Research Article

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. 30 August 2022. 285-295
https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20220025

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 환기 패널의 컨셉 및 설계

  •   환기 패널의 컨셉 도출

  •   환기 패널의 설계 인자

  • 연구 방법론

  •   연구 방법 및 순서

  •   예비 실험 및 본 실험 방법

  •   환기 풍량 및 필요 환기량 충족 여부 산정 방법

  • 환기 패널의 환기량 평가 실험

  •   토출구 형상 연구 및 환기 패널 시작품 제작

  •   이산화탄소 농도 저감법을 이용한 예비 실험 결과

  •   성능 평가 경계 조건 및 Case 구성

  • 실험 결과 및 해석

  •   기류 형성 위치 분석

  •   기류 속도 및 풍량 분석

  •   평가 항목 별 풍량 분석

  • 결 론

서 론

지난 몇 년 간 국내외 요인에 의한 미세먼지 농도가 높아지면서 공기질에 대한 국민적 관심이 증가하였다. 건축물에서 공기질은 온열 환경과 함께 거주자의 쾌적을 결정하는 매우 중요한 요소이다. 최근 공기청정기가 보편화 되어 실내 공기질이 개선되고 있지만 실내 발생 오염 인자에 대한 대책은 여전히 미흡한 실정이다. 특히 공기청정기로 정화가 어려운 실내 발생 오염 인자인 유해가스(이산화탄소 등)나 바이러스에 대한 우려가 심각해지고 있으며, 이에 대한 해결책으로써 환기의 중요성이 강조되고 있다. 또한 2020년 발생한 COVID-19 범유행으로 인해 밀폐된 밀집 시설에서의 활동이 위축받고 있으므로 건물의 효과적인 환기 대책 마련이 더욱 시급하다고 할 수 있다.

대표적인 밀집 시설인 학교 교실은 공동주택과 달리 전열교환환기장치 등에 대한 설비 의무가 없어 기계 환기에 대한 대책이 미흡하고 자연 환기에 의존하고 있는 실정이다. 그러나 자연환기만으로는 학교 보건법에 따른 이산화탄소 농도 기준치를 만족시키기 어렵다. 선행 실험(변국영, 2020)에 따르면 학교 교실과 유사한 체적을 갖는 공간에서 환기 풍량에 따른 비말제거율 실험을 실시한 결과, 실내 공기를 시간당 12회 교체하여 실내에 머무는 비말의 88%를 제거할 수 있었으나, 이는 자연 환기만으로는 달성하기 어려운 환기량이다. 목표한 환기량을 충족시키기 위해서는 자연 환기뿐만 아니라 기계 환기를 적극적으로 동원하여 실의 환기율을 극대화해야 할 것이다(Choi et al., 2020; Park et al., 2021a; 2021b).

따라서 본 연구에서는 본래 자연 환기의 기능만을 담당하던 창호에 기계 환기 기능을 추가한 창호 부착형 환기 패널을 개발하고 실험을 통해 성능을 정량적으로 평가하는 것을 목적으로 하였다.

환기 패널의 컨셉 및 설계

환기 패널의 컨셉 도출

본 연구에서는 실의 환기량을 높이기 위하여 창호 개방 시 창호의 개구부를 통해 실내로 유입되는 풍량을 극대화하고자 하였다. 이를 위해 D사의 ‘날개(blade)가 없는 선풍기의 구조’를 창틀에 응용하여 창호를 통해 외부 기류가 실내로 유인될 수 있는 기계 환기 장치인 창호 부착형 환기 패널 컨셉을 도출하였다. 이와 관련된 선행 특허로는 ‘선풍기’가 있다(Dyson Technologies Limited, 2013). 이 특허는 무블레이드(bladeless) 서큘레이터 선풍기에 설치된 일련의 노즐로부터 1차 공기 유동을 방출시키며 사용자 쪽으로 2차 공기 유동을 유도하는 원리이다. 이 때 발생된 2차 공기 유동은 소음을 최소화하며, 선풍기의 회전날이 없으므로 위험하지 않고, 초피(choppy) 유동을 최소화 하므로 창호의 개구부에 적용하기 적합할 것이다. 또한 1차 공기 유동을 위한 노즐의 부근에는 공기 유동을 극대화하기 위한 코안다 표면(Coanda surface)을 설치하는데 창호의 창짝 부위가 일종의 토출면으로써 동일한 기능을 수행할 수 있을 것이다(Li et al., 2014). 그 결과 총 공기 유동이 1차 공기 유동보다 큰 폭으로 증가하게 되므로 창호를 통한 실의 환기량을 극대화할 수 있을 것이다. 한편 Jafari et al. (2015; 2016a; 2016b)의 연구에서는 1차 공기 유동으로부터 2차 공기 유동이 유인되는 경우, 노즐의 형상에 따라 풍량이 달라질 수 있음을 증명하였다. 이는 앞서 고찰한 선행 특허의 항에서 원형 외에도 타원형 등의 노즐이 사용될 수 있음을 실시 예로 밝힌 것과 동일한 원리이므로 환기 패널 컨셉 도출 시 고려해야 할 것이다 .

본 연구에서 도출한 창호 부착형 환기 패널의 컨셉은 창호 개구부의 4 변에 토출구(노즐)와 토출면을 설치하고 토출구로부터 기류를 방출시켜 개구부의 가장자리와 개구부의 중앙부 간의 압력 차가 인위적으로 형성되도록 하였다. 이 때 압력이 높은 가장자리로부터 압력이 낮은 개구부의 중앙부로 베르누이효과에 의한 기류 유인이 발생한다(Figure 1). 이 때 실외로부터 실내로 공기가 유입되며 환기 효과를 거둘 수 있는 것이다.

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Figure 1.

Development concept of Ventilation Panel

환기 패널의 설계 인자

환기 패널에서 기류 유인 발생 시 기류 형성에 영향을 미치는 인자를 도출하여 설계 인자로 설정하였다(Table 1). 설계 인자에는 환기 패널에서 토출되는 기류와 관련된 인자인 풍속과 토출 각도, 그리고 환기 패널의 물리적 구성과 관련된 인자인 면적 및 종횡비가 있다. 토출 각도는 창호 개구부의 가장자리에서 기류를 토출하기 위해 설치한 토출구와 토출면의 각도이다. 기류 속도는 토출구로부터 방출하는 기류의 속도이며, 토출 각도와 기류 속도에 의해 개구부 중앙부에 유인되는 기류의 양이 달라진다(Ravi and Rajagopal, 2022). 면적은 창호에 설치되는 패널의 총 면적과 그에 따른 개구부의 종횡비로써, 학교 교실에 설치되는 일반적인 창호 면적의 전체를 사용하는 경우(종횡비 = 1:2)와 창호 면적 절반을 사용하는 경우(종횡비 = 1:1)로 구분할 수 있다.

Table 1.

Design factors of Ventilation Panel

Case Value Commentary Equation Notes
Discharged angle 45° -The outlet area is smaller than the inlet area
-Pressure decreases and air velocity increases
ρA1v1=ρA2v2/media/sites/kiaebs/2022-016-04/N0280160405/images/Figure_KIAEBS_16_4_05_T1-1.jpg
-The area of the inlet and outlet is same
-Pressure and air velocity are constant
/media/sites/kiaebs/2022-016-04/N0280160405/images/Figure_KIAEBS_16_4_05_T1-2.jpg
Panel area 0.63 m2 -Utilize the entire window area among the optimal circular outlet area that can be installed on the window A=πab/media/sites/kiaebs/2022-016-04/N0280160405/images/Figure_KIAEBS_16_4_05_T1-3.jpg
0.38 m2 -Utilize half of the window area among the optimal circular outlet area that can be installed on the window A=πr2/media/sites/kiaebs/2022-016-04/N0280160405/images/Figure_KIAEBS_16_4_05_T1-4.jpg
Supply air velocity of impeller 2.7 m/s
(Q=305 m3/h)
-Use of an impeller with the wind speed value of a general impeller fan Q=Av/media/sites/kiaebs/2022-016-04/N0280160405/images/Figure_KIAEBS_16_4_05_T1-5.jpg
1.35 m/s
(Q=153 m3/h)
-Set the air velocity by half to determine the performance change due to the decrease in air velocity /media/sites/kiaebs/2022-016-04/N0280160405/images/Figure_KIAEBS_16_4_05_T1-6.jpg

연구 방법론

연구 방법 및 순서

앞서 환기 패널에 대한 사전 문헌 조사를 통해 환기 패널의 컨셉을 도출하고 구현 가능성을 고찰하였으며, 환기 패널의 설계 인자를 수립하였다(Park et al., 2020a; 2020b). 이를 바탕으로 본 연구에서는 환기 패널의 환기 성능을 평가하기 위해 환기 패널 시작품을 제작하고 학교 교실에서 예비 실험과 본 실험을 수행하였다(Jung and Lee, 2010; Lee, 2012; KS F 2603, 2021). 이후 실험 결과를 분석하여 본 연구에서 고안한 환기 패널을 학교 교실에 적용할 경우의 필요 환기량 및 환기 회수를 예측하였다.

예비 실험 및 본 실험 방법

예비 실험은 본 실험에 앞서 환기 패널의 구현 가능성을 검증하기 위해 KS F 2603의 이산화탄소 농도 저감법을 응용하여 수행하였다(Jung and Lee, 2010). 우선 실에 일정 농도의 이산화탄소를 주입한 후 실내 이산화탄소 농도가 2000 ppm에 도달한 시점부터 농도 저감 시간을 측정하였다. Figure 2와 같이 환기 패널 시작품을 설치한 실에 이산화탄소 봄베와 연결된 6 개의 노즐을 균일하게 설치하여 실의 이산화탄소 농도가 지점 별 편차를 나타내지 않도록 하였다. 이산화탄소 농도 측정 장비는 테스토의 다기능 종합 환경 측정기와 이산화탄소 검출 프로브를 사용하였다.

본 실험은 설계 인자에 따른 환기 패널의 성능을 정량적으로 비교 평가하기 위해 실에 패널을 설치하고 설계 인자를 조합한 실험 Case에 대한 실험을 수행하였다. 환기 성능을 평가하기 위해 환기 패널을 가로 및 세로로 3 분할하여 총 9 개 영역의 중앙에서 기류 속도를 측정하였다. 특히 중앙에 위치한 측정점은 3 회 이상 반복 측정하여 토출구에서 방출된 기류 외에도 기류 유인에 의해 환기 패널 중앙의 기류 형성 여부를 확인할 수 있도록 하였다. 기류 속도 측정 장비는 테스토의 다기능 종합 환경 측정기와 풍속 프로브를 사용하였다.

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Figure 2.

CO2 concentration reduction method experiment configuration

환기 풍량 및 필요 환기량 충족 여부 산정 방법

환기 패널의 환기 성능을 산정하기 위해 실험을 이용하여 환기 패널의 풍량을 산정하였다. 환기 패널의 풍량은 식 (1)과 같이 환기 패널의 면적에 실험을 통해 구한 환기 패널의 기류 속도를 곱하여 계산하였고, 실의 적정 환기량은 식 (2)를 이용하여 계산하였다. 이 때 환기 패널을 이용한 실의 필요 환기량 충족 여부는 식 (1)을 이용하여 계산한 환기 패널의 풍량과 해석 대상 공간에서 식 (2)를 이용하여 구한 실의 적정 환기량을 비교하는 방법으로 평가하였다.

(1)
Qpanel=3600Av

Qpanel: Air volume of ventilation panel [m3/h]

A: Effective area of ventilation panel [m2]

v: Air velocity [m/s]

(2)
Wvent=VN

Wvent: Required air volume [m3/h]

V: Room volume [m3

N: Air change per hour [time/h]

환기 패널의 환기량 평가 실험

토출구 형상 연구 및 환기 패널 시작품 제작

앞서 고찰한 환기 패널의 설계 인자를 바탕으로 기류 유인을 이용한 환기 패널 시작품을 제작하였다. 시작품은 장치 급기 풍속이 조절 가능한 임펠러에 창틀 형태의 블레이드를 연결하여 임펠러에서 흡입된 공기가 블레이드의 토출구를 통해 토출될 수 있도록 하였다. 1차 시작품은 기류 토출을 위한 토출구와 토출면의 형상을 구현하기 위해 0.7 m × 1.15 m의 사각 형태로 제작되었으나, 모서리 부분에서 기류 정체 및 와류 발생으로 인해 패널 4 변에서 기류가 고르게 형성되지 못하였다(Figure 3(a)). 이후 제작한 2 차 시작품은 크기와 면적이 동일하지만 토출구와 토출면의 재질을 연성으로 변경하고 모서리 부분을 곡부(R = 0.15 m)로 제작하여 패널의 4 변에서 모두 기류가 균일하게 토출될 수 있도록 구성하였다(Figure 3(b)).

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Figure 3.

Prototype of Ventilation Panel

이산화탄소 농도 저감법을 이용한 예비 실험 결과

예비 실험은 환기를 수행하지 않은 경우(No ventilation), 자연 환기(Natural ventilation) 그리고 환기 패널을 적용한 경우(Ventilation panel)에 대해 이산화탄소 농도 저감 시간을 측정하였다. 환기 패널은 토출 각도 0°, 장치 급기 풍속 2.7 m/s, 패널 면적 0.63 m2(종횡비 1:2)인 경우를 대상으로 평가하였다. 예비 실험 결과 환기 패널을 설치한 경우가 나머지 경우보다 이산화탄소 농도 저감 시간 및 속도에서 모두 우수한 결과를 나타내었다. 특히 이산화탄소 농도가 2000 ppm에서 1000 ppm으로 반감(Enforcement Rule of the School Health Act, 2022)되는 시간은 자연 환기보다 환기 패널이 약 9 분 빠르게 도달하였으며, 환기를 수행하지 않은 경우 60 분 이후에도 농도가 반감되지 않았다(Figure 4).

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Figure 4.

CO2 concentration reduction trend by ventilation situation

성능 평가 경계 조건 및 Case 구성

환기 패널 해석 대상 공간의 면적은 고등학교 이하 각급 학교 설립 운영 규정에 따라 초, 중, 고등학교 각각 8.0 m × 8.0 m, 8.1 m × 8.1 m, 8.4 m × 8.0 m이다. 대학교 강의실 규정은 따로 마련되어있지 않으나, 위 규정과 큰 차이가 없을 것으로 가정하였다. 본 연구에서는 면적이 9.0 m × 9.0 m 인 S대학교 W관 일반 강의실을 실험 공간으로 선정하였다. 실험 시점인 2021년 10월의 강의실 거리두기 지침에 따라 해당 강의실의 최대 입실 가능 인원(20명)을 고려하여 실을 절반으로 구획하였다. 구획한 강의실의 크기는 9.0 m × 4.5 m × 2.8 m 이며, 체적은 113.4 m3 이다. 해당 강의실에 각 case에서 설정한 환기 패널을 설치하고 실험을 수행하였다. 해당 강의실을 대상으로 설계 인자를 조합하여 Table 2와 같이 case를 구성하였다. 실험 case는 대조군인 case 1을 기준으로 토출 각도, 장치 급기 풍속, 면적 및 면적에 따른 종횡비의 영향을 파악할 수 있도록 하였다.

Table 2.

Configuration of experimental case

Case Discharge angle
[°]
Supply air velocity [m/s] Panel area
[m2]
Aspect ratio
[-]
Case1 2.7 0.63 1:2
Case2 45° 2.7 0.63 1:2
Case3 2.7 0.38 1:1
Case4 45° 2.7 0.38 1:1
Case5 1.35 0.63 1:2
Case6 45° 1.35 0.63 1:2
Case7 1.35 0.38 1:1
Case8 45° 1.35 0.38 1:1

실험 결과 및 해석

기류 형성 위치 분석

Figure 5(a)와 같이 환기 패널을 9 등분하여 각 영역의 중앙 지점에서 기류 속도를 측정하였다. 실험 결과 Case 1~8에서 패널 중앙부 평균 기류 속도는 0.23 m/s 이며, 패널 가장자리부의 평균 기류 속도는 0. 44 m/s 이다. 환기 패널의 4 변에 설치한 토출구와 토출면에서 기류가 방출됨으로 인해 개구부 가장자리로부터 중앙까지 전반적으로 유인 기류가 형성되는 것을 Figure 5(b)와 같이 확인할 수 있다.

/media/sites/kiaebs/2022-016-04/N0280160405/images/Figure_KIAEBS_16_4_05_F5.jpg
Figure 5.

Measurement of induced air velocity and location

기류 속도 및 풍량 분석

Table 3은 Case 1~8의 실험 결과이다. Case 4에서는 중앙 기류 속도 0.41 m/s, 평균 기류 속도 0.40 m/s로써 환기 패널의 중앙 기류 속도 및 평균 기류 속도가 가장 높게 형성되는 것을 알 수 있다. 식 (1)에 의해 환기 패널의 풍량을 산정한 결과 Case 2에서 861.6 m3/h로써 가장 높은 풍량을 확보할 수 있었다. 그러나 단위 면적 당 풍량은 Case 4에서 547.2 m3/h로써 가장 높은 것을 알 수 있다. Case 4는 종횡비가 1:1인 환기 패널로써 Case 2의 종횡비 1:2에 비해 개구부 면적이 1/2 이며, 이로 인해 단위 면적 당 풍량이 가장 우수하게 평가되었다. 또한 Figure 6과 같이 Case 4인 경우 최대 기류 속도와 평균값 역시 가장 높은 것으로 나타났다.

Table 3.

Air velocity and air volume measurement result

Case Air velocity
(Center)
Air velocity
(Max.)
Air velocity
(Min.)
Deviation Air velocity
(Avg.)
Air volume
[m/s] [m/s] [m/s] [m/s] [m/s] [m3/h]
1 0.09 0.93 0.09 0.84 0.31 703.2
2 0.39 0.80 0.12 0.69 0.38 861.6
3 0.20 0.95 0.11 0.85 0.35 478.8
4 0.41 0.97 0.09 0.88 0.40 547.2
5 0.06 0.63 0.06 0.57 0.23 521.4
6 0.23 0.58 0.10 0.48 0.28 634.8
7 0.10 0.93 0.10 0.84 0.29 396.6
8 0.23 0.58 0.07 0.51 0.30 410.4

/media/sites/kiaebs/2022-016-04/N0280160405/images/Figure_KIAEBS_16_4_05_F6.jpg
Figure 6.

Analysis of induced air velocity measurement results

평가 항목 별 풍량 분석

Figure 7은 환기 패널의 설계 요소인 풍속, 토출 각도, 면적 및 종횡비에 대해 환기 패널의 풍량을 산정한 것이다.

/media/sites/kiaebs/2022-016-04/N0280160405/images/Figure_KIAEBS_16_4_05_F7.jpg
Figure 7.

Air volume of ventilation panel

Case 1과 5의 비교를 통해 풍속을 2.7 m/s로 운전한 경우가 풍속을 1.35 m/s로 운전한 경우에 비해 110 m3/h 높은 풍량값을 나타내었다. 또한 Case 1과 2의 비교를 통해 토출면에 의한 기류 토출 각도가 개구부의 중앙을 향해 45°로 형성된 경우가 토출 각도가 0°인 경우에 비해 높은 풍량을 나타내었다. 이는 토출면에서 형성된 기류가 중앙을 향하는 경우 개구부 중앙 부근의 풍속을 높일 수 있으므로, 압력 차를 크게 하여 유인 기류 형성에 유리하게 작용했기 때문으로 판단된다.

한편 환기 패널 면적은 종횡비가 1:1에 가까울수록 풍량이 더 높았는데, 면적이 작고 종횡비가 1:1에 가까울수록 블레이드의 토출 기류가 개구부 중앙의 압력 차이 형성에 미치는 영향이 크기 때문일 것으로 판단된다. 이 결과를 요약하면, 환기 패널의 운전 풍속이 높을수록, 블레이드의 토출 각도가 중앙을 향할수록, 환기 패널의 면적이 작고 종횡비가 1:1에 가까울수록 단위 면적 당 풍량이 높다는 것을 확인할 수 있다.

환기 패널을 대상 실에 적용했을 경우 권고 환기량의 충족 여부를 예상할 수 있다. 실험 결과 환기량이 가장 높게 나타난 Case 4의 환기 패널을 교실 창호 1 짝에 2 개 씩 총 6개 설치할 경우 풍량은 3283.2 m3/h이며, 이 경우의 환기 회수는 약 14.4회 이다. 이 값은 서론에서 가정한 학교 교실의 감염병 예방을 위한 충분한 환기 회수 12회(요구환기량 = 2721.6 m3/h)를 초과 만족하는 값임을 알 수 있다. 추후 본 환기 패널을 상용화할 예정에 있으며, 예상 모습은 Figure 8과 같다.

/media/sites/kiaebs/2022-016-04/N0280160405/images/Figure_KIAEBS_16_4_05_F8.jpg
Figure 8.

Prospective view of ventilation panel prototype

결 론

본 연구에서는 기류 유인을 이용하여 실의 환기량을 극대화할 수 있는 창호 부착형 환기 패널을 개발하고 시작품을 제작하여 환기 성능을 평가하였다. 그 결과 환기 패널의 기류 토출구가 약 45°의 각도로 중앙을 향하고, 환기 패널의 면적이 작은 경우(종횡비 = 1:1)에 기류 유인에 의해 기류 속도와 단위면적 당 풍량이 높다. 임펠러의 장치 급기 풍속이 증가하는 경우 토출구의 기류 속도가 증가하며 이로 인해 유인되는 기류가 늘어나므로 환기 풍량 또한 증가하였다. 환기 패널 6 개를 일반적인 체적을 갖는 학교 교실에 적용할 경우 약 12 회의 환기 회수를 만족할 수 있었다. 본 연구에서 정리한 실험 방법론은 추후 유사한 형태의 환기 패널의 환기 성능 평가에 사용될 수 있을 것으로 기대한다.

본 연구에서 개발한 환기 패널은 창호를 통한 조망이 확보되는 동시에 기계 환기를 수행할 수 있다는 장점을 갖는다. 현재는 환기 패널을 통한 급기만 이루어지므로 환기 성능을 높이기 위해 효과적인 배기 대책 수립이 필요하다. 추후 급배기 밸런싱 연구를 추가적으로 수행하고자 한다.

Acknowledgements

강의실에서 수행한 실험에 도움을 준 선문대학교 건축학부 학생들에게 감사를 표한다. 이 연구는 2021년도 사회맞춤형 산학협력 선도대학(LINC플러스 육성사업(산학협력 고도화형)) 연구비 지원에 의한 결과의 일부임. 과제번호:2021 BG 014010100.

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