풍량과 풍량효율 측정 및 계산법이 궁금한가요

Last Updated on 2024-03-04 by BallPen

선풍기나 송풍기 등의 사양서에 기재된 풍량과 풍량효율 값은 어떻게 측정하고 계산될까요.

풍량이란 선풍기, 송풍기와 같은 장치가 동작할 때 그 장치에서 배출되는 바람의 양을 뜻합니다. 또한 풍량효율이란 장치가 동작될 때 소모하는 전기에너지와 배출되는 풍량의 비율을 뜻합니다.

덕트를 통과하는 풍량의 정의와 측정법

풍량은 장치에서 얼마나 많은 양의 바람이 배출되는가를 평가하기 위한 물리량으로 그 단위는 보통 \mathrm{m^3/min}을 사용합니다. 즉 1분당 몇 \mathrm{m^3}의 공기 부피(한 변이 1\mathrm{m}인 정육면체의 부피가 1\mathrm{m^3})를 장치가 이동시킬 수 있느냐의 척도가 되는 것입니다.

아래 그림을 보면 원형 덕트(송풍관)의 한쪽 끝에 송풍기가 장착되어 있습니다. 송풍기를 작동시키면 원형덕트를 통해 바람이 지날갈텐데요. 그 때의 풍량은 어떻게 측정할 수 있을까요?

풍량 Q는 덕트를 통과하는 바람의 속력, 즉 풍속 V와 바람이 지나가는 덕트 단면적 K사이의 곱으로 정의됩니다. 단위 연산을 해보도록 하겠습니다.

\begin{align*}
Q &= V [\mathrm{m/min}] \times K[\mathrm{m^2}]\\[7pt]
&= V \times K [\mathrm{m^3/min}]
\end{align*}

역시 풍량의 단위 \mathrm{m^3/min}가 제대로 도출되고 있음을 알 수 있습니다..

식에서 주어진 덕트 내의 풍속 V는 풍속계라 불리우는 계측기를 이용해 측정합니다. 아래에 Testo사의 풍속계 이미지를 첨부하니 참고하시기 바랍니다. 측정기의 외관은 측정방식에 따라 서로 다를 수 있습니다.

또한 식에서 주어진 덕트의 단면적 K는 원형덕트의 경우 K=\pi \mathrm{r^2}으로 주어집니다.

지금까지 설명 드린 내용은 덕트를 통과하는 풍량에 관한 이야기였습니다. 이번에는 덕트가 없는 선풍기의 경우 풍량을 어떻게 구할까요?

선풍기의 풍량 측정법

선풍기는 덕트가 연결되지 않고 바로 열린 공간으로 바람을 배출합니다. 이 경우 풍량 Q의 계산에 필요한 풍속 V와 단면적 K는 어떻게 구할까요?

풍속 V는 아래 이미지와 같이 선풍기 중심에서 일정한 거리만큼 떨어진 곳 O를 중심으로 하여 양 옆으로 풍속계를 일정한 간격씩 움직이면서 측정합니다.

아래 그림에서와 같이 O점을 중심으로 했을 때 r_2 - r_1 사이에 풍속계가 설치되어 풍속 V를 측정하고 있는 모습을 나타냅니다.

풍속 V하에서 바람이 지나가는 단면적 K를 구하는 방법은 아래 그림을 보면 이해하실 수 있습니다. 아래 그림은 선풍기와 풍속계를 정면에서 관찰한 모습입니다.

바로 위의 그림에서와 같이 풍속계는 반지름 r_2와 r_1사이에 설치되어 있고 선풍기가 만드는 바람은 대칭성을 갖게됩니다. 따라서 풍속계가 측정한 풍속 V가 지나가는 단면적 K는 두 원사이의 면적으로서 아래와 같이 구해질 수 있을 것입니다.

K=\pi {r_2}^2 - \pi {r_1}^2

이와 같은 방식으로 풍속계를 옆으로 일정 간격씩 이동시키며 풍속 V_i를 측정하고 그때에 해당하는 단면적 K_i를 구하여 곱해줌으로써 각각의 풍량 Q_i를 구합니다. 그리고 각 풍량 Q_i를 모두 합하면 전체 풍량이 되겠죠. 이를 식으로 정리하면 다음과 같습니다.

\begin{align*}
Q &=Q_1 + Q_2 + Q_3 + \ldots \\[7pt]
&= (V_1 \times K_1) + (V_2 \times K_2)+(V_3 \times K_3) + \ldots \\[7pt]
&= \sum \big( V_i \times K_i \big)
\end{align*}

풍량효율 계산법

풍량효율은 풍량 Q를 제품의 소비전력 P로 나누어 구합니다. 이것이 뜻하는 것은 단위소비전력, 즉 단위시간당 소비되는 전기에너지 대비 풍량의 비율로 보시면 됩니다.

더 쉽게 말씀드리면 똑같은 전기요금을 지불한다고 했을 때 풍량효율이 큰 제품이 효율이 좋기 때문에 바람이 더 강하게 나오는 것으로 보시면 됩니다.

W_{\mathrm{eff}} = {Q \over P} \big[ (\mathrm{m^3/min)/W} \big] 

실제적인 상황에서 선풍기 사양서에 기재된 풍량효율은 몇가지 보정과 조건을 거쳐 계산됩니다. 효율기자재운용규정에 따르면 선풍기의 풍량효율은 최대풍량, 공기비중량, 시험온도를 감안하여 계산됩니다. 자세한 식은 아래에 제시합니다.

\begin{align*}
&풍량효율 = {{표준풍량(\mathrm{m^3 / min})}\over{소비전력(\mathrm{W})}}\\[10pt]
&표준풍량 = {최대풍량(\mathrm{m^3 / min}) \big/ \sqrt{{1.178}\over{\gamma}}  }\\[10pt]
&공기비중량(\gamma) = {{10332}\over{29.44 \times (273+시험온도(\mathrm{ ^O C}))}}
\end{align*}

선풍기의 사양서에 기재된 소비전력, 풍량과 풍량효율

위 이미지는 실제 선풍기의 사양서에 기재된 소비전력, 풍량, 풍량효율을 보여줍니다. 참고하시기 바랍니다.

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