초록 ▼

우리나라(韓國)의 傳統溫突은 두꺼운 구들돌로 된 축열매체를 가지고 있었기 때문에 하루에 한두번 아궁이에 불을 피워 쾌적한 暖房溫突을 유지할 수 있었다. 그러나 현대주택에 설치 이용되고 있는 溫突은 축열매체가 없기 때문에 일정한 시간간격으로 계속해서 열을 공급하여야 필요한 난방온도를 얻을 수 있다.
본 硏究에서는 이와 같은 問題點을 解決하기 위하여 축열용량이 구들돌보다 7배나 큰 잠열재를 축열매체로 하고, 溫突暖房 결정도에 좋은 영향을 줄 수 있는 bioceramics을 온돌상판에 처리한 잠열축열형온돌을 구성하여 그

우리나라(韓國)의 傳統溫突은 두꺼운 구들돌로 된 축열매체를 가지고 있었기 때문에 하루에 한두번 아궁이에 불을 피워 쾌적한 暖房溫突을 유지할 수 있었다. 그러나 현대주택에 설치 이용되고 있는 溫突은 축열매체가 없기 때문에 일정한 시간간격으로 계속해서 열을 공급하여야 필요한 난방온도를 얻을 수 있다.
본 硏究에서는 이와 같은 問題點을 解決하기 위하여 축열용량이 구들돌보다 7배나 큰 잠열재를 축열매체로 하고, 溫突暖房 결정도에 좋은 영향을 줄 수 있는 bioceramics을 온돌상판에 처리한 잠열축열형온돌을 구성하여 그 暖房特性을 分析하였다.
그 結果를 要約하면 다음과 같다.
제 1 세부과제의 요약.
1. 잠열재(Na?SO?,10H?O)를 溫突의 축열매체로 선택하였으며, 그 物性의 안정기법을 간단화 하였고, 잠열량 증가기법을 개발하여 10.4∼32%의 잠열량 증가효과를 얻을 수 있었다.
2. 실온을 17∼18℃로 할 경우 냉각과정의 난방유지시간은 4-6시간이었으며, 가열과정 난방시간을 2-3시간으로 할 경우 하루 24시간동안 3∼4번의 가열과정으로 쾌적한 난방이 가능하였다.
3. 온돌바닥면 열전달특성인 對流와 輻射熱傳達을 理論 및 實驗的으로 分析하였으며, 輻射熱傳達量이 전열전달량의 60∼70%를 차지하는 것으로 나타남으로써 溫突暖房은 輻射熱傳達形 暖房方法임을 확인할 수 있었다. 그리고 온돌바닥面과 천정面에서의 空氣溫度경계층, 5∼8 ㎝를 제외한 暖房空間의 수직방향온도는 큰 변화가 없었다.
4. Bioceramics을 온돌상판 밑면에 처리하여 장파열선을 열전도율이 적은 상판에 침투하게 함으로써 bioceramics 를 처리하지 않은 경우 보다 빠르게 온돌 바닥온도가 분포되었으며, 輻射熱傳達은 bioceramics를 처리하지 않은 경우보다 적은 값을 보였다.
제 2 세부과제의 요약
1. 잠열축열물질이 충전된 잠열축열튜브가 내장된 온돌판넬의 전열해석을 위한 이론해석에서는 이동경계단을 포함한 비정한 3차원열전도방정식을 기초로 하여 수치 해석하였다.
2. 유한차분법(FDM)에 의한 수치해석에서는 해의 정밀성과 수렴특성을 고려하여 공간차분은 중앙차분근사, 시간차분에서는 음적차분근사를 취하였으며, 해를 구하기 위해 Gauss-Seidel 반복법을 사용하였다.
3. 이론해석 프로그램의 검증을 위해 Na?SO?·10H?O를 축열재료로 한 비교실험결과 이론과 실험의 결과는 비교적 잘 일치하였다. 또한 방열실험에서 온돌판넬 표면온도는 가열후 약 6 시간이 지나면 실내온도보다 2∼4℃정도 높은 상태로 완만하게 하강하였다.
4. 설계 및 작동인자의 영향을 분석하기 위한 시뮬레이션 결과는 다음과 같다.
1) 1시간 가열한 경우 온돌판넬표면의 잠열지속시간은 약 8시간, 2시간 가열후에는 약 12 시간으로 나타났으며 이 기간 중 중앙값은 약 26℃로 유지되었다. 그리고 잠열축열재의 양이 공기층대신 약 50% 증가하면 26.5℃의 지속시간은 약 8시간, 24℃ 이상 지속시간은 약 20시간으로 나타났다.
2) 잠열축열재의 종류를 CaCl?·6H?O로 대체했을 경우에는 표면온도가 약 24.5℃로 다소 낮아지면서 잠열지속시간은 약 12시간으로 오히려 길어졌으며, 현열축열재인 물튜브로 대체했을 경우에는 온도가 급속히 하락하므로 축열효과가 현저히 줄어드는 것을 확인하였다.
3) 온돌판넬의 높이를 약 30% 높이면 잠열지속시간과 온도는 별로 변화가 없으나 최고최저 온도차가 다소 줄어들었다. 가열을 9시간 주기로 1시간씩 가열해 주면 표면온도의 잠열유지온도는 지속적으로 8시간 이상으로 유지되는 것이 가능한 것으로 나타났으며, 열공급온도는 50℃에 비해 60℃가 경제적인 것으로 판단되었다.
제 3 세부과제의 요약
1. 外氣溫변화에 따른 난방공간의 定週的 溫度變化 豫測

1) 전 실험기간 동안에 실내온 변화는 주기성을 보이긴 하지만, 온도진폭과 위상각은 거의 나타나지 않았다. 이는 기본적으로 원형구조물의 네 측벽과 천정의 단열수준이 높아 외기온과 복사열기온의 거의 받지 않았기 때문으로 판단된다.
2) 실내의 열환경은 주로 바닥면을 통한 난방열입력에 의해서 좌우되며, 창문의 역활은 상대적으로 무시할 수 있다. 그러나 난방열이 없는 경우, 창문을 통한 열입력은 실내 열환경 및 流動場에 영향을 미칠 수도 있다.
2. 온돌 난방공간의 복사열전달 형태
1) 바닥면과 창문으로부터 열입력이 있는 경우, 난방공간의 열환경에 미치는 輻射 열전달계수와 對流 열전달계수와의 百分率化는 76:24 정도이며, 非煖房日의 경우, 75:25 정도로 난방과 비난방日間 기여도 差는 거의 없었다.
1) 주간 비난방일의 창문의 純輻射熱量은 3,270W로, 나타났으며, 난방일의 바닥면의 純輻射熱量은 3,270W로, 실내 열환경은 바닥면의 난방에 의해서 결정됨을 알 수 있다.
3. 밀폐 난방공간의 溫度場 豫測
1) 비난방일의 경우 창문을 통한 태양복사열의 입력에 관계없이 成層化 현상이 뚜렷하였다. 이는 창문을 통한 태양복사열의 입력이 벽면온도상승으로 이어지지 않아, 실내열환경에 영향을 미치지 못하였다. 창문에 열입력이 없는 경우의 대부분의 온도형상은 거의 수직에 가까우며, 창문으로 복열입력이 있는 경우도 약간 비스듬한 /子型 온도형상을 나타내었다. 형상내 온도차도 0.5℃를 넘지 않았다.
2) 비난방공간에 창문을 통한 열입력이 없는 경우는 반시계방향의 공기유동이, 열입력이 있는 경우, 시계방향의 공기유동이 관찰되었다. 前者의 유동에는 負 熱浮力(negative thermal buoyancy)이, 後者는 正 熱浮力(positive thermal buoyancy)이 작용한 것 같다.
3) 난방일의 경우, 온도의 成層化 現象이 많이 희석되었으며, 이는 바닥면의 난방열에 의하여 비난방일보다는 상대적으로 활발한 공기유동이 일어나고 있음을 간접적으로 알 수 있다. 그러나 온도형상은 약간 비스듬한 /자형, 그러나 거의 수직에 가까운 형상을 하며, 형상내 최대 온도차도 1.0℃보다 적어 매우 균일한 열환경을 이루었다.
4) 창문과 바닥면에서 同時에 열입력이 있는 경우와 바닥면을 통한 열입력만 있는 경우와의 실내 열환경에 영향을 미치지 못하였다. 非浮房日과 마찬가지로, 거의 모든 형상(profile)의 예측온도와 실측온도와 오차는 0.5℃ 미만으로 精度는 상당히 높았다.
5) 내창면의 온도가 상대적으로 다른 네 벽과 차이가 있을 때는, 창문근처에서 상승하는 공기유동이 가속되어 불완전한 두개의 循環流動을 나타내지만, 內窓面의 온도가 다른 네측벽과 거의 차이가 없을 때는 대각선을 축으로 두 개의 순환유동을 관찰되었다. 이는 대칭적 경계조건 때문으로 판단된다.

Abstract ▼

In this study, to develope the latent heat storage type Ondol system based on the Korean traditional Ondol(sensible heat storage type), the history of Korean traditional Ondol was investigated and the latent heat mateials were selected, and the thermal characteristics of the Ondol were analyzed theo

In this study, to develope the latent heat storage type Ondol system based on the Korean traditional Ondol(sensible heat storage type), the history of Korean traditional Ondol was investigated and the latent heat mateials were selected, and the thermal characteristics of the Ondol were analyzed theoreticully and experimentally.
The results could be summarized as follows:

Summary of 1st subject

1. Na?SO?·10H?O(SSD) was selected as latent heat material for the latent heat storage type Ondol.
2. The unit ellement size of the Ondol filled with the latent heat material of 2.4㎏ was 45㎝x5㎝x3㎝.
3. The comfortable surface temperature(23∼29℃) of the latent heat storage type Ondol was lasted 8 hours at the room temperature of 16℃∼18℃, whereas that of sensible heat storage type Ondol was lasted only 2 hours in the same conditions.
4. Theoretical analysis for the thermal characteristics of the Ondol was well agreed with the experimental results.
Summary of 2nd subject
1. On the theoretical analysis for heat transfer in the Ondol panel, the governing equations were three dimensional unsteady state heat conduction equations with moving boundary conditions, and discretized by finite difference method for numerical analysis.
2. For the stability and precision of the numerical solutions, implicit scheme for time discretization and central difference approximation for space discretization were taken and the solutions were gained by using Gauss-Seidel iteration method.
3. The results of the theoretical and experimental analysis were reasonably agreed.
4. According to the simulations,
1) The median of the Ondol panel surface temperature was maintained at about 26℃ for about 8 hours on the case of one hour heating to the Ondol panel, and for about 12 hours on the case of two hours heating.
2) For increasing the quantity of Na?SO?·10H?O by about 50% instead of air layer, it was maintained at about 26.5℃ for about 8 hours and over 24℃ for 20 hours.
3) But for the case of 30% higher panel on height dimension, the difference between maximum and minimum temperature of the Ondol panel surface was decreased.
4) The madian was maintained at about 24.5℃ for 12 hours for CaCl?·6H?O instead of Na?SO?·10H?O and the heat storage effect was very small for water instead of Na?SO?·10H?O.
5) For the cycle of one hour heating per 9 hours, it could be possible to maintain at about 26℃ continuously. And the heat supply temperature of 60℃ was economically better than that of 50℃.
Summary of 3nd subject.

A study was performed to evaluate thermal environment in a building bedded with ondol made of latent stored material. A prototype structure composed of three compartments, data acquisition room, experimental room, and auxiliary room, was constructed to take data for validation work. Indoor air tmeperature were predicted based on energy balance equation which can be modeled by a complex function type of Fourier series. A major mechansim of heat transfer was identify and its contribution was quantified in an experimental room. Temperautre and flow field were predicted and compared with measurements to validate their accuarcy, by the k-ε turbulence model. The followings are in-depth-summaries on each subjects pursued in this study independently.
1. rediction of steady-periodic indoor air temperature variation.
1) Variation of indoor air temperature did not show perdiocity, the magnitudte, and phase angles clearly through the experimental days. This seemed partly because insulation level of walls and ceiling was so high that outside weather could not influence indoor environment.
2) Indoor environment was primarily determined by thermal energy input through floor (ondol) regardless of heating or non-heating condition. However, thermal radiation through fenestration played a important role in air movement and temperature distribution in a non-heating condition.
2. Contribution of thermal radition to indoor thermal environment
A percent ratio of thermal radiation heat transfer coefficient to convection heat transfer coefficient was about 75:25 regardless of heating or non-heating condition. It was confirmed that thermal radiation was a major mechaism for heat transfer in a room bedded with ondol.

3. Prediction of temperature field in a room
1) Temperature field in a non-heating day
ⅰ) Most temperature profiles were nearly vertical with no thermal radition through fenestration, however their profiles were slighlty /type for thermal radiation input. It seemed because thermal buoyancy near fenestration seemed to boost air upwards.
ⅱ) The predicted temeparture were kept tracked closely with the measurements. However the profiles near the south wall predicted 1℃ higher than the measurements. The error seemed to stem from the nature of QUICK scheme adopted in the numerical simulation.
ⅲ) Air rotated counterclockwisely due to negative thermal buoyancy for the condition of no thermal radiation through fenestration and air clockwisely due to positive thermal buoyancy for the condition of thermal radiation through fenestration.
2) Temperature field in a heating day
ⅰ) Stratification was not clearly observed unlikely the non-heating condition due to comparatively vigorous air movement. However, most temperature profiles were nearly vertical or slighlty /type regardless of thermal radiation input through fenestration so that thermal environment was very homogeneous but near floor.
ⅱ) Two nearly symmetric eddies were observed for the condition of no thermal radition input through window. The symmetric eddies was attributted to symmetry of geometric boundary conditions. However a eddy and a incomplete eddy observed for the condition of thermal radition input. This seemed due to accerlation of air body near window. Air, in general, boost up due to strong thermal buoyancy and form recirculation flows.

목차 Contents

• 목 차...13
• 1. 서 론...14
• 2. 연구방법...15
• 3. 결과 및 고찰...15
• 4. 결론...18
• 5. 참고문헌...20
• 목 차...28
• 제 1 장 서론...29
• 제 2 장 연구방법...30
• 제 1 절 한국전통온돌의 기원과 역사적 변천과정...30
• 제 2 절 잠열축열형온돌...34
• 제 3 장 결과 및 고찰...59
• 제 1 절 무기잠열재$Na_2S0_4.10H_20$의 잠열특성...59
• 제 2 절 잠열축열형온돌의 가열 및 냉각곡선...63
• 제 3 절 현열축열형온돌의 가열 및 냉각곡선...65
• 제 4 절 온돌바닥면 온도와 실내온도와의 관계...66
• 제 5 절 잠열축열형 온돌의 열특성 해석...68
• 제 6 절 잠열재의 질량과 온돌의 잠열유지시간...77
• 제 4 장 결론...79
• 참고문헌...81
• 목 차...89
• 제 1 장 서 론...90
• 제 2 장 연구방법...95
• 제 1 절 이론분석...95
• 1. 온돌판넬...95
• 2. 기본방정식...97
• 3. 수치해석...98
• 제 2 절 실험분석...106
• 1. 개요...106
• 2. 실험장치...106
• 3. 실험방법...108
• 제 3 절 시물레이션...109
• 제 3 장 결과 및 고찰...112
• 제 1 절 이론분석...112
• 제 2 절 실험분석...113
• 제 4 장 시뮬레이션...125
• 제 1 절 기준모우드...125
• 제 2 절 잠열축열재의 양...130
• 제 3 절 잠열축열재의 종류...130
• 제 4 절 축열재의 종류...133
• 제 5 절 온돌판넬의 높이...133
• 제 6 절 열공급시간의 장단...136
• 제 7 절 열공급주기...136
• 제 8 절 열공급온도...140
• 제 9 절 실내온도(I)...140
• 제 10절 실내온도(II)...140
• 제 5 장 결 론...145
• NOMENCLATURE...148
• 참 고 문 헌...149
• 목차...161
• 1. 온돌난방공간의 시공...161
• 가. 연구의 배경...161
• 나. 원형난방공간의 시공...162
• 다. 실험내용 및 방법...165
• 라. 실험장치의 설계 및 구성...169
• 부록 1 : 기호설명...170
• 부록 2 : 참고문헌...171
• 2. 외기온의 변화에 따른 난방공간의 실내온의 정주적 변화예측...172
• 가. 연구의 배경...172
• 나. 수학모형...172
• 다. 결과 및 고찰...182
• 라. 결론...186
• 부록 1 : 기호설명...188
• 부록 2 : 참고문헌...189
• 3. 온돌난방공간의 복사열전달 형태...191
• 가. 연구의 배경...191
• 나. 연구의 방법...191
• 다. 수학모형...192
• 라. 결과 및 고찰...196
• 마. 결론...199
• 부록 1 : 기호설명...200
• 부록 2 : 참고문헌...201
• 4. 밀폐 난방공간의 온도장 및 유동장 해석...203
• 가. 서론...203
• 나. 연구의 방법...203
• 다. 수학모형 및 수치해석...204
• 라. 결과 및 고찰...211
• 마. 결론...240
• 부록 1 : 기호설명...242
• 부록 2 : 참고문헌...243