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PMV지표를 이용한 공동주택의 난방제어에 따른 온열환경 및 에너지소비량 시뮬레이션
An Approach of Indoor thermal Environment Control and Energy Saving Using the PMV Index 원문보기

LHI journal of land, housing, and urban affairs, v.1 no.1, 2010년, pp.19 - 25  

성남철 (경원대학교 건축설비공학과) ,  윤동원 (경원대학교 건축설비공학과)

초록
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최근 에너지 절약을 화두로 건물에서의 에너지 절약기술들이 크게 요구되어 지는 반면 재실자의 온열쾌적환경은 비교적 비중 있게 다루어지지 않고 있다. 실내공간의 쾌적성은 재실자의 만족감과 더불어 생산성을 향상시키는 등의 역할을 하며, 최근 삶의 질 향상 등에 따라 그 필요성이 크게 요구되고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 공동주택을 대상으로 겨울철 난방 시 쾌적지표를 통한 실내 온열환경 제어의 타당성을 검토하고자 시뮬레이션을 수행하였으며, 주거건물에서의 일상적인 실내온도와 에너지 절약 설계기준에서 제시한 실내 설정온도, 그리고 쾌적지표를 설정으로 한 각 제어조건의 온열환경과 에너지 소비량을 비교 분석 및 검토하였다. 본 연구결과에 따르면, 쾌적지표인 PMV로 실내환경을 제어했을 때 에너지 절약설계 기준인 $22^{\circ}C$로 실내온도를 설정하였을 때보다 에너지 소비량은 29% 증가하지만 주거용 건물에서 일반적으로 유지되는 실내온도인 $24^{\circ}C$ 보다는 에너지소비량은 11% 정도 감소하며, 온열쾌적감도 각 제어조건 중 가장 우수하게 나타났다. 따라서 여러 가지 제어변수들을 통한 연구가 지속된다면 주거용 건물에서도 쾌적지표를 활용한 실내 공간의 제어방법은 건물의 에너지를 절약하고 실내 환경의 쾌적성을 증대시키는 주요기술이 될 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Thermal comfort provide satisfaction of thermal environment and affects productivity of occupants in residential building. However, temperature control can not provide the thermal comfort at all the time. because thermal comfort is influenced by many environmental variables such as temperature, rela...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • “실내 환경의 진단 제어”라는 측면에서는 실내 환경과 건축설비시스템, IT분야인 유비쿼터스 환경과 센서기술을 포함, NT, ET 분야의 다학제간 기술요소를 포함하고 있으며, 연구개발을 통하여 상기의 콘텐츠들을 실현함으로써 주거공간을 보다 더 Comfort(쾌적)하고 Convenience(편리)하며 Cleanness(청정)하고 Safety(안전)한 상태로 만들려는 목표를 달성하는 기술을 구현하고자 한다.
  • 또한 온도조절 행위도 자주 일어나고 있지 않아 실제 공동주택에서 재실자의 설정실온에 따른 온열환경과 그에 대한 에너지 소비량분석은 매우 미흡한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 대표적인 설정실온에 따른 공동주택에서의 온열환경 시뮬레이션을 통해 그 결과를 도출하고, 제어방안 등을 설정하여 공동주택에서 쾌적한 온열환경을 유지 하면서 에너지 절약을 위한 기초자료로 활용하고자 한다.
  • 본 연구는 공동주택에서 난방 시 쾌적한 실내 온열환경을 조성하기 위한 방안으로 설정실온제어와 대표적인 쾌적지표인 PMV(Predict Mean Vote)를 이용한 제어에 대해 각각 실내 온열환경의 특성을 비교하고 그에 대한 에너지 소비량에 대하여 분석하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 각 설정온도별 온열환경 특성을 파악하고, 그 상황에 맞추어 열원설비 운전에 따른 에너지소비량을 도출하였다.
  • 본 연구는 주거공간에서 쾌적지표를 활용한 냉난방제어의 기초 연구로서, 일반 주거용 세대를 대상공간으로 하여 기존 일반적인 설정온도로 제어할 때의 온열쾌적성과 에너지소비 특성을 PMV 제어 시와 비교분석하였다.

가설 설정

  • 그림 6은 시뮬에이션에 사용된 대사량 스케줄을 나타내고 있다. 대사량 스케줄은 취침시간인 23시부터 6시 까지는 0.7 met(40 W/m2), 일반적인 낮시간에는 1 met(60 W/m2), 저녁시간인 18시부터 22시까지에는 편안한 휴식을 나타내는 0.8 met(47 W/m2)으로 기존의 연구문헌과 Standard4)들을 참고하여 임의적으로 가정하였다.
  • (33평형)세대를 대상으로 하였으며 4인 가족이 재실 하는 것으로 그림 1과 같이 가정하였다. 주말과 평일의 스케줄 구분은 없는 것으로 가정하였다. 대상세대의 평면도는 그림 2와 같으며, 해석 대상세대의 구체적인 정보는 아래의 표 2에 나타내었다.
  • 그림 7은 시뮬에이션에 사용된 착의량 스케줄을 나타내고 있다. 착의량 스케줄은 ASHRAE Standrad 55 참고하여 동절기 보통 0.9 정도에 취침시간인 23시부터 6시까지는 침구류를 사용한다는 가정을 더하여 2clo 로 오전시간에는 1clo, 12시 이후 낮에 활동하는 점을 감안하여 0.8clo, 저녁시간에는 약 1.1clo로 계산된 값을 입력하였는데, 이는 기존의 연구문헌 등을 참고하여 임의적으로 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
공동주택에서 난방 시 쾌적한 실내 온열환경을 조성하기 위한 방안으로, 본 연구에서 사용한 쾌적 지표는 무엇인가? 본 연구는 공동주택에서 난방 시 쾌적한 실내 온열환경을 조성하기 위한 방안으로 설정실온제어와 대표적인 쾌적지표인 PMV(Predict Mean Vote)를 이용한 제어에 대해 각각 실내 온열환경의 특성을 비교하고 그에 대한 에너지 소비량에 대하여 분석하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 각 설정온도별 온열환경 특성을 파악하고, 그 상황에 맞추어 열원설비 운전에 따른 에너지소비량을 도출하였다.
PMV 계산을 위해 필요한 제어 변수에는 어떤 것들이 있는가? PMV 계산을 위해서는 실내온도, 평균복사온도(MRT), 기류속도, 인체 대사량(Metabolic Rate), 착의량(Clothing Insulation) 등과 같은 여러 가지 제어변수들이 존재한다. EnergyPlus에서 PMV 제어설정 및 실온제어 해석 Case에서의 PMV를 계산하기 위한 기본조건으로 표 3과 같은 설정 값들을 입력 변수로 활용하였다.
PMV 제어 시와 기존 일반적 설정온도로 제어할 때의 온열쾌적성과 에너지소비 특성을 비교 분석한 본 연구의 결과는? 1. 일반적인 에너지 절약을 위한 난방설정온도인 22℃로 실온을 설정하였을 때, 각 설정케이스 중 가장 에너지 소비량이 적었으나, 온열쾌적감을 나타내는 지표인 PMV 값은 대부분의 시간에서 -0.5이하로 전체적으로 한랭감을 느끼는 환경임을 알 수 있다. 따라서 설정온도를 높이는 것 뿐 아니라 재실자의 착의 상태나 활동 상태 등을 고려하여 에너지 절약을 위한 거주자의 패턴을 추출해 볼 필요성도 요구된다. 2. 실온설정을 통한 난방제어 시에는 24℃를 설정온도로 하였을 때가 온열환경적인 측면에서는 가장 쾌적한 설정실온이라고 판단되나 PMV 제어보다는 에너지소비량이 더 높게 나타나 에너지 소비적인 측면에서는 오히려 PMV 제어가 더 유리함을 알 수 있다. 3. 전체 난방 에너지소비량은 PMV 제어 시 일반적인 에너지 절약을 위한 난방설정온도인 22℃로 실온을 설정하였을 때 보다 에너지 소비량은 약 29% 증가 하지만 전체적인 거주자의 온열쾌적감은 가장 양호하다. 4. PMV를 통한 제어는 온도이외에도 평균복사온도 등과 같은 다른 제어변수들이 많이 존재하므로 쾌적지표에 의한 제어 시에는 이러한 여러 제어변수를 고려한 제어방안이 필요하다고 판단되며, 거주자의 온열쾌적성을 고려하면서도 건물의 사용되는 에너지를 줄일 수 있는 요소기술이 될 수 있을 것으로 판단된다.
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참고문헌 (13)

  1. 김영민 외(2010), 패시브 요소기술을 적용한 에너지 절약형 아파트의 냉난방에너지 평가 ,대한설비공학회 하계학술발표회 논문집. 

  2. 전정윤 외(2008), 공동주택 거시온열환경의 측정 및 거주자의 온도조절행위에 대한 연구, 대한건축학회 논문집. 

  3. 최윤정 외(2008) 아파트의 겨울철 실내온열환경 실태와 생활요인 분석, 한국주거학회 학술발표대회 논문집. 

  4. 윤종호, 이철성, 김효중, 박재완, 신우철(2009), 착의량별 실내설정온도에 따른 난방에너지 및 온실가스 저감량 산정연구, 한국 태양에너지학회 춘계학술발표대회 논문집. 

  5. 모백현, 강동화, 최동희, 선종명, 여명석, 김광우(2008), PMV 제어공간의 온열 쾌적 및 에너지 소비 특성에 관한 연구. 

  6. 윤정숙, 최윤정, 이성하(1992), 겨울철 실내 온열환경의 쾌적범위설정에 관한 실험연구, 대한가정학회지. 

  7. 최윤정, 정연홍(2008), 아파트의 겨울철 실내 온열환경실태와 생활분석 요인 분석. 

  8. Nam Chul Seong, Sung Min Hong, Dong Won Yoon, Hyeun Jun Moon, Godfried Augenbro e(2010), ENERGY REQUIREMENTS OF A MULTI-SENSOR BASED DEMAND CONTROL VENTILATION SYSTEM IN RESIDENTIAL BUILDINGS, e-Sim 2010. 

  9. G.Ye, G.Yang, Y. Chen, Y, Li (2003) A new approach for measuring predict mean vote and standard effective temperature( $SET^{\ast}$ ), Building and Environment. 

  10. K.H Yang, C H SU, (1996) An Approach of Building Energy Saving Using PMV Index, Building and Environment. 

  11. ASHRAE Standard 55-2004 Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy. 

  12. EnergyPlus Inputout Reference 5.0, (2010). 

  13. 통계청 http://kostat.go.kr/ 

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