바닥공조시스템은 기존의 천장 기반 공기 분배 시스템의 중요한 대안으로 간주되고 있다. 바닥공조시스템은 HVAC 시스템 설계의 일부로서 건물의 환기 및 공간 조절을 위한 공기 분배 전략으로, 구조용 콘크리트 슬래브와 융기된 바닥 시스템 사이에 위치한 바닥재 공급 플레 넘을 사용하여 조화 된 공기를 바닥 급기구를 통해 건물의 점령 구역에 직접 공급한다. 바닥공조시스템의 경우 천장공조시스템 보다 열적 쾌적성이 우수하기 때문에 팬 토출 설정온도는 15 ~ 18℃로 높게 설정된다. 또한 바닥공조시스템은 레이아웃 유연성, 향상된 열 쾌적성, 향상된 환기 효율, 적절한 기후에서의 에너지 효율 향상 및 수명주기 비용 감소 등 기존 천장공조시스템에 비해 몇 가지 잠재적 인 이점을 가지고 있다.
실내 공기의 성층화는 바닥공조시스템의 중요요소로써 열, 환기, 에너지 성능을 결정하는데 중요한 역할을 한다. 실내 공기의 성층화는 바닥으로부터 유입되는 상대적으로 큰 밀도의 차가운 공기는 실에 존재하고 있는 상대적으로 작은 밀도의 더운 공기와 만나게 되며, 실내 공기와 공급 공기 사이에 형성되는 밀도 차이에 의해 차가운 공급 공기가 바닥부근으로 쌓이는 뜻한 현상을 뜻한다. 바닥공조시스템에 대한 여러 연구는 국내외 모두 활발하게 진행되어 왔다. 하지만 국내의 경우 바닥공조시스템의 중요요소인 성층화에 관한 연구는 다소 부족한 현황이다.
본 연구에서는 바닥공조에서 중요 기술인 성층화에 관한 연구를 진행하고자 에너지플러스(EnergyPlus)를 사용하여, 각형의 3층 규모인 대형 사무실(Large Office) 프로토 타입(Prototype)의 모델을 구축하였다. 또한 미국 버클리 대학에서 제공한 Gamma-Phi 상관식을 적용하여 성층화를 구현하였으며, Gamma 식을 사용하여 급기구의 개수, 유효면적, 슬롯각도에 따른 급기구에 따른 성층화 형성 여부와 성층화에 따른 냉방 기간의 에너지 성능평가를 진행하였다.


본 논문의 주요 연구결과에 관한 요약은 다음과 같다.

(1) 내주부의 실내 공기 성층화는 바닥공간 온도상승의 영향이 외주부에 비해 적으며 내부발열만을 고려하기 때문에 모든 Case들의 0.6에 근접한 Phi 값을 나타냈으며 이는 성층화가 잘 나타남을 뜻한다. 또한 급기구 변수에 따른 성층화는 개선되었으나 그 차이는 상당히 미미하였다. 또한 급기구 슬롯각도를 증가시킨 Case들의 경우 내주부의 슬롯각도는 고정하였기 때문에 Phi의 변화는 나타나지 않았다.

(2) Base-Case의 모든 외주부의 실내 공기 성층화 분석한 결과 동측을 제외한 모든 외주부는 실내 공기 성층하는 외부의 영향으로 인한 부하증가와 바닥공간의 온도상승의 영향이 커 실내로 공급되는 공기 온도가 증가하면서 대부분의 시간에 성층화는 파괴됨을 나타냈다. 동측 외주부의 경우 바닥면적이 작고 다른 외주부 보다 일사량 적었기 때문으로 사료된다. 하지만 동측 외주부 또한 일사량 및 외기온도가 높은 11:00부터 12:00에 성층화가 파괴됨을 나타냈다.

(3) 급기구 변수에 따른 모든 외주부의 실내 공기 성층화 개선은 우수한 것으로 나타났다. Base-Case의 경우 동측 외주부를 제외한 모든 외주부는 1.0의 Phi값을 나타내며 성층화가 파괴된 반면 급기구의 개수, 유효면적 그리고 슬롯 각도를 각각 증가시킨 Case들은 성층화가 개선됨을 나타냈으며 변수 설정 값이 클수록 성층화는 더 잘 형성되었다. 이는 급기구의 각각의 변수 값이 클수록 Gamma 값을 감소 시켰기 때문이며 Gamma 값이 작을수록 Phi는 감소하기 때문에 성층화의 개선을 나타낸 것으로 사료된다.

(4) 공급풍량은 급기구 변수 설정 값이 클수록 내주부는 증가하였으며 4개의 외주부는 감소하였다. 내주부의 경우 급기구 변수 설정 값에 따른 성층화 개선이 나타나지 않았으며 실내 냉방부하가 증가하면서 공급풍량이 증가한 것으로 사료된다. 4개의 외주부 또한 실내 냉방부하가 증가하면서 공급풍량은 증가하여야하나 내주부와 달리 성층화의 개선이 우수하였기 때문에 비거주역을 제외하고 거주역까지만 공조하게 되면서 공급풍량이 감소한 것으로 판단된다.

(5) 벽체 대류열 획득량은 급기구 변수 설정 값에 따라 성층화가 개선될수록 증가함을 나타냈다. HVAC 스케줄에 따라 05:00부터 20:00까지의 총 대류열 획득량을 비교한 결과 Base-Case는 6.78kWh로 가장 낮았으며 급기구 개수, 유효면적을 각각 1.5배 증가시킨 Case Number-1, Area-1은 12.9kWh, 2.0배 증가시킨 Number-2, Area-2는 17.9kWh의 값을 나타냈다. 급기구의 슬롯각도를 45°로 설정한 Angle-1은 11.8kWh로 급기구 변수 중 가장 낮은 증가량을 나타냈으며 75°로 설정한 Angle-2는 21kWh로 가장 높았다.

(6) 냉방코일 부하는 급기구 변수 값이 클수록 감소하였으나 그 차이는 미미하였다. 이는 성층화의 개선으로 공급풍량의 감소는 나타났으나, 혼합공기 온도의 증가로 인해 현열부하의 감소가 적었으며 잠열부하 또한 순환되는 공기의 풍량은 감소하였지만 전체 풍량을 차지하는 외기도입량의 비율이 증가하면서 잠열부하의 감소가 적게 나타나 냉방코일 부하의 감소가 미미한 것으로 사료된다.

(7) 본 연구에서 묘사한 오피스 건물의 바닥면적 중 내주부의 바닥면적은 75%을 차지하지만 내주부의 성층화는 급기구 변수 값에 따른 성층화 개선은 거의 나타나지 않아 에너지 소비량 감소가 상당히 미미한 것으로 판단된다. 또한 내주부와 모든 외주부의 실내부하는 증가하였기 때문이다. 실내부하는 증가하였으나 성층화가 형성되지 않던 Base-Case와 달리 급기구 변수에 따라 성층화가 개선된 외주부는 공급풍량이 증가하지 않고 감소하였다. 반면에 내주부는 성층화의 변화가 거의 나타나지 않아 공급풍량은 오히려 증가함을 나타냈다.

The underfloor air distribution (UFAD) system is considered as an important alternative of the conventional ceiling-based air distribution system. The UFAD system is a part of the HVAC system design which supplies conditioned air to the occupied area in a building directly through the diffusers mounted on the floor using the floor supply plenum located between the concrete slab for structure and the elevated floor system, as an air distribution strategy for ventilation and space conditioning in the building. The UFAD system has better thermal comfort than the ceiling based air conditioning system, and thus the discharge temperature of the diffuser can be set up to 15℃ ~ 18℃. The UFAD system also has several additional advantages including layout flexibility, improved thermal comfort, ventilation efficiency, energy efficiency under proper climatic conditions and reduced life cycle cost in comparison to the conventional ceiling-based air conditioning system.
The stratification of indoor air is an important element of the UFAD system and it plays an important role in deciding thermal, ventilation and energy performance. The stratification of indoor air refers to a phenomenon that cold air of relatively greater density brought in from the floor meets hot air of relatively smaller density existing in the room and the supplied cold air builds up near the floor due to the difference in the density established between indoor air and the supplied air. Various studies regarding the UFAD system have been carried out actively both domestically and internationally. However, studies regarding the stratification which is a dominant element of the UFAD system have not been carried out sufficiently in Korea.
In this study, the rectangular-shaped three-story large office prototype model was established using EnergyPlus in order to assess the impact of stratification. Also, the stratification was implemented by applying Gamma-Phi formulation provided from the Univ. of California at Berkeley in the U.S., and the evaluation regarding the establishment of stratification according to the number of diffusers, effective area, slat angle, and the energy performance during the cooling period according to the stratification was carried out using the Gamma-Phi correlation implemented in EnergyPlus.


The summary of major research results achieved in this study is as follows.

(1) Thermal decay, temperature rise of conditioned air as it passes through the underfloor plenum, had less impact on the stratification level of indoor air in the interior zone than those in the perimeter zones. In addition, since only the internal heat generation was considered, all cases showed a Phi value close to 0.6, and this indicates that the stratification has been well-established. The stratification according to variations of diffuser conditions was improved, but the level of its improvement was insignificant. In cases where the slot angle of the diffuser was increased, there was no change in Phi since the slot angle of the interior zone was fixed.

(2) As a result of analyzing the stratification of indoor air in all perimeter zones of the Base Case, the stratification was destroyed during most of the time under consideration as the temperature of air supplied to indoor increased due to the large impact of increased load from outdoor environments and increase in the temperature of floor area in all perimeter zones except for the the east zone. It is considered to be due to the fact that the exterior zone in the east had smaller floor area and less amount of solar radiation in comparison to other exterior zones. However, the stratification was also destroyed at the east perimeter zone from 11:00 to 12:00 when there is a large amount of solar radiation and high outdoor air temperature.

(3) All perimeter zones showed excellent improvement of stratification of indoor air according to the variations of diffuser conditions. In the Base Case, all perimeter zones except for the the east zone showed Phi of 1.0 and the stratification was destroyed. However, the cases where the number of diffusers, effective area and the slot angle were increased showed improved stratification, and the stratification was better established as the variable settings of diffusers were higher. This is because the Gamma value was reduced as each diffuser condition became larger, and since the Phi value decreased as the Gamma value was smaller, the improvement of stratification was observed.

(4) The supplied air volume increased in the interior zone and decreased in four perimeter zones as the variations of diffuser conditions became higher. In the case of the interior zone, no improvement of stratification according to the variations of diffuser conditions was shown, and the supplied air volume increased while indoor cooling load increased. In the case of four perimeter zones, the supplied air volume needed to increase while the indoor cooling load increased, but the improvement of stratification was excellent in these four exterior zones unlike the interior zone. Accordingly, air conditioning was carried out for the occupied zone only except for non-occupied zone, and thus the supplied air volume decreased.

(5) The amount of convective heat gain from the walls increased as the stratification was improved according to the variations of diffuser conditions. As a result of comparing total convection heat gain from 05:00 to 20:00 according to the HVAC schedule, the Base Case showed 6.78 kWh, which was the lowest, and Case Number-1, Area-1 where the number of diffusers and the effective area were both increased by 1.5 times showed 12.9 kWh, and Number-2, Area-2 where the number of diffusers and the effective area were increased by 2.0 times showed 17.9 kWh. Angle-1 of which slot angle of the diffuser was set as 45° showed 11.8 kWh, showing the the lowest increase among the variables of diffuser conditions, and Angle-2 of which slot angle was set as 75° showed 21 kWh, which was the highest increase.

(6) The cooling coil load decreased as the variations of diffuser conditions was higher, but its difference was insignificant. A decrease in the supplied air volume was shown due to the improvement of stratification, but sensible heat load decreased less due to an increase in the temperature of mixed air. Also, latent heat load decreased less as the ratio of outdoor air volume in the whole air volume increased although the circulating air volume decreased, and thus it is deemed that the decrease in the cooling coil load was insignificant.

(7) The floor area of the interior zone accounted for 75 % or total floor area in the office building simulated in this study, but almost no improvement of stratification in the interior zone according to the variations of diffuser conditions was shown, indicating that decrease in energy consumption was quite insignificant. In addition, it is because the indoor load in the interior zone and all perimeter zones increased. Due to the improved stratification according to the variations of diffuser conditions unlike the Base Case, the supplied air volume was decreased in the perimeter zones, while the interior zone showed almost no change in the stratification and thus the supplied air volume increased.