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문제 정의
- 다층형 이중외피의 자연환기 효율 중 풍압차에 의한 환기량과 실내·외 온도차에 따른 압력차에 의한 환기량이 차지하는 비율 중에서 어떠한 요소가 환기량에 더 영향을 미치는지를 도출하고자 하였다.
- 본 연구 결과는 실제 건물의 설계 및 운영 단계에서의 분석 절차의 한 부분으로 사용됨을 목적으로 두고 있으며, 다층형 이중외피의 환기 효율은 개구부 위치 및 중공층 규모 계획에 따라 상이하지만, 기류 속도에 따른 부력의 영향은 동일할 것으로 예측하는 바이다. 따라서 대상 지역의 기상 데이터를 기반으로 진행한 본연구 분석의 방법 및 결과가 객관적인 자료가 될 수 있을 것이라고 판단된다.
- 을 기준으로 도출하였다. 외부 기류 속도에 따라 총 시간당 환기 횟수는 다르지만 백분율로 하여 그 비율을 비교하고자 하였다. (Fig.
- 풍압차와 실내·외 온도차에 의한 환기량 중 어떠한 요소가 이중외피의 중공층 내의 환기량에 더 영향을 미치는지에 대한 여부를 도출하고자 하였다. 이에 따라 풍압과 부력에 영향을 미치는 4 가지 인자(Factors : 풍속, 풍향, 외기온도, 일사량)를 이용하여 두가지 Case 설정하여 비교하였다.
가설 설정
- 외기온도는 실내온도 쾌적 범위의 최소값을 20℃라 가정하고 이를 기준으로 5℃ 간격으로 -5℃까지 6가지 경우를 설정하였다. 중공층 투과 일사량은 연중 전일사량 최대값(1,000W/m2)의 25% 를 기준으로 3가지(250, 150, 50W/m2)를 적용하여 분석하였다.
제안 방법
- Case 1은 풍압차에 의한 환기량 분석으로 풍향은 기후분석을 통해 얻어지는 주풍향(남향, S)으로 고정하고 풍속 변화에 따른 중공층 내의 환기량을 분석하였다. Case 2는 실내·외 온도차에 따른 압력차에 의한 환기량을 분석하였다.
- 도출된 데이터를 이용하여 보다 정확한 CFD 시뮬레이션 분석을 위해 경계조건을 설정하고 Validation을 진행하였다. 그 다음 자연환기에 영향을 주는 외부환경 요소(중공층 투과일사량, 외기 온도, 풍속, 풍향)를 변수로 하여 Case를 선정하였다.
- 먼저 대상 지역의 기상 데이터를 토대로 고려해야할 요소인 연간 전일사량, 외기온도, 풍속, 풍향을 도출하고 최대 및 최소 범위 값들을 파악하였다. 그리고 실측을 통해 특정 기간 동안의 중공층 내의 온도 분포, 일사량, 외기온도, 풍속, 풍향 데이터를 도출하였다.
- 따라서 본 연구의 해석 모델은 Table 3의 a)에서와 같이 대상 건물과 외부 유동장을 형성하여 주변 건물까지 모델링을 하여 ‘Coupled Simulation’ 방식으로 분석을 진행하였다.
- 먼저 대상 지역의 기상 데이터를 토대로 고려해야할 요소인 연간 전일사량, 외기온도, 풍속, 풍향을 도출하고 최대 및 최소 범위 값들을 파악하였다. 그리고 실측을 통해 특정 기간 동안의 중공층 내의 온도 분포, 일사량, 외기온도, 풍속, 풍향 데이터를 도출하였다.
- 본 연구는 자연환기를 활성화하는 요인인 외부기류에 따른 풍압차과 실내·외 온도차에 의한 압력차(부력)에 따른 환기량 비율 분석을 통해 다층형 이중외피의 자연환기 성능 분석을 하였다. 이를 통해 어떠한 요소가 다층형 이중외피의 환기 효율에 더 영향을 미치는지를 수치로 도출하였다.
- 본 연구에서는 다층형 이중외피 시스템을 대상으로 자연환기를 활성화시키는 주된 요인인 풍압차와 실내·외 온도차에 따른 압력차(부력)에 의한 환기량 및 비율 분석을 진행하였다. 분석 결과를 통해 다층형 이중외피 시스템이 풍압차와 실내·외 온도차에 따른 압력차(부력) 중에 어떤 요소가 더 영향을 미치는지 그 비율을 도출하였다.
- 본 연구에서는 다층형 이중외피 시스템을 대상으로 자연환기를 활성화시키는 주된 요인인 풍압차와 실내·외 온도차에 따른 압력차(부력)에 의한 환기량 및 비율 분석을 진행하였다. 분석 결과를 통해 다층형 이중외피 시스템이 풍압차와 실내·외 온도차에 따른 압력차(부력) 중에 어떤 요소가 더 영향을 미치는지 그 비율을 도출하였다.
- 중공층 내의 시간당 환기 횟수 변화는 외부 기류 속도 2m/s까지 증가함에 따라 증가하는 비례 관계가 성립하는 것으로 나타났다. 속도 변화에 따른 환기량, 상하 개구부의 풍압차와의 관계를 추가적으로 알아보았다. (Fig.
- 실측과 CFD 시뮬레이션 결과 데이터를 도출하여 중공층 내의 온도 분포로 비교하였다. 그 결과 높이 변화에 따른 온도 상승 변화는 비슷한 양상을 보였다.
- 외부 기류 속도 변화에 따른 중공층 환기량 분석(Case 1) 결과 그래프는 고정 변수인 외부 기류 속도를 기준으로 하여 도출하였다. 외부 기류의 속도 상승과 상하 개구부의 압력차가 커짐에 따라 중공층의 시간당 환기횟수가 증가하는 비례관계를 도출할 수있었다.
- 본 연구는 자연환기를 활성화하는 요인인 외부기류에 따른 풍압차과 실내·외 온도차에 의한 압력차(부력)에 따른 환기량 비율 분석을 통해 다층형 이중외피의 자연환기 성능 분석을 하였다. 이를 통해 어떠한 요소가 다층형 이중외피의 환기 효율에 더 영향을 미치는지를 수치로 도출하였다. (Fig.
- 풍압차와 실내·외 온도차에 의한 환기량 중 어떠한 요소가 이중외피의 중공층 내의 환기량에 더 영향을 미치는지에 대한 여부를 도출하고자 하였다. 이에 따라 풍압과 부력에 영향을 미치는 4 가지 인자(Factors : 풍속, 풍향, 외기온도, 일사량)를 이용하여 두가지 Case 설정하여 비교하였다.
- 중공층 내부 공기 중의 온도는 차양장치의 바깥쪽과 안쪽 모두 측정이 되고 있다. 이외 추가적으로 중공층 내부로 투과되는 일사량을 측정하기 위해 일사측정 장비를 이용하여 측정하였다.
- 전일사량의 CFD 시뮬레이션 적용은 25%의 일사량에서 실내· 외 온도차와 관류열량을 고려하여 Field Function을 이용하여 이중외피의 외피 3면에 적용하였다. 이중외피 시스템의 외측에 사용된 유리의 열관류율은 1.
- 외기온도는 실내온도 쾌적 범위의 최소값을 20℃라 가정하고 이를 기준으로 5℃ 간격으로 -5℃까지 6가지 경우를 설정하였다. 중공층 투과 일사량은 연중 전일사량 최대값(1,000W/m2)의 25% 를 기준으로 3가지(250, 150, 50W/m2)를 적용하여 분석하였다.
- 풍속, 풍향, 외기온도, 중공층 투과 일사량은 기후 분석 데이터에 준하여 적용하였다. 풍속은 무풍(0.0m/s)인 경우를 포함하여 4.0m/s까지(0.0, 1.0, 2.0, 3.0 4.0m/s) 경우를 Wind Profile 수식 (Table 3)의 10m 높이에서의 속도로 설정하였고, 풍향은 주풍향 (S:남향)을 사용하였다.
- 풍압차에 의한 환기량 분석(Case 1)과 풍압차와 실내·외 온도 차에 따른 압력차에 의한 환기량 분석(Case 2)의 결과를 통해 환기량에서 각각 풍압과 부력의 영향이 차지하는 비율을 도출하여 비교하였다.
- 풍압차와 실내·외 온도차에 따른 압력차에 의한 중공층 내의 환기량(Case 2) 분석을 위해 외기온도와 중공층 투과 일사량 변화를 통해 중공층의 환기량 변화를 분석하였다. (Fig.
- Case 2는 실내·외 온도차에 따른 압력차에 의한 환기량을 분석하였다. 풍향은 Case 1과 동일하게 주풍향으로 고정하고 중공층 투과 일사량과 풍속, 외기온도의 변화를 경계조건으로 하여 중공층 내의 환기량을 분석하였다. 위의 두 Case 분석 결과 데이터를 비교하여 다층형 이중외피의 환기 량에 더 영향을 미치는 요소는 어떤 요소인지 수치로 도출하였다.
대상 데이터
- CFD 시뮬레이션을 이용한 자연환기 효율 분석의 정확성을 위해 외부 환경 및 이중외피의 중공층 내부의 물리적인 현상 분석을 위해 측정 데이터를 이용하였다. 대상 건물은 현재 지속적으로 다양한 데이터가 측정되고 있다.
- 기상 스테이션은 건물 옥상에 위치하며 높이는 지상에서 약 21m 높이에 있다. 중공층 온도 측정 포인트는 Table 1의 d)에 ▲표시된 위치이며, 각 층 바닥에서 약 2.
- 분석 대상은 인천광역시 연수구 송도동에 위치한 A사 건물에 적용된 다층형 이중외피와 인접 오피스이다. 대상 건물의 이중외피는 아트리움을 중심으로 양측에 위치한 오피스의 남측 입면에 적용되었다. 분석 대상은 좌측 오피스에 적용된 4층 높이의 이중 외피로 선정하였다.
- 분석 대상은 인천광역시 연수구 송도동에 위치한 A사 건물에 적용된 다층형 이중외피와 인접 오피스이다. 대상 건물의 이중외피는 아트리움을 중심으로 양측에 위치한 오피스의 남측 입면에 적용되었다.
- 대상 건물의 이중외피는 아트리움을 중심으로 양측에 위치한 오피스의 남측 입면에 적용되었다. 분석 대상은 좌측 오피스에 적용된 4층 높이의 이중 외피로 선정하였다. 대상의 세부사항은 Table 1과 같다.
- 실측 데이터는 특정일시(2015년 1월 26일 13시)의 데이터를 사용하였다. 이중외피의 외측 개구부는 개방, 내측 개구부는 닫힘 상태였다.
데이터처리
- 도출된 데이터를 이용하여 보다 정확한 CFD 시뮬레이션 분석을 위해 경계조건을 설정하고 Validation을 진행하였다. 그 다음 자연환기에 영향을 주는 외부환경 요소(중공층 투과일사량, 외기 온도, 풍속, 풍향)를 변수로 하여 Case를 선정하였다.
- 분석을 위해 CD-Adapco에서 제공하는 수치 해석 프로그램인 STAR-CCM+를 이용하였다. 이 해석 프로그램은 앞의 환기량 예측식의 요소들을 모두 내포하고 있다.
- 이 해석 프로그램은 앞의 환기량 예측식의 요소들을 모두 내포하고 있다. 추가적으로 STAR-CCM+내의 Passive Scalar를 통해 S. Kato의 환기효율지표인 SVE3 (Scale for Ventilation Efficiency 3)9)를 이용하여 환기량을 계산하였으며, 시간당 환기횟수(ACH:Air Change per Hour)로 비교하였다.
이론/모형
- CFD 시뮬레이션은 정상상태에서의 RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes) 해석을 진행하였으며 Standard k-ℇ Turbulence Model을 사용하였다. 또한 온도차에 의한 부력의 영향을 반영하기 위해 Boussinesq Approximation을 이용하였다.
- CFD 시뮬레이션은 정상상태에서의 RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes) 해석을 진행하였으며 Standard k-ℇ Turbulence Model을 사용하였다. 또한 온도차에 의한 부력의 영향을 반영하기 위해 Boussinesq Approximation을 이용하였다. 이는 자연환기 분석을 할 경우 고려해야할 사항이며 기존 선행 연구들을 참고하여 반영된 사항이다.
성능/효과
- 6) 각 유형의 일반적인 이중외피 시스템의 역할은 동일하나 외부환경, 이중외피 인접 공간의 형태와 목적, 자연환기(외기 도입) 방식에 따라 적용 유형은 달라진다.
- 그 결과 각각 일사량 변화에 따른 실내·외 온도차의 변화 패턴은 동일하게 나타났으며, 부력에 의한 영향은 중공층 내부로 투과 되는 일사량이 250W/m2일 경우가 가장 높게 나타났다. 또한 중공층 내부로 투과되는 일사량이 50W/m2일 경우와 비교하였을때, 외기온도와 중공층 내부의 온도차가 낮고 외부 기류 속도가 증가할 때, 환기량의 비율에서 차지하는 부력의 영향은 감소하고 풍압의 영향이 증가하는 것으로 나타났다.
- 그 결과 외부 기류 속도가 2.0m/s일 때 시간당 환기 횟수가 가장 높게 나타났으며, 실내·외 온도차는 6.11℃로 가장 낮은 값을 보였다. 시간당 환기 횟수의 변화는 외부 기류 속도가 2.
- 일 경우가 가장 높게 나타났다. 또한 중공층 내부로 투과되는 일사량이 50W/m2일 경우와 비교하였을때, 외기온도와 중공층 내부의 온도차가 낮고 외부 기류 속도가 증가할 때, 환기량의 비율에서 차지하는 부력의 영향은 감소하고 풍압의 영향이 증가하는 것으로 나타났다.
- 11℃로 가장 낮은 값을 보였다. 시간당 환기 횟수의 변화는 외부 기류 속도가 2.0m/s보다 높을수록 점점 감소하는 것으로 나타났으며, 이때 부력의 영향이 차지하는 비율 또한 감소하는 것으로 나타났다.
- 이는 4층의 측정 포인트는 이중외피 상부 개구부와 가깝게 위치하였기 때문에 온도가 감소하는 것으로 나타나지만, CFD 시뮬레이션에서는 외피에 직접적으로 중공층 내부로 투과되는 일사량을 Heat Flux로 입력하였기 때문에 그 변화가 상이한 것으로 판단된다. 실측과 CFD 시뮬레이션 결과 중공층 4개 포인트의 평균 온도는 각각 15.55℃, 14.7 2℃로 나타났다. 평균 오차는 0.
- 외부 기류의 속도 상승과 상하 개구부의 압력차가 커짐에 따라 중공층의 시간당 환기횟수가 증가하는 비례관계를 도출할 수있었다. 외부 기류 속도 상승에 따라 상하 개구부의 압력 차는 0, 0.17, 0.48, 0.94, 1.56 Pa로 변화 상승폭이 크게 나타나지만 시간당 환기 횟수는 0, 11.28, 22.54, 33.38, 43.21 회/h로 일정하게 증가 하는 것으로 나타났다. (Fig.
- 외부 기류 속도 변화에 따른 중공층 환기량 분석(Case 1) 결과 그래프는 고정 변수인 외부 기류 속도를 기준으로 하여 도출하였다. 외부 기류의 속도 상승과 상하 개구부의 압력차가 커짐에 따라 중공층의 시간당 환기횟수가 증가하는 비례관계를 도출할 수있었다. 외부 기류 속도 상승에 따라 상하 개구부의 압력 차는 0, 0.
- 풍향은 Case 1과 동일하게 주풍향으로 고정하고 중공층 투과 일사량과 풍속, 외기온도의 변화를 경계조건으로 하여 중공층 내의 환기량을 분석하였다. 위의 두 Case 분석 결과 데이터를 비교하여 다층형 이중외피의 환기 량에 더 영향을 미치는 요소는 어떤 요소인지 수치로 도출하였다.
- 중공층 내의 시간당 환기 횟수 변화는 외부 기류 속도 2m/s까지 증가함에 따라 증가하는 비례 관계가 성립하는 것으로 나타났다. 속도 변화에 따른 환기량, 상하 개구부의 풍압차와의 관계를 추가적으로 알아보았다.
- 의 연구에 의하면 실내로 유입되는 일사량을 산출 방법에 따라 분석한 결과와 외부 전일사량과 비교하였다. 해당 유리의 물성치에 따라 그 결과는 상이하겠지만 평균적으로 외부 일사량 대비 블라인드를 내렸을 경우에는 13%, 내리지 않았을 경우에는 24%의 일사량이 실내로 유입되었다는 결과를 보여주었다. 이를 통해 휴대용 일사 측정 장치로 일사량을 측정한 결과가 타당하다고 판단된다.
후속연구
- 본 연구 결과는 실제 건물의 설계 및 운영 단계에서의 분석 절차의 한 부분으로 사용됨을 목적으로 두고 있으며, 다층형 이중외피의 환기 효율은 개구부 위치 및 중공층 규모 계획에 따라 상이하지만, 기류 속도에 따른 부력의 영향은 동일할 것으로 예측하는 바이다. 따라서 대상 지역의 기상 데이터를 기반으로 진행한 본연구 분석의 방법 및 결과가 객관적인 자료가 될 수 있을 것이라고 판단된다.
- 또한 다층형 이중외피의 개구부 계획에 따라 환기 효율에서 차지하는 풍압과 부력의 영향 비율을 비교 분석하는 추가적인 연구의 필요성이 있으며, 이를 통해 본 연구의 객관화가 더 확립될 것이라 판단된다.
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