[논문]개별공조시스템(PACA)을 적용한 작업공간에서의 온열환경 특성 및 쾌적성 평가

최익순; 정광섭; 박영철; 한화택; 이정재

문제 정의

따라서, 본 연구에서는 인공기후 실험실에 개별공조모듈(Personal Environmental Module, PEM) 을 제작, 설치하고 피험자 참여 실험을 통하여, 급기온도 변화에 따른 작업영역(Task area) 중심에서의 온열 환경요소 측정과 피험자의 피부 온도 측정 및 주관적 온열감 조사를 위한 설문조사를 바닥 급기 공조 방식만의 경우와 비교 분석하는 방법으로 실험을 실시하여, 추후 개별 공조 시스템의 최적 설계 및 오피스 환경에의 적용시 유용한 기초 자료의 제시를 목적으로 실시하였다.
또한 실험에 참가한 후 다음 실험까지 전실에 거주하면서 중분한 시간 간격을 두어 실험을 진행하는 방식으로, 실험 중 감각 수용기를 통해 얻어진 환경자극으로 인한 피험자의 심리·생리적 감각의 피로롤 최소화하고자 하였다. 이를 위해 실험에 참여하는 피험자는 실험 전 실험시 주의사항 및 설문작성 요령을 숙지한 후 실험에 참여하였다.
온열 환경 실험과 피부 온도 측정 동안 피험자는 주관적 온열감 조사를 위한 설문을 받았다. 피험자가 응답해야 하는 온열감과 쾌적감의 척도를 Table 3에 나타내었으며, 이는 ASHRAE에서 제시한 심리·생리학적 반응 척도인 온열감은 7단계 척도를, 쾌적감은 4단계 척도를 사용하였다.

제안 방법

1온 인공기후 실험실의 전체 계통을 나타내며 기본적으로는 바닥급기공조방식이 설비되어 있다. AHU로부터 하부 플래넘을 통해 전달된 공조 공기는 바닥의 급기구(4개, 20×40cm)를 통해 실내로 공급되고, 다시 상부 천정면의 배기구(4개, 30×30cm)를 통해 빠져나가 공기의 순환이 이루어지며, 이때 전체 풍량은 유지하면서 풍량비 조절을 통하여 일부를 PEM을 통한 작업 영역으로의 취출이 가능하도록 구성되었다. Table 1에 실험실의 운전조건을 정리하여 나타냈다.
비교, 분석하였다. 또한 이들 지표들과 전술한 온열 환경요소들과의 상관관계를 통해 공조방식 및 급기 조건 변화에 따른 온열 환경 요소들 각 상태 값과 피험자의 쾌적과의 관계를 살펴보았다.
본 실험에 적용된 개별공조 시스템과 바닥 급기 공조 시스템의 쾌적성 평가를 위하여, 먼저 각각의 경우에서 실험에 참여한 피험자의 평균 피부 온도변화 및 신체의 국부적 온도 변화를 관찰하였고, 쾌적지표로 널리 이용되고 있는 온열예상감(Predicted mean vote, PMV) 계측값과 실험에서 조사된 온냉감신고(Thermal Sensation Vote, TSV) 을 비교, 분석하였다. 또한 이들 지표들과 전술한 온열 환경요소들과의 상관관계를 통해 공조방식 및 급기 조건 변화에 따른 온열 환경 요소들 각 상태 값과 피험자의 쾌적과의 관계를 살펴보았다.
본 실험에서 각 온열 환경요소의 측정값은, 피험자가 실험실 기후에 적응되었다 판단되는 시점(실험시작 후 30분 이후)을 기준으로 피부 온도측정과 온열감 응답이 이루어지는 90분 동안의 데이터를 추출하였다.
본 실험에서 개별공조 시스템의 온열 환경의 특성과 피험자의 주관적 온열감 설문신고를 통한 쾌적성 평가를 실시한 결과 다음과 같은 결과를 얻었다.
본 실험은 작업 영역에 피험자를 재실시킨 가운데, 취출 공기의 온도를 변화시켜 가면서 개별 공조 시스템(PACS)과 바닥 급기 공조 시스템(Under Floor Air-Conditioning System, UFACS)을 동시에 적용시킨 경우와 UFACS만의 경우로 나누어 실시되었으며, 온열 환경 요소 측정을 위해 실험실 내대표점에 K-type의 열전대와 작업 영역의 중앙점에 PMV 계측기를 두었다.
하였다. 취출 공기의 온도조건은 22℃, 24℃, 26℃로 2℃씩 변화를 주었고, 외기설정은 온도만을 30℃로 제어하였다. 그 외 실험을 위한 설정 값들은 일정 범위의 값을 갖도록 설정하였다.

대상 데이터

본 실험은 부산직할시 D대학의 4층 건물 내에 특별히 설계된 인공 기후 실험실(500^W×345^L×225^H cm)에서 수행하였다. Fig.
측정 방법에 준하였다. 실험에서 피험자는 매 실험당 1명을 입실토록 하였고, 착의량 및 활동량에 엄격한 제한을 두어 복장은 하절기 실내 평상복인 팬티, 런닝 셔츠, 반팔 티셔츠, 바지를 착의하였으며 의복 열저항 단위인 clo 값은 0.49clo이다. 실험 중 피험자의 활동은 가만히 얁은 자세의 가벼운 움직임만 허용하였고, 이 때 대사량은 1.
또한 실험에 참가한 후 다음 실험까지 전실에 거주하면서 중분한 시간 간격을 두어 실험을 진행하는 방식으로, 실험 중 감각 수용기를 통해 얻어진 환경자극으로 인한 피험자의 심리·생리적 감각의 피로롤 최소화하고자 하였다. 이를 위해 실험에 참여하는 피험자는 실험 전 실험시 주의사항 및 설문작성 요령을 숙지한 후 실험에 참여하였다.

이론/모형

온열 환경 측정 동안 건강한 20대 남자 대학원생 5명을 대상으로 신체 9점(얼굴, 가슴, 등, 복부, 팔, 손등, 대퇴, 종아리, 발등)에 열전대를 부착하여 신체 부위별 피부 온도와 평균 피부 온도를 측정하였으며, 이는 Mitchell & Wyndhm이 제안한 평균 피부 온도 측정 방법에 준하였다. 실험에서 피험자는 매 실험당 1명을 입실토록 하였고, 착의량 및 활동량에 엄격한 제한을 두어 복장은 하절기 실내 평상복인 팬티, 런닝 셔츠, 반팔 티셔츠, 바지를 착의하였으며 의복 열저항 단위인 clo 값은 0.
피험자가 응답해야 하는 온열감과 쾌적감의 척도를 Table 3에 나타내었으며, 이는 ASHRAE에서 제시한 심리·생리학적 반응 척도인 온열감은 7단계 척도를, 쾌적감은 4단계 척도를 사용하였다.

성능/효과

(1) 전체적인 온열 환경 평가에서 개별공조시스템을 적용한 경우, 바닥 급기만의 경우보다 작업 영역에서의 보다 낮은 실내 온도 분포를 유지하는 것으로 조사되었다. 다만 PEM의 영향으로 작업 영역에서의 재실자에게 직접 취출되는 기류에 의한 불쾌감에 대한 고려가 필요할 것으로 사료된다.
(3) 개별공조 시스템에서는 바닥 급기만의 경우보다 약간은 높은 온도 조건에서도 재실자가 쾌적을 신고하는 것으로 조사되었으나, 쾌적 범위를 벗어날수록 민감하게 반응하여 온냉감을 신고하는 것으로 조사되었다.
(4) ISO-7730에서 권장하는 쾌적 범위와 본 실험에서 얻어진 결과를 비교해보면 먼저, PMV= 0에서 개별 공조의 경우 TSV = 1.2, 바닥 급기의 경우 TSV=0.37로 나타났고 쾌적 범위로 알려진 -0.5<PMV<0.5 범위에서는 개별공조 시스템의 경우 0.47<TSV<1.96, 바닥 급기 공조 시스템의 경우에는 -0.11<TSV<0.86로 보다 높게, 그리고 넓은 범위를 나타냈다.
Fig. 5는 각 경우에서 평균 상대 습도를 나타내는 것으로, 22r 조건에서는 다른 두 온도 조건에 비해 Case-A의 경우에는 평균 33.90%로, Case-B에서는 평균 34.92%로 전체 온도 조건에서의 평균 46.08%보다 약 11.7% 낮은 습도 분포를 보이고는 있으나, ASHRAE Standard 55-1992^⑶에서 제시하는 30-60% 범위와 비교하면 Case-A와 Case-B의 전체 온도 조건에서 범위를 만족하는 것으로 나타났다. 또 대체적으로 Case-A의 경우(평균 47.
다음으로, Fig. 11은 두 가지 공조 방식에서 평균 피부 온도(MST)와 응답 온열감과(Thermal Sen sation Vote, TSV)의 상관관계를 나타낸 것으로, 온열적으로 중립을 신고하는 평균피부 온도는 개별공조일 때 33.55r, 바닥 급기공조일 때 33.03℃로, 피험자는 개별 공조시스템을 적용한 실험에서약간 높은 피부 온도에서도 쾌적을 신고한 것으로조사되었지만, 개별 공조 시스템에서의 피험자는 평균 피부온도 변화에 민감하게 반응하여 온냉감을신고하는 것으로 나타났다.
21℃ 낮게 나타났다. 또한 AS HRAE Standard 55-1992가 제시하는 여름철 23 〜26℃ 범위와 비교해 볼 때, 급기온도 조건 22℃ 에서는 Case-A, Case-B 두 경우 모두 24.31℃, 24.38℃로 권장 범위를 만족하는 것으로 조사되었고, 24℃의 경우에는 Case-A의 경우에서만 평균 25.72℃로 만족하였으며, Case-B의 경우는 26.1℃로 범위를 약간 벗어났다. 또한 26℃의 경우에는 두 경우 모두 26.
또한 그람에서도 알 수 있듯이 Case-A의 경우 개별 공조 시스템의 장점인 재실자 주변에서의 낮은 온도 분포는 그다지 뚜렷하게 나타나지 않았고, 또한 같은 온도 조건의 바닥 급기 공조 시스템과 비교하여 볼 때 PEM을 기준으로 뒤쪽의 온도 상숭을 발견할 수 있었다. 이는 PEM에서의 공기를 급기하기 위하여 작동되는 팬의 영향으로, 본 실험에서 사용된 PEM에는 냉각코일이 설치 되어 있지 않아 바닥 플래넘을 통과한 공기가 팬을 통과하면서 공기의 온도가 상승하고, 온도가 상승된 공기가 곧바로 PEM 통해 급기되어 작업영역에서의 낮은 온도 분포를 발견할 수 없었던 것으로 사료된다.
12는 시간 변화에 따른 주관적 온냉감 신고(TSV)의 변화를 보여주고 있는데, Case-A에서는 22℃, 24℃에서는 약간 서늘하다고 신고한 반면, Case-B에서는 두 온도 조건에서 대체로 덥지도 춥지도 않은 것으로 신고하였고, 26℃에서는 Case-A, Case-B 두 경우 모두 약간의 더위를 신고하고 있다. 또한 피험자의 온냉감 신고는 쾌적(TSV=0)에서 멀어질수록 불규칙한 형태를 보이고, 쾌적하다 느끼는 동안에는 비교적 일정한 형태를 보이는 것을 볼 수 있다.
먼저, Fig. 13의 작용 온도(Operate Tempera ture, OT)와 응답 온열감(TSV)의 관계에서는 Case-A, Case-B 두 경우 모두 급기 온도상승에 따라 온냉감 수치가 상승하는 것을 볼 수 있고, Case-A 경우에 좀더 높은 온도에서도 쾌적(TSV=0)을 신고하는 것으로 나타났다. 이때의 작용온도는 Case-A에서 25.

후속연구

92m/s로 값의 변동폭이 크게 나타나 task area에서 재실자의 불쾌감의 직접적인 영향으로 사료된다. 따라서 추후 PEM 제작 시 기류에 의해 생기는 불쾌감에 대한 충분한 고려가 필요할 것으로 생각된다.

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