환풍구의 입구 천공 형상에 따른 환풍 능률 향상에 관한 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In today's society, people's indoor activities are increasing. South Korea's National Academy of Environmental Sciences research showed that Korean can stay indoors for more than 21 hours a day, the amount of pollution released by each person will increase with the increase of time, 3 times the pollution for every extra hour, especially the elderly and children. Because the indoor is closed, which do not has the outdoors natural purification, so the air pollution index is higher.

Although the ventilation can not solve the problem of pollution，to some extent, it can remove the pollution to outdoors, especially recently referred to as the culprit of indoor air pollutions such as volatile organic compounds (VOCs) and (HCHO), smoke, odor and etc. We can call it negative but feasible decontamination method. The ventilation method can not only eliminate the pollution, but also can adjust the indoor air temperature and remove the moisture and dust.

This research is based on normal air changing machine. This experiment is based on the principle of fluid mechanics, to remove the pollution by using fan to press the pipeline. The purpose of this experiment is to study and test the efficiency of the fan and attached structure, efficiency of the perforated fan.

The study results are as follows.

The first, choose an normal air changing machine with air volume 8[], power is 37[W], inner diameter is 250×250[mm]，This experiment is based on the definition of Bernoulli，in order to choose air changing machine which is suitable for construction, we make a preliminary experiment. We choose an air changing machinewith external diameter of 250×250[mm] and amplitude of 100[mm] for preliminary experiment.

The second, choose a 3-leaf air changing machine，the resolution is 0.1[m/s], effective measurement range is 0-30[m/s]，use it to measure the wind speed of 300[mm] and height to be 200[mm]. Measured data is calculated by Microsoft software Arduino uno board. Do five times and get the average value.

In order to test the effect of this study, we set up 5 stages.

In the first stage, no need to punch in indoor air exclusion, test average value is 0.4212[V]，after that, set the value after punching to be the baseline comparison value.

In the second stage, punch a 5[mm] hole on each 4 surface of the structure, then increase the hole number, then test the wind speed, the more holes, the higher the wind speed. When each side punched 36 holes, the spill out is 0.4364[V], this spill out value increased +0.0152[V], 3.61% compare with baseline value.

The third stage is to punch a 8[mm] hole, set a unified measure method，finally get the spill out value to be 0.4418[V] for 36 holes, increased +0.0206[V] compare with baseline value, an increase of 4.89%.

In the fourth stage, punch hole with a diameter of 12[mm], the overall test result of spill out value to be 0.4510[V] for 36 holes, increased +0.0298[V], with an increase of 6.61%. The result shows that the larger the diameter of the holes, the higher the wind speed is.

The last stage is to maximize the air flow within the structure, the diameter of the hole is changed to 12[mm], and increase 8 holes based on max hole number for each surface, then proceed the same testing method. Finally get the result of 68 holes to be 0.619[V], increased +0.1978[V] after comparison, an increase of 46.96%, which means for this structure, the greater the diameter of the surface hole, the larger the hole number, the higher the wind speed is.

This study is based on the Bernoulli's theorem, using the structure with surface diameter of 12[mm] and 68 holes for experiment. The result shows that the wind speed of punching increased 46.96% compared with simply send a structure only. In addition it accelerates the air cycle. In accordance with the Bernoulli's theorem, the air changing machine with attached structure can save electricity, which is very economical and practical.

국문 초록 (Abstract)

현대사회에 이르러 사람들은 실외보다 실내에 머무는 시간이 증가하고 있다. 환경부 국립환경과학원의 연구조사의 결과(1)(2)(3)에 의하면 한국인은 하루 중 21시간 이상 실내에서 체류하고 있으며 체류시간에 따른 노출량에 의한 오염 정도가 개인별 최대 3배까지 차이를 보이고 있다. 또 이런 환경적 요소에 취약한 어린이 및 노약자들의 노출 빈도가 가장 높게 나타나고 있다. 실내공기는 자연적으로 정화가 되는 실외공기에 비하여 제한된 공간에서 진행로 인하여 실외공기의 오염도 보다 더욱 높다. 하지만 이를 인식하고 실생활에서 적절히 대처하기 어렵다.
환기에 의하여 실내공기 오염의 문제를 해결할 수 있지만,실내공기 오염물질의 유형이나 거동특성 등을 모두 파악하고 있지 못하더라도 대상 오염물질을 실외로 확실히 배출할 수 있다는 장점이 있다. 특히 최근 실내공기환경 오염의 주요인으로 알려지고 있는 휘발성 유기화합물(Volatile Organic Compounds), 포름알데히드(for- maldehyde), 담배연기, 악취 등과 같이 복잡한 특성을 가진 오염물질의 제거 방법으로 가장 실용성이 높은 방법이라 할 수 있다(4)(5)(6).
이에 본 연구에서는 일반적인 환풍기의 일단에 구조물을 부착하여 유체역학 기본 원리인 베르누이 정리를 응용(7)(8)하여 내부공기 유입관로에 압력차를 발생시켜 유속의 증가를 통한 실내 공기의 배출을 증대시키고자 하는 목표를 가지고 조사연구하였다.

본 연구의 실험 내용은 다음과 같았다.

첫째, 풍량은 8[], 소비전력 37[W], 내경치수 250×250[mm]인 일반적 환풍기를 선정하고, 본 실험의 도구인 베르누이 적용 구조물 선정을 위한 예비실험에서 250×250[mm]의 외경을 갖는 구조물에 폭을 100[mm]로 선정한 실험장치로 구성하였다.

둘째, 분해능(Resolution) 0.1[m/s], 측정범위(Effective measurement range) 0-30[m/s]을 갖는 3엽 구조의 풍속 센서를 채택하여 외기쪽 중앙부에서 거리 300[mm]와 바닥면과 높이 200[mm]의 높이에서 풍속을 측정하였다. 측정데이터 수집에 사용된 마이크로프로세서는 아두이노 우노보드를 활용하여 측정값을 산출하도록 하였으며, 매 실험은 5회 측정 후 평균값을 산출하여 최종 측정값으로 산출하였다.

실험 방법은 본 연구 장치의 효율성을 검증하기 위하여 총 5단계로 처치하였는데,

첫째 단계는 실내공기 배출 구조물을 천공 없이 측정하였는데, 그 평균값이 0.4212[V]로 측정되어 향후 천공에 따른 산출값의 비교 기준값으로 하였다.

두번째 단계로서 구조물 4면에 5[mm] 홀을 천공하여 실험을 실시하였다. 최초 각 면 홀의 개수를 1개에서부터 개수를 증가시켜가며 풍속을 측정하였는 바, 천공의 개수가 증가할수록 풍속의 증가가 이루어짐을 확인할 수 있었고, 각 면을 균등하게 분배하고 천공한 개수가 36개일 때 0.4364[V]가 산출되었다. 이 산출값을 기준값과 비교하면 +0.0152[V], 즉, 3.61%가 증가되었음을 알 수 있었다.

세번째 단계로서 천공의 직경을 8[mm]로 하여 동일 측정방법으로 실험한 결과, 최종 36개 홀에서 0.4418[V]로 나타났으며, 기준값과 비교하면 +0.0206[V], 4.89%가 증가되었음을 알 수 있었다.

네번째 단계로서 천공의 직경을 12[mm]로 하여 동일 측정방법으로 시험하였다. 최종 36개 홀에서 0.4510[V]의 결과가 측정되어, +0.0298[V], 6.61%가 증가되었음을 알 수 있었다. 즉 천공의 직경이 커질수록 풍속도 증가됨을 알 수 있었다.

다섯 번째 단계로서 천공의 직경 12[mm]에서 홀수에 의한 구조물의 공기 유통 면적을 최대로 할 수 있도록 하기 위하여 면적 당 최대 천공 가능 숫자인 각 면당 8개씩을 균등하게 천공을 더 추가하여 동일 측정방법으로 실험하였다. 최종 68개 홀에서 0.619[V]의 결과가 나타났고 기준값과 비교하여 +0.1978[V], 46.96%가 증가됨을 알 수 있었다. 즉 구조물 전체 표면적에 천공의 직경이 커질수록, 홀수가 많을수록 풍속이 증가됨을 알 수 있었다.

본 실험 연구는 베르누이 정리를 응용하여, 시험하였으며, 내기유출 구조물 표면적에 직경이 12[mm], 홀 수 68개의 다공을 취하여 실험을 한 결과, 단순 구조물 부착에 의한 적용보다 46.96%의 풍속 증가를 가져와 최적의 효율을 발휘하였다. 따라서 단순 베르누이 정리를 적용하기보다 다수의 천공을 추가할 경우, 배출되는 풍속이 증가하여 공기순환의 능률이 증가됨을 알 수 있었다.
또한 기존의 환풍기와 동일한 배출능력일 때는, 베르누이를 적용한 본 고안의 구조물 부착으로 환풍기의 소비전력을 낮출수도 있음을 내포하여 경제적 이익도 증대될 수 있다고 사료되었다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 제1절 연구 배경 1
• 1. 연구의 목적 1
• 2. 연구의 필요성 1
• 3. 연구 방법 2
• 제2장 본 론 3
• 제1절 이론적 배경 3
• 1. 실내공기 오염의 실태와 인체 영향 3
• 2. 베르누이 정리 3
• 제2절 실험 방법 및 결과 5
• 1. 환풍 능력 향상 장치 선정 및 예비실험 5
• 2. 환풍 능력 향상 실험 10
• 제3장 결 론 16
• 제1절 결 론 16
• 1. 연구의 결론 16
• 참고문헌 19
• Abstract 21