1) 전산유체해석(개념)
전산유체해석 (Computational Fluid Dynamics, CFD)은 유체의 흐름과 관련된 물리적 현상을 컴퓨터를 이용하여 수치적으로 해석하고 예측하는 기술입니다. 이는 유체의 운동을 지배하는 비선형 편미분 방정식인 나비에-스토크스 방정식(Navier-Stokes equations)을 포함한 다양한 물리 법칙들을 이산화하여 대수 방정식 형태로 변환하고, 이를 수치 알고리즘을 통해 풀어 유동장(속도, 압력, 온도, 농도 등)을 계산합니다.
CFD 해석 과정은 일반적으로 다음과 같은 단계로 이루어집니다.
- 모델링 (Geometry and Domain Definition): 해석하고자 하는 유동 영역의 형상을 컴퓨터 상에 정확하게 모델링합니다.
- 격자 생성 (Meshing): 모델링된 유동 영역을 작은 셀(cell)들의 집합인 격자로 나눕니다. 격자의 품질과 밀도는 해석 결과의 정확성과 계산 시간에 큰 영향을 미칩니다.
- 물리 모델 설정 (Physics Definition): 유체의 물성치, 경계 조건, 초기 조건, 난류 모델, 열 전달 모델 등 해석하고자 하는 물리적 현상에 적합한 모델들을 설정합니다.
- 수치 해법 설정 (Numerical Solution): 이산화된 방정식을 풀기 위한 수치 해법 알고리즘(유한 차분법, 유한 요소법, 유한 체적법 등)과 수렴 조건 등을 설정합니다.
- 계산 (Computation): 설정된 조건에 따라 컴퓨터를 이용하여 수치 계산을 수행합니다.
- 결과 분석 및 시각화 (Post-processing and Visualization): 계산된 유동장 데이터를 이용하여 속도 벡터, 압력 분포, 온도 분포, 농도 분포 등을 시각화하고, 원하는 물리량을 추출하여 분석합니다.
건축 설비 분야에서 CFD는 주로 다음과 같은 목적으로 활용됩니다.
- 실내 공기 흐름 분석 및 예측
- 환기 효율 평가
- 열쾌적성 평가
- 오염 물질 확산 예측
- 화재 시 연기 확산 시뮬레이션
- 외부 바람 환경 분석
- 건물 주변 기류 분석
2) 공기연령 및 잔류체류시간을 이용한 환기효율 정의(개념과 방법)
공기연령 (Age of Air, Local Mean Age, LMA)
- 개념: 특정 지점에 도달한 공기 입자가 실내로 유입된 후 경과한 평균 시간입니다. 다시 말해, "이 지점의 공기가 얼마나 오랫동안 실내에 머물렀는가" 를 나타내는 지표입니다. 신선한 외부 공기가 실내로 공급되어 특정 지점에 도달하는 데 걸리는 평균 시간을 의미하기도 합니다.
- 물리적 의미: 공기연령이 낮을수록 해당 지점의 공기가 비교적 최근에 외부에서 유입된 신선한 공기임을 의미하며, 높을수록 오염 물질이 축적될 가능성이 높은 오래된 공기임을 나타냅니다.
- CFD를 이용한 산출 방법: CFD 해석 시, 유입되는 신선한 공기를 일종의 스칼라(passive scalar)로 정의하고, 실내 전체에 균일한 생성항(source term)을 부여하여 시간에 따른 농도 변화를 추적합니다. 정상 상태(steady-state) 해석에서는 각 셀에서의 스칼라 값을 해당 셀의 공기연령으로 직접 산출할 수 있습니다. 비정상 상태(transient) 해석에서는 시간에 따른 농도 변화를 적분하여 평균 공기연령을 계산합니다.
잔류체류시간 (Residence Time, Local Mean Residence Time, LMRT)
- 개념: 특정 지점의 공기 입자가 실내에서 해당 지점에 도달한 후, 실외로 배출될 때까지 머무르는 평균 시간입니다. "이 지점의 공기가 앞으로 얼마나 오랫동안 실내에 머무를 것인가" 를 예측하는 지표입니다.
- 물리적 의미: 잔류체류시간이 짧을수록 해당 지점의 오염된 공기가 빠르게 외부로 배출될 가능성이 높다는 것을 의미합니다.
- CFD를 이용한 산출 방법: 잔류체류시간은 공기연령과 유사한 방식으로 CFD를 이용하여 산출할 수 있습니다. 일반적으로 공기연령 해석과 함께 수행되며, 특정 지점에서의 공기 교환 특성을 파악하는 데 활용됩니다.
환기효율 정의 방법 (공기연령 및 잔류체류시간 이용)
공기연령 및 잔류체류시간은 실내의 국소적인 환기 성능을 평가하는 데 유용한 지표이며, 이를 이용하여 다양한 환기효율 지수를 정의할 수 있습니다. 대표적인 방법은 다음과 같습니다.
- 공기 교환 효율 (Air Change Effectiveness, ACE):
- 개념: 실내 전체의 공기 교환 속도가 이상적인 완전 혼합 상태에서의 공기 교환 속도에 비해 얼마나 효율적인지를 나타내는 지표입니다.
- 산출 방법: 일반적으로 다음과 같은 방법으로 정의됩니다.
- 명목 시간 상수 () = 실내 체적 (V) / 총 급기량 ()
- 실내 평균 공기연령 ()은 실내 각 지점의 공기연령을 평균한 값입니다.
- 해석: ACE 값이 1에 가까울수록 완전 혼합에 가까운 이상적인 환기 상태를 의미하며, 1보다 작으면 단락류(short-circuiting flow)나 정체 영역(dead zone)이 존재하여 환기 효율이 낮음을 나타냅니다. 1보다 큰 값은 특정 영역에 신선한 공기가 우선적으로 공급되는 경우를 의미합니다.
- 국소 공기 교환 효율 (Local Air Change Effectiveness):
- 개념: 특정 지점에서의 환기 효율을 평가하는 지표입니다.
- 산출 방법: 다양한 정의가 존재하며, 대표적인 예는 다음과 같습니다.
- 해석: 국소 공기 교환 효율 값이 1보다 크면 해당 지점의 환기가 평균보다 잘 이루어지고 있음을 의미하며, 1보다 작으면 환기가 불량함을 나타냅니다.
- 제거 효율 (Removal Efficiency):
- 개념: 실내에서 발생하는 오염 물질이 얼마나 효과적으로 제거되는지를 나타내는 지표입니다. 잔류체류시간과 관련하여 정의될 수 있습니다.
- 산출 방법: 특정 지점에서의 오염 물질 농도와 배출구에서의 오염 물질 농도를 이용하여 정의할 수 있습니다. CFD 해석을 통해 오염 물질의 생성 및 확산, 제거 과정을 시뮬레이션하여 평가합니다.
CFD를 이용한 환기효율 평가는 실제 건축물이나 공간에서의 실험적인 측정의 어려움을 극복하고, 시뮬레이션을 통해 다양한 조건에서의 환기 성능을 예측하고 최적화하는 데 매우 유용한 도구입니다. 공기연령 및 잔류체류시간과 같은 국소적인 정보를 통해 전체적인 환기 효율뿐만 아니라, 실내 특정 영역의 환기 성능을 상세하게 분석하여 쾌적하고 건강한 실내 환경 조성에 기여할 수 있습니다.