Study of Pre-ventilation Effects on the Cabin Thermal Load

Copyright

2014 KSAE / 131-12 pISSN 1225-6382 / eISSN 2234-0149

Transactions of KSAE, Vol. 22, No. 5, pp.84-90 (2014)

주차환기 시스템이 차 실내 열부하에 미치는 영향에 관한 연구

이 대 웅^*

한라비스테온공조 연구본부

Study of Pre-ventilation Effects on the Cabin Thermal Load

Daewoong Lee^*

Research Division, Halla-Visteon Climate Control Corporation, 95 Sinilseo-ro, Daedeok-gu, Daejeon 306-230, Korea (Received 28 November 2013 / Revised 13 February 2014 / Accepted 18 February 2014)

Abstract : The aim of this paper is to investigate the application of solar energy in reducing cabin thermal load. When a vehicle is parked under the sun in summer, the interior temperature can reach up to 70°C depending on the solar intensity. Solar power, one of the green energies, is used in automobile air conditioning systems, in order to operate the blower. The power supply of a blower's voltage has been used in a solar sunroof experiment. At the climate wind tunnel, cabin temperature changes were conducted with various operating modes of an air handling system and the pre- ventilation parking conditions of several vehicles, outdoors, was also examined. The test results of the solar sunroof, 39.3W power and 14.1% efficiency were obtained. The thermal load behavior was analysed with the air handling system operating mode differently according to the cabin temperature. By simply operating the blower, average cabin temperature decreased between 5°C ~ 10°C in those vehicles parked outdoors in summer. This reveals that cabin thermal comfort can be improved without consuming the vehicle's extra energy, and that the performance of the air-conditioning system is better than those currently found in vehicles. Moreover, fuel economy will be increased as a result of the reduction in the use of the air-conditioning system, and many other human advantages will be gained. Such advantages include minimized VOCs and a healthy cabin environment.

Key words : Solar sunroof(쏠라 썬루프), Solar intensity(일사량), Cabin thermal load(차 실내 열 부하), Fuel economy (연비), Air handling system(공조 장치), Blower unit(송풍기), Pre-ventilation(주차 환기)

Subscripts

 : breath position

 : foot position

 : maximum point

1. 서 론

전 세계적으로 심각해지고 있는 고유가 시대를 맞아 화석 연료의 고갈에 대비한 대체 에너지 개발 을 위하여 많은 연구와 노력이 여러 나라에서 진행

*

Corresponding author, E-mail: [email protected]

되고 있다. 헨리포드에 의해 처음 개발된 직접 연소

식 엔진은 그동안 인류에게 많은 편의를 제공하였

으나, 날로 심각해지는 지구의 환경보호와 제한된

화석 연료 매장량으로 인하여 개발된 이래 최대의

위기를 맞고 있다. 국내 자동차산업에서도 이러한

문제가 심각하게 대두되고 있는 가운데, 문제 해결

을 위한 대안으로 화석연료를 사용하지 않는 친환

경 자동차 개발에 매진하고 있으며, 이에 따라 전기

자동차(Electric Vehicle), 하이브리드 자동차(Hybrid

Electric Vehicle), 연료전지 자동차(Fuel Cell Electric

Vehicle)의 발전이 가속화되고 있다. 그러나 이들 전

주차환기 시스템이 차 실내 열부하에 미치는 영향에 관한 연구

기 자동차, 하이브리드 자동차, 연료전지 자동차 등 은 파워 트레인(power train)의 변경을 수반하게 되 며, 새로운 파워 트레인에 대한 연구와 기술 개발에 많은 시간과 투자가 필요한 실정이다.

한편, 자동차 메이커에서는 현재의 내연기관 (internal combustion engine)에서 엔진효율을 높이거 나, 차량 전체의 중량을 저감하여 문제를 해결하려 는 노력들이 진행 중이다. 이와 함께 엔진에서 배기 가스로 버려지는 폐열을 회수하여 겨울철 운전시에 빠른 엔진 웜업(warm-up)으로 실내 열 쾌적성과 냉 간 주행시의 연비를 향상하기 위한 배기폐열 회수 시스템에 대한 연구들이 진행되고 있다.

특히 자동차에서 에어컨(air-conditioning system) 의 작동에 따른 연비 악화를 개선하기 위한 여러 연 구들이 진행중이며, 여름철 주차시에 차 실내에 축 척되는 열 부하(thermal load)를 감소하기 위한 노력 으로 차량 외부에 자외선을 차단하는 페인트의 적 용과 유리창을 통하여 실내로 전달되는 복사열을 줄이기 방안으로 자외선 반사 필름을 차량의 유리 창에 적용하거나, 하절기 옥외 주차시에 차량 유리 창의 일부를 개방하여 자연환기에 의하여 차 실내 에 축적되는 열 부하를 저감하기위한 다양한 기술 들이 연구 중에 있다.

또한 천연 청정에너지의 하나인 태양에너지를 차 량에 적극 활용하기 위한 기술들로 차량의 썬루프 (sunroof)에 태양전지(photovoltaic)를 부착하여 태양 전지에서 발생되는 전력으로 썬루프에 일체형으로 부착되어 있는 작은 환기팬을 구동하거나 또는 차 량의 앞쪽에 위치하고 있는 공기분배장치(air handl- ing system)의 송풍기(blower unit)를 가동하여 주차 환기(pre-ventilation)에 의하여 차 실내에 축척되는 열 부하를 감소하는 기술들이 소개되고 있다. 이들 기술들은 이미 선진국의 고급 승용차에 선택사양으 로 적용된 사례가 있으나, 그 효과에 대하여는 이제 막 연구가 진행되고 있다.

본 연구에서는 태양에너지를 차량에 활용하기 위 한 기술 개발 검토로, 강제로 환기를 하였을 때 차 실내 열 부하에 미치는 영향을 살펴보고 그 효과를 분석하고자 한다. 먼저 태양전지가 부착되어 있는 쏠라 썬루프(solar sunroof)를 인공태양에서 시험하

여 발생되는 전력의 정도를 확인하고, 환경제어풍 동에서 차량의 송풍기에 해당전압을 인가하여 강제 로 환기를 한 후 일사에 의하여 실내에 축적되는 열 부하의 변화를 공기분배장치의 조작 모드별로 비교 하였다. 다음으로 실내 체적이 서로 다른 차량을 야 외에 주차한 후, 강제로 환기를 하였을 때와 하지 않 았을 때, 차 실내의 온도변화를 시험하여 태양에너 지 응용기술의 유효성을 확인하고자 한다.

2. 실험장치 및 방법

환경제어풍동 시험에서 차량 공기분배장치에 인 가되는 송풍기 전압을 결정하기 위하여 먼저 썬루 프 일체형 태양전지 모듈에 대한 성능시험이 진행 되었다. 태양전지 일체형 썬루프는 기존의 썬루프 에 태양전지를 부착한 형태로 쏠라 썬루프 모듈의 면적은 4500cm

이고, 단결정의 태양전지가 28개가 직렬로 연결되어 있다. 곡면의 썬루프 유리에 태양 전지를 부착하는 기술과 전극의 형성, 후면 처리 기 술 등 썬루프와 태양전지 셀을 일체로 구성하기 위 하여 검토되어야 할 여러 기술들이 있지만, 본 연구 에서는 생략하였다.

쏠라 썬루프 성능 시험은 한국에너지기술연구원 에서 보유하고 있는 Sun simulator III인 Labo version 과 인공태양으로 측정하였다. 인공태양의 출력을 200W/m

씩 변경하면서, 200 ~ 1000W/m

에서 시험 하여 광원의 세기에 따라 쏠라 썬루프의 특성을 확 인하였다. 상세 시험 조건은 Table 1에 나타내었다.

2.2 환경제어풍동 시험 2.2.1 환경제어풍동 시험 장치

태양전지에서 발생한 전력으로 공기분배장치의 송풍기가 작동될 때 실내 열부하에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 환경제어풍동에서 시험을 진행하 였다.

Fig. 1은 시험에 사용된 실차환경제어풍동(climate

wind tunnel)의 개략도와 제어 범위이다. 환경제어풍

동은 자동차가 200km/h까지 다이나모위를 주행 할

수 있으며, 보일러와 냉동장비가 설치되어 온도와

습도 조절을 통하여 다양한 기후조건을 모사할 수

Daewoong Lee

(a) Breath of front seats (b) Feet of front seats (c) Breath of back seats (d) Feet of back seats

Table 1 Experimental condition of solar sunroof Sun irradiance

Temperature Humidity Spectrum

200 ~ 1000 W/m² 25 ± 0.5°C 50 ± 5% RH AM 1.5 kHz

Chamber temp Wind speed

Humidity Dynamo absorbtion

Sun load

-40 ~ 60°C 0 ~ 200 km/h 20 ~ 90%, RH

210 HP 300 ~ 1400 W/m²

Fig. 1 Specification and diagram of climate wind tunnel

있으며, 천정에는 하이드라이드 광원이 설치되어 일사를 모사할 수 있도록 구성되어 있다. 또한 차량 이 주행할 때의 주행풍과 평지와 언덕길 주행시 차 량에 가해지는 부하들도 각각 제어할 수 있다.

2.2.2 환경제어풍동 시험조건 및 방법

차량에서 시동을 끈 후, 태양전지에서 발생하는 전력으로 공기분배장치의 송풍기를 작동하여 주차 환기를 할 때 실내 열부하 축적에 미치는 영향을 살 펴보기 위하여 현대자동차에서 생산한 소나타 승용 차를 이용하여 여름철 야외조건을 모사하여 시험하 였다. 상세 시험조건은 Table 2에 정리하였다. 실내 평균온도를 측정하기 위하여 T형 열전대를 전석과 후석 탑승자의 가슴부분에 각각 8개씩, 전석과 후석

Table 2 Experimental conditions of climate wind tunnel

Environment

Ambient temp.

Relative humidity Sun load

35.0 ± 2°C 40±2%

1000 W/m² Air

handling system

Air intake door Temp. door Blowing voltage

Fresh Max. Cool Off and DC 5 V Driving condition Idle, 120 min

Fig. 3 Pre-ventilation test with parked under the sun in summer

의 탑승자 발 부분에도 각 좌석당 4개씩 설치하여 온도를 측정하였다. 또한 실내에서 차량 외부로 배 출되는 공기온도를 측정하기 위하여 차량 트렁크 (trunk room)와 트렁크의 배기구(exhaust hole)에 3개 의 열전대를 설치하였다. 이들 열전대의 측정위치 에 대하여 Fig. 2에 나타내었으며, 차량시험시 당사 에서 정해진 규격에 의하여 설치되었다.

시험은 차량이 정차한 상태에서 외기온도 35°C,

습도 40%이고, 일사를 1kW/m

으로 조사하면서 120

분 동안 공기분배장치의 송풍기를 가동했을 때와

하지 않았을 때에 대하여 실내온도의 변화를 측정

하였다. 차량에서 실내 기류는 공기분배장치의 조

작모드에 따라 달라지기 때문에 실내 열부하에도

영향을 미칠 것이다. 따라서 공기분배장치에서 토

출되는 바람이 얼굴(face)로 향햐는 벤트 모드(vent

mode)와 발(feet)로 바람이 토출되는 플로워 모드

(floor mode)에 대하여 시험하였다.

Study of Pre-ventilation Effects on the Cabin Thermal Load

2.3 야외 주차 시험 2.3.1 야외 주차 시험 장치

실제로 여름철 차 실내 열부하 축적에는 일사에 의한 영향이 가장 크게 나타나며, 환경제어풍동에 서 태양을 모사한 광원은 실제 태양 광원과는 차이 가 있기 때문에 야외 주차 시험을 진행하였다. 시험 은 Fig. 3과 같이 여러대의 차량을 야외 주차장에 주 차한 후 쏠라 썬루프에서 발생하는 전원을 공급하 였다. 시험에 사용된 차량은 중형과 대형 승용차, SUV(Sport Utility Vehicle)차량이며, 각 차량별로 순 차적으로 주차 환기를 하였을 때와 하지 않았을 때 를 비교 시험하여 실내온도의 변화를 살펴보았다.

2.3.2 야외 주차 시험조건 및 방법

차량에서 실내온도 변화를 측정하기 위하여 환경 제어 풍동시험과 동일하게 T형 열전대를 앞좌석과 뒷좌석의 가슴위치에 각각 8개씩 설치하였고, 발부 분에도 각 좌석에 열전대를 4개씩 열전대를 설치하 여 온도를 측정하였다. 일사 측정은 Kipp & Zonen사 의 CMP6 모델의 Pyranometer를 사용하였으며, 감도 (sensitivity)는 13.52 μV/W/m

이다. 사용온도 범위는 -40 ~ 80°C이고, 최대 4000W/m

까지 일사 측정이 가 능하다. 차량에서 공기분배장치의 조작 모드는 환 경제어풍동 시험 결과에서 얻은 벤트 모드로 선정 하였다.

시험 차량은 하루 종일 야외에 주차된 상태에서 시험이 진행되었으며 시험 결과값은 Agilent 34970 를 노트북 컴퓨터와 연결하여 실시간으로 저장하였 다. Table 3에 상세 시험 조건이 나타나 있다.

Table 3 Experimental conditions of parked outdoor Test vehicles Sedan(Middle & Large)

SUV(4WD) Air-handling system Air intake door

Temp. door

Fresh Max. Cool Climate conditions

Test time

Summer 10:00 am to 6:00 pm

3. 실험결과 고찰

Fig. 4는 쏠라 썬루프의 성능 시험결과이다. 인공 광원을 200 ~ 1000W/m

로 조절하면서, 최대전력(

),

Fig. 4 Experimental results of solar sunroof performance

전압(

), 전류(

) 및 쏠라셀의 효율을 측정하였 다. 광원의 세기에 따라 쏠라 썬루프에서 발생하는 전력도 점차로 높아지고 있으며, 최대 1.0 kW/m

의 일사에서 쏠라 썬루프에서 발생되는 전력은 약 40W 정도이고, 셀 효율은 대략 15% 수준이었다.

3.2 환경제어풍동 시험

Fig. 5는 환경제어풍동에서 주차 환기를 하였을 때와 하지 않았을 때, 차 실내온도변화를 시험한 결 과이다. 여기에서 실내온도는 차 실내 전석과 후석, 발과 가슴부위에 설치한 32개 열전대를 평균하여 나타낸 온도이다.

시험조건인 35°C의 외기와 1.0 kW/m

의 일사에 서 차 실내온도는 시간이 지나면서 점차로 상승하 게 되고, 주차 환기를 한 차량이 그렇지 않은 차량보 다 실내 평균온도가 낮아지는 것을 볼 수 있다. 이는

Fig. 5 Comparison of cabin and exhaust air temperature bet- ween pre-ventilation and no ventilation

이대웅

공기분배장치 송풍기의 작동으로 차 실내에 축척된 뜨거운 열부하가 후석의 환기구를 통하여 차 외부 로 배출되기 때문이다. 주차 환기를 한 차량의 경우 트렁크룸으로 배출되는 공기 온도(exhaust air temp- erature)가 주차 환기를 하지 않은 차량보다 최대 9°C 이상 높게 나타났다.

Fig. 6은 주차 환기시 공기분배장치의 작동모드 가 실내 열부하에 미치는 영향을 살펴보고자 벤트 모드와 플로워 모드로 변경을 하면서 실내온도 변 화를 시험하였다. 주차 환기로 인한 실내온도의 차 이는 시간이 지날수록 크게 나타났으며, 2시간이 경 과한 시점에서 실내온도는 약 6°C 정도 차이가 났 다. 공기분배장치의 조작 모드가 실내온도에 미치 는 영향은 크게 나타나지 않았다.

Fig. 7에 공기분배장치의 작동모드에 따라 차 실

Fig. 6 Experimental results of cabin temperature with various air-handling system operating mode

Fig. 7 Experimental results of cabin temperature with various air-handling system operating mode

내에서 가슴부위 온도와 발쪽 온도의 변화를 나타 내었다. br은 가슴부위 온도를 표현한 것이고, ft는 발쪽의 온도를 측정한 것이다. 먼저 주차 환기를 하 지 않은 Base의 온도변화를 보면 가슴부위의 온도 가 가장 높은 반면, 발쪽의 온도는 낮게 나타나 차 실내에서 열부하는 탑승자의 상부에 주로 집중됨을 알 수 있다. 벤트 모드로 주차 환기를 한 경우 바람 의 방향이 얼굴로 향하므로 가슴부위의 열부하가 빨리 저감되어 온도가 가장 낮은 반면, 발쪽의 열부 하는 기류의 혼합으로 오히려 온도가 약간 높아지 고 있다. 반면 플로워 모드는 바람의 방향이 전면 유 리창과 발로 향하기 때문에 가슴부위와 발쪽의 열 부하가 적당히 저감되는 것을 온도변화를 통하여 확인할 수 있다.

공기분배장치의 작동모드에 따라 차 실내 평균온 도 변화에는 큰 영향은 없었지만, 탑승자의 열적 쾌 적성을 고려할 때에는 벤트모드가 효과적임을 알 수 있다.

3.3 야외 주차 시험

Fig. 8은 중형 및 대형 승용차와 SUV차량을 하루 종일 야외 주차장에 주차한 후 공기분배장치의 송 풍기에 전원을 인가하여 주차 환기를 하였을 때와 환기를 하지 않았을 때, 각각의 차량에서 실내 평균 온도를 비교하였다.

먼저 Fig. 8의 (a)와 (b)를 보면, 외기온도는 30°C 에서 시작하여 대략 35 ~ 37°C정도이며, 일사는 구 름 등으로 인한 그림자 때문에 변동성은 있지만 약 400 ~ 550 W/m

정도이다. 중형과 대형 승용차에는 공기분배장치의 송풍기를 가동하여 주차 환기를 하 였고, SUV는 환기를 하지 않았다. 이때 차 실내 평 균온도를 비교해 보면 약간의 차이는 있지만, 주차 환기를 한 차량이 환기를 하지 않은 SUV보다 약 12°C 정도 낮게 나타났다.

Fig. 8의 (c)와 (d)는 아주 쾌청한 날씨에 시험한

결과로 외기온도는 약 32°C에서 시작하여 오후 2시

경에는 40°C를 넘고 있으며, 일사도 850 ~ 920W/m

이다. 이번에는 SUV에만 주차 환기를 하고, 중형과

대형 승용차는 주차 환기를 하지 않았다. 시험결과

를 보면 주차 환기를 하지 않은 차량은 한낮에 차 실

주차환기 시스템이 차 실내 열부하에 미치는 영향에 관한 연구

(a) Experimental results of pre-ventilation (Aug. 10) (b) Experimental results of pre-ventilation (Aug. 11)

(c) Experimental results of pre-ventilation (Aug. 14) (d) Experimental results of pre-ventilation (Aug. 16)

(e) Experimental results of pre-ventilation (Aug. 17) (f) Experimental results of pre-ventilation (Aug. 18)

내 평균온도가 60°C를 넘어 거의 70°C에 도달하는 반면 주차 환기를 한 차량의 실내 평균온도는 최대 50°C를 넘지 않았다.

Fig. 8의 (e)와 (f)는 비온날과 흐린날에 주차 환기

의 효과를 보여주고 있다. 먼저 (e)의 경우 외기온도

는 30 ~ 42°C 사이로 무더운 날씨이나 오전에는 약

Daewoong Lee

간의 비가 내려 일사량은 거의 없고 오후에는 약 440W/m

정도이다. 중형 승용차만 주차 환기를 하 였고, SUV와 대형승용차는 주차 환기를 하지 않았 으며, 주차 환기에 의한 실내 평균온도 차이는 최대 10°C이상 나타났다. Fig. 8의 (f)는 외기온도가 약 30°C 전후로 태양이 없는 흐린날, 주차 환기에 대한 효과를 살펴보았다. 대형 승용차와 SUV만 주차 환 기를 하였으며 일사는 평균 150W/m

정도였다. 일 사가 거의 없어 실내 평균온도도 최대 40°C 정도이 며, 주차 환기를 한 차량과 그렇치 않은 차량과의 실 내 평균온도 차이도 작게 나타났다.

야외 주차 시험결과 차 실내에 축척되는 열부하 는 일사량이 클수록 실내 평균온도도 높게 나타났 으며, 주차 환기에 의한 실내온도의 저감은 일사와 외기온도에 따라 차이는 있지만, 흐린날에도 효과 가 있음을 확인하였다.

4. 결 론

태양에너지를 차량에 응용하기 위한 기술 개발의 하나로 공기분배장치를 이용한 주차 환기가 차 실 내 열 부하에 미치는 영향에 대하여 알아보았다. 환 경제어풍동에서 여름철 주차조건을 모사하여 차 실 내 평균온도를 살펴보고, 공기분배장치의 조작 모 드별 실내온도의 거동을 분석하였다. 다음으로 여 러대의 차량을 야외에 주차한 후, 공기분배장치의 송풍기를 작동하여 주차 환기시 실내 평균온도 변 화를 시험하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) 시험한 쏠라 썬루프의 성능은 최대 전력점이 13V 이고, 1000W/m

의 광원에서 39.3W의 전력과 14.1%의 태양전지 효율을 확인하였다.

2) 환경제어풍동에서 공기분배장치의 작동모드에 따라 실내의 온도가 달라짐을 확인하였고, 주차 환기시 차 실내 기류와 탑승자의 열적 쾌적성을 고려하여 적절한 공기분배장치의 작동모드를 선정하였다.

3) 야외 주차 시험에서 환기에 의한 실내 평균온도 의 감소량은 환경제어풍동에서 시험한 결과보 다 더 많게 나타났으며, 주차 환기를 한 차량은

그렇지 않은 차량보다 최소 5°C이상 실내 평균온 도가 낮게 나타났다.

이상의 결과로 볼 때 쏠라 썬루프를 이용한 주 차 환기는 차량 실내 열 부하를 저감할 수 있는 효과적 인 기술로 보여진다. 부가적으로 주차 환기로 인하 여 에어컨 가동 시간의 단축과 환기에 의한 실내 오 염물질의 저감 등과 같은 효과도 기대된다.

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