실내공간의 유동 및 오염물질의 분포에 관한 수치해석적 연구

김수현, 이성철

한양대학교 화학공학과

A Numerical Study of Airflow Pattern and Smoke Dispersion in a Enclosure

Su-Hyun Kim, Sung-Chul Yi

Department of Chemical Engineering, Hanyang University

서론

현대 사회에서 실내공간에서 생활하는 시간이 늘어감에 따라 실내 대기질(IAQ) 향상에 관한 관심이 높아지고 있다. 이에 맞춰 실내오염물질(이산화질소, 일산화탄소, 라돈 등)이 인체에 미치는 영향에 관한 연구와 거주 공간 내의 유동 및 오염물질의 분포를 예측하는 공조 시스템에 관한 연구가 꾸준히 진행되어져 왔다.

공조시스템의 개선을 위한 연구에는 실험적 방법과 수치해석적 방법이 병행되고 있다. 실험적 방법은 실험결과가 현실적이고 믿을만 하다는 장점이 있으나 동시에 다양한 경계조건의 도입이 어렵고, 제작비, 유지관리비 및 시간이 많이 소요된다. 또한 측정기기의 제약으로 인해 주거공간과 같은 저속기류인 경우 벡터성분과 난류강도에 대한 측정이 곤란하며, 측정기기 자체의 오차도 배제할 수 없다. 이러한 난점을 극복하기 위해 최근 건물 내 공간에서 열 및 유동 전달현상을 해석하는 수치해석적 방법이 널리 이용되고 있다.

본 논문에서는 주거공간 내에서 일정한 농도의 오염원으로부터 발생되는 오염물의 분포와 유동 및 열전달 현상을 예측하고 상관관계를 이해하는 것을 목적으로 한다.

이론

본 연구는 강제 환기를 위한 취출구와 흡입구가 있는 사무실 공간을 시스템으로 선정하여 유동, 열전달 및 오염물 분포를 모사하였다. 유입되는 공기는 19℃, 실내온도는 22℃로 하였으며  겨울이라는 가정하에 오른쪽 벽면의 온도를 15℃로 설정하였다. 나머지 벽면의 온도는 22℃로 유지되는 것으로 하였다.

시스템은 혼합급기방식(case 1)과 대체급기방식(case 2)에 따라 2가지 경우로 고려하였다. 혼합급기방식(mixing ventilation)은 고속의 천장 혹은 벽면의 취출기류에 의해 기존의 실내공기를 유인 혼합하여 환기하는 방식이며, 대체급기방식(displacement ventilation)은 저속의 벽면 하부 혹은 바닥면 취출기류에 의해 실내 공기를 밀어내고 취출기류로 대체하는 방식이다. 따라서, case 1의 경우 천장에서 유입되는 공기의 속도를 5m/s로, case 2의 경우 벽면 하부에서 유입되는 공기의 속도를 0.2m/s로 설정하였다.

건물 내 기류의 유동, 온도 및 오염물의 농도는 다음의 보존방정식에 의해 지배된다.

Continuity equation

[eqn: {partialu sub i} over {partial{x sub i}} ~=~0]

(1)

Momentum equation

[eqn: partial over {partial{x sub i}} (rho{u sub i}{bar u})~=~ - partialp over {partial{x sub i}} ~+~ mu sub eff ( {partial^2 {bar u}}over {partial{x sub i}^2}) ~+~ S sub u~~~~~~~~~~]

(2)

Energy equation

[eqn: {partial(rho{u sub i}T)} over {partialx sub i} ~=~ k over C subP ( {partial^2 T} over {partialx sub i}^2 )~+~ S sub T]

(5)

Smoke concentration equation

[eqn: {partial(rho{u sub i}C)} over {partialx sub i} ~=~ ({mu over sigma sub r}~+~{u sub t}over {sigma sub t}`) {partial^2 C} over {partialx sub i}^2 ~+~ S sub c]

(6)

경계조건은 다음과 같다.

Table  Boundary conditions and internal sources for case 1

·Inlet	0.7m×0.15m 5.0 m/s T=19℃
·Outlet	0.5m×0.25m [eqn: partialu over partialx ~=~ partialv over partialx ~=~ partialT over partialx ~=~ 0]
·Left wall	[eqn: u ~=~0], [eqn: v ~=~0], [eqn: w ~=~0], T = 22℃
·Right wall	[eqn: u ~=~0], [eqn: v ~=~0], [eqn: w ~=~0], T = 15℃
·Top and bottom wall	[eqn: u ~=~0], [eqn: v ~=~0], [eqn: w ~=~0], T = 22℃
·Smoke conc. source	Sc = 7.09E-04 □/□s

Table  Boundary conditions and internal sources for case 2

·Inlet	0.6m×0.6m 0.2 m/s T=19℃
·Outlet	0.6m×0.33m [eqn: partialu over partialx ~=~ partialv over partialx ~=~ partialT over partialx ~=~ 0]
·Left wall	[eqn: u ~=~0], [eqn: v ~=~0], [eqn: w ~=~0], T = 22℃
·Right wall	[eqn: u ~=~0], [eqn: v ~=~0], [eqn: w ~=~0], T = 15℃
·Top and bottom wall	[eqn: u ~=~0], [eqn: v ~=~0], [eqn: w ~=~0], T = 22℃
·Smoke conc. source	Sc = 7.09E-04 □/□s

결과 및 고찰

혼합급기방식을 채택한 case 1(Fig. 1)에 대하여 속도, 온도 및 오염물의 농도분포를 구하였다. Fig. 2는 z=1.6m의 위치에서 속도 분포를 나타낸 것으로 공기가 천장의 입구에서 5m/s로 들어와 바닥 쪽의 출구로 빠져나감을 알 수 있다. 방안의 중심부에서는 재순환 영역이 형성된다. Fig. 3은 온도분포를 나타낸 그림으로 19℃의 공기가 유입되어 오른쪽 벽면을 따라 낮은 온도를 유지함을 알 수 있다. 실내 온도는 약 20℃로 유지된다. Fig. 4는 오염물의 농도분포를 나타낸 것으로 속도장의 영향을 받으며 확산됨을 알 수 있다.

참고문헌

[1] F. Haghighat, et al., "Three-dimensional analysis of airflow pattern and contaminant dispersion in a ventilated two-zone enclosure", ASHRAE, 831(1990)

[2] Q. Chen, "A Numerical study of indoor air quailty and thermal comfort under six kinds of air diffusion", ASHRAE Transaction, 98, Part 1, 203(1992)

[3] Thomas H. Kuehn, "Computer simulation of airflow and particle transport in cleanrooms", The Journal of the Environmental Sciences, 21(1988)

Fig. 1 Schematic diagram of case 1

Fig. 2 Velocity vectors at z=1.6m for case 1

Fig. 3 Temperature at z=1.6m for case 1

Fig. 4 Smoke concentration at z=1.6m for case 1