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문제 정의
- 대한민국은 국가 온실가스 배출량의 약 25%을 차지하는 건축물 부문의 감축목표를 달성하기위해 에너지 소비를 감축하는 것을 목표로 하고 있다.(3) 이러한 배경 속에서 최근 자연환기가 주목받고 있다.
- 본 연구에서는 기둥형 축소 모델에 대한 실험을 통하여 온도 차이, 개구부 면적, 개구부 위치, 모델 단면의 변화가 유량계수에 미치는 영향을 살펴보았다. 모델 내외부 온도차에 따른 개구부에서의 기체속도를 측정하고 이를 통하여 유량계수를 구하여 이론값과 비교 하였다.
- 앞의 연구에서는 대부분 하나의 개구부 모델을 사용하였으나 실제 자연환기를 고려하여 설계된 건물들은 상하부 두 개의 개구부를 갖는 형태가 주를 이루고 있어 다양한 환경과 조건이 존재하는 실제 건물의 유량계수에 대한 연구가 필요하다. 실무 현장에서도 추가 적인 검증 없이 상수의 유량계수를 사용하고 있으므로본 연구에서는 상하부 두 개의 개구부를 가지는 건물에서의 유량계수를 검증하고자 한다. 이를 위해서 자연환기에 대한 여러 조건의 축소 모델들을 제작하고 다양한 온도변화에 따른 유량계수를 구하는 실험을 하여기존 이론 유량계수와 실제 실험 유량계수의 차이를 분석하도록 한다.
제안 방법
- 유량계수를 실험적으로 확인하기 위해서 개구부 면적, 개구부 사이의 높이, 개구부 위치, 건물 단면 형상을 변화시키며 수행하도록 한다. 각각의 조건에서 건물 내부와 외부의 온도 차이를 변화시켜 실험을 하고 단순 건물 내 외부 온도차의 변화에 따른 실험도 실시한다.
- 따라서 본 실험에서는 모델 내부에 연기를 발생시켜 개구부에서 유출되는 공기의 흐름을 가시화한 후 연기를 동영상으로 촬영하여 분석하였다. 개구부에 수직이 되도록 격자를 설치 하여 연기가 이동한 거리를 알 수 있도록 하였고, 실험 공간의 조명을 끈 후 어두운 곳에서 플래시를 이용 하여 연기가 카메라에 더 잘 잡히도록 하였다. 연기의 이동을 촬영한 영상은 동영상 편집 프로그램을 통해 30프레임(0.
- 그리고 측정된 환기 유량을 통하여 건물 내·외부 온도차에 따른 유량계수에 대한 회귀식을 도출하였다.
- Fan형 풍속계는 개구부에 설치한다면 개구부의 크기에 비해 측정기기가 너무 커서 유속에 영향을 줄 것으로 판단되어 사용하지 않았다. 따라서 본 실험에서는 모델 내부에 연기를 발생시켜 개구부에서 유출되는 공기의 흐름을 가시화한 후 연기를 동영상으로 촬영하여 분석하였다. 개구부에 수직이 되도록 격자를 설치 하여 연기가 이동한 거리를 알 수 있도록 하였고, 실험 공간의 조명을 끈 후 어두운 곳에서 플래시를 이용 하여 연기가 카메라에 더 잘 잡히도록 하였다.
- 본 연구에서는 기둥형 축소 모델에 대한 실험을 통하여 온도 차이, 개구부 면적, 개구부 위치, 모델 단면의 변화가 유량계수에 미치는 영향을 살펴보았다. 모델 내외부 온도차에 따른 개구부에서의 기체속도를 측정하고 이를 통하여 유량계수를 구하여 이론값과 비교 하였다. 일정한 상수인 이론 유량계수와 달리 실험 유량계수는 온도차에 따라 일정하지 않았으며 가장 큰 차이가 내외부 온도차 5 K에서 12.
- 사각기둥 단면 형상 모델 외에 삼각기둥 단면 형상의 모델에 대해서 앞에서와 같은 실험을 진행하여 비교를 해보았다. Fig.
- 사각기둥 단면 형상 모델에서 위·아래 개구부의 위치를 변화시켜가면서 실험을 진행하여 온도차에 따른 유량계수의 차이를 살펴보았다.
- 사각기둥 단면 형상 모델에서 위·아래 개구부의면적을 변화시켜가면서 실험을 진행하여 온도차에 따른 유량계수의 차이를 보았다.
- 5는 이와 같이 발생하는 오차를 가시적으로 나타낸 것이다. 속도오차 보정방법으로 격자와 연기사이의 거리 A, 연기와 카메라 사이의 거리 B를 측정하여 속도에 B/(A+B)를 곱하여 속도를 보정하였다.
- 3은 온도 제어 알고리즘으로 Current < Custom일 때 히터의 전원을 키고, Current ≥ Custom일 때 히터의 전원이 꺼지도록 하였다. 실험 시작 전에 개구부를 닫고 밀봉된 모델의 내부를 목표온도까지 가열하기 위해서 작은 팬을 가동하여 공기를 골고루 순환시켜 온도구배 없이 고른 온도가 유지되도록 하였다. 팬은 수동으로 제어하였으며, 실험 시작 전에 팬을 끄고 공기의 흐름이 안정된 후에 실험을 진행하였다.
- 실험을 통해 구해진 유체속도의 정확성을 확인하기 위해 이론의 유체속도와 비교해 보았다. 그 결과 이론적인 속도와 실험으로 얻은 속도의 오차가 10% 내외로 나타나면서 같은 경향을 확인한 후 실험의 값들이 타당하다고 판단하였고 실험으로 구한 속도를 이용하여 유량계수를 도출하여 여러 조건에서 유량계수를 비교하였다.
- 개구부에 수직이 되도록 격자를 설치 하여 연기가 이동한 거리를 알 수 있도록 하였고, 실험 공간의 조명을 끈 후 어두운 곳에서 플래시를 이용 하여 연기가 카메라에 더 잘 잡히도록 하였다. 연기의 이동을 촬영한 영상은 동영상 편집 프로그램을 통해 30프레임(0.03초) 단위로 쪼개어 장면 당 연기가 격자를 이동한 거리를 계산하여 속도를 구하였다. Fig.
- 유량계수를 실험적으로 확인하기 위해서 개구부 면적, 개구부 사이의 높이, 개구부 위치, 건물 단면 형상을 변화시키며 수행하도록 한다. 각각의 조건에서 건물 내부와 외부의 온도 차이를 변화시켜 실험을 하고 단순 건물 내 외부 온도차의 변화에 따른 실험도 실시한다.
- 6%의 오차로 약간의 차이를 보였다. 유체의 점성과 관련된 유속계수를 구하는 실험을 하였으므로 실험결과의 근거를 확인하기 위해 레이놀즈수를 확인해 보았다. 10 K 이상의 온도차에서는 유체의 내부유동이 4,000 < Re인 난류구간에 있는 반면 5 K에서 레이놀즈수는 3,192로 층류와 난류 사이의 비교적 불안정한 천이영역에 있다.
- 의 이론을 사용한다. 이 이론은 건물 내부 검사체적에서 질량평형, 에너지 보존, 운동량 방정식을 고려하여 다음과 같이 개구부에서의 기체 속도, 환기량을 구하는 방정식을 유도한다.
- 실무 현장에서도 추가 적인 검증 없이 상수의 유량계수를 사용하고 있으므로본 연구에서는 상하부 두 개의 개구부를 가지는 건물에서의 유량계수를 검증하고자 한다. 이를 위해서 자연환기에 대한 여러 조건의 축소 모델들을 제작하고 다양한 온도변화에 따른 유량계수를 구하는 실험을 하여기존 이론 유량계수와 실제 실험 유량계수의 차이를 분석하도록 한다.
- 1(b)와 같이 온도제어 장치들을 설치하였다. 히터의 용량은 손 계산을 수행한 결과 435 W의 열손실이 예상되어 이보다 큰 용량인 600 W의 히터를 사용하였고, 온도센서를 모델 내부의상단, 중앙, 하부에 설치하여 세 곳에서 내부 온도를 측정하였다. 온도센서는 LM35DZ로 작동온도가 -55℃～150℃이고 오차는 ±0.
대상 데이터
- 단열성이 우수한 스티로폼과 단단하면서 가벼운 각목을 사각기둥 단면 형상 모델의 벽과 뼈대로 사용하였다. 모델의 사이즈는 스티로폼의 규격인 0.
- 스티로폼의 두께는 3 cm로 충분히 두꺼운 것을 사용하였고, 바닥에는 석고보드를 대어서 실험 진행시 모델과 지면의 접촉으로 인한 열손실을 최소화하였다. 또, 동일한 재료를 이용하여 한 변이 0.9 m인 정삼각형 단면 형상 기둥 모델도 제작하였다. 형상은 Fig.
- 모델의 사이즈는 스티로폼의 규격인 0.9 m×1.8 m 에 맞춰서 0.9 m×0.9 m×1.8 m(길이×너비×높이)의 크기로 사각기둥 단면 형상 모델을 제작하였고 0.1 m×0.1 m로 상부와 하부 두 곳에 열고 닫을 수 있는 개구부를 만들었다.
- 온도차 자연환기에 의한 환기량을 측정하여 유량계 수를 구하기 위해서는 온도제어가 필요하다. 이를 위하여 밀폐된 공간으로 공기의 흐름으로 인한 외부간섭이 없고, 햇빛의 영향을 받지 않으며, 매우 넓은 공간을 실험장소로 선택하였다. 이 공간은 열용량이 크고 일교차가 매우 적으며 외기 온도가 실험 도중에 변하지 않고 일정하게 유지되어 실험에 적합하다.
데이터처리
- 실험을 통해 구해진 유체속도의 정확성을 확인하기 위해 이론의 유체속도와 비교해 보았다. 그 결과 이론적인 속도와 실험으로 얻은 속도의 오차가 10% 내외로 나타나면서 같은 경향을 확인한 후 실험의 값들이 타당하다고 판단하였고 실험으로 구한 속도를 이용하여 유량계수를 도출하여 여러 조건에서 유량계수를 비교하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 온도차 자연환기의 유량계수를 고찰하기 위하여 Andersen(6)의 이론을 사용한다. 이 이론은 건물 내부 검사체적에서 질량평형, 에너지 보존, 운동량 방정식을 고려하여 다음과 같이 개구부에서의 기체 속도, 환기량을 구하는 방정식을 유도한다.
성능/효과
- 9는 실험으로 얻은 개구부 면적에 대한 유량계수의 그래프이다. 개구부 면적에 대한 유량계수의 차이는 2.2% 이하로 개구부 면적은 유량계수에 미치는 영향이 거의 없는 것으로 확인되었다.
- 10은 실험으로 얻은 개구부 위치에 대한 유량계수의 그래프이다. 개구부 위치에 대한 유량계수의 차이는 3.1% 이하로 개구부 면적은 유량계수에 미치는 영향이 거의 없는 것으로 확인되었다.
- 모델 단면 형상 변화 실험에서 삼각기둥 단면 형상일 때 유량계수는 사각형 단면 형상인 경우와 약간의 차이를 보였다. 이러한 결과는 모델의 단면 형상 및 부피의 변화가 요인으로 보인다.
- 사각기둥 단면 형상 모델 내·외부의 온도차를 올려가면서 실험한 결과 건물 내·외부의 온도차가 클수록 개구부에서의 공기의 속도가 커지는 경향을 보였다.
- 모델 내외부 온도차에 따른 개구부에서의 기체속도를 측정하고 이를 통하여 유량계수를 구하여 이론값과 비교 하였다. 일정한 상수인 이론 유량계수와 달리 실험 유량계수는 온도차에 따라 일정하지 않았으며 가장 큰 차이가 내외부 온도차 5 K에서 12.6%이었다. 낮은 온도차에서 유량계수의 이론값과 차이가 큰 것은 개구부에서 유동형태가 변화하기 때문이라고 생각된다.
후속연구
- 앞의 연구에서는 대부분 하나의 개구부 모델을 사용하였으나 실제 자연환기를 고려하여 설계된 건물들은 상하부 두 개의 개구부를 갖는 형태가 주를 이루고 있어 다양한 환경과 조건이 존재하는 실제 건물의 유량계수에 대한 연구가 필요하다. 실무 현장에서도 추가 적인 검증 없이 상수의 유량계수를 사용하고 있으므로본 연구에서는 상하부 두 개의 개구부를 가지는 건물에서의 유량계수를 검증하고자 한다.
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