타원관 열교환기와 공기살균을 적용한 팬코일 유닛 개발 및 성능평가 = Development and Performance Evaluation of a Fan Coil Unit With an Oval-Type Heat Exchanger and an Air Sterilization

국문 초록 (Abstract)

최근 생활 및 소득 수준의 향상에 따른 사회구조와 인식의 변화로 건강한 삶을 추구하는 사람들이 많아지고 있다. 이에 따라 최적화된 생활환경을 만들기 위해 냉방 및 난방에 대한 관심도 증가하였고 고효율 열교환기와 공기정화기능이 적용된 지능형 팬코일 유닛을 위한 연구도 활발이 진행되고 있다. 기존의 팬코일 유닛은 크게 두 가지 측면에서 문제점을 가지고 있다. 첫 번째는 사용자 조작 측면에서의 한계로 공급온도와 공급시간을 일률적으로 제어해야만 하고 일과시간 이후에 재실자의 체감온도 차이를 반영하지 못한다는 것이다. 또한 풍량의 단순 강약조절로 실내온도 조절이 어렵고 중앙난방방식을 적용함으로써 별도의 보조난방장치가 필요하다는 점이다. 두 번째는 건강 측면에서의 문제점으로 공기정화기능이 없어 냉방 및 난방 시에 실내공기가 악화되어 사용자가 항상 질병 감염 가능성에 노출되게 된다는 것이다.
본 연구에서는 공기가 박리되지 않고 공기저항이 작은 타원관 형태의 열교환기를 채택하여 고효율화를 도모하고 보조 및 개별난방기능을 갖는 PTC히터모듈을 개발한다. 또한 냉방 및 난방 시에 공기 질 개선을 위한 나노 광촉매모듈 또한 개발하여 최종적으로 개별난방겸용 에너지 절약형 공기살균 지능형 팬코일 유닛을 개발하는 것이 목표이다.
실험을 통해 원형관과 타원관 열교환기 성능 차이를 직접 확인하고 열교환기의 구조와 형상, 풍향각도를 변화시켜 그 성능을 비교하였으며, 여러 종류의 팬코일 유닛의 표준난방능력시험과 부유세균 제거 실험을 진행하였다. 그 결과 동일한 Fin 형상을 갖는 원형관 열교환기와 타원관 열교환기의 성능을 비교하였으며 타원관 열교환기의 압력손실은 원형관 열교환기보다 15% 감소하거나 같지만 열전달량은 23~50% 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 타원관 열교환기의 경우 풍속이 증가할수록 열전달량은 선형적으로 증가하며 동일 풍속의 경우 난방수의 유량이 증가하면 열전달량도 증가하였다. 열전달량의 증가율은 유량이 증가할수록 감소한다는 것을 알 수 있었다. 열교환기에서 Fin-Tube의 구조 및 형상, 풍향 각도를 변화시켰을 때 풍향 각도가 증가하면 열교환 성능이 증가하고 타원관 열교환기는 원형관 열교환기보다 높은 열교환 성능을 보였다. 또한 One-pass type의 열교환기가 Two-pass type보다 체적당 열량이 우수하였고 4단6열 구조보다 2단8열 구조의 열교환기가 체적당 열량이 우수한 것으로 나타났다. 열교환기의 종류에 따른 성능 실험에서는 바닥상치형 팬코일 유닛의 경우 타원관 열교환기, BLDC 송풍팬을 적용한 모델이 난방열량, 대온도차, 풍량이 증가하였다. 스탠드형 팬코일 유닛의 경우 타원관 열교환기 BLDC 송풍팬을 적용한 모델이 소비전력이 감소하였음에도 불구하고 난방열량, 대온도차가 각각 증가하였다. 다만 풍량은 감소하였다. 부유세균 제거 실험에서는 튜브형광촉매, 나노미디움MEDIA광촉매, 활성탄을 사용한 제품이 99.9%의 제거율로 가장 좋은 성능을 나타내었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Lately, due to the increasing of life and income level, the number of people who pursue a healthy life is increasing. Because of these reasons, concern of air conditioning and heating to make the best life environment is increased, and a number of development for intelligent fan coil units which heat exchanger and air cleaning systems are adapted have been performed.
This study selects an oval-type heat exchanger which has little air resistance for high efficiency, and develops a PTC heater module which has functions of support and unit heating. A nano photo catalysis is developed for intelligent fan coil unit to enhance air level during cooling and heating.
The present study compares the heat performance between round-type and oval-type heat exchangers. The results show that the pressure loss of oval-type heating exchanger is decreased 15% or the same but the heat transfer is increased from 23% to 50%. Heat transfer of oval-type heating exchanger is increased linearly as wind speed is increased. In the same wind speed condition, heat transfer is increased when flow rate is increased, but the increasing rate of heat transfer is decreased.
When the structure and wind angle of fin-tube is changed, the heat exchange performance is enhanced with the wind angle. The oval-type heat exchange has the better performance than the circular-type one. Calory per volumes of one-pass type exchanger is better than that of two-pass type heat exchanger. The calory of 4-column×6-row structure heat exchanger is higher than that of 2-column×8-row structure. The performance test for the developed fan coil units show that for the floor-type fan coil unit, the amount of heating calory, temperature difference and air flow rate are all increased when oval-type heat exchanger and BLDC air blast fan are adopted. For the standing-type fan coil units, the amount of heating calory, and temperature difference are increased when oval-type heat exchanger and BLDC air blast fan are adopted. In this case, however, the amount of air flow rate is decreased although the consumption of electrical power decreased. In the test of removing floating virus, the air sterilization unit which has tube-type photo catalysis, nano medium media catalysis, and activated carbon shows the best performance.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ.서론 1
• 1.연구배경 및 필요성 1
• 2.연구목표 3
• Ⅱ.타원관 열교환기와 공기살균을 적용한 팬코일 유닛 개발 4
• Ⅲ.실험장치 및 방법 11
• 1.실험장치 11
• 2.실험조건 및 방법 13
• Ⅳ.결과 및 고찰 18
• 1.타원관 및 원형관 팬코일 유닛의 열전달 성능 비교 18
• 2.열교환기 풍향각도에 따른 열량성능 비교 23
• 3.열교환기 형태 및 구조에 따른 체적당 열량성능 비교 24
• 4.공기살균모듈의 성능시험 26
• 5.팬코일 유닛 형태별 성능 평가 27
• Ⅴ.결론 30
• 참고문헌 32
• Abstract 33