[논문]인간의 열적 적응성을 고려한 퍼스널 공조시스템의 개발

송두삼

문제 정의

2.1 을 근거로 하여, 본 연구에서는 쾌적하면서 에너지 절약적인 퍼스널 공조시스템의 구비조건으로 다음 사항을 제안하며 지속적인 연구를 통해 이러한 사항들을 반영한 새로운 퍼스널 공조시스템을 개발하고자 한다.
특히 본 논문에서는 기존의 퍼스널 공조시스템의 문제점을 실제 사용자 및 시스템 설계자에 대한 현장 설문조사를 통해 조사하고, 또한 실험실에서 피험자 실험을 통해 기존의 퍼스널 공조시스템에 대한 이용형태와 문제점 등을 분석한다. 그리고 이러한 결 과를 바탕으로 새 로운 퍼 스널 공조제 어 논리를 제안하고자 한다.
따라서 본 연구에서는 새로운 쾌적하면서 에너지 절약적인 퍼스널 공조시스템 및 시스템 제어 논리를 개발하는 것을 목적으로 하고 있다. 특히 본 논문에서는 기존의 퍼스널 공조시스템의 문제점을 실제 사용자 및 시스템 설계자에 대한 현장 설문조사를 통해 조사하고, 또한 실험실에서 피험자 실험을 통해 기존의 퍼스널 공조시스템에 대한 이용형태와 문제점 등을 분석한다.
본 실험은 기존형 퍼스널 공조시스템의 온열 쾌적성 및 제어특성을 파악하고, 그의 문제점을 유출하여 보다 효율적인 퍼스널 공조시스템을 설계하기 위한 기초적 데이터를 구축하는 것을 목적으로 한다.
본 연구에서는 기존형 퍼스널 공조시스템 관리/ 사용상의 문제점을 설문조사 및 피험자 실험을 통해 규명하고 그 개선안으로 새로운 퍼스널 공조시스템을 제안하였다.
본 연구에서는 실제 퍼스널 공조시스템를 사용하고 있는 재실자 및 퍼스널 공조시스템 관리자들에게 설문조사를 통해 기존의 퍼스널 공조시스템의 문제점에 관하여 조사하였다.

가설 설정

실험은 실온/습도 일정의 온열 환경 실험실에서 실시되었다. 실험은 하기의 옥외환경(30℃, 60%)과 오피스 환경조건을 가정하여 실시하였다. 검토 케이스는 퍼스널 공조를 사용하지 않은 경우(easel), 즉 옥외환경에서 이동으로 인하여 열적으로 불쾌한 피험자가 설정온도 28℃ 기존의 공간에 있는 경우와 퍼스널 공조시스템을 사용하지만 취출온도는 엠비엔트 온도와 동일(28℃)하게 설정하여 기류감만을 이용하는 경우(case2), 그리고 퍼스널 공조의 취출온도 26℃로 설정하여 온도변화를 허락한 경우(case8어) 대한 열적 특성을 검토하였다.

제안 방법

(2) 피험자 실험을 통해 엠비엔트 설정온도 28℃에 대한 환경수용도 및 퍼스널 공조 사용 전후에 대한 온냉감을 비교하였다. 퍼스널 공조를 도입함으로써 열적으로 '중립'에 신고한 비율은 여자가 퍼스널 공조 사용 전의 약 1.
(3) 기존형 퍼스널 공조시스템 사용상 온열 생리/심리상의 문제점을 피험자 실험을 통해 분석하였다. 실험 결과 약 1/3의 피험자가 퍼스널 공조시스템을 사용할 경우 부위별 온냉감 차이로 인해 불쾌감을 느끼는 것으로 나타났다.
(5) 위의 연구결과를 바탕으로 본 연구에서는 인간의 열적 적응특성을 고려한 '완화시간'이라는 개념을 이용하여, 퍼스널 공조시스템의 제어를 보다 면밀하게 함으로써 불필요한 에너지 낭비를 방지하면서 열적으로도 쾌적함으로 도모할 수 있는 시스템을 제안하였다.
가장 큰 특징으로써, 본 연구에서는 MD 개폐 장치를 사용함으로써 취출풍량에 대해 자동적으로 시간조정이 가능하다는 것과, 개방장치를 조작할 경우 동작시간 약 3초 후에 전 폐쇄 t 전 개방이 되며, 폐쇄장치를 조작할 경우, 동작시간 30초〜5분 후(시간은 조절 가능)에 전 개방-전 폐쇄가 가능한 시스템이다. 이것은 옥외로부터 입실하여 착석한 직후와 더위를 느낄 경우, 체온을 급히 낮출 필요가 있을 경우에 필요에 따라 냉기를 단시간에 공급 가능하다는 것과 자동시간 조절모드를 적용함으로써 냉기를 지속적으로 공급함으로 인해 쾌적선을 넘어 추위를 느끼기 전에 시스템 가동을 조절함으로써 에너지 절약을 도모하고자 하는 의도에서 개발되었다.
실험은 하기의 옥외환경(30℃, 60%)과 오피스 환경조건을 가정하여 실시하였다. 검토 케이스는 퍼스널 공조를 사용하지 않은 경우(easel), 즉 옥외환경에서 이동으로 인하여 열적으로 불쾌한 피험자가 설정온도 28℃ 기존의 공간에 있는 경우와 퍼스널 공조시스템을 사용하지만 취출온도는 엠비엔트 온도와 동일(28℃)하게 설정하여 기류감만을 이용하는 경우(case2), 그리고 퍼스널 공조의 취출온도 26℃로 설정하여 온도변화를 허락한 경우(case8어) 대한 열적 특성을 검토하였다. 실험기간 중 퍼스널 공조의 취출 풍속은 2.
온냉감 신고 스케일은 ASHRAE 의 7단계 스케일을 채용하였다. 또한, 피부온도는 Hardy & Dubios의 7점 법 (머리(T₁), 상완(T₂), 손(T₃), 발(T₄), 종아리(T₅), 허벅지(T₆), 몸통(T₇))을 이용하여, 10초 간격으로 연속적으로 측정하였다. 다음 식(1)은 Hardy & Dubios의 7점법에 의한 인체 평균 피부온도(T_skin)를 산출하는 식이다.
온냉감에 대한 설문은 전실에서는 보행개시 후 10분 경과한 시점에서 1회, 입실 후, 전반의 20분간은 5분씩 온냉감 신고를 실시하였으며, 후반 40분간은 10분 간격으로 온냉감 신고를 하도록 하였다. 또한, 피부온측정용 열전대를 이용하여 피험자의 피부온도를 측정하여 온열 환경에 대한 심리적, 생리적 변화를 연속적으로 기록하였다. 온냉감 신고 스케일은 ASHRAE 의 7단계 스케일을 채용하였다.
Table 1은 실험실 조건을 보여주고 있다. 실험실은 엠비엔트 공조로써 실내온도를 28℃, 상대습도를 50% 일정하게 조절하며, 피험자는 필요에 의해 책상에 설치된 퍼스널 공조시스템을 조절함으로써 자신의 온열감을 조절하도록 하였다. 본 실험의 퍼스널 시스템은 가장 일반적인 시스템으로 미국에서 제작된 J사의 시스템을 이용하였다.
0m/s를 유지하였고, 상시 수평방향 취출로써 피험자의 얼굴에는 기류가 노출되지 않도록 고려하였다. 엠비엔트 공조는 바닥 취출 공조를 사용하였고, 냉기가 바닥에서 취출되어 천정을 통해 배출시킴으로써 실온을 281 일정하게 유지하도록 하였다.
피험자는 옥외환경을 가정한 전실 (30℃, 60%)에서 20분간 보행을 한 후, 실험실에 입실, 60간의 테스트 워크를 실시하였다. 온냉감에 대한 설문은 전실에서는 보행개시 후 10분 경과한 시점에서 1회, 입실 후, 전반의 20분간은 5분씩 온냉감 신고를 실시하였으며, 후반 40분간은 10분 간격으로 온냉감 신고를 하도록 하였다. 또한, 피부온측정용 열전대를 이용하여 피험자의 피부온도를 측정하여 온열 환경에 대한 심리적, 생리적 변화를 연속적으로 기록하였다.
완화시간을 측정하기 위하여 피험자 실험을 실시하였다. 실험은 실온/습도 일정의 온열 환경 실험실에서 실시되었다.
이를 위해서는, 인간의 열적 적응성(Thermal adaptability)을 의식하여 제어방법을 보다 간단하고 개별제어성을 중시한 유닛의 작성을 검토하였다. 새로운 퍼스널 공조 유닛은 탁상용 취출구, 동작시간 조절용 MD 개폐장치, 흡기/배기 장치 및 컨트롤러, 이상의 4부분으로 구성되어 있다.
인간의 온열환경에의 적응능력을 고려하여, 퍼스널 공조시스템의 온열감 완화시간(Alleviation time) 이라고 하는 개념을 도입하였다. 완화시간이란, 인체가 옥외환경 또는 열적으로 불쾌한 상태에서 실내 작업영역으로 들어온 후, 어떠한 공조 조건에서 온냉감이 중립상태가 될 때까지 소요되는 시간을 의미하고 있다.
피험자는 실험실에 입실 후 30분간 28℃의 환경에 대기한다. 입실 후 25분에 28℃ 환경에 있어서 환경수용도, 온냉감, 쾌적감의 설문(온냉감, 쾌적감 신고)을 실시한다. 입실 후 30분부터 퍼스널 공조 유닛을 작동하며, 피험자는 자신의 취향에 따라 자유롭게 제어를 할 수 있도록 하였다.
입실 후 25분에 28℃ 환경에 있어서 환경수용도, 온냉감, 쾌적감의 설문(온냉감, 쾌적감 신고)을 실시한다. 입실 후 30분부터 퍼스널 공조 유닛을 작동하며, 피험자는 자신의 취향에 따라 자유롭게 제어를 할 수 있도록 하였다. 실험실에서의 피험자의 행동은 실험실 천정에 설치된 관찰용 비디오카메라에 의해 기록되며, 이것은 실험 후 피험자의 제어특성을 분석하는 자료로 사용되었다.
특히 본 논문에서는 기존의 퍼스널 공조시스템의 문제점을 실제 사용자 및 시스템 설계자에 대한 현장 설문조사를 통해 조사하고, 또한 실험실에서 피험자 실험을 통해 기존의 퍼스널 공조시스템에 대한 이용형태와 문제점 등을 분석한다. 그리고 이러한 결 과를 바탕으로 새 로운 퍼 스널 공조제 어 논리를 제안하고자 한다.
실험실에서의 피험자의 행동은 실험실 천정에 설치된 관찰용 비디오카메라에 의해 기록되며, 이것은 실험 후 피험자의 제어특성을 분석하는 자료로 사용되었다. 퍼스널 공조 작동개시 후 20분간은 2분 간격으로, 그 이후에는 10분 간격으로 온냉감, 쾌적감에 대한 설문을 실시하였다.
55 clo로 설정하였다. 피험자는 옥외환경을 가정한 전실 (30℃, 60%)에서 20분간 보행을 한 후, 실험실에 입실, 60간의 테스트 워크를 실시하였다. 온냉감에 대한 설문은 전실에서는 보행개시 후 10분 경과한 시점에서 1회, 입실 후, 전반의 20분간은 5분씩 온냉감 신고를 실시하였으며, 후반 40분간은 10분 간격으로 온냉감 신고를 하도록 하였다.

대상 데이터

본 실험의 퍼스널 시스템은 가장 일반적인 시스템으로 미국에서 제작된 J사의 시스템을 이용하였다.⁽⁴⁾ 실험기간은 2002년 10월 16일부터 11월 2일까지이며, 피험자는 20〜25세까지 건강한 남녀대학생 15명씩 총 30명을 대상으로 하였고, 착의량은 남자 0.7 clo, 여자 0.55 clo로 했다.
실험실은 엠비엔트 공조로써 실내온도를 28℃, 상대습도를 50% 일정하게 조절하며, 피험자는 필요에 의해 책상에 설치된 퍼스널 공조시스템을 조절함으로써 자신의 온열감을 조절하도록 하였다. 본 실험의 퍼스널 시스템은 가장 일반적인 시스템으로 미국에서 제작된 J사의 시스템을 이용하였다.⁽⁴⁾ 실험기간은 2002년 10월 16일부터 11월 2일까지이며, 피험자는 20〜25세까지 건강한 남녀대학생 15명씩 총 30명을 대상으로 하였고, 착의량은 남자 0.
이를 위해서는, 인간의 열적 적응성(Thermal adaptability)을 의식하여 제어방법을 보다 간단하고 개별제어성을 중시한 유닛의 작성을 검토하였다. 새로운 퍼스널 공조 유닛은 탁상용 취출구, 동작시간 조절용 MD 개폐장치, 흡기/배기 장치 및 컨트롤러, 이상의 4부분으로 구성되어 있다.
실험은 실온/습도 일정의 온열 환경 실험실에서 실시되었다. 실험은 하기의 옥외환경(30℃, 60%)과 오피스 환경조건을 가정하여 실시하였다.
또한, 피부온측정용 열전대를 이용하여 피험자의 피부온도를 측정하여 온열 환경에 대한 심리적, 생리적 변화를 연속적으로 기록하였다. 온냉감 신고 스케일은 ASHRAE 의 7단계 스케일을 채용하였다. 또한, 피부온도는 Hardy & Dubios의 7점 법 (머리(T₁), 상완(T₂), 손(T₃), 발(T₄), 종아리(T₅), 허벅지(T₆), 몸통(T₇))을 이용하여, 10초 간격으로 연속적으로 측정하였다.
피험자는 20〜28세의 건강한 대학생 남녀 5명씩 총 10명을 대상으로 하였으며, 착의량은 남자 0.7 clo, 여자 0.55 clo로 설정하였다. 피험자는 옥외환경을 가정한 전실 (30℃, 60%)에서 20분간 보행을 한 후, 실험실에 입실, 60간의 테스트 워크를 실시하였다.

성능/효과

4에서 보여주고 있다. 28℃ 환경과 퍼스널 공조 사용 전후의 온냉감을 비교하면, 남녀 모두 덥다"에 회답하고 있는 비율이 감소하였고, "중립"에 신고를 한 비율은 여자는 퍼스널 공조 사용 전의 약 1.5배, 남자는 약 2배로 증가하였다(Fig. 4(a)).
이것은, 상반신의 전면부에만 기류를 공급하는 탁상식 퍼스널 공조시스템에 있어서 해결해야 할 과제로 생각된다. 또한, 피험자의 과반수가 "조금 더 약한 바람이 좋다"라고 회답하고 있고, 퍼스널 공조를 장시간 사용할 경우는, 본 실험에서 적용한 최저 취출풍속 0.5m/s 보다 낮은 풍속이 필요할 것으로 생각된다.
5에서 보여주고 있다. 설정온도 28℃ 환경과 퍼스널 공조에 따른 "쾌적" 에 회답한 비율을 비교해 보면, 남자는 사용 전의 약 L5배 정도 쾌적성이 향상된 것으로 나타났다(Fig. 5(a)).
(1) 설문조사 결과, 기존형 퍼스널 공조시스템의 문제점으로 사무소의 레이아웃 변경에 대응하지 못하는 점, 유지관리비가 많이 소요되는 점등 관리상의 문제점과 국부적인 인체냉각으로 인한 드래프트, 제어성의 취약 등 사용상의 문제점 등이 보고되었다.
(2) 일반적이기 못하기 때문에 수리에 번거로움이 있고, 유지관리비가 비싸다. (3) 취출구용 덕트배관의 변경이 용이하지 않아 오피스의 레이아웃 변경이 어렵다.
(4) 제어특성에 관해 조사한 결과 남여 모두 풍속조절이 제일 높은 조절횟수를 나타났다. 남자가 여자보다 제어성에 불만족하는 것으로 나타났다.
5(b)), 얼굴에서 느끼는 불쾌감이 전신의 쾌적감에 크게 영향을 끼치게 되었다고 판단된다. 남자 또한 얼굴에 불쾌감이 집중되어 있고, 남녀 모두 기류가 얼굴에 직접 닿는 것은 상당히 불쾌감을 초래할 가능성이 높은 것으로 나타났다.
남자가 여자보다 제어성에 불만족하는 것으로 나타났다.
제시되고 있다. 눈 건조증의 원인으로 컴퓨터 작업에 따른 복사열 및 상승기류의 영향과 함께 퍼스널 공조를 적용할 경우 직접 취출 기류에 안면부가 노출됨으로써 더욱 피험자에게 부담을 안겨 주는 것으로 나타났다. 또한, 극단적인 불쾌감의 표현으로 "바람에 노출되어 있는 것이 불쾌하다", "전면에 취출기류가 있다는 것만으로도 불쾌하다" 등이 있었으며, 이것은 취출구가 전면에 있기 때문에 얼굴에 불쾌감을 느끼고, 취출구가 보이고 의식되는 것이 기류감에 대한 혐오감을 더욱 부추기는 결과를 초래했다고 생각된다.
실험 결과 약 1/3의 피험자가 퍼스널 공조시스템을 사용할 경우 부위별 온냉감 차이로 인해 불쾌감을 느끼는 것으로 나타났다. 이것은 상반신의 전면부에만 기류를 공급하는 기존형 퍼스널 공조시스템에 있어서 해결해야 할 과제로 사료된다.
4(a)). 인체의 부위별 평균 온냉감의 경우, 남녀간의 차는 거의 보이지 않으나, 착의량의 영향에 의 해 여자의 경우 하반신에서 남자에 비해 보다 춥게 느끼는 경향을 보였다(Fig. 4(b)).
5배, 남자가 약 2배로 증가하였다. 즉, 퍼스널 공조를 도입함으로써 엠비엔트 영역의 온도를 높게 설정하여도 거주자의 온열감을 보장할 수 있는 것으로 나타났다.
풍향의 사용경향은, 남자는 수평방향 풍향이 많았고, 여자는 수평방향과 바닥방향의 풍향을 사용하는 빈도가 같았다. 따라서, 설계자는 여자 사용자를 위해 얼굴에 기류가 닫지 않도록 주의하는 것이 바람직하다.

후속연구

공조시스템이다. 따라서, 인체부위별 온열 특성을 파악한 후에 이것을 공조 제어 논리로써 사용한다면 보다 효율적으로 쾌적성을 얻을 수 있을 것으로 예상된다.
고정하였다. 본 실험의 목적상 취출구를 단순화하고 있으나 향후 취출구에 대해 보다 상세한 검토를 행할 예정이다. 취출구 풍향 및 취출구의 개폐는 거주자가 수동으로 조절 가능하도록 하였다.

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