213 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR213A71 객차의단열성능시험방법연구. Study on Testing of Thermal Insulation Performances for Railroad Passenger Cabin 조영민 *, 이충희 *, 박덕신 *, 권순박 *, 정우성 *, 김희만 ** Youngmin Cho *, Choong-Hee Lee *, Duck-Shin Park *, Soon-Bark Kwon *, Woo-Sung Jung *, Hee-Man Kim ** Abstract Thermal insulation performance of passenger cabin is one of the most important parameters indicating the performance of the car. Furthermore, rising cost of energy induces the development of better thermal insulation performance to save the heating and cooling energy. However, because the testing method was not established, there are still many difficulties in measuring the thermal insulation performance. In this study, the effects of ambient temperature condition, power of heaters, air mixing using fans, location of heaters were studied to propose a method to evaluate the thermal insulation performances. It was found that the power of heaters, air mixing using fans, location of heaters could cause change while ambient temperature could not. Keywords : Thermal Insulation Performance, s, Air mixing, s Location 초록객차의단열성능은철도차량의냉난방성능을좌우하는중요한요소중의하나이다. 특히최근에는에너지비용이크게증가하면서차량의냉난방에너지를절감할수있는방안의하나로객차의단열성능을향상시키는방법이대두되고있다. 그러나, 객차의단열성능을평가하는시험방법이아직정립되어있지않기때문에차량의단열성능을객관적으로비교및평가하는데많은어려움이있다. 이에본연구에서는외기온도조건, 난방기의용량, 객실내부공기순환, 난방기의위치등에의한영향을조사하여객차의단열성능을정량적으로평가하는방법을제시하고자하였다. 실험결과난방기의용량, 공기순환, 난방기위치등은단열성능에영향을미치지만, 외기온도는결과에큰영향을미치지않음을알수있었다. 주요어 : 단열성능, 외기온도조건, 난방기용량, 객실내부공기순환, 난방기의위치 1. 서론 객차의단열성능은철도차량의냉난방성능을좌우하는중요한요소중의하나이다. 특히최근에는에너지비용이크게증가하면서차량의냉난방에너지를절감할수있는방안의하나로객차의단열성능을향상시키는방법이대두되고있다. 그러나, 객차의단열성능을평가하는시험방법이아직정립되어있지않기때문에차량의단열성능을객관적으로비교 교신저자 : 한국철도기술연구원에코시스템연구실 (ymcho.krri.re.kr) * 한국철도기술연구원에코시스템연구실 ** 코레일환경경영처
및평가하는데많은어려움이있다. 이에본연구에서는외기온도조건, 난방기의용량, 객실내부공기순환, 난방기의위치등에의한영향을조사하여객차의단열성능을정량적으로평가하는방법을제시하고자하였다. 2. 본론 2. 1 실험차량 및실대형 환경챔버 2.1.1 실험차량본실험에는 Fig. 1과같은수도권운행전동차를사용하였다. 차량에는 3 kw 출력의난방기가객실의자아래에설치되어있고, 출력은 kw, 2 kw, 3 kw의세가지로조절이가능하도록되어있다. 차량에공급되는전원의전압은난방용교류전원 2 V, 제어용직류전원 V였다. Fig. 1 Test car used in this study 2.1.2 실대형환경챔버 본연구에서는철도차량의저온시험 ( 최저 -4 ), 고온시험 ( 최고 +6 ), 저습시험 ( 상대습도최저 %), 고습시험 ( 상대습도최고 9 %), 태양광복사시험최대 (1,12 W/m 2 ), 저속풍동시험 ( ~ km/h) 등이가능한 Fig. 2 와같은실대형환경챔버를이용하였다.
Fig. 2 Overview of climatic chamber 2. 2 실험방법 2.2.1 온도센서설치 Fig. 3에서보는바와같이실험차량내부에는온도센서 ( 열전대, Thermocouple) 를높이 (.1 m 높이에 32개, 1.1 m 높이에 6개, 1.7 m 높이에 6 개 ) 에따라총 144지점, 외부에는 4지점에서온도를측정하도록하였다. 온도센서 ( 열전대, Thermocouple) 를통해측정된온도는데이터로거 (Data logger, Graphtec GL 8, Japan) 를이용하여실험종료시까지지속적으로측정하고자동으로저장되도록하였다 2.2.2 실험방법 실험방법은실험차량을실대형환경챔버에두고, 실대형환경챔버내부온도를다양한온도조건 (-18, -6, 등 ) 에서일정하게유지하였다. 실내와객실내부의온도가같아지면, 차량의난방기를다양한출력 ( kw, 2 kw, 3 kw 등 ) 으로가동하여객실내부의온도를상승시켰다. 이때객실내부에 6개의선풍기를설치하고, 다양한개수의선풍기를가동한다. 객실의온도가일정하게유지되면평균객실온도값을취하여식 1을이용하여단열계수를계산하였다. 3.4 413 여기서, : 열전달계수, P : 투입된총에너지 T 2 T 1 : 객실평균온도 : 외기온도
Cab Cab Fig. 3 measuring points outside and inside of the test car 2.3 실험결과 외기온도에따른열전달계수의변화를알아보기위하여동일한조건에서외기의온도를 -18, -6, 의세가지온도로변화시키고, 각각의경우에대하여평형상태가되었을때의평균온도를 Fig. 4와같이구하였으며, 이온도를이용하여각조건에서의열전달계수를산정하였다. 난방기의출력은 3 kw로고정하였고, 가동한선풍기의수는 6개였다. 난방기를가동하기시작한후로부터 4시간까지는온도가가파르게상승하고, 이후에는온도상승속도가감소하였으며, 약 6시간에서 8시간경과한이후부터는안정화되는것으로나타났다. 평형에도달한후의객실평균온도는외기온도가 일때 34., -6 일때 24.3, -18 일때 11.7 로나타났다. Table 1에정리한바와같이외기온도에따른
값은큰차이가없었다. 이는외기온도가차량의단열성능평가에있어큰영향일미치지 않음을의미한다. 4 3 3 3 2 2 2 W mode - W mode - - - W mode -2 2 4 6 8-2 2 4 6 8-2 2 4 6 8 Fig. 4 Change in averaged cabin temperature at (left), -6 (mid), -18 (right) of ambient temperature. Table 1. (heat transfer rate) factor under various ambient temperature conditions Temperatu re t g r C 4.3 221.4,92 1. 221.4 332 3.4 9.7.4 41.7 1,133-6 C 46.1 221.4,27 1. 221.4 332 24.3 7.7 -.9 21.4 1,14-18 C 4.7 221.4,118 1. 221.4 332 11.7 3.1-18.3 -.9 1,143 Fig. 는동일한외기온도 (-18 ) 조건에서실험차량난방기의용량, 객실내부공기순환, 난방기의위치에따른객실내부의평균온도변화를나타낸것이다. 시험결과실험차량난방기의용량, 객실내부공기순환, 난방기의위치에상관없이난방기가동후 4시간까지는온도가상승하였으며난방기용량이 3 kw, 2 kw, kw 인경우객실내부의평균온도는각각 11.7, 2.6, -.7 까지증가하는것을볼수있었다. 내부공기순환의경우에는차량에설치된환기장치를가동할경우내부평균온도가 11.6 까지상승하였으며, 선풍기 6대를가동할경우 12.2 까지상승하였다. 또한난방기의위치에따른실험측정결과객실내부의평균온도는실험차량중앙 14.6, 의자밑코너 11., 의자밑 13.3 까지상승함을확인할수있었다. Table 2~4에열전달계수값을나타냈다.
2 Tem perature (C ) - - - W mode 7 W mode 3 W mode - - - Out 6 ea A/C - -2 차차차차의의의의의의의의 -2-2 -2 2 4 6 8-2 2 4 6 8-3 2 4 6 8 Fig. Effect of power (left), Effect of (mid), Effect of Location (Right) Table 2. (heat transfer) factor under various heater power conditions (-18 C of ambient temperature, 3 kw of heater power, 6 fans operated) (kw) t g r 3 4.7 221.4,118 1. 221.4 332 11.7 3.1-18.3 -.9 1,143 2 3.8 221.4 6,819 1. 221.4 332 2.6 36.7-18 -.4 1,139.1 221.4 3.343 1. 221.4 332 -.7 21.7-18.6-1. 93 Table 3. (heat transfer) factor under various fan operation conditions (-18 C of ambient temperature, 3 kw of heater power, 6 fans operated) Operation of t g r 6 fans 4.7 221.4,118 1. 221.4 332 11.7 3.1-18.3 -.9 1,143 Car air mixing 4. 217.7 9,9 11.2 217.7 2,438 13.3.9-17.8. 1,32
Table 4. (heat transfer) factor under various heater location conditions (-18 C of ambient temperature, 3 kw of heater power, 6 fans operated) Location t g r Below Seat 4.7 221.4,118 1. 221.4 332 11.7 3.1-18.3 -.9 1,143 Center of Cabin Below Seat Corner 4. 22.1,242 1. 22.1 338 13.7 6.7-18.1 -.6 1,91 4.4 22.7,2 1. 22.7 331 12.4 4.3-18.1 -.6 1,113 3. 결론최근수년간우리나라계절의기후이상현상으로인한에너지사용량이증가되어에너지비용이크게증가되었다. 이러한에너지비용을절감하기위해실험차량의단열성능을좀더향상시키기위한실험을수행하여야한다. 단열성능실험결과외기온도에따른시험난방기의용량, 공기순환, 난방기위치등은단열성능에영향을미치지만, 외기온도는단열성능결과에큰영향을미치지않음을알수있었다. 따라서난방기의용량최적화, 공기순환방법개발, 난방기위치조정등을통하여에너지소비량을줄이면서도단열성능을향상시킬수있는다양한기술개발이필요함을확인할수있었다. 참고문헌 [1] Y. Cho, Y.-K. Yoon, D.-S. Park, T.-W. Kim, S.-B. Kwon, W.-S. Jung, H.-M. Kim (212) Study on the Distribution of Cabin under Various Car Heating Modes, Autumn Meeting of Korean Society for Railway Engineers.