1. 서 론
에어컨이나 전기 히트펌프를 활용한 개별공조 방식은 설치 및 유지관리의 편의성으로 인해 상업 건물 뿐 아니라 사무소, 교육 시설 등 여러 유형의 건물에 널리 적용되고 있다. 개별공조 방식의 실내기는 거주 공간을 최대한 활용하기 위해 천장 카세트 형으로 설치되는 경우가 일반적이며, 이에 따라 천장형 에어컨 또는 히트펌프 시스템에 의한 실내 열환경 분포에 대한 연구가 수행된 바 있다. Chang and Lee1)는 천장형 냉난방기에 의해 학교 교실에 형성되는 실내 열환경을 기류의 취출 각도에 따라 CFD로 분석하였으며, Noh et al.2)은 4-way 카세트 타입의 천장형 에어컨과 혼합 환기 시스템이 설치된 강의실의 열환경과 실내공기질을 수치해석으로 분석하여 최적의 기류 토출 각도를 제안하였다. Bamodu et al.3)은 CFD 해석을 통해 천장형 4-way 카세트 에어컨이 벽걸이 에어컨에 비해 높은 기류 확산성능과 열적 균일도를 제공한다고 보고하였다.
천장형 에어컨에 가까이 위치한 재실자는 지속적인 냉기류에 노출되어 콜드 드래프트에 의한 국부적 불쾌적을 느낄 수 있으므로, 토출 기류의 방향이나 풍량을 변화시켜 콜드 드래프트를 방지하기 위한 목적으로 베인을 설치하는 사례가 많다. Lee et al.4)은 베인의 각도 변화에 따라 토출 기류의 풍량이 유의미하게 변화하며, 실내공간의 열환경 분포와 공기환경에 영향을 미치게 된다는 것을 수치해석을 통해 입증하였다. Choi et al.5)은 CFD 해석을 통해 4-way 천장형 에어컨의 베인 각도에 따라 실내 평균온도, 드래프트 위험도, 기류 확산성능 및 수직온도차를 분석하여. 베인을 30° ~ 60° 범위에서 상하로 움직이게 할 경우 가장 쾌적한 열환경을 확보할 수 있다고 하였다.
이렇듯 실내 열환경을 개선할 수 있는 에어컨 베인의 설계 및 운용 방안에 대한 연구가 수행된 바 있으나, 천장형 에어컨의 실제 운용 시에는 사용자가 베인을 추가로 설치하여 토출 기류의 방향을 전환시키거나 차단하는 사례가 많다. 실생활에서는 윈드 가드, 윈드 바이저, 바람 막이 등의 명칭으로 통용되어, 주로 재실자가 직접적인 냉기류에 노출되는 것을 방지하는 용도로 활용되고 있다. 이러한 장치를 추가로 설치할 경우, 에어컨 본연의 기류 확산 및 열환경 조절 성능에 어떠한 영향을 미치는지에 대한 연구는 미흡한 실정이다. 더욱이 사용자 설치 베인은 고정된 상태로 유지되는 경우가 많아 기류의 토출 방향을 조절할 수 없는 한계가 있으므로, 베인의 형태 변경 시 기류 확산성능 및 열환경에 미치는 영향을 분석할 필요가 있다고 판단된다.
이에 본 연구에서는 기류 토출 방향으로의 길이 조정이 가능한 베인을 제작하여 천장형 에어컨의 토출구 하류에 설치하고, 베인이 기류 확산성능 및 실내 열환경에 미치는 영향을 현장 실험을 통해 분석하였다. 본 연구를 통해 베인의 추가 설치가 실내 열환경 분포에 미치는 영향을 정량적으로 파악하는 한 편, 기류 확산성능을 향상시킬 수 있는 베인 조절 방법에 대한 기초 데이터를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.
2. 기류확산 성능 및 열환경 평가 방법
Fig. 1과 같이 4-way 천장형 에어컨의 각 토출구에 부착할 수 있도록 폭 600 mm, 1단 (기본) 길이가 180 mm, 2단 길이가 250 mm까지 연장될 수 있는 베인을 제작하였다. 베인의 폭은 4-way 에어컨의 토출구 폭이 600 mm 임을 감안하여 설정된 수치이며, 베인의 길이는 관련 제품의 현황 조사 결과 토출구 폭 600 mm인 경우 140 mm ~ 200 mm 사이의 길이로 제작되는 것을 감안하여 180 mm를 기본 길이로 설정하였다. 또한 기존 베인보다 길이를 증가시키되, 중량이 너무 증가하지 않는 선에서 250 mm를 연장된 베인 길이로 설정하였다. 제작된 베인을 Fig. 1(b), (c)와 같이 부착하여 에어컨 토출 공기가 천장면을 따라 더 멀리 이동한 후 하강할 수 있도록 하였다. 본 실험 이전에 SAFEX F2010-AKKU 연무 발생기로 간이 기류 가시화 실험을 실시한 결과, Fig. 2와 같이 베인 부착 시 토출 공기가 천장면을 따라 더 멀리 이동하는 것이 관찰되어, 베인 부착에 의한 기류 확산 양상의 변화를 정성적으로 확인할 수 있었다.
이렇게 제작된 베인을 부산 P대학 강의실(5.8 m (D) × 7.9 m (L) × 2.5 m (H))의 천장형 에어컨에 설치하여, 현장 측정을 통해 기류 확산성능 및 실내 열환경을 평가하였다. 열환경 평가를 위해 Fig. 3과 같이 평가 대상 공간을 0.8 m × 1.1 m 간격으로 나눈 49지점에 대하여 바닥에서 1.1 m, 1.7 m, 2.5 m 높이의 온도와 기류 속도를 측정하였다. 온도와 기류 속도는 Table 1의 열선 풍속계(Kanomax Climomaster 6501, Probe 6543-21)를 활용하여 측정하였다. 이 때 49지점에 대한 동시 측정은 현실적으로 불가하므로, 다지점 측정과 관련된 기존 연구 방법6)에 따라 지점당 120초 동안 측정하되 센서의 응답시간(온도: 30초, 기류속도: 7초)을 감안하여 각 지점에서 측정값이 안정화되었다고 판단되는 마지막 30초의 평균 데이터를 평가에 활용하였다. 실험은 2023.5.15. ~ 2023.5.30.에 걸쳐 수행되었고, 시간에 따라 변화하는 일사 유입량의 변화는 온도 및 기류 속도 분포에 영향을 미칠 수 있음을 감안하여, 직달 일사의 유입이 없는 시간대(오후 5시 이후)에 창호 블라인드를 모두 내린 상태에서 실험을 진행하였다.
각 높이별 온도와 기류 속도 분포를 분석한 후, 공기 확산성능계수(Air Diffusion Performance Index: ADPI)7)와 예상평균온열감(Predicted Mean Vote: PMV)으로 열환경을 평가하였다. 기류 확산성능은 식(1)에 따라 유효드래프트 온도(Effective draft temperature: Ted)를 산출한 후, 식(2)의 조건을 만족하는 지점의 비율로 ADPI를 산출하여 평가하였다.
Table 1
Specification of measurement device
여기서,
: 유효드래프트 온도[℃]
: 측정점의 실내 온도[℃]
: 평균 실내 온도[℃]
: 측정점의 기류 속도[m/s]
PMV 산출에 필요한 평균복사온도(MRT)는 일사 유입이 최소화된 조건에서 측정이 진행된 점, 그리고 에어컨이 대류 냉방임을 감안하여 건구온도와 차이가 없는 것으로 가정하였다8,9). 또한 상대습도는 통상적인 실온 범위에서는 PMV에 미치는 영향이 작다고 여겨지므로10,11),일반적인 하절기 실내 조건인 50%로 가정하였다. 개인적 인자인 착의량과 활동량은 하절기 경작업 조건을 가정하여 각각 0.6 clo와 1.1 Met로 설정하였다. 한편 성능 평가 Case는 Table 2와 같이 베인이 설치되지 않은 경우(Case 1), 베인을 설치한 경우(Case 2), 베인 길이를 증가시킨 경우(Case 3)로 설정하였다. 에어컨 설정온도는 24℃, 에어컨 내장 베인의 각도는 수평에서 30° 하향으로, 추가된 베인의 각도는 35° 하향으로 설정하였다.
3. 기류확산 성능 및 열환경 평가 결과
3.1 기류속도 및 온도 분포
Figs. 4와 5는 각 높이에서 측정한 49개의 기류 속도 및 온도 데이터를 Surfer v.1312)에 입력하여 높이별 기류 속도 및 온도 분포를 contour 형태로 산출한 것이다. 천장면에 가까운 h = 2.5 m에서 세 경우 모두 기류 토출 방향으로 높은 기류속도 분포를 확인할 수 있고, 베인이 추가되고(Fig. 4(f)) 그 길이가 늘어날수록(Fig. 4(i)) 기류 속도가 높은 영역이 확장되는 것을 볼 수 있다. 높은 기류 속도의 영향으로 천장면 높이의 온도 또한 거주역(h = 1.1 m와 h = 1.7 m )에 비해 낮은 분포를 보이는 것을 확인할 수 있다. 그러나 거주역에서는 기류 속도나 온도의 지점별 차이가 천장면 높이보다는 현저히 작아지는 것을 볼 수 있는데, 이는 토출된 기류가 거주역 공기와 혼합되어 기류와 온도 분포가 균일하게 되기 때문으로 사료된다.
이를 정량적으로 분석하기 위해 기류 속도와 실내 온도 범위를 Fig. 6의 Box plot으로 나타내었다. Fig. 6(a)에서 보듯 베인을 설치한 경우 기류 속도의 분포 범위가 전반적으로 Case 1에 비해 낮게 형성되는 것을 볼 수 있는데, 이는 베인으로 인해 거주역으로 바로 하강하는 기류가 상대적으로 감소하기 때문으로 사료된다. Case 3의 경우에는 연장된 베인에 의해 토출된 공기가 천장과 베인 사이의 좁은 영역을 빠져나오면서 기류속도가 증가한 영향으로 Case 2보다는 기류속도 분포가 높게 형성된 것으로 판단된다. 실내 온도에 있어서는 베인을 설치한 Case 2의 경우 Case 1보다 다소 높은 분포를 보이는데, 이는 거주역으로 하강하는 냉기류의 비율이 상대적으로 낮기 때문으로 판단된다. 다만 Case 3의 경우에는 실온이 증가하지 않고 Case 1과 유사한 경향을 보이는데, 이는 Case 3이 Case 2보다 기류 속도가 높아 실내 공기의 혼합을 좀더 촉진시키기 때문으로 사료된다. 그러나 세 가지 Case 모두 실내 설정온도인 24℃에서 크게 벗어나지 않는 온도 분포를 나타내 불쾌적이 유의미하게 증가하지는 않을 것으로 판단된다.
3.2 기류확산 성능
베인 적용에 따른 기류확산 성능을 평가하기 위해, Fig. 7과 같이 각 지점의 공기 온도와 기류 속도의 조합을 2차원 평면에 나타내었다. 다만 거주역에서의 기류 확산성능을 평가하기 위해, h = 1.1 m, h = 1.7 m에서의 측정 데이터만 Fig. 7에 포함하였다. 이 때 가로축은 각 지점의 온도와 평균 온도와의 차이를 나타내며, 데이터가 y축에 가깝게 분포한다는 것은 기류가 잘 확산되어 실내 공기가 매우 균일하게 혼합된 상태임을 나타낸다. Fig. 7에 표시된 두 개의 사선은 ADPI 산출을 위한 기준 조건인 유효드래프트 온도 Ted = -1.7℃, Ted = 1.1℃ 선이며, 수평의 점선으로 표현된 것은 기류 속도 제한 조건인 v = 0.35 m/s 선이다. 측정 데이터가 세 개의 선(Ted = -1.7℃ 선, Ted = 1.1℃ 선, v = 0.35 m/s)이 이루는 영역 안쪽에 많이 분포할수록 기류 확산성능이 좋다고 평가할 수 있다.
베인을 설치하지 않은 Case 1에서는 거주역으로 하강하는 기류로 인해 기류 속도가 0.35 m/s를 초과하는 지점이 존재하나, 대부분 지점에서 유효드래프트 온도가 –1.7℃ ~ 1.1℃ 사이에서 형성되어 ADPI = 79.6%로 분석되었다. 이는 ASHRAE Guideline13)에서 제시하고 있는 기류 확산성능 기준인 ‘ADPI > 80%’을 약간 하회하는 수준이나, 일부 지점의 거주역 기류속도를 감소시킨다면 ADPI 기준을 충분히 만족할 수 있을 것이다.
베인을 설치한 Case 2에서는 Fig. 7(b)에서와 같이 v > 0.35 m/s를 초과하는 지점이 존재하지 않아 기류 확산성능의 개선이 기대된다. 다만 앞에서 분석한 바와 같이 기류 속도가 낮아지면서 공기온도가 높아져 Ted > +1.1℃를 초과하는 지점이 증가하였다. 그럼에도 ADPI = 80.6%로, 베인을 설치하지 않은 Case 1보다 ADPI가 증가하고 ASHRAE의 기류 확산 성능 기준을 만족하는 것으로 분석되었다. 베인 길이를 연장시킨 Case 3에서는 기류 속도가 소폭 증가하여 v > 0.35 m/s인 지점이 나타났으나, 실내온도는 Case 2보다 낮아져, Ted > +1.1℃를 초과하는 지점의 개수는 감소하는 것으로 나타났다. 그 결과 Case 3의 ADPI는 Case 2와 같은 80.6%로, ASHRAE의 기류 확산성능 기준을 만족하였다. 결과적으로 베인을 설치할 경우 거주역 기류 속도가 감소하고, 이로 인해 일부 지점의 공기 온도는 상승하는 단점은 있지만 기류 확산성능은 저하되지 않고 오히려 베인을 설치하지 않은 경우보다 소폭 향상된다고 볼 수 있다. 다만 베인의 길이를 증가시킬 경우에는 ADPI 관점의 기류 확산성능은 확보할 수 있으나, 기류속도의 감소 효과가 뚜렷하지 않아 유효드래프트 온도가 기준치 이하로 저하될 우려가 있으므로, 베인의 적정 길이에 대한 추가 연구가 필요하다고 판단된다.
3.3 실내 열환경
Fig. 8은 거주역에서의 PMV 범위를 h = 1.1 m와 1.7 m 높이에 대하여 Box plot으로 나타낸 것이며, 각 경우의 PMV 평균값, 중앙값 및 열쾌적 등급14)을 Table 3에 요약하였다. h = 1.1 m 높이의 경우, 베인을 설치하지 않은 Case 1의 PMV 중앙값(Median)은 –0.53으로 ISO 7730 Category C에 해당하는 열쾌적을 제공할 것으로 예상된다. 베인을 설치한 Case 2와 3의 경우에는 앞에서 분석한 바와 같이 에어컨 토출 기류의 거주역으로의 하강이 억제되어, PMV 중앙값이 두 경우 모두 –0.45로 열쾌적 등급이 ISO 7730 Category B로 향상되는 것으로 분석되었다.
Table 3
Evaluation result of thermal comfort by the application of vanes
h = 1.7 m 높이의 경우, 베인을 설치하지 않은 Case 1의 PMV 중앙값은 –0.28로 이는 ISO 7730 Category B에 해당한다. 통상적인 냉방 운전 시 바닥으로부터 거리가 증가할수록 온도가 상승하는 수직온도 분포를 보이므로, 1.1 m 높이보다 PMV가 증가한 것으로 이해할 수 있다. 베인을 설치한 Case 2의 경우 PMV 중앙값은 0.01로 ISO 7730 Category A에 해당하는 열쾌적 수준을 나타내어 베인 추가 설치의 효용성을 확인할 수 있다. 베인의 길이를 연장한 Case 3의 PMV 중앙값 –0.32로 Case 2보다 감소하는 것으로 나타났는데, 이는 베인 길이 연장에 의해 Case 2에 비해 기류속도가 상승하는 부분이 발생함으로써 나타난 결과로 사료된다.
결과적으로 베인의 설치는 거주역에 도달하는 기류 속도를 감소시켜 과도한 냉방을 완화시키고, PMV를 보다 중립 상태로 변화시키는 효과를 거둘 수 있다. 다만 베인의 길이를 연장시키는 것은 기류 속도의 증가를 유발하여 열쾌적 향상에 부정적인 영향을 미칠 수 있으므로, 실의 규모나 에어컨의 풍량 등을 감안하여 적정 길이의 베인을 선정해야 하며 이에 대한 추가 연구가 필요하다.
4. 결 론
본 연구에서는 천장형 에어컨에 추가로 설치한 베인이 실내 기류 확산성능과 열환경에 미치는 영향을 현장 실험을 통해 평가하였다. 본 연구를 통해 도출된 주요 결론은 다음과 같다.
(1) 베인을 설치한 경우(Case 2), 거주역으로 바로 하강하는 기류가 감소하여 베인을 설치하지 않은 경우(Case 1)보다 낮은 기류 속도 분포를 나타냈다. 베인 길이를 연장시킨 경우(Case 3), 토출 공기가 천장과 베인 사이의 좁은 영역을 빠져나오면서 Case 2에 비해 기류 속도가 소폭 증가하는 것으로 분석되었다.
(2) 베인을 설치한 Case 2의 경우 거주역으로 하강하는 냉기류의 비율이 상대적으로 낮아져 Case 1보다 높은 실내온도 분포를 나타냈으나, 베인 길이를 연장시킨 Case 3의 경우에는 높은 기류 속도에 의해 실내 공기의 혼합이 촉진되어 Case 1과 유사한 실내온도 분포를 나타냈다.
(3) 베인을 설치할 경우 거주역 기류 속도가 감소하고, 이로 인해 일부 지점의 공기온도는 상승하는 단점은 있지만 기류 확산성능은 저하되지 않으며, 베인을 설치하지 않은 경우보다 ADPI가 소폭 향상되었다.
(4) 베인의 설치는 거주역에 도달하는 기류 속도를 감소시켜 과도한 냉방을 완화시키고, PMV를 보다 중립 상태로 변화시키는 효과를 거둘 수 있으나, 베인 길이의 연장은 기류 속도의 증가 및 열쾌적 저하를 유발할 수 있으므로, 실의 규모나 에어컨의 풍량 등을 감안하여 적정 길이의 베인을 선정할 필요가 있다.
본 연구는 일사 영향을 최소화한 상태에서 수행되어, 냉방부하가 큰 조건에서 베인이 실내 기류 확산성능 및 열환경에 미치는 영향을 평가하기 어려운 측면이 있다. 더욱이 다지점의 온도와 기류 속도를 동시에 측정한 것이 아니므로, 시간의 흐름에 따른 온도와 기류 속도의 미세한 변동이 공간 내의 열환경 분포 분석에 오차를 유발할 수 있다. 이러한 문제들을 해결하기 위해서는 냉방부하에 영향을 미치는 조건을 엄밀하게 통제할 수 있으며, 환경 변수를 일괄적으로 추출할 수 있도록 수치해석적인 방법을 통한 추가 연구의 수행이 필요하다.
