본 연구에서는 대전의 대규모 공동주택단지의 하나인 대덕테크노 밸리의 계절별 주풍향 및 풍속, 건물배치, 환기구 위치 등 다양한 외부 유동 변수에 따른 실내 환기 특성을 수치 해석적 방법을 활용하여 연구함으로써 실내 공기질 향상에 일조하기 위해 연구를 수행하였다. 계절별 주풍향은 여름과 겨울에 큰 차이를 나타냈는데, 여름철의 경우 주풍향은 남풍이며, 겨울철의 경우 주풍향은 10년 평균 주풍향과 동일한 북북서풍으로 나타났다. 풍향이 변화함에 따라 최대 압력차가 나타나는 단지도 변화하였으며 그에 따라 환기에도 차이를 나타냈다. 내부 환기량은 환기 우수지역의 경우는 자연환기만으로 기준치인 시간당 0.7ACH를 만족하였으나 환기 취약지역의 경우는 자연환기만으로는 기준치를 만족시키지 못하여 부수적으로 기계 환기를 병행해야 하는 것으로 나타났다. 이러한 외부유동 변화에 따른 내부 환기량의 연구결과를 바탕으로 향후 아파트의 배치나 환기구 위치 선정에 응용한다면 환기량 확보에 일조하여 기계환기에만 의존하지 않고 자연환기와 병행이 가능하므로 에너지 절감에 도움이 될 것으로 판단된다.
본 연구에서는 대전의 대규모 공동주택단지의 하나인 대덕테크노 밸리의 계절별 주풍향 및 풍속, 건물배치, 환기구 위치 등 다양한 외부 유동 변수에 따른 실내 환기 특성을 수치 해석적 방법을 활용하여 연구함으로써 실내 공기질 향상에 일조하기 위해 연구를 수행하였다. 계절별 주풍향은 여름과 겨울에 큰 차이를 나타냈는데, 여름철의 경우 주풍향은 남풍이며, 겨울철의 경우 주풍향은 10년 평균 주풍향과 동일한 북북서풍으로 나타났다. 풍향이 변화함에 따라 최대 압력차가 나타나는 단지도 변화하였으며 그에 따라 환기에도 차이를 나타냈다. 내부 환기량은 환기 우수지역의 경우는 자연환기만으로 기준치인 시간당 0.7ACH를 만족하였으나 환기 취약지역의 경우는 자연환기만으로는 기준치를 만족시키지 못하여 부수적으로 기계 환기를 병행해야 하는 것으로 나타났다. 이러한 외부유동 변화에 따른 내부 환기량의 연구결과를 바탕으로 향후 아파트의 배치나 환기구 위치 선정에 응용한다면 환기량 확보에 일조하여 기계환기에만 의존하지 않고 자연환기와 병행이 가능하므로 에너지 절감에 도움이 될 것으로 판단된다.
This study has been made to execute a research in order to lead the improvement of indoor air quality, examining the indoor ventilation characteristics by using a numerical analysis method. To this end an extensive parametric investigation are made according to various external flow variables such a...
This study has been made to execute a research in order to lead the improvement of indoor air quality, examining the indoor ventilation characteristics by using a numerical analysis method. To this end an extensive parametric investigation are made according to various external flow variables such as main wind direction and wind speed by season, building layout design, and location of ventilators, etc. in Daedeok Techno Valley, one of large-scaled apartment in Daejeon. It is observed there was a significant difference of main wind direction between summer and winter. The main wind direction in summer was a south wind, and on the contrary the direction in winter is northnorthwest, which is similar to the average main wind direction for 10 years. One of the important calculation results is that the change of wind direction causes a significant effect on the apartment ventilation by the change of pressure difference around each complex of apartment. In case of favorable area of ventilation, the indoor ventilation rate can meet 0.7 ACH from the standard value only with natural ventilation. On the contrary, in other area the value was much lower than the standard value. If the calculation result applies to the design of layout apartment or placement of ventilators, it will be greatly helpful to the energy saving because it can be parallel with the natural ventilation to help securing ventilation rate, not much depending on the mechanical ventilation.
This study has been made to execute a research in order to lead the improvement of indoor air quality, examining the indoor ventilation characteristics by using a numerical analysis method. To this end an extensive parametric investigation are made according to various external flow variables such as main wind direction and wind speed by season, building layout design, and location of ventilators, etc. in Daedeok Techno Valley, one of large-scaled apartment in Daejeon. It is observed there was a significant difference of main wind direction between summer and winter. The main wind direction in summer was a south wind, and on the contrary the direction in winter is northnorthwest, which is similar to the average main wind direction for 10 years. One of the important calculation results is that the change of wind direction causes a significant effect on the apartment ventilation by the change of pressure difference around each complex of apartment. In case of favorable area of ventilation, the indoor ventilation rate can meet 0.7 ACH from the standard value only with natural ventilation. On the contrary, in other area the value was much lower than the standard value. If the calculation result applies to the design of layout apartment or placement of ventilators, it will be greatly helpful to the energy saving because it can be parallel with the natural ventilation to help securing ventilation rate, not much depending on the mechanical ventilation.
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문제 정의
본 연구에서는 대전의 대규모 공동주택단지의 하나인 대덕 테크노밸리의 공동주택을 대상으로 지역별 풍향, 풍속 등 외부 유동여건이 실내 환기에 미치는 영향 및 아파트 배치 및 환기구 위치 등이 실내 환기에 미치는 영향을 수치 해석적 연구방법을 활용하여 체계적인 변수연구를 통하여 수행하고자 한다.
가설 설정
7 m로 하여 탑상형은 25층으로 67 m, 판상형은 20층으로 54 m, 그 외 단지 지구별 층수 제한에 따라 40 m, 32 m, 19 m로 설정하였다. Inlet boundary에는 북북서풍 방향의 면 전체에서 균일하게 공기가 유입된다고 가정하였으며 나머지 면은 Pressure boundary로 설정하여 풍압에 의해 자연스럽게 빠져나가도록 설정하였다. 건축법에 의해 환기성능을 평가할 때에는 평균 외기온도가 20℃ 이상이어야 하는 기준에 맞추어 20℃로 설정하였다.
대상 세대별로 압력차가 가장 큰 경우와 가장 작은 경우에 대하여 환기량을 계산하였다. 외부로부터 환기는 전면에 설치된 발코니의 시스템 루바와 단창용 수평환기구 및 후단부의 현관 부분 자연환기구를 통해서 외기의 유동 경로가 형성되며, 전 후면의 압력차는 각각 3.24 Pa와 0.1 Pa로 가정하여 내부 환기량을 계산하였다. 대상 세대에 대하여 착석 시 호흡면 높이에 해당하는 0.
제안 방법
앞에서 산정된 단지 내 풍압분포를 경계조건으로 하여 CFD 시뮬레이션을 수행하여 환기량을 예측하였으며, 상기의 식을 적용하여 각 개구부에서의 유동유량을 구하고 환기량을 산정하였다. 각 세대의 시간 당 환기회수는 이 결과값을 모델링된 실의 체적에 대한 비로 환산하여 구하였다.
같은 방법으로 계절별 외부 압력차와 환기우수세대 및 환기 취약세대를 계산하였다. 계절별 기상데이타는 최근 10년 평균보다 3년 평균을 사용한 경우 현저한 차이를 나타내서 3년 평균 데이터를 활용하였다.
기존에 확보한 아파트 단지의 도면을 대상으로 외부유동 해석을 수행하였다. 주 풍향인 북북서풍에 대하여 건물의 wind effect에 대한 수치해석을 수행하였다.
내부 환기량의 산정에 앞서 외부유동을 바탕으로 지역별 환기 우수세대와 환기 열악세대를 선정하였다. 보통 자연 환기량은 외부 유동에 의해 형성되는 압력차에 의해 결정되므로 압력차가 가장 크게 발생하는 환기 우수세대와 압력차가 가장 적게 발생하는 환기 취약세대를 선정하였다.
단지별 풍압분포 결과로부터 아파트 내부 환기성능 평가를 위한 경계조건을 설정하고 단위세대 타입별로 수치 해석을 수행한다.
대상 세대별로 압력차가 가장 큰 경우와 가장 작은 경우에 대하여 환기량을 계산하였다. 외부로부터 환기는 전면에 설치된 발코니의 시스템 루바와 단창용 수평환기구 및 후단부의 현관 부분 자연환기구를 통해서 외기의 유동 경로가 형성되며, 전 후면의 압력차는 각각 3.
5 m 높이에 대한 결과만 나타내었다. 대상공간은 산정된 환기회수를 기준으로 하여 공기령 (age of air) 분석을 하였으며 평균 공기령 (local mean age of air)을 명목시간정 (nominal time constant)로 무차원화 시킨 공기령 분포로 표현하였다. 33 m2의 경우 다른 세대에 비해 면적이 작은 국민 임대 주택이고, 거실에서 주방으로 이어지는 내부가 거의 원룸 형태이므로 유동 경로가 비교적 단순하여 내부 전공간의 공기령의 분포가 다른 세대에 비해 비교적 고르게 나타났다.
본 연구에서는 이러한 CFD를 이용하여 자연 환기량을 분석하였으며 대표적인 물리량 보존법칙인 질량보존의 법칙과 운동량 보존의 법칙으로부터 도출한 다음의 연립편 미분방정식을 지배 방정식으로 채택하였다.
앞에서 산정된 단지 내 풍압분포를 경계조건으로 하여 CFD 시뮬레이션을 수행하여 환기량을 예측하였으며, 상기의 식을 적용하여 각 개구부에서의 유동유량을 구하고 환기량을 산정하였다. 각 세대의 시간 당 환기회수는 이 결과값을 모델링된 실의 체적에 대한 비로 환산하여 구하였다.
이와 같이 자연환기의 중요성은 이미 과거의 문화유산의 보존의 예에서도 찾아볼 수 있다. 우리 선조들은 우리 민족의 중요한 문화유산 중의 하나인 팔만대장경을 보전하기 위한 판고를 건축할 때, 반영구적인 보전을 위하여, 슬기롭게 주위의 자연환경과 건물의 구조를 적절히 배치하고 설정함으로써 자연환기를 효과적으로 이용하였다. 판고의 위치는 해인사 대웅전 전면 골짜기를 타고 오르내리는 자연 대류의 영향을 가장 받기 좋은 지대에 위치하고 있다.
특정 지역에 있어서의 자연환기 성상은 그 지역의 기후 조건과 밀접한 관련을 가지며 그 지역의 주풍향 및 평균풍속의 영향을 받는다. 이와 함께 대상단지가 위치하는 지역의 지형적 특성, 단지의 형상은 각 세대의 환기성상을 결정하는 주요 인자가 되므로 이에 대한 분석을 위하여 분석 대상이 되는 주거단지 전체에 대한 풍압분포 해석을 선행한다.
기존에 확보한 아파트 단지의 도면을 대상으로 외부유동 해석을 수행하였다. 주 풍향인 북북서풍에 대하여 건물의 wind effect에 대한 수치해석을 수행하였다.
대상 데이터
같은 방법으로 계절별 외부 압력차와 환기우수세대 및 환기 취약세대를 계산하였다. 계절별 기상데이타는 최근 10년 평균보다 3년 평균을 사용한 경우 현저한 차이를 나타내서 3년 평균 데이터를 활용하였다. 3년 평균 계절별 바람장미는 Fig.
공동주택의 다양한 평형대 중에 우선 국민 임대 주택형 평형인 33 m2형과 59 m2형에 적용하여 수행하였다. 각각의 면적에 대한 일반적인 아파트의 내부구조 및 환기구 자료를 적용하여 수행하였는데 자세한 도식도는 아래의 Fig.
4는 대덕테크노밸리의 공동주택 단지와 혼합주택 단지 등을 포함한 주거단지를 나타냈으며, 또한 해석대상 영역과 경계조건을 나타낸 것이다. 대덕 테크노밸리 공동주택단지의 도면을 확보하여 아파트 건물 형태 즉, 탑상형과 판상형 등을 고려하여 계산영역에 포함하였다. 또한 계산영역의 경계조건도 표시하였다.
내부 환기량의 산정에 앞서 외부유동을 바탕으로 지역별 환기 우수세대와 환기 열악세대를 선정하였다. 보통 자연 환기량은 외부 유동에 의해 형성되는 압력차에 의해 결정되므로 압력차가 가장 크게 발생하는 환기 우수세대와 압력차가 가장 적게 발생하는 환기 취약세대를 선정하였다. Table 2에 10년 평균 기상데이타를 기준으로 계산한 외부 압력차 및 환기우수세대와 환기 취약세대를 표시하였다.
또한 계산영역의 경계조건도 표시하였다. 아파트의 높이는 건축 지침서에 나온 층수제한을 바탕으로 한 층당 일반적인 높이인 2.7 m로 하여 탑상형은 25층으로 67 m, 판상형은 20층으로 54 m, 그 외 단지 지구별 층수 제한에 따라 40 m, 32 m, 19 m로 설정하였다. Inlet boundary에는 북북서풍 방향의 면 전체에서 균일하게 공기가 유입된다고 가정하였으며 나머지 면은 Pressure boundary로 설정하여 풍압에 의해 자연스럽게 빠져나가도록 설정하였다.
이론/모형
난류 유동장을 해석하기 위하여 속도 성분 u, υ, w에 대해 순간 운동방정식을 시간 평균한 값을 이용하였고, k-ε모델을 적용하였으며, 난류점성계수 μt는 아래식 (2)와 같은 Prandtl-Kolmogorov 관계식에 의해 단위 질량당의 난류에너지 k와 난류에너지 소산율 ε을 이용하여 표현하였다.
위의 식 (1)의 2차 편미분 방정식은 검사체적에 기초한 유한 차분방법을 사용하였으며 운동량 방정식에 나타나는 속도와 압력의 연계는 SIMPLEC(Semi-Implicit Method for Pressure Linked Consistent) 알고리즘을 사용하였다. 벽면 등의 경계조건은 Fig.
성능/효과
이전의 연구에 의하면 담장 높이를 균일하게 설치한 경우보다 원래의 담장높이 일때 환기가 최적이 되는 것으로 나타났다.2, 3) 이와 같이 우리의 선조들은 기계적인 공조장치 없이도 자연환기를 이용하여 적합한 실내 환경을 조성하여 우리의 문화재를 잘 보존할 수 있었다.
Table 5에 59 m2형 세대의 환기구 종류 및 경계조건을 나타냈으며 Table 6은 환기 우수지역과 환기 열악지역에 대한 내부 환기량을 계산한 결과이다. 결과에 나타나 있듯이 환기 우수지역에 아파트 단지가 위치하는 경우 환기량은 356.4 m3/hr 로 매우 우수하게 나타났다. 이는 시간당 환기회수 1.
여름철의 경우 10년 평균과 겨울철에 비해 주풍향이 반대이므로 내부로 유입되는 경로도 반대로 설정되어 내부유동에 큰 변화를 나타내었다. 결과에 나타나있듯이 환기가 취약한 세대의 경우 모두 환기량 기준치인 0.7을 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 이 경우 자연환기와 더불어 기계적인 환기의 병행이 필요할 것으로 판단된다.
내부 환기량은 환기 우수지역의 경우는 자연환기만으로 기준치의 시간당 0.7ACH를 만족하였으나 환기 취약지역의 경우는 자연환기만으로는 기준치를 만족시키지 못하여 부수적으로 기계 환기를 병행해야 하는 것으로 나타났다.
후속연구
추후에 정량적 검증을 통한 연구가 지속되어야 할 것으로 판단되며, 이러한 연구결과를 바탕으로 향후 아파트의 배치나 환기구 위치 선정에 응용한다면 환기량 확보에 일조하여 기계 환기에만 의존하지 않고 자연환기와 병행이 가능하므로 에너지 절감에 도움이 될 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
자연환기는 무엇에 영향을 받는가?
일반적으로 자연환기는 건물의 형태와 풍향, 풍속 등에 영향을 받으며 건물 내 혹은 건물 전체에 대하여 다음과 같은 물리량을 산출하면 환기량 산정이 가능하다.
거주공간에 환기가 필요한 이유는 무엇인가?
신선한 공기의 유입과 내부 열과 습기의 이동을 위해 거주공간에 대한 환기가 필요하며 이러한 자연환기는 건축물의 개구부를 통하여 인위적인 기계장치 없이 외부 공기가 실내로 유입, 유출되는 순환 현상으로 공조를 필요로 하지 않거나 불가능한 공간에 대하여 효과적이면서도 에너지 절약적인 방법이다. 자연환기는 실내의 온도와 오염물을 효과적으로 제어할 수 있으며, 특히 자연환기에 의한 온도조절은 기계적인 환기를 적용할 수 없는 경우 유일한 냉방의 수단으로써 종종 이용된다.
자연환기는 건물 내 혹은 건물 전체에 대하여 어떤 물리량을 산출하면 환기량 산정이 가능한가?
- 지역별 풍속과 풍향
- 실내∙외 온도차
- 계절별 풍향에 대한 공동주택 전체에 대한 압력 분포
- 모든 개구부의 위치 고려 및 유동 특성
참고문헌 (5)
Song, D. S., Ko, H. J., Cho, W. H., Lee, M. K., Yun, I. C., and Ju, U. S.,“ The effect of ventilation system on IQA in an apartment house”, Proceeding of the SAREK, pp. 848-854 (2005)
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