太陽集熱窓方式 自然換氣시스템의 開發 및 性能評價

Abstract

최근의 건축물에서는 에너지 절약을 위하여 기밀성과 단열성을 향상시키고 있으며, 이를 위하여 다양한 건축자재의 사용과 신공법을 적용하고 있다. 그러나 건물의 고기밀화에 따른 환기의 부족은 실내공기오염의 새로운 문제를 발생시키고 있다. 또한 복합화학물질로 구성된 새로운 건축자재의 보급이 증가되고, 건축시공 단계에서 인공건자재의 사용에 따른 화학물질 방출량이 증대되면서 실내공기의 오염농도 증가는 새로운 환경문제로 부각되었다. 이와 같은 각종 오염물질의 농도 증가로 인하여 오염된 실내공기는 실내에서 생활하는 거주자의 건강에 직접적인 영향을 미칠 수 있으며, 최근 대두되고 있는 새집증후군의 원인이 되고 있다. 새집증후군의 대책으로서 실내 공기환경을 쾌적하게 유지하기 위해서는 오염원의 발생을 제거하는 것이 가장 근본적인 방법이 될 수 있으나 여기에는 현실적인 한계가 있으므로 충분한 환기를 실시하여 실내공기환경을 유지하는 방법이 경제적이고 현실적인 방법으로 인식되고 있다. 이에 따라 정부 차원에서도 실내공기환경의 개선을 위한 방법으로서 환기의 중요성과 효율성을 인지하고 실내공기환경의 관리를 위해 법적 기준을 제정하여 건물의 필요환기량 확보를 의무화하고 있다. 이러한 건물의 필요환기량 확보는 건물의 기밀성능이 부족했던 과거의 경우 자연환기에 의한 방법으로도 가능하였으나, 에너지 절약을 위하여 구조적으로 외피면적이 최소화되고 고기밀화 된 최근 건축물들은 더 이상 과거와 같은 자연환기효과를 기대하기 어려운 상황이 되었다. 따라서 최근 건축물에서 필요환기량의 확보를 위해서는 기계적인 환기설비에 의해 실내환기량을 증대시킬 수 밖에 없는 상황이다. 그러나 건물의 실내공기질개선을 위한 환기량의 증가는 실내 열환경의 악화뿐만 아니라 냉난방부하의 증대를 초래하게 된다. 특히 사계절의 변화가 뚜렷한 우리나라에서는 신선외기의 도입에 의한 환기부하가 건물에너지 소비량에 미치는 영향이 상대적으로 크게 나타날 수 있다. 또한 기계환기설비의 도입은 지속적인 환기량의 확보가 가능한 장점이 있으나 환기설비의 운영에 따르는 에너지소비량이 증가되는 단점을 가지고 있다. 그러므로 건물의 환기를 위한 에너지비용과 실내공기환경 개선이라는 상반된 측면의 문제를 종합적으로 고려할 때 환기의 효율성을 극대화함과 동시에 에너지를 절감할 수 있는 환기방법이 필요하다. 현재 이에 대한 대책으로서는 에너지 절약적 측면에서 자연에너지를 최대한 활용하여 거주공간에 일정 환기량을 확보하는 방안이 바람직하다 할 수 있다. 본 연구에서는 건물의 창호에서 태양열에 의한 공기의 유동현상을 활용한 환기에 의하여 실내공기질 향상 및 에너지 절감효과를 이룰 수 있는 태양집열창 자연환기시스템을 제안하고 이에 대한 성능 평가를 실시하여 실질적인 적용방안을 제시한다. 본 논문은 다음 7개의 장으로 구성되었으며 각 장의 구체적인 내용은 다음과 같다. 제 1장에서는 연구의 배경 및 필요성, 연구의 목적, 범위 및 방법에 대하여 기술하였으며 연구의 방향을 설정하였다. 제 2장에서는 본 연구의 기본 이론에 대한 검토로서 실내공기환경 개선을 위한 환기시스템의 기본 이론과 축소모델의 실험 이론을 검토하고 전산유체역학(CFD: Computational Fluid Dynamics) 시뮬레이션의 기본이론으로서 Standard k-ε 모델과 RNG k-ε 모델의 비교 분석을 실시하였다. 제 3장에서는 태양열 환기시스템의 자연환기 성능 평가를 위하여 환기구의 형상을 대상으로 실험 모델을 제작하고, 이에 대한 환기성능을 평가한다. 환기성능 평가 결과는 전산유체역학 시뮬레이션의 해석치와 비교, 검증을 위한 데이터로 활용하도록 하였다. 제 4장에서는 다양한 환기구의 형상에 따른 수치해석 결과와 실험결과를 비교함으로서 시뮬레이션의 해석치를 검증하고 도출된 결과를 이용하여 최적형상의 환기구를 제안하였다. 제 5장에서는 태양열 환기시스템의 겨울철과 여름철 현장 적용성 평가를 위하여 실물 모델을 대상으로 적용하여 환기량의 확보를 평가지표로 하는 실험내용과 결과를 기술하였다. 제 6장에서는 모델실험, 현장실험, 수치해석 및 에너지 시뮬레이션의 결과를 종합적으로 분석하여 환기시스템의 적용에 따른 실내 환기효과와 연간 에너지절감효과를 분석하였다. 제 7장에서는 현재까지 본 연구를 통해 도출된 결론을 기술하였으며, 그 내용을 요약하면 다음과 같다. 1) 축소모델실험을 통하여 환기구의 폭에 의한 취출온도는 환기구의 폭 d=200mm의 경우가 가장 유리한 것으로 나타났으며, 이 때 축소모델에서의 취출풍속 0.13～0.47m/s의 분포는 축소모델에 대한 상사법칙을 적용하면 실제 모델의 경우 0.23～0.84m/s로 환산된다. 2) 해석을 위한 이론 모델로서는 Standard k-ε 모델보다 RNG k-ε 모델의 경우가 실측치에 근사한 결과를 나타냈고, 시뮬레이션 결과로서 환기구의 폭 d=200mm, 집열면 경사는 45도인 경우가 가장 유리하게 나타났으며, 하부 컨벡터를 가동할 경우 야간에도 운영이 가능한 것으로 예측되었다. 3) 현장측정 결과 태양집열창 환기시스템은 겨울철에 주간 평균 52㎥/h(환기회수 1.213회/h)의 환기량을 나타냈으며, 여름철에는 주간평균 48㎥/h(1.121회/h)의 환기량을 나타냈다. 4) 1,000W×2,000H×200D인 크기를 가진 태양집열창 환기시스템의 겨울철 환기량을 층고 2,350mm인 일반 공동주택의 공간에 환기회수 0.7회/h을 기준으로 적용하면 31.6㎡의 면적에 환기가 가능한 것으로 나타났으며, 동일한 조건에서 여름철 환기량을 기준으로 할 경우 28.6㎡의 바닥면적을 담당할 수 있는 것으로 나타났다. 5) 태양집열창 환기시스템의 환기효율을 예측하기 위하여 32평형의 공동주택을 대상으로 CFD 시뮬레이션을 실시한 결과 세대 전체 공기령 평균은 90.3min으로 나타나 명목시간 상수 82.9min을 기준으로 환기효율을 계산하면 0.918로 나타났으며, 이러한 환기효율은 완전혼합에 근접하고 있는 기류분포가 형성되어 양호한 공기질을 확보할수 있는 것으로 나타났다. 6) 태양집열창 환기시스템의 에너지 성능을 예측하기 위하여 32평형의 공동주택을 대상으로 에너지 시뮬레이션을 실시한 결과 0.7회/h의 동일한 환기량을 적용하였을 때 기계환기시스템의 연간 냉난방부하 합계는 13,340Mcal/y로 나타났으며, 태양집열창 환기시스템의 경우 총합계는 11,905Mcal/y로 나타나 시스템의 적용에 의한 전체적인 에너지 절감효과는 10.8%로 나타났다.; Owing to the development of architectural techniques, performance of insulation and airtightness has been rapidly improved but the lack of ventilation followed by this situation causes pollution of indoor air. Polluted air may influence health of the indoor residents directly. Nowadays most of the houses and residences in Korea depend upon natural ventilation or partial ventilation in fact but these kinds of ventilation methods are not enough to secure continuous and appropriate ventilation capacity. Especially, in summer and winter season reasonable ventilation plan with the consideration of energy consumption according to the ventilation is necessary. Thus, development of the ventilation system to secure necessary ventilation quantity and achieve the effectiveness to save energy is required. In this study, natural ventilation system to get the effectiveness to improve indoor air and save energy by using solar energy is proposed for the residential houses and buildings and performance evaluation of the proposed system was made through the experiments of scale models and computer simulations. And the natural ventilation system using the solar heat-collecting window, which the solar collector is embedded into the inside of the double walls, was suggested and the effects of the indoor ventilation and heating were examined in full scale model. In addition, a proposal for using the floor heating coils, which are established in most of the apartment houses in Korea, for the inside of the ventilation system was also suggested in order to secure the ventilation capacity at the time of a short daylight duration and at night. Finally, it was evaluated whether the system can secure enough ventilation capacity or not. Furthermore, building cooling and heating load, air distribution in residential space were evaluated by computer simulation to investigate the energy and ventilation efficiency. This study provided the following conclusion. 1) Through the model experiments, as for supplying temperature by the changing distance of the ventilator, the best result has been achieved when d=100mm but as for obtained speed, the result was the worst. Thus, considering both elements of the temperature and speed, the data in d=200mm was the most adventurous. 2) Considering the result of CFD simulation, general ventilation performance was most excellent during the distance of 200mm and the tilt angle 45 which was the same as the result of the model experiment that had been practiced before. Considering the comparison result between the model of Standard k-ε and the model of RNG k-ε, it was showed that the result in the application of RNG k-ε was more similar to the practical measurement value. This is judged from the fact that RNG k-ε can materialize effectively the influence of floatation by natural convection current. 3) In full scale model experiment, the ventilation rate used the solar heat ventilation window during daytime was 52CMH equal to 1.213 time/h in winter season and ventilation rate used the same natural ventilation system was 48CMH equal to 1.121 time/h in summer season. 4) From the result of full scale model experiment, the minimum air change per hour by solar collector window in winter was 1.213 time/h, this capacity could supply the fresh air for 31.6㎡ of residential area to secure 0.7 time/h of ACH when ceiling height is 2,350mm. In case of summer, the capacity could apply to 28.6㎡ of area. 5) From the result of ventilation efficiency prediction for the 85㎡ area of practical residential building by CFD simulation, it was found that average age of air was 90.3min, nominal time constant was 82.9min. So total average ventilation efficiency was 0.918, this value means about 92% of indoor air could be mixed. 6) In energy simulation, natural ventilation system by solar collector window could reduce the total annual building cooling and heating load by 10.8% So, it can be told that the ventilation system using the solar collector window is superior to that using the mechanical ventilation system, since the solar collector window can reduce the building energy.