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연재기획

[Kharn·에코다 공동기획] 건물에너지 해석 툴 ‘디자인빌더’

건물에너지 해석 프로그램 CFD Simulation
기류·열전달·오염물질 확산 등 실내온열환경 평가

에너지 시뮬레이션은 연간 에너지사용량 및 외기 조건에 따라 변화하는 실내 온도, 습도 등을 예측함으로써 건물의 부하, 설비용량 등을 추정할 수 있다. 그러나 에너지시뮬레이션은 하나의 실을 하나의 계산영역으로 고려하기 때문에 실 내부의 공기가 완전 혼합돼 동일한 조건을 유지하는 상태를 가정한다.

이로 인해 실내의 특정 위치에서의 온도, 습도 등 환경적 요인을 평가하는 것이 불가능하기 때문에 급배기구의 위치에 따른 환기효율, 실내 온열환경 등 특성을 평가하기 위해서는 CFD(Computational Fluid Dynamics) 시뮬레이션을 통한 검토가 요구된다.

CFD 시뮬레이션은 해석공간을 요소별로 나눠 해석하는 유한 요소법(Finite Element Method), 체적으로 나눠 해석하는 유한 체적법(Finite Volume Method) 으로 나눌 수 있다. 유한 요소법은 구조해석과 같이 해석대상의 형상이나 공간을 유한개의 요소로 나눠 해석하는 기법이며 유한 체적법은 유한개의 체적으로 나눠 해석하는 기법이다.

유한요소법에서는 물체의 거동을 근사하기 위해서 별도의 보간함수(interpolation function)를 사용하고 수학적 표현식을 전체 영역에 대해 적분을 취한다. 하지만 유한 체적법에서는 각 유한체적 별로 적분을 취해 인접하고 있는 유한체적 내 그리드 점에서의 물리량들과 상관관계를 구성, 근사해(Approximate solution)를 구한다는 점에서 차이를 나타낸다. 이에 따라 구조물의 해석은 유한요소법, 유체의 유동해석은 유한체적법을 사용하고 있다.

이러한 CFD 시뮬레이션의 해석은 해석영역을 여러개의 작은 체적으로 나눈 mesh를 제작한 후 서로 인접한 각각의 mesh에 대해서 Navier-stokes 방정식을 풀어나감으로써 각 유체의 유동을 분석한다.

이러한 해석방법에는 크게 세 가지 해석방법이 존재한다. 난류모델을 이용하지 않고 Navier-stokes 방정식만을 풀이하는 방법인 DNS(Direct numerical simulation). 기류의 움직임을 ‘filter kernel’을 이용해 ‘filter width’의 크기에 따라 ‘Large eddy’와 small eddy로 구분 후 Large eddy에 대해 3차원 형상에 대한 시간종속적인 방법으로 계산하고 Small eddy는 ‘Sub grid-scale’을 통해 모델링하는 LES(Large eddy simulation). 그리고 난류모델을 사용해 해석을 진행하는 RANS(Reynolds averaged navierstokes)가 있다.

DNS를 통해 시뮬레이션을 진행할 경우 매우 작은 크기의 mesh가 요구되기 때문에 mesh의 수가 기하급수적으로 증가하며 작업로드로 인해 일반 컴퓨터, 워크스테이션 등으로는 해석이 불가능하다.

LES는 ‘filter width’의 크기보다 큰 사이즈의 mesh에 대해서는 직접 Navierstokes 방정식을 해석하고 사이즈가 작은 mesh에 대해서는 모델링을 통해 해석을 진행하기 때문에 mesh의 사이즈를 키울 수 있다. DNS에 비해서 상대적으로 작업부하가 적게 걸리며 최근 LES를 한 해석이 성공적으로 이뤄지고 있다.

마지막으로 RANS 계열의 모델을 통한 CFD해석은 난류모델을 통한 해석을 진행하기 때문에 DNS와 LES에 비해서 mesh의 사이즈를 키울 수 있다.

이에 따라 일반적으로는 RANS 계열의 모델을 통한 CFD 시뮬레이션을 진행하고 있다.

여러 CFD 시뮬레이션 해석 툴 중 건물해석에서의 CFD 시뮬레이션 툴은 ESP-R, 3D-max, Designbuilder와 같은 에너지 시뮬레이션, 3DMAX와 같은 형상 모델링 프로그램의 plug-in, module type과 ANSYS fluent, Star-CCM+, Phoenix와 같은 CFD 시뮬레이션 전용 툴로 분류된다.

module type의 CFD 시뮬레이션은 에너지시뮬레이션과 CFD 시뮬레이션의 모델링을 동시에 진행할 수 있다.

CFD 전용 툴의 경우 Geometry Modeling, Mesh modeling, Solving의 3단계로 나눠진다. Geometry Modeling의 경우 해석대상의 형상을 모델링하는 단계로 전용 툴 내에서 직접 모델링을 진행하거나 Rhino, Auto Cad, Catia, 3D-Max 등 형상 모델링 프로그램에서 형상을 모델링해 export, CFD 전용 툴로 import 한다.

Mesh modeling은 해석 대상의 형상을 단위체적 또는 단위요소로 분해하는 작업이다. mesh 모델링 역시 전용 툴 내에서 직접 모델링을 진행하거나 GAMBIT, ICEM CFD 등 mesh 전용 모델링 툴로 mesh 모델링 작업이 가능하다.

[그림1]은 해석대상의 mesh 모델링을 나타내며 [그림2]와 [그림3]은 동일 경계조건 하에서 mesh 크기에 따른 시뮬레이션 해상도 차이를 나타낸다.


Solving 단계에서는 정상상태 해석, 비정상상태 해석과 같은 해석조건과 풍속, 취출온도, 방열기 온도조건과 같은 경계조건 등을 입력해 해석하는 단계로 크게 옥외 기류분석과 실내 기류분석으로 나뉠 수 있다.

[그림4]는 design builder의 옥외 기류분포에 대한 해석결과를 나타낸 그림으로 대상 건물의 형상 및 주변 대지의 영향이 건물주변의 기류분포 형성에 미치는 영향을 파악할 수 있다.


[그림5]는 design builder의 실내 기류분포에 대한 해석결과를 나타낸 것으로 난방기 설치에 따른 실내 온도 및 기류분포에 대한 해석결과를 나타낸 그림이다. 대상 건물 내 난방기 배치 및 급배기 위치에 따른 기류 및 온도분포의 최적화를 수행할 수 있다.



[그림6]은 실내 공간을 대상으로 공조설비의 위치에 따른 CFD 시뮬레이션의 온도와 온도 및 기류속도의 조합을 통해 실내 온열환경을 평가하는 유효드래프트온도를 나타낸 것으로 설비 용량에 따른 실내 온도분포와 실내온열환경을 분석할 수 있다.



이 외에도 공기령 계산을 통한 실내 환기 효율평가, parametric 기법을 이용한 디퓨져 취출각도 최적화를 수행할 수 있다. 클린룸, 데이터센터와 같은 특수건축물의 기류 패턴분석을 통한 기류제어와 내 외부압력 분포 및 공기령 계산을 통한 기류 정체 발생여부를 파악해 이를 해소시킬 수 있는 대안을 마련한다.

이와 같이 건축물 내에 에너지절약 요소를 도입함으로써 얻을 수 있는 기대효과는 에너지시뮬레이션을 통해 예측할 수 있지만 기존 시스템대비 실내 온열환경에 대한 변화는 파악할 수 없다.

이에 따라 CFD 시뮬레이션을 이용한 기류, 열전달, 실내 오염물질의 발생 및 확산, 쾌적지수 등의 검토를 통한 실내 온열환경의 평가가 요구된다.