여름철 地中空間의 表面結露 防止를 위한 外氣利用 强制換氣方法 硏究

Abstract

지중공간은 지열로 인하여 계절의 변화에 따른 온도변화가 적게 일어나고, 연중 안정된 실내온도를 유지할 수 있어 에너지 소비를 줄일 수 있는 유리한 특성을 가지고 있다. 그러나 지중공간에는 반드시 외부로부터 출입이 있고 출입으로 인하여 외부공기가 내부로 들어감으로 자연적인 환기가 되며, 또한 공간의 쾌적성을 유지하기 위하여 강제환기를 하여야 한다. 여름철 고온다습한 외기가 들어와 온습도 차이에 의하여 지하구조체의 표면뿐만 아니라 내부에 있는 물체의 표면에도 결로가 발생하게 되고, 이러한 결로는 구조체의 내구성을 약화시키고 내부마감재인 내장재, 내부에 설치된 가구, 각종 저장물, 장치나 장비의 작동에도 피해를 유발하여 재산상의 손실을 초래한다. 따라서 지중공간을 활용함에 있어서 결로의 발생을 미리 예측할 수 있는 방안이 강구되어야 하고, 이것을 이용하여 최적의 설계방안과 관리방안이 동시에 검토되어 결로의 발생을 최적의 방법으로 제어할 수 있는 방안이 제시되어야 한다. 이러한 방안을 강구하기 위해서 결로의 정의와 발생과정에 미치는 여러 요인을 분석하여 저비용으로 최고의 효과를 얻을 수 있는 방안이 모색되어야 하겠다. 본 연구는 에너지 절약적 측면에서 자연에너지를 최대한 이용하여 지중공간의 쾌적성과 구조체 표면결로에 의한 문제점을 해결할 수 있는 외기이용 강제환기방법을 제시하고자 한다. 본 논문은 총 7장으로 구성되어 있으며 각 장의 내용은 다음과 같다. 1장에서는 연구의 배경 및 필요성, 기존연구의 고찰, 연구의 목적에 대하여 기술 하였으며 연구의 범위 및 방법을 설정하였다. 2장에서는 본 연구의 기본이론에 대한 검토로서, 공기의 성질과 결로의 정의에 대하여 논하고 지중공간의 형태와 열환경 특성에 대하여 기술하였다. 3장에서는 지중공간의 표면결로방지를 위한 강제환기방법을 제시하기 위하여 실제 모델현장을 선정하여 결로의 발생 메커니즘을 분석하였고, 강제환기로 결로를 방지할 수 있는 개념을 정의하였으며, 부하계산과 환기량 산정방법을 제시하였으며 효율적인 운전방안도 제시하였다. 4장에서는 앞장에서 제시한 강제환기방법으로 수치해석을 통하여 결로방지를 위한 최적의 환기량과 강제환기팬의 운전방법을 제시하였다. 5장에서는 앞장에서 제시한 내용으로 실제 모델현장에서 결로가 가장 많이 발생하는 7월, 8월에 적용하여 결로가 발생하지 않음을 육안으로 확인하였다. 6장에서는 외기이용 강제환기방법의 종합분석으로 부하계산 결과를 적용한 수치해석 결과를 분석하고 현장실험의 결과도 비교 분석함으로써 종합적인 결과분석을 통한 외기이용 강제환기방법을 제시하였다. 7장에서는 현재까지 본 연구를 통해 도출된 결론을 기술하였으며, 주요 내용을 요약하면 다음과 같다. (1) 우리나라의 여름철 외기는 고온다습하기 때문에 온도가 낮은 지중공간에 외기가 도입되면 구조체표면에 결로가 발생한다. 하지만 지중공간의 구조체 표면온도 보다 외부온도가 높은 기간에 강제환기팬에 의한 외기도입으로 구조체의 표면온도를 상승시켜서 노점온도 이상으로 유지시키면, 결로발생 방지가 가능함이 이론적 해석, 수치해석, 현장실험을 통해 확인되었다. (2) 결로방지를 위한 필요열량 계산은 지반의 축열이 열전달 되는 개념과 구조체와 지반의 축열 개념에 의한 열량을 비교 검토한 결과, 근사하게 일치함을 알 수 있었다. 여기서 축열개념 열량 산출에서 흙 두께 1.5m를 축열범위로 설정하고 기상자료에 의하여 1.5m 지점의 지중온도와 외기온도 차이를 적용한 축열개념의 강제환기 부하계산 방법이 타당함을 수치해석에서도 확인이 되었다. (3) 강제환기량은 결로방지를 위한 필요열량과 급기온도(외기온도)와 배기온도차에 의해서 결정이 되며, 특정지역에서는 기상조건과 지중온도 조건이 일정함으로 급·배기 온도차는 강제환기하는 일정한 기간에 일정한 값을 유지하는 것으로 판단된다. (4) 강제환기방법에서 최적의 운전조건은 지중공간의 실내온도보다 외기가 높은 시간에 강제환기가 이루어져야 한다. 외기온도가 지중공간의 실내온도보다 높은 경우는 우리나라 기상자료에 의하면 4월부터 8월까지(지역에 따라 다소 차이가 있음)가 되며, 또한 하루 중에도 밤보다는 해가 있는 낮 동안에 운전되어야 효과를 높일 수 있다.; The underground space decreases seasonal temperature changes by the geothermy and maintains annual stable indoor temperature. This is a special quality to reduce energy consumption. However, the underground space must have coming and going from the outside. By doing so, air from the outside causes natural ventilation and also, forced ventilation is necessary to maintain complete comfort of the space. During summer, the air of high temperature and humidity causes condensation on the surface of underground construction as well as the surface of indoor objects. This condensation weakens durability of the underground construction and incurs a property loss damaging finishing material, indoor furniture, all kinds of stock and functioning of equipment, Therefore, a plan to predict condensation should be formulated. By menas of this plan, the optimum design and management should be examined to draw up a plan to control condensation in the most suitable way. To devise such scheme, the definition of condensation and various factors causing condensation should be analyzed and a plan to have the most effective results should be considered. This study aims to suggest the methods of forced ventilation by the air, to solve the problems of construction's surface condensation and to maintain complete comfort of the underground space using nature energy efficiently. This study consists of 6 chapters and the comments of this study are follows; The 1st chapter includes the background and necessity of this study, consideration of the earlier studies and the purpose of this study. In the 2nd chapter, we examine the basic theories and discuss the properties of air and the definition of condensation. We, also, treat of the form of underground space and the environmental characteristic of heat in this chapter. Thirdly, in this chapter, we select a model construction site and analyze mechanism of condensation to suggest a forced ventilation method to prevent surface condensation of underground space. Furthermore, we define the concept to prevent condensation by forced ventilation and suggest not only the calculating load and the estimating method of ventilation rate but also an effective operation plan. The 4th chapter suggests optimum ventilation rate and the operation of forced ventilation fan to prevent condensation by means of numerical analysis of a forced ventilation method as mentioned above. The 5th chapter is suggested above, and we checked, with the naked eye, that condensation was not caused in July and August in which condensation often comes about. In the 6th chapter, we analyze the result of numerical analysis applying the result of calculating load as an overall analysis and we, also, do a comparative analysis of the experiment in the construction site. By analyzing overall results, we suggest outdoor air-using forced ventilation method. Lastly, in the 7th chapter, we draw a conclusion via this study and the main ideas are follows; (1) The summer air of our country is high temperature and humidity. It causes condensation on the surface of construction by the outdoor air in the low-temperature underground space. However, when outdoor temperature is higher than the surface temperature of construction of underground space, condensation is prevented as the surface temperature of construction increases and is maintained over the dew point temperature. We've confirmed this result by theoretical analysis, numerical analysis and experiments in a construction site. (2) As we examined the amount of heat with the concept of heat transfer of heat storage and the concept of heat storage of construction and the ground, it has shown the approximate agreement with calculating the necessary amount of heat for condensation prevention . Here, we set up the depth of soil(1.5m) is the estimating load by using heat storage concept. According to weather date, it is confirmed that the method of calculating load by forced ventilation with heat storage appling the difference between ground temperature and outdoor air temperature in 1.5m spot is appropriate even in numerical analysis. (3) Forced ventilation is decided by a difference among the necessary amount of heat, supply air temperature and exhaust air temperature. Climate condition and ground temperature is unchangeable in a specific region, and forced ventilation by the difference between supply and exhaust air temperature maintain steady value during the definite period. (4) The optimum operation condition of forced ventilation method is that forced ventilation should be made in the time that indoor temperature is higher than outdoor air temperature. According to our country's climate resources, outdoor air temperature is higher than indoor temperature of underground space during April through August(this can have small variation by regions). Besides, operation during the day has more effective result than during night.