옥상 난방 기기의 온도 높이기

By Chait Johar, Project Engineer, AAON Inc., Tulsa, USA

새로운 옥상 난방 기기를 설계함에 있어서 AAON의 엔지니어들은 새로운 설계가 기존 설계와 같은 바닥면적을 유지하며 더 높은 유량을 내도록 할 필요가 있었습니다. 연구진은 ANSYS 의 computational fluid dynamics (CFD) 소프트웨어를 이용하여 기기의 열전달기를 통과하는 유동을 계산하고, 에너지 효율, 유동, 열 전달 요구치 등을 만족하도록 반복설계를 수행하였습니다. 이 프로젝트에서 해석프로그램의 사용은 기존 설계 방법에 비하여 물리적인 연구시간을 60~80시간 절약하였습니다.

Save PDF 구독하기
Turn Up the Heat in a Rooftop Heating Unit

simulation for HVAC 

AAON의 옥상설치 복합 기기들은 세관형태의 열교환기와 상업용, 산업용 건물들의 효율적인 난방을 위한 공기조화 계통으로 이루어져 있습니다. 옥상 난방 기기의 세관형 태 열교환기 설계를 위하여, 엔지니어들은 세관을 따라 흐르는 뜨거운 가스로부터 캐비닛에 흐르는 공기로의 열전달 량을 극대화해야 합니다. 이것은 높은 수준의 에너지효율을 수반합니다. 또한 기기는 최소화된 비용 및 크기로 가동 환경조건을 견뎌야 합니다.

과거의 설계 과정은 프로토타입을 만들고, 기기를 통하여 공기로 전달된 열량의 양을 측정하는 것과 같은 물리적 계측작업 등을 포함했습니다. 지난 몇 년 동안, AAON은 물리적 프로토타입을 제작하기 전에 공기 흐름과 열 전달을 최적화하기 위한 선행 시뮬레이션을 사용하는 방향으로 전환하였습니다. 시뮬레이션은 프로토타입을 제작하고 시험하는 것보다 시간이 덜 걸리며, 보다 더 나은 정보를 제공함으로써 엔지니어들이 더 빠른 속도로 최적화 설계를 반복 수행을 할 수 있게 해줍니다. AAON 엔지니어들은 연구 시간을 60~80시간 절약하면서 물리적인 공간, 공기조화 및 열 효율 목표 등을 달성했습니다.

AAON RQ
AAON의RQ 시리즈 옥상설치 기기는 효율, 작동 유연성, 편리성을 고려하여 설계되었습니다.
heating unit
열 교환 세관(8개)과 팬만 표현한 기기 구조도

열교환기 설계 문제

새로운 옥상설치 기기를 설계할 때 엔지니어들은, 기존 세대의 제품과 같은 바닥 면적을 유지하면서 요구되는 수준의 효율을 만족하고, 기기의 공기조화 용량을 증가시켜야 했습니다. 고온 가스가 열 교환기로 들어가 내부 세관으로 나뉘어 장치에서 배출됩니다. 다음 연소 사이클을 위한 산소 공급을 위해 신선한 공기가 유입됩니다. 열 교환기의 판은 팬으로부터 공급되는 공기가 세관주변으로 흐를 수 있도록 유도 합니다. 기존의 설계 방법은 핸드북 공식들과 공학적 판단에 의지합니다. 이러한 방법들은 뜨거운 공기와 캐비닛을 통하여 흐르는 차가운 공기 사이의 대류 열전달이 일어나는 표면적에 집중됩니다. 기기의 열전달 용량과 효율은 열교환기 세관 사이로 흐르는 공기의 유동에 크게 영향을 받습니다. 기류는 뜨거운 가스를 운반하는 세관의 주변에 균일하게 분포되어야 합니다.

제작 및 시험 방법에서의 주요 한계점은 일반적으로 유동부의 형태에 대하여는 고려하지 않으며, 따라서 기기의 사이로 흐르는 유동의 분포에 대하여는 추정하여야 한다는 점입니다. 이러한 기존 설계 과정에서의 내재된 부정확성 때문에, 연구팀은 초기 개념설계가 완료된 직후, 프로토타입을 제작하고 평가절차를 진행해야 했습니다. 이러한 과정은 근무 일수 기준으로 약 8일 정도 소요되었습니다. 이럴 때, 결과는 제품의 필요조건을 만족하지 못하는 경우가 대부분이었으며, 따라서 연구진은 프로토타입을 다시 만들고 다시 평가하는 반복과정을 수행해야 했습니다. 엔지니어들은 세관 바깥에 열전대들을 배치하여 프로토타입의 정확한 열 효율을 측정하였습니다. 그러나 세관 주변의 기류를 정확히 측정하는 것은 불가능하였고, 그래서 이러한 시험들은 유동패턴이 열효율에 어떻게 영향을 주는지에 대한 평가 정보는 거의 제공하지 못하였습니다.

centrifugal fan simulation

원심 팬의 축 방향, 반경 방향, 접선 방향 벡터성분들은 물리적 시험을 통하여 결정됩니다.

"시뮬레이션은 프로토타입을 제작하고 시험하는 것보다 더 적은 시간을 소요하며, 보다 완벽한 평가 정보를 제공함으로써 엔지니어들이 더 빠른 속도로 최적화 반복설계를 수행할 수 있게 해줍니다."

설계 프로세스를 주도하는 시뮬레이션

지난 몇 년 동안, AAON은 엔지니어들이 시뮬레이션을 이용하여 더 적은 시간 동안 더 많은 설계를 반복적으로 평가하도록 하는 새로운 접근법으로 변화하고 있습니다. 시뮬레이션은 더 많은 평가 정보를 제공하며, 더 빠르게 반복적인 최적화 설계를 수행하도록 합니다. 옥상에 설치하는 새로운 RQA-B기기를 설계할 때, 엔지니어들은 기존 기기에 비해 같은 바닥면적을 차지하면서 더 높은 기기가, 더 많은 열과 공기를 전달할 수 있도록 할 필요가 있었습니다. 새로운 기기는 판매되는 모든 지역에서 81%의 에너지 효율을 증명해야 했습니다.

엔지니어들은 초기 설계를 작성하였고 전산 유체 역학 소프트웨어인 ANSYS CFX에서 기기를 모델링 하였습니다. 몬타나 주립대의 석사과정 학생이 실험을 통하여 서로 다른 크기와 속도를 가지는 원심 팬에 의한 기류의 축 방향, 반경 방향, 접선 방향의 벡터 성분들을 팬의 회전축으로부터의 거리의 함수로 결정하였습니다. 이 연구결과는 CFD 모델의 경계조건으로 사용되었습니다. 벽면 함수 접근법은 경계층의 요소 수를 감소시키기 위하여 적용되었습니다. 유동의 속도, 압력 및 온도가 급격하게 변화하는 세관 근처의 유동영역에 대하여, 이 부분의 변화를 자세히 파악하기 위한 조밀한 요소망 구성을 위하여 inflation layer가 도입되었습니다. 요소망의 첫 번째 절점을 세관의 끝단에 위치시키는 것이 특히 중요합니다. ‘y+’라고 불리는 국부 요소 유동속도에 기반한 무차원 거리(Nondimensional distance)는 그 영역의 시뮬레이션 정확도를 보장합니다. 이 해석에서 사용된 k-epsilon 난류모델에서는 y+값을 100보다 작게 유지하도록 추천합니다. AAON의 엔지니어들은 y+ 값을 100 미만으로 유지하도록 요소망을 수정하였습니다.

heating unit simulation
초기 모델에 대한 해석은 공기가 팬을 떠나 캐비넷을 따라 흐르는 모습을 보여줍니다. 공기의 대부분이 열교환기 세관 사이로 흐르지 않습니다.
heating unit simulation
기류를 변화시키고 유동 분포를 향상시키기 위하여 방해판(Baffle)이 추가되었습니다.
heating unit simulation
유선들은 캐비닛에서의 온도변화를 보여줍니다.
heating unit simulation
기기 단면의 온도분포는 캐비닛의 하류에서의 온도상승을 보여줍니다.

AAON의 프로토타입 제작 감소

시뮬레이션 결과는 초기 설계의 에너지 효율이 필요로 하는 수준에 한참 미치지 못함을 보여주었습니다. AAON의 엔지니어들은 초기 설계의 프로토타입을 또한 제작하여 해석 결과를 검증하는데 사용했습니다. 캐비닛과 세관에서의 유동 및 온도 분포를 살펴보면서, AAON의 엔지니어들은 상당한 양의 공기가 세관에 접촉조차 하지 않은 채 열교환기의 세관을 지나쳐 외부로 유동함을 확인할 수 있었습니다. 이러한 결과에 기초하여, AAON의 엔지니어들은 캐비닛에 방해판을 추가하여 세관을 우회하여 지나갔던 유동의 방향을 전환하려 하였습니다. 시뮬레이션을 통하여, 엔지니어들은 세관의 외벽으로부터의 위치에 따른 영향에 더하여, 서로 다른 위치와 형태의 방해판들의 영향을 파악할 수 있었습니다.

각각의 시뮬레이션은 하나의 코어를 이용하여 6시간에서 8시간 정도가 소요되어서, AAON의 엔지니어들은 밤에 그들이 퇴근할 때 여러 개의 해석을 걸어 놓았습니다. 그들은 이제 4개의 코어를 가지는 컴퓨터를 사용하며, 해석시간은 1.5에서 2시간으로 감소하였습니다. 유동해석 결과를 이용하여, 엔지니어들은 캐비닛 보다 효율적인 유동 경로를 설계하기 위한 반복작업을 빠르게 수행하였습니다. 열교환기 세관 표면의 평균 유속은 거의 25% 증가하였으며, 출구온도는 같은 유량에서 수도 증가하였습니다. 엔지니어들은 최적화된 설계의 프로토타입을 제작하였고, 그 결과는 시뮬레이션 결과와 거의 일치하였으며, 82%의 효율을 나타냈습니다. AAON은 현재 새로운 옥상설치 기기의 생산을 기획하고 있으며, 시장에 내 놓을 준비를 하고 있습니다. AAON의 연구소의 매니저는 이번 한번의 시도에서 시뮬레이션이 약 60에서 80시간의 연구시간을 절약하였고, 이는 상당한 비용 절약을 의미한다고 평가하였습니다. 또한 시뮬레이션은 기존 제작 및 시험 기법을 이용할 때 가능했던 것 보다 더 일찍 제품을 시장에 공급함으로써 매출도 증가하였습니다.

CFD velocity simulation
초기 설계의 유속 분포에서는 대부분의 공기가 캐비닛 주변으로 흐름을 보여줍니다.
CFD velocity simulation
방해판이 추가된 최종 모델에서의 유속 분포에서는 더 많은 공기가 세관 사이로 흐름을 보여줍니다.

ANSYS에 문의하십시오.

문의하기
문의하기