[논문]케이스먼트 창호 개폐방식에 따른 자연환기 효과에 관한 시뮬레이션 연구

최태환; 김태연; 이승복

케이스먼트 창호 개폐방식에 따른 자연환기 효과에 관한 시뮬레이션 연구
A Study on the Simulation of Natural Ventilation Effect for Single-sided Casement Window as Opening Types 원문보기

生態環境建築 = Journal of the Korea Institute of Ecological Architecture and Environment, v.7 no.4, 2007년, pp.57 - 62

최태환 (연세대학교 대학원) , 김태연 (연세대학교 건축공학과) , 이승복 (연세대학교 건축공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

At the moment, the reduction of building energy consumption is a unavoidable task of mankind for conserving global environment. Decreasing overall U-value of building envelope and air infiltration, especially in Korean climate condition with clear four seasons, are the obvious solutions for the objective. Thus low glazing ratio with small window openings are required for heating and cooling load reduction in buildings. Using larger window openings could provide better natural ventilation but it also increases the direct solar radiation penetration into indoor space, heat gain in summer and heat loss in winter. On the other hand, the ventilation rates decreasing problem with smaller window openings could be occurred. As a solution for it, the use of casement window can cause increasing natural ventilation rates by wing wall effect. This paper focuses on deduce the most efficient opening type of casement window in Korean climate. To estimate ventilation performance of each opening types, CFD simulation was used. The best performance of opening type in every wind direction is opening both windows to the center and the most appropriate opening type for Korean climate is also opening both windows to center.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 케이스먼트 창호의 개폐방식에 따른 윙월효과(Wing wall effect)에 의한 환기율 향상정도에 대해 알아보고 국내 5 개 도시의 기후데이터를 이용한 각 개폐방식별 총 환기량 비교를 통해 국내기후에 가장 알맞은 케이스먼트 창호의 개폐방식을 도출하는 것을 목적으로 한다.
이 실험에서 단면 환기를 하는 실에 윙월을 설치할 경우 자연환기 성능이 향상되며 이러한 효과는 바람이 전방측면에서 불 때 가장 높게 나타나는 것을 확인하였다. 본 연구에서는 케이스먼트 창호의 개방 시 돌출되는 창을 이용하여 윙월효과를 구현함으로서 창의 자연환기 성능을 향상시킬 수 있는 방안에 대해 연구하였다.
자연환기의 목적은 크게 실내공기질의 확보, 쾌적한 실내 기류 조성, 배열을 통한 냉방부하 저감의 세 가지로 정의 할 수 있으나 본 연구에서는 환기를 통한 실내발열 및 외부환경 조건에 의한 열획득에 의해 발생된 실내냉방부하의 저감만을 고려하였다. 각 Case에 대한 냉방부하 저감의 가능성을 평가하기 위해 창을 완전히 개방하여 최대환기를 하는 경우의 총 환기량을 비교하였으며 이때의 실내온도는 외기온에 근접하게 변화하므로 최대환기를 하는 조건을 외기온이 일반적으로 재실자가 쾌적하게 느끼는 온도범위인 20℃에서 26℃⁽¹⁵⁾일 경우로 정의하였다.

제안 방법

각 Case별 환기량을 통해 0°부터 337.5°까지 22.5° 간격으로 16방위 풍향에 대한 환기량을 도출하였다. 16방위 풍향에 대한 평균환기량은 그림6.
자연환기의 목적은 크게 실내공기질의 확보, 쾌적한 실내 기류 조성, 배열을 통한 냉방부하 저감의 세 가지로 정의 할 수 있으나 본 연구에서는 환기를 통한 실내발열 및 외부환경 조건에 의한 열획득에 의해 발생된 실내냉방부하의 저감만을 고려하였다. 각 Case에 대한 냉방부하 저감의 가능성을 평가하기 위해 창을 완전히 개방하여 최대환기를 하는 경우의 총 환기량을 비교하였으며 이때의 실내온도는 외기온에 근접하게 변화하므로 최대환기를 하는 조건을 외기온이 일반적으로 재실자가 쾌적하게 느끼는 온도범위인 20℃에서 26℃⁽¹⁵⁾일 경우로 정의하였다. 앞서 환기량 예측에 대한 이론적 고찰에서 살펴본 바와 같이 단면환기시 환기량은 특정 풍향의 단위 풍속에 의한 환기량과 특정 풍향에서의 풍속을 통해 예측 할 수 있다.
국내 5개 도시에서의 케이스별 16방위 풍향에 대한 최대환기 모드시(창을 열어 환기할 경우) 연중 총 환기량을 계산하기 위해 그림7과 같이 서울, 인천, 광주, 목포, 울산의 5개 도시의 기후데이터를 이용해 도시별 최대환기 모드 조건에서의 풍향별 연중 풍속의 합을 구하고 이에 앞서 살펴본 Case별 16방위 풍향의 단위 풍속에 따른 환기율을 곱하여 연중 총 환기량을 구하였다. 또한 근래의 탑상형 아파트에 대한 수요 증대를 고려하여 각 Case의 개구가 남향, 남동향, 남서향일 경우에 대한 환기율을 함께 고려하였다.
국내 5개 도시에서의 케이스별 16방위 풍향에 대한 최대환기 모드시(창을 열어 환기할 경우) 연중 총 환기량을 계산하기 위해 그림7과 같이 서울, 인천, 광주, 목포, 울산의 5개 도시의 기후데이터를 이용해 도시별 최대환기 모드 조건에서의 풍향별 연중 풍속의 합을 구하고 이에 앞서 살펴본 Case별 16방위 풍향의 단위 풍속에 따른 환기율을 곱하여 연중 총 환기량을 구하였다. 또한 근래의 탑상형 아파트에 대한 수요 증대를 고려하여 각 Case의 개구가 남향, 남동향, 남서향일 경우에 대한 환기율을 함께 고려하였다. 표2는 각 Case별 16방위 풍향의 단위 풍속에 따른 환기량을 나타낸 것이며 이 값을 식(3)에 따라 그림 7에서 표시한 서울, 인천, 광주, 목포, 울산의 5개 도시의 최대환기 모드 조건에서의 풍향별 연중 풍속의 합을 곱하여 최대환기 모드시의 연중 총 환기량을 구하였다.
각각의 Case는 주변 공기층을 포함하여 약 470,000개의 셀로 모델링 하였으며 난류모델로는 k-ε high Reynolds number 모델을 사용하였다. 바람에 대한 경계조건은 그림3.과 같이 풍속이 1m/s일 때 풍향이 0°부터 180°까지 22.5° 간격으로 각 Case별 9개의 풍향에 대해 해석을 진행하였다.
최근의 다양한 연구에서 건물 주변 기류해석과 실내 공간의 기류분석을 위해 CFD 시뮬레이션이 사용 되었으며(3-9) 몇몇의 연구에서 단면환기^{(10, 11)}에 대한 연구가 CFD 시뮬레이션을 이용하여 진행되었다. 본 연구에서는 이전의 여러 연구^(12-14)에서 실내·외 기류해석을 위해 사용되어 그 성능을 입증 받은 CFD Code인 STAR -CD 프로그램을 사용하였다.
본 연구에서는 자연환기시 바람에 의한 환기량에 대한 해석을 진행하였으므로 풍압에 의한 환기만을 고려하였다.
케이스먼트 창호의 개폐방식에 따른 환기량을 해석하기 위해 한 면의 양 끝에 2개의 창호가 설치된 실에 대하여 표1.과 같이 다섯 개의 Case를 선정하여 해석하였다. 그림2.
또한 근래의 탑상형 아파트에 대한 수요 증대를 고려하여 각 Case의 개구가 남향, 남동향, 남서향일 경우에 대한 환기율을 함께 고려하였다. 표2는 각 Case별 16방위 풍향의 단위 풍속에 따른 환기량을 나타낸 것이며 이 값을 식(3)에 따라 그림 7에서 표시한 서울, 인천, 광주, 목포, 울산의 5개 도시의 최대환기 모드 조건에서의 풍향별 연중 풍속의 합을 곱하여 최대환기 모드시의 연중 총 환기량을 구하였다.

이론/모형

각각의 Case는 주변 공기층을 포함하여 약 470,000개의 셀로 모델링 하였으며 난류모델로는 k-ε high Reynolds number 모델을 사용하였다. 바람에 대한 경계조건은 그림3.
본 연구에서는 케이스먼트 창호의 개폐방식에 따른 자연환기시 환기량을 해석하기 위하여 CFD (Computational Fluid Dynamics) 시뮬레이션을 실시하였다. 최근의 다양한 연구에서 건물 주변 기류해석과 실내 공간의 기류분석을 위해 CFD 시뮬레이션이 사용 되었으며(3-9) 몇몇의 연구에서 단면환기^{(10, 11)}에 대한 연구가 CFD 시뮬레이션을 이용하여 진행되었다.

성능/효과

8배로 Case 1보다 낮은 환기량을 보였다. 112.5°에서 바람이 불 경우 또한 Case 5를 제외한 Case 2, 3, 4가 0.89배, 0.91배, 0.73배로 낮은 환기량을 보였으며 157.5°에서는 Case 5가 0.5배로 가장 낮은 환기량을 보이는 등 후방측면에서 바람이 부는 경우 Case 1보다 낮거나 비슷한 환기성능을 보였다. 풍향이 180° 일 경우에는 Case 5가 2.
윙월은 1962년과 1968년 Givoni의 풍동실험(1, 2)에서 연구된 바 있다. 이 실험에서 단면 환기를 하는 실에 윙월을 설치할 경우 자연환기 성능이 향상되며 이러한 효과는 바람이 전방측면에서 불 때 가장 높게 나타나는 것을 확인하였다. 본 연구에서는 케이스먼트 창호의 개방 시 돌출되는 창을 이용하여 윙월효과를 구현함으로서 창의 자연환기 성능을 향상시킬 수 있는 방안에 대해 연구하였다.
건물 외부로 열리는 케이스먼트 창호를 사용 할 경우 슬라이딩 창호를 사용할 때 보다 더 높은 자연환기 성능을 보였으며 이러한 케이스먼트 창호의 자연환기성능 향상은 윙월효과에 의해 나타나게 된다. 특히 Case 5와 같이 양쪽 창이 중앙을 향해 열리는 케이스먼트 창호를 사용할 경우 자연환기성능이 월등히 높게 나타나는 것을 확인하였으며 국내 5개 도시의 기후조건에 따른 최대환기시 연중환기량을 비교한 결과 슬라이딩 창호에 대해 약 1.8배의 자연환기성능 향상효과가 있음을 본 연구를 통해 알 수 있었다.

후속연구

본 연구에서는 테스트 셀과 연중 총 환기량을 대상으로 냉방부하 저감의 가능성에 대해 살펴보았으나 이 후 연구에서는 이를 실제 건물에 적용할 경우의 냉방부하 저감 효과에 대해 확인할 필요가 있겠다.
이러한 윙월효과를 이용한 케이스먼트 창호의 개폐방식을 실제 건물에 적용하여 자연환기성능을 향상시킴으로서 자연환기를 통한 냉방부하를 효과적으로 저감 할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	윙월의 기능은 무엇인가?	윙월은 건물외벽 바닥에서 처마까지 돌출된 세로 구조체로 개구부 주변에 설치하여 외부 기류를 실내로 유도하고 압력차를 조성하여 창을 통한 자연환기시 환기성능을 높이는 기능을 가지고 있다. 그림1.
	한국과 같이 사계절이 뚜렷한 기후조건에서는 건물의 냉난방 부하를 감소시키기 위해 선행되어야 하는 것은?	건물에서 사용되는 에너지 중 가장 많은 부분을 차지하는 것은 건물의 냉난방을 위한 에너지로서 일차적으로 실외환경과 실내환경의 경계인 건물외피의 실내환경 조절성능에 따라 그 크기가 결정된다. 한국과 같이 사계절이 뚜렷한 기후조건에서는 건물의 냉난방 부하를 감소시키기 위해 건물외피의 열관류율을 낮추고 기밀성을 향상시키는 것이 기본적으로 선행되어야 하며 이에 더하여 열, 빛, 공기에 대해 가변적으로 대응이 가능한 외피를 통해 건물의 냉난방 부하를 효과적으로 감소시킬 수 있다. 최소의 비용으로 외피의 열관류율을 낮추고 기밀성능을 가장 효과적으로 향상시키기 위해서는 전체 외피 면적에서 열관류율이 낮은 구조체부분의 면적 비를 늘이고 침기면적을 감소시킬 수 있도록 건물의 창면적비를 적절한 수준까지 감소시키는 것이 가장 효과적이나 이러한 창면적비 감소에 의한 개구부면적의 감소는 중간기 환기시 환기율 감소에 따른 냉방부하의 증가로 이어질 수 있다.
	냉난방 부하를 효과적으로 감소시키기 위하여 창면적비 감소를 시도할 경우, 생겨날 수 있는 부작용은 무엇인가?	한국과 같이 사계절이 뚜렷한 기후조건에서는 건물의 냉난방 부하를 감소시키기 위해 건물외피의 열관류율을 낮추고 기밀성을 향상시키는 것이 기본적으로 선행되어야 하며 이에 더하여 열, 빛, 공기에 대해 가변적으로 대응이 가능한 외피를 통해 건물의 냉난방 부하를 효과적으로 감소시킬 수 있다. 최소의 비용으로 외피의 열관류율을 낮추고 기밀성능을 가장 효과적으로 향상시키기 위해서는 전체 외피 면적에서 열관류율이 낮은 구조체부분의 면적 비를 늘이고 침기면적을 감소시킬 수 있도록 건물의 창면적비를 적절한 수준까지 감소시키는 것이 가장 효과적이나 이러한 창면적비 감소에 의한 개구부면적의 감소는 중간기 환기시 환기율 감소에 따른 냉방부하의 증가로 이어질 수 있다.

참고문헌 (15)

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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