[논문]PMV 제어에 따른 사무소 건물의 실내열환경과 에너지소비량 분석

장향인; 서승직

doi:10.7836/kses.2013.33.4.015

PMV 제어에 따른 사무소 건물의 실내열환경과 에너지소비량 분석
Analysis of Indoor Thermal Environment and Energy Consumption in Office Building Controlled by PMV 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.33 no.4, 2013년, pp.15 - 22

장향인 (인하대학교 대학원 건축공학과) , 서승직 (인하대학교 건축공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to analyse the effects of air conditioned room controlled by PMV(Predicted Mean Vote)for energy consumption and human comfort in office building. The 'EnergyPlus' was used for the evaluation of indoor thermal environment and energy consumption by the controls of room temperature and PMV. The result indicates that the PMV control could prove more profitable method for improvement of indoor thermal environment and energy conservation. Consequently, PMV control has a distinct advantage over most other control methods. An additional study is required to establish the various thermal comfort control for rooms on the basis of this work.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 업무 시설을 대상으로 공조 존의 제어 방법에 따른 실내 온열 환경과 에너지 소비량을 비교 분석한 것으로, 그 주요 결과는 다음과 같다.
이에 본 연구에서는 중앙공조방식의 사무소를 대상으로 온도 제어와 쾌적지표 제어에 따른 실내 온열 환경과 에너지 소비 특성을 비교하는 것을 목적으로 하며,이를 통해 에너지 절감과 실내 쾌적성 증대를 동시에 달성할 수있는 제어 방법에 대한 기초 자료를 제공하고자 한다.본 연구는 건물 에너지 동적 해석 프로그램인 EnergyPlus를 이용한 시뮬레이션을 통해 수행하였으며,실온 제어 공간과 쾌적지표 제어 공간의 실내 온도,PMV,에너지 소비량 등에 대해 분석하였다.

가설 설정

1)7) 착의 량(clo)의 경우 스케줄을 통해 냉방기,난방기,중간기를 구분해 입력하였으며,활동량(met)은 사무실의 중간 강도 업무로 가정해 1.1met으로 설정하였다.실내의 기류 속도는 VAV 시스템의 경우 디퓨저 주변은 풍량에 의한 영향이 있으나 대부분의 거주역에서는 영향이 거의 없으므로 기존 연구를 참조해 0.
플래넘 상부와 공조존 바닥은 단열(Adiabatic)조건으로 설정하여 인접 존과의 열교환은 없는 것으로 가정하였고, 내·외부 존은 열저항이 매우 작은 비축열 재료를(Nomass)를 이용해 구획하였다. 외벽의 경우 건식 알루미늄 복합패널구조(알루미늄패널+공기층+단열재+석고보드)로, 창호의 경우 알루미늄프레임+24mm Low-e복층유리로 가정하였다. 해석 모델의 개요 및 물성은 다음 Table.
플래넘 상부와 공조존 바닥은 단열(Adiabatic)조건으로 설정하여 인접 존과의 열교환은 없는 것으로 가정하였고, 내·외부 존은 열저항이 매우 작은 비축열 재료를(Nomass)를 이용해 구획하였다.

제안 방법

건물,공조시스템,열원 기기 사이의 피드백을 통해 통합된 동시계산을 수행하며,특히 건물(공조 존)에서의 PMV 제어로 인한 부하 변동을 공조 및 열원 기기의 에너지 사용과 연동하여 반복 계산을 통해 수렴시켜 계산할 수 있다. EnergyPlus에서의 PMV제어는 사용자가 스케줄로 입력한 기류속도,착의량,활동량과 이전 타임 스텝에서 계산된 습도와 평균복사온도를 입력해 지정된 PMV설정 값을 만족시키는 실내온도를 계산하고 이를 조절하여 수행한다.단, 실내온도는 지정된 최대 및 최소 범위에서 변동 되며 이 값을 벗어날 경우 기본 온도 제어로 복귀한다.
공조 시스템은 중앙공조방식에서 사용빈도가 높은 VAV+FCU (외주부)방식으로 구현했으며,열원 기기는 가스보일러와 수냉식 전기칠러를 이용하여 구성하였다.VAV 터미널 박스의 풍량 제어는 냉방뿐만 난방 시에도 최대 풍량의 설정이 가능한 DualMaximum 제어 로직을 이용했으며,건구 온도에 의한 외기 냉방을 도입하였다.냉각코일은 12월∼2월까지,주난방코일은 6월∼8월까지 가동을 멈추도록 설정했다.
1과 같다.공조 시스템은 중앙공조방식에서 사용빈도가 높은 VAV+FCU (외주부)방식으로 구현했으며,열원 기기는 가스보일러와 수냉식 전기칠러를 이용하여 구성하였다.VAV 터미널 박스의 풍량 제어는 냉방뿐만 난방 시에도 최대 풍량의 설정이 가능한 DualMaximum 제어 로직을 이용했으며,건구 온도에 의한 외기 냉방을 도입하였다.
문정현 외는⁴⁾실험실 측정을 통해 PMV 제어의 효과를 분석하였다. 냉방 조건에서 VAV 시스템과 복사 냉각 패널을 이용해 실험을 실시하였으며 에너지 절감 효과를 확인하였다.또한 모백현 외의 연구에서는⁵⁾PMV 제어 해석이 가능한 프로그램을 개발하고,실온 제어 시 불쾌적 구간의 발생을 확인하였으며,평균복사온도가 PMV 제어에 주요한 인자인 것으로 판단하였다.
Table6은 냉․난방기 및 연간의 남측 외주부와 내주부의 최저온도,최고온도,평균온도, 온도표준편차를 나타낸 것이다. 냉방기는 6～8월을,난방기는 12～2월을 분석했으며, 실내 열환경을 대표할 수 있는 남측 외주부와 내주부를 비교하였다.난방기에도 특히 내부존의 경우, 난방 부하보다 냉방 부하가 많이 발생하여 평균 온도가 냉방 설정 온도에 가깝게 나타났으며, 온도 제어 Case에서 설정 온도 범위를 벗어나는 경우는 주로 공조기가 재가동되는 월요일 아침에 발생하였으나, NightSetback Control사용으로 인해 그 비율이 1% 이내로 매우 낮게 나타났다
이에 본 연구에서는 중앙공조방식의 사무소를 대상으로 온도 제어와 쾌적지표 제어에 따른 실내 온열 환경과 에너지 소비 특성을 비교하는 것을 목적으로 하며,이를 통해 에너지 절감과 실내 쾌적성 증대를 동시에 달성할 수있는 제어 방법에 대한 기초 자료를 제공하고자 한다.본 연구는 건물 에너지 동적 해석 프로그램인 EnergyPlus를 이용한 시뮬레이션을 통해 수행하였으며,실온 제어 공간과 쾌적지표 제어 공간의 실내 온도,PMV,에너지 소비량 등에 대해 분석하였다.
Case1은 에너지절약설계기준에 의해 실내온도를 설정한 경우이며^,10)Case2는 예비 시뮬레이션 분석을 통해 재실자 열쾌적 빈도가 PMV 제어와 비슷할 수 있도록 설정 온도 범위를 조정한 것이다. 온도 제어 유형은 오차범위를 가진 이중 설정값(DualSetpointwith Deadband)으로 냉난방에 동시 대응하도록 설정하였다. Case3은 공조 존의 PMV를 쾌적 범위인 ±0.

대상 데이터

해석 모델은 35m x35m의 정방형 형태의 사무소 기준층으로 선정하였다.해석 모델은 1개의 내주부,4개의 외주부와 공조 존 상부의 1개의 플래넘으로 구성하였으며,외주부의 깊이는 5m 로 설정하였다. 플래넘 상부와 공조존 바닥은 단열(Adiabatic)조건으로 설정하여 인접 존과의 열교환은 없는 것으로 가정하였고, 내·외부 존은 열저항이 매우 작은 비축열 재료를(Nomass)를 이용해 구획하였다.
해석 모델은 35m x35m의 정방형 형태의 사무소 기준층으로 선정하였다.해석 모델은 1개의 내주부,4개의 외주부와 공조 존 상부의 1개의 플래넘으로 구성하였으며,외주부의 깊이는 5m 로 설정하였다.

이론/모형

평균복사온도는 특정 표면의 가중이 없이 계산하는 존 평균(ZoneAverage)방식으로 설정하였다.
2와 같이 입력했다.⁶⁾ 내부 열취득은 ASHRAE Handbook Fundamentals (2009)의 기준을,재실밀도 및 외기도입량은 ASHRAE Standard62.1(2007)의 기준을 사용하였다.⁷⁾8)분석을 위한 기상 파일은 EnergyPlus에서 제공하는 인천 지역 데이터를 사용했으며,시뮬레이션 입력 조건은 다음 Table2에 HVAC 시스템은 Table3에 나타냈다.
실을 제어하는 쾌적 지표는 PMV로 설정하였으며,PMV 제어를 위한 기류속도,착의량,활동량에 대한 입력은 ISO 및 ASHRAE의 각종 기준을 참고하여 설정했다.¹⁾7) 착의 량(clo)의 경우 스케줄을 통해 냉방기,난방기,중간기를 구분해 입력하였으며,활동량(met)은 사무실의 중간 강도 업무로 가정해 1.
재실 및 발열 스케줄은 ASHRAEStandard 90.1(1989)에 준해 Fig.2와 같이 입력했다.⁶⁾ 내부 열취득은 ASHRAE Handbook Fundamentals (2009)의 기준을,재실밀도 및 외기도입량은 ASHRAE Standard62.

성능/효과

(1) 공조 존을 PMV 지표를 이용해 제어하는 경우에는 다른 온열 쾌적 인자가 반영되어 실온 제어에 비해 실 온도의 변화 폭이 크게 나타났다.
(2) 실내 온도를 에너지절약설계기준에 따라 난방 20℃,냉방 26℃로 설정한 경우,에너지 소비량은 적으나 PMV가 쾌적 범위인 ±0.5이내인 비율은 내외주부 평균 약 1/3에 불과한 것으로 나타났다.
(3) PMV 지표를 이용해 실을 제어하는 경우에는 온도 제어에 비해 쾌적 구간 분포 비율이 높게 나타났다.또한 PMV 제어 시에는 온도 제어에 비해 실의 PMV 변화 폭이 좁고,평균값도 완전 쾌적 값인 0에 가깝게 나타났다.
(4) PMV 제어(Case3)의 경우 비슷한 쾌적성을 가진 실온 제어(Case2)에 비해 에너지 사용량이 약 6.1% 낮게 나타나 에너지 소비 측면에서도 유리한 것으로 분석되었다.
PMV 제어 시에는 전체 공조 시간 중 외주부는 85.8%,내주부는 98.3%가 PMV ±0.5이내로 분석되어 공조존이 쾌적 범위에서 적절히 제어되는 것으로 나타났다.
(3) PMV 지표를 이용해 실을 제어하는 경우에는 온도 제어에 비해 쾌적 구간 분포 비율이 높게 나타났다.또한 PMV 제어 시에는 온도 제어에 비해 실의 PMV 변화 폭이 좁고,평균값도 완전 쾌적 값인 0에 가깝게 나타났다.
난방기 공동주택의 온도 제어와 PMV 제어에 따른 실내 환경과 에너지 소비를 시뮬레이션을 통해 비교하였다.이 연구에서는 온열 쾌적감을 고려했을 때 24℃를 적정 실온으로 제시했으며,PMV 제어 시 약 6.4%의 에너지 절감량을 보이는 것으로 분석했다.문정현 외는⁴⁾실험실 측정을 통해 PMV 제어의 효과를 분석하였다.
이상의 연구를 통해 쾌적지표(PMV)를 이용한 공조존 제어의 효과와 활용 가능성을 확인하였다.이후 다양한 건물용도,공조시스템, 재실스케줄에서의 비교와 계산된 PMV와 실제 재실자 열쾌적을 비교하는 후속 연구를 수행해 쾌적 지표를 이용한 공조 존 제어에 관한 기초 자료를 구축할 예정이다.
하지만 분석 기간과 시스템이 제한적인 기존 연구들과 함께 쾌적 지표 제어가 효율적으로 이용될 수 있는 중앙공조시스템의 건물을 대상으로 연간 성능 평가를 수행할 필요성도 확인되었다.

후속연구

이상의 연구를 통해 쾌적지표(PMV)를 이용한 공조존 제어의 효과와 활용 가능성을 확인하였다.이후 다양한 건물용도,공조시스템, 재실스케줄에서의 비교와 계산된 PMV와 실제 재실자 열쾌적을 비교하는 후속 연구를 수행해 쾌적 지표를 이용한 공조 존 제어에 관한 기초 자료를 구축할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	일반적으로 사용되는 실내온도를 이용한 공조존의 제어의 장단점은 무엇인가?	최근 거주자의 생활수준 향상과 의식 변화로 인해 쾌적한 실내 환경에 대한 요구가 증대되고 있으며,재실자의 쾌적감 향상은 생산성 증대로 이어진다.하지만 일반적으로 사용되는 실내온도를 이용한 공조존의 제어는 직관적이고 편의성이 높긴 하지만 거주자의 열적 쾌적성을 만족시킬 수있는 온열 환경 변수를 모두 고려한 제어가 아니기 때문에 한계를 내포하고 있다.반면 다양한 온열 환경 변수들이 고려된 쾌적 지표를 활용하여 실을 제어하는 것은 다소 복잡하긴 하지만 에너지 절감과 실내 환경 개선이라는두 가지 측면을 모두 달성할 수 있다.
	PMV는 어떤 인자를 반영하여 계산되는가?	Fanger에 의해 제안된 것으로,ISO7730에 채택되어 사용되고 있다.재실자의 온열 쾌적에 영향을 미치는 6가진 인자(온도,습도,기류속도,평균복사온도, 착의량,활동량)을 반영하여 계산되며,-0.5∼+0.
	열쾌적은 어떤 요소에 의해 결정되는가?	인체의 생산열량과 방열량이 평형을 이루어 덥지도 춥지도 않을 때가 열쾌적 상태이다.이같은 열쾌적은 온도,습도,기류,복사열등의 물리적 인자와,착의량,활동량,성별,나이 등의 주관적 인자에 의해 결정된다.열환경 평가에 이들 전요소를 고려하는 것이 이상적이나 평가가 복잡해지고 직감성을 상실하므로,복수의 인자를 반영한 유효온도,작용온도,등가 온도,평균예상온냉감(PMV)등의 단일 열쾌적 지표들이 개발되어 사용되고 있다.

참고문헌 (10)

ISO 7730, Ergonomics of the thermal environment, 2005.
DOE, EnergyPlus 6.0 Engineering Reference, US Department of Energy, 2010.
Seong, N. C. and Yoon, D.W., Study on Thermal Environment and Heating Energy Consumption Using Thermal Comfort Index in Residential Building, Korean Journal of KSLES, Vol. 17, No. 6, pp 758-765, 2010.
Mun, J. H. and Ihm, P. C., Energy Savings of HVAC Systems by PMV Controls in a Full-Scale HVAC Laboratory, Korean Journal of KSLES, Vol. 11, No. 2, pp. 111-116, 2004.
Mo, P. H. et al, Study on Thermal Comfort and Energy Consumption Characteristic in PMV Contrlled Space, Proceeding of KIAEBS autumn conference, pp. 70-73.2008.
ASHRAE, ASHRAE Standard 90.1, Energy Stand ard for Buildings Except Low-Rise Residential Buildings, 1989.
ASHRAE, ASHRAEH and book Fundamentals, 2009.
ASHRAE, ANSI/ASHRAE Standard 62.1 Ventilation for AcceptableIndoor Air Quality, 2007.
Yu, K. H. etal, Comparative Evaluation of Indoor Environment of office Buildings with An Underfloor Air Distribution System and A Ceiling Based Air Conditioning System. Korean Journal of AIK, Vol. 20, No. 5, pp 185-192, 2004.
Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, Notice No.2013-149, Building Energy Conservation Design Standards, 2013.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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