가압식 바닥공조 시스템 하부 플레넘 분기구의 조건 변화에 따른 디퓨저 공기분배 특성 = Air Distribution Characteristics of Diffusers along the Resistance Changes of Branch Duct in a Pressurized UFAD System with the Lower Plenum

국문 초록 (Abstract)

가압식 바닥공조 시스템 하부 플레넘 분기구의 조건 변화에 따른 디퓨저 공기분배 특성 현대 건축물은 국가시책인 ZEB(Zero Energy Building)를 달성하기 위해 공조 설비의 고효율화와 최적화에 중점을 두고 있다. 특히 공조설비에서 사용되는 1 차 에너지 소비량은, 4등급인 연간 90 kWh/㎡ 이하로 유지해야 한다. 이러한 목표를 달성하기 위해 실내 공기분배 방식은 혼합환기 방식보다 치환환기 방식 을 채택하여 에너지 절감과 실내 공기질 개선을 동시에 실현하고자 하며, 이에 따라 일반적으로 가압식 바닥공조(Underfloor Air Distribution, UFAD) 시스템 을 적용하는 사례가 점차 증가하는 추세이다. 가압식 UFAD 시스템은 건물의 바닥 하부 공간 전체를 플레넘(plenum)으로 활용하여 가압된 냉·난방 공기를 공급하는 방식이다. 실내 온열환경의 불균형을 해소하기 위해서는 플레넘 내 기류의 균일성을 확보하는 것이 무엇보다 중요하 다. 이는 플레넘에서 균일한 기류 분포가 유지되어야 바닥면에 설치된 다수의 디퓨저(diffuser)를 통해 균일한 풍량이 실내로 공급되어, 쾌적한 실내 환경 조성 과 에너지 절감 효과를 동시에 기대할 수 있기 때문이다. 최근 연구에서는 플레넘 내부 유동 균일성을 높이기 위해 디퓨저의 개수 및 배치, 취출면의 형상, 플레넘 내부에 설치되는 배플(baffle) 적용 여부 및 에어 하이웨이를 통한 공간 분리 등이 중요한 요소로 지목되고 있다. 특히 넓은 플레 넘의 경우, 측면에 에어 하이웨이(Air Highway)를 설치하면 플레넘 내 기류 분 포의 균일성을 유지하고 선회류를 감소시키는 데 기여하는 것으로 알려져 있으 나, 이에 대한 체계적인 연구는 아직 부족한 실정이다. 본 연구는 가압식 UFAD 시스템에서 플레넘 내부에 설치가 검토되는 에어 하 이웨이와 그 측벽에 분산 배치된 개구부에서 형성되는 불균일한 압력강하 현상 을 조절함으로써 플레넘 내부 압력 균등화를 달성할 수 있음을 규명하기 위해 수행되었다. 이와 같이 냉기류 이동 경로에서 발생하는 불균일한 압력 손실로 인해 디퓨저 별 취출 풍량이 불균일하게 분포하므로, 냉기류의 이동 경로상 각 디퓨저에서 발생하는 총 저항이 균일하게 유지되도록 공기분배 시스템을 구성할 필요가 있 다. 본 연구에서는 전산유체역학(CFD)을 통해 도출한 속도장, 온도장 및 농도장 결과를 활용하여, 플레넘 내 불균일한 압력을 균등화함으로써 최적의 균압을 유 지할 수 있는 플레넘 시스템을 제안하는 것을 주요 목적으로 한다. 이러한 목적 을 달성하기 위해 본 연구에서 고려한 주요 변수는 다음과 같다. 첫째, 바닥면에 설치된 스월(swirl) 디퓨저를 통해 균일한 풍량이 분배되도록 하기 위한 측벽의 에어 하이웨이(Air Highway) 설치에 대한 고려. 둘째, 에어 하이웨이 측벽에 설 치된 다중 개구부를 통해 공기가 바닥 디퓨저 유입구로 이동하는 과정에서 압력 균등화를 확보하기 위한 댐퍼(Damper)와 허니콤 벤트(Honeycomb Vent) 등의 설비 적용에 대한 고려. 셋째, 바닥에 설치된 다수의 디퓨저 유입구에서 발생하 는 압력손실을 조정하기 위한 고려이다. 이상의 세 가지 사항을 종합적으로 검 토하여 플레넘 내 균일한 기류 분포를 구현하고자 하였다. 본 연구의 최종 목표인 업무시설 내부의 환기 성능과 온도 균일도는 온도분 포, 스월(swirl) 디퓨저별 풍량, 그리고 공기 연령을 비교·평가함으로써 도출하였 다. 분석 결과, 유동 경로상에서 국부 저항이 과도하게 발생하여 압력 균등화가 어려운 영역에 에어 하이웨이(Air Highway), 댐퍼(Damper), 및 허니콤 벤트 (Honeycomb Vent)를 설치함으로써 직류 유동을 형성하고, 이에 필요한 추가 차 압을 조정하여 44개의 디퓨저에서 취출되는 풍량의 균등화를 달성할 수 있었다. 이로써 실내 온도 분포의 균일성과 열적 쾌적성이 향상되었으며, 에너지 절감에 도 유의미한 효과가 나타났다. 본 연구 결과를 활용하여 가압식 UFAD 시스템을 설계·시공할 때, 에어 하 이웨이와 함께 분기부에 적절한 차압 장치를 설치하면 공기 분배 성능 향상 과 에너지 절감에 크게 기여할 수 있음을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study is investigated the uniform airflow characteristics of diffuser discharge in a pressurized Underfloor Air Distribution (UFAD) system. The objective is to evaluate the degree of discharge uniformity of supply air for various operating conditions. Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations are conducted to analyze velocity distribution, discharge patterns, and stratification within the occupied zone. Results are indicated that airflow distribution within the plenum plays a crucial role in determining the uniformity of diffuser discharge. Uniform discharge is found to enhance thermal comfort and indoor air quality, whereas non-uniform discharge led to localized thermal discomfort and overall performance deterioration. The findings provide practical implications for the design and optimization of UFAD systems in office environments, contributing to improved energy efficiency and occupant well-being.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 목적 1
• 1.2 연구 동향 11
• 1.3 연구 대상의 종류 및 특징 3
• 1.4 연구 방법 4
• 제2장 이론 및 수치해석 방법 5
• 2.1 전산유체역학 5
• 2.2 시뮬레이션 형상 5
• 2.3 지배방정식 9
• 2.4 경계조건 16
• 2.5 보조방정식 17
• 2.6 압력손실 계산식 18
• 제3장 결과 및 고찰 20
• 3.1 고찰 방법 20
• 3.2 결과 23
• 3.3 Case 3의 풍량분배 특성 29
• 3.4 환기효율 평가 36
• 제4장 결론 38
• 참고문헌 39
• Abstract 40