실내 환경 품질과 HVAC 에너지 효율성 간의 밸런스를 위한 1D 및 3D 시뮬레이션 활용
XRG Simulation GmbH와 협력하여 수행한 작업입니다.
건물은 우리가 살고, 일하고, 쉬는 중요한 장소입니다. 현재 건설된 모든 건물은 향후 50년 이상 유지될 것으로 예상되므로 새 건물은 공조(HVAC) 시스템 통합을 포함하여 친환경 표준을 따라야 합니다. 또한 기후 변화에 대처하기 위해서는 기존 건물의 탈탄소화가 필요합니다. 건물은 전 세계 에너지 소비의 거의 40%와 온실 가스 배출량의 33%를 전적으로 책임지고 있습니다. 유럽연합 집행위원회(European Commission)의 최근 연구에 따르면 EU 건물의 약 75%가 에너지 효율적이지 않으며 많은 건물이 난방 및 냉방을 위해 화석 연료에 의존하고 있습니다. 이와 유사하게, 미국 정보 및 행정 에너지(US Energy of Information & Administration)에 따르면 미국 가정에서 에너지 소비의 48%가 난방 및 냉방으로 인한 것입니다.
시스템 모델로 공조 장비 용량 결정
시스템 시뮬레이션은 목표 HVAC 공기 온도를 얻기 위한 매우 효율적인 접근 방식이며 처리 시간을 단축하고, 며칠 또는 몇 년 동안 연구된 다양한 크기의 건물에 대한 결과를 제공합니다. 시스템 모델링은 기후 시스템 요구사항의 초기 규모 추정치를 얻는데적절하고 가성비가 좋은 도구입니다. Dymola 2022와 HumanComfort 라이브러리를 사용하여 위 비디오에 표시된 금속 건물의 모델은 열유체 흐름으로 서로 연결된 7개 영역으로 세분화됩니다. 관련 공조기(AHU, Air Handling Unit) 는 HVAC 라이브러리를 사용하여 모델링됩니다. 그런 다음 날씨 모델이 건물 상단에 적용되어 온도, 습도, 직사광선 및 확산 일사량, 태양 위치에 대한 모든 필요한 정보를 제공합니다.
100% 공기 재순환 및 건물의 공간 냉각을 사용한 시뮬레이션은 결합된 건물 및 HVAC 시스템 모델로 수행됩니다. 연간 결과를 통해 공조기의 특정 작동 조건(체적 유량 7500m³/h, 최대 목표 온도 26°C 및 공칭 공급 공기 온도 20°C)에 대해 냉방 요구량의 90%를 충족하기 위해 15 kW의 전력이 필요하다는 것을 예상할 수 있습니다. 공급 입구 온도를 15°C로 낮추려면 연간 냉방 요구량의 99%를 충당하기 위해 28kW의 냉각 전력이 필요합니다. 반환 공기의 재순환은 냉각 필요성을 감소시키지만 유해 입자 확산을 고려하면 적합하지 않습니다. 매우 효율적인 대안은 열 회수 장치를 사용하는 것입니다. 100% 신선한 공기가 열 회수 장치를 통해 건물에 공급되기 때문에 IAQ도 개선됩니다. 그림 1은 재순환 공기 및 열 회수 장치를 사용한 연간 냉각 수요를 보여줍니다.
그림 1. 재순환율 및 열 회수 장치에 따른 연도별 사옥의 냉방수요 및 팬 사이징
시스템 모델을 사용하여 1년 내내 건물 온도와 열적 쾌적성을 예측할 수도 있습니다. 시스템 모델에서 제공하는 구역별 comfort metrics는 에너지 효율성과 IAQ를 최대화하기 위한 최적 정확도를 항상 제공하지는 않습니다. 따라서 우리는 시스템 모델 결과를 결합한 3D CFD 접근 방식에 통합하여 국부적으로 유동 및 열 교환을 평가하고 열적 쾌적성에 미치는 영향을 평가합니다.
3D 시뮬레이션의 필요성과 이점
통합 시뮬레이션에서 사무실 (2)의 시스템 모델 표현은 3D CFD 모델(3)로 대체되는 반면 시스템 모델의 전체 HVAC 레이아웃(1)은 그림 2와 같이 계속 모델링됩니다.
그림 2. 통합 및 독립 실행형 시뮬레이션을 위한 시스템 모델 및 3D CFD 모델 개요
Dymola 시스템 모델과 연성된 PowerFLOW-PowerTHERM 3D CFD 시뮬레이션은 건물 내부의 거주자와 함께 오전 7시부터 오후 7시까지 12시간 동안 수행됩니다. 일사량, 주변 온도, 주변 습도 및 태양 위치의 영향이 포함됩니다. Berkeley human comfort 모델링을 포함한 연성 시뮬레이션은 동일한 경계 조건에서 System-Model 결과의 최악의 날 조사와 일치하도록 수행됩니다. 유동 시뮬레이션은 건물 내부 유동 거동에 대한 송풍기의 효과를 보여줍니다. 여기서 송풍기에서 나온 차갑고 짙은 공기는 위로 올라가기 전에 바닥으로 직접 떨어집니다. 이것은 대부분의 유체 혼합이 바닥 부분에서 발생하면서 천장근처에서 운 확산이 줄어 듭니다. 연성 시뮬레이션 동안, 속성은 동적으로 변경되고 시간에 따라 업데이트 됩니다. 시스템 모델의 컨트롤러는 온도를 안정화하고 각 커플링 후 출력의 진동을 줄입니다. 통합 PowerFLOW-PowerTHERM 모델은 그림 3에 나와 있습니다.
그림 3. 시스템 축차 모델ROM(ReducedOrder Model)이 있는 통합 PowerFLOW-PowerTHERM 모델
3D 모델의 유체 온도는 특정 영역의 시스템 모델보다 1~2도 더 높은 것으로 나타났습니다. 주요 차이점은 태양 복사와 전류량의 국부적인 영향으로 인한 것입니다. 다양한 태양 부하에 따른 국부적 및 일시적 온도 변화와 열적 쾌적성에 대한 영향은 3D 시뮬레이션에서 명확하게 캡처할 수 있습니다. 아침에는 태양 부하가 가장 큰 Zone 1을 중심으로 건물의 일부에서 더 높은 온도가 관찰되며 태양이 반대쪽으로 이동함에 따라 온도가 감소합니다. 비대칭적인 온도 변화도 잘 포착되어 서로 다른 끝에 앉은 2명의 사람이 일사량과 통풍구 위치의 균형에 따라 크게 다른 편안함 수준을 경험할 수 있습니다. 국부적인 온도와 태양 부하의 영향은 거주자의 열적 쾌적성에 대해 볼 수 있습니다. 신체에서 제일 불편한 부분의 편안함이 전반적인 편안함에 영향을 미칩니다. 예를 들어, Zone 1의 거주자는 아침에 많은 태양 복사를 받아 피부 온도와 머리와 목의 국소 열 감각을 증가시킵니다. 그림 4에서 Zone 1 인간의 뜨거운 열 감각과 높은 불편함을 볼 수 있습니다.
그림 4. 오전 10시, Zone 1에 있는 거주자의 열 감각과 쾌적성
그림 5와 같이 머리와 목이 매우 불편함이 일정 시간 동안 전반적인 쾌적성을 떨어뜨립니다. 창에서 떨어져 있고 공기가 잘 통하는 Zone 2 거주자와 대류 상태로 앉아 있는 Zone 4 거주자는 하루 종일 편안합니다. 다른 Zone과 점유하는 위치(원으로 표시)는 그림 5에 나와 있습니다.
그림 5. 3D 온도 분포, North-Up
열적 쾌적성 지표
ASHRAE(미국공조냉동공학회)에 따르면 PMV (Predicted Mean Vote, 인간이 느끼는 더움부터 추움을 7분할하여 -3에서 +3까지의 수치로 배당한 것)는 건물 시뮬레이션에 사용되는 가장 잘 알려진 열적 쾌적성 지표입니다. 그러나 PMV는 대부분 균일하게 통제된 환경에서 신체 전체를 고려하여 정확한 예측을 제공합니다. 과도 현상 및 높은 열 구배와 함께 국부적인 온도 비대칭을 나타내는 결과는 열적 쾌적성을 결정하기 위한 고급 쾌적성 알고리즘이 필요합니다. 그림 6에서 볼 수 있듯이 구역별 시스템 모델 PMV는 열 구배 및 태양 부하가 적은 구역인 Zone 4에 대한 국소 CFD PMV와 일치합니다. 그러나 Zone 2와 같이 이질적인 rndur에서는 시스템 모델의 구역 평균화로 인해 더 큰 차이가 관찰됩니다. 비슷하게 국소 CFD PMV와 Berkeley comfort 개선 모델를 비교하면,one 1의 거주자에게 관찰된 높은 불편함이 PMV보다 Berkeley 모델에서 더 잘 포착되었습니다. 마지막으로 시스템 모델 은 건물의 모든 곳에서 태양열 부하를 줄여야 함을 나타내는 반면, 3D CFD Berkeley 모델은 이것이 특정 구역에만 필요하여 건축 자재 비용을 절감할 수 있음을 나타냅니다.
그림 6. PMV 대 기준 Berkeley Comfort 대 반복 Berkeley Comfort
3D 시뮬레이션 결과를 바탕으로 반사형 저방사율(E) 코팅 창호 유리로 설계 변경을 진행하였습니다. 건물 내부의 입사 태양 부하 감소로 인해 기준선과 비교하여 Zone 1에서 향상된 편안함이 나타납니다. 올바른 글레이징 재료를 사용하면 공조 부하를 줄이면서 더 높은 편안함을 빠르게 달성할 수 있으므로 건물의 에너지 효율성을 높일 수 있습니다. 더욱이 시뮬레이션은 건물의 필요한 영역에서만 글레이징을 수정할 수 있어 비용을 절감하고 자연광을 증가시키며 겨울(반사율이 낮은 글레이징이 선호되는 경우)에 더 높은 에너지 효율성을 촉진할 수 있음을 나타냅니다. 이러한 영역은 그림 6과 같이 3D 결과로 효과적으로 찾아낼 수 있습니다.
IAQ의 중요성
60초마다 오염된 입자를 방출하는 말하는 사람 2명을 대상으로 열적 쾌적성과 동시에 공기 품질을 예측하기 위한 3D 시뮬레이션의 중요성에 대해 연구했습니다. 첫 번째 기준 시뮬레이션에서 Zone 4의 회의실은 통풍구가 없고 Zone 2의 복도에 있는 모든 통풍구에서 기류가 공급됩니다. Zone 2에서 거주자는 열적으로 편안하고 입자가 에어로졸로 균일하게 퍼집니다. 대류에 의해 전파됩니다. 통풍구가 없는 Zone 4의 입자는 회의실을 떠나 흐름 전류를 따라 복도로 들어가고 Zone 1의 북동쪽을 가로질러 축적됩니다. 여기에서 다른 HVAC 콘센트 R1이 방에서 입자를 추출할 수 있습니다. 에어로졸의 여과는 이 구성으로 적절하지만 Zone 4는 열적으로 편안하지 않습니다. 따라서 공조 유출구는 필요한 것보다 더 많은 찬 공기 흐름이 있는 Zone 2에서 가져옵니다. 그러나 수정된 실행으로 인해 Zone 4에서 더 적은 입자가 추출됩니다. 이는 환기 장치가 있는 방 내부에서 공기 재순환이 증가되어, 그림 7과 같이 복도에 도달하는 공기량이 제한되고 복도에서 공기 흐름에 의해 R1으로 대류되기 때문입니다. Zone 2에서 제거된 공조 장치 유입구에서 감소된 공기 유량은 공조 장치에 의한 입자 분산 및 추출을 감소시킵니다. 이러한 특정 상황에서 편안함과 에너지 효율성의 개선으로 이어지는 변화는 불결한 공기로 인한 입자 오염의 위험을 증가시켰습니다.
그림 7. 건물 전체에 퍼진 입자
결론
이 연구는 인간의 열적 괘적성, IAQ 및 에너지 효율성의 균형을 맞추기 위해 시스템 모델링과 3D CFD의 사용에 대한 비교 평가를 제시했습니다. 초기 시스템 크기 조정 및 연간 에너지 효율성 예측은 시스템 모델링 접근 방식을 사용하여 수행해야 하지만 제시된 시나리오에서는 시스템 모델에서 얻은 쾌적성 결과가 충분하지 않을 수 있고 잘못된 엔지니어링 결정과 추가 비용으로 이어질 수 있음을 보여주었습니다. 또한 열적 쾌적성 평가와 동시에 활용해야 하는 IAQ 정보는 정확한 난류를 모사할 수 있는 3D CFD 시뮬레이션에서만 얻을 수 있습니다. 따라서 열적 쾌적성, IAQ 및 에너지 효율성 사이에서 적정하고 비용 효과적인 균형을 찾기 위해 3D CFD로 시스템 모델을 보완하여야 합니다. 산업 프로세스 경험(Industry Process Experience, IPE) 중 “건축 환경 성능 분석(Built Environment Prerformance Analysis)”은 공조장치 제조업체와 건설 산업에 최적의 에너지 효율적인 실내 환경 품질을 제공하는 데 필요한 도구를 제공함으로써 이러한 문제를 해결하는 것을 목표로 합니다.
