풍속과 풍향 변화에 따른 자연환기량 특성에 대한 실험 연구

Abstract

국 문 요 지

최근 에너지소비의 저감을 위해 주거건물의 기밀성능 및 단열성능이 향상되었다. 그러나 주거건물의 고기밀 및 고단열은 건축물의 자연환기를 어렵게 만들어 실내공기질의 악화를 가져올 수 있다. 따라서 주거건물에서 실내공기질을 개선하기 위한 환기의 중요성이 커지고 있다. 이러한 이유로 국토해양부에는 2006년 2월부터 주거건물에서 시간당 0.7회 이상의 환기량을 확보 할 수 있는 자연환기 또는 기계환기 설비의 설치를 법적으로 의무화하였다. 자연환기설비는 에너지 절감이나 실내공기질 관리 측면에서 많은 장점을 가지고 있으나 건물이 고기밀 및 고단열 됨에 따라 자연환기설비만을 통해 시간당 0.7회 이상의 환기량을 유지하는 데 어려움이 있다. 기계환설비 역시 환기의 확실성을 확보 할 수 있으나 항상 에너지가 소용된다는 단점을 가지고 있어 이를 보완하기 위해 하이브리드 환기시스템(Hybrid Ventilation System)에 관한 연구가 활발히 진행 중에 있다. 하지만 자연환기의 구동력이 되는 풍속과 풍향은 시시 각각 다변화하기 때문에 자연환기량의 예측과 하이브리드 환기시스템에서의 기계환기장치 용량산정에 어려움이 따르고 있다. 이에 본 연구에서는 불확실한 외부의 풍속과 풍향의 물리적 변화를 장기간 실측하고 그 물리적 특성이 건물의 자연환기에 미치는 영향을 실험적으로 파악하여 하이브리드 환기시스템(Hybrid Ventilation System)의 개발과 적용에 필요한 기초적 자료를 도출하였다.

본 연구는 총 7장으로 구성되었으며, 각 장의 내용은 다음과 같다.

제1장에서는 연구의 배경 및 목적, 그리고 연구의 범위와 방법에 대하여 기술하였고, 자연환기와 하이브리드 환기시스템에 관한 기존 연구에 대한 고찰을 통하여 자연환기의 특성에 대한 연구의 필요성을 서술하였다.

제2장에서는 환기의 전반적인 개념과 자연환기방식과 기계환기방식 그리고 하이브리드 환기방식에 대한 이론적 고찰을 하였고, 하이브리드 환기시스템의 적용사례에 대해서 조사하였다.

제3장에서는 Mock-Up 실험에 대한 개요를 서술하였고, 측정 항목과 측정기기 그리고 실험내용 및 방법에 대하여 기술하였다. 또한, 자연환기량 측정방법인 Tracer gas method에 대해 기술하였다.

제4장에서는 실험의 결과를 기술하였다. Mock-Up 실험실의 기밀성능과 유효누기면적 측정 결과를 기술하였고 외부 기상상태인 온도, 풍속, 풍향분포를 분석하였으며, Mock-Up 실험실의 자연환기량 변화와 빈도분포를 나타냈다.

제5장에서는 자연환기 특성에 대한 분석을 기술하였다. 먼저, 외기풍속과 풍향의 물리적 특성과 자연환기량의 관계를 서술하였다. 또한, 자연환기량을 일간, 주간, 연간으로 나누어 통계 분석하여 각각의 특성을 서술하였고 최종적으로 연중 자연환기 가용시간을 예측할 수 있는 설계지표를 도출하였다.

제6장에서는 4장의 Mock-Up 실험 및 측정결과와 5장의 자연환기 특성의 통계적 분석 결과를 바탕으로 기존 연구 및 이론과 비교하여 고찰하였다.

제7장에서는 본 연구에서 도출된 결론을 기술하였으며, 내용을 요약하면 다음과 같다. 1) Mock-Up 실험실 외부 풍속은 0[m/s]∼4.29[m/s]의 범위로 나타났으며 평균풍속은 1.25[m/s]로 나타났다. 계절별 평균풍속은 여름철의 경우 1.2[m/s], 가을철의 경우 0.94[m/s], 겨울철의 경우 1.1[m/s], 봄철의 경우 1.73[m/s]로 나타났다. Mock-Up 실험실의 외부풍향은 주변 환경 및 건물들의 영향으로 북북동풍(NNE)이 주 풍향으로 나타났으며, 계절에 따라 여름철과 가을철의 경우 서풍(W), 겨울철의 경우 동풍(E), 봄철의 경우 북풍(N)이 높은 빈도를 나타냈다.

2) 연중 자연환기량의 일간 분석 결과 오전에서 오후로 갈수록 자연환기량이 높아지다가 야간에 가서 감소하는 A형 그룹과 일변화가 크게 없는 B형 그룹으로 일변화 패턴이 나타났다.

3) 일변화 패턴이 연속적으로 발생하는 주간에 대해 빈도분포와 통계적 분석을 실시한 결과 A형 패턴의 경우 평균 자연환기량이 B형 패턴에 비해 12.3% 높은 결과 값을 보여 주었으며, 표준편차를 이용한 변동성 평가에서도 A형 패턴의 변동이 크게 나타났다. 하지만 50% 누적 확률분포의 자연환기량 결과 값에서는 A, B형 두 패턴은 유사하게 나타났다.

4) 연간 측정기간 중 발생빈도가 가장 많은 자연환기량은 0.1[㎥/h․ ㎠]∼0.2[㎥/h․ ㎠]으로 나타났으며 50% 누적확률분포는 0.16[㎥/h․ ㎠]∼0.23[㎥/h․ ㎠]의 범위로 조사되었다.

5) 본 연구의 실험 조건인(개구부면적:548[㎠], 실체적:35.2[㎥])일 때 개구부 면적을 고정시키고 실체적을 변화시켜 본 결과 실 체적에 따른 개구부 면적비가 7.78[㎠/㎥](바닥면적 대비 개구부 면적:0.17%)일 때 자연환기량 법적 기준 0.7[회/h](50%누적 확률분포)를 만족하는 것으로 나타났다.

6) 본 실험을 통해서 도출된 결과 값을 이용하여 연중 자연환기 가용시간을 예측할 수 있는 설계지표를 도출 하였다.