[논문]대공간내 인체발열 미고려시의 하계 온열환경 조사

정성진; 최동호; 양정훈; 석호태

[국내논문] 대공간내 인체발열 미고려시의 하계 온열환경 조사
A Study on the Indoor Thermal Environment of the Large Enclosure Without Cooling Loads from Occupancy in Summer 원문보기

정성진 (대구가톨릭대학교 건축학과) , 최동호 (대구가톨릭대학교 건축학과) , 양정훈 (영남대학교 건축학부) , 석호태 (영남대학교 건축학부)

본 연구에서는 기존 대공간의 냉방시에 발생될 수 있는 분포상의 문제점을 실측실험을 통해 확인하여, 궁극적으로는 대공간의 열환경 개선과 효율적인 냉방설계를 위한 기초데이터를 제시하고자 하였다. 본 연구에서는 인체부하 미고려시의 하계 대공간의 실내온열환경 실측실험을 실시하여 공간내 수평 및 상하온도분포특성, 취출기류의 거동특성, 실내쾌적온열환경 특성, 환기량 평가 등 대공간의 하계 실내온열환경을 포괄적으로 검토하였다.

The purpose of this study is to provide fundamental cooling design data for the large public enclosures as gymnasium. This study executed indoor thermal environment verification of the existing gymnasium by measuring temperature distribution with cooling the space in summer. Cooling loads from human body was not considered. We examined various indoor thermal environment factors of the large enclosed space in this study which include vertical and horizontal temperature distribution, supply and return air flow feature, thermal comfort environment feature, amount of ventilation and etc.

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문제 정의

본 연구에서는 기존 대규모 실내경기장의 냉방 시에 발생될 수 있는 분포상의 문제점을 실측 실험을 통해 확인하여, 궁극적으로는 대공간의 열환경 개선과 효율적인 냉방설계를 위한 기초데이터를 제시하고자 하였다. 본 연구에서는 하절기 대규모 실내경기장의 공간내 수평 및 상하온도분포특성, 취출 기류의 거동특성, 실내쾌적온열환경 특성, 환기량 평가 등 대공간의 실내열환경을 포괄적으로 검토하였다.
하였다. 본 연구에서는 하절기 대규모 실내경기장의 공간내 수평 및 상하온도분포특성, 취출 기류의 거동특성, 실내쾌적온열환경 특성, 환기량 평가 등 대공간의 실내열환경을 포괄적으로 검토하였다.

제안 방법

실험대상 건물의 열원설비는 공원내 중앙공급실 (Power Plant)에서 공급된 냉수를 경기장 존과 사무실 존으로 나누어 지하공동구를 통해 실측대상 건물 내 공조기로 공급하고 있다. 공조시스템은 경기장 존에 냉난방용 1대와 환기용 1대, 사무실 존에 냉난방용 1대와 환기용 1대가 각각 설치되어 이들이 경기장 존 (189, 000Kcal) 과 사무실 존 (128, 700Kcal)에 정풍량 방식으로 온풍을 공급한다. 실험은 공간의 대칭성을 고려하여 전체 실내면적의 1/2을 실측대상영역으로 선정하여 실측하였다.
대규모 실내경기장의 온열환경 특성을 평가하기 위하여 외부기상, 실내온도, 온열환경지표 (MRT, PMV), 풍속, 기류가시화, 환기량을 측정하였다. 또한 체육관 외부에는 외부기상 계측을 위한 풍향풍속계, 일사량계, 상대습도계 등의 기상계측 장비를 설치하여 시시각각 변화하는 외부기상 데이터를 실시간으로 파악할 수 있도록 하였다<표 2>.
또한 체육관 외부에는 외부기상 계측을 위한 풍향풍속계, 일사량계, 상대습도계 등의 기상계측 장비를 설치하여 시시각각 변화하는 외부기상 데이터를 실시간으로 파악할 수 있도록 하였다<;표 2>. 측정점은 계측대상영역을 7등분하여 각 영역의 중심에 등 간격으로 즉정점을 배치하였다.
측정점은 계측대상영역을 7등분하여 각 영역의 중심에 등 간격으로 즉정점을 배치하였다. 본 연구에서는 경기장 내에 다수의 Thermistor센서를 설치하여 높이별, 위치별 온도를 계측하였으나, 본 논문에서는 각 부분의 기준점, 기준 높이의 측정값 위주로 나타내었다. 모든 온도데이터는 Data logger를 통해 컴퓨터에 자동적으로 저장되도록 하였다.
본 연구에서는 경기장 내에 다수의 Thermistor센서를 설치하여 높이별, 위치별 온도를 계측하였으나, 본 논문에서는 각 부분의 기준점, 기준 높이의 측정값 위주로 나타내었다. 모든 온도데이터는 Data logger를 통해 컴퓨터에 자동적으로 저장되도록 하였다. 또한 급기구, 배기구의 온도와 상대습도는 휴대형 디지털 온습도계를 해당위치에 설치하여 계측하였다.
모든 온도데이터는 Data logger를 통해 컴퓨터에 자동적으로 저장되도록 하였다. 또한 급기구, 배기구의 온도와 상대습도는 휴대형 디지털 온습도계를 해당위치에 설치하여 계측하였다.
실측대상 공간의 모든 출입구는 실험기간 중 항상 닫힌 상태를 유지함으로서 외기유입에 의한 영향을 최소화하였으며, 조명부하에 의한 영향을 해소하기 위하여 실측 중에는 최소한의 실내조명만을 점등하였다. 또한 1층 객석부의 중앙지점인 B4지점을 기준점으로 설정하여 기준점온도가 1차 냉방에서 26笆 On, 25笆 Off로 설정 하였으나, 냉방이 유지되더라도 기준점의 온도가 25笆이하로 내려가지 않았으므로 2, 3차 냉방 공급 시에는 시간제어로 실내냉방을 설정하여 2시간 ON, 1시간 OFF로 제어하며 실험을 실시하였다.

대상 데이터

수도권 소재 체육공원 내에 위치한 실내체육관을실측대상 건물로 선정하였다, 실측대상 건물은 1986년 준공된 지하1층, 지상 3층(높이:22.4m, 직경:97m)의 철근콘크리트 구조로서 건축면적 8, 658irf, 연면적 16, 358irf 규모이다.
4m, 직경:97m)의 철근콘크리트 구조로서 건축면적 8, 658irf, 연면적 16, 358irf 규모이다. 1, 2 층 객석 5, 223석, 가변형 객석 1, 635석을 갖추고 있으며, 지하층은 기계실, 전기실, 1층은 경기장 아레나, 가변형 객석, 사무실, 2층은 객석, VIP실, 3층은 객석으로 배치되었다. 지붕구조는 케이블 돔 구조로서 실리콘 코팅 유리섬유로 마감되었다.
지붕구조는 케이블 돔 구조로서 실리콘 코팅 유리섬유로 마감되었다. 실험대상 건물의 열원설비는 공원내 중앙공급실 (Power Plant)에서 공급된 냉수를 경기장 존과 사무실 존으로 나누어 지하공동구를 통해 실측대상 건물 내 공조기로 공급하고 있다. 공조시스템은 경기장 존에 냉난방용 1대와 환기용 1대, 사무실 존에 냉난방용 1대와 환기용 1대가 각각 설치되어 이들이 경기장 존 (189, 000Kcal) 과 사무실 존 (128, 700Kcal)에 정풍량 방식으로 온풍을 공급한다.

성능/효과

실측대상 공간의 모든 출입구는 실험기간 중 항상 닫힌 상태를 유지함으로서 외기유입에 의한 영향을 최소화하였으며, 조명부하에 의한 영향을 해소하기 위하여 실측 중에는 최소한의 실내조명만을 점등하였다. 또한 1층 객석부의 중앙지점인 B4지점을 기준점으로 설정하여 기준점온도가 1차 냉방에서 26笆 On, 25笆 Off로 설정 하였으나, 냉방이 유지되더라도 기준점의 온도가 25笆이하로 내려가지 않았으므로 2, 3차 냉방 공급 시에는 시간제어로 실내냉방을 설정하여 2시간 ON, 1시간 OFF로 제어하며 실험을 실시하였다.
실측대상 건물의 열원공급은 지역내 중앙공급 실에서 생산된 냉수를 지하공동구를 통해 원격지인 실측대상 건물 내 공조기로 공급받아 냉방하므로 공조 제어의 빠른 응답성은 기대하기 어려웠다. 2개소에서 측정한 급기온도는 최저 급기온도기준 1笆전후의 온도 차가 관측되었으며, 급기온도는 공조가동 중에는 평균 19笆이하의 급기온도를 유지하였다. 한편 2개소에서 측정된 배기온도는 배기구위치에 따라 1笆 전후의 온도차가 확인되었다.
하계 대규모 실내경기장 실측실험을 통해 냉방시와 비 냉방 시의 객석부온도분포, 취출기류의 확산거동특성, 실내 온열환경과 분포상의 문제점을 파악할 수 있었다. 본 연구를 통해 도출된 결과를 요약하면 다음과 같다
1) 객석부 온도 실측데이터를 분석함으로서 객석 부의 온도변화를 효과적으로 파악할 수 있었다. 냉방 시 객석높이별 온도차는 낮은 곳에 위치한 아레나, 가변형 객석의 경우 상대적으로 높은 곳에 위치한 2층 객석부보다 비교적 낮은 온도분포를 나타내었다.
2) 경기장 상부에 설치된 기류유인팬의 작동으로 인하여 형성된 선회류가 도달하는 영역에서는 1笆 전후의 온도상승이 관측되었으나 선회류에 의한 객석 부에 정체된 기류의 이동에 따른 열적쾌적감은 상대적으로 증가할 것으로 판단된다
3) 실측대상 대공간의 수평온도분포를 분석한 결과 경미한 수준의 온도차를 제외하고는 주목할 만한 수평온도분포는 발생하지 않은 것으로 파악되었다.
4) 냉방시의 기류가시화 실험결과, 급기기류는 취출직 후 강한 부력에 편승하여 공간하부로 하강함으로서 하부의 거주역 온열환경조성에는 효과적으로 작용한 것으로 파악되었다.
5) 실내온열환경(MRT, PMV) 평가 결과, 냉방이 개시된 09시부터 냉방이 종료된 17시 이후까지 열적 중립온도를 유지하여 열적으로 쾌적한 것으로 조사되었다.
비냉방시의 MRT는 25.3~29笆의 값을 나타내어 실내기온과 거의 동일한 값을 나타내었으며, PMV 는 11시 이후로 0.5~1.16사이에서 분포함으로서 고온으로 인한 열적 불쾌적감을 나타낸 것으로 조사되었다(<그림 8

후속연구

이는 기류유인팬에 의하여 발생된 선 회류가 도달하는 1층 객석부(Bl, B3, B5)영역에서는 상대적으로 고온을 나타냄으로서 상층부의 고온의 공기가 선회류에 의하여 하층부에 도달하여 발생한 것으로 파악되었다. 기류유인팬은 거주역의 온도에 영향을 주고 있으며, 기류유인팬의 배치 및 작동조건에 따라서 다양한 결과가 나타날 것으로 파악되었으며 추가적인 검토가 필요할 것으로 판단된다.

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