[논문]Cool Tube System 사례를 활용한 환기부하 절감방안

정민영; 박진철; 양영권

doi:10.5804/lhij.2019.10.1.025

Cool Tube System 사례를 활용한 환기부하 절감방안
Ventilation Load Reduction Plan Using Cool Tube System Case 원문보기

LHI journal of land, housing, and urban affairs, v.10 no.1, 2019년, pp.25 - 32

정민영 (중앙대학교 디자인학부 실내환경디자인전공) , 박진철 (중앙대학교 건축학부) , 양영권 (중앙대학교 대학원)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the case analysis data on underground temperature are presented. In addition, numerical analysis of the ventilation load reduction plan was derived according to the residence schedule change for the building with cool tube. The research scope and method are as follows. The overall system principle was examined through reviewing the theory of the Cool tube system. Case study and analysis were conducted. Numerical simulation was used to examine the change in energy usage. Also, the change of load energy in case of varying amount of ventilation was derived based on actual building room schedule. When the Cool tube system was applied to the residential buildings, the cooling load was reduced from 3,331 kW to 193 kW, which showed a reduction effect of about 90%.The heating load was reduced from 42,276kW to 32,575kW by 23%.Also, result shows that the cooling load decreased by 24% and the heating load decreased by 66% when the number of ventilation according to the occupancy schedule was applied.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Cool tube system Overview⁽¹⁶⁾
표 Table 1. Soil themal variable values
그림 Fig. 2. e⁺ Green Home⁽²⁰⁾
그림 Fig. 3. Cool tube system inlet and outlet
그림 Fig. 4. Ewha Campus Center, Seoul
그림 Fig. 5. Comparison of the number of air change
그림 Fig. 6. Graph of cooling load
그림 Fig. 7. Graph of heating load
표 Table 2. Cooling and heating load according to occupancy schedule
표 Table 3. Loads using cool tube in summer
표 Table 4. Loads using cool tube in winter

AI 본문요약
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문제 정의

이와 같이 현재까지 수행된 연구를 보면, 건물 적용을 통한 성능검증, 이 중 외피와의 연계 형태 분석, 쿨튜브의 열특성 분석, 쿨튜브 시스템 최적화 설계방안 도출 등의 연구가 수행되었지만, 건물의 재실 스케줄(schedule)에 따른 적용 최적에 대한 연구는 수행되지 않았다. 따라서 본 연구에서는 지중온도에 대한 사례 분석 자료를 기반으로, 쿨튜브가 적용된 건물에 재실 스케줄 변경에 따른 환기부하의 절감방안을 수치해석 하여도 줄 하고자 하였다.
본 장에서는 Gool tube system의 예측 시뮬레이션 및 국내 적용사례를 통해 실제 Cool tube system을 통한 성능을 확인하고자 하였다. 예측 시뮬레이션은 7가지의 변수에 따른 민감도를 분석한 사례를 조사하였고, K사의 e+ Green Home과 이화여자대학교의 Ehwa Campus Center(ECC)를 조사하였다.

제안 방법

연면적이 66, 000m!, 지하 6층, 지상 1층 규모로, 지상의 공원은 휴식공간을 제공하며 내부의 도서관과 강의실 등 학생을 위한 공간을 제공하였다 (Fig. 4).
연구 범위 및 방법은 다음과 같다. Cool tube system 및 이론 고찰을 통해 전반적인 시스템 원리를 고찰하고, 국내 사례 조사 및 분석을 통해 환기부하에 따른 이산화탄소(CO₂)농도와 습도조절 효과를 분석하였다. 수치분석 시뮬레이션을 통해, 대부분의 연구에서 설정되어 있는 0.
Cool tube system의 분석을 위한 변수는 총 7가지로 설정하였으며, 중요도가 높은 변수 파악을 위해 각 변수값의 변화가 지중튜브로 유입되는 외기의 출구 온도 값과 지중과의 열교환량값을 검토하였다. 7가지의 변수는 tube length, tube depth, tube thermal conductivity, tube thickness, tube radius, soil condition, fan type 이며, 분석 결과, cool tube depth 설계 변수의 편차가 56.
(2011)은 구체형 지열활용 환기시스템을 적용한 사례 분석을 통해 하계 및 추계 기간 중 시스템 내부 지중벽 표면온도와 유입외기의 온습도 경향을 분석하고 냉난방 및 제습.가습 효과와 함께 공조기 외기부하량 절감 효과를 분석하였다.
후의 냉. 난방부하 계산을 통해 Gocd tube system의 성능을 확인하였다.
본 장에서는 Gool tube system의 냉.난방부하 영향을 분석하였다. 앞 장에서의 사례분석을 통해 상대적으로 환기 요구량이 큰 건축물에서의 Cool tube system 효과를 확인하였지만, 주거건축물에서의 일상적인 재실 스케줄에 따른 분석은 찾을 수 없기 때문에 주거건축물에 재실 스케줄을 적용하여 분석하였다.
냉. 난방부하 저감 확인을 위해 시뮬레이션을 실시하였으며 결과는 다음과 같다.
주거건축물에서의 냉.난방부하를 확인하기 위해 재실 스케줄을 건물용도별 사용 수량 스케줄에 따라 재실 시간을 결정하고, 이에 따른 냉.난방시스템 On/Off 작동을 결정하였다.
난방부하를 확인하기 위해 재실 스케줄을 건물용도별 사용 수량 스케줄에 따라 재실 시간을 결정하고, 이에 따른 냉.난방시스템 On/Off 작동을 결정하였다. 본 시뮬레이션은 주거건축물을 대상으로 하였으나 대형 및 소형 사무소건물, 공장, 다중이용시설물 등은 실의 용적에 따른 적정 환기 횟수를 적용하여 Cool tube system의 성능을 확인할 수 있을 것으로 사료된다.
5회/h로 변경하여 적용하여 에너지 사용량의 변화를 알아보았다. 또한 실제 건물 재실 스케쥴을 기반으로 가변적인 환기량을 적용할 경우의 부하 에너지의 변화를 도출하였다.
또한, 하절기와 동절기 성능비교를 실시하였다. 분석에 사용된 대표일 선정은 2017년 기상청 자료에 따라 하절기 중 최고기온이 나타난 7월 25일, 동절기 중 최저기온이 나타난 1월 23일로 선정하였다.
본 연구는 주거건축물에 Cool tube system을 적용한 시뮬레이션으로, Cool tube system 적용 시 실내 냉. 난방부하에 긍정적인 영향을 미치는 것으로 판단되며 실내 재실 스케줄 적용 시에도 에너지 절감효과를 기대할 수 있다.
본 연구에서는 Cool tube system의 이론과 선행연구 및 사례조사를 통해 주거건축물에 Gool tube system 적용 시 냉.난방부하 저감을 확인하였다.
Cool tube system 및 이론 고찰을 통해 전반적인 시스템 원리를 고찰하고, 국내 사례 조사 및 분석을 통해 환기부하에 따른 이산화탄소(CO₂)농도와 습도조절 효과를 분석하였다. 수치분석 시뮬레이션을 통해, 대부분의 연구에서 설정되어 있는 0.7회/h의 환기 스케줄을 개정된 규정에 맞춰 0.5회/h로 변경하여 적용하여 에너지 사용량의 변화를 알아보았다. 또한 실제 건물 재실 스케쥴을 기반으로 가변적인 환기량을 적용할 경우의 부하 에너지의 변화를 도출하였다.
출구 온도 및 습도, 실내 온.습도, 실내 이산화탄소(CO₂)농도를 확인하였다. 실내 온.
실내 온.습도는 1층 거실과 2층 가족실의 벽면에 설치된 Cool tube system 토출구를 측정하였고, 실외 온.습도는 백엽상에서 측정하였다.
습도는 1층 거실과 2층 가족실의 벽면에 설치된 Cool tube system 토출구를 측정하였고, 실외 온.습도는 백엽상에서 측정하였다. 측정은 3개월(12월~2월)간의 난방기간을 선정하였으나 Cool tube system의 성능 확인을 위한 난방설정을 하지 않았다.
난방부하 영향을 분석하였다. 앞 장에서의 사례분석을 통해 상대적으로 환기 요구량이 큰 건축물에서의 Cool tube system 효과를 확인하였지만, 주거건축물에서의 일상적인 재실 스케줄에 따른 분석은 찾을 수 없기 때문에 주거건축물에 재실 스케줄을 적용하여 분석하였다. 분석에는 매크로, 그래픽, 데이터베이스기능, 표계산, 수식계산 등을 용이하게 할 수 있으며 스프레드시트가 가능한 Microsoft의 Excel 이 사용되었다.
(2016)은 Cool tube system 설치 시의 변수를 선정하고, Energyplus 시뮬레이션을 활용하여 유입 공기의 출구온도와 열획득.열손실량에 미치는 영향을 파악하였다. 검토 대상 지역의 토양 조건은 Heavy soil dart坦로 설정하였으며, 창원지역의 기상데이터를 활용하여 외기온과 일사량 데이터를 적용하였다.
실내.외 압력차(차압)를 이용한 환기방식을 선정하였다. 환기 시 열교환기의 급배기 팬을 분리하여 배기팬을 가동한 후 차압을 발생시켜 Cool tube system을 작동시켜 연돌 효과를 이용한 환기의 효율을 극대화하였다.
또한 외기가 Cool tube system의 지중 매설관을 통과하면서 온도가 상승하여 실내로 유입될 때 온도가 일정한 지중온도의 영향으로 일정 온도로 상승된 후 실내 토출구를 통과한다. 외기의 온도가 상이하여도 일정 온도로 토출되는 것을 사례조사를 통해 확인하였다. 주거 건축물에 Cool tube system 적용 시 냉방부하는 3, 331kW에서 193kW로 저감되어 약 90%의 저감효과를 확인하였고, 난방부하는 42, 276kW에서 32, 575kW로 약 23%의 저감 효과를 확인하였다.
(2011)은 ECC의 구체형 지열활용 환기시스템 내부 지중벽 표면온도 및 유입외기 온습도 경향 분석을 위해 4개월간(2010년 8월 1일~2010년 11월 30 일)실측을 실시하였다. 측정 간격은 15분으로 하였으며 항목은 외기 및 유입외기의 건구온도 및 상대습도, 지중 벽 표면온도, 공조기의 유입외기 풍량이며, 실측 위치는 건물 외부 백엽상, 수평 풍도 각 층별 중간지점, 수직 풍도 중앙지점, 공조기 외기 덕트 입구이다.
외 압력차(차압)를 이용한 환기방식을 선정하였다. 환기 시 열교환기의 급배기 팬을 분리하여 배기팬을 가동한 후 차압을 발생시켜 Cool tube system을 작동시켜 연돌 효과를 이용한 환기의 효율을 극대화하였다. Cool tube system의 운전은 지하의 시스템실에서 별도의 모니터링 제어할 수 있어 재실자가 Cool tube system 작동의 용이성을 제공하였다.

대상 데이터

열손실량에 미치는 영향을 파악하였다. 검토 대상 지역의 토양 조건은 Heavy soil dart坦로 설정하였으며, 창원지역의 기상데이터를 활용하여 외기온과 일사량 데이터를 적용하였다. 이를 통해 연중 평균 온도, 지표면 온도의 진폭의 1/2, 표면온도의위상상수값을 Table 1과 같이 산출하였다.
냉. 난방부하 저감 확인을 위해 전용면적 84nf의 주거 건물을 대상으로 선정하였으며, 환기횟수는[건축물의 설비기준 등에 관한 규칙]에서 '신축 공동주택 등의 기계 환기 설비설치기준'에 따라 시간당 0.5회로 하였다. 2017년 1월~12 월 중 하절기 대표일과 동절기 대표일을 결정하여 각 대표일의 24시간 중 Cool tube system 적용 전.
분석에 사용된 대표일 선정은 2017년 기상청 자료에 따라 하절기 중 최고기온이 나타난 7월 25일, 동절기 중 최저기온이 나타난 1월 23일로 선정하였다. [건축물의 에너지 절약 설계기준] 제9조에 따라 냉방 설정온도는 28℃, 난방온도는 20℃로 하였으며, 지중온도는 평균 Cool tube system의 매설 깊이인 3m일 때의 온도로 하였다.
확인하고자 하였다. 예측 시뮬레이션은 7가지의 변수에 따른 민감도를 분석한 사례를 조사하였고, K사의 e+ Green Home과 이화여자대학교의 Ehwa Campus Center(ECC)를 조사하였다.
재질은 내구성과 토양과의 열교환이 우수한 스테인레스 강관을 사용하고, 매설 깊이에 따른 하중이나 압력에 변형을 일으키지 않는 두께로 한다. 관 내부는 결로 발생으로 인해 응축수가 발생할 수 있기 때문에 출입이 가능한 규모로 응축수 탱크를 설치하도록 하며, 일정 규모의 웅축수가 발생되면 이를 제거할 수 있도록 서브 펌프를 설치한다.

데이터처리

앞 장에서의 사례분석을 통해 상대적으로 환기 요구량이 큰 건축물에서의 Cool tube system 효과를 확인하였지만, 주거건축물에서의 일상적인 재실 스케줄에 따른 분석은 찾을 수 없기 때문에 주거건축물에 재실 스케줄을 적용하여 분석하였다. 분석에는 매크로, 그래픽, 데이터베이스기능, 표계산, 수식계산 등을 용이하게 할 수 있으며 스프레드시트가 가능한 Microsoft의 Excel 이 사용되었다. 주거건축물에서의 냉.

성능/효과

지중과의 열교환량값을 검토하였다. 7가지의 변수는 tube length, tube depth, tube thermal conductivity, tube thickness, tube radius, soil condition, fan type 이며, 분석 결과, cool tube depth 설계 변수의 편차가 56.2%로 가장 높게 나타났으며, 다음으로 tube length가 45.5%, tube radius 12.6%, fan type 7.7%, soil condition 6.3%, tube thickness 0.3%, tube thermal conductivity 0.0% 순으로 나타났다.
3℃로 3m에서 18℃로 일정한 온도를 유지했다. Cool tube systeme 하절기 실내의 예냉적 효과를 가져왔으며, 외기온도의 편차가 클수록 효과가 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 친환경 주택에 Cool tube system을 기계식 환기장치와 연결하지 않고 차압(연돌효과 등)을 이용한 지중열교환 환기가 실내 열환경에 영향을 줄 수 있으며, 에너지 절약적 측면으로 적용이 가능함을 확인하였다.
외에서 적용하여 냉.난방부하 뿐만 아니라 실내 이산화탄소 등 실내 공기질에도 영향을 미치는 것을 확인하였다. 또한 외기가 Cool tube system의 지중 매설관을 통과하면서 온도가 상승하여 실내로 유입될 때 온도가 일정한 지중온도의 영향으로 일정 온도로 상승된 후 실내 토출구를 통과한다.
Cool tube system의 적용으로 하절기와 동절기 대표일의 냉.난방부하가 감소하는 것을 확인하였다.
후의 실내 냉.난방부하를 분석한 결과, 하절기의 냉방부하는 설정온도 28℃에 따라 오전 0 시부터 9시까지 실내온도보다 실외온도가 더 낮아 Cool tube system의 적용의 효과가 낮으나 정오부터 20시까지 Cool tube system에 의한 효과가 큰 것을 확인하였다. 또한 16시 이후부터는 Cool tube system에 의해 실내 냉방부하가 다른 시간대에 비해 큰 폭으로 감소하는 것을 확인하였다 (Fig 6~7).
8kca]/h로 감소하였다. 동절기 대표일의 난방부하는 Cool tube system 적용으로 3, 564.7kcal/h가 감소되어 약 66%의 난방부하가 감소하였다. Cool tube system의 적용으로 하절기와 동절기 대표일의 냉.
6의 그래프의 음수 영역은 냉방설정온도보다 Cool tube system에 의해 유입되는 외기온도가 더 높아 실제 냉방부하가 아닌 Cool tube system으로 절약할 수 있는 부하로 사료된다. 따라서 양수 영역의 냉방부하 확인을 통해 Cool tube system 적용 전 3, 331kW 에서 적용 후 193kW로 저감되어 약 90% 의 냉방부하 저감효과를 확인하였다. 또한 Cool tube system을 적용 전 동절기 대표일의 난방부하는 42, 276kW 였으나, 적용 후 32, 575kW로 약 23%의 난방부하 저감 효과를 확인하였다.
난방부하를 분석한 결과, 하절기의 냉방부하는 설정온도 28℃에 따라 오전 0 시부터 9시까지 실내온도보다 실외온도가 더 낮아 Cool tube system의 적용의 효과가 낮으나 정오부터 20시까지 Cool tube system에 의한 효과가 큰 것을 확인하였다. 또한 16시 이후부터는 Cool tube system에 의해 실내 냉방부하가 다른 시간대에 비해 큰 폭으로 감소하는 것을 확인하였다 (Fig 6~7).
따라서 양수 영역의 냉방부하 확인을 통해 Cool tube system 적용 전 3, 331kW 에서 적용 후 193kW로 저감되어 약 90% 의 냉방부하 저감효과를 확인하였다. 또한 Cool tube system을 적용 전 동절기 대표일의 난방부하는 42, 276kW 였으나, 적용 후 32, 575kW로 약 23%의 난방부하 저감 효과를 확인하였다.
주거 건축물에 Cool tube system 적용 시 냉방부하는 3, 331kW에서 193kW로 저감되어 약 90%의 저감효과를 확인하였고, 난방부하는 42, 276kW에서 32, 575kW로 약 23%의 저감 효과를 확인하였다. 또한 재실 스케줄에 따른 환기횟수를 적용한 경우 냉방부하는 24風 난방부하는 66% 감소한 것을 확인하였다.
연구결과, 지중벽의 표면 온도 변화폭은 외기 온도변화폭에 비해 매우 작아 상대적으로 일정하게 유지되는 것으로 나타났으며, 유입외기 온도 변화폭 역시 마찬가지로 나타났다. 또한 유입외기에 대한 월 별 냉방/난방 및 제습/가습효과를 보면, 8월~11월 모두 거의 대부분 냉난방 및 제습과 가습이 이루어졌다.
이와 같은 연구 결과, Cool tube systeme 입구와 출구 간의 온도 차이가 큰 14~17시에 약 5~130의 온도 차를 보였으며, 습도차는 10-25%, 지중온도는 약 18℃ 로 나타났다. 1~3m간 편차는 약 0.
외기의 온도가 상이하여도 일정 온도로 토출되는 것을 사례조사를 통해 확인하였다. 주거 건축물에 Cool tube system 적용 시 냉방부하는 3, 331kW에서 193kW로 저감되어 약 90%의 저감효과를 확인하였고, 난방부하는 42, 276kW에서 32, 575kW로 약 23%의 저감 효과를 확인하였다. 또한 재실 스케줄에 따른 환기횟수를 적용한 경우 냉방부하는 24風 난방부하는 66% 감소한 것을 확인하였다.
주거건축물에서의 환기횟수기준(0.5회/h)에 따른 환기와 재실자 스케줄에 따른 환기 비교 결과 재실스케쥴 ㎛에 따른 환기시스템 작동 시 소비되는 에너지가 더 적은 것으로 확인하였다 (Fig. 5).
Cool tube systeme 하절기 실내의 예냉적 효과를 가져왔으며, 외기온도의 편차가 클수록 효과가 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 친환경 주택에 Cool tube system을 기계식 환기장치와 연결하지 않고 차압(연돌효과 등)을 이용한 지중열교환 환기가 실내 열환경에 영향을 줄 수 있으며, 에너지 절약적 측면으로 적용이 가능함을 확인하였다.
특히, tube length, tube depth 변수는 tube depth 변수의 편차가 더 높게 나타나 민감도가 더 큰 것으로 나타났다.

후속연구

난방시스템 On/Off 작동을 결정하였다. 본 시뮬레이션은 주거건축물을 대상으로 하였으나 대형 및 소형 사무소건물, 공장, 다중이용시설물 등은 실의 용적에 따른 적정 환기 횟수를 적용하여 Cool tube system의 성능을 확인할 수 있을 것으로 사료된다.
난방부하에 긍정적인 영향을 미치는 것으로 판단되며 실내 재실 스케줄 적용 시에도 에너지 절감효과를 기대할 수 있다. 하지만 건물에 적용되는 Cool tube systeme 지중 매설관을 필요로 하는 시스템으로, 실제 설치 시 초기투자비용이 증가하기 때문에 적용을 위한 세밀한 분석을 통해 적용해야 보다 큰 효과가 나타날 것으로 사료된다.

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저자의 다른 논문 :

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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