통풍 및 열선시트의 인체열전달량 및 온열쾌적예측에 관한 연구 = A study on the prediction of human heat transfer and thermal comfort on ventilated and heated seat

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, there has been an increasing interest in designing air conditioning systems that maintain comfort within the vehicle while minimizing energy consumption. Previous studies have primarily focused on predicting skin temperature during operation of convective HVAC systems, such as heaters and air conditioners, aiming to maintain a uniform environment for all parts of the human body within the entire indoor space.

However, to reduce energy consumption during air conditioning, it is essential to consider the impact of proximity HVAC systems, such as ventilation and heated seats, which come into direct contact with the driver. This incl
udes assessing the difference in temperature between the areas in direct contact with ventilation and heated seats and those not in contact, creating an uneven environment. Predicting skin temperature in such conditions is crucial, and incorporating the thermal comfort during the operation of proximity HVAC systems would be more helpful in the design of air conditioning systems.
In this study, we expanded on the existing 16 measurement points to include 18 points, considering the contact areas with the seat. We measured and predicted the surface temperatures of the areas in direct contact with ventilation and heated seats, such as the thighs and back, during different driving stages. We compared and analyzed the predicted skin temperatures with the actual measured skin temperatures.

This study is divided into six chapters, each covering the following:

Chapter 1 provides the background and purpose of the study.
Chapter 2 describes an overview of the ventilation and heated seat system used for analysis, the measurement equipment and methods employed, and the selected measurement locations in each experiment.
Chapter 3 compares the heat transfer coefficients and heat transfer rates by region and driving stage based on measured heat flows and surface temperatures at selected measurement locations.
Chapter 4 compares and analyzes the predicted skin temperature using a skin temperature prediction program, which utilizes the measured environmental factors and heat transfer coefficients, with the actual measured skin temperature.
Chapter 5 discusses the results obtained in this study.
Chapter 6 summarizes the conclusions drawn from the study, highlighting the key findings.

국문 초록 (Abstract)

최근 차량내의 쾌적감을 유지시키면서 에너지 사용량을 최소화 할 수 있는 공조 시스템설계에 대하여 관심이 증가하고 있다.
선행연구에서는 주변환경이 실내 전체를 범위로 하는 인체의 모든 부위가 균일한 환경을 유지시켜주는 히터와 에어컨과 같은 대류 공조시스템 가동시의 예측피부온만을 고려하여 열쾌적을 예측하였지만 실내 쾌적을 위한 공조사용시의 에너지를 줄이기 위하여서는 운전자와 직접적으로 접촉하며 운전자와의 접촉부만을 범위로하여 에너지를 더 적게 사용할 것으로 예상되는 근접 공조시스템 가동시의 쾌적감을 예측할 필요가 있다. 통풍 및 열선시트의 접촉부와 접촉하지 않은 부위의 차이가 발생하는 불균일한 환경에서의 쾌적감을 구하기 위하여서는 근접공조의 영향을 고려한 예측피부온을 필요하며 근접공조시스템 가동시의 열쾌적성도 적용하는 것이 공조시스템설계시에 더 큰 도움이 될 것이라고 판단된다.
본 연구에서는 기존 16부위 인체 모형에서 시트와의 접촉부위 2부위를 추가한 18부위 인체 모형에서의 통풍 및 열선시트에서의 운전 단계별 착석자 측정결과를 바탕으로 통풍 및 열선시트와 직접적으로 접촉한 부분인 허벅지 아래와 등의 표면온도를 예측하고 해당 부위에서의 실측피부온과의 비교 및 분석을 통하여서 예측정도를 평가하였다.
본 연구는 총 6장으로 구성되어 있으며, 각 장의 내용은 다음과 같다.

제 1장에서는 본 연구의 배경, 연구 목적에 대하여 기술하였다.

제 2장에서는 본 논문의 분석에 사용한 통풍 및 열선시트의 개요과 측정 장비 및 방법 그리고 각 실험에서의 측정 위치를 기술하였다.

제 3장에서는 선정된 측정 위치에서의 측정한 열류속,표면온도를 바탕으로 열전달계수와 열전달량을 구하여 부위별,운전 단계별로 비교하였다.

제 4장에서는 측정으로 구한 환경요소와 열전달계수를 활용하여 피부온예측 프로그램으로 예측한 피부온과 측정과정중에서의 실측 피부온을 비교 분석하였다.

제 5장에서는 본 연구에서 얻은 결과에 대하여 고찰하였다.

제 6장에서는 본 연구에서 도출한 결론을 기술하였으며, 내용을 요약하면 다음과 같다.

(1) 가동시에는 통풍시트의 취출구에서의 풍속측정결과와 열선시트 작동 시의 표면온도의 실측값을 활용하여 각 취출구 및 표면온도의 부분별 차이를 구하였고 결과값이 가장 높은 부위, 가장 낮은 부위, 두 부위 사이의 취출구 및 열선의 영향을 받지 않는 부위 총3가지로 Back과 Seat를 대표할 수 있는 측정 위치를 Seat와 Back 각각 3부분을 구축하였다.

(2) 선정된 부위에서의 열류속을 측정하였고 측정된 결과를 바탕으로 프로그램 적용 시 필요하며 열이 얼마나 잘 흐를 수 있는 지 나타내는 대류 열전달계수와 열전달 저항값을 산출하였으며 통풍 및 열선시트의 운전 단계가 증가함에 따라 열이 더 잘 흐르며 Back보다 Seat에서의 열이 더 잘 흐르는 것을 확인 할 수 있었으며 부위에서의 차이는 착석자의 하중으로 인하여 눌리는 Seat와 그렇지 않은 Back의 눌림정도의 차이로 인한 결과라고 판단된다.

(3) 단위 면적당의 열 흐름인 열류속에 Back과 Seat에 대응되는 부위인 등과 허벅지의 면적에 접촉 부위와 비접촉 부위로 나누어지는 허벅지의 면적을 계산한 면적에 곱하여서 접촉면적에서의 열의 이동량을 계산하였으며 통풍시트의 경우 39~41W의 열 손실을 나타내었고 열선시트의 경우 11~29W의 열 획득이 존재함을 확인할 수 있었으며 시트 운전 단계가 증가함에 따르 그 절댓값이 커지며 Seat에서의 열 이동량이 더 많이 발생하는 것을 확인 할 수 있었다.

(4) 챔버내에서 측정한 착석자의 실측 피부온과 측정한 대류 열전달계수와 열전달 저항값,측정조건을 적용한 프로그램에서 예측한 등과 허벅지 아래의 예측 피부온과 실측 피부온이 비슷한 경향을 보이는 것을 확인하였다. 열을 신체로 이동시키는 열선시트의 예측결과의 경우 등 부분에서 실측값이 예측값에 비하여 더 높은 결과를 가지고 있는 것이 확인되며 이와 같은 결과가 나타난 이유로는 접촉을 통하여 열을 전달하는 열선시트의 경우 센서부착으로 인한 불편함 그리고 온열감에 의한 반응등으로 측정과정중에서의 등의 접촉방식의 변화가 생겼기 때문으로 판단된다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1장 서 론 1
• 1.1 연구의 배경 1
• 1.2 연구의 목적 2
• 제 2장 실험 개요 ·4
• 2.1 통풍 및 열선시트의 개요 4
• 2.2 측정챔버의 제원 ·6
• 2.3 측정 조건 ·8
• 2.4 측정장비 및 방법 10
• 2.5 통풍 및 열선 작동 시 열전달량 측정 위치 15
• 2.5.1 통풍 및 열선시트의 구획 명칭설정 ·15
• 2.5.2 통풍시트 작동시 선정된 측정 위치 ·16
• 2.5.3 열선시트 작동시 선정된 측정 위치 ·19
• 제 3장 측정결과 및 인체열전달량 22
• 3.1 통풍 및 열선시트의 열류속 22
• 3.2 열전달계수 27
• 3.2.1 대류 열전달계수 27
• 3.2.2 열전달 저항값 30
• 3.3 통풍 및 열선 열전달량 33
• 3.4 소결 37
• 제 4장 신체 열전달 모델 검증 ·38
• 4.1 인체 생리모델을 이용한 피부온 예측 모델 38
• 4.2 통풍시트 예측피부온과 실측피부온의 비교 42
• 4.3 열선시트 예측피부온과 실측피부온의 비교 45
• 4.4 소결 48
• 제 5장 고 찰 49
• 제 6장 결 론 51
• 참 고 문 헌 ·53
• ABSTRACT ·55
• 감사의 글 57
• 연구윤리서약서 국문 59
• 연구윤리서약서 영문 60