[논문]온열감각 기반 습도제어를 통한 여름철 건물의 열쾌적 및 에너지성능 향상

문진우; 진경일; 김상철; 이광호

doi:10.12813/kieae.2014.14.1.075

온열감각 기반 습도제어를 통한 여름철 건물의 열쾌적 및 에너지성능 향상
Thermal sensation based humidity controls for improving indoor thermal comfort and energy efficiency in summer 원문보기

KIEAE journal = 한국생태환경건축학회논문집, v.14 no.1, 2014년, pp.75 - 81

문진우 (Dept. of Building and Plant Eng. Hanbat National Univ.) , 진경일 (Dept. of Architectural Eng. Hanbat National Univ.) , 김상철 (Dept. of Architectural Eng. Hanbat National Univ.) , 이광호 (Dept. of Architectural Eng. Hanbat National Univ.)

Abstract ▼ AI-Helper

This study aims at investigating the benefit of actively controlling humidity to improve thermal comfort and energy efficiency in climate zones other than hot-dry. For this research purpose, three thermal control strategies, which adopted different initiative degrees in humidity control, were developed - i) temperature controls, ii) temperature and humidity controls, and iii) thermal sensation controls. Performance of the developed strategies were experimentally tested in a full scale mock up of an office environment. The study revealed that air temperature was better controlled in the occupied zone under the first two strategies than the thermal sensation based strategy. On the other hand, the thermal sensation-based strategy maintained thermal sensation levels more comfortably. In addition, energy consumption was significantly reduced when humidity was actively controlled for thermal comfort. The thermal sensation-based control strategy consumed significantly less electricity than the first two strategies. From these findings, this study indicated that adoption of an active humidity control system based on thermal sensation can provide increased thermal comfort as well as energy savings for summer seasons in climatic zones other than hot-dry.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 고온건조지역 이외의 지역에서 습도의 적극적 제어를 통한 열 쾌적 조성 방법을 제시하는 것을 목적으로 온열감(TS)에 근간한 열 환경 제어로직을 개발하고 기존 온도 근간 제어법과의 성능 비교 분석을 실시하여 적용 가능성을 타진하고자 하였다. 이를 위하여 세 가지의 실내 열 환경제어를 위한 로직을 개발하였으며 각 로직은 실험실 적용을 통하여 성능이 분석되었다.
이러한 기존 연구의 결과를 바탕으로 본 연구는 고온건조지역 이외의 지역에서 냉방을 위한 방법으로 습도의 적극적 제어를 통한 열 쾌적 조성 방법을 제시하는 것을 목적으로 한다. 이를 위하여 온열감(TS)에 근간한 열 환경 제어로직을 개발하고 기존 온도 근간 제어법과의 성능 비교 분석을 바탕으로 열 쾌적 및 에너지 성능 측면에서의 적용 가능성을 타진하고자 한다.
이러한 기존 연구의 결과를 바탕으로 본 연구는 고온건조지역 이외의 지역에서 냉방을 위한 방법으로 습도의 적극적 제어를 통한 열 쾌적 조성 방법을 제시하는 것을 목적으로 한다. 이를 위하여 온열감(TS)에 근간한 열 환경 제어로직을 개발하고 기존 온도 근간 제어법과의 성능 비교 분석을 바탕으로 열 쾌적 및 에너지 성능 측면에서의 적용 가능성을 타진하고자 한다.
여기서 온열감 상승을 위한 작동은 난방 및 가습 작동이며 온열감 하강을 위한 작동은 냉방 및 감습이다. 특히, 본 연구에서는 여름철 실내 온열감 상승을 위한 작동 시 습도 증가를 위하여 증발냉각법을 적극적으로 도입함으로써 적절한 수분 유지 뿐만이 아니라 실내 온도의 하강을 유도하는 이중의 효과를 시도 및 평가할 것이다.

제안 방법

(1) 각 제어법에 의해 작동된 냉방 및 가습 작용은 각 제어 변수를 목표에 부합하도록 조성하였다. 하지만 온도의 경우 냉방이 멈춘 직 후 쾌적 영역 밑으로 현저히 하강하는 현상을 나타냈다.
이러한 문제점들을 인식하고 해결하기 위한 연구가 최근 진행되어 온열감 혹은 PMV (predicted mean vote)를 제어 목적으로 둔 로직의 개발이 진행 중이다.¹⁰⁾ 기존의 온도 및 습도에 기반한 실내 열환경 제어와 온열감 혹은 PMV에 기반한 제어의 성능분석을 통하여 열환경 쾌적성 및 에너지 성능 측면에서의 우수성을 비교하였다.
개발된 세 가지 실내 열 환경 제어법은 실험실에 적용되어 성능평가가 실시되었다. <그림 4>는 실험실의 실내 구성상태를 나타내고 있다.
4대의 A/C (air conditioner)가 설치되어 실의 냉방을 위하여 작동하며 냉각된 공기는 바닥 공조 시스템을 이용하여 네 군데의 유출구(supply grills)로부터 실내로 공급되게 된다. 또한 천장에 설치된 두 군데의 흡입구(return grills)를 사용하여 공기를 회수한다.
첫 번째 단계는 실내 열 환경제어를 위한 로직을 개발하는 단계이며, 두 번째 단계는 개발된 제어로직의 성능을 평가하는 단계이다. 성능평가는 실험실 적용을 통하여 실시되었다. 로직 개발 및 성능평가에 관한 자세한 부분은 2장과 3장에 각각 자세히 설명되어있다.
마지막으로 변환된 시그널에 따라 냉방기와 기화식 가습기가 작동하게 된다. 열 환경 정보에 대한 수집, 작동 시그널의 생산 및 기기 작동 여부는 매 1분마다 결정되며, 본 실험은 각 제어법에 대하여 9:30부터 17:30까지 8시간의 성능 테스트를 실시하게 된다. <표 2>는 각 제어법의 성능 테스트 기간의 외기 조건을 나타낸다.
온열감 제어를 위해선 현재 실내 온열감(TS), 온열감 상승 및 하강을 위한 작동여부, 그리고 온열감 상승 및 하강을 위한 시스템의 작동 범위의 비교를 실시하게 된다.
<그림 13>은 세 가지 제어법에 의한 실내 온도, 습도 및 온열감의 쾌적 기간을 비교하였다. 온도의 경우 온도 및 습도 제어법이 가장 높은 결과값(90.
본 연구는 고온건조지역 이외의 지역에서 습도의 적극적 제어를 통한 열 쾌적 조성 방법을 제시하는 것을 목적으로 온열감(TS)에 근간한 열 환경 제어로직을 개발하고 기존 온도 근간 제어법과의 성능 비교 분석을 실시하여 적용 가능성을 타진하고자 하였다. 이를 위하여 세 가지의 실내 열 환경제어를 위한 로직을 개발하였으며 각 로직은 실험실 적용을 통하여 성능이 분석되었다. 연구를 통하여 밝혀진 사실은 다음과 같다.
감습 및 가습을 위한 작동을 냉방 및 난방 작동을 위한 방법과 유사하게 결정된다. 즉, 현재 실내습도(%), 현재 감‧가습 실시 여부, 그리고 감‧가습 시스템 작동 범위(예, 여름철 45-60%, 겨울철 30-45%)의 비교에 따라 작동을 실시하게 된다.

대상 데이터

실험실은 크게 두 개의 공간으로 구성되어 있다. 큰 실은 사무소 환경(길이4.88m*폭3.66m*높이 2.74m)으로 구성되었으며 작은 실은 실험 진행을 위한 제어실(길이4.88m*폭1.83m*높이2.74m)으로 설치되었다.

성능/효과

(2) 온도 및 습도 제어법의 경우 온도 제어법에 비하여 냉방 시스템의 작동 및 멈춤 횟수가 감소하는 현상을 보였는데, 이는 기화식 가습기가 작동함에 따른 증발 냉각 효과에 의해 온도 상승이 늦춰졌기 때문인 것으로 분석되었다.
(3) 온열감 제어법을 적용하였을 경우 실내 온도가 높게 형성되는 결과를 나타냈으며, 반대로 온도 제어법과 온도 및 습도 제어법의 경우는 온열감이 쾌적 영역 밑에서 유지되는 경향을 나타냈다.
(4) 즉, 실내 열 환경을 보다 종합적인 측면에서 판단할 수 있는 온열감의 측면에서 보면 온열감 제어법이 가장 효과적인 것으로 밝혀졌다.
(5) 또한, 에너지 성능 측면에서도 온열감 제어법을 적용하였을 경우 에너지 소비량이 현저히 줄어드는 것으로 분석되었다.
1)2)3) 특히, 기존의 방식보다 쾌적한 PMV (predicted mean vote) 조건을 형성할 수 있는 것으로 나타났으며⁴⁾ 시스템설치의 초기투자비용에 대한 회수기간은 약 5년 정도로 나타나 경제적 측면에서도 가능성이 있는 것으로 분석되었다.⁵⁾⁶⁾
각 제어법에 의해 조성된 열 환경 요소 분석 결과 제어변수에 대한 적절한 제어가 이루어지는 것으로 나타났다. 하지만 보다 종합적 지표인 온열감의 측면에서는 온도 제어법과 온도 및 습도 제어법은 쾌적하지 못한 열 환경 조건을 제공하고 있는 것으로 분석되었다.
결론적으로 고온 건조한 지역 외에도 습기 공급을 적극 도입하여 열 환경을 제어할 수 있는 온열감 기반 실내 열 환경 제어법이 열 쾌적 측면 및 에너지 성능 측면 모두에서 우수한 것으로 분석되어 그 도입의 필요성이 확립되었다. 하지만 본 연구는 여름철의 단기간에 대한 성능 실험이었다는 한계점을 지니고 있다.
5에 도달하지 않기 때문에 냉방 시스템의 작동이 이루어지지 않았다. 그 결과 조성된 실내 온도의 평균은 25.69℃로써 가장 높았다.
가습 작용은 실내 습도가 쾌적 영역의 최고 값인 60%를 넘을 때까지 지속되었고 가습이 멈춘 직 후 습도 값이 60%를 상회한 것으로 밝혀졌다. 그 결과 평균 습도는 49.76%인 것으로 나타났다.
그림에 나타나 있듯이 습도가 전 기간 동안 쾌적 영역에 위치하고 있는 것으로 밝혀졌으며 이는 온열감을 유지하기 위하여 작동된 기화식 가습기의 영향이다. 그 결과 평균 습도는 세 가지 제어법 중 가장 높은 55.42%로 나타났다.
이는 가습에 의한 실내 습도가 보다 높기 때문인 것으로 풀이된다. 반면 온열감 제어법에 의해선 쾌적하게 유지되는 것으로 나타났고 평균 온열감은 -0.05로써 나머지 두 제어법에 비해 현저히 높은 것으로 분석되었다.
온열감 제어법에 의하여 조성된 실내 온도 결과는 <그림 8>에 나타나 있다. 앞선 두 가지 제어법과는 달리 실내 온도는 지속적으로 상승하여 테스트 후반부에는 쾌적 영역을 벗어나 높게 형성되는 것으로 밝혀졌다. 이는 냉방 시스템의 작동이 온열감의 쾌적영역(0.
92 KWh의 전기 에너지를 사용하였다. 온도 및 습도 제어법은 냉방을 위하여 5.52 KWh, 가습을 위하여 0.42KWh 등 총 5.94 KWh를 사용함으로써 약 0.34%의 증가값을 보였다. 반면 온열감 제어법은 냉방을 위한 에너지가 전혀 사용되지 않았으며 가습을 위하여 약간의 전기 에너지(0.
온도 및 습도 제어법을 적용한 경우 냉방 시스템의 작동 횟수가 완전한 세 번에 이르지 못하는 것으로 나타났다. 이는 습도조절을 위한 기화식 가습기의 작동에 기인한 것으로써, 가습기 작동 기간 중 실내 온도 상승의 폭이 늦춰졌기 때문이다.
49% 감소된 것으로 분석되었다. 즉 기화식 가습기를 적극 도입한 온열감 제어법이 에너지 성능 측면에서 가장 우수한 것으로 나타났다.
이는 습도조절을 위한 기화식 가습기의 작동에 기인한 것으로써, 가습기 작동 기간 중 실내 온도 상승의 폭이 늦춰졌기 때문이다. 즉, 이 제어법의 테스트 기간 중의 외기온도가 온도 제어법의 테스트 기간의 외기온도보다 높았음에도 불구하고 실내 온도 상승을 위한 시간이 보다 길게 소모되었다.
증발냉각 시스템은 실내에 시원한 공기를 공급함과 더불어 필요한 수분을 제공함으로써 보다 쾌적한 실내 열 환경을 조성할 수 있는 것으로 분석되었다.¹⁾²⁾³⁾ 특히, 기존의 방식보다 쾌적한 PMV (predicted mean vote) 조건을 형성할 수 있는 것으로 나타났으며⁴⁾ 시스템설치의 초기투자비용에 대한 회수기간은 약 5년 정도로 나타나 경제적 측면에서도 가능성이 있는 것으로 분석되었다.
각 제어법에 의해 조성된 열 환경 요소 분석 결과 제어변수에 대한 적절한 제어가 이루어지는 것으로 나타났다. 하지만 보다 종합적 지표인 온열감의 측면에서는 온도 제어법과 온도 및 습도 제어법은 쾌적하지 못한 열 환경 조건을 제공하고 있는 것으로 분석되었다. 즉, 온도와 습도를 종합적으로 고려하는 온열감 기반 제어법 도입의 필요성이 대두되었다.

후속연구

하지만 본 연구는 여름철의 단기간에 대한 성능 실험이었다는 한계점을 지니고 있다. 추후 연구에서는 보다 장기간동안 실제 건물 등으로의 적용 결과를 분석할 필요가 있으며, 보다 다양한 기후 등으로의 적용 가능성을 확인하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션 등의 연구 방법을 도입할 필요가 있는 것으로 판단된다.
결론적으로 고온 건조한 지역 외에도 습기 공급을 적극 도입하여 열 환경을 제어할 수 있는 온열감 기반 실내 열 환경 제어법이 열 쾌적 측면 및 에너지 성능 측면 모두에서 우수한 것으로 분석되어 그 도입의 필요성이 확립되었다. 하지만 본 연구는 여름철의 단기간에 대한 성능 실험이었다는 한계점을 지니고 있다. 추후 연구에서는 보다 장기간동안 실제 건물 등으로의 적용 결과를 분석할 필요가 있으며, 보다 다양한 기후 등으로의 적용 가능성을 확인하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션 등의 연구 방법을 도입할 필요가 있는 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전통적으로 증발냉각방식은 어디에 적용되고 있는 방법인가?	전통적으로 증발냉각방식은 고온건조지역에서 실내의 쾌적한 열환경 조성을 위하여 성공적으로 적용되어지고 있는 방법이다. 증발냉각방식은 직접증발냉각과 간접증발냉각으로 구분 지을 수 있으며 다양한 실험 및 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 성능 및 장단점 분석을 바탕으로 기존의 냉방시스템(예, 압축식 냉동기 등)을 대신하거나 보충적으로 적용될 수 있는 효과적인 시스템으로 밝혀지고 있다.
	증발냉각방식은 어떠한 방법들로 구분되는가?	전통적으로 증발냉각방식은 고온건조지역에서 실내의 쾌적한 열환경 조성을 위하여 성공적으로 적용되어지고 있는 방법이다. 증발냉각방식은 직접증발냉각과 간접증발냉각으로 구분 지을 수 있으며 다양한 실험 및 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 성능 및 장단점 분석을 바탕으로 기존의 냉방시스템(예, 압축식 냉동기 등)을 대신하거나 보충적으로 적용될 수 있는 효과적인 시스템으로 밝혀지고 있다.
	증발냉각 시스템 적용을 위한 최적의 환경은 무엇으로 연구되었었는가?	증발냉각시스템 적용을 위한 최적의 환경은 위험율 1%의 습구온도가 22.2℃이하인 고온건조지역인 것으로 연구되었으나7) 고온 혹은 고온다습한 지역에서의 적용 가능성은 시도되지 않은 것으로 나타났다. 이러한 지역에서는 실내 건구온도에 근간한 냉방이 가장 주된 방법이다.

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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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