바닥 밑 공기 분배

Underfloor air distribution
Diagram of underfloor air distribution showing cool, fresh air moving through the underfloor plenum and supplied via floor diffusers and desktop vents. Warm, stale air is exhausted at the ceiling
바닥하 공기 분배 시스템의 공기 이동 다이어그램

바닥 밑 공기 분배(UFAD)는 HVAC 시스템 설계의 일환으로 건물에 환기 및 공간 조절을 제공하기 위한 공기 분배 전략이다. UFAD 시스템은 구조용 콘크리트 슬래브와 상승된 바닥 시스템 사이에 위치한 바닥 밑 공급 플레넘을 사용하여 바닥 디퓨저를 통해 건물의 점유 구역으로 직접 조건화된 공기를 공급한다. UFAD 시스템은 냉난방 설비 및 일차 공기 처리 장치(AHU)에서 사용되는 장비의 유형 측면에서 기존의 오버헤드 시스템(OH)과 유사하다.[1] 주요 차이점으로는 바닥 밑 공기 공급 플레넘 사용, 따뜻한 공급 공기 온도, 국부적 공기 분배(개별 제어 유무 및 불포함) 및 열 성층화 등이 있다.[2] 열성층화는 UFAD 시스템의 특징 중 하나로, 기존 오버헤드 시스템(OH)에 비해 높은 온도 조절기 셋포인트를 허용한다. UFAD 냉각 부하 프로파일은 상승된 바닥의 충격으로 인해 기존 OH 시스템과 다르며, 특히 UFAD는 OH 시스템보다 피크 냉각 부하가 높을 수 있다. 구조물 자체의 건물 침투와 틈새에서 열이 나기 때문이다.[3] UFAD는 배치 유연성, 열쾌적성 및 환기 효율 개선,[4] 적절한 기후에서의 에너지 사용 감소 및 라이프사이클 비용 등 기존 오버헤드 시스템에 비해 몇 가지 잠재적인 장점을 가지고 있다. UFAD는 사무용 건물, 특히 높은 층이 케이블 관리를 위해 바람직한 재구성 및 개방형 평면 사무소에서 자주 사용된다. UFAD는 광고, 학교, 교회, 공항, 박물관, 도서관 등을 포함한 많은 다른 건물 유형에 적합하다.[5] 북미에서 UFAD 시스템을 사용하는 주목할 만한 건물로는 뉴욕 타임스 빌딩, 뱅크 오브 아메리카 타워, 샌프란시스코 연방 빌딩 등이 있다. UFAD 시스템의 시공 단계에서 UFAD 공급 플레넘의 공기 누출을 방지하기 위해 잘 밀봉된 플레넘을 확보할 수 있도록 세심한 검토가 필요하다.

시스템 설명

UFAD 시스템은 공기 처리 장치에 의존하여 적절한 공급 조건에 따라 공기를 필터링하고 컨디셔닝하여 점유 구역으로 전달될 수 있다. 오버헤드 시스템은 일반적으로 공기를 분배하기 위해 덕트를 사용하는 반면, UFAD 시스템은 상승된 바닥의 설치로 형성된 바닥 아래 플레넘을 사용한다. 플레넘은 일반적으로 구조용 콘크리트 슬래브 위에 0.3m와 0.46m(12인치 및 18인치) 위에 위치하지만, 낮은 높이가 가능하다.[6][7] 특수 설계된 바닥 디퓨저가 공급 콘센트로 사용된다.[8] 가장 일반적인 UFAD 구성은 가압된 플레넘을 통해 공기를 전달하고 바닥 디퓨저를 통해 공간으로 공기를 전달하는 중앙 공기 처리 장치로 구성된다. 다른 접근방식은 배출구, 바닥 아래 덕트, 데스크톱 환기구 또는 개인 환경 제어 시스템 연결부의 팬 구동 단자 장치를 포함할 수 있다.[9]

UFAD 공기 분배 및 층화

열성층화는 상대 밀도에 따라 내부 공기를 층층이 쌓는 공정의 결과물이다. 그 결과 발생하는 공기층은 수직 구배인데, 그 아래에는 고밀도와 냉기가 있고 그 위로는 저밀도와 따뜻한 공기가 있다.[10] 공기의 자연 대류 이동으로 인해 냉각 조건에서는 층화가 주로 사용된다.[10]

공기 층화는 열 부력을 이용하여 탑승자 수준에서 고품질의 공급 공기를 층층이 쌓고 비어 있는 공기를 조건부 방치한다.

UFAD 시스템은 열 부력으로 인해 따뜻한 공기가 상승할 때 발생하는 자연적 성층화를 이용한다. UFAD 설계에서 조건화된 공기는 실내의 하단 점유 부분에 머무르며, 탑승자 및 장비와 같은 열원은 열 플럼을 생성하여 따뜻한 공기와 열 발생원 생성 오염물질을 환기구 덕트를 통해 소진되는 천장을 향해 운반한다.[9] UFAD 시스템에 의해 생성되는 온도 층화는 공간 설정점에 영향을 미친다. 탑승자 신체의 대부분은 온도 조절기 높이에서 온도보다 추운 영역에 있으므로, 현재 관행은 전통적인 오버헤드 시스템에 비해 온도 조절기 설정값을 올릴 것을 권장한다. 최적의 환기 전략은 공급 출구를 제어하여 공급 공기와 실내 공기의 혼합을 공간의 호흡 높이 바로 아래로 제한한다. 이 높이 이상에서는 층화되고 오염된 공기가 발생할 수 있다. 탑승자가 숨쉬는 공기는 기존의 균일 혼합 시스템에 비해 오염물질 농도가 낮다.[9]

UFAD 시스템의 이론적 거동은 DV 시스템의 플룸 이론에 기초한다. 저속도로 공기를 공급하는 기존의 변위환기(DV) 시스템에 비해 일반적인 UFAD 시스템은 공급 공기 속도가 높은 바닥 디퓨저를 통해 공기를 공급한다. 혼합의 양을 증가시키는 것 외에도(따라서 DV 시스템에 비해 잠재적으로 환기 성능이 저하될 수 있음), 이러한 보다 강력한 공급 공기 조건은 점유 구역의 실내 공기 층화와 열 쾌적성에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 따라서 이러한 계층화의 제어와 최적화는 시스템 설계 및 크기 조정, 에너지 효율적인 작동 및 UFAD 시스템의 안락한 성능에 매우 중요하다.[11]

천장 높이, 디퓨저 특성, 디퓨저 수, 공급 공기 온도, 총 유량, 냉각 부하 및 조절 모드를 포함한 많은 요인들이 UFAD 시스템의 환기 효율에 영향을 미친다.[12] 스월 및 천공식 바닥 패널 디퓨저는 점유 구역에서 낮은 공기 속도를 생성하는 반면 선형 디퓨저는 점유 구역에서 가장 높은 속도를 생성하여 열 성층화를 방해하고 잠재적 드래프트 위험을 야기하는 것으로 나타났다.[12] 또한 바닥 디퓨저는 디퓨저 상단을 회전하더라도 디퓨저가 공급하는 공기의 양을 조정할 수 있기 때문에 점유자의 손이 닿는 범위 내에서 개인 제어 요소를 추가한다.

응용 프로그램 특성

UFAD 냉각 부하

오버헤드 혼합 시스템에 대해 계산된 냉각 부하에서 UFAD 냉각 부하로 변환한 후 공급 플레넘, 구역(룸) 및 리턴 플레넘으로 나눈 계산 절차의 개략도 흐름도.

UFAD 시스템과 오버헤드 시스템의 냉각 부하 프로파일은 주로 구조 바닥 슬래브의 무거운 질량에 비해 가벼운 무게의 상승 바닥 패널의 열 저장 효과 때문에 다르다.[13] 상승된 바닥의 존재만으로도 슬래브의 열 저장 능력이 감소하여 상승된 바닥이 없는 시스템에 비해 상승된 바닥의 피크 냉각 부하가 높은 시스템의 경우 생성된다. OH 시스템, 특히 주변 구역에서 유입되는 태양열 이득의 일부는 낮 동안 바닥 슬래브에 저장되므로 피크 존 냉각 부하가 감소하고 시스템이 꺼진 밤에 방출된다. UFAD 시스템에서 상승된 바닥재의 존재는 태양을 흡수하는 거대한 바닥 슬래브를 가벼운 무게의 재료로 변환하여 상대적으로 높은 피크 존 냉각 부하로 이어진다.[5] EnergyPlus 시뮬레이션을 기반으로 한 모델링 연구에 따르면 일반적으로 UFAD는 오버헤드 냉각 부하보다 최대 냉각 부하가 19% 더 높으며, 총 구역 UFAD 냉각 부하 중 22%와 37%가 각각 주변과 내부의 공급 플레넘으로 전달된다.[14]

빌드 환경 센터는 웰믹스 시스템에 대해 계산된 피크 냉각 부하에 대해 UFAD에 대해 계산된 피크 냉각 부하 비율에 의해 정의되는 새로운 지수 UFAD 냉각 부하 비율(UCLR)을 개발하여 오버헤드(웰믹스) 시스템의 기존 피크 냉각 부하로 각 구역에 대한 UFAD 냉각 부하를 계산했다. UCLR은 구역 유형, 바닥 수준 및 구역 방향에 따라 결정된다. 공급 플레넘 프랙티스(SPF), ZF(Zone Fraction) 및 RPF(Return Plenum Fraction)는 공급 플레넘, 존 및 리턴 플레넘 냉각 부하를 계산하기 위해 유사하게 개발된다.[13]

구역 기류 요건을 위한 UFAD 설계 도구

UFAD 시스템의 구역 기류율 요건 결정을 위한 두 가지 설계 도구가 있으며, 하나는 ASHRAE 연구 프로젝트(RP-1522)의 일환으로 퍼듀 대학교에서 개발되었다.[15] 다른 하나는 캘리포니아 버클리 대학교 CBE(Center for the Builded Environment)에서 개발되었다.

ASHRAE 연구 프로젝트(RP-1522)는 탑승자의 머리와 발목의 수직 온도 차이, 하나의 플레넘 존에 대한 공급 공기 유량, 확산기 수, 공기 분배 효율을 예측하는 단순화된 도구를 개발했다. 이 공구는 사용자가 구역 냉각 부하와 바닥 밑 평판에 할당된 냉각 부하 비율을 명시해야 한다. 또한 사용자가 디퓨저 또는 덕트에서 공급 공기 온도를 입력하되 지역 공급 유량에 대한 플레넘 유량의 비율로 입력해야 한다. 이 도구는 사용자가 세 가지 유형의 디퓨저 중에서 선택할 수 있으며 사무실, 교실, 작업장, 식당, 소매점, 회의실, 강당 등 7가지 유형의 건물에 적용할 수 있다.[9][16]

광범위한 연구에 기초한 CBE UFAD 설계 도구는 오버헤드 시스템으로 동일한 건물에 대해 계산된 설계 냉각 부하 입력으로 UFAD 시스템의 냉각 부하를 예측할 수 있다. 또한 UFAD 시스템을 사용하여 일반적인 다층 사무소 건물의 내부 및 주변 구역에 대한 기류율, 실온 성층화, 플레넘 온도 상승도 예측한다. 사용자는 CBE 도구를 사용하여 4개의 서로 다른 플레넘 구성(시리즈, 리버스 시리즈, 독립 및 공통)과 3개의 플로어 디퓨저(스월, 사각 및 선형 바 그릴) 중에서 선택할 수 있다. 설계 도구의 온라인 버전은 건축 환경 센터에서 공개적으로 이용할 수 있다.

플레넘 공기 온도 상승

UFAD 시스템의 열전달 경로.

플레넘 급기 온도 상승은 플레넘 입구에서 플로어 디퓨저로 바닥 급기 플리넘을 통해 이동하면서 대류열 증가로 조건화된 공기가 증가하는 것이다.[17] 이 현상은 열적 부패라고도 불린다. 플레넘 공기 온도 상승은 냉방 공급 공기가 공기 콘크리트 슬래브 및 바닥 상승보다 더 따뜻한 온도와 접촉하면서 발생한다. 모델링 연구에 따르면, 공기 온도 상승은 상당히 중요할 수 있으며(5°C 또는 9°F) 이후 공기 온도 상승이 없는 이상적인 시뮬레이션 UFAD 사례에 비해, 확산기 공기 온도 상승은 공급 기류 증가와 팬 및 냉각기 에너지 소비 증가로 이어질 수 있다. 같은 연구에서는 여름의 공기 온도 상승이 겨울보다 높고 기후에도 따라 달라진다는 사실을 밝혀냈다.[17] 슬래브가 경사면에 있는 1층은 중·상층 대비 온도 상승이 적고, 공급 공기 온도가 높아지면 온도 상승이 줄어든다. 온도 상승은 주변 구역 방향, 내부 열 이득 및 창 대 벽 비율에 크게 영향을 받지 않는다.[17] 따라서 공급 플레넘 공기 온도 상승은 UFAD 시스템의 에너지 절약 가능성과 기존 오버헤드 시스템보다 높은 공급 온도로 냉각 요건을 충족하는 능력에 영향을 미친다. 현재의 연구는 하중이 가장 큰 경향이 있는 주변 구역에 공기를 덕트함으로써 UFAD 시스템에서 에너지와 열 성능을 모두 개선할 수 있다는 것을 시사한다.[17] 그러나 이러한 바닥 밑 덕트는 바닥 타일 받침대 사이에 덕트를 장착할 때 설계와 설치의 복잡성을 가중시킬 뿐만 아니라 저압 플레넘 공간의 이점을 감소시킬 수 있다는 것이 비판적인 의견이다.

UFAD 플레넘의 공기 누출

냉각에 기여하지 않는 UFAD 누출로 팬 에너지 낭비로 이어진다.
UFAD가 공간으로 유출되어 냉각에 기여한다.

UFAD 공급 플레넘의 누설은 UFAD 시스템의 비효율성의 주요 원인이 될 수 있다. 누출에는 두 가지 유형이 있다. 즉, 공간으로의 누출과 공간을 우회하는 경로로의 누출이다. 공기가 냉각하려는 구역에 도달하기 때문에 첫 번째 범주의 누출은 에너지 페널티를 초래하지 않는다. 두 번째 누설 범주는 일정한 플레넘 압력을 유지하기 위해 팬 에너지를 증가시켜 에너지 사용량을 증가시킨다. UFAD 시스템 시공단계에서 세심한 검토가 필요하여 잘 봉합될 수 있도록 한다.[9]

UFAD 및 에너지

UFAD 시스템의 에너지 평가는 완전히 해결되지 않은 문제로서, 건축 과학과 기계 공학계 내의 수많은 연구 프로젝트가 진행되어 왔다. UFAD를 지지하는 사람들은 덕트를 통해 건물에서 공기를 공급하는 데 필요한 낮은 팬 압력을 가리킨다. 일반적인 플레넘 압력은 25 pascal (0.0036 psi) (0.1인치 물기둥) 이하 이다.[9] 높은 온도에서의 작동에 내재된 냉각 시스템 효율의 개선은 에너지를 절약하고, 상대적으로 높은 공급 공기 온도는 더 긴 시간 동안 이코노마이저 작동을 가능하게 한다. 그러나 이코노마이저 전략은 기후 의존도가 높기 때문에 결로를 피하기 위해 습도를 세심하게 조절할 필요가 있다.[9] 반면에 비판론자들은 UFAD가 실제로 에너지 효율을 개선할 수 있는지에 대해 의문을 제기하기 위해 기후, 시스템 설계, 열쾌적성 및 공기 품질의 변화를 설명하기 위한 엄격한 연구 및 테스트의 부족을 언급하고 있다. 제한된 시뮬레이션 도구, 설계 표준의 부족 및 예시 프로젝트의 상대적으로 희소성이 이러한 문제를 복잡하게 만든다.[18][19]

적용들

바닥 밑 공기 분배는 사무실 건물, 특히 높은 층이 케이블 관리를 위해 바람직한 재구성 및 개방형 평면 사무소에서 자주 사용된다. 또한 UFAD는 전자 장비로부터의 냉각 부하가 크고 전력 및 데이터 케이블 라우팅에 대한 요구사항이 많은 지휘 센터, IT 데이터 센터 및 서버 룸에서도 흔히 볼 수 있다. ASHRAE 바닥 하부 공기 분배 설계 가이드에 따르면 케이블 분배를 위해 상승된 바닥을 고려하는 모든 건물은 UFAD를 고려해야 한다.[9]

중요한 실내 가압 요건과 유출로 인한 출입구 바닥으로의 화학물질 이동 가능성 때문에 실험실에서 UFAD 시스템을 사용할 때 특정 공간을 고려해야 한다. UFAD 시스템은 설계상 특히 어렵거나 비용이 많이 들 수 있으므로 소규모 비거주 건물, 화장실 및 수영장 구역과 같은 습식 공간, 주방 및 식당 구역, 체육관과 같은 일부 특정 시설 또는 공간에서는 권장되지 않는다. UFAD 시스템은 또한 더 나은 성능을 얻기 위해 변위 환기, 오버헤드 공기 분배 시스템, 복사 천장 또는 냉각 빔 시스템과 같은 다른 HVAC 시스템과 함께 사용될 수 있다.[9]

다른 분배 시스템과 비교한 UFAD

주요 기사: 실내 공기 분배

오버헤드(믹싱)

기존의 오버헤드 혼합 시스템은 일반적으로 공급 및 리턴 에어 덕트를 천장 높이에 위치시킨다. 공급 공기는 인간의 안락함을 위해 일반적으로 허용되는 속도보다 높은 속도로 공급되며, 공기 온도는 냉각/난방 부하에 따라 원하는 실내 온도와 더 낮거나, 더 높거나, 같을 수 있다. 유입되는 고속 난류 공기 제트는 실내 공기와 공급 공기를 혼합한다.

잘 설계된 UFAD 시스템은 배치 유연성, 열쾌적성 개선, 환기 효율 및 실내 공기 품질 개선, 적절한 기후에서의 에너지 효율 개선 및 수명 주기 비용 절감과 같은 전통적인 오버헤드 시스템에 비해 몇 가지 잠재적인 장점을 가지고 있다.[17][20]

변위환기

주요 기사: 변위환기

변위 환기 시스템(DV)은 UFAD 시스템과 유사한 원리로 작동한다. DV 시스템은 바닥 레벨 또는 가까운 조건화된 공간으로 냉기를 공급하고 천장 레벨에서 환원 공기를 공급한다. 이것은 낮은 고도에서 차가운 공기가 전달됨에 따라 따뜻한 공기의 자연 부력과 열원에 의해 생성되는 열 플럼을 활용하여 작동한다. 이와 유사하지만 UFAD는 점유 구역 내에서 더 많은 혼합을 장려하고 국지적인 공기 공급을 제공하는 경향이 있어, 공간에서의 공기 운동을 증가시키고 대기 질 저하와 관련된 정체된 공기 조건의 감각을 예방할 수 있다. 주요 실제 차이는 UFAD에서는 DV보다 더 작은 규모의 공급원을 통해 공기가 더 높은 속도로 공급되며, 공급원은 대개 탑승자가 제어한다.[9]

UFAD 시스템을 사용한 주목할 만한 건축물 목록

구조 연도 나라 도시 건축가 좌표
뱅크 오브 아메리카 타워 2009 NY 뉴욕 시 쿡+폭스 건축가 40°45′20.6″N 73°59′2.81″W / 40.755722°N 73.9841139°W / 40.755722; -73.9841139
데이비드 브라우어 센터 2009 CA 버클리 솔로몬 E.T.C.-WRT 37°52′10.97″N 122°15′58.53″W / 37.8697139°N 122.2662583°W / 37.8697139; -122.2662583
샌프란시스코 연방 빌딩 2007 CA 샌프란시스코 형태증 37°46′47.09″N 122°24′44.13″w / 37.7797472°N 122.4122583°W / 37.7797472; -122.4122583
내부수입서비스 2007 MO 캔자스시티 브님 39°5′11.30″N 94°35′2.35″W / 39.0864722°N 94.5839861°W / 39.0864722; -94.5839861
뉴욕 타임스 빌딩 2007 NY 뉴욕 렌조 피아노 건축 워크샵 40°45′23.42″N 73°59′25.15″w / 40.7565056°N 73.9903194°W / 40.7565056; -73.9903194
칼트랜스 7구역 2005 CA 로스앤젤레스 톰 메이네 34°3′21.75″N 118°14′40.47″w / 34.0560417°N 118.245750°W / 34.0560417; -118.2445750
칼퍼스 HQ 2005 CA 새크라멘토 피카르 칠튼 건축가 38°34′33.51″N 121°30′17.65″W / 38.5759750°N 121.5049028°W / 38.5759750; -121.5049028
파운드리 스퀘어 2005 CA 샌프란시스코 스튜디오 아키텍처 등 37°47′24.54″N 122°23′49.02″w / 37.7901500°N 122.3969500°W / 37.7901500; -122.3969500
로버트 E. 코일 미국 법원 2005 CA 프레즈노 무어 루블 유델, 그루엔 어소시에이츠 36°44′16″N 119°47′02″w / 36.7377°N 119.7838°W / 36.7377; -119.7838좌표: 36°44′16″N 119°47′02″W / 36.7377°N 119.7838W / 36.73777; -119.783838
비스톤HQ 2004 MI 밴 뷰런 타운쉽 스미스그룹JJR 42°14′39.61″N 83°25′58.53″W / 42.2443361°N 83.4329250°W / 42.2443361; -83.4329250
레이와 마리아 스타타 센터 2003 엄마. 보스턴 프랭크 게리 42°21′43.35″N 71°5′23.26″W / 42.3620417°N 71.0897944°W / 42.3620417; -71.0897944
휴렛 재단 2002 CA 멘로파크 B.H. 보쿡, 건축가, 주식회사 37°25′30.87″N 122°11′38.04″W / 37.4252417°N 122.1939000°W / 37.4252417; -122.1939000
벨라지오 쇼 팰리스 1998 NV 파라다이스 윌 브루더 36°6′45.10″N 115°10′33.41″W / 36.1125278°N 115.1759472°W / 36.1125278; -115.1759472
피닉스 공공도서관 1995 AZ 피닉스 윌 브루더 33°28′17.71″N 112°4′23.84″W / 33.4715861°N 112.0732889°W / 33.4715861; -112.0732889
애플 스토어 1993 CA 샌프란시스코 볼린 시윈스키 잭슨 37°47′10.16″N 122°24′22.57″W / 37.7861556°N 122.4062694°W / 37.7861556; -122.4062694
타코 벨 본사 2009 CA 어바인 LPA 건축가 33°39′26″N 117°44′49″w / 33.6571981°N 117.7469452°W / 33.6571981; -117.7469452
진주강탑 2011 중국 광저우 SOM 및 AS+G 23°7′36.3″N 113°19′3.동경 36도 / 23.126750°N 113.3176,000°E / 23.126750; 113.3176000
매니토바 하이드로 타워 2009 캐나다 위니펙, MB 쿠와바라 페인 맥케나 블럼버그 49°53′33.99″N 97°8′46.70″W / 49.8927750°N 97.1463056°W / 49.8927750; -97.1463056
밴쿠버 공립 도서관 1995 캐나다 기원전 밴쿠버 모셰 사프디 & DA 건축가 49°16′44.72″N 123°6′57.68″W / 49.2790889°N 123.1160222°W / 49.2790889; -123.1160222
세일즈포스 타워 2017 CA 샌프란시스코 펠리 클라크 펠리 건축가 37°47′23.64″N 122°23′48.84″W / 37.7899000°N 122.3969000°W / 37.7899000; -122.3969000

참조

  1. ^ Bauman, Fred S.; Daly, Allan (2003). Underfloor Air Distribution (UFAD) Design Guide. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers. ISBN 978-1-931862-21-9. OCLC 54615153.
  2. ^ Bauman, Fred; Webster, T. (2001). "Outlook for underfloor air distribution". ASHRAE Journal. 43 (6): 18–27.
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외부 링크

UFAD 시스템에 관한 연구 자금을 제공하고 표준이나 가이드를 발표하는 프로페셔널 및 트레이드 그룹은 다음을 포함한다.

  1. 미국 난방, 냉방, 냉방 기술자 협회, http://www.ashrae.org/
  2. ARTI(Air-Condition and 냉동 기술 연구소)
  3. 냉난방냉동연구소 http://www.ahrinet.org/