자연환기를 위한 설계 기준 풍속에 관한 연구

Abstract

최근 건축물에서 필요 환기량을 확보하기 위해 공동 주택 및 다중 이용시설 기준 등의 환기 기준을 제정해 0.7회/h 이상을 만족하도록 의무화 하였다. 이러한 건물의 필요 환기량 확보를 위해 24시간 상시 환기설비인 기계환기와 자연환기 설비가 적용되고 있다. 그러나, 열교환기가 설치된 기계환기의 경우, 우리나라의 기후특성으로 인한 열교환 효율이 낮아 환기설비 운영에 따르는 에너지 소비량이 증가하고 있다. 따라서, 자연환기의 도입이 시급한 실정이지만 기상조건과 같은 건축물의 계획 단계에서 사용 할 수 있는 자연환기 설계 기준의 부재와 설계 후 성능 평가 단계에서 평가 기준의 타당성 부재로 인해 자연환기의 도입 뿐만 아니라 자연환기의 설계와 평가에 어려움이 따르고 있다. 이에 본 연구에서는 확률론적 방법인 와이블 분포를 이용해 자연환기 설계시 계획 단계에서 사용할 수 있는 전국 76개 지역별 건축물의 자연환기를 위한 설계 기준 풍속과 자연환기 성능 평가방안을 제안하고, Moke-up 실험을 통하여 자연환기 설계 기준 풍속과 평가 방안의 타당성을 검증하였다. 본 연구는 총 5장으로 구성되었으며, 각 장의 내용은 다음과 같다. 제1장에서는 연구의 배경 및 목적, 연구의 범위 및 방법에 대하여 기술하였고, 현재 국내외에서 자연 환기의 설계를 위해 사용되고 있는 설계풍속에 고찰하였다. 제2장에서는 자연환기 설계 풍속의 원시데이터(Raw Data)로 사용할 풍속 관련 기상데이터를 선택하기 위해 풍향, 풍속 항목에 대해 TMY2의 표준 기상데이터와 기상청 실측 기상데이터를 비교 분석하였다. 제3장에서는 제2장에서 선택한 기상청 기상데이터, 1998년～2007년까지 10년간의 데이터를 바탕으로 통계적 확률 분포인 와이블 분포를 이용해 전국 76개 지역별 건축물의 자연환기를 위한 설계 기준 풍속을 제안하였다. 또한, 연속한 1일～7일까지의 연속 일 분포에서 제안한 설계 기준 풍속의 초과확률을 이용해 자연환기 설계 후 성능 평가 단계에서 적용 가능한 자연환기 성능 평가 기간을 제안하였다. 제4장에서는 장기간의 Moke-up 실험을 통한 실제 자연환기량과 본 연구에서 제안한 설계 기준 풍속에 따른 설계값을 비교하여, 제안한 설계 기준 풍속과 평가기간의 타당성을 검증하였다. 제5장에서는 본 연구에서 도출된 결론을 기술하였으며, 내용을 요약하면 다음과 같다. 1) 서울 지역의 와이블 계수 c는 2.36, k는 1.63으로 조사되었고, 그밖에 전국 75개 지역도 지역별 풍속 특성에 따라 와이블 계수 c와 k를 제시하였다. 또한, 각 지역별 지표면의 거칠기 특성에 따라 보정한 전국76개 지역의 자연환기 설계 기준 풍속(U_(50))을 제안하였다. 2) 자연환기 설계 기준 풍속(U_(50))과 일별 외기풍속에 대한 확률적 분석을 통하여, 자연환기 설계값 검증을 위해서는 연속된 6일이상의 측정이 필요한 것으로 조사되었다. 3) 자연환기 설계 기준 풍속(U_(50))과 성능평가 기간의 검증을 위하여 장기간의 Moke-up 실험을 실시하였다. 실험결과, 연속된 6일이상의 자연환기량은 설계값과 10%이내에서 일치하고 있는 것으로 조사되어 본 연구에서 제안한 자연환기 설계 기준 풍속(U_(50))과 성능 평가 기간의 타당성을 검증 하였다. 4) 본 연구에서 제안한 각 지역별 자연환기 설계 기준 풍속(U_(50))과 건축물에 적용되는 자연환기구의 물성치인 면적, 유량계수와 풍압계수를 이용하면 건축물의 설계 단계에서 환기목표를 만족 할 수 있는 환기 계획이 가능 할 것으로 판단된다. 또한, 설계된 자연환기의 현장 성능 검증을 위해서는 최소 6일 이상의 환기량 측정이 필요 할 것으로 판단된다.; Recently, energy consumption is increasing with satisfaction of inquired ventilation rate and with operation of mechanical ventilation equipment. Therefore, natural ventilation is required. But, it is difficult to design and evaluate as well as to introduce natural ventilation because of absence of criteria of design and valid evaluation of natural ventilation. So, the purpose of in this study is to propose design criteria of wind velocity for designing natural ventilation(U_(50)) and evaluation period for verifying the performance able to use on the step of verification after designing natural ventilation. Also, to verify them moke-up test during long period (about a month) was conducted. This study consists of five chapters and the content of each chapter is as follows; Chapter 1 introduces the purpose, background, the scope and method of this study and considers criteria of wind velocity used for designing natural ventilation. Chapter 2 compares standard wether data of TMY2 and weather data from the Meteorological Administration about wind velocity and wind direction to select raw data for designing natural ventilation. Chapter 3 proposes design criteria of wind velocity for natural ventilation based on the hourly wind data over ten years (1998.1.1～2007.12.31) in 76 cities using weibull distribution. Also, evaluation period for verifying the performance of natural ventilation is proposed able to use on the step of verification of performance after designing natural ventilation. Chapter 4 verifies valid of evaluation period and design criteria of wind velocity through comparison between natural ventilation rate from Moke-up test and design value applying design criteria of wind velocity proposed in this study. Chapter 5 is the conclusion of this study and the summary is as follows; 1) The weibull parameters c and k in Seoul were 2.36(c) and 1.63(k). Also, weibull parameters of the other 75 cities were proposed by characteristics of wind velocity. And design criteria of wind velocity for natural ventilation(U_(50)) corrected by characteristics of surface roughness of the cities was proposed. 2) Measurement for more than consecutive 6 days considered to be necessary for verifying design value for natural ventilation by means of probabilistic analysis on design criteria of wind velocity for natural ventilation (U_(50)) and exterior wind velocity. 3) To verify design criteria of wind velocity for natural ventilation(U_(50)) Moke-up test during long period was conducted. As a As a result of the experiment, natural ventilation rate for more than consecutive 6 days was consistent with the range of ±10% of design value(1.32ACH). So, design criteria of wind velocity for natural ventilation(U_(50)) and evaluation period for verifying the performance of natural ventilation considered to be valid. 4) Ventilation plan satisfied with ventilation standard is possible if design criteria of wind velocity for natural ventilation(U_(50)) proposed in this study and dimension, flow coefficient and wind pressure coefficient of natural ventilator are used. Also, measurement for more than consecutive 6 days considered to be necessary for verifying the performance of natural ventilation.