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문제 정의
- 이에 본 연구도 신재생에너지원 가운데 풍력에너지를 활용한 건물 에너지절약 방안으로 건물 높이에 따라 증가하는 옥상외기와 실내배기를 활용하는 풍력발전시스템을 제안하며, 건물 옥상에 풍력발전시스템을 설치하여 높이에 따라 증가하는 옥상외기와 건물내부에 설치된 설비용 수직샤프트에서 발생되는 실내배기를 풍력발전에 이용하고자 주방·욕실 배기구의 동시사용률에 따른 기류분포 및 발전량을 측정하여 풍력발전시스템의 건물 적용을 위한 고려요소를 도출하였다.
제안 방법
- (1)건물 높이에 따라 증가하는 옥상외기와 주방·욕실 배기구에서 발생하는 실내배기를 활용하기 위하여 외기유인모듈과 발전기 회전체로 이루어진 풍력발전시스템을 제안한 후, 기본모델(Prototype)을 제작하였다.
- (2)제안된 풍력발전시스템의 성능을 평가하기 위하여 18층(52.5m)높이 공동주택을 대상으로 옥상외기와 주방·욕실 배기구의 동시사용률에 따른 배기풍속을 측정한 후, 욕실 배기구 상부에 외기유인모듈과 발전기회전체를 설치하여 기류분포와 발전량 측정실험을 실시하였다.
- (3)기류분포 측정실험은 주방·욕실 배기구의 동시사용률에 따른 배기풍속을 측정하여 풍력발전을 위한 블레이드 가동풍속 확보 가능성을 검토한 후, 기존 욕실배기구에 외기유인모듈을 설치하여 외기유인을 통한 배기풍속 증가효과를 분석하였다.
- 기류분포 및 발전량 측정을 위하여 Fig.3과 같이 대상건물 옥상에 외기풍속과 풍향 측정을 위한 기상장치를 설치하였으며, 주방·욕실 배기구 내부 3지점(①하부,②좌측,③우측)과 외기유인모듈 내부 3지점(④하단,⑤중단,⑥상단)총 6지점에 다점풍속센서를 설치하여 기류분포를 측정하였다.
- 기존 욕실배기구의 세대별 존구획「C4」조건을 대상으로 외기유인모듈 적용 유·무 에따른 발전량을 비교분석하였다.
- 또한, 옥상층 주방·욕실 배기구의 관경을 고려하여, 하부는 Ø500mm, 상부는 Ø400mm 크기로 제작하여 벤츄리효과로 인한 배기풍속의 증가를 유도하며, 건물옥상형태와 배기구 주변 구조체 및 계절에 따른 외기풍향 변화를 고려하여 360° 회전이 가능한 발전기회전체로 구성되었다.
- 본 연구에서 제안하는 풍력발전시스템은 아래 Fig.1과 같이 건물 높이에 따라 증가하는 수평방향의 옥상외기를 외기유인모듈을 통하여 주방·욕실 배기구 내부로 유인한 후,수직 방향의 실내배기와 혼합 상승시켜, 증속된 기류가 배기구 상부에 설치된 풍력발전기1)의 블레이드를 구동시켜, 일정량의 전기에너지를 생산하는 개념으로 설계·제작되었다.
- 본 절에서는 기존 욕실배기구에 외기유인모듈 적용시 동시사용률[α]=33∼100%에 따른 발전량을 비교분석하였다.
- 선정된 대상건물의 설비용 수직샤프트는 Fig.2와 같이 각 세대별 환기를 위한 주방배기구 1곳과 침실의 욕실배기구 1곳 및 거실의 욕실배기구 1곳이 존재하며,이 가운데 주방배기구와 거실에 위치한 욕실배기구를 대상으로 외기유인모듈과 발전기회전체를 설치하여 동시사용률[α]에 따른 기류분포와 발전량 측정하였다.
- 측정실험 변수와 설정조건은 Table2와 같이 각 세대의 주방후두팬([Ss]-3.7㎧,[Ms]-5.3㎧, [Hs]-7.4㎧)과 욕실배기팬([Bs]-1.2㎧)을 층별(2∼18F)로 순차적으로 가동시켜,옥상 주방·욕실 배기구 말단에서 배기풍속을 측정한 후, 세대별 존구획「C1∼7」을 설정하여 주방후두팬 저속([Ss]-3.7㎧)과 욕실배기팬([Bs]-1.2㎧)가동시 동시사용률[α]=33∼100%에 따른 기류분포를 측정하였으며,욕실배기구를 대상으로 세대별 존구획「C3,C4,C7」에서 외기유인 모듈의 적용 유·무에 따른 기류분포와 발전량을 측정하였다.
대상 데이터
- 외기유인모듈은 발전기 블레이드의 회전반경을 고려하여 높이 320mm의 집풍유닛을 4단으로 적층하는 방식으로 제작되었다. 또한, 옥상층 주방·욕실 배기구의 관경을 고려하여, 하부는 Ø500mm, 상부는 Ø400mm 크기로 제작하여 벤츄리효과로 인한 배기풍속의 증가를 유도하며, 건물옥상형태와 배기구 주변 구조체 및 계절에 따른 외기풍향 변화를 고려하여 360° 회전이 가능한 발전기회전체로 구성되었다.
- 제안된 풍력발전시스템의 성능평가를 위하여 Table 1과 같이 18층(52.5m)높이 178세대 규모의 공동주택을 대상건물로 선정하였다.
성능/효과
- (1) 주방·욕실 배기구 가동 세대가 2〜18F층으로 증가할수록 배기풍속 또한, 증가하는 경향을 보이며, 주방후두팬 중속과 고속가동시 풍력발전기 블레이드 가동에 필요한 3.0㎧ 이상의 배기풍속이 확보되는 반면, 욕실 배기팬은 전체세대 배기팬이 가동되더라도 주방후두팬 저속가동의 50%에 해당하는 1.19㎧의 배기풍속만이 발생되어 외기유인모듈 적용을 통한 배기풍속의 증속이 필요한 것으로 사료된다.
- (2) 동시사용률[α] 변화에 따른 기류분포는 주방배기구의 경우, 주방후두팬 저속가동 동시사용률[α] 66%이상부터 3.0㎧이상의 배기풍속 확보가 가능하였으나, 욕실배기구의 경우는 동시사용률[α]이 100%까지 증가더라도 풍력발전기 블레이드 가동에 필요한 3.0㎧이상의 배기풍속 확보가 어려웠다.
- (3) 발전량 측정실험의 경우, 기존 욕실배기구의 총누적발전량은 44,551Wh로 시간당 평균 309.4Wh가 발전된 반면, 외기유인모듈 적용시 총누적발전량은 57,894.3Wh로 시간당 평균 402.1Wh가 발전되어 기존 욕실 배기구의 발전량보다 외기유인모듈 적용시 약 29% 정도 발전량이 향상되었다.
- (4) 동시사용률[α]에 따른 발전량은 [α]=100%>[α]=66%>[α]=33% 순으로 1.76∼3.68㎧범위의 외기풍속과 실내배기의 영향으로 인하여 외기풍속이 평균 1.88㎧인 동시사용률[α]=33%에서 가장 발전량이 저조하게나타난 반면, 동시사용률 [α]=100%는 외기유인모듈의 내부로 유입된 3.21㎧ 평균 외기풍속의 영향으로 [α]=66%보다 발전량이 2배정도 높게 나타났다.
- (4)발전량 측정실험은 옥상외기와 기존 욕실 배기구 발전량과 외기유인모듈 및 발전기회전체 적용시 동시사용률에 따른 발전량을 측정하여 풍력발전시스템 적용을 위한 고려요소를 도출하였다.
- 2013년 4월 5일부터∼5월 15일까지의 측정실험 동안의 옥상외기는 Fig.4와 같이 0.41∼14.7㎧범위로 평균풍속은 2.56㎧이며, 남서풍(SW) 이 38.4%로 가장 높은 풍향빈도를 보이고, 4월 초순부터 중순까지는 외기풍속이 평균 1.7㎧로 약한 반면,중순부터 말까지는 5.7㎧로 강한 풍속을 보였으며,측정실험 기간 동안 1.0㎧이하의 무풍빈도는 10.8%이고,풍력발전기의 블레이드 가동에 필요한 3.0㎧ 이상의 외기풍속 빈도는 58%인 것으로 나타났다.
- 기존 욕실배기구 세대별 존구획「C4」조건의 발전량의 경우, Fig.8과 같이 최고빈도 풍향 남서풍(SW)인 0.98∼3.22㎧범위 평균 1.83㎧의 옥상외기가 작용할 때, 일간 최소발전량은 281Wh이고, 일간 최대발전량은 20,261.4Wh이며, 총누적발전량은 44,551Wh로 시간당 평균 309.4Wh가 발전되었다.
- 따라서 기존 욕실배기구에 외기유인모듈을 적용할 경우, 옥상외기의 유인에 의하여 배기 풍속이 증가됨에 따라 기존 욕실배기구의 발전량보다 29% 향상되는 것으로 나타났다.
- 따라서 외기유인모듈 적용시 기존 욕실배기구의 배기풍속 증가는「C3-ID」은 2.9㎧(4.2배),「C4-ID」은 3.8㎧(3.9배),「C7-ID」은 3.6㎧(3.3배)로 나타나,풍력발전 블레이드 가동에 필요한 3.0㎧ 이상의 배기풍속이 확보되었다.
- 이에 따른 시간당 평균 발전량은 [α]=100% (661.9Wh)>[α]=66% (336.0Wh)> [α]=33%(88.1Wh)순으로 동시사용률[α]=33%에서 외기풍속이 평균 1.88㎧으로 가장 낮음에 따라 발전량이 저조하게 나타난 반면, 동시사용률 [α]=100%는 외기유인모듈의 내부로 유입된 평균 외기풍속이 3.21㎧로 가장 높음에 따라 발전량도 [α]=66%보다 시간당 평균 325.9Wh 높게 발전되었다.
- 주방·욕실 배기구 내부 3지점(①하부,②좌측,③우측)에서 외기풍속이 3.0㎧이하 일때, 1분 간격으로 6시간 동안 각 세대의 주방후두팬과 욕실배기팬을 2∼18F 순차적으로 가동시켜 배기풍속을 측정한 결과 Fig.5와 같이 가동세대가 증가할수록 배기풍속 또한 비례하여 증가하는 경향이 나타나며, 주방후두팬 저속[Ss]배기풍속은 2.09㎧,중속[Ms]은 4.58㎧, 고속[Hs]은 6.25㎧로 측정되어,주방후두팬 고설치하여 동시사용률[α]에 따른 세대별 존구획「C3-ID,C4-ID,C7-ID」조건에서 기류분포를 측정하였다.
후속연구
- 이와 같이, 건물 옥상외기와 실내배기를 활용한 풍력발전시스템의 적용 가능성은 우수한 것으로 판단됨에 따라 향후, 건물 옥상에서 발생되는 순간 최대풍속과 태풍에 따른 구조적 안전성의 확보 및 구조체 경량화 등 실용화에 대한 가능성을 높이기 위한 다양한 연구노력이 필요한 것으로 사료된다.
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