서 론
측정개요
대상 건축물
설문방법
결과 및 토의
대상 쇼핑 공간 층별 실내온열환경 변화
온열 쾌적 지표에 따른 이용자 온열 쾌적감 분석
실제 조사된 TSV와 측정된 PMV 간 비교 분석
작용온도에 따른 층별 이용자 불쾌적률 도출
결 론
서 론
다중이용시설이란 식당, 휴게소, 카페, 쇼핑몰, 편의점, 병원 등 불특정 다수의 사람들이 출입하고 이용하는 시설을 통틀어서 일컫는다(National Institute of Korean Language, 2022). 제한되어 있는 실내 공간의 면적에 비해 수많은 사람들이 이용하는 시설 특성상 이용자 입장에서의 열적 스트레스, 공기질 등 실내 환경 관리에 대해 살펴볼 필요가 있다. 이 중 대표적인 다중이용시설인 다중 이용 쇼핑 공간(대형 판매시설, 백화점)의 경우 높은 에너지 소비량을 보인다(Zhao et al., 2022). 공동주택, 오피스 등 다른 유형의 건물군과는 다르게 이용자의 쾌적감을 만족시키지 못한다면 재실 시간이 줄어들 수 있고, 상품 구매 의사의 포기로 이어질 수 있다. 이는 다중 이용 쇼핑 공간 내에서 에너지만 소비되고 상품 판매라는 건물 운영 목적이 상실될 수 있다(Yi and Kang, 2019). 따라서 다중 이용 쇼핑 공간의 경우 무조건적인 에너지 절약이나 과냉방을 시행할 것이 아니라 이용자의 열적 만족도 확보와 동시에 건물 에너지 절약까지 도모되어야 한다. 선행연구(Chow and Fung, 1995; Seo et al., 2011; Shang et al., 2016; Kwok et al., 2017; Zhao et al., 2022)에서도 쇼핑 공간을 대상으로 실내환경의 물리적 변화 및 온열 쾌적감을 연구하였으나, 다양한 온열 지표에 따라 층별 운영 특성까지 반영하기에는 한계가 있었다.
우리나라의 보편적인 다중 이용 쇼핑 공간(백화점)의 경우 창 면적이 매우 적으며, 자연환기가 어려운 특성을 가진다. 따라서 여름철 실내온열환경 조절은 냉방기기, 기계환기장치 등 기계적인 동력에 의해 이루어진다. 또한 다중 이용 쇼핑 공간 이용자의 경우 다양한 연령대, 성별, 착의량, 활동량(앉은 상태~걷는 상태) 등 개인적 특성이 다양하게 나타난다. 또한 이용자별 재실 시간이 모두 상이하며, 짧은 시간 내 열적 경험을 통한 열적 지연시간에도 차이가 있어 이용자 개개인의 열적 상황을 파악하고 만족시키기에는 어려움이 있다(Li et al., 2018). 그러므로 본 연구에서는 TSV, CSV, TP, PMV, 불쾌적률의 다양한 온열 쾌적감 지표를 통해 쇼핑 공간의 실제 이용자 측면에서 열적 특성, 쾌적 수준을 세부적으로 분석하고자 한다. 본문에서는 오픈 공간이 없는 다중 이용 쇼핑 공간을 ‘쇼핑 공간’이라 칭한다. 또한 쇼핑 공간 내 재실하는 사람은 방문 목적에 따라 이용자(고객), 재실자(판매자), 관리자 등으로 나눌 수 있다. 이 중 본 연구에서는 고객 입장의 온열 쾌적감에 관해 다루고자 함으로, 본문 이하에서는 ‘이용자’라 칭한다. 본 논문에서 다루고자 하는 중점적인 항목은 다음과 같다.
1) 영업 시간, 냉방 시간에 따른 실내온열환경 변화 양상 분석
2) 특정 층을 대상으로 시간대(오전, 낮, 오후)별 이용자 온열감 변화 파악
3) 실내 작용온도에 따른 이용자 쾌적감 분석 및 열적 선호 온도 도출
4) 실제 조사된 TSV와 측정된 PMV 간 비교 분석
5) 특정 층별 이용자 열적 불쾌감 분석을 통한 열적 수용범위 파악
본 결과를 실제 쇼핑 공간의 냉방 제어 전략 수립을 위한 결정 도구로 반영한다면 이용자 열적 수요의 만족과 더불어 건물 에너지 절감에도 기여할 수 있을 것이라 사료된다.
측정개요
대상 건축물
본 연구는 서울시 K구에 위치한 쇼핑 공간을 대상으로 현장 실험을 진행하였다. 지하 1층에서 지상 9층으로 이루어져 있다. 하절기의 특성을 반영하기 위하여 2022년 8월 28일 오전 10시부터 29일 오후 9시까지 실험을 실시하였다. 쇼핑 공간 운영은 주중과 주말에 따라 이용자 방문에서 큰 차이를 보인다. 이를 모두 반영하기 위하여 일(주말), 월(주중)에 실험하였다. 실험 참여자는 실제 쇼핑 공간 방문 이용자를 대상으로 하였다. 평균 36.22세의 남녀 507명이 실험에 참여하였으며, 실험 참여 이용자 특성은 Table 1과 같다. 실험은 지하 1층에서 지상 9층에 각각 데이터로거 2대(일정 간격 배치)를 설치하여 1분 간격으로 건구온도, 상대습도 데이터를 수집하였다. 다음으로 전체 층 중 유동인구가 많고, 층별 특성이 명확한 특정 층에서 세부적인 측정을 진행하였다. 지하 1층은 식당 및 식품관이 위치하고 있어 타 층과는 다른 특성을 보이며, 지상 1층의 경우 쇼핑 공간으로 유입되는 출입구가 있고, 실외와 직접 통하는 특성을 가진다. 지상 5층의 경우 일반 매장의 특성, 지상 9층의 경우 유일하게 일사의 영향을 받을 수 있는 통창이 존재하며, 식당과 대형 서점 등이 배치되어 있다. 이에 특정 층(지하 1층, 지상 1층, 5층, 9층)에는 종합환경측정기 각 1대(층별 공간 내 중심 배치)를 설치하여 1분 간격으로 실내온열환경 관련 PMV, PPD, 건구 온도, 상대 습도, 풍속, 복사온도 등의 데이터를 수집하였다. 측정기기의 측정 범위 및 정확도에 대한 개요는 Table 2와 같다.
Table 1.
Mean demographics of Subjects (Mean±S.D)
Table 2.
The Measurement Parameters and Types of Instruments used in Field Measurements
설문방법
본 연구에서 이용자의 온열 쾌적감 특성을 분석하기 위해 실제 쇼핑 공간 방문 이용자 507명을 대상으로 설문을 진행하고 동시에 실내온열환경을 측정하였다. 먼저 실험 참여자는 5단계의 쾌적감(CSV) 스티커 중 하나를 선택하였다. 쾌적감(CSV) 스티커는 ‘불쾌함’, ‘약간 불쾌함’, ‘중립’, ‘약간 쾌적함’, ‘쾌적함’으로 구성되었다. 다음으로 온열감(TSV), 열선호도(TP)를 조사하기 위하여 선택한 쾌적감 스티커를 실험 참여자가 느끼는 온열감과 열선호도 수준에 부착하도록 하였다. 프리포지셔닝 바를 통해 실험 참여자가 하나의 지점을 자유롭게 선택하는 방법으로 진행되었다. 설문 문항은 Figure 1과 같다.
결과 및 토의
대상 쇼핑 공간 층별 실내온열환경 변화
대상 쇼핑 공간의 층별 실내온도 변화 양상은 Figure 2와 같다. 먼저, 영업시간(오전 10시 30분~밤 22시)과 냉방 시간(오전 9시~밤 21시)에는 차이가 있었다. 영업 시작 1시간 30분 전부터 예냉이 시작되었으며, 영업 종료 1시간 전에 냉방 운전은 정지되었다. 이에 따라 실내온도 변화에 영향을 미쳤다. 실내온도 측정 결과, 전체 실내온도 변화는 오전 9시 예냉 전 높은 양상을 보이다가 오후 3시까지 지속적으로 감소되었다. 오후 3시를 기점으로 실내온도는 다시 증가하기 시작하여 영업 종료까지 높아졌다. 9층은 다른 양상을 보였다. 9층의 경우 서점에 대형 통창이 있어 실내로 유입되는 일사의 영향을 받아 실내 온도 변화 양상도 저녁으로 갈수록 낮아지는 분포를 보였다. 또한 지하 1층 식당가의 경우 비교적 높은 실내온도 분포를 보였다. 측정된 실내온도 중 최저 온도는 9층 오후 9시 21.9°C, 최고 온도는 지하 1층 오전 9시 28.7°C로 나타났다. 쇼핑 공간 이용자가 영향을 받을 수 있는 영업 시간 내 각 층별 실내온도 평균값 및 표준 편차는 Table 3과 같다.
Table 3.
Indoor environmental conditions in experiments
| B1 | 1F | 2F | 3F | 4F | 5F | 6F | 7F | 8F | 9F | ||
| Tin (°C) | Mean | 27.39 | 25.90 | 26.3 | 25.38 | 25.24 | 25.67 | 24.91 | 24.78 | 25.71 | 23.93 |
| S.D | 0.76 | 0.54 | 0.62 | 1.23 | 0.92 | 0.91 | 1.05 | 0.95 | 0.75 | 1.14 | |
온열 쾌적 지표에 따른 이용자 온열 쾌적감 분석
실제 쇼핑 공간 이용자들을 대상으로 TSV를 조사하였다. TSV에 대한 백분율 도식은 Figure 3, Figure 4, Figure 5와 같다. 주 영업시간인 오전(10:00~12:00), 낮(12:00~15:00), 오후(15:00~18:00)로 구분하고, 전체 지하 1층에서 지상 9층 중 특징이 명확한 지하 1층, 지상 1층, 5층, 9층을 중심으로 도식화하였다.
지하 1층의 경우, TSV는 오전 시간대에 온감 지표(약간 따뜻하다(+1), 따뜻하다(+2), 덥다(+3))에 비교적 많은 응답률을 보였다. 오전 시간대 지하 1층의 평균 온도는 27.2°C였으며, 온감을 느낀 응답률 약 68.75% 중 많은 불쾌감을 유발할 수 있는 덥다(+3)의 응답률이 21.87%를 차지해 실내온열환경이 적절하지 못했던 것으로 사료된다. 냉방이 지속된 후 낮 시간에는 26.62°C로 실내 온도가 감소하였다. 따라서 온감을 나타낸 응답률이 56.52%로 줄어들었으며 덥다(+3)의 지표에는 응답이 없었다. 덥지도 춥지도 않은 경우 30.43%, 냉감에 대한 응답률이 13.04%로 소폭 증가하였다. 오후로 접어들며 실내온도는 낮과 유사한 수준인 26.55°C였다. 이에 온감, 덥지도 춥지도 않은 경우, 냉감에 대한 전체 응답률은 53.52%, 32.39%, 14.08%로 낮과 비해 크게 변하지 않았으나, 약간 따뜻하다(+1)의 비율이 늘어 비교적 온열감이 개선되었다고 볼 수 있다. 이를 통해 지하 1층의 경우 오전 시간대에 이용자의 온열감 개선을 위해 효율적인 냉방 전략을 마련할 필요가 있다. 지상 1층의 경우 오전 실내 평균 온도는 25.66°C였으며, 온감을 느낀 경우 41.17%, 덥지도 춥지도 않은 경우 47.05%, 냉감을 느낀 경우 11.76%로 나타났다. 낮의 경우 실내 평균온도는 25.1°C로 나타났다. 이에 온감의 경우 26%, 덥지도 춥지도 않은 경우 48%, 냉감의 경우 26%로 나타났다. 오후의 경우 실내 평균 온도는 25.47°C였으며, 따뜻하다(+2)는 응답이 소폭 상승하였고, 냉감에 대한 응답은 18.6%로 감소하였다. 지상 5층의 경우 다른 층에 비해 온감에 대한 응답이 가장 낮게 나타나 이용자의 온열감에 대한 불쾌감이 가장 낮았을 것으로 사료된다. 온감에 대한 응답 지표가 ‘약간 따뜻하다(+1)’만 나타났으며, 비율도 오전 16.67%, 낮 18.86%, 오후 11.11%로 비교적 낮게 나타났다. 오전에는 중립에 대한 지표가 77.77%로 높게 나타났으며, 낮, 오후로 갈수록 냉감에 대한 응답이 43.39%, 66.67%로 크게 증가하였다. 일반 매장의 유형을 보이는 5층의 경우 TSV 조사 결과를 반영하여 냉방을 조절할 수 있는 여지가 있다고 사료된다. 지상 9층의 경우 오후에 ‘춥다(-3)’에 대한 지표에도 응답되어 냉감에 대한 응답률이 가장 크게 나타났다. 오전에 온감에 대한 응답이 39.13%로 비교적 높았으나 오후로 갈수록 감소하였다. 덥지도 춥지도 않다는 응답은 약 40% 수준으로 하루 종일 유사한 수준을 보였다.
이에 시간대별 평균 실내온도가 높은 오전에는 TSV 응답은 전반적으로 온감에 대한 응답률이 높은 것으로 나타났다. 낮과 오후의 평균온도는 유사한 수준을 보였으나 TSV는 냉감에 대한 응답률이 높아지는 경향을 확인할 수 있었다.
실내온도 구간별 이용자 쾌적감(CSV)을 도식화하였다. CSV 분포에 대한 백분율 도식은 Figure 6과 같다.
전체 응답 중 쾌적하다고 구분할 수 있는 응답 백분율은 45.27%, 중립 26.18%, 불쾌함 28.54%로 나타났다. 22~24°C 구간의 경우 이용자의 약 37.03%가 불쾌함을 느낀다고 응답하였다. 이때의 불쾌함은 불쾌적 냉감(uncomfortable cool)을 내포하고 있다고 사료된다. 24.69%는 중립, 38.27%의 경우 쾌적하다고 응답하였다. 24~26°C 구간에서는 불쾌함을 느꼈다는 응답이 17.85%로 감소하였다. 중립은 27.5%, 54.64% 과반수 이상이 쾌적하다고 응답하였다. 불쾌적 냉감이 해소되며 쾌적에 대한 응답이 증가한 것으로 보인다. 26~28°C의 경우 ‘약간 불쾌함’의 지표가 크게 상승하여 44.21%가 불쾌하다고 응답하였다. 중립은 24.48%, 쾌적하다고 응답한 이용자는 31.29%로 감소하였다. 실내 온도가 상승함에 따라 온감을 느끼고 이에 불쾌하다는 응답률이 증가한 것으로 사료된다. 이에 온열 지표 중 CSV 지표를 통해 이용자의 온열 쾌적감을 살펴본 결과, 적정 실내온도 구간은 24~26°C 인 것으로 판단된다.
다음으로 실내온열환경에 대한 이용자의 열 선호도(TP)를 파악하였다. 작용 온도 분포에 따라 시원한 실내온열환경을 선호함(cooler), 따뜻한 실내온열환경을 선호함(warmer)으로 구분하여 도식화하였다. 조사된 열 선호도에 대한 백분율 도식은 Figure 7과 같다. 측정된 최저 온도에서 15%의 이용자가 현재보다 더 시원한 환경을 선호하기 시작하여 작용온도가 증가할수록 우상향 추세를 보였다. 27.4°C에서 92.9%의 이용자가 시원한 환경으로의 변화를 선호한 것으로 나타났다. 현재보다 더 따뜻한 환경을 원한 이용자는 22.7°C에서 40%로 가장 많은 응답을 보였고, 작용온도가 높아질수록 선호도는 낮아져 우하향 추세를 나타냈다. 27°C에서 2.91%, 그 이상의 작용온도에서는 0%로 나타났다. 시원한 환경과 따뜻한 환경을 원하는 선호 추세선은 23.43°C에서 교차하였으며, 이 지점에서는 동일한 비율의 이용자가 서로 다른 열환경으로의 변화를 원하는 것으로 나타났다. 도식 내 검정 선은 실내온열환경의 변화를 원하는 백분율을 합쳐서 나타낸 선이다. 시원한 환경 또는 따뜻한 환경으로의 변화를 원하는 이용자들이 가장 적은 지점은 24.59°C로 나타났으며, 이는 열적 선호 수준을 반영한 선호 온도라 할 수 있다.
실제 조사된 TSV와 측정된 PMV 간 비교 분석
Figure 8은 작용온도에 따른 실제 조사된 TSV와 측정된 PMV 간 비교 양상을 도식화하였다. 다음, 회귀분석을 통해 TSV와 PMV, 작용온도를 변수로 한 쾌적온도를 도출한 결과는 Table 4와 같다. 재실자의 활동량은 각 개인별 차이가 있을 것으로 판단되나, 다수를 대상으로 한 실험으로 각 개인의 활동량을 정확히 측정하기 어려운 한계로, PMV측정기에 입력한 대사량은 “선 자세로 가벼운 운동” 기준인 93 W/m² (met=1.6)의 수치를 입력하여 산출하였다.
Table 4.
Comfortable temperature results
| Regression analysis | comfortable temperature (Tc) | R2 | p | |
| TSV | TSV = 0.481Top-12.067 | 25.08°C | 0.5138 | 0.001 |
| PMV | PMV = 0.2722Top-6.1517 | 22.19°C | 0.6591 | 0.001 |
실제 조사된 TSV와 측정된 PMV 간에는 분포 양상 및 추세 기울기에서 차이가 있는 것으로 나타났다. 동일한 작용온도 선상에서 실제 이용자의 온열감보다 예상 만족감(PMV)이 최소 0.15에서 최대 1.17까지 비교적 y축(PMV, TSV scale)에서 양의 방향으로 높게 응답되는 경향을 보였다. 측정되는 예상만족감(PMV)보다 실제 온열감(TSV)은 더 시원하다고 느끼고 있는 것으로 사료된다. 이는 하절기 쇼핑 공간을 대상으로 조사된 PMV, TSV 분포 양상의 선행연구 결과와 유사했다(Zhao et al., 2022). 여름철 쇼핑 공간의 PMV는 실내 작용온도가 낮을수록 이용자의 온열감을 과대평가하고 있는 것으로 이해할 수 있다. 또한 회귀분석 결과, 기울기는 PMV에 비해 TSV가 1.76배 큰 것으로 나타났다. 이에 실내 작용온도가 낮을 경우 설문과 측정 사이에는 더 큰 차이를 보이는 것으로 나타났다. 회귀분석 결과, TSV와 작용온도를 변수로 도출된 쾌적온도는 25.08°C, PMV와 작용온도를 변수로 도출된 쾌적온도는 22.19°C로 약 2.89°C 차이를 보였다. 이는 실제 이용자의 온열감은 예상 만족감에 비해 실내온열환경에 유리한 것으로 나타났다. 또한 TSV를 반영한 쾌적 온도(25.08°C)는 앞서 도출된 열적 선호 온도(24.59°C)보다 높게 나타났다. 이는 여름철에는 시원한 환경을 선호하는 경향이 뚜렷하기 때문에 중립 온도보다 선호 온도가 낮게 도출된 것으로 사료된다. 선행연구(Dang et al., 2018; Avantaggiatoa et al., 2021; Ge et al., 2021; Zhao et al., 2022)에서 도출된 중립온도(Neutral Top: 24.5~25.4°C)는 본 연구에서 TSV, 작용온도를 변수로 도출된 쾌적온도와 유사한 것으로 나타났다. 쇼핑 공간 이용자라는 특정 열적 수요를 공조제어에 적용하기 위해서는 이용자의 온열감을 면밀하게 파악하여 반영할 필요가 있다.
작용온도에 따른 층별 이용자 불쾌적률 도출
Figure 9는 실내 작용온도에 따른 층별 이용자의 실제 불쾌적률을 도식화하였다. Table 5는 실내 작용온도에 따른 층별 이용자의 불쾌적 수준을 회귀분석하고 그에 따른 수용가능한 작용온도를 80%, 90% 범위 내에서 도출하였다. 동일 작용온도라 하더라도 지하 1층, 9층, 1층, 5층 순으로 이용자가 많은 불쾌적을 느낀다고 나타났다. 추세선을 보면, 전체적으로 작용온도의 상승에 따라 불쾌적률도 양의 방향으로 나타났으며, 9층, 1층, 지하 1층, 5층 순으로 추세선의 기울기가 큰 것을 파악할 수 있었다. 선행연구(Seo et al., 2011)에서 측정된 PPD가 15.9~81%의 수준에서 나타났으나 본 연구에서는 그보다 좁은 범위인 5.1~45.5%에서 불쾌적률이 조사되었다.
Table 5.
Acceptable operative temperature range
불쾌적률 20%는 이용자가 수용할 수 있는 실내온열환경인가를 판단하는데 있어서 중요한 기준으로 활용된다(Zhao et al., 2022). 따라서 불쾌적률 회귀분석 식을 통해 이용자의 80%, 90%가 수용가능한 온도 범위를 층별로 도출하였다. 불쾌적률이 높게 조사된 지하 1층의 경우 수용가능한 온도범위가 비교적 낮게 도출되었다. 실내 작용온도 21.97°C 이하의 경우 90%, 23.74°C 이하일 경우 80%의 이용자가 실내온열환경을 수용할 수 있을 것으로 판단된다. 다음으로 불쾌적에 대한 응답이 높았던 9층의 경우, 수용가능한 온도는 90% 일 경우 22.92°C 이하, 80% 일 경우 24.34°C 이하로 나타났다. 1층의 경우 수용가능한 온도는 90% 일 경우 24.1°C 이하, 80% 일 경우 25.67°C 이하로 나타났다. 가장 불쾌적에 대한 응답이 낮았던 5층의 경우 90%가 수용가능한 온도는 26.87°C 이하로 나타났지만, 작용온도 증가에 따른 불쾌적률에 대한 응답 기울기가 낮아 실제 측정된 작용온도 내에서 80%가 수용가능한 온도는 도출되지 않았다. 본 연구에서 도출된 이용자의 80%가 수용가능한 온도 범위는 선행연구(Dang et al., 2018; Avantaggiatoa et al., 2021; Ge et al., 2021; Zhao et al., 2022) 결과 범위인 23.5°C~27.5°C 내에서 도출되었다. 본 연구에서 층별로 이용자의 불쾌적 양상을 살펴보고, 수용가능한 실내온열환경 범위를 도출함에 따라, 이를 층별 냉방전략에 구체적으로 반영한다면 실내온열환경의 쾌적성 담보 및 최적의 에너지 절약을 도모할 수 있을 것이라 사료된다.
결 론
다중이용 쇼핑 공간 이용자의 온열쾌적감을 면밀하게 파악하기 위하여 TSV, CSV, TP, PMV, 불쾌적률 등 다양한 온열 쾌적 지표를 활용하여 정량적으로 파악하였다. 그 결과 재실자의 온열쾌적감을 통해 중첩된 적정 온도는 24.59~25.08°C로 나타났으며, 이는 측정으로 예상된 중립온도와는 차이가 있었다. 도출된 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
(1)시간대별 이용자의 온열감(TSV)을 파악한 결과, 평균 실내온도가 높은 오전에는 전반적으로 온감에 대한 응답률이 높은 것으로 나타났다. 낮과 오후의 평균온도는 유사한 수준을 보였으나 TSV는 냉감에 대한 응답률이 높아지는 경향을 확인할 수 있었다.
(2)쾌적감(CSV) 분석 결과, 24~26°C 구간이 열적 쾌적감에 유리한 것으로 나타났다.
(3)이용자의 열적 선호(TP) 경향을 분석한 결과, 열적 선호 경향 추세선은 23.43°C에서 동일 비율로 교차되는 것을 확인하였으며, 열적 선호온도는 24.59°C로 도출되었다.
(4)실제 조사된 TSV와 측정된 PMV 간 비교 분석한 결과, TSV를 변수로 도출된 쾌적온도는 25.08°C, PMV를 변수로 도출된 쾌적온도는 22.19°C로 나타났다.
(5)이용자의 열적 수용범위 파악한 결과, 층별로 큰 차이를 보였다. 특히 지하 1층의 경우 적절한 냉방이 더 요구되며, 5층의 경우 과냉방의 여지가 있는 것으로 나타났다.
단, 본 연구는 다수의 인원을 대상으로 실시한 조사로서 각 개인의 활동량의 차이를 반영하지 못한 한계점을 가지고 있으며, 추후 추가적인 연구를 통하여 재실시간의 차이에 의한 열적 적응이 불쾌적률에 미치는 영향 등을 반영할 필요가 있는 것으로 사료된다.
이에 쇼핑 공간의 냉방 제어 시 층별 운영 목적 및 재실 집중 시간, 재실 밀도 등을 고려하여 과냉방의 여지를 줄이고, 열적 수요가 발생하는 곳에는 관리 범위를 세분화하고, 냉방 관리 집중도를 높일 필요가 있는 것으로 판단하였다.
