풍속 2.5m/s이하에서 자연환기구의 풍압계수 분포에 관한 실험적 연구

Abstract

국 문 요 지

자연환기는 기계환기와 비교하여 운용 비용과 에너지 소비 절감에 많은 장점을 가지고 있다. 이런 장점들 때문에 자연환기 시스템에 관한 연구와 수요가 증가하고 있는 실정이다. 하이브리드 환기시스템 또한 자연환기 구동력을 중심으로 하기 때문에 자연환기에 관한 충분한 연구를 필요로 하고 있다. 자연환기의 구동력이 되는 풍속과 풍향은 시시각각 다변화하기 때문에 자연환기량의 예측에 어려움이 따르고 있다. 그래서 일반적으로 자연환기량을 예측 또는 설계하기 위해서 건물 주변의 풍속과 풍향 그리고 건물의 형태에 따른 풍압계수를 많이 이용하고 있다. 풍압계수는 정압차를 이용하여 풍향과 풍속의 영향을 무차원하여 나타낸 것으로 -1~1의 값을 가진다. 자연환기 설계에서 사용하는 풍압계수는 일반적으로 AIVC 또는 ASHRAE에서 제시하는 풍압계수 값을 이용하거나 풍동실험, CFD를 이용하여 산정한다. 풍동실험과 CFD는 대상건물이 가지고 있는 형태와 특성에 따라 정확한 결과 값을 얻을 수 있는 장점이 있지만 시간과 비용이 많이 소모된다는 단점을 가지고 있다. 그래서 일반적으로 풍압계수 데이터베이스를 이용하여 환기량을 예측한다. 자연환기의 설계에서 주로 사용하는 풍압계수 Cp값은 외부 풍속이 4m/s 이상에서의 값이다. 그러나 실제 도심 속의 건물에서는 주변건물에 의한 영향으로 4m/s이상의 풍속이 발생할 확률이 일반적으로 매우 낮으며, 풍속 발생의 대부분은 2.5m/s이하 풍속 범위에서 나타난다. 풍속이 낮을 때에는 건물 주변의 공기유동이 난류와 온도차에 의한 부력에 의한 영향으로 변동성이 매우 크게 나타난다. 따라서 본 연구에서는 풍속 2.5m/s 이하일 때 풍압계수의 변동 특성을 장기간 Mock-up 실험을 통하여 분석하였다.

본 연구는 총 7장으로 구성되었으며, 각 장의 내용은 다음과 같다.

제1장에서는 연구의 배경 및 목적 그리고 연구의 범위와 방법에 대하여 기술하였다.

제2장에서는 환기량을 예측하는데 사용되는 풍압계수의 개념과 일반적으로 사용하는 풍압계수 데이터베이스를 고찰하였고, 실제 건물에서 풍압계수 측정사례에 대하여 조사하였다.

제3장에서는 Mock-up 실험에 대한 개요를 서술하였고, 측정항목과 측정기기 그리고 차압측정을 통해 풍압계수를 계산하는 내용을 기술하였다.

제4장에서는 장기 Mock-up 실험 결과에 대하여 기술하였다. 외부 풍속과 풍향분포 그리고 차압변동 특성을 기술하였으며 외부 풍속 분포와 풍향별 평균 풍속에 따라 범위를 1m/s 미만, 1m/s 이상 2.5m/s 미만, 2.5m/s 이상으로 분류하였다.

제5장에서는 4장에서 분류한 풍속 범위에 따라 풍압계수 분포 특성을 분석하였다. 먼저 외부 풍속 4m/s 이상일 때 풍압계수 분포와 AIVC 풍압계수 데이터베이스를 비교하여 검증하였다. 풍속범위에 따라 백분위로 풍압계수 분포 범위를 표현하여 분포 특성을 비교하였으며 풍향에 따른 풍압계수의 변동 경향을 나타내었다.

제6장에서는 멀티가스모니터로 측정한 환기량 측정 결과를 이용하여 풍압계수차를 계산하였다. 차압측정 결과를 이용한 풍압계수차 결과와 비교하였다. 풍속분포와 풍속범위에 따른 풍압계수 분포를 고려한 풍압계수 활용에 대하여 서술하였다.

제7장에서는 본 연구에서 도출된 결론을 기술하였으며, 내용을 요약하면 다음과 같다.

1) Mock-up 실험결과 1m/s이하 풍속이 발생할 확률은 55%, 2.5m/s이하는 85%로 도심지에서의 풍속분포는 풍속 2.5m/s이하에서의 분포가 매우 높게 나타났다. 그리고 Mock-up 실험에서는 4m/s이상 풍속 발생확률은 4%로 나타났으며 이는 서울 풍속 빈도분포에서 4m/s이상 발생확률 10%와 비교하여 주변 건물에 의한 영향으로 발생확률이 더 낮게 측정되었다.

2) 풍상측과 풍하측의 차압 변동 범위는 0~24Pa, 평균은 0.91Pa, 표준편차는 1.05Pa로 나타났으며, 상위 25% 차압 값은 1.11Pa, 하위 25% 차압 값은 0.41Pa이었다. 차압의 변동계수는 1이상으로 외부 풍속과 풍향변화에 따라 매우 큰 변동성을 보였다.

3) 풍속범위에 따라 1m/s미만에서 개구부간 차압의 변동계수 평균값은 0.87, 1m/s이상 2.5m/s미만에서는 0.40 그리고 2.5m/s이상에서는 0.28로 풍속의 세기가 커짐에 따라서 풍속의 변동성이 감소하는 것으로 나타났다.

4) 일반적 풍압계수 산정 방법인 풍속 4m/s이상일 때 풍압계수 측정 결과는 AIVC 풍압계수 분포와 유사한 변화 경향과 결과값을 나타내었다. 풍속범위에 따라 풍상측과 풍하측의 풍압계수 결과를 AIVC 풍압계수와 비교했을 때, 풍속이 2.5m/s이상이었을 때 풍압계수 측정결과와 매우 유사한 경향과 결과 값이 나타났지만 풍속 2.5m/s 미만일 때 풍압계수 측정 결과는 매우 큰 변동성을 보였으며 AIVC 풍압계수와 차이도 크게 나타났다.

5) 차압 측정결과를 이용한 풍압계수차 분포와 환기량 측정결과를 이용한 풍압계수 분포를 비교했을 때, 두 결과 모두 외부 바람의 풍향의 시시각각 변화하는 현상으로 인해 풍향 변화에 따른 풍압계수차의 변화는 뚜렷하게 나타나지 않았다.

6) 풍속의 변동계수가 1m/s미만일 때 0.4, 1m/s이상 2.5m/s미만일 때는 0.22로 풍속의 변동성이 46%감소함에 따라 풍압계수차의 변동 폭 또한 1m/s 미만일 때 1.75에서 풍속 1m/s 이상 2.5m/s 미만에서는 0.92로 47.5% 감소하는 것으로 나타났다.

따라서, 풍압계수차의 변동성은 풍속의 변동성에 기인한 것으로 본 연구에서는 도심과 같은 주변 조건에 의한 영향이 클 때, 풍속 2.5m/s미만의 풍속 발생확률을 고려한 풍압계수 변동 폭을 도출하였다. 향후 추가적인 연구를 통해 풍속 발생 확률을 고려한 풍압계수 활용 방안을 도출하여 타당성을 검증하는 연구가 필요하다.