[논문]실내환경 쾌적 제어와 건물 에너지

윤근영

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문제 정의

재실자의 실내환경제어와 쾌적은 밀접한 관련이 있으며 이에 따라 재실자의 환경시스템 사용을 예측하고 모델링하기 위한 다양한 연구가 진행되었다. 본고에서는 여름철 자연환기의 중요 요소인 재실자의 창문의 사용에 대한 내용을 중심으로 살펴본다. 기존 연구에 따르면 여름철 창문 사용에 가장 큰 영향을 미치는 요소는 실내 온도인 것으로 나타났다 (그림 7).
건물 사용자의 환경 제어는 쾌적한 실내환경을 조성하며 동시에 건축물의 에너지 소비를 결정하는 중요한 요소이다. 본고에서는 재실자의 온열 쾌적감과 건축 환경시스템의 사용에 대한 관계를 살펴보고, 재실자의 환경시스템 사용 모델에 대한 소개와 더불어 건물 에너지 시뮬레이션의 정확성 확보를 위한 환경시스템 모델링의 중요성을 확인하였다. 앞으로 재실자의 쾌적을 향상시키는 동시에 건축물의 에너지 성능을 향상시킬 수 있는 다양한 환경시스템 제어 기술 분야의 발전을 기대해 본다.

제안 방법

Fanger는 열쾌적의 4가지 필수조건으로 인체 발열량과 인체가 주위 환경으로부터 손실되는 열량이 동일한 정적 열평형 상태, 피부로부터의 땀 분비율과 피부 평균 온도의 쾌적조건 충족, 그리고 국부적인 불쾌감이 없는 상태를 제시하였으며, 이는 ASHRAE의 실내환경 기준과, ISO 7730에 채택되게 되었다. Fanger의 열쾌적 조건 중 가장 핵심적인 인체와 주변의 열평형은 인체의 발열과 인체가 주위 환경으로 뺏기는 열이 동일한 상태를 나타내며, Fanger는 이러한 개념을 바탕으로 인체의 열쾌적 조건을 예측하는 PMV(Predicted Mean Vote) 식을 개발하였다.
1990년 초 MIT 연구진은 시뮬레이션 결과와 실제 건물의 에너지 사용결과에 대한 상세한 분석을 실시하였다(그림 9). 연구진은 동적 에너지 해석 프로그램인 DOE-2를 에너지 절약형 건물의 설계 단계에 적용하였으며, 건물의 완공 후 실제 에너지 사용량과 설계 단계에서의 DOE-2 프로그램의 에너지 소모량을 비교하였다. 그 결과 실제 건물의 연간 에너지 사용량은 325 kWh/㎡로 시뮬레이션 결과인 125 kWh/㎡의 두 배를 상회하는 것으로 나타났다.

대상 데이터

는 Fanger의 PMV 모델의 예측값이 실생활에서 재실자들이 느끼는 쾌적감과 다르다는 사실을 밝혀냈다. 이에 ASHRAE에서는 PMV모델의 적용성을 평가하기 위한 범지구적인 현장 실측 연구를 지원하였으며, 그 결과 열쾌적 현장실측에 대한 21,000개의 실측자료로 구성된 데이터 베이스를 구축하였다.⁸⁾ 영국 옥스퍼드 대학과 옥스퍼드 브룩스 대학의 Humphreys와 Nicol 연구팀⁵⁾은 PMV 모델의 신뢰성을 ASHRAE 데이터베이스에 대한 통계분석을 통하여 검증하였으며, 그 결과 PMV의 이론값은 열적 중성대에서는 정확성을 가지고 있으나, 중성대를 벗어나면서 그 오차가 급격히 증가한다는 사실을 확인하였다(그림 3).

성능/효과

이후, ASHRAE의 실험실은 캔자스 주립 대학으로 이전되었으며, 열쾌적에 대한 연구는 캔자스 주립대학의 Rohles와 Nevins에 의하여 수정 발전되었다.^2),3) 특히 캔자스 주립대학 연구팀은, 남자 800명과 여자 800명을 대상으로 한 방대한 연구를 진행하였으며, 인체의 쾌적대가 16.7~36.6℃라는 사실을 실험적으로 검증하였다. 또한, 공기온도 변화에 대한 민감도가 습도의 변화에 대한 민감도 보다 7~9배 정도 높다는 사실도 밝혀낸다(그림 2).
Robinson의 실측 연구에 따르면 여름철에 재실자가 환경시스템을 사용하지 않을 때의 쾌적온도는 24℃였으나, 재실자가 차양장치, 창문, 팬 등을 사용할 경우 쾌적온도가 증가한다는 것을 밝혀냈다. 특히, 창문과 팬을 동시에 사용하는 경우 쾌적온도는 약 3℃ 가량 높아지는 것으로 나타났다.¹⁰⁾
연구진은 동적 에너지 해석 프로그램인 DOE-2를 에너지 절약형 건물의 설계 단계에 적용하였으며, 건물의 완공 후 실제 에너지 사용량과 설계 단계에서의 DOE-2 프로그램의 에너지 소모량을 비교하였다. 그 결과 실제 건물의 연간 에너지 사용량은 325 kWh/㎡로 시뮬레이션 결과인 125 kWh/㎡의 두 배를 상회하는 것으로 나타났다. 특히, 건물 사용시간, 냉난방 시스템의 사용 시간 및 설정 온도, 조명 및 기기의 사용 등과 같은 재실자의 환경시스템 사용이 시뮬레이션과 실제 에너지 사용량 오차의 약 60% 이상을 설명할 수 있는 것으로 나타났다.
그 결과 실제 건물의 연간 에너지 사용량은 325 kWh/㎡로 시뮬레이션 결과인 125 kWh/㎡의 두 배를 상회하는 것으로 나타났다. 특히, 건물 사용시간, 냉난방 시스템의 사용 시간 및 설정 온도, 조명 및 기기의 사용 등과 같은 재실자의 환경시스템 사용이 시뮬레이션과 실제 에너지 사용량 오차의 약 60% 이상을 설명할 수 있는 것으로 나타났다.¹⁷⁾

후속연구

본고에서는 재실자의 온열 쾌적감과 건축 환경시스템의 사용에 대한 관계를 살펴보고, 재실자의 환경시스템 사용 모델에 대한 소개와 더불어 건물 에너지 시뮬레이션의 정확성 확보를 위한 환경시스템 모델링의 중요성을 확인하였다. 앞으로 재실자의 쾌적을 향상시키는 동시에 건축물의 에너지 성능을 향상시킬 수 있는 다양한 환경시스템 제어 기술 분야의 발전을 기대해 본다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

Houghton과 Yagloglou의 열환경 쾌적대의 정의는?

1920년대 초 미국의 Houghton과 Yagloglou1)은 ASHVE의 용역을 받아 130명을 대상으로 한 실험 결과를 바탕으로 유효온도와 열환경 쾌적대를 제시하였다. Houghton과 Yagloglou가 제시한 열환경 쾌적대는 피실험자의 50% 이상이 쾌적하다고 느끼는 상태로 정의되었다. Houghton과 Yagloglou가 제안한 쾌적대는 ASHRAE에 의하여 채택되어 1961년까지 쾌적한 열환경의 조건으로 사용되었다.

적응 쾌적 이론에 따르면 재실자들의 건물의 환경시스템을 활용한 다양한 적응행동과 쾌적감은 어떤 상관관계가 있다고 보는가?

적응 쾌적 이론에 따르면 재실자들은 자신들의 환경을 쾌적하기 만들기 위하여 건물의 환경시스템을 활용한 다양한 적응행동을 하게 되며, 이러한 적응행동은 쾌적감에 영향을 미치게 된다. 특히, 재실자들이 환경시스템을 적극적으로 사용하는 경우 일반적으로 열쾌적대는 증가하게 되는 특성을 지니게 되며, 이러한 현상을 심리적 적응으로 정의 한다(그림 5).

열쾌적의 4가지 필수조건은?

덴마크 공대와 캔자스 주립대학의 Fanger는 열쾌적의 필요조건, 열쾌적과 관련된 열환경의 평가 및 분석 방법 및 원리를 기술한 책, Thermal Com fort4)를 1970년에 발간하였으며, 이 책은 열쾌적 연구의 가장 중요한 업적으로 평가받고 있다. Fanger는 열쾌적의 4가지 필수조건으로 인체 발열량과 인체가 주위 환경으로부터 손실되는 열량이 동일한 정적 열평형 상태, 피부로부터의 땀 분비율과 피부 평균 온도의 쾌적조건 충족, 그리고 국부적인 불쾌감이 없는 상태를 제시하였으며, 이는 ASHRAE의 실내환경 기준과, ISO 7730에 채택되게 되었다. Fanger의 열쾌적 조건 중 가장 핵심적인 인체와 주변의 열평형은 인체의 발열과 인체가 주위 환경으로 뺏기는 열이 동일한 상태를 나타내며, Fanger는 이러한 개념을 바탕으로 인체의 열쾌적 조건을 예측하는 PMV(Predicted Mean Vote) 식을 개발하였다.

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