기 위치 case1 분석 16

표 Ⅶ. 천장형 냉난방기 위치 case2 분석 16

표 Ⅷ. 천장형 냉난방기 위치 case3 분석 17

표 Ⅸ 천장형 냉난방기 위치 case4 분석 17

표 Ⅹ 천장형 냉난방기 위치 case5 분석 18

표 Ⅺ 천장형 냉난방기 위치 case6 분석 18

표 Ⅻ 천장형 냉난방기 위치 case7 분석 19

표 ⅩⅢ 천장형 냉난방기 위치 case8 분석 19

표 ⅩⅣ 천장형 냉난방기 위치 case9 분석 20

표 ⅩⅤ 천장형 냉난방기 위치 case10 분석 20

표 ⅩⅥ 천장형 냉난방기 위치 case11 분석 21

표 ⅩⅦ 천장형 냉난방기 위치 case12 분석 21

표 ⅩⅧ 2℃보정으로 부착 가능한 고려지점 25

표 ⅩⅨ 벽걸이 선풍기 정방향 회전 시 온도분포 분석 28

표 ⅩⅩ 벽걸이 선풍기 역방향 회전 시 온도분포 분석 28

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I. 서 론

1. 연구의 필요성

현재 대부분 학교의 난방기는 천장형 시스템 냉난방기이다. 이 냉난방기는 천장에 위 치하여 시각적으로도 깔끔하고, 공간적으로 자리를 차지하지 않아 학교 뿐만이 아니라, 관공서, 쇼핑몰, 가정까지 짧은 시간동안 급속히 냉난방기 시장의 높은 점유율을 차지하 였다.

그러나 천장형 시스템 냉난방기는 난방시 위쪽 공기가 뜨겁고 아래쪽 공기가 차가워 성층화가 일어나는 단점을 지니고 있다. 겨울철 천장형 시스템 난방기를 쓰는 경우 사용 자들은 종종 더운 바람을 머리 쪽에 맞고 두통과 코막힘을 호소하기도 하고, 발시림을 경험하기도 한다.

작년 겨울 블랙아웃의 위기 속에 학교에서 적정온도(18℃∼20℃)를 유지하면서 난방 을 하였는데 발이 시리고 상당히 춥게 느껴졌다. 그런데 형광등을 갈아주러 오신 기사님 은 작업을 하시면서 땀을 흘리시는 것을 보고 에너지가 잘못 사용되고 있다는 생각을 하 게 되었다.

이후 천장형 시스템 냉 난방기를 관찰해 본 결과 또 다른 문제점을 찾을 수 있었다.

그림 1과 같이 천장형 시스템 냉·난방기는 교실마다 그 위치가 제각각 이었다. 이는 냉·

난방기의 최적 위치를 과학적으로 판단한 결과가 아니라 편이에 따라 설치되었음을 의미 한다. 그림 1을 보면 두 번째 줄의 형광등을 기준으로 천장형 냉난방기가 (a)는 교실 뒤 쪽에 (b)는 교실 앞쪽에 위치하고 있음을 볼 수 있다.

(a) 천장형 냉난방기 위치 (b) 천장형 냉난방기 위치 그림 1. 천장형 냉난방기 위치

또한 그림 2에서 보는 것과 같이 제어용 온도 센서의 위치도 제 각각 임을 볼 수 있 다. 그림 2의 (a)의 경우는 문을 중심으로 왼쪽 편에 (b)의 경우는 오른쪽 편에 위치하 고 있는 모습을 볼 수 있다.

제어용 온도 센서는 온도센서가 포함되어 있어 냉 난방 시 그 위치가 상당히 중요할 것으로 판단되나 이 역시 과학적인 결과가 아닌 사용자와 공사 편의에 따라 위치하고 있 음을 알 수 있었다.

(a) 제어용 온도 센서 위치 1 (문의 좌측에 위치)

(b) 제어용 온도 센서 위치 2 (문의 우측에 위치) 그림 2. 제어용 온도 센서의 위치

본 연구는 성층화된 공기를 경험한 후 어떻게 하면 천장형 냉난방기의 난방효율을 더 높일 수 있을까? 하는 궁금증으로부터 시작되었다. 기존 문헌분석 결과 온풍기의 성층화 를 해소하는 방안과 온풍기의 위치, 제어용 온도 센서의 위치를 어떻게 배치해야 효과적 인지에 대한 명확한 결론을 내린 과학적인 탐구가 없었다. 시뮬레이션을 통하여 제어용 온도 센서의 위치를 최적화하는 논의가 있었으나 여러 고려할 요소를 고려하지 않은 것 으로 보인다. 벽면의 위아래와 좌우를 모두 고려하여 최적의 위치를 찾아야 하는데 단순 히 4개의 지점만을 고려하여 실효성이 떨어진다고 보여진다. 따라서 본 연구는 천장형 온풍기 사용 시 발생하는 공기의 성층화를 해소하고, 공사 및 사용자의 편이에 의해서 설치하는 천장형 냉·온풍기와 제어용 온도 센서의 위치를 과학적으로 판단하여 효율을 높이는데 시사점을 주고자 한다.

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2. 선행 연구조사

학교시설에서의 천장형 냉난방기 토출기류 각도에 따른 냉방, 환기 성능에 대한 평가 에 관한 연구로 박명길(2006)은 토출 각도에 따른 효율이 30도일 때가 가장 효율적인 것으로 보고 하였다. 이는 토출각도에 따른 냉난방기의 효율을 보고한 것으로 냉난방기 의 위치와 제어용 온도 센서의 위치에 따라 어떻게 효율이 달라지는지에 대한 후속연구 의 필요성을 제안하고 있다.

학교 건물의 효율적인 난방시스템에 대한 비교연구로 김준호(2011)는 난방기기에 따 른 열전달 과정을 살펴보고 효율적인 난방시스템을 찾는 연구를 실행하였다. 또한 이미 화(2006)는 ‘천장형 냉·난방기의 온도센서 최적위치 결정을 위한 교실의 CFD 열환경 분 석’ 연구에서 열 변화조건을 변화시키며 온도센서의 최적 위치를 결정하였으나, 비교한 위치가 너무 제한적이고, 냉방 시스템에 국한되어 있어 천장형 냉난방기의 중요한 문제 인 성층화를 고려하지 못하였다.

정용환(2006)은 대류난방기술의 개발동향에서 대류난방 설계를 진행하는 과정에서 CFD((Computational Fluid Dynamics) 시뮬레이션의 중요성을 언급하였고, 현장에서 적 극적으로 활용하여 에너지 효율을 제고하여야 한다고 제안하였다.

선행연구를 살펴본 결과 천장형 난방기의 대류현상을 극복하고자 하는 적극적인 연구 를 한 논문은 찾을 수 없었으며, 교실 내 온풍기과 제어용 온도 센서의 위치를 과학적으 로 규명한 연구도 볼 수 없었다. 이에 따라 본 연구에서는 천정형 냉난방기와 제어용 온도 센서의 최적화된 위치를 과학적으로 제시하고, 천장형 온풍기의 단점인 공기의 성 층화를 극복할 수 있는 방안에 대한 탐구를 진행하고자 한다.

3. 연구목표

이런 선행연구의 분석을 통해 추출된 연구의 목표는 다음과 같다.

1. 교내 work bench를 선정하여 벽면, 창문 등의 열전도도 및 온풍기의 물리적 특성을 전산유체역학 시뮬레이션 프로그램(CFD)에 입력 후 실제 난방 결과와 비교하여 신뢰도 를 확보한다.

2. CFD 시뮬레이션을 이용하여 천장형 냉난방기의 최적위치를 찾고, 이를 크기가 다른 교실에도 적용할 수 있도록 일반화한다.

3. 온도센서가 내장된 제어용 온도 센서의 최적 위치를 찾고 제어용 온도 센서와 작업면 (책상면)의 온도차이 보정값을 제시하여 실제 상황에 적용가능토록 한다.

4. 난방 시 성층화된 공기층을 해소시킬 수 있는 방법을 강구하고, CFD로 실효성을 검증 하여 제시한다.

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Ⅱ. 연구내용

1. 시뮬레이션 장소 선정 및 기초 시뮬레이션 작업

CFD(Computational Fluid Dynamics) 시뮬레이션을 진행하기 전 Work bench 및 Mesh 장소를 ○○고등학교 물리세미나실로 선정하였다.

교실에서 난방이 설정온도에 대하여 연속운전이 이루어지고 있는 동안, 난방 토출온도 가 실내 환경에 미치는 영향을 분석하기 위하여 기류해석 시뮬레이션은 정상상태로 가정 하여 실시하였다.

신뢰도 확보를 위한 시뮬레이션은 난방운전에 대해 수행하였으며 토출각도는 35°, 토출 풍속 4m/s, 흡입풍속 2.7m/s로 고정하여 실시하였다. 구조체에 의한 경계조건은 다음의 식에 의해서 계산되도록 설정하였다.

__  

____ 

____ 

_: 대류열전달률[kcalm^h℃]

_: 열관류율[kcalm^h℃]

_: 벽 근처 셀의 온도 [℃]

_: 내벽 표면온도 [℃]

_: 실외온도 [℃]

물리세미나실의 크기는 가로 7m, 세로 9.4m, 높이 2.7m의 교실로 면적 65.8m^ 이며, 창측 붙박이 장과 책상을 제외한 나머지 책장 등은 제거하여 진행하였다. 물리세미나실 에 설치된 온풍기는 Toshiba사 제품으로 시간 경과에 따라 제품의 사양이 변할 수 있기 때문에 물리적 특성을 실험으로 측정하여 시뮬레이션 프로그램에 입력하였다.

물리세미나 실의 모습과 천장형 온풍기의 위치는 그림 3, 4와 같다.

난방기 2.8m

2.9m 4.3m

그림 3. 물리세미나실 온도측정 전 모습 그림 4. 천장형 난방기의 위치 모식도

물리세미나실을 CFD 시뮬레이션과 일치시키기 위해 그림 5의 풍속계를 이용하여 신뢰 도 확보 실험을 위해 외기 온도와 천장형 난방기의 토출속도, 흡입 풍속을 측정하였으며, 외부 벽과 창문의 열전도도는 관련 논문을 이용하여 프로그램상에 입력하였다.

그림 5. 풍속계 그림 6. 온도 및 풍속 측정 모습 물리세미나실에 설치된 천장형 냉·온풍기는 Toshiba사의 RBL-AMT31E(SX-A1EE) 로 실험을 통해 얻은 제원은 표Ⅰ과 같다.

표Ⅰ. 천장형 냉·온풍기 제품 제원

시뮬레이션과 실제실험을 위해 사용한 외기 온도에 따른 천장형 냉·온풍기의 풍속은 표

Ⅱ와 같다.

표Ⅱ. 외기 온도에 따른 천장형 냉·온풍기의 토출 및 흡입 풍속

창측 외기온도 복도측 외기 온도 냉난방기설정온도 토출풍속 흡입풍속

28.℃ 26.7℃ 18℃ 4m/s 2.7m/s

외부 벽과 창문, 천장과 바닥 등의 건축물 조건 K-value는 선행연구(최정민 외, 2003) 를 통해 표Ⅲ과 같이 시뮬레이션에 입력하였다. 칠판 쪽 외벽과 칠판 반대쪽 외벽은 옆 교실과 동일한 공조상태로 열 이동이 없는 조건으로 가정하였다.

토출 풍속 흡입 풍속 토출온도 범위 토출 각도

냉방 시 4.0~4.3m/s 2.7m/s 15~20°C 35~40°

난방 시 4.5~5.5m/s 2.7m/s 35~49°C 35~40°

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표Ⅲ. 경계 조건(건축물 조건 K-value)

창측 외벽 복도 측 외벽 창문 천장 및 바닥

0.57Wm^℃ 3.49Wm^℃ 3.26Wm^℃ 0.37Wm^℃

위 조건을 이용하여 CFD 프로그램에서 구현한 물리세미나실의 모습은 다음 그림8 과 같다.

그림 7. 시뮬레이션 제작과정 그림 8. 제작된 mesh 모습 2. 실제 교실과 시뮬레이션 상의 온도 비교

시뮬레이션을 이용하여 온풍기의 최적 위치를 찾기 전에 시뮬레이션이 얼마나 실제 공 간의 온도 변화를 잘 설명하는지를 알아보기 위해 실제 공간의 온도 변화 실측값과 시뮬 레이션 상의 온도 변화 값을 비교하였다.

표Ⅱ, Ⅲ에서 제시한 경계 조건 및 온도, 제원을 이용하여 교실을 시뮬레이션 한 결과 는 그림9, 10과 같다.

그림 9. 천장면 온도분포 그림 10. 수직면 온도분포

그림 11은 시뮬레이션에 의한 교실의 온도분포를 나타내고, 그림 12는 실측한 교실의 온도분포이다. 시뮬레이션에 의한 온도분포가 정상상태가 되었을 때이므로 실측한 교실 의 온도 분포 역시 정상상태가 되었을 때 측정하였다.

21.37 21.11

21.56 21.37 21.12

21.46 21.16 21.21

21.43 21.54 21.33 22.12

정상상태온도

그림 11. 시뮬레이션에 의한 온도 분포 그림 12. 실측한 온도 분포

두 경우 모두 해석대상을 지면에서 1m 높이인 작업면의 동일한 지점의 온도를 측정하 였으며 이는 재실자의 호흡선 또는 머리위치에 해당된다.

측정에 사용한 온도 센서는 스테인리스 온도센서로 측정범위는 –40℃∼ 135℃이고 0℃~40℃상태의 분해 능력은 0.03℃이다.

실측한 온도 분포와 시뮬레이션의 온도 분포를 비교해 본 결과 시뮬레이션과 정상상태 의 온도분포의 평균값 차이는 0.46℃이고, 각 지점별 차이를 제곱하여 루트를 씌운 후

총 개수로 나눠준 ( 



^

^

  



실측값

 시뮬레이션값_^

) 값의 총합은 0.0015로 실제와 시뮬 레이션간의 오차는 2.4%로 시뮬레이션의 신뢰도가 충분하다는 전문가의 자문을 얻어 이 후 연구를 진행하게 되었다.

3. CFD 시뮬레이션을 통한 천장형 냉난방기의 난방 최적배치 가. 시뮬레이션 상의 천장형 냉난방기 위치 및 분석 위치 좌표 정의

천장형 냉난방기의 최적 배치를 위해 12지점의 냉방기 위치를 설정 하였다. 논문 상에 서 설명의 편의를 위해 12 지점의 냉방기 위치를 교실 내 좌표축 설정을 통해 정의하고

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자 한다. 이하 천장형 냉난방기(그림13 에서 ●으로 표시)의 각 지점을 case로 하겠다.

최적배치를 위해 12 case의 위치를 분석하였다. case의 위치가 그림과 같은 이유는 창측 의 열 손실률이 높아 천장형 냉난방기를 가로축 상에서 창 측으로 치우쳐 배치하였고, 가로축 시뮬레이션 결과 case 3이 가장 좋은 온도 분포를 보여 세로축을 설정하였다. 교 실 뒤쪽에 학생들이 앉지 않는 공간이 많이 있어 세로축에서 위쪽으로만 배치하였다.

case2 (-0.5m, 0m)

case 7(1m, 0m) case1(0,0)

case3 (-1.0m, 0m)

case4 (-1.5m, 0m) case5 (-2.0m, 0m) case6 (-2.5m, 0m)

case 8(-1m, 0.5m) case 9(-1m, 1m) case 10(-1m, 1.5m) case 11(-1m, 2m) case 12(-1m, 2.5m)

(창측)

(칠판)

(복도측)

실제 설치위치 (0.3m, -1.5m)

그림 13. 시뮬레이션 상 천장형 냉난방기 좌표 설정

또한 시뮬레이션 상에서 얻은 결과를 분석하기 위하여 12개의 분석 지점을 설정하였 다. 12개의 분석지점은 현재 책상이 배치되어 있는 곳으로 정하였다. 분석 시 12개 지점 의 바닥에서 10cm 높이와 호흡선과 일치되는 바닥에서 110cm 높이를 위주로 분석하였 다. 논문 기술의 편의를 위해 12개의 분석지점을 숫자 (1~12)로 지정하도록 하겠다.

그림 14. 시뮬레이션 상 분석지점 좌표 설정

가. 교실 내 천장형 냉난방기의 최적 위치 선정

1) 교실 내 천장형 냉난반기 최적 위치 선정의 고려사항

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교실 내 온풍기 위치 최적화를 위하여 온풍기 위치를 교실 내 정중앙을 기준으로 가로 0.5m, 세로 0.5m 간격으로 움직이며 시뮬레이션을 실시하였다.

최적위치 선정을 위해 선정한 천장형 냉난방기의 위치는 표Ⅳ 와 같다.

표Ⅳ. 냉난방기의 위치(중앙으로부터 떨어진 위치)

case7 case8 case9 case10 case11 case12

1m, 0m -1m, 0.5m -1m, 1.0m -1m, 1.5m -1m, 2.0m -1m, 2.5m

※ case를 그린 것은 그림 참조

각각의 case에 따라 바닥에서 10cm, 110cm 높이의 학생이 앉는 위치 12곳의 온도를 측정하였다. 결과의 해석은 ISO Standard 7730 에서 규정하는 계산법을 사용한 PMV(온 열쾌적지표)와 PPD 계산프로그램을 이용하여 실시하였다. 12곳 온도의 대해 PMV의 PPD 쾌적범위중 –0.5<PMV< 0.5, PPD<10%를 기준으로 검토하였고, 풍속0.8m/s 이하, 바닥과 호흡선 사이의 온도차 10℃이하를 기준으로 검토하였다.

PMV(Predicted Mean Vote)의 산출방법은 다음 식과 같다.

P MV  e^{ M}  × M  W  E_sk E_{r es} C_{r es} R  C  M : 대사에 의한 열생성률 W: 수행된 기계적인 일 E_sk: 피부표면으로의 총 증발열손실 E_{r es} : 호흡을 통한 증발열손실 Cres : 호흡을 통한 대류열손실 R : 방사열손실

C : 대류열손실

PMV의 산출에 사용한 프로그램은 건축학과에서 온도와 풍속을 넣어 계산할 수 있도록 제작한 프로그램에 온도값과 풍속값을 입력하여 계산하였다.

case1 case2 case3 case4 case5 case6

0m, 0m -0.5m, 0m -1.0m, 0m -1.5m, 0m -2.0m, 0m -2.5m, 0m

2) 각 case별 온도 분포

교실 바닥 위 110cm와 10cm 높이의 현재 온풍기와 case 9의 온도 수평 및 수직 분포 는 그림 15와 같다.

높이 110cm 높이 10cm 수직온도분포 높이 110cm 높이 10cm 수직온도분포 현재 온풍기 위치의 시뮬레이션 case 9 시뮬레이션

그림 15. 각 case 별 온도 분포 시뮬레이션 예시 그림 15의 나머지 시뮬레이션 자료는 부록Ⅰ, Ⅱ, Ⅱ에 첨부하였다.

위와 같은 시뮬레이션을 통해 평균온도, 각 호흡면 온도의 표준편차, PMV를 각 case 별로 분석하였다.

현재 물리세미나실에 위치한 천장형 냉난방기를 시뮬레이션한 결과는 표Ⅴ와 같다.

표Ⅴ. 천장형 냉난방기 현재 위치 분석

온도(K) / PMV 평균온도(K)

1번 298.15/-0.52

2번 298.95/-0.39

3번 298.80/-0.46 4번

298.59/-0.50

5번 298.57/-0.49

6번 298.82/-0.41 7번

289.54/-0.42

8번 298.54/0.35

9번 298.41/0.49 10번

298.73/-0.29

11번 298.57/-0.52

12번 298.67/-0.20 칠판

298.59

온도의 표준편차

0.22

PMV의 값의 기준을 만족하지 못하여 1번, 4번 11번 위치에서는 호흡 면에서도 학생 들이 춥다고 느낄 수 있는 상황이다. 에너지가 효율적으로 쓰이지 않고 있음을 알 수 있 다.

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3) 온도분포에 따른 결과 분석 (1) 천장형 냉난방기 위치 case1 분석

표Ⅵ. 천장형 냉난방기 위치 case1 분석

1번 299.86/0.46

2번 298.81/0.54

3번 300.11/0.44 4번

299.36/0.31

5번 299.15/0.54

6번 299.45/0.29 7번

299.37/0.14

8번 299.40/0.35

9번 299.58/0.49 10번

299.78/0.37

11번 299.75/0.55

12번 299.32/0.27 칠판

299.42

case1의 경우 2, 5, 11번 지점에서 PMV가 0.5를 넘어가 쾌적하지 못한 결과가 나왔 다. 이는 천장형 냉난방기를 가운데 설치하는 것이 좋다는 생각이 적합하지 않다는 것을 보여준다.

(2) 천장형 냉난방기 위치 case2 분석

표Ⅶ. 천장형 냉난방기 위치 case2 분석

온도(K) / PMV 평균온도

1번 299.35/0.15

2번 299.41/0.52

3번 298.46/0.14 4번

298.75/0.24

5번 299.61/0.57

6번 299.82/0.40 7번

298.94/0.44

8번 299.53/0.53

9번 299.10/0.38 10번

299.72/0.44

11번 299.36/0.29

12번 298.69/0.40 칠판

299.23

0.42

case 2의 경우는 다른 case와 비교해 보았을 때 중간 정도의 평균온도와 표준편 차를 가졌으며 2번과 5번, 8번 지점에서 PMV의 쾌적 범위를 벗어나는 지점이 생겼 다. 천정형 냉방기를 설치하는 위치로 적합하지 않다.

표Ⅷ. 천장형 냉난방기 위치 case3 분석

1번 299.07/0.10

2번 299.81/0.34

3번 299.70/0.44 4번

299.50/0.47

5번 299.46/0.31

6번 299.46/0.34 7번

299.36/0.17

8번 299.45/0.31

9번 299.33/0.46 10번

299.62/0.44

11번 299.26/0.23

12번 297.57/0.49 칠판

299.47

0.19

case3은 적은 온도편차와 안정적인 PMV 값을 보여준다. 그러나 3번과 4번, 9번, 10 번, 12번 자리의 경우 기준 PMV안에서 다소 높은 모습을 보이고 있어 inlet의 온도가 더 높아질 경우 PMV가 기준치에서 벗어날 수도 있을 것으로 판단된다.

표Ⅸ. 천장형 냉난방기 위치 case4 분석

1번 298.88/0.17

2번 299.66/0.55

3번 298.86/0.31 4번

298.41/-0.02

5번 299.35/0.35

6번 299.35/0.24 7번

299.20/0.19

8번 299.25/0.21

9번 299.56/0.45 10번

298.73/0.22

11번 298.92/0.31

12번 298.54/0.48 칠판

298.93

0.40

case 4의 경우는 평균온도가 낮은 편에 속하며 표준편차도 큰 편이었다. 특히 2번 지점은 PMV의 쾌적 범위를 벗어나 최적배치 지점으로는 적합하지 않은 지점이다.

(10)

표Ⅹ. 천장형 냉난방기 위치 case5 분석

1번 298.70/0.17

2번 299.23/0.38

3번 299.61/0.38 4번

298.33/0.14

5번 298.90/0.39

6번 298.96/0.21 7번

298.53/0.30

8번 298.85/0.28

9번 298.92/0.20 10번

298.43/0.00

11번 299.78/0.18

12번 299.32/0.31 칠판

298.96

0.43

case 5의 경우는 모든 지점이 PMV의 쾌적 범위 안에 있었지만 평균온도가 낮은 편에 속하며 각 지점간 온도의 표준편차도 작지 않았다. 3번에 비해 많은 에너지가 소모될 될 것으로 판단된다.

표Ⅺ. 천장형 냉난방기 위치 case6 분석 case 6

1번 298.67/0.16

2번 297.85/0.09

3번 299.17/0.23 4번

298.90/0.36

5번 299.05/0.27

6번 299.81/0.32 7번

298.56/0.36

8번 299.06/0.27

9번 298.94/0.28 10번

298.27/0.23

11번 298.70/0.25

12번 299.13/0.25 칠판

298.84

0.47

case 6의 경우는 모든 지점이 PMV의 쾌적 범위 안에 들었지만 우리가 온도를 측정한 case 중에서 가장 낮은 평균온도와 각 지점의 온도 표준편차가 크게 나타나 설치 시 에너지 효율면에서 좋지 않을 것으로 판단된다.

표Ⅻ. 천장형 냉난방기 위치 case7 분석

1번 299.11/0.34

2번 300.45/0.49

3번 298.74/-0.20 4번

298.85/0.32

5번 299.85/0.61

6번 299.56/0.52 7번

299.78/0.51

8번 299.64/0.69

9번 299.58/0.47 10번

298.66/0.35

11번 299.72/0.44

12번 299.75/0.43 칠판

299.47

0.51

case 7의 경우는 각 지점간의 표준편차가 다른 case에 비해 큰 편이며 6번과 7번 8번 지점의 경우 PMV의 쾌적 범위를 벗어났다. 우측으로 치우치는 경우 쾌적하지 못할 것이라는 생각을 입증하는 자료라 생각된다.

표ⅩⅢ. 천장형 냉난방기 위치 case8 분석

1번 299.35/0.15

2번 299.41/0.52

3번 298.44/0.14 4번

298.75/0.24

5번 299.61/0.57

6번 299.82/0.40 7번

298.94/0.44

8번 299.53/0.53

9번 299.01/0.38 10번

298.69/0.23

11번 299.36/0.29

12번 298.69/0.40 칠판

299.13

0.42

case 8의 경우는 PMV의 쾌적 범위를 벗어나는 지점이 3곳으로 2번과 5번, 8번 에서 쾌적하지 못한 것으로 나타났으며 평균온도도 낮은 편에 속하였다.

(11)

표ⅩⅣ. 천장형 냉난방기 위치 case9 분석

1번 299.32/0.12

2번 299.50/0.28

3번 301.03/0.39 4번

299.50/0.05

5번 299.26/0.05

6번 300.87/0.44 7번

298.49/-0.02

8번 299.37/0.13

9번 300.52/0.41 10번

299.14/0.10

11번 299.67/0.20

12번 300.50/0.32 칠판

299.76

0.80

case 9의 경우는 온도의 표준편차가 큰 편이나 PMV 값이 좋고 평균 온도도 적당 하다고 판단된다. case 9에 설치 시 다른 경우보다 좋은 효과를 보여줄 것으로 기 대된다.

표ⅩⅤ. 천장형 냉난방기 위치 case10 분석

1번 299.04/0.12

2번 298.86/-0.13

3번 299.33/0.10 4번

299.62/0.19

5번 298.99/0.05

6번 300.32/0.28 7번

298.32/-0.02

8번 299.56/0.28

9번 299.62/0.26 10번

300.26/0.25

11번 299.68/0.20

12번 300.26/0.18 칠판

299.49

0.59

case10은 낮은 온도 편차와 안정적인 PMV 값을 보여준다. 다른 case와 비교하였을 때 가장 안정적인 PMV와 고른 온도분포를 보여준다. case 10에 설치 시 다른 경우보다 좋은 효과를 보여줄 것으로 기대된다.

표ⅩⅥ. 천장형 냉난방기 위치 case11 분석

1번 299.64/0.36

2번 300.38/0.21

3번 300.67/0.16 4번

298.92/0.29

5번 300.34/0.21

6번 300.19/0.00 7번

299.61/0.33

8번 299.05/0.09

9번 299.42/0.05 10번

299.61/0.21

11번 299.06/0.05

12번 299.52/0.20 칠판

299.71

0.55

case11은 낮은 온도 편차와 안정적인 PMV 값을 보여준다. 다른 case와 비교하였을 때 가장 안정적인 PMV와 고른 온도분포를 보여준다. case 11에 설치 시 다른 경우보다 좋은 효과를 보여줄 것으로 기대된다.

표ⅩⅦ. 천장형 냉난방기 위치 case12 분석

1번 301.23/0.65

2번 300.57/0.62

3번 298.53/0.31 4번

300.86/0.68

5번 299.54/0.45

6번 298.42/-0.01 7번

298.56/0.13

8번 300.04/0.49

9번 298.44/0.00 10번

298.79/0.26

11번 298.71/0.50

12번 298.26/-0.01 칠판

299.33

1.03

case12의 경우에는 PMV의 쾌적 범위를 벗어나는 지점이 생겼으며 측정한 case들 중 온도의 표준편차도 가장 컸다.

(12)

4) 분석결과 종합

시뮬레이션 상에서 PMV와 평균 온도와 각 지점의 온도 표준편차를 기준으로 분석했을 경우 그림 16의 case 9, 10, 11 범위에 천장형 냉난방기를 적용했을 때이다. 그림 상에 서 파란색 선 안의 부분으로 중앙에서 창측으로 1m 떨어지고, 칠판 쪽으로 1m에서 2m 앞쪽으로 위치하는 것이 가장 좋은 위치로 나타났다.

교실의 전체 사이즈는 가로 7m, 세로 9.4m이다.

case2 (-0.5m, 0m)

case 7(1m, 0m) case1(0,0)

case3 (-1.0m, 0m)

case4 (-1.5m, 0m) case5 (-2.0m, 0m) case6 (-2.5m, 0m)

case 8(-1m, 0.5m) case 9(-1m, 1m) case 10(-1m, 1.5m) case 11(-1m, 2m) case 12(-1m, 2.5m)

(창측)

(칠판)

(복도측)

실제 설치위치 (0.3m, -1.5m)

그림 16. 가로 7m, 세로 9.4m 교실의 천장형 냉난방기 최적위치

4. CFD 시뮬레이션을 통한 제어용 온도 센서의 최적배치

가. 복도 쪽 벽면(제어용 온도 센서 위치)과 호흡 면 온도분포 비교

1) 시뮬레이션 상의 제어용 온도 센서 좌표 정의 및 좌표 선정 고려사항

교실 내 천장형 냉난방기 최적화 시뮬레이션을 통해 찾은 case 9의 위치를 기준으로 제어용 온도센서의 최적배치를 CFD 시뮬레이션을 통해 계산하였다.

온풍기의 위치 최적화 실험에서 우선적으로 고려한 점은 사용자의 편의를 고려하였다.

제어용 온도 센서의 경우 온도 센서만이 있는 것이 아니라, 온도를 조절하고 끄고 켜는 작업을 실시하는 컨트롤러가 함께 있기 때문에 사용자가 사용하기 좋은 문 옆쪽을 기준 으로 하여 최적배치를 하고자 하였다.

따라서 최적배치를 위해 선정한 시뮬레이션에서 고려한 제어용 온도 센서의 위치는 그 림 17과 같다. 교실 앞에서 130cm 떨어진 부분에서 10cm 간격으로 온도센서를 움직이 가면서 총 10개의 위치를 고려하였다. 교실 앞쪽에서 130cm 떨어진 지점을 고려지점1번 으로 하고 이후 차례로 고려지점 10번까지 10개의 위치를 고려하였다.(그림 18참조) 또 다른 고려 지점의 선정 이유는 case 9의 호흡면(바닥위 110cm) 12점의 평균온도 인 299.4K와 유사한 지점이다. 교실 내에서 복도 쪽 벽면(제어용 온도센서 설치부분) 수 직 온도 분포를 분석해본 결과 위로 갈수록 온도가 높아지는 경향을 보였다. 그러나 사 용자의 편의상 너무 높아질 수 없다는 결론을 내려 바닥면에서 그림 17과 같이 160cm지 점을 선정하였다.

교실 앞 (칠판쪽) 교실 뒤

130cm

160cm

고려지점1 고려지점10

그림 17. 시뮬레이션 상에서 고려한 제어용 온도센서 위치

(13)

2) 천장형 냉난방기 위치 caes 9의 110cm 높이 수평온도 분포와 제어용 온도 센서 10개의 위치 온도분포 비교

제어용 온도 센서의 최적배치는 천장형 냉난방기 caes9의 호흡면(교실 바닥에서 110cm) 수평온도를 기준으로 계산한 각 지점의 평균값과 복도 쪽 벽면 수직 온도분포를 비교하여 최적 위치를 찾았다.

시뮬레이션을 통한 결과는 그림 18과 같다

(a) caes9 호흡면 온도분포 (b) caes9 복도쪽 벽면 수직 온도 분포 그림18. caes9의 호흡면 수평 온도분포와 복도쪽 벽면 수직 온도분포 비교

천장형 냉난방기 위치 caes9의 110cm 높이 수평온도의 평균값은 299.76K 이다. 그림 18의 (b)에서 시뮬레이션상 고려지점의 수직 온도 본포는 그림 19와 같다. 지면 관계상 고려지점 1번과 4번만을 제시하였다.

고려지점의 1의 수직 온도 본포 고려지점의 4의 수직 온도 본포 그림 19. 고려지점의 수직 온도 본포

나. 제어용 온도센서의 최적 배치 분석결과

분석결과 각 고려지점에서 평균온도인 299.76K을 만족하는 곳은 단 한 곳도 없었다.

분석 결과 약 2도의 보정 값을 적용하는 것이 타당하다고 판단되었다. 사용자의 편의를 위해서 160cm 지점에 제어용 온도센서를 부탁하는 경우 온도센서의 높이는 대략 170cm 가 되고 이때 필요한 보정값 2℃로 정했을 경우 부착이 가능한 고려 지점에서 표ⅩⅧ과 같다.

표ⅩⅧ. 2℃보정으로 부착 가능한 고려지점

고려지점 1 고려지점 2 고려지점 3 고려지점 4 고려지점 5

× × × ○ ○

고려지점 6 고려지점 7 고려지점 8 고려지점 9 고려지점 10

○ × × × ×

제어용 온도센서에 +2℃ 보정을 하였을 때 사용자의 편이에 맞는 높이인 160cm에 부 착할 수 있는 곳은 고려지점 4 ∼ 6으로 교실의 칠판면에서 수평방향으로 160cm 떨어진 곳에서 180cm 떨어진 곳까지 온도센서를 부탁하는 것이 타당하다고 보여진다.

다. 외기 온도 변화에 따른 제어용 온도센서의 최적 배치 분석

외기 온도가 –5℃ 일 때 호흡면의 평균온도는 299.76K이고 이때 부착 가능한 고려지점 은 높이 170cm, 칠판 면에서 수평방향으로 160cm ∼ 180cm 떨어진 곳으로 나타났다.

이렇게 구한 제어용 온도센서의 최적위치가 외기 온도에 영향을 받는지 알아보기 위해 외기온도를 -2.5℃, -7.5℃, -10℃로 변경하며 시뮬레이션을 통해 실험을 진행하였다.

결과는 그림 20과 같다.

외기온도(-2.5℃) 외기온도(-7.5℃)

그림20. caes9의 수평 온도분포와 벽면 수직 온도분포 비교 (외기온도변경)

(14)

외기온도가 -2.5℃, -7.5℃, –10℃로 변하는 경우, 호흡면의 평균온도와 벽면 수직온도 분포가 함께 변하여 높이의 오차는 ±0.05m 정도임을 알 수 있었다. 따라서 외기온도의 영향없이 제어용 온도센서는 +2℃ 보정을 하였을 때 사용자의 편이에 맞는 높이인 160cm에 부착할 수 있는 곳은 고려지점 4 ∼ 6으로 교실의 칠판 면에서 수평방향으로 160cm 떨어진 곳에서 180cm 떨어진 곳까지 온도센서를 부탁하는 것이 타당하다고 보여 진다.

5. 교실 내 성층화 해소 방안 및 검증

천장형 냉난방기를 여름에 사용하는 경우 선풍기를 함께 사용해서 효과를 크게 하는 것에 대해서는 연구가 있고 많이 사용되고 있다. 또한 최근 에어 셔큘레이터가 난방효율 을 높인다는 연구 결과가 나왔으나, 교실에서 별도로 에어 셔큘레이터를 사용하는 것은 제한점이 많다.

천장형 냉난방기의 난방과 벽걸이 선풍기를 함께 사용하는 경우는 어떤 문제점이 있을 까? 교실내 성층화를 해소할 수 있는 좋은 방안은 없을까?를 고민하며 아이디어 회의를 진행하였다.

아이디어 회의 결과 난방과 함께 기존의 벽걸이 선풍기를 그대로 사용하면 사용자에게 풍속의 크기가 커지기 때문에 PMV 값이 쾌적한 난방 효과 범위를 벗어날 것이라고 예상 하였다. 따라서 풍속의 크기를 크지 않도록 하면서 벽걸이 선풍기를 사용할 방안을 강구 하였고, 선풍기의 도는 방향을 반대로 돌려 역방향으로 공기의 순환이 일어나도록 하는 아이디어를 생각하게 되었다. 이는 사용자가 느끼는 직접적인 풍속의 크기가 크지 않기 때문에 쾌적한 난방효과를 유지하면서, 교실내 성층화를 해소할 것으로 기대되었다.

교실내 성층화 해소를 위한 아이디어를 개략적으로 표현한 모습은 그림 21과 같다.

(a)벽걸이 선풍기 정방향 회전시 예상모습 (b)벽걸이 선풍기 역방향 회전시 예상모습 그림21. 교실내 성층화 해소를 위한 아이디어

가. 선풍기 회전 방향에 따른 온도분포의 변화(시뮬레이션 결과)

시뮬레이션을 이용하여 현재 물리세미나실 상황과 벽걸이형 선풍기 정방향 회전시, 벽 걸이형 역방향 회전시 교실 바닥기준 110cm 수평온도 및 수직 온도 분포를 분석한 결과 는 그림 22, 23, 24와 같다.

(a) 선풍기 없는 경우 수평온도분포 (b) 선풍기 없는 경우 수직온도분포 그림22 선풍기 미작동시 수평(높이 110cm), 수직 온도 분포

(a) 선풍기 정방향 회전시 수평 온도분포 (b) 선풍기 정방향 회전시 수직온도분포 그림23 선풍기 정방향 작동시 수평(높이 110cm), 수직 온도 분포

(a) 선풍기 역방향 회전시 수평 온도분포 (b) 선풍기 역방향 회전시 수직온도분포 그림24 선풍기 역방향 작동시 수평(높이 110cm), 수직 온도 분포

(15)

나. 선풍기 회전 방향에 따른 온도분포의 변화 결과 분석

그림 22, 23, 24의 시뮬레이션 온도분포 변화에 대한 결과 분석은 다음 표Ⅴ, ⅩⅨ, Ⅹ

Ⅹ와 같다.

표Ⅴ. 천장형 냉난방기 현재 위치 온도 분포 분석

1번 298.15/-0.52

2번 298.95/-0.39

3번 298.80/-0.46 4번

298.59/-0.50

5번 298.57/-0.49

6번 298.82/-0.41 7번

289.54/-0.42

8번 298.54/0.35

9번 298.41/0.49 10번

298.73/-0.29

11번 298.57/-0.52

12번 298.67/-0.20 칠판

298.59

0.22

표ⅩⅨ. 벽걸이 선풍기 정방향 회전 시 온도분포 분석

299.56/-1.9 300.41/-1.31 299.27/-2.09

298.95/-1.81 300.06/-1.38 299.21/-1.76

298.93/-1.42 299.01/-1.31 299.29/-1.31

299.06/-1.93 298.99/-1.75 299.26/-1.49 칠판

299.33

0.46

표ⅩⅩ. 벽걸이 선풍기 역방향 회전 시 온도분포 분석

295.10/-0.13 297.32/-0.05 296.62/-0.11

295.33/-0.30 298.32/-0.05 296.16/-0.08

296.33/0.05 295.22/0.09 296.82/-0.63

295.20/-0.33 299.42/0.29 296.18/-0.49 칠판

296.50

1.33

분석결과 선풍기 정방향 회전시 수직방향의 온도 분포가 상당부분 개선되는 모습을 보 여 성층화 해소에 도움을 줄 수 있는 것으로 보인다. 그러나 앞서 예상했던 바와 같이 호흡면에서 사용자가 맞는 풍속이 증가함에 따라 PMV값이 전체적으로 나빠지는 모습을 보이고 있다. 표 ⅩⅨ을 보면 평균 온도는 오히려 0.8도 오른 모습을 볼 수 있으나 전체 지점의 PMV가 기준치에서 많이 떨어지는 모습을 볼 수 있다. -0.5를 훨씬 아래로 밑도 는 수치로 호흡면에서 작업자가 춥게 느낄 수 있다. 따라서 현재 벽걸이 선풍기를 정방 향으로 회전하는 방법은 실제 상황에 적용할 수 없음을 알 수 있다.

반면 선풍기를 역방향으로 회전 시킨 결과 수직방향의 온도 분포가 상당부분 개선됨을 알 수 있었고, PMV의 값이 현재의 온도 분포와 비교하여 좋아지는 모습을 보이고 있었 다. 표 Ⅴ의 경우 1번, 4번, 11번 지점의 PMV가 낮게 나타난데 반해 선풍기 역방향 회 전시 9번의 PMV가 기준치 보다 조금 낮게 측정될 뿐 나머지 부분의 PMV가 전체적으로 개선되어 교실 난방의 효율성을 높이면서 온열환경을 개선할 수 있는 방안이 될 수 있을 것으로 기대된다.

(16)

Ⅲ. 연구결과

1. CFD 시뮬레이션을 통한 천장형 냉난방기의 난방 최적배치

시뮬레이션을 통해서 천장형 냉난방기의 난방 시 최적배치를 실시하였다. 현재 물리세 미나실에 설치된 천장형 냉난방기의 경우 12곳의 위치 중 3곳이나 PMV의 기준치를 벗 어난 곳이 있어 효율적이지 못한 난방을 실시함을 알 수 있었다.

학생들이 앉는 곳이 칠판 쪽으로 치우쳐 있고, 창문 쪽이 외기온도도 낮고 열손실이 많은 것을 고려하여 시뮬레이션을 할 곳의 좌표를 설정하고 12 case의 시뮬레이션을 실 시하였다. 그 결과 가로 7m, 세로 9.4m, 높이 2.7m인 면적 65.8m^ 인 교실에서 PMV와 평균 온도와 각 지점의 온도 표준편차를 기준으로 분석했을 경우 그림16과 같이 교실 중 앙에서 창측으로 1m, 칠판 쪽으로 1m에서 2m 앞쪽으로 위치하는 것이 가장 좋은 위치 인 것으로 나타났다.

그림 16. 가로 7m, 세로 9.4m 교실의 천장형 냉난방기 최적위치

현재 학교에 설치된 냉난방기를 조사한 결과 많은 수의 것이 중앙이나 중앙에서 뒤쪽 으로 치우쳐 설치되었는데, 중앙과 뒤쪽의 경우 PMV를 만족하지 못하는 결과가 나타나 는 것으로 밝혀졌다. 또한 가급적 중앙에서 창쪽으로, 칠판쪽으로 치우치게 설치할 경우 교실 내 호흡면에서 쾌적함을 느낄 수 있는 것으로 나타났다.

이 결과는 에너지 측면만이 아닌 쾌적한 온열 환경 측면에서 교실내 천장형 냉난방기 의 설치에 큰 시사점을 줄 수 있을 것으로 판단된다. 이후에 학교에 천장형 냉난방기를 설치할 경우 굳이 시뮬레이션을 하지 않아도 최적의 효과가 나타나는 지점을 쉽게 판단 할 수 있어 현장 적용에 큰 시사점을 줄 수 있을 것으로 보인다.

2. CFD 시뮬레이션을 통한 제어용 온도 센서의 최적배치

제어용 온도센서의 경우 컨트롤러나 천장형 냉난방기 자체에 설치되어 있다. 초창기 모 델은 천장형 냉난방기 자체에 설치되어 있었으나, 이 경우 성층화에 따른 센서와 실제 호흡면 온도의 차이가 심하여 거의 대부분의 제어용 온도센서는 컨트롤러에 설치되어 있 다.

시뮬레이션을 통해 제어용 온도센서의 위치를 판단해본 결과 복도쪽 벽면의 경우 열 손실에 의해 호흡면의 평균온도를 제시할 수 있는 점은 존재하지 않았다. 따라서 온도센 서를 보정해줄 필요가 있었는데 복도 쪽 벽면에 제어용 온도센서를 부착할 경우 약 + 2℃정도의 보정이 필요하였다.

또한 사용자의 편의를 위해 160cm 지점에 제어용 온도센서를 부착할 경우 그림 17의 빨간색 부분과 같이 교실의 칠판 면에서 수평방향으로 160cm 떨어진 곳에서 180cm 떨 어진 곳까지 온도센서를 부탁하는 것이 타당하다는 결론을 얻을 수 있었다.

이 결론은 천장형 냉난방기의 온도센서가 보정 값이 전혀 없이 부착되고 있다는 점과 단순히 컨트롤러를 조절하기 편한 곳에 부착한다는 점을 비추어 보았을 때 시사하는 바 가 매우 크다.

보정값을 넣지 않고 제어용 온도센서를 사용하는 경우 사용자가 호흡면에서 느끼는 온 도보다 제어용 온도센서가 센싱하는 온도가 낮기 때문에 천정형 냉난방기는 보다 많은 에너지를 사용하게 되고 사용자의 호흡면 PMV 값은 기준치를 넘어 온열환경면에서도 안

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좋게 되는 문제가 발생할 수 있다.

따라서 제어용 온도센서를 정확한 위치에 부착하고 열손실을 계산하여 보정값을 제공 하는 과학적인 활동이 반드시 필요함을 알 수 있었다.

교실 앞 (칠판쪽) 교실 뒤

130cm

160cm

고려지점1 고려지점10

그림 17. 시뮬레이션 상에서 고려한 제어용 온도센서 위치

3. 교실 내 성층화 해소 방안 및 검증

천장형 냉난방기의 가장 큰 단점은 위쪽 공기가 따뜻하고 가벼워 성층화되는 데 있다.

교실의 크기가 클수록 이런 성층화 효과는 강하게 나타나는 데 가로 7m, 세로 9.4m, 높이 2.7m인 면적 65.8m^ 교실에서도 성층화가 상당히 이뤄짐을 알 수 있었다.

가정에서는 이런 성층화를 없애기 위해 에어셔큘레이터를 사용하는 경우가 있으나, 현 재 개발된 에어셔큘레이터는 바닥에 설치하는 제품이 대부분이고 따로 설치를 해야하는 등의 번거로움이 있어, 이미 기존에 설치된 벽걸이형 선풍기를 이용하여 성층화를 해소 하는 방안에 대해 시뮬레이션 하였다.

그 결과 선풍기를 기존에 사용하던 대로 사용하였을 경우 성층화는 상당히 해소할 수 있었으나, 사용자에게 작용하는 풍속이 빨라져 PMV가 올라가는 것을 볼 수 있었다. 이 런 이유로 현재 교실에서 벽걸이형 선풍기는 여름에만 사용하고 있다.

선풍기를 기존과 반대 방향으로 돌려서 환풍기와 같은 형태로 사용한다면 성층화를 해 소하면서 PMV가 올라가는 현상을 줄일 수 있을 것으로 기대하여 시뮬레이션 한 결과 성

층화의 해소는 기존방향으로 선풍기를 돌리는 것보다 적게 되었으나, PMV가 올라가는 현상은 막을 수 있어 실제로 사용할 경우 상당한 효과를 볼 수 있을 것으로 판단되었다.

현재 물리세미나실에 설치된 천장형 냉난방기와 최적화된 위치의 천장형 냉난방기, 벽 걸이형 선풍기를 역방향으로 회전한 경우의 에너지 효율을 시뮬레이션을 통하여 비교하 여 본 결과, 각 지점의 수평, 수직 온도가 벽걸이형 선풍기를 역방향으로 회전 시켰을 경 우 가장 크게 개선된 것을 볼 수 있었다.

즉, 천장형 냉난방기의 최적화와 교실내 성층화 해소를 위한 선풍기를 역방향으로 회 전 시키는 아이디어가 실제에 적용될 경우 에너지 효율과 온열환경 개선에 크게 도움을 줄 수 있을 것이라고 판단된다.

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Ⅳ. 결론 및 제언 1. 결론

시뮬레이션을 통해 천장형 냉난방기를 최적화한 결과 교실의 중앙에서 창문쪽으로, 칠 판쪽으로 치우칠 때 효율적인 면이나 온열환경 측면에서 최적화 됨을 알 수 있었다.

또한 제어용 온도센서의 위치를 최적화 하는 과정에서 복도쪽 벽면에 센서를 위치시킬 경우 호흡면의 평균온도를 나타내 줄 수 있는 자리가 없음을 알 수 있었다. 따라서 온도 를 2℃ 보정해주어야 효율적인 면이나 온열환경 측면에서 이익이 됨을 알 수 있었다.

보통 공사 편이에 의해 냉난방기를 설치하고 있는데 이번 연구를 통해 교실 천장형 냉 난방기 설치에 과학적인 범위를 제시해 준 점과 제어용 온도센서의 최적화를 했다는 점 이 기존 연구와 가장 크게 차별화 되는 점이라 판단된다. 또한 실제 적용에 많은 시사점 을 주고 있어 앞으로 천장형 냉난방기를 교실에 설치할 때 많은 도움을 줄 수 있을 것으 로 기대된다.

또한 선풍기를 역으로 회전시켜 성층화된 공기를 순환시키는 것은 PMV가 나빠지는 현 상 때문에 난방시 선풍기를 이용하여 성층화된 공기를 순환시키지 못했던 문제를 해결하 는 좋은 방안으로 교실내 성층화된 공기 순환을 통해 에너지 효율을 증진시키고 온열환 경을 개선하는데 크게 기여할 것으로 기대된다.

2. 제언

가. 학교들을 조사한 결과 대표적인 교실의 크기는 연구에서 사용한 65.8m^와 101.25 m^가 있다. 차후 101.25m^의 교실 역시 온풍기와 제어용 온도센서의 최적화 작업이 필 요하다.

나. 선풍기를 역으로 회전시키는 경우에 대해 선풍기 날개의 모양은 고려하지 않고 연 구를 진행하였다. 선풍기를 정방향으로 회전 시킬 경우와 역방향으로 회전시킬 경우 비 슷한 효율을 낼 수 있는 선풍기 날개의 모양에 대한 추가 연구가 필요하다.

참고문헌

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부록

Ⅰ. 천장형 냉난방기기 배치 case별 수평방향 온도분포(바닥면 높이 110cm)

(a) case1 (b) case2 (c) case3 (d) case4

(e) case5 (f) case6 (h) case7 (i) case8

(j) case9 (k) case10 (l) case11 (m) case12

Ⅱ. 천장형 냉난방기기 배치 case별 수평방향 온도분포(바닥면 높이 10cm)

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Ⅲ. 천장형 냉난방기기 배치 case별 수직방향 온도분포