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본 연구에서는 구조체 축열 특성을 연구하기 위한 기초 단계로서 구조체 축열 공조시스템 실험실을 통하며 축열을 하지 않았을 경우(이하 무축열)와 구조체 축열을 고려한 경우를 비교하여 도출된 실내 환경특성과 구조체 축열의 특성을 살펴보고자 한다. 특히 구조체 축열공조시스템에 의한 겨울철 실내의 온열환경과 축${\cdot}$방열특성 및 에너지 소비특성을 위해 실내의 온도분포, 상대습도, 기류속도, 풍량, 평균예상온열감(Predicted Mean Vote), 전력소비량을 중심으로 실측 후 분석하였다. 외부기상조건은 부산

본 연구에서는 구조체 축열 특성을 연구하기 위한 기초 단계로서 구조체 축열 공조시스템 실험실을 통하며 축열을 하지 않았을 경우(이하 무축열)와 구조체 축열을 고려한 경우를 비교하여 도출된 실내 환경특성과 구조체 축열의 특성을 살펴보고자 한다. 특히 구조체 축열공조시스템에 의한 겨울철 실내의 온열환경과 축${\cdot}$방열특성 및 에너지 소비특성을 위해 실내의 온도분포, 상대습도, 기류속도, 풍량, 평균예상온열감(Predicted Mean Vote), 전력소비량을 중심으로 실측 후 분석하였다. 외부기상조건은 부산 사하구 지역의 자동기상관측장치(Automatic Weather System)의 데이터를 사용하였고, 실측대상 옹간으로 부산 동아대학교 승학캠퍼스의 산학협력관 옥상에 위치한 구조체 축열 실험동에서 하계실험을 2003년 2월 4일에서 2003년 2월 13일까지 실시하고, 동계실험을 2003년 8월 9일부터 8월 20일까지 실시하였다.
동계실험은 실내의 경우 실내수직 및 수평온도분포, 상대습도, PMV, 기류속도, 풍량, 외부기상의 경우 기온, 풍속, 일사량, 습도 등을 측정하였고, 1월 28일${\sim}$1월 30일에 시운전을 실시한 뒤, 무축열, 3, 5, 8, 10시간 축열 후 실내공조를 실시하여 총 5가지의 실험모드로 측정하였다.
또한, 하계실험은 동계실험과 같은 방법으로 10시간 축열을 제외하고 무축열과 각 시간별 축열과의 비교를 통하여 실내 열환경의 특성 및 구조체 축${\cdot}$방열특성을 검토하였다.
이상과 같이 구조체 축열 공조시스템을 통한 실내 열환경 개선과 축, 방열 특성 및 부하평준화를 위한 에너지 소비특성을 분석하기 위하여 동계실험을 통하여 구조체 축열의 특성을 비교 분석하였으며, 이에 대한 결과를 정리하면 다음과 같다.
(1) 축열시간의 변화에 따른 실내온도 항목 중 2월 4일 무축열을 실시한 날의 1층 실내온도는 $21.1^{\circ}C$로, 2월 7일 3시간 축열을 실시한 날은 $21.1^{\circ}C$로 나타났다. 2월 10일 5시간축열을 실시한 날은 $21.2^{\circ}C$로 2월 11일 8시간 출열열을 실시한 날은 $21.2^{\circ}C$로 2월 13일 10시간 축열을 실시한 날은 $21.3^{\circ}C$로 측정되어 $22^{\circ}C$로 설정된 실내온도에 근사한 값이 측정되어 실내온도제어가 잘 이루어진 것을 알 수 있었다.
(2) 축열 후 실내공조시의 수직온도분포의 변화를 측정한 결과, 무축열에서 10시간 축열순서로 8시의 1층 바닥과 천장상부의 온도차는 9.3, 7.5, 6.2, 8.2, $8.0^{\circ}C$의 온도차가 측정되었고 이후 12시에 측정된 온도차는 1.2, 0.9, 0.3, 1.4, $1.7^{\circ}C$로 상, 하부 온도차는 감소하였다. 15시의 경우 0.2, 0.1, 0.1, 0.6, $0.8^{\circ]C$, 18시의 경우 2.1, 2.4, 1.5, 0.5, $1.8^{\circ}C$의 온도차가 측정되어 8시경에는 심야에 축열로 인하여 천장 상부의 온도가 증가하며 상부와 하부의 온도차는 크게 측정되었으며 12시부터 천장 면을 통한 방열효과와 안정된 실내온도를 통해 상, 하부온도차는 감소하는 결과가 분석되었다.
(3) 축열시간의 변화에 따른 주간 실내공조시 1층 실내의 PMV값을 분석한 결과 무축열 일인 2월 4일에 -0.34, 3시간 축열일인 2월 7일에 -0.26, 5시간 축열일인 2월 10일에 -0.33, 8시간 축열일인 2월 11일에 -0.27, 10시간 축열일인 2월 13일에 -0.20로 측정되었다. 쾌적범위인 -0.5${\sim}$0.5의 범위에 포함되어 쾌적한 온열환경 값이 측정되었으며 이때 쾌적?? 온도분포를 분석한 결과 무축열을 실시한 날인 2월 4일 8시, 12시, 15시, 18시의 슬래브온도는 각각 10.6, 13.6, 14.9, $16.5^{\circ}C$로 플레넘 급기의 온도에 의해 슬래브 온도가 상승된 것으로 나타났다. 3시간 축열, 2월 7일의 슬래브온도는 각각 18.8, 16.9, 17.5, $18.3^{\circ}C$로, 5시간 축열, 2월 10일은 23.7, 22.0, 22.1, $21.8^{\circ}C$로, 8시간 축열, 2월 11일은 26.9, 23.6, 22.8, $22.5^{\circ}C$로, 10시간 축열, 2월 13일은 20.7, 20.1, 20.9, $19.4^{\circ}C$로 측정되어 축열시간이 증가할수록 슬래브 온도는 증가하여 방열시간 또한 증가함을 알 수 있었다. 그러나 10시간 축열을 실시한 날은 외기온도가 가장 낮은 결과로 인하여 실내의 슬래브에 영향을 미치는 것으로 분석되었다.
(5) 축열시간의 변화에 따른 축열량 및 공급현열량을 분석한 결과 무축열에서 10시간 축열순서로 슬래브의 축열량은 0, 0.7, 1.1, 2.3, $0.6kW/m^2h$로 측정되었다. 이때 1층 실내 측으로의 공급현열량은 1.4, 0.9, 0.6, 0.6, $0.7kW/m^2h$가 측정되어 축열량이 증가할수록 공급현열량은 감소하는 결과가 측정되어 축열로 인하여 주간 공조시의 실내로의 부하가 저감되는 것을 알 수 있었다.
(6) 슬래브에서의 방열시간을 측정한 결과 3시간 축열은 축열에 의한 방열효과를 기대할수 없었고 5시간 축열을 공조 종로시간까지 방열효과가 나타났으며 8시간 축열은 과다한 축열로 인하여 22시까지 방열효과가 있었다. 그러나 10시간 축열의 경우 낮은 외기온도의 영향으로 축열로 인한 방열효과를 기대할 수 없었다.
(7) 무축열에서 10시간 축열까지 각각 하루의 에너지 사용량은 25.3, 21.4, 38.5, 49.7, 64.1㎾/day가 측정되어 에너지사용 측면에서는 축열시간을 증가시킬수록 에너지 절약의 효과는 없었다.
(8) 에너지 사용량을 심야전력을 적용하여 비용측면에서 분석한 결과 무축열에서 10시간 축열까지의 비용은 1857.0, 1659.4, 1770.8, 1929.5, 2556.0won/day가 측정되어 3시간 축열과 5시간 축열을 실시할 경우 비용측면에서는 무축열에 비해 우위에 있는 결과가 측정되었다.
이상과 같이 구조체 축냉 공조시스템을 통한 실내 열환경 개선과 축냉 및 흡열 특성과 부하평준화를 위한 에너지 소비특성을 분석하기 위하여 하계 실물운전실험을 통하여 구조체 축냉의 특성을 비교 분석하였다. 이에 대한 결과를 정리하면 다음과 같다.
(1) 축열시간의 변화에 따른 실내온도 항목 중 8월 9일 무축냉 운전을 실시한 날의 주간 실내공조시의 1층 실내온도는 $24.1^{\circ}C$로 나타나고 8월 13일 3시간 축냉 운전을 실시한 날은 $24.8^{\circ}C$로 나타났다. 8월 14일 5시간 축냉 운전을 실시한 날은 $24.5^{\circ}C$로 나타나고, 8월 20일 8시간 축열을 실시한 날은 $25.1^{\circ}C$로 측정되어 $25.0^{\circ}C$로 설정된 실내온도에 무축냉 실험과 5시간 축냉 실험을 제외한 실험은 근사한 값이 측정되었다.
(2) 8시의 1층 실내 수직온도분포에 있어서 무축냉 운전의 경우 바닥면이 $22.8^{\circ}C$에서 천장 하부면 높이가 210cm높이에서 $22.9^{\circ}C$로 온도차가 크게 나타나지 않았고 천장 하부면의 온도는 다소 하강하였다. 이는 축냉을 효과가 아니라 플레넘 내부의 덕트로부터의 누기에 의한 효과로 판단되며 나머지 3시간, 5시간, 8시간 축냉을 실시한 경우는 $17.5{\sim}18.9^{\circ}C$의 온도분포를 보이고 천장 하부면에서도 실내보다 온도가 낮게 측정되어 축냉을? 따른 주간 실내공조시의 1층 실내의 PMV값을 분석한 결과 무축열 운전을 실시한 날인 8월 9일에 0.56, 3시간 축열일인 8월 13일에 0.63, 5시간 축열을 실시한 날인 8월 14일에 0.63, 5시간 축열을 실시한 날인 8월 20일에 0.69로 측정되어 쾌적범위인 -0.5${\sim}$0.5의 범위에 이르지는 못하였다 한편 온도와 PMV의 상관관계에서 온도가 증가함에 따라 PMV의 분포도 증가하여 결정계수(R2)는 0.8432${\sim}$0.948로 높게 나타났다.
(4) 축냉 운전시간의 변화에 따른 슬래브 온도분포를 분석한 결과 무축냉 운전을 실시한 날인 8월 9일의 8시, 12시, 15시, 18시의 슬래브온도는 각각 22.5, 22.9, 24.0, $24.2^{\circ}C$로 플레넘 급기의 온도에 의해 슬래브 온도 많이 좌우되는 것을 알 수 있었다. 3시간 축냉 운전을 실시한 날인 8월 13일의 슬래브온도는 각각 21.0, 22.9, 23.5, $23.7^{\circ}C$로, 5시간 축냉 운전을 실시한 날인 8월 14일은 20.5, 22.5, 23.0, $23.6^{\circ}C$로, 8시간 축냉 운전을 실시한 날인 8월 14일은 19.9, 22.4, 22.6, $23.3^{\circ}C$로 측정되어 축냉 시간이 증가할수록 슬래브 온도는 낮아져 흡열시간 또한 증가함을 알 수 있었다.
(5) 축냉 시간의 변화에 따른 축냉량 및 제거현열량을 분석한 결과 무축냉 운전에서 8시간 축냉 운전의 순서로 슬래브의 축냉량은 0, 129.2, 191.2, 328.4kcal/$m^2h$로 측정되었다. 이때 1층 실내 측의 제거현열량은 19206.4, 7708.0, 13361.8, 7978.4kcal/$m^2h$가 측정되어 축냉량이 증가할수록 제거현열량은 감소하는 결과가 나타나지만 외기온의 차이로 인하며 3시간 축냉운전일이 최적임을 알 수 있었다.
(6) 슬래브에서의 흡열시간을 측정한 결과 3시간 축냉 운전을 실시한 날은 14시까지 축냉의 효과를 나타내고 5시간 축냉 운전의 경우 17시까지, 8시간 축냉 운전의 경우 과다한 축냉 운전으로 인하여 20시까지 축냉으로 인한 효과가 있었다.
(7) 무축냉 운전에서 8시간 축냉 운전까지 각각 하루의 에너지 사용량은 9.4, 7.5, 11.7, 15.3kW/day가 측정되어 에너지사용 측면에서는 축냉시간을 증가시킬수록 에너지 절약의 효과는 없었다.
(8) 에너지사용량을 심야전력을 적용하며 비용측면에서 분석한 결과 무축냉 운전에서 8시간 축냄 운전까지의 비용은 690.0, 411.0, 646.3, 695.3won/day가 측정되어 3시간 축냉 운전과 5시간 축냉 운전을 실시할 경우 비용측면에서는 무축열에 비해 40％ 및 6％의 비용 절감의 효과가 나타났다.

목차 Contents

• 제 1 장 서론...27
• 제 1 절 연구의 배경 및 목적...27
• 제 2 절 기존의 연구동향...29
• 가. 국내의 연구동향...29
• 나. 해외의 연구동향...30
• (1) 천장복사형과 대류형의 병용형 냉·난방에 관한 연구...30
• (2) 구조체 축열 공조시스템에 관한 연구...32
• 제 3 절 연구의 범위 및 방법...33
• 제 2 장 구조체 축열 공조시스템...35
• 제 1 절 구조체 축열 공조시스템의 정의...35
• 제 2 절 구조체 축열방식...37
• 가. 플래넘 공기순환방식...37
• 나. 냉·온수관방식...38
• 다. 전기 히팅코일방식...39
• 제 3 절 기타 축열시스템...40
• 가. 수축열시스템...40
• 나. 빙축열시스템...41
• 다. 구조체 축열과 다른 축열방식을 조합한 시스템...42
• 라. 잠열 축열시스템...43
• 마. 토양 축열시스템...43
• 제 3 장 구조체 축열 공조시스템의 실물실험동 구축...44
• 제 1 절 실물실험동 개요...44
• 가. 구조체 실험동...44
• 나. 실험대상 공간...48
• 다. 공조시스템...49
• 제 2 절 실험측정 장비...54
• 제 4 장 동계실험에 의한 구조체 축열 공조시스템의 성능평가...57
• 제 1 절 실험개요...57
• 가. 실험방법...57
• 나. 측정항목...60
• (1) 실내 수직온도분포...60
• (2) 실내 수평온도분포...60
• (3) 축·방열 특성...60
• (4) 기타...60
• 다. 실험 일정...61
• 제 2 절 실험결과 및 고찰...62
• 가. 일반사항...62
• (1) 외부기상...62
• (2) 실내 온열환경...64
• (가) 1층 실내온도와 급·환기 온도분포...64
• (나) 플레넘 온도와 플레넘측 급·환기 온도분포...64
• (다) 슬래브 상·중·하부 온도분포...67
• (라) PMV...67
• (3) 축열량 및 공급현열량...70
• (가) 축열량...70
• (나) 공급 및 제거현열량...71
• 나. 실내 온열환경 특성...73
• (1) 실내 온도분포 특성...73
• (가) 무축열...73
• (나) 3시간 축열...76
• (다) 5시간 축열...79
• (라) 8시간 축열...82
• (마) 10시간 축열...85
• (2) 실내 수직 온도분포...88
• (3) PMV에 의한 실내온열환경...91
• 다. 축열 및 방열특성...97
• (1) 슬래브 온도분포...97
• (2) 축열량 및 공급현열량...112
• (3) 방열특성...119
• 라. 에너지 소비특성...123
• (1) 심야전력...123
• (2) 에너지 사용량...124
• (3) 유지비용에 의한 경제성 분석...125
• 제 3 절 소결...127
• 제 5 장 하계실험에 의한 구조체 축열시스템의 성능 평가...129
• 제 1 절 실험개요...129
• 가. 실험방법...129
• 나. 측정항목...129
• (1) 실내 수직온도분포...129
• (2) 실내 수평온도분포...129
• (3) 축·방열 특성...129
• (4) 기타...130
• 다. 실험일정...130
• 제 2 절 실험결과 및 고찰...131
• 가. 실내 온열환경 특성...131
• (1) 실내 온도분포 특성...131
• (가) 무축열...131
• (나) 3시간 축열...133
• (다) 5시간 축열...135
• (라) 8시간 축열...137
• (2) 실내 수직 온도분포...139
• (3) PMV에 의한 실내온열환경...142
• 나. 축열 및 흡열특성...147
• (1) 슬래브 온도분포...147
• (2) 축열량 및 공?너지 소비특성...168
• (1) 에너지 사용량...168
• (2) 유지비용에 의한 경제성 분석...168
• 제 3 절 소결...171
• 제 6 장 결론 및 향후 실용화 계획...173
• 제 1 절 결론...173
• 가. 동계실험...173
• 나. 하계실험...175
• 제 2 절 향후 실용화 계획...177
• 가. 기대효과...177
• (1) 건물시스템으로 보급촉진을 유도...177
• (2) ESCO 사업을 통한 건축물 renovation에 적극적 활용...177
• 나. 개발기술의 경제성...178
• (1) 개발기술의 에너지자원 효과...178
• (2) 개발기술의 보급환경 (제도적, 경제적 여건 등)...178
• 다. 시장현황...179
• (1) 국내시장...179
• (2) 국외시장...179
• 라. 개발기술의 투자경제성...179
• 마. 개발기술의 실용화(상용화) 전략...180
• 참고문헌...181