공기조화기 내 공기유동 혼합모듈 적용에 따른 기류 균일성 확보 및 온도편차 저감 효과 연구 : Study on improving airflow uniformity and reducing temperature deviation through air mixing module in air handling units

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 공기조화기(Air Handling Unit, AHU) 내 혼합구간에서 발생하는 기류 불균일성과 온도 성층화 문제를 개선하기 위하여 공기유동 혼합모듈(Air Mixing Module)을 적용하고, 그 효과를 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD) 해석과 실증 실험을 통해 정량적으로 검증하였다. 일반적인 AHU 혼합구간에서는 환기·외기 유입 위치 차이로 인해 온도 분포가 불균일해지고, 이는 열교환기 전단에서의 성층화, 열교환 효율 저하, 국부 과열·과냉 형성 등 다양한 비효율의 원인이 되어 왔다. 이에 본 연구는 혼합모듈 및 가이드베인을 적용함으로써 공조기 내부 유동특성, 온도 분포 균일화, 통기저항, 열교환 성능이 어떻게 변화하는지를 체계적으로 평가하였다.
CFD 해석 결과, 혼합모듈을 적용할 경우 팬 토출부 제트가 상·하부로 고르게 분산되고 재순환 영역이 제거되며, 필터 전단 단면에서의 온도편차가 기존 구조(Case 1) 대비 약 73% 감소하는 것으로 나타났다. 실험에서도 동일한 경향이 확인되었으며, 온도편차 실험 결과 혼합모듈 설치 시 ΔT는 2.45 ℃ 및 2.22 ℃로, 미설치 조건 대비 각각 약 83%, 66% 감소하여 온도장 균일화 효과가 명확하게 입증되었다. 이때 평균온도는 유지되면서 단면 내부의 저온·고온 영역이 제거되는 패턴은 CFD에서 예측한 혼합 메커니즘과 정성적으로 일치하였다.
통기저항에 대한 분석에서도 혼합모듈의 구조적 안정성이 확인되었다. 배기 라인이 존재하는 조건과 존재하지 않는 조건 모두에서 모듈 전·후단의 정압차는 5–6 Pa 수준으로 매우 낮게 유지되었으며, 동일 풍량 조건에서 모듈 설치에 따른 차압 증가는 사실상 미미하였다. 이는 혼합기능을 수행하면서도 기존 댐퍼 기반 혼합 구조 대비 추가 압력손실을 발생시키지 않는다는 것을 의미하며, 혼합 성능 개선과 에너지 효율 유지 간의 균형을 성공적으로 달성한 결과라 할 수 있다.
또한 열교환 실험 결과, 혼합모듈 적용 시 열교환기 전단의 기류·온도 균일도가 향상됨에 따라 실질적인 열교환량이 초기부하 조건에서 약 2.2%, 정격부하 조건에서 약 3.9% 증가하는 것으로 나타났다. 이는 열교환기 전면에서의 비활성 영역 감소와 코일 활용률 증가에 기인하며, CFD에서 확인된 속도장 및 온도장 개선 효과가 실제 시스템 성능으로 이어졌음을 의미한다.
종합적으로, 본 연구를 통해 공기유동 혼합모듈은 ① 혼합구간 온도 성층화 제거, ② 열교환 전단 온도·속도장의 균일화, ③ 저차압 유지, ④ 열교환 효율 증가 라는 네 가지 성능 개선 효과를 동시에 달성하는 것으로 확인되었다. 이는 AHU 설계 시 별도의 댐퍼 개도 제어나 추가적인 송풍동력 증가 없이도 기류 균일화와 에너지 절감이 가능함을 보여주는 결과이다. 따라서 본 연구에서 제시한 혼합모듈 설계 및 성능 분석은 향후 고효율·저에너지형 공조시스템 개발 및 열교환기 설계 최적화 연구에 유의미한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Non-uniform mixing of outdoor air (OA) and return air (RA) in the mixing section of Air Handling Units (AHUs) often leads to thermal stratification, localized recirculation zones, coil performance degradation, and unnecessary increases in energy consumption. Conventional devices such as mixing dampers, air blenders, or static mixers partially improve flow uniformity but inevitably introduce significant pressure losses, limiting their applicability in large-scale AHUs. To address these limitations, this study proposes a low-pressure-loss air-mixing module consisting of a Mixing Device (MD) and a Guide Vane (GV), and evaluates its performance through both CFD-based numerical simulations and full-scale experiments using a 170 CMM AHU.
CFD analysis was conducted to compare the baseline conFig.uration (Case 1) and the optimized MD+GV conFig.uration (Case 3) in terms of temperature distribution, velocity uniformity, and pressure field. The results predicted a substantial improvement in mixing uniformity, with temperature deviation (ΔT) reduced from 6.98 °C to 1.88 °C (approximately 73%), elimination of large-scale recirculation zones, and a 49% reduction in pressure loss (33.4 Pa → 16.9 Pa).
Subsequent full-scale experiments validated these numerical findings. Under identical OA/RA conditions (20%/80%), the proposed mixing module reduced the temperature deviation at the coil inlet by 60–83% (14.7→2.45 °C, 6.55→2.22 °C), while maintaining the average air temperature unchanged. The additional pressure drop induced by the mixing module itself was only 5–6 Pa, confirming its low-resistance characteristics. Furthermore, improved mixing uniformity increased the effective heat exchange capacity of the cooling coil by 2.2% under initial load and 3.9% under steady-state conditions, demonstrating that the homogenized inlet temperature field enhances coil utilization efficiency.
Overall, the MD+GV mixing module achieved three key performance outcomes simultaneously—substantial mixing enhancement, minimal additional pressure loss, and improved heat exchange efficiency. The strong agreement between CFD predictions and experimental measurements confirms the validity of the proposed design methodology and demonstrates the practical applicability of the mixing module as a high-efficiency, low-pressure-loss solution for next-generation AHU systems.

목차 (Table of Contents)

• Contents ⅰ
• List of Figures ⅴ
• List of Tables ⅷ
• 國 文 抄 錄 ⅸ
• 제1장 서론 1
• 제2장 이론적 배경 4
• 2.1 혼합유동의 기초이론 4
• 2.1.1 스칼라 수송 방정식의 물리적 원리 5
• 2.1.2 확산 매커니즘 6
• 2.1.3 전단층의 형성과 성장 9
• 2.1.4 제트 믹싱 및 재순환 영역 9
• 2.2 난류 이론 11
• 2.2.1 RANS 지배방정식 11
• 2.2.2 난류 점성모델 12
• 2.2.3 k–ε 모델 기반 난류해석 13
• 2.2.4 난류강도 14
• 2.3 열성층화의 물리적 배경 16
• 2.3.1 부력과 Boussinesq Approximations 19
• 2.3.2 Richardson number의 정의와 안정 조건 20
• 2.3.3 AHU 혼합실 성층화 발생 매커니즘 21
• 2.3.4 성층화가 필터·코일 성능에 미치는 영향 23
• 2.4 혼합성능 평가 지표 24
• 2.4.1 단면 온도 표준편차에 기반한 혼합균일도 평가 24
• 2.4.2 혼합지수 26
• 2.4.3 난류강도를 이용한 혼합평가 29
• 2.4.4 환기효율 및 체류기산에 기반한 혼합평가 29
• 2.5 압력손실 및 송풍동력 이론 31
• 2.5.1 관손실 및 구조물 삽입 시 압력손실 32
• 2.5.2 필터 압력손실 모델 34
• 2.5.3 팬동력 이론 35
• 2.6 기존 혼합장치의 이론적 원리와 한계 35
• 2.6.1 정적 믹서(Static Mixer)의 구조·작동 원리 37
• 2.6.2 상용 Air Blender류의 혼합 원리 38
• 2.6.3 기존 혼합장치의 AHU 적용 한계 38
• 2.6.4 본 연구의 필요성과 직접적 연결 40
• 제3장 연구 방법 41
• 3.1 연구개요 41
• 3.2 실험 장치 43
• 3.3 계측장비 구성 47
• 3.4 실험 조건 및 평가절차 51
• 3.4.1 온도편차 평가 절차 52
• 3.4.2 통기저항 평가 절차 53
• 3.4.3 열교환 성능 평가 절차 54
• 제4장 실험 결과 56
• 4.1 개요 56
• 4.2. 실험 결과 58
• 4.2.1 온도편차 실험 결과 58
• 4.2.2 통기저항 실험 결과 64
• 4.2.3 열교환 성능 실험 결과 66
• 4.3 CFD-실험 비교 분석 및 상판성 분석 69
• 4.3.1 온도장 비교 69
• 4.3.2 속도장 비교 72
• 4.3.3 압력장 비교 74
• 4.3.4 종합 검증 결과 76
• 제5장 결 론 77
• 5.1 결론 및 고찰 77
• 5.2. 향후 연구 79
• 참고문헌 81
• Abstract 84
• 감사의 글 87