[논문]CFD와 실측을 이용한 환경제어요소 도입 및 주택 자연환기 성향 검토를 통한 에너지 절감가능성 고찰

오병철; 이선영

doi:10.7836/kses.2014.34.6.027

[국내논문] CFD와 실측을 이용한 환경제어요소 도입 및 주택 자연환기 성향 검토를 통한 에너지 절감가능성 고찰
Study on Energy Saving Possibilities through Analysis of Environment Control Elements & Natural Ventilation Performance using the CFD & Measurement 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.34 no.6, 2014년, pp.27 - 37

오병철 (재)광주세계도시환경포럼 UEA사무국) , 이선영 (경남과학기술대학교)

Abstract ▼ AI-Helper

Heat island is caused by changes of land coverage structure of cities and use of energy in buildings. As a result energy use in buildings get to increase further followed by rising of GHG emission and deteriorating climate change. Eco-friendly housing complex is a kind of plan that applies environmental control elements like water and green spaces to housing complex. With these methods, it can be expected to create thermal environment of indoor and outdoor. In this paper quantitative examination is studied on using CFD to find out the effects of river, water permeable, parks and planting on thermal environment. And by comparing field measurements with CFD results which are aimed to development phase housing complex, feasibility and usability of the CFD analysis results are confirmed. And also, analysis on the ventilation performance followed by natural ventilation system is analyzed by selecting one building in housing complex. Based on the results, the possibilities of energy reduction through making thermal environment and applying natural ventilation are studied. With these outcomes, creating thermal conditions and using natural ventilation would be contributed to GHG reduction.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 CFD해석과 실측을 통해 친환경주거단지의 환경제어요소 도입을 통한 온열환경 평가를 수행했으며, 외부 환경(기온, 풍속 등)과 연계한 건물 내부의 기류변화, 기류경로에 착안한 자연환기 특성을 검토하였다. 또한 기존 연구사례와 본 연구 결과를 연계하여 친환경주거단지 및 건물의 에너지 절감 가능성, 그리고 온실가스 감축 필요성 및 감축 가능성에 대해 검토했다. 본 연구를 통해 얻은 주요 결론은 다음과 같다.
그럼에도 불구하고 건물 에너지 절약 관점에서 신재생에너지 및 패시브디자인을 도입하는 것은 기후변화 대응을 위한 유용한 수법으로 인정받고 있다. 본 연구는 일본 사이타마市의 친환경주거단지를 대상으로 환경제어요소 적용을 통한 단지 내 온열환경 형성과 주택의 자연환기 경로 분석, 그리고 이를 바탕으로 에너지 부하 저감을 통한 건물 GHG 감축 가능성 검토를 수행한 결과를 제시하기로 한다.
본 연구에서는 CFD해석과 실측을 통해 친환경주거단지의 환경제어요소 도입을 통한 온열환경 평가를 수행했으며, 외부 환경(기온, 풍속 등)과 연계한 건물 내부의 기류변화, 기류경로에 착안한 자연환기 특성을 검토하였다. 또한 기존 연구사례와 본 연구 결과를 연계하여 친환경주거단지 및 건물의 에너지 절감 가능성, 그리고 온실가스 감축 필요성 및 감축 가능성에 대해 검토했다.
여기서는 개발단계의 주거단지 및 건물 1개동 대상의 실측 및 CFD 해석과 실측데이터 간의 유의성을 검증함과 동시에 건물 외부 기류가 실내 기류에 미치는 영향을 평가한다.

가설 설정

5). 다만, 당시 조성되어 있던 하천을 환경제어요소로서 검토하기 위해 Case1만 하천공간을 아스팔트 포장으로 가정하였다. Fig.

제안 방법

1에 나타낸다. Step 1에서는 계획단계의 친환경주거단지를 대상으로 복사 대류 연성 CFD 해석³⁾을 통해 환경제어수법에 따른 온열환경 개선 효과를 검토한다. Step 2에서는 개발단계에 있는 주거단지를 대상으로 실측과 CFD해석을 통해 풍속, 풍향, 기온, 표면온도 및 건물 1개동의 풍속, 풍향, 기온을 검토한다.
Step 1에서는 계획단계의 친환경주거단지를 대상으로 복사 대류 연성 CFD 해석³⁾을 통해 환경제어수법에 따른 온열환경 개선 효과를 검토한다. Step 2에서는 개발단계에 있는 주거단지를 대상으로 실측과 CFD해석을 통해 풍속, 풍향, 기온, 표면온도 및 건물 1개동의 풍속, 풍향, 기온을 검토한다. Step 3, 4는 CFD해석 및 실측 결과 비교를 통해 CFD해석 결과의 정확도 분석을 수행하며, Step 5는 분석된 데이터를 기초로 하여 건축물 내부의 자연환기 경로 등의 특징을 분석, 이를 기존 연구 사례 등과 비교하여 GHG 감축 가능성에 대해 논한다.
본 연구에서는 환경제어요소가 주거단지의 온열환경조성에 미치는 영향을 정량적으로 분석하기 위해 환경제어요소별 Case로 구분하여 연구를 수행했다(Table. 5). 다만, 당시 조성되어 있던 하천을 환경제어요소로서 검토하기 위해 Case1만 하천공간을 아스팔트 포장으로 가정하였다.
14에는 실내기류 해석 결과 중 Case-ⅰ의 풍속, 풍향의 결과로, Case-ⅰ와 Case-ⅱ는 유입 풍속이 다르지만, 건물내 기류의 경로 특성이 같게 나타나 생략했다. 실측과 같은 조건을 위해 건물 냉방공조는 없는 것으로 하고, 모든 개구부를 개방해 놓은 상태로 CFD해석을 하였다. 이 결과 F.

대상 데이터

Fig. 6 (a)의 단지 측정의 경우 G.L.(지면) +1.5m 에서의 데이터를 측정하였으며, 측정개소는 6곳을 선정하였다. Fig.
실측은 2008년 6월 9∼13일까지 수행했으며, 그 중, 기상조건 및 데이터 등 분석 결과 신뢰도가 높은 것으로 분석된 6월 13일 10:00∼16:00의 데이터를 활용하여 검토를 수행했다.

데이터처리

측정은 풍속, 풍향, 온습도 등에 대해 10분간 평균데이터를 수집하였다. Fig.

이론/모형

대류해석과 복사해석은 각각, Star-CD, Star-RADX를 활용하였다. Fig.

성능/효과

7(b) Case2의 경우 Fig. 7(a) Case1에 비하여 하천적용으로 인해 수변공간(점선타원)의 표면온도가 약 66℃에서약 30℃로 낮게 나타났다. Fig.
조현길 등⁵⁾이 식생이 주변 미기후 개선 효과가 있다고 밝힌 내용이 본 연구에서도 유사한 효과가 나타나는 것을 확인 할 수 있었다. 복사해석의 전반적인 결과로서 Albedo가 높은 재료를 환경제어요소로 적용을 한다면 적용요소에 따른 대소는 있겠지만, 거리의 표면온도를 낮출 수 있어 쾌적한 보행환경 조성 및 건물의 에너지 소비 감소를 통한 온실가스 배출 감소도 기대할 수 있다. Fig.
실측과 같은 조건을 위해 건물 냉방공조는 없는 것으로 하고, 모든 개구부를 개방해 놓은 상태로 CFD해석을 하였다. 이 결과 F.L.+1.5m에서의 평균 풍속은 전반 적으로 Case-ⅰ이 높게 나타났다. 이것은 전술한 바와 같이 건물내부로의 유입풍속이 Case-ⅰ쪽이 높기 때문에 나타나는 결과이며, 이를 통해 건물내부로 유입되는 바람의 세기가 자연 환기 성능을 좌우할 것으로 예상할 수 있다.
한편 Case5의 경우 건물과 도로 주변에 식재들이 방풍림 역할을 하여 풍속이 더욱 약해진 것으로 추정된다. 이 결과를 기반으로 단지 내 평균기온은 Case1을 기준으로 Case4까지는 기온하강이 확인되지만, Case5는 단지표면의 열복사의 영향으로 기온이 상승되었으며, 식재로 인해 기류가 약해져 원활한 이류가 발생하지 못했기 때문으로 판단된다. 그러나 전반적으로 단지내 기온저하 효과가 확인되어 식재를 활용한 환경제어수법은 유용하다고 판단할 수 있다.
첫째, 친환경주거단지를 대상으로 한 실측 데이터 대비 CFD해석의 정도검증 결과 CFD 해석의 활용도가 높다고 판단된다.

후속연구

보수성포장 부분에서 기온이 약간 감소된 부분(Fig. 9(c), 점선 부분)이 확인되지만, 가구 내 현저한 풍속변화는 확인되지 않아, 보수성포장 도입이 거리의 풍속 변화에 미치는 영향을 확인하기 위해서는 다른 여러 조건을 추가하여 검토할 필요가 있을 것으로 생각된다. Fig.
그리고 Step2, 3, 4의 CFD해석과 실측을 통한 건물 내부의 자연환기 경로 분석도 냉방 및 공조 부하 감소에 기여할 것으로 판단된다. 그러나 식재의 경우 단지내 기류 운동량이 저해될 가능성이 있기 때문에 이러한 조건에서의 건물 자연환기 수법 도입은 CFD해석, 실측 등 유용한 방법을 통한 충분한 타당성 검토가 선행되어야 할 것이다.
본 연구 결과를 에너지 절약 및 온실가스 감축의 관점으로 고찰해 보면, Step1에서 친환경주거단지내 환경제어요소 도입은 단지내부의 온열환경을 조성하여 냉방 및 공조에너지 사용의 절감을 유도할 것이며, 이를 통한 온실가스 배출 저감을 기대할 수 있다. 그리고 Step2, 3, 4의 CFD해석과 실측을 통한 건물 내부의 자연환기 경로 분석도 냉방 및 공조 부하 감소에 기여할 것으로 판단된다. 그러나 식재의 경우 단지내 기류 운동량이 저해될 가능성이 있기 때문에 이러한 조건에서의 건물 자연환기 수법 도입은 CFD해석, 실측 등 유용한 방법을 통한 충분한 타당성 검토가 선행되어야 할 것이다.
넷째, 자연환기 수법을 통한 건물 냉방 및 공조에너지 소비 절감은 기후변화 대응을 위한 건물 부문에서의 온실가스 감축 방법으로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
둘째, 주거 단지 내 환경제어요소 도입은 단지내 기온 저감으로 유도할 것이며, 이를 통해 건물에너지 절감이 가능할 것으로 기대된다. 셋째, 단지 내 식재는 풍속저해 요인이 될 수있으므로 건물에 자연환기 수법 도입을 고려하는 경우, 유효풍속 확보를 위해 충분한 사전 검토가 요구된다.
그러므로 건물 자연환기 효율 향상을 위해서는 계획단계에서 CFD해석을 통한 기류의 경로파악과 이를 통한 평면계획이 필요할 것으로 판단된다. 또한 외부공간에서 일정량 이상의 유효풍속 조건이 형성될 수 있도록 주풍향에 대한 건물방향, 개구부 위치, 크기, 형태 등의 선택이 필요할 것이다. 이를 통해 건축물 공조에너지 절감 및 온실가스 배출저감에 도움이 될 것으로 기대할 수 있다.
본 연구를 바탕으로 향후에는 친환경주거단지 조성과 건물 자연환기 도입의 상관관계를 보다 정량적이고 체계적인 분석을 통해 효과를 검증할 필요가 있다. 또한 이를 통해 건물 온실가스배출량 절감이 정량적으로 평가된다면 온실가스 감축을 위한 보다 폭넓은 접근이 가능할 것이다.
를 통해, 자연환기에 의한 실내공기환경 및 에너지 사용량은 중간기와 냉방기(하절기)에 따라 차이는 있으나 연간 6∼9%의 냉방에너지를 감소할 수 있는 것으로 확인 할 수 있다. 물론 이것은 하절기 냉방에너지뿐만 아니라 간절기(봄, 가을)에 환기를 위해 사용되는 에너지도 대기 조건에 따라 충분히 활용될 수 있을 것이다. 중요한 것은 단지내 신선한 바람과 자연환기를 위한 유효풍속의 확보를 위해 건물과 단지를 대상으로 한 다각적인 검토를 선행하는 중요하다는 점이다.
본 연구 결과를 에너지 절약 및 온실가스 감축의 관점으로 고찰해 보면, Step1에서 친환경주거단지내 환경제어요소 도입은 단지내부의 온열환경을 조성하여 냉방 및 공조에너지 사용의 절감을 유도할 것이며, 이를 통한 온실가스 배출 저감을 기대할 수 있다. 그리고 Step2, 3, 4의 CFD해석과 실측을 통한 건물 내부의 자연환기 경로 분석도 냉방 및 공조 부하 감소에 기여할 것으로 판단된다.
본 연구를 바탕으로 향후에는 친환경주거단지 조성과 건물 자연환기 도입의 상관관계를 보다 정량적이고 체계적인 분석을 통해 효과를 검증할 필요가 있다. 또한 이를 통해 건물 온실가스배출량 절감이 정량적으로 평가된다면 온실가스 감축을 위한 보다 폭넓은 접근이 가능할 것이다.
둘째, 주거 단지 내 환경제어요소 도입은 단지내 기온 저감으로 유도할 것이며, 이를 통해 건물에너지 절감이 가능할 것으로 기대된다. 셋째, 단지 내 식재는 풍속저해 요인이 될 수있으므로 건물에 자연환기 수법 도입을 고려하는 경우, 유효풍속 확보를 위해 충분한 사전 검토가 요구된다.
둘째, 주거 단지 내 환경제어요소 도입은 단지내 기온 저감으로 유도할 것이며, 이를 통해 건물에너지 절감이 가능할 것으로 기대된다. 셋째, 단지 내 식재는 풍속저해 요인이 될 수있으므로 건물에 자연환기 수법 도입을 고려하는 경우, 유효풍속 확보를 위해 충분한 사전 검토가 요구된다.
또한 외부공간에서 일정량 이상의 유효풍속 조건이 형성될 수 있도록 주풍향에 대한 건물방향, 개구부 위치, 크기, 형태 등의 선택이 필요할 것이다. 이를 통해 건축물 공조에너지 절감 및 온실가스 배출저감에 도움이 될 것으로 기대할 수 있다. 향후 다양한 해석 Case를 통해 이를 확인할 필요가 있다.
이를 통해 건축물 공조에너지 절감 및 온실가스 배출저감에 도움이 될 것으로 기대할 수 있다. 향후 다양한 해석 Case를 통해 이를 확인할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	건물에너지 소비로 인한 온실가스(GHG) 배출량이 전체 배출량에서 차지하는 비중은?	에너지소비통계(에너지관리공단, 2007)에 따르면 건물에너지의 사용량은 전체 에너지 사용량의 22.1%에 육박하며, 건물에너지 소비로 인한 온실가스(GHG) 배출량은 전체 배출량의 25%를 점유(건설과정 제외)하고 있다1). 국제 사회는 건물의 에너지 절약과 MRV (Measuring, Reporting and Verification) 기법도입을 통해 GHG 감축 필요성을 제시하고 있다2).
	건물의 GHG 감축이 쉽지 않은 이유는?	그러나 건물의 GHG 감축은 쉽지 않다. 예를 들면 건물에 신재생에너지 혹은 패시브디자인 수법 도입은 건물의 시공, 관리, 그리고 폐기 과정에 걸쳐서 많은 예산과 더불어 건축가와 환경, 설비엔지니어와의 유기적인 조화가 반드시 필요한 부분이다. 그럼에도 불구하고 건물 에너지 절약 관점에서 신재생에너지 및 패시브디자인을 도입하는 것은 기후변화 대응을 위한 유용한 수법으로 인정받고 있다.
	에너지소비통계(에너지관리공단, 2007)에 따르면 전체 에너지 사용량에서 건물에너지의 사용량이 차지하는 비중은?	최근 도시와 건축물이 가지고 있는 온실 가스 감축 잠재력에 국제사회는 주목하고 있다. 에너지소비통계(에너지관리공단, 2007)에 따르면 건물에너지의 사용량은 전체 에너지 사용량의 22.1%에 육박하며, 건물에너지 소비로 인한 온실가스(GHG) 배출량은 전체 배출량의 25%를 점유(건설과정 제외)하고 있다1). 국제 사회는 건물의 에너지 절약과 MRV (Measuring, Reporting and Verification) 기법도입을 통해 GHG 감축 필요성을 제시하고 있다2).

참고문헌 (9)

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Tsuchiya Takashi, Ryozo Ooka et al., Grasp of Effect of Various Relaxation Methods for the Heat Island Phenomenon on Outdoor Thermal Environment in the Present Urban Blocks Using Coupled Simulation, Monthly journal of the IIS, University of Tokyo 60(1), 40-45, 2008
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Lee, W. W et al., Ventilation and Energy Analysis on Natural Ventilation in Apartment Housing, SAREK, Summer Annual Conference Korean Journal, Vol. II, pp. 644-648, 2001.7

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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