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.
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.
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...
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, relative humidity, air velocity, radiation temperature, activity level and clothing insulation. The purpose of this study is that predicted mean vote(PMV) index is used as control. And, Thermal comfort is evaluated both PMV control and temperature control by simulation. Each other cases were compared, in which set-point temperatures of $22^{\circ}C$ and $24^{\circ}C$ and, set-point PMV index through the respective heating season in the simulation. The results show that PMV control is better to maintain comfort state and save energy than temperature control.
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, relative humidity, air velocity, radiation temperature, activity level and clothing insulation. The purpose of this study is that predicted mean vote(PMV) index is used as control. And, Thermal comfort is evaluated both PMV control and temperature control by simulation. Each other cases were compared, in which set-point temperatures of $22^{\circ}C$ and $24^{\circ}C$ and, set-point PMV index through the respective heating season in the simulation. The results show that PMV control is better to maintain comfort state and save energy than temperature control.
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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.
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.
각 설정케이스에 대한 에너지 소비량은 해석대상 세대내의 열원 설비인 가스보일러의 가스소비량을 통하여 비교하였다. 그림 16과 표 4는 각 설정케이스에서의 월별 가스소비량을 나타내며, 그림 17은 총 보일러의 가스소비량을 나타내고 있다.
구조체 중에서 측벽과 외벽은 건축물에너지절약 설계기준에 맞추어 에너지 설계기준 해설서의 지역별 건축물 부위의 열관류율표를 참고하여 중부지방의 최소 열관류인 외기에 직접 면하는 외벽은 0.47 [W/[m2]·K] 이하, 외기에 간접 면하는 경우는 0.64 [W/[m2]·K] 이하에 맞도록 설계조건을 반영하여 입력하였다.
대상세대의 열원기기 및 환기장치의 규격은 3개의 제조업체를 표본으로 기본세대에 적용되는 제품 규격을 참고하여, 평균 수준의 규격을 입력 값으로 사용하였다.
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. 주거건물의 설정실온별 온열환경 및 에너지 소비량을 비교 분석하기 위해 EnergyPlus 프로그램을 이용하여 검토하였으며, 연구의 주요 절차는 다음과 같다.
이를 위해 각 설정온도별 온열환경 특성을 파악하고, 그 상황에 맞추어 열원설비 운전에 따른 에너지소비량을 도출하였다. 주거건물의 설정실온별 온열환경 및 에너지 소비량을 비교 분석하기 위해 EnergyPlus 프로그램을 이용하여 검토하였으며, 연구의 주요 절차는 다음과 같다.
첫 번째는 일반적인 실내 환경의 정보 뿐 아니라 흑구온도와 같은 다양한 실내 환경 요소들을 수집할 수 있는 실내 환경 모니터링 장치를 개발하여 실시간으로 실내 환경을 감시하여 진단하는 시스템을 구축하였다. 다른 하나는 환경모니터링 기술을 기반으로 실내 환경과 관련된 환기설비 및 냉난방설비 등의 설비시스템을 최적 제어하는 통합관리 시스템의 구성이다.
표 1은 본 연구에 적용된 시뮬레이션 해석 Case를 나타낸다. 해석 Case는 앞서 언급한 바와 같이 겨울철 에너지 절약 설계기준인 22℃와 선행연구에서 보여진 주거용 건물의 겨울철 평균온도인 24℃사이로 설정하였고 쾌적지표를 통한 제어는 PMV 제어를 각 Case로 설정하였다.
대상 데이터
기상자료는 TRNSYS16에서 제공하는 서울지역의 TMY2(Typical Metronome Year) file을 Energyplus에서 제공하는 Wheather Converter 프로그램을 사용하여 Energyplus에 적용가능한 *epw file로 변환하여 사용하였다.
본 연구에서 사용된 해석대상세대는 공동주택의 표준모델인 전용면적 84 m2(33평형)세대를 대상으로 하였으며 4인 가족이 재실 하는 것으로 그림 1과 같이 가정하였다. 주말과 평일의 스케줄 구분은 없는 것으로 가정하였다.
이론/모형
구조체 Modeling은 우선 각 구조체를 이루는 재질의 물성치를 입력하고, 도면에서 대상세대의 치수를 EnergyPlus에 입력하기 위하여 Addon 프로그램인 Openstudio를 이용하여 Modeling에 활용하였다. 그림 4은 건물 모델링이 완료된 모습이며, 구조체의 축열을 고려하여 해석을 위한 존(Zone)의 상하부의 같은 세대를 그림 5와 같이 모델링하여 구조체의 축열요소를 고려하였다.
본 연구에서 해석대상세대의 온열환경 특성과 실제 사용되는 에너지 소비량을 구하기 위해 EnergyPlus를 사용하였다.
성능/효과
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.
후속연구
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.
본 연구에서는 동절기 주거용건물의 온열환경 특성과 난방에너지를 중심으로 평가하였으나, 향후 냉방기간, 중간기에도 적용될 수 있는 평가도 필요하며, 다른 용도와 유형의 건물들에 대해서도 적용하여 정량적이고 다양한 평가가 필요하다.
기존의 제어 방식과 차별화 된 실내 환경 통합관리시스템은 기존의 냉난방 시스템에서 문제 시 되었던 과열/과냉 방지의 실현으로 에너지의 낭비를 억제하고 실내 환경에 대한 거주자의 쾌적도를 높일 수 있을 것으로 판단된다. 이러한 기술의 정립은 실내 환경을 감시하고 진단하여 제어함으로써 쾌적하고 건강한 실내 환경을 구현하여 삶의 질 향상뿐 아니라 건축물의 에너지 절감기술의 핵심 분야가 될 것으로 기대된다.
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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ASHRAE Standard 55-2004 Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy.
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