★..한국실내환경학회 KOSIE

자연환기시스템의 외기도입 환기캡 표면의 결로해석

한화택

^*

⋅정영균

¹⁾

⋅이성환

²⁾

국민대학교 기계자동차공학부,

¹⁾

국민대학교 대학원,

²⁾

( )주 벤토피아

Hwataik Han

^*

⋅Young Kyun Jeong

¹⁾

⋅Sung Hwan Yi

²⁾ School of Mechanical and Automotive Engineering, Kookmin University

1)

Graduate School, Kookmin University

2)

(C)Ventopia, Seoul, Korea

Abstract

In this paper, it is intended to investigate the condensation characteristics of a supply vent cap, which is designed and developed for natural ventilation systems for ondol heating spaces. Numerical simulations are conducted using a CFD package to analyze airflow and thermal conditions around the vent cap. Temperature and humidity distributions are obtained to predict condensation on the surface, depending on the material properties. As the thermal conductivity decreases, decreased is the condensation surface area. The thermal conductivity of the vent cap is found to be less than 1 W/mK in order to prevent condensation under the winter design condition of Seoul. An experimental technique is introduced to visualize condensation on surfaces using water-absorbing mud film. Analytical results are in good agreement with experimental observations. Discussion are also included for the thermal comfort and flow characteristics around the vent cap observed by the flow visualization and temperature visualization studies.

Keywords : Natural ventilation, Condensation, Supply vent cap, Thermal comfort

* Corresponding author. Tel +82-2-910-4687, E-mail [email protected] ： ：

서론 1.

쾌적하고 건강한 실내 공기질 유지를 위하여 환 경부의 다중이용시설등의 공기질관리법 (2003)이 제정되어 있고 건설교통부의 건축법, (2006)에는 공동주택의 환기설비 설치가 의무화되어 있다 공. 동주택의 실내 환기기준으로 시간당0.7회를 제시 하고 있으며(Ministry of Construction and Transpor- 자연환기나 상시 환기 개념의 기계 tation, 2006),

환기시스템 모두 적용이 가능하도록 하고 있다. 기계환기의 경우 제어성능은 우수하지만 설치비, 절감이나 에너지 절약을 위하여 최근들어 기계환 기와 자연환기를 조합한 하이브리드 환기가 적극 적으로 검토되고 있다 그러나 외기를 직접 도입. 하는 경우 겨울철 결로문제나 콜드드래프트 문제 등이 발생할 수 있기 때문에 외기도입구의 역할이 매우 중요하다 대한주택공사의 주택도시연구원. 의 공동주택 세대내 결로 방지대책 연구(Kim, 에 의하면 결로 문제는 실내 환경 분야에 있 2004)

어서 가장 민원이 빈번하게 발생되고 있는 문제 중 하나이며 외기와 접하고 있는 벽면이나 외기도 입구 부근에서 주로 발생하는 것으로 보고되고 있 다 결로로 인하여 벽체의 손상뿐 아니라 곰팡이. 나 각종 균의 번식을 유발하여 실내 오염문제를 야기할 수 있다 따라서 외기도입구 주위의 열환. 경문제와 결로문제는 자연환기 시스템이나 하이 브리드 환기시스템을 보급하는데 있어서 해결해 야 할 매우 중요한 문제이다 특별히 적정한 외기. 도입구의 형상설계와 재질의 선정을 통하여 결로 발생을 방지할 수 있는 기술의 개발이 우선적으로 필요하다.

외기도입구에 관한 연구로서 Han and Jeong 은 자연환기용 급기구 형상에 따른 실내온 (2008)

열환경에 대한 수치해석 연구를 수행하였으며, 는 하이브리드 환기시 콜드드래프트 방지 Yi(2006)

를 위한 자연환기구 실험을 수행하였다 또. Choi 은 수치해석을 이용한 자연환기설 and Kim(2007)

비의 환기량 해석에 관한 연구를 수행하였다 결. 로에 대한 연구로서Yee(2007)는 총체적인 공동주 택 세대내 결로 방지대책에 대한 연구를 수행하였 고, Hong et al.(2003)은 초고층 공동주택에서의 결 로 발생 유무를 수치해석 프로그램을 이용하여 예 측을 하는 연구를 진행한 바 있다 결로에 대한 해. 석은 기본적으로 실내 노점온도와의 비교에 의하 여 이루어지며 실내표면 최저온도에 근거한 온도 차 비율(TDR)을 정의하고 있다(BSI, 1989).여기서

은 결로저항계수

TDR (condensation resistance factor) 와 동일한 개념(Han et al., 1992)으로 실내외 온도 차로 무차원화된 노점 온도로 이해할 수 있다.

위의 선행 연구들을 살펴보면 결로 문제는 실내 공기질에 매우 중요한 인자로 인식이 되고 있지 만 외기도입과 연계된 결로해석이나 실험 연구는, 활발히 진행되어 오지 못했다 대부분의 결로 연. 구는 외기도입과 관계없는 실내 표면온도에 관한 고찰이 주를 이룬다 그러나 자연환기시 외기가. 실내로 직접 도입될 때 외기도입구 주변의 결로, 문제는 차고 건조한 외기와 따뜻하고 습한 실내공 기가 서로 혼합되면서 상당히 복잡한 양상으로 나 타난다 즉 외기가 도입되는 부분에 노출되어 있. 는 벽체나 환기캡의 표면온도가 실내공간의 노점 이하라 할지라도 도입된 외기가 건조하기 때문에 결로가 발생하지 않을 수 있다 또한 외기도입구. 를 구성하고 있는 재질의 열전달 특성에 따라서 온도 분포가 다르게 형성되기 때문에 결로 발생여 부에 있어서 열전도율이 중요한 역할을 하게 된 다.

본 연구에서는 자연환기용 외기도입구 주변의 실내외 공기 혼합에 따른 온도와 절대습도의 분포 를 전산유체역학적 방법으로 해석하여 그로부터 결로 해석을 수행하고자 한다 환기캡의 형상과. 열전도율에 따라 표면의 결로여부를 예측함으로 써 좌식 생활을 주로 하고 있는 우리나라 주거환 경에 적합한 결로방지 환기캡의 개발에 활용될 수 있을 것이다.

연구 방법 2.

해석모델 2.1

결로 판정을 위한 실내공간을 모사한 해석 모델 은Fig. 1과 같다 해석공간의 크기는. 5m × 5m × 이며 급기구와 배기구의 위치는 바 2.4m (L×W×H) ,

닥에서2 m 높이로 각 벽면의 중앙에 위치한다. 외기도입구로 이용된 환기캡(vent cap)은 하이브리 드 환기용으로서 겨울철 콜드드래프트 방지를 위 하여 특별히 고안된 것이다. Fig. 2는 본 연구에서 사용된 환기캡의 형상과 치수를 보이고 있다 직.

경100 mm의 덕트 구멍을 통해 들어온 공기는 앞 을 가로막고 있는 디플렉터(deflector)에 부딛혀 사 방으로 취출된다 여기서 환기캡은 아래쪽으로 막. 혀 있기 때문에 급기는 위쪽과 좌우 양방향으로 분사된다 디플렉터 하단에는 작은 틈새. (slit)를 두 어 하단 막힘에 따른 유동에 의한 압력 불균일을 해소하고 있다 급기구의 재질 두께는 모두. 2 mm 이다.

실 전체의 환기량은 시간당 0.7회에 해당하는 로 설정하였고 실내의 평균온도는

42CMH , ISO7730

에서 제시하고 있는 동계 실내 권장온도인 (1994)

상대습도는 로 설정하였다 또 외기 온

24 ,℃ 50% .

도는 서울시 난방부하 설계온도 규정에 따라-11.

로 설정하였다 환기캡 재질에 따른 결로에 미

3℃ .

치는 영향을 파악하기 위하여Table 1과 같이 가5 지 재질의 열전도율에 대하여 결로 해석을 수행하 였다 여기서 선정한 가지 재질은 실제적인 재질. 5 과의 연관관계를 정량적으로 파악하고 넓은 범위 의 열전도율을 포괄하기 위하여 임의로 선정한 것 이다.

Deflector

Slit t = 2 mm

100 mm

15 4 m m

16 6

m m

33

20

44

Deflector

Slit t = 2 mm

100 mm

15 4 m m

16 6

m m

33

20

44

수치해석 2.2

수치해석을 위해 실내의 공기유동을 차원 비3 압축성 유동으로 가정하였으며 온도 변화에 따른, 밀도변화를 고려한Boussinesq가정을 사용하였다. 지배방정식은 연속방정식과 세 개의 운동량 방정 식 그리고 에너지 방정식 및 수증기에 대한 농도, 방정식이다 난류항은 표준.

k-

ε난류모델을 사용 하였으며(Shinsuke et al., 1997), 실내의 속도와 압 력의 상관관계는 SIMPLE 알고리즘(Patankar, 을 사용하여 온도차에 의한 부력항을 포함시 1980)

켜 해석을 수행하였다 여기서 사용된 지배방정식. 은 다음과 같다.

     

_

  

_

(1) 여기서Φ는Table 2에 나타난 종속변수이며, S

Φ

와Γ

_Φ

는 각 종속변수에 따른 생성항과 확산계수

이다. ρ와

V는 공기의 밀도와 속도벡터이다.

속도 경계조건으로 급기구와 배기구를 제외한 전체 벽면에서 점착조건이 적용된다 급기를 통해.

서는 균일한 속도를 갖는 입구 경계조건이 주어지 고 배기는 구배가 영인 출구 경계조건이 주어진 다 급기의 밀도는 외기온도. -11.3

^o

C와 상대습도

에서의 값으로서

0% 1.347 kg/m

³

로 설정하였다 온. 도경계조건으로는 바닥면을 제외한 벽면과 천장 면은 모두 단열되어 있고 습도경계조건은 투과되 지 않는 것으로 가정하여 온도와 습도의 경우 모 두 벽면에서 구배가 영이 되도록 설정하였다 실. 내 온습도 조건, 24

^o

C, 50%를 유지하기 위해서 실 내외 공기교환에 의한 열 및 습기부하가 바닥면에 서 발생하도록 하였다 바닥면의 경계조건으로 면. 적당 일정 열량 및 일정 습기량 발생원 조건을 설 정하였다 또한 좀더 보수적인 결로조건을 모사하. 기 위하여 환기캡과 실내 벽체간의 복사 열전달은 고려하지 않았다 수치해석을 위해. CFD 상용 프 로그램인Fluent 6.2.16 을 사용하여 실내온도 및 기류 등을 해석하였다 계산 영역내의 격자계는. 각 CASE 모두 210000 여개이다 해석에 사용된. 경계조건은Table 3과 같다.

Material Aluminum Fiber epoxy Ceramic filled Polyethylene Polystyrene Thermal conductivity

(W/mK) 204 11.1 1.06 0.33 0.028

Variable ( )Φ Diffusion coeff. (Γ

Φ

) Source term (S

Φ

) Continuity

Momentum Turbulent kinetic energy Turbulent kinetic energy dissipation rate

1 V

i

k ε

0

μt

μ +

k

t σ

μ μ )/ ( +

σε

μ μ )/ ( + _t

0

i

i

g

x P

∂ +Δρ

∂

− /

k

k

G

P

−ρε+

(

C

₁

P

_k

C

₂ε)/

k C

₃

G

_kε/

k

ε − +

) 09 . 0 , 0 . 1 , 92 . 1 , 44 . 1 , 314 . 1 , 0 . 1 ( ) , , , , , ( , / ,

)

( 1 2 3

2 ,

,

, + = =

=

μ

V V V

μ

Cμ

ρ

k

ε σ σ

ε C C C Cμ

Pk t ij ji ij t k

가시화 실험 2.3

환기캡 주위의 유동분포와 온도분포 그리고 결 로 상태를 정성적으로 파악하고 수치해석 결과와 비교 검증하기 위하여 유동 온도 결로에 대한 가, , 시화 실험을 수행하였다 이 때 사용된 환기캡은. 폴리에틸렌으로 제작된 것이다 실험공간은. 25mm 두께의 스티로폼으로 제작되었고 실의 평균 온습 도 조건과 급기조건은 앞에서 설명된 온습도 조건 으로 설정되었다 겨울철 외기조건을 제시하기 위. 하여 항온 챔버를 이용하였다 상세한 실험장치와. 계측장비는Jeong (2009)에 나타나 있다 유동가시. 화를 위하여 급기측에 연발생기를 연결하여 환기 캡을 통한 유동상태를 가시화 하였다 또한 환기. 캡 표면과 환기캡이 부착된 벽면의 표면온도를 가 시화를 위하여 열화상 카메라를 이용하였다.

물체 표면의 결로는 초기에 관찰하기가 용이하 지 않다 결로의 양이 많지 않고 눈에 잘 띄지 않. 기 때문이다 환기캡 표면의 결로 여부를 실험적. 으로 파악하기 위하여 환기캡 표면에 흡습성이 강 하고 물기를 흡수하였을 때 명암의 변화가 나타나 는 황토액을 도포하여 결로 가시화를 시도하였다.

황토 가루는 건조된 상태에서 밝은 미색을 나타내 지만 젖은 상태에서는 진한 황토색을 나타낸다.

황토액을 얇게 세 차례 정도 반복하여 도포하였 다 도포된 황토의 두께는 수성 물감 정도로 두께. 가 얇기 때문에 소량의 결로에 대해서도 명암이 분명하여 결로위치를 정확하게 관찰할 수 있다.

결과 및 고찰 3.

결로 해석을 수행하기 전에 우선적으로 환기캡 주위의 유동과 온도분포를 가시화 하였다. Fig. 3 은 수치해석에 의한 환기캡 주위의 유선과 연기에 의한 유동가시화 사진을 비교해서 보여주고 있다. 여기서 배경에 보이는 격자는 가로 세로 각각 이다 환기캡의 위쪽과 좌우 양쪽으로 취출 300mm .

된 유동은 벽을 타고 진행하다가 부력에 의하여 점차 아래쪽으로 하강하는 것을 볼 수 있다 좌우. 로 취출된 공기중 일부는 환기캡 아래쪽으로 직접 하강하는 것도 관찰된다. Fig. 4는 환기캡이 설치 된 벽면의 표면온도 분포를 보인다 유동가시화. 결과와 유사한 패턴을 보이고 있다 적외선 화상. 카메라로 측정된 칼라 사진을 색상별로 분리하여 흑백의 등온선 형태로 나타낸 것이다 수치해석. 결과와 정성적으로 뿐만 아니라 정량적으로 잘 일

Category Input Data

Insulated walls and ceiling

_ ^ _ ^  

Heat flux at floor

^{ }



   

^ Mass flux at floor

^{ }



  × 

^{ }



^



Outdoor air temperature T

out

= -11.3℃

Air change rate per hour Q = 42 CMH

Room volume V = 60 ㎥

치하는 것을 알 수 있다.

환기캡 재질에 따른 결로 생성 여부를 판정하기 위해서 열전도율을 변화시키면서 수치해석을 수 행하였다. Fig. 5(a)와(b)는 알루미늄의 경우에 대 한 환기캡의 정면과 측면의 온도분포와 노점온도 분포를 보인다 노점온도는 표면을 따라 해석된. 수증기 분압 분포로부터 습공기선도에 의하여 계 산된 포화온도의 값이다 노점온도가 표면온도보. 다 낮게 나타나는 위치가 결로발생 영역을 의미하

며Fig. 5(c)에서 검은 색으로 표시된 부분이다. 해석 결과에 의하면 하단의 좁게 찢어진 틈새,

를 통하여 차가운 외기가 도입되어 정면 아랫 (slit)

부분에 상당히 낮은 온도표면이 형성된다 그럼에. 도 불구하고 최저온도 영역에서 결로가 발생하지 않는 것은 외기가 토출되기 때문에 실내의 습한 공기가 그 표면에 직접 도달하지 않기 때문이다. 결로는 오히려 정면 중앙부분에 발생하고 있다. 덕트를 통해 도입된 외기가 디플렉터의 뒷면 중앙 (a) Simulation by CFD (b) Flow visualization by fog

(a) Simulation by CFD (b) Infra-red camera image

부분에 충돌하여 전도에 의하여 디플렉터의 뒷면 의 온도를 낮추기 때문이다 알루미늄의 경우 열. 전도율이 매우 크고 두께가 얇기 때문에 두께 방 향으로 온도차는 거의 나타나지 않는다 급기구의. 정면 및 측면부분에 표면의 상당 부분에서 결로가 생성되는 것을 볼 수 있다.

동일한 방법으로 여러 재질에 대하여 수행한 결 로해석 결과 열전도율이 작을수록 결로 면적이, 줄어드는 것을 알 수 있다 전체 환기캡의 표면적. 중 결로 면적의 비를Fig. 6에 보인다 그래프에서. , 축은 열전도율로서 폴리스틸렌 폴리에틸렌 세

x , ,

라믹 에폭시 알루미늄의 순으로 나타나 있다 열, , . 전도율이1 W/mK 이하인 폴리스틸렌과 폴리에틸

렌의 경우 결로가 거의 발생하지 않는다. 결로 발생 면적은 절대적인 결로 발생량을 의미 하지는 않는다 결로 발생량은 결로 면적 뿐 아니. 라 결로 표면적과 주변 공기와의 절대습도 차에 비례하기 때문이다. Fig. 7은 폴리에틸렌의 경우 표면과 주변 공기의 절대습도 차를 컨투어로 그린 것이다 이 때 단위는 단위 건조공기 질량당 수증. 기 질량(kg

w

/kg

air

)이다 표면 대류열전달계수가 일. 정하다고 가정할 때 국부적인 결로발생량은 이 절 대습도 차에 비례한다 폴리에틸렌의 경우 실내습. 도가50%일 때 표면결로가 발생하지 않기 때문에 이 경우에 한하여 실내습도를60%로 상승시켜 해 석한 결과이다 모서리부분에서 절대습도차가 음. 수가 되어 결로 조건이 되는 것을 알 수 있다 이. 것이 음수가 되는 옆면 모서리 부분에 결로가 미 세하게 생성되는 것으로 예측된다 이 경우 실험. 적으로 관찰된 결로 발생 영역이Fig. 8에 진한 색 으로 나타나 있다 모서리에서 시작된 결로가 앞. 면으로 번져 나간 것을 볼 수 있다 실제 결로실험. 과 비교해 볼 때 전반적으로 결로 면적의 크기나 결로 정도에 있어서 잘 일치하는 것으로 판단할 수 있다 결로 위치가 다소 비대칭적으로 나타난. 것은 복잡한 형상을 갖는 환기캡 주위에서 발생한 미세한 유동의 차이에 의한 것으로 판단된다.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0.01 0.1 1 10 100 1000

Thermal conductivity (W /mK)

C o n d e n sa ti o n su rf a c e r a ti o P o lyst yr e n e A lum inum

P o ly et hy le ne F iber epox y

Ce ra m ic f ill e d

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0.01 0.1 1 10 100 1000

Thermal conductivity (W /mK)

C o n d e n sa ti o n su rf a c e r a ti o P o lyst yr e n e A lum inum

P o ly et hy le ne F iber epox y

Ce ra m ic f ill e d

(a) Surface temperature (b) Surface dew point (c) Condensation area

결 론 4.

본 연구에서는 자연환기 시스템의 외기도입구 로 개발된 환기캡에 대하여 전산유체역학적 방법 을 이용한 결로해석 및 유동 온도 결로 가시화, , 실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.

개발된 형상의 환기캡은 차가운 외기가 직접 재 실영역으로 도달하지 않도록 벽면을 따라 아랫방 향을 제외한 방향으로 분사시킴으로써 직접적인3 하강기류를 억제하여 온돌 공간에서 콜드드래프 트의 발생 가능성을 크게 줄인 것으로 볼 수 있다.

본 수치해석 결과는 실험에서 수행된 유동가시화 와 온도가시화 결과와 비교적 잘 일치하는 것으로 나타나 본 해석 방법의 적정성을 검증하고 있다.

환기캡의 열전도율에 따른 결로 해석결과에 의 하면 열전도율이 작을수록 환기캡 표면의 결로 면 적이 좁아지고 발생량이 감소하는 것으로 나타났 다 서울의 외기조건을 기준으로 하였을 때 결로. 를 방지하기 위해서는 최소한 열전도율이 1 미만의 재질을 사용해야 하는 것으로 나타 W/mK

났다.

외기도입구 주위의 결로 해석문제는 건조하고 차가운 외기와 습하고 따뜻한 실내 공기가 혼합되 는 문제이므로 밀폐공간에서 고정된 실내 노점온 도와 표면의 최저온도의 비교만으로는 해석이 불 가능하며 외기도입구 주위의 온도와 습도의 총체, 적인 전달과정 및 분포를 해석하여야 결로 예측이 가능하다.

폴리에틸렌으로 제작된 환기캡으로 결로 가시 화 실험을 수행한 결과 해석결과와 정성적으로, 잘 일치하고 있다 비록 극한적인 조건이기는 하. 지만 서울시 난방 설계외기온도에서 미세한 결로 가 발생하는 것으로 나타났다 이를 방지하기 위. 하여 디플렉터의 두께를 다소 증가시키거나 외기 가 직접 충돌하는 면에 환기캡 안쪽으로 단열재를 부착하면 해결될 수 있을 것으로 판단된다.

본 실험에서 시도된 황토액의 표면 도포에 의한 결로가시화 실험방법은 실험초기에 결로 발생 여 부와 발생 위치 등을 판단하는데 매우 유용한 것 으로 나타났다 향후 도포 재질 및 실험방법을 개. 선 발전시켜 나가면 결로 연구에 널리 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

감사의 글

본 연구는 2008년도 중소기업청 산학공동기술 개발지원사업의 지원으로 이루어졌으며 이에 감 사드립니다.

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