* SNI의 바람과 팬 이야기
- 작성자SN Innovation
- 작성일2022-08-30
본문
SNI의 바람과 팬 이야기
1. 자연과 바람 그리고 인간 우리가 사는 세상 자연에 바람이 없다면 어떨까요?
살랑살랑 부는 바람에 나부끼는 잎과 하늘의 구름이 흐르는 모습은 우선우리를 가장 자연스러운 정서와 가장 자연스러운 안정감을 느끼게 해 주지요. 공기를 들이마시며 숨을 쉬는 인간은 바람이 있어 코와 피부로 숨을쉬며 평안해집니다. 바람이 없는 자연은 부자연스러운 것입니다.
2. 바람은 무엇일까요?
지구 자연의 대기 속 공기의 온도 차이로 인해 끊임없이 이동하는 공기의 흐름이 곧 바람입니다. 공기의 온도 차는 지구 대기 속으로 쏟아지는 태양열을 받는 따뜻한 공기 바다나 계곡, 호수 근처에는 차가운 공기가 만들어지고 따뜻한 공기는 가벼워져 위로 올라가고 차가운 공기는 무거워 아래로 내려오는 현상이 발생하는데 지구의 땅과 바다의 형상, 자전운동, 위치, 위도 등 복합적인 원인으로 인하여 더욱 복잡한 움직임이 발생하지요. 그래서 바람에는 아주 부드러운 산들바람부터 아주 강한 태풍, 토네이도 회오리바람까지 다양합니다.
3. 좋은 바람 나쁜 바람?
바람에도 질이 있습니다. 특히 사람이나 동식물에 끼치는 바람의 역할은 참으로 크고 다양합니다. 자연에서 불어오는 초속 1~2.5m 정도의 깨끗한 바람이 사람에게는 가장 좋은 느낌과 청량감을 줍니다. 더욱이 온도는 섭씨 18도에서 24도, 습도는 50~60%면 더욱 쾌적하겠지요.
4. 바람의 역할은 무엇일까요?
바람의 역할은 참으로 다양합니다. 한곳에 정체되어 오염된 나쁜 공기를 내보내거나 섞어주기도 하고 공간을 확대해 기압을 낮춤으로써 수분 증발을하게 하기도하고 꽃가루나 열매를 날려 식물의 생식과 번식을 돕기도 하고순풍은 배가 여행할 수 있도록 해주고 비행기 이륙과 순항을 돕습니다. 오래전부터 인류는 바람을 이용한 풍차를 발명하여 방아를 찧거나 펌프로 지하수를 품어 올리는 일을 하게도 하고 풍력 발전기를 돌려 전기를 생산하게도 합니다. 한편, 강한 바람은 먼지를 일으키고 산불과 같은 화재를 일으키거나 번지게 하는가 하면 큰 파도를 일으키고 집을 날아가게 하기도
합니다. 바람을 타고 오가는 생명체로 인해 세상은 더 복잡미묘해지고 풍요로워지게 하는 역할도 있습니다. 하지만 뭐니 뭐니해도 더워서 땀이 날 때 체온의 증발 효과로 느끼는 시원함이죠.
5. 강제로 바람을 만드는 장치 - 부채와 팬(선풍기) 자연의 대류현상으로 만들어지는 바람을 강제로 만들 수가 있습니다.
즉, 정지되어있는 공기를 강제로 흔들어 일정한 방향으로 움직이게 하면 그게 바람이 됩니다. 손으로 흔드는 부채 같은 장치가 있고 전기 모터로 공기가 한 방향으로 밀려 나가게 한 날개를 돌리면 바람이 됩니다. 이걸 선풍기라고 하는데 기계장치에 의한 인공바람이 되는 거지요. 선풍기를 빠르게 돌리면 강한 바람이 발생하고 천천히 돌리면 약한 바람이 됩니다. 선풍기는 형태에 따라 시원하게 하는 목적으로 쓰이지만 날개의 형태나 사용 용도에 따라 실내 공기를 내보내거나 빨아들이는 환기용 환풍기, 공기를 순환시키는 공기 순환 팬 같은 다양한 형태의 팬이 있습니다.
6. 현대인들에게 필요한 바람과 환기는 왜 중요할까요?
인류는 원시시대 수렵 생활을 하면서부터 자연의 바람과 함께 살아왔고 신선한 공기에 익숙해 있습니다. 공기를 마시며 살아야 하는 인간은 공기가 정체되어 있으면 답답할 뿐만 아니라 오염되기 쉬워 건강에도 매우 해롭습니다. 실내일지라도 공기는 상하좌우로 순환되고 외부 공기가 들어오고 나가는 환기가 잘 되는 것이 좋습니다. 특히 현대에는 실내생활을 하는 동안 각종 전기 전자제품과 같은 기계, 향신료, 음식, 화학물질에 노출되어 있어 실내 공기의 순환과 환기를 통해 호흡하는 공기의 질을 좋게 유지하는 것이 더욱 중요해지고 있습니다. 오염된 공기는 피부병, 호흡기 질환, 면역력 저하, 스트레스 증가, 암 등을 유발하는 원인이 됩니다.
7. HVLS Fan의 등장
고용량 저속 (HVLS) 팬은 직경이 7 피트(2.1 m) 이상인 기계식 팬입니다. HVLS 팬은 일부는 기둥에 장착되지만 일반적으로 천장 팬입니다. HVLS 팬은 천천히 움직이며 낮은 회전 속도로 다량의 공기를 분배합니다. 따라서 "고용량, 저속"이라는 이름을 사용합니다.
1) 역사
1990 년대 후반, 리버 사이드 캘리포니아 대학의 William Fairbank 교수와 Walter K. Boyd는 처음에는 대용량, 대구경 (HVLD) 팬이라는 새로운 유형의 순환 팬을 발명하고 특허등록을 했습니다. 이 유형의 팬은 원래 농업용으로 개발되었으므로 초기 연구에서는 유제품 생산을 위한 HVLS 팬의 효과에 중점을 두었습니다. 이후 공장, 강당 등 넓은 공간의 공기 순환과 냉. 난방 보조 팬으로 널리 사용되기 시작했습니다.
2) 원리
HVLS 팬은 시원한 움직이는 공기가 수분이 포화된 몸을 둘러싼 경계층을 파괴하고 증발을 가속해 냉각 효과를 발생시키는 원리로 작동합니다. 천장 선풍기가 돌아갈 때 공기 기둥을 생성합니다. 이 공기 기둥은 아래로 내려와 바닥을 따라 퍼져나갑니다. 수평 제트라고 하는 이 수평 이동 공기의 깊은 벽은 팬의 직경 크기와 관련이 있으며 팬의 속도와는 상대적으로 낮은 관계에 있습니다. 바닥 제트기류가 잠재적 크기에 도달하면 옆벽이나 다른 수직면을 만날 때까지 바깥쪽으로 이동합니다.
이상적인 조건에서 직경 8피트(2.4m)의 팬은 바닥에서 깊이 크기 약 36 인치(910mm)의 수평 제트기류를 생산합니다. 24 피트(7.3m) 지름의 팬은 깊이가 108인치(2,700mm) 인 수평 제트기류를 생산하여 바닥에 서 있는 암소나 사람의 키보다 큰 높이입니다.
산업용 HVLS 팬의 날개 지름, 회전 속도 및 성능이 일반 주거용 천장 팬과 매우 다릅니다. 일부 HVLS 팬은 공기를 움직이게 하는 일반적인 블레이드를 사용하지만, 항공기 날개와 같은 에어포일(Airfoil)을 사용하여 더욱 효율적인 공기 순환과 수평 제트기류를 발생시키게 합니다.
3) 효과
공기 움직임은 쾌적함에 큰 영향을 줄 수 있습니다. 추운 환경에서의 냉기바람은 유해하지만 중간 내지 따뜻한 환경에서의 공기 이동은 유익한 것으로 간주합니다. 이는 보통 섭씨 약 74°F 이상의 공기 온도 조건에서 신체가 일정한 내부 온도를 유지하기 위해 열을 잃을 필요가 있기 때문입니다.
객실을 냉방 하는 에어컨과는 달리 팬은 사람 신체를 직접 식혀줍니다. 천장 용 HVLS 팬은 사람의 키 높이 수준에서 공기 속도를 증가시키므로 공간보다 점유자를 직접 냉각시키는 보다 효율적인 열 방출을 촉진합니다. 공기 속도가 상승하면 대류 및 증발열 손실 속도가 빨라 공기 자체의 온도 변화 없이도
열을 발산하는 체온을 가진 인체나 동물은 시원함을 느낄 수 있습니다.
뜨거운 공기는 차가운 공기보다 밀도가 낮으므로 뜨거운 공기가 자연스럽게 대류라는 과정을 통해 천장 높이로 상승합니다. 일정한 온도 형태의 공기층에서 바닥 면이 가장 차가우며 천장 면이 가장 따뜻합니다. 이를 성층화라고 합니다. 성층화된 공간에서 공기를 혼합하는 가장 효과적인 방법은 뜨거운 공기를 사람의 키 높이 수준까지 밀어내는 것입니다. 이를 통해 건물 벽과 지붕을 통한 열 손실에 의한 건물 에너지 소비를 줄이면서 공간의 공기를 완벽히 혼합할 수 있습니다. 저항을 발생시키지 않으려면 팬을 천천히 움직여 사람 높이 수준의 공기 속도가 분당 40피트 (12m/분)을 초과하지 않도록 해야 합니다.
에너지 절약 효과를 극대화하고 효율적인 공기 순환을 유지하게 하기 위한 HVLS 팬의 설계와 운전 성능에 있어서 중요한 기술적 요소입니다.
8. SNI의 HVLS fan은 왜 좋을까요?
1) 최소의 소비전력으로 필요 충분한 쾌적한 바람을 불어준다. 일반적으로 HVLS Fan은 110rpm이하의 저속으로 대형 날개를 회전시킬 수 있는 큰 힘이 필요하므로 일반 모터를 사용하는 HVLS fan 의 경우 감속기를 사용하게 됩니다. 그러나 SNI의 AIR360은 모터 자체 속도가 저속(20-110rpm)으로 구동되고 고토크를 발휘하는 SR 모터를 사용하며 소비전력이 최대 0.38kWh 에 불과합니다. 특히 가장 많이 사용하는 중간 속도에서는 0.2kW 이하로 실내에 필요 충분한 360도 입체적 공기 순환은 물론 체감온도를 낮춰주거나 올려주고 월 전기료 8,000원(12시간 기준)에 불과해 매우 경제적이며 에어콘과 히터와 같은 냉·난방기의 월 전기 사용료의 30% 이상을 절감하게 되는 것입니다.
2) 스트레스 없는 행복한 바람
SNI의 AIR360은 일반 선풍기와 같은 지향성이 강한 바람이 아니라 360도 공기 순환을 이루는 제트기류가 형성되어 그 기류 안에 있는 사람이나 동물들은 온몸을 스치는 풍부한 산들바람 같은 느낌을 받아 더욱 시원하고 부드러운 쾌적함을 체감하게 됩니다. 즉 스트레스 없는 행복한 바람과 공기 순환을 체험하게 됩니다.
3) 뛰어난 내구성
SNI의 AIR360은 업계 최초 기어 감속기가 없는 저속-고토크 SR 모터를 채용하여 12년 이상의 가장 뛰어난 수명과 내구성을 자랑합니다.
4) 안전한 이중 삼중 장치
또한 천장에 설치되는 점을 중요하게 생각하여 제품 전체의 내구성과 안전 설치 구조물은 물론 모터와 날개와 같은 부품 또는 장치가 건물 붕괴 전까지 낙하하지 않도록 3중 안전줄까지 갖춰져 있습니다. HVLS Fan은 천장에 매달려 있어 3m 이상의 대형 날개가 회전하게 되면 맴돌이 회전력이 발생하는데 이걸 방지하기 위한 Guy Wire를 모터 고정판 또는 축의 4각 귀퉁이에 45도의 각도로 천장 4점에 와이어를 연결해 줍니다. AIR 360은 이 와이어 말고도 모터의 중심축에 또 하나의 안전줄을 매달아 제3의 천장 장소에 고정해줍니다.
9. SNI의 HVLS Fan에서 가장 중요하게 만든 것은 모터와 날개
1) 모터에 대해서 알아봅시다.
모터는 HVLS Fan을 저속(120rpm/분당 회전수 이하)으로 돌려야 하고 직경 3m 이상의 날개를 돌리는데 필요한 상당한 토크(회전력)를 발생시켜야 합니다. 소형 고속 팬에 사용되는 일반
유도전동기는 교류 전기 주파수(50/60Hz)에 동기되어 회전하기 때문에 2극 유도전동기는 3,600rpm, 8극 유도전동기도 800rpm에 고정되어 회전합니다. 따라서 P(출력) = N(속도) x T(토크) 공식에 따라 속도를 낮추고 토크를 올리기 위해서 기어를 사용한 감속기를 사용하면 됩니다.
이렇게 방법은 쉬우나 감속기를 사용하게 되면 전력 손실이 더 증가하게 되고, 소음이 발생하고, 사용 시간이 길어질수록 기어마모가 진행되어 더욱 소음이 커질 수 있습니다. 아울러 주기적으로 윤활유를 보충해줘야 하고 무게 또한 상당하여 팬 전체 무게를 증가시킵니다. HVLS Fan을 구동하기 위해 가장 이상적인 방법은 기어 감속기를 달지 않고 모터가 직접 저속으로 회전하고 필요 충분한 토크를 발휘할수 있는 직결구동 모터를 적용하는 것입니다. 직결구동이 가능한 특별한 모터를 사용하는 경우 기계적 변속에 의한 손실이 적어 그만큼 소비전력이 감소하고, 마찰 소음이 없으며 마모되는 기계적 부품이 없어 내구성이 뛰어납니다. 이러한 직결구동이 가능한 모터로는 BLDC Motor(무정류자직류모터) 또는 PM(영구자석모터)나 SRM(스위치드릴럭턴스모터)가 있습니다.
2) 날개에 대해 알아봅시다.
HVLS fan에 사용되는 날개는 저속에서 효율적인 고풍량을 발생시키는 Airfoil(항공 유체학적 날개)를 사용합니다. 이러한 Airfoil은 아래와 같이 다양한 형태의 디자인과 형상이 있습니다.
SNI에서는 날개 반경이 1.45m부터 3.45m에 이르고 최저 20rpm에서 120rpm 영역에서 가장 효율적인 Airfoil(MA409 or S4083) 계열의 디자인을 채택하고 있습니다. 또한 소음과 진동을 최소화하고 심미적 디자인이 뛰어난 LCF300 모델의 경우 잠자리 날개 형상의 물결 웨이브를 도입했으며 모터의 회전 중심부와 날개 끝의 가장자리 각속도가 다른점을 감안한 유선형 Airfoil을 적용하고있습니다. 이러한 날개 디자인과 구성은 효율이 높아 최소의 소비전력으로 풍부한 제트기류를 발생시키고 정숙한 공기 순환을 제공합니다. Aifoil 재질은 주로 알루미늄이나 플라스틱을 사용하고 깨지거나 부러지지 않도록 충분한 강도와 인장력을 가지고 있어야 합니다. 부식, 표면 먼지 등에 대한 저항을 하도록 특수 표면처리를 하거나 코팅하는 때도 있습니다.
10. SRM(Switched Reluctance Motor)란 무엇일까요?
1) 기존 모터와 다른 점
SRM은 유도전동기(AC Motor)나 영구자석을 사용한 BLDC Motor와는 원리나 구조가 다릅니다. 특히 SNI에서 개발한 HVLS Fan 전용 SRM은 저속-고토크 모터로서 날개 지름이 3m~7m에 이르는 대형 날개를 저속(20-120rpm)으로 구동시키고 토크가 충분하여 기어 감속기가 필요 없습니다. 자기력의 저항을 뜻하는 릴럭턴스(Reluctance)를 스위칭하여 회전 토크를 발생시키는 원리로 회전하는 SRM은 영구자석을 쓰지 않는 BLDC Motor라고 할 수 있습니다.
2) 장점
- 직결구동이라서 기어 소음이 없고 매우 정숙합니다.
- 내구성이 뛰어나 가장 오랜 수명을 보장합니다.
- 기어 감속기 방식 대비 중량이 가볍고 건물 하중 리스크가 적습니다.
3) 지구 자원을 아끼고 환경을 지키는 모터
- 최소의 부품구성과 소재를 사용하므로 지구 자원을 아낍니다.
- 영구자석을 전혀 사용하지 않아 희토류 광산 채굴이나 정제과정에서 발생하는 환경오염을 방지하고 영구자석 제조과정에서 발생하는 오염 또는 에너지 소비를 줄이므로 탄소중립에
이바지합니다.
11. SNI의 HVLS Fan은 다음과 같이 많은 사용처와 효과가 있습니다. HVLS Fan(AIR360)을 많이 보급하고 사용하여 삶의 질을 향상하고 지구를 구합시다.
1) 다양한 사용처(축사, 공장, 물류센터, 마트, 역사, 호텔, 박물관, 카페, 식당, 공항, 식물원, 동물원, 승마장, 체육시설, 군부대, 정비창, 터미널등 대형 공공장소)
2) 에너지 절약
3) 가장 효과적인 공기 순환과 환기 촉진
3) 건강한 환경-쾌적한 환경-행복감 증대-질병 예방
3) 공해 저감
4) 탄소배출 저감
12. HVLS Fan의 에너지 절약 원리
1) HVLS Fan은 왜 소형 고속 팬(일반 선풍기)보다 쾌적하고 시원할까요?
- HVLS fan은 날개 직경이 2m 이상 7m까지 있습니다. 날개 직경이 큰 팬이 천장에서 서서히 회전하면 큰 공기 기둥이 형성되고 바닥에서는 대략 날개 직경의 반지름에 해당하는 높이의 제트기류 바람이 만들어집니다. 즉, 직경 4m 날개의 팬이 회전하면 바닥에 높이 2m 정도의 수평 제트기류 바람이 부는데 이때 사람이 서 있으면 키를 넘어 온몸을 스쳐 지나감으로 부분적으로 스쳐 지나가는 일반 소형 선풍기에 비해 훨씬 체감온도가 크게 느껴지고 풍속이 약해도 부드럽고 쾌적한 느낌을 받습니다. 소형 고속 팬에서 나오는 강한 지향성 바람은 일정시간이 지나면 불쾌하고 피부에 스트레스를 주는 반면 저속-고풍량 (HVLS Fan)은 크고 부드러운 공기가 스쳐 가는 산들바람과 같습니다.
2) HVLS Fan은 왜 저속(120rpm 이하) 돌아도 큰 풍량이 나오나요?
- Airfoil 형상의 날개 지름이 2m 이상 되면 회전하면서 주변공기를 아래로 내려주는데 이때 공기저항을 크게 받지 않도록 천천히 돌아 공기 기둥이 와류를 일으키지 않고 원활하게 제트기류를 만들어 효율적인 실내 공기 순환을 이루도록 합니다. 공기량은 날개 지름의 세제곱에 비례하고 회전 속도의 제곱에 비례한 풍속이 형성되므로 날개 지름이 큰 HVLS fan은 지름 1m 이하의 소형 고속 팬에 비해 엄청난 풍량을 발생시킵니다. 하지만 풍속은 크지 않아 불쾌하지 않고 먼지를 날리지 않으며 적당한 습도와 온도에서 매우 쾌적한 산들바람과같은 느낌을 즐길 수 있고 체감온도가 낮아져 실내 온도보다 낮은 시원함을 가져다줍니다.
3) HVLS fan의 에너지 절약 원리
- 첫째는 최대 1kW 소비전력을 갖는 7m 급 HVLS Fan 1대는 약 330 sq.m의 면적을 충분한 공기 순환과 선풍 효과를 가져오는데 소비전력 0.4kW 소비전력을 갖는 날개 지름 80cm 정도의 소형 고속 팬은 28대 정도 필요합니다. 즉, 소형 고속 팬은 11.2kW의 전력 소모로 7m급 HVLS fan의 11배 이상의 전력을 소모하게 된다는 계산입니다. 그래서 HVLS fan이 소형 고속 팬과 비교하면
전력 소모가 적고 매우 효율적이라는 이야기가 됩니다.
- 둘째는 냉방설비(에어컨)가 되어있는 곳은 평소 온도 설정보다 3~4도 높여서 가동해도 HVLS Fan에 의한 체감온도 감소 효과로 똑같이 시원하게 느끼면서도 더 쾌적한 환경이 됩니다. 따라서 에어컨 1도 상향에 7% 정도의 전기 에너지 절감 효과가 있으므로 21~28%의 전기료 절약이 가능해집니다. 겨울철에는 바닥과 천장 사이의 온도 성층화로 바닥 난방으로 데워진 열기가 천장으로 올라가 손실되고 마는데 이 따뜻한 천장 열기를 아래로 내려주는 HVLS fan이 있을 경우 최소 20%에서 최대 50%까지 난방 에너지를 줄일 수 있습니다.
- 셋째는 신축 건물이나 공장에 냉. 난방설비 설치를 준비하거나 설계할때 HVLS fan과 병행하면 냉. 난방설비를 30%~50%까지 줄일수 있습니다. HVLS Fan이 그 부족한 냉. 난방 기능을 충분히 보조해 주기 때문입니다. 결과적으로 냉. 난방시스템 설치비 절감과 운전 비용을 대폭 줄이는 방법이 됩니다.
13. HVLS Fan은 전염병 예방과 Covid-19 감염력을 떨어트린다는데 사실인가요?
-결론부터 말씀드리면 그렇습니다.
2021년 11월호 미국 AMCA(Air Movement Control Association)과 ASHRAE(American Society of Heating Refrigerating and Air Conditioning Engineers) 저널에 발표한 내용을 참고하시기 바랍니다. 1년 동안 국제적인 과학자들과 전문가들에 의해 대구경 천장 팬(Big Diameter Fan or HVLS fan)이 실내 공간에서 전염력 전파에 어떤 영향을 끼치는지 다양한 실험을 통해 결론을 얻어내고 발표했습니다. 풍속 3m/sec 정도에서 가장 감염력이 낮고 실내 공기 오염도를 가장 오랫동안 낮출 수 있는 것으로 확인했습니다. HVLS fan은 대형공간을 갖는 실내에서 일정 이상의 풍속으로 360도 제트기류를 일으켜 공기 순환하게 함으로 천장 쪽 맑은 공기를 내려보내 아래층 오염된 공기를 희석하는 역할을 하고 감염자의 호흡 비말도 희섞시켜 정체시키지 않고 즉시 순환시키므로 옆 사람에게 감염시킬 수 있는 가능성을 떨어트리는 원리입니다. HVLS fan이 연속적으로 가동되고 있으면 실내 구석구석 습기를 제거해 주고 곰팡이 자생이나 병원균 증식도 억제할 수 있어 아무래도 더 위생적인 깨끗한 실내 환경을 조성하는 것입니다. 물도 고이면 썩고 공기도 정체되어 있으면 썩고 냄새나고 숨이 막히죠?
여러모로 SNI의 HVLS fan-AIR360 매우 쓸만하지요?
과다 에너지 소모와 화석연료 소비로 지구의 온난화, 기후 위기, 자원고갈로 앓아가고 있는 지구와 우리 인류를 구하기 위해 HVLS fan 사용을 확대하고 더 좋은 팬을 만들어 보급합시다!!
주)에스엔이노베이션 제공
Provide By SN INNOVATION CO., LTD.
(무단 복제 배포 금지-본 저작권은 SNI에 있습니다)
1. 자연과 바람 그리고 인간 우리가 사는 세상 자연에 바람이 없다면 어떨까요?
살랑살랑 부는 바람에 나부끼는 잎과 하늘의 구름이 흐르는 모습은 우선우리를 가장 자연스러운 정서와 가장 자연스러운 안정감을 느끼게 해 주지요. 공기를 들이마시며 숨을 쉬는 인간은 바람이 있어 코와 피부로 숨을쉬며 평안해집니다. 바람이 없는 자연은 부자연스러운 것입니다.
2. 바람은 무엇일까요?
지구 자연의 대기 속 공기의 온도 차이로 인해 끊임없이 이동하는 공기의 흐름이 곧 바람입니다. 공기의 온도 차는 지구 대기 속으로 쏟아지는 태양열을 받는 따뜻한 공기 바다나 계곡, 호수 근처에는 차가운 공기가 만들어지고 따뜻한 공기는 가벼워져 위로 올라가고 차가운 공기는 무거워 아래로 내려오는 현상이 발생하는데 지구의 땅과 바다의 형상, 자전운동, 위치, 위도 등 복합적인 원인으로 인하여 더욱 복잡한 움직임이 발생하지요. 그래서 바람에는 아주 부드러운 산들바람부터 아주 강한 태풍, 토네이도 회오리바람까지 다양합니다.
3. 좋은 바람 나쁜 바람?
바람에도 질이 있습니다. 특히 사람이나 동식물에 끼치는 바람의 역할은 참으로 크고 다양합니다. 자연에서 불어오는 초속 1~2.5m 정도의 깨끗한 바람이 사람에게는 가장 좋은 느낌과 청량감을 줍니다. 더욱이 온도는 섭씨 18도에서 24도, 습도는 50~60%면 더욱 쾌적하겠지요.
4. 바람의 역할은 무엇일까요?
바람의 역할은 참으로 다양합니다. 한곳에 정체되어 오염된 나쁜 공기를 내보내거나 섞어주기도 하고 공간을 확대해 기압을 낮춤으로써 수분 증발을하게 하기도하고 꽃가루나 열매를 날려 식물의 생식과 번식을 돕기도 하고순풍은 배가 여행할 수 있도록 해주고 비행기 이륙과 순항을 돕습니다. 오래전부터 인류는 바람을 이용한 풍차를 발명하여 방아를 찧거나 펌프로 지하수를 품어 올리는 일을 하게도 하고 풍력 발전기를 돌려 전기를 생산하게도 합니다. 한편, 강한 바람은 먼지를 일으키고 산불과 같은 화재를 일으키거나 번지게 하는가 하면 큰 파도를 일으키고 집을 날아가게 하기도
합니다. 바람을 타고 오가는 생명체로 인해 세상은 더 복잡미묘해지고 풍요로워지게 하는 역할도 있습니다. 하지만 뭐니 뭐니해도 더워서 땀이 날 때 체온의 증발 효과로 느끼는 시원함이죠.
5. 강제로 바람을 만드는 장치 - 부채와 팬(선풍기) 자연의 대류현상으로 만들어지는 바람을 강제로 만들 수가 있습니다.
즉, 정지되어있는 공기를 강제로 흔들어 일정한 방향으로 움직이게 하면 그게 바람이 됩니다. 손으로 흔드는 부채 같은 장치가 있고 전기 모터로 공기가 한 방향으로 밀려 나가게 한 날개를 돌리면 바람이 됩니다. 이걸 선풍기라고 하는데 기계장치에 의한 인공바람이 되는 거지요. 선풍기를 빠르게 돌리면 강한 바람이 발생하고 천천히 돌리면 약한 바람이 됩니다. 선풍기는 형태에 따라 시원하게 하는 목적으로 쓰이지만 날개의 형태나 사용 용도에 따라 실내 공기를 내보내거나 빨아들이는 환기용 환풍기, 공기를 순환시키는 공기 순환 팬 같은 다양한 형태의 팬이 있습니다.
6. 현대인들에게 필요한 바람과 환기는 왜 중요할까요?
인류는 원시시대 수렵 생활을 하면서부터 자연의 바람과 함께 살아왔고 신선한 공기에 익숙해 있습니다. 공기를 마시며 살아야 하는 인간은 공기가 정체되어 있으면 답답할 뿐만 아니라 오염되기 쉬워 건강에도 매우 해롭습니다. 실내일지라도 공기는 상하좌우로 순환되고 외부 공기가 들어오고 나가는 환기가 잘 되는 것이 좋습니다. 특히 현대에는 실내생활을 하는 동안 각종 전기 전자제품과 같은 기계, 향신료, 음식, 화학물질에 노출되어 있어 실내 공기의 순환과 환기를 통해 호흡하는 공기의 질을 좋게 유지하는 것이 더욱 중요해지고 있습니다. 오염된 공기는 피부병, 호흡기 질환, 면역력 저하, 스트레스 증가, 암 등을 유발하는 원인이 됩니다.
7. HVLS Fan의 등장
고용량 저속 (HVLS) 팬은 직경이 7 피트(2.1 m) 이상인 기계식 팬입니다. HVLS 팬은 일부는 기둥에 장착되지만 일반적으로 천장 팬입니다. HVLS 팬은 천천히 움직이며 낮은 회전 속도로 다량의 공기를 분배합니다. 따라서 "고용량, 저속"이라는 이름을 사용합니다.
1) 역사
1990 년대 후반, 리버 사이드 캘리포니아 대학의 William Fairbank 교수와 Walter K. Boyd는 처음에는 대용량, 대구경 (HVLD) 팬이라는 새로운 유형의 순환 팬을 발명하고 특허등록을 했습니다. 이 유형의 팬은 원래 농업용으로 개발되었으므로 초기 연구에서는 유제품 생산을 위한 HVLS 팬의 효과에 중점을 두었습니다. 이후 공장, 강당 등 넓은 공간의 공기 순환과 냉. 난방 보조 팬으로 널리 사용되기 시작했습니다.
2) 원리
HVLS 팬은 시원한 움직이는 공기가 수분이 포화된 몸을 둘러싼 경계층을 파괴하고 증발을 가속해 냉각 효과를 발생시키는 원리로 작동합니다. 천장 선풍기가 돌아갈 때 공기 기둥을 생성합니다. 이 공기 기둥은 아래로 내려와 바닥을 따라 퍼져나갑니다. 수평 제트라고 하는 이 수평 이동 공기의 깊은 벽은 팬의 직경 크기와 관련이 있으며 팬의 속도와는 상대적으로 낮은 관계에 있습니다. 바닥 제트기류가 잠재적 크기에 도달하면 옆벽이나 다른 수직면을 만날 때까지 바깥쪽으로 이동합니다.
이상적인 조건에서 직경 8피트(2.4m)의 팬은 바닥에서 깊이 크기 약 36 인치(910mm)의 수평 제트기류를 생산합니다. 24 피트(7.3m) 지름의 팬은 깊이가 108인치(2,700mm) 인 수평 제트기류를 생산하여 바닥에 서 있는 암소나 사람의 키보다 큰 높이입니다.
산업용 HVLS 팬의 날개 지름, 회전 속도 및 성능이 일반 주거용 천장 팬과 매우 다릅니다. 일부 HVLS 팬은 공기를 움직이게 하는 일반적인 블레이드를 사용하지만, 항공기 날개와 같은 에어포일(Airfoil)을 사용하여 더욱 효율적인 공기 순환과 수평 제트기류를 발생시키게 합니다.
3) 효과
공기 움직임은 쾌적함에 큰 영향을 줄 수 있습니다. 추운 환경에서의 냉기바람은 유해하지만 중간 내지 따뜻한 환경에서의 공기 이동은 유익한 것으로 간주합니다. 이는 보통 섭씨 약 74°F 이상의 공기 온도 조건에서 신체가 일정한 내부 온도를 유지하기 위해 열을 잃을 필요가 있기 때문입니다.
객실을 냉방 하는 에어컨과는 달리 팬은 사람 신체를 직접 식혀줍니다. 천장 용 HVLS 팬은 사람의 키 높이 수준에서 공기 속도를 증가시키므로 공간보다 점유자를 직접 냉각시키는 보다 효율적인 열 방출을 촉진합니다. 공기 속도가 상승하면 대류 및 증발열 손실 속도가 빨라 공기 자체의 온도 변화 없이도
열을 발산하는 체온을 가진 인체나 동물은 시원함을 느낄 수 있습니다.
뜨거운 공기는 차가운 공기보다 밀도가 낮으므로 뜨거운 공기가 자연스럽게 대류라는 과정을 통해 천장 높이로 상승합니다. 일정한 온도 형태의 공기층에서 바닥 면이 가장 차가우며 천장 면이 가장 따뜻합니다. 이를 성층화라고 합니다. 성층화된 공간에서 공기를 혼합하는 가장 효과적인 방법은 뜨거운 공기를 사람의 키 높이 수준까지 밀어내는 것입니다. 이를 통해 건물 벽과 지붕을 통한 열 손실에 의한 건물 에너지 소비를 줄이면서 공간의 공기를 완벽히 혼합할 수 있습니다. 저항을 발생시키지 않으려면 팬을 천천히 움직여 사람 높이 수준의 공기 속도가 분당 40피트 (12m/분)을 초과하지 않도록 해야 합니다.
에너지 절약 효과를 극대화하고 효율적인 공기 순환을 유지하게 하기 위한 HVLS 팬의 설계와 운전 성능에 있어서 중요한 기술적 요소입니다.
8. SNI의 HVLS fan은 왜 좋을까요?
1) 최소의 소비전력으로 필요 충분한 쾌적한 바람을 불어준다. 일반적으로 HVLS Fan은 110rpm이하의 저속으로 대형 날개를 회전시킬 수 있는 큰 힘이 필요하므로 일반 모터를 사용하는 HVLS fan 의 경우 감속기를 사용하게 됩니다. 그러나 SNI의 AIR360은 모터 자체 속도가 저속(20-110rpm)으로 구동되고 고토크를 발휘하는 SR 모터를 사용하며 소비전력이 최대 0.38kWh 에 불과합니다. 특히 가장 많이 사용하는 중간 속도에서는 0.2kW 이하로 실내에 필요 충분한 360도 입체적 공기 순환은 물론 체감온도를 낮춰주거나 올려주고 월 전기료 8,000원(12시간 기준)에 불과해 매우 경제적이며 에어콘과 히터와 같은 냉·난방기의 월 전기 사용료의 30% 이상을 절감하게 되는 것입니다.
2) 스트레스 없는 행복한 바람
SNI의 AIR360은 일반 선풍기와 같은 지향성이 강한 바람이 아니라 360도 공기 순환을 이루는 제트기류가 형성되어 그 기류 안에 있는 사람이나 동물들은 온몸을 스치는 풍부한 산들바람 같은 느낌을 받아 더욱 시원하고 부드러운 쾌적함을 체감하게 됩니다. 즉 스트레스 없는 행복한 바람과 공기 순환을 체험하게 됩니다.
3) 뛰어난 내구성
SNI의 AIR360은 업계 최초 기어 감속기가 없는 저속-고토크 SR 모터를 채용하여 12년 이상의 가장 뛰어난 수명과 내구성을 자랑합니다.
4) 안전한 이중 삼중 장치
또한 천장에 설치되는 점을 중요하게 생각하여 제품 전체의 내구성과 안전 설치 구조물은 물론 모터와 날개와 같은 부품 또는 장치가 건물 붕괴 전까지 낙하하지 않도록 3중 안전줄까지 갖춰져 있습니다. HVLS Fan은 천장에 매달려 있어 3m 이상의 대형 날개가 회전하게 되면 맴돌이 회전력이 발생하는데 이걸 방지하기 위한 Guy Wire를 모터 고정판 또는 축의 4각 귀퉁이에 45도의 각도로 천장 4점에 와이어를 연결해 줍니다. AIR 360은 이 와이어 말고도 모터의 중심축에 또 하나의 안전줄을 매달아 제3의 천장 장소에 고정해줍니다.
9. SNI의 HVLS Fan에서 가장 중요하게 만든 것은 모터와 날개
1) 모터에 대해서 알아봅시다.
모터는 HVLS Fan을 저속(120rpm/분당 회전수 이하)으로 돌려야 하고 직경 3m 이상의 날개를 돌리는데 필요한 상당한 토크(회전력)를 발생시켜야 합니다. 소형 고속 팬에 사용되는 일반
유도전동기는 교류 전기 주파수(50/60Hz)에 동기되어 회전하기 때문에 2극 유도전동기는 3,600rpm, 8극 유도전동기도 800rpm에 고정되어 회전합니다. 따라서 P(출력) = N(속도) x T(토크) 공식에 따라 속도를 낮추고 토크를 올리기 위해서 기어를 사용한 감속기를 사용하면 됩니다.
이렇게 방법은 쉬우나 감속기를 사용하게 되면 전력 손실이 더 증가하게 되고, 소음이 발생하고, 사용 시간이 길어질수록 기어마모가 진행되어 더욱 소음이 커질 수 있습니다. 아울러 주기적으로 윤활유를 보충해줘야 하고 무게 또한 상당하여 팬 전체 무게를 증가시킵니다. HVLS Fan을 구동하기 위해 가장 이상적인 방법은 기어 감속기를 달지 않고 모터가 직접 저속으로 회전하고 필요 충분한 토크를 발휘할수 있는 직결구동 모터를 적용하는 것입니다. 직결구동이 가능한 특별한 모터를 사용하는 경우 기계적 변속에 의한 손실이 적어 그만큼 소비전력이 감소하고, 마찰 소음이 없으며 마모되는 기계적 부품이 없어 내구성이 뛰어납니다. 이러한 직결구동이 가능한 모터로는 BLDC Motor(무정류자직류모터) 또는 PM(영구자석모터)나 SRM(스위치드릴럭턴스모터)가 있습니다.
2) 날개에 대해 알아봅시다.
HVLS fan에 사용되는 날개는 저속에서 효율적인 고풍량을 발생시키는 Airfoil(항공 유체학적 날개)를 사용합니다. 이러한 Airfoil은 아래와 같이 다양한 형태의 디자인과 형상이 있습니다.
SNI에서는 날개 반경이 1.45m부터 3.45m에 이르고 최저 20rpm에서 120rpm 영역에서 가장 효율적인 Airfoil(MA409 or S4083) 계열의 디자인을 채택하고 있습니다. 또한 소음과 진동을 최소화하고 심미적 디자인이 뛰어난 LCF300 모델의 경우 잠자리 날개 형상의 물결 웨이브를 도입했으며 모터의 회전 중심부와 날개 끝의 가장자리 각속도가 다른점을 감안한 유선형 Airfoil을 적용하고있습니다. 이러한 날개 디자인과 구성은 효율이 높아 최소의 소비전력으로 풍부한 제트기류를 발생시키고 정숙한 공기 순환을 제공합니다. Aifoil 재질은 주로 알루미늄이나 플라스틱을 사용하고 깨지거나 부러지지 않도록 충분한 강도와 인장력을 가지고 있어야 합니다. 부식, 표면 먼지 등에 대한 저항을 하도록 특수 표면처리를 하거나 코팅하는 때도 있습니다.
10. SRM(Switched Reluctance Motor)란 무엇일까요?
1) 기존 모터와 다른 점
SRM은 유도전동기(AC Motor)나 영구자석을 사용한 BLDC Motor와는 원리나 구조가 다릅니다. 특히 SNI에서 개발한 HVLS Fan 전용 SRM은 저속-고토크 모터로서 날개 지름이 3m~7m에 이르는 대형 날개를 저속(20-120rpm)으로 구동시키고 토크가 충분하여 기어 감속기가 필요 없습니다. 자기력의 저항을 뜻하는 릴럭턴스(Reluctance)를 스위칭하여 회전 토크를 발생시키는 원리로 회전하는 SRM은 영구자석을 쓰지 않는 BLDC Motor라고 할 수 있습니다.
2) 장점
- 직결구동이라서 기어 소음이 없고 매우 정숙합니다.
- 내구성이 뛰어나 가장 오랜 수명을 보장합니다.
- 기어 감속기 방식 대비 중량이 가볍고 건물 하중 리스크가 적습니다.
3) 지구 자원을 아끼고 환경을 지키는 모터
- 최소의 부품구성과 소재를 사용하므로 지구 자원을 아낍니다.
- 영구자석을 전혀 사용하지 않아 희토류 광산 채굴이나 정제과정에서 발생하는 환경오염을 방지하고 영구자석 제조과정에서 발생하는 오염 또는 에너지 소비를 줄이므로 탄소중립에
이바지합니다.
11. SNI의 HVLS Fan은 다음과 같이 많은 사용처와 효과가 있습니다. HVLS Fan(AIR360)을 많이 보급하고 사용하여 삶의 질을 향상하고 지구를 구합시다.
1) 다양한 사용처(축사, 공장, 물류센터, 마트, 역사, 호텔, 박물관, 카페, 식당, 공항, 식물원, 동물원, 승마장, 체육시설, 군부대, 정비창, 터미널등 대형 공공장소)
2) 에너지 절약
3) 가장 효과적인 공기 순환과 환기 촉진
3) 건강한 환경-쾌적한 환경-행복감 증대-질병 예방
3) 공해 저감
4) 탄소배출 저감
12. HVLS Fan의 에너지 절약 원리
1) HVLS Fan은 왜 소형 고속 팬(일반 선풍기)보다 쾌적하고 시원할까요?
- HVLS fan은 날개 직경이 2m 이상 7m까지 있습니다. 날개 직경이 큰 팬이 천장에서 서서히 회전하면 큰 공기 기둥이 형성되고 바닥에서는 대략 날개 직경의 반지름에 해당하는 높이의 제트기류 바람이 만들어집니다. 즉, 직경 4m 날개의 팬이 회전하면 바닥에 높이 2m 정도의 수평 제트기류 바람이 부는데 이때 사람이 서 있으면 키를 넘어 온몸을 스쳐 지나감으로 부분적으로 스쳐 지나가는 일반 소형 선풍기에 비해 훨씬 체감온도가 크게 느껴지고 풍속이 약해도 부드럽고 쾌적한 느낌을 받습니다. 소형 고속 팬에서 나오는 강한 지향성 바람은 일정시간이 지나면 불쾌하고 피부에 스트레스를 주는 반면 저속-고풍량 (HVLS Fan)은 크고 부드러운 공기가 스쳐 가는 산들바람과 같습니다.
2) HVLS Fan은 왜 저속(120rpm 이하) 돌아도 큰 풍량이 나오나요?
- Airfoil 형상의 날개 지름이 2m 이상 되면 회전하면서 주변공기를 아래로 내려주는데 이때 공기저항을 크게 받지 않도록 천천히 돌아 공기 기둥이 와류를 일으키지 않고 원활하게 제트기류를 만들어 효율적인 실내 공기 순환을 이루도록 합니다. 공기량은 날개 지름의 세제곱에 비례하고 회전 속도의 제곱에 비례한 풍속이 형성되므로 날개 지름이 큰 HVLS fan은 지름 1m 이하의 소형 고속 팬에 비해 엄청난 풍량을 발생시킵니다. 하지만 풍속은 크지 않아 불쾌하지 않고 먼지를 날리지 않으며 적당한 습도와 온도에서 매우 쾌적한 산들바람과같은 느낌을 즐길 수 있고 체감온도가 낮아져 실내 온도보다 낮은 시원함을 가져다줍니다.
3) HVLS fan의 에너지 절약 원리
- 첫째는 최대 1kW 소비전력을 갖는 7m 급 HVLS Fan 1대는 약 330 sq.m의 면적을 충분한 공기 순환과 선풍 효과를 가져오는데 소비전력 0.4kW 소비전력을 갖는 날개 지름 80cm 정도의 소형 고속 팬은 28대 정도 필요합니다. 즉, 소형 고속 팬은 11.2kW의 전력 소모로 7m급 HVLS fan의 11배 이상의 전력을 소모하게 된다는 계산입니다. 그래서 HVLS fan이 소형 고속 팬과 비교하면
전력 소모가 적고 매우 효율적이라는 이야기가 됩니다.
- 둘째는 냉방설비(에어컨)가 되어있는 곳은 평소 온도 설정보다 3~4도 높여서 가동해도 HVLS Fan에 의한 체감온도 감소 효과로 똑같이 시원하게 느끼면서도 더 쾌적한 환경이 됩니다. 따라서 에어컨 1도 상향에 7% 정도의 전기 에너지 절감 효과가 있으므로 21~28%의 전기료 절약이 가능해집니다. 겨울철에는 바닥과 천장 사이의 온도 성층화로 바닥 난방으로 데워진 열기가 천장으로 올라가 손실되고 마는데 이 따뜻한 천장 열기를 아래로 내려주는 HVLS fan이 있을 경우 최소 20%에서 최대 50%까지 난방 에너지를 줄일 수 있습니다.
- 셋째는 신축 건물이나 공장에 냉. 난방설비 설치를 준비하거나 설계할때 HVLS fan과 병행하면 냉. 난방설비를 30%~50%까지 줄일수 있습니다. HVLS Fan이 그 부족한 냉. 난방 기능을 충분히 보조해 주기 때문입니다. 결과적으로 냉. 난방시스템 설치비 절감과 운전 비용을 대폭 줄이는 방법이 됩니다.
13. HVLS Fan은 전염병 예방과 Covid-19 감염력을 떨어트린다는데 사실인가요?
-결론부터 말씀드리면 그렇습니다.
2021년 11월호 미국 AMCA(Air Movement Control Association)과 ASHRAE(American Society of Heating Refrigerating and Air Conditioning Engineers) 저널에 발표한 내용을 참고하시기 바랍니다. 1년 동안 국제적인 과학자들과 전문가들에 의해 대구경 천장 팬(Big Diameter Fan or HVLS fan)이 실내 공간에서 전염력 전파에 어떤 영향을 끼치는지 다양한 실험을 통해 결론을 얻어내고 발표했습니다. 풍속 3m/sec 정도에서 가장 감염력이 낮고 실내 공기 오염도를 가장 오랫동안 낮출 수 있는 것으로 확인했습니다. HVLS fan은 대형공간을 갖는 실내에서 일정 이상의 풍속으로 360도 제트기류를 일으켜 공기 순환하게 함으로 천장 쪽 맑은 공기를 내려보내 아래층 오염된 공기를 희석하는 역할을 하고 감염자의 호흡 비말도 희섞시켜 정체시키지 않고 즉시 순환시키므로 옆 사람에게 감염시킬 수 있는 가능성을 떨어트리는 원리입니다. HVLS fan이 연속적으로 가동되고 있으면 실내 구석구석 습기를 제거해 주고 곰팡이 자생이나 병원균 증식도 억제할 수 있어 아무래도 더 위생적인 깨끗한 실내 환경을 조성하는 것입니다. 물도 고이면 썩고 공기도 정체되어 있으면 썩고 냄새나고 숨이 막히죠?
여러모로 SNI의 HVLS fan-AIR360 매우 쓸만하지요?
과다 에너지 소모와 화석연료 소비로 지구의 온난화, 기후 위기, 자원고갈로 앓아가고 있는 지구와 우리 인류를 구하기 위해 HVLS fan 사용을 확대하고 더 좋은 팬을 만들어 보급합시다!!
주)에스엔이노베이션 제공
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