서 론
건물에서의 에너지 절약에 대한 요구가 지속적으로 증가함에 따라, 외피 단열성능의 향상과 함께 환기에너지 절감에 대한 필요성도 꾸준히 증가하고 있다. 자연환기는 일정한 환기량을 확보하기가 비교적 까다롭고 외기조건에 많은 영향을 받지만, 반송 동력을 최소화할 수 있다는 측면에서 에너지 절약에 매우 효율적인 환기 방식이다. 그에 따라 중앙식 공조시스템이 설치된 건물에서도 중간기에는 실내 환경 제어를 위해 자연환기를 적용하는 경우가 많으며, 전기히트펌프(EHP) 냉난방 시스템을 활용한 개별 공조시스템의 경우에는 별도의 전열교환기를 이용하거나 자연환기로써 환기 수요에 대응하고 있다.
자연환기를 위해서는 개구부 양측의 풍압차를 활용한 맞통풍(Cross ventilation)이 효과적이나, 학교나 병원 건물 등 공간 효율성을 위해 중복도 형태의 평면을 채택하는 경우에는 측면환기(Single-sided ventilation)의 형태로 환기가 이루어지므로 맞통풍에 비해 환기효율이 저하되는 문제가 있다. CIBSE AM10에서는 측면환기를 적용할 경우 공간의 깊이:높이 비율을 2.5:1 이하로 규정하고 있으나, 이를 초과하는 경우 환기 효율이 저하될 우려가 있다. da Graça 와 Linden은 자연환기와 자연채광 측면에서 적정한 실의 깊이는 천장고의 두 배라고 하였으며(da Graça and Linden, 2016) California’s Title 24에서는 개폐가능한 창호가 있는 외피로부터 20ft (6 m)까지를 자연환기의 한계영역으로 설정하고 있다.
즉, 공간의 높이에 비해 평면이 깊은 경우, 외주부에 비해 내주부의 환기효율이 저하될 수 있으며, 이는 재실밀도가 높은 학교 강의실이나 병실의 경우에는 재실자의 불쾌적을 심화시킬 수 있다. Walker와 White의 연구에서는 환기효율(국소평균연령) 측면만을 고려한다면 측면환기를 통해 10 m 깊이까지도 환기가 가능하다고 하였으나(Walker and White, 1992), 이 경우 창에 가까운 곳에서의 불쾌적이 유발될 수 있는 한계가 있다. Gan의 연구에서는 CFD를 통해 신선외기의 유효 관입 깊이(Effective depth of fresh air penetration)가 창으로부터 약 9 m까지 이를 수 있다고 해석하였으나, 이는 기류유입 방향이 창에 연직이고 개구부 면적이 상대적으로 큰 조건(3 m×1.5 m)에서 산출된 결과이다(Gan, 2000). 즉, 실제 조건에서 측면환기를 통해 환기가 가능한 공간의 깊이에는 한계가 있으며, 내주부의 환기성능이 저하될 우려는 상존할 것으로 판단된다.
이에 대한 대안으로, 상대적으로 환기효율이 좋은 외주부의 공기를 공간 전체에 확산시킬 수 있는 공기순환장치의 적용을 고려할 수 있다. 기존 연구(Rhee and Jung, 2017)에서는 냉방기에 공기순환장치를 활용하여 공간 내의 기류확산을 촉진시킴으로써 열적인 균일도(Thermal uniformity)를 향상시키고, 기류속도의 증가를 통해 비교적 높은 실온에서도 냉방 시 온열 쾌적감을 확보할 수 있음을 보였다. 기존 연구에서는 냉방 시 실내 온열환경 측면에서 공기순환장치에 대한 분석은 수행되었으나, 이를 환기에 활용하였을 경우 그 효과에 대한 분석은 아직 이루어지지 않았다고 사료된다.
본 연구에서는 측면환기가 이루어지는 공간을 대상으로, 기존 환기방식(전열교환기 또는 자연환기) 적용 시의 문제점을 분석하고, 이를 보완하기 위해 공기순환장치를 적용하였을 경우 실내 환경의 개선효과를 분석하였다. 이를 통해 자연환기의 성능 개선 방안으로서의 공기순환장치의 적용 가능성을 검증하고, 자연환기 조건에서 온열환경의 개선 효과를 분석하는데 본 연구의 목적이 있다.
기류확산 및 환기성능 평가방법
평가 대상 공간
실험 대상공간은 Figure 1과 같이 깊이 7.7 m, 폭 7.8 m, 높이 2.5 m의 강의실로, 측면환기(Single-sided ventilation)가 충분히 이루어지기에는 깊이:높이비가 권장치인 2.5:1보다는 큰 조건이다. 자연환기를 위한 개폐창 외에, 기계환기를 위한 전열교환기(ERV)가 설치되어 있으며, 외주부측 천장을 통해 급기된 후 내주부측 천장으로 배기가 이루어지도록 되어있다. 기계환기에 의한 환기량 검토를 위해, 후드형 풍량계(Testo 435)로 Figure 1의 급배기 디퓨저 각각에서의 급배기 풍량을 측정한 후 이를 합산하여 환기량을 산출하였다. 풍량 단수에 따른 급배기 풍량을 측정한 결과는 Table 1과 같으며, 재실인원(45인)을 고려할 때 1인당 환기량은 6.7~9.8 ㎥/h로서 ASHRAE Standard 62.1에 제시된 강의실의 최소 환기량인 13.7 ㎥/h (ASHRAE, 2016)에는 다소 부족한 조건으로 나타났다.
기류확산 및 환기성능 평가를 위해, 내주부 2지점(P1, P2) , 외주부 2지점 (P3, P4) 및 실 중앙부 1지점(P5)에 풍속계와 CO2 농도 측정기를 설치하여 1분 간격으로 데이터를 수집하였다. 측정 장비는 P1~P5 지점의 책상면 위(0.8 m 높이)에 설치하였으며, 센서부의 높이를 고려하면 CO2 농도는 바닥으로부터 0.9 m, 풍속은 1.1 m 높이에서 측정되도록 하였다. 실험에 이용된 측정 장비의 사양은 Table 2와 같다. 공기순환장치는 Figure 1에서와 같이 외주부 두 지점에 설치하고 상방 45̊도 방향으로 토출방향을 조절하여 내주부까지 기류확산이 충분히 이루어지도록 하였다. 환기성능 평가를 위해 사용된 공기순환장치의 주요 사양은 Table 3과 같으며, 강의 중 팬소음 발생을 고려하여 풍량은 II단(382 ㎥/h)으로 설정하였다.
평가 Case
공기순환장치가 기계환기 및 자연환기에 미치는 영향을 분석하기 위해, 본 연구에서는 기계환기(ERV)만 적용한 경우(Case 1), 기계환기와 기류순환을 병용한 경우(Case 2), 자연환기(측면 창호 개방)만 적용한 경우(Case 3), 자연환기와 기류순환을 병용한 경우(Case 4)로 나누어 온도, 기류속도 및 CO2 농도를 측정하였다. 본 연구는 자연환기가 가능한 중간기(’17.4.26~5.11)에 수행되었으며, 측정 당시 외기온은 평균 19.8℃ (Case 1), 23.4℃ (Case 2), 15.0℃ (Case 3), 20.1℃ (Case 4)로서 별도의 냉방 없이 환기만으로 실내 환경을 조절하였다.
각 평가 Case마다 강의실 재실인원은 45명 내외로 유지하였으며, 초기 50분 강의 후 10분간 창문을 열어 CO2 농도를 충분히 안정화시키고, 이후 50분 강의시간 동안 기계/자연환기 및 공기순환장치 적용 여부를 달리하여 실험을 진행하였다. 자연환기를 적용한 Case 3, Case 4의 경우는 강의 중 외부소음 문제를 최소화하기 위해 초기 20분간 창문을 개방한 후, 그 이후에는 창문을 닫은 채로 측정을 진행하였다. 각 평가 Case별 실험 진행 프로세스와 적용된 환기 개념은 Figure 2와 같다.
실험 결과
지점별 기류속도 및 CO2 농도
Figure 3은 각 평가 Case의 지점별 기류속도와 CO2 농도의 시간 변화를 나타낸 것이다. 기계환기만 적용한 Case 1의 경우, ERV를 최대풍량으로 운전했음에도 불구하고 CO2 농도가 1,100~1,400ppm에서 변화하여 1,000ppm 미만으로 유지되지는 못하였다. 이는 앞에서도 언급하였듯이 강의실 재실인원에 상응하는 환기량에 비해 ERV의 풍량이 다소 부족하기 때문으로 사료된다.
ERV와 공기순환장치를 동시에 가동한 Case 2의 경우, 공기순환장치의 영향으로 기류속도가 더 증가할 것으로 예상하였으나, Table 4에서와 같이 기류속도는 평균적으로 소폭 감소한 것으로 나타났다. 이는 ERV 가동 시 급기와 배기에 의한 실내공기의 이동이 공기순환장치에 의한 기류와 상충되어 공간에서의 기류확산이 촉진되지 못했기 때문으로 판단된다. 즉, 외주부에 설치된 ERV 급기구에서 토출되는 공기의 방향은 공기순환장치에서 상방으로 토출되는 기류의 방향과 반대이므로, 실 전체의 공기순환을 크게 향상시키지 못한 것으로 사료된다. 그 결과 실내 CO2 농도는 ERV만 가동하였을 경우에 비해 큰 개선 효과 없이 유사한 수준을 나타내었다.
ERV 가동 없이 측면 창만 개방한 Case 3의 경우, 창문 개방 시 신선외기 도입 및 기류속도 증가로 CO2 농도가 Case 1, 2에 비해 더 낮게 유지되는 것으로 나타났다. 그러나 내주부까지는 기류확산이 원활하지 않아, P2 지점의 경우 기류속도가 상대적으로 더 낮고 그에 따라 CO2 농도가 다소 높게 유지되는 것을 알 수 있다. 즉, 측면 환기를 적용할 경우 외주부와 내주부의 환기성능 편차가 나타남을 확인할 수 있다.
자연환기에 공기순환장치를 병용한 Case 4의 경우, 내주부의 기류속도가 증가하고, 실 전체의 기류속도 또한 전반적으로 증가한 것으로 나타나 실 전체의 기류확산이 촉진된 것으로 볼 수 있다. 그 결과 CO2 농도도 모든 Case에서 가장 낮은 수준으로 유지되어, 공기순환장치가 자연 환기의 부족한 부분을 일정부분 개선해 주는 효과가 있는 것으로 사료된다.
또한 Figure 4에서 Case 1과 2, Case 3과 4를 각각 비교해보면, 공기순환장치에 의해 각 지점에서의 CO2 농도 범위가 감소할 뿐 아니라, 지점별 CO2 농도의 편차도 감소하는 것을 볼 수 있다. Figure 5는 공간 전체에 대한 CO2 농도의 분포 범위를 나타낸 것으로, 자연환기에 공기순환장치를 병용할 경우(Case 4) 전체 공간에서의 CO2 농도 분포가 보다 균일하게 유지될 수 있음을 알 수 있다. 그러므로 공기순환장치는 기계환기 또는 자연환기 성능을 보완하여 공간의 전반적인 환기 성능을 향상시킬 수 있는 대안으로 활용할 수 있을 것으로 판단된다. 특히 측면환기를 적용할 경우 일어날 수 있는 내주부의 환기성능 저하 문제를 완화하는데 효과적으로 활용될 수 있을 것이다.
온열환경 평가
공기순환장치는 공간의 기류속도 변화에 많은 영향을 미치므로, 기류속도 증가에 의한 쾌적존 평가에 적합한 ASHRAE SET 모델(Aren et al., 2009)을 온열환경 평가에 활용하였다. 이 모델에서는 특정 착의량과 활동량 조건에서, 재실자로부터 동일한 열손실을 유발하는 등 SET 곡선을 기반으로 쾌적 여부를 평가하도록 되어있다. 평가 대상 강의실은 복사면을 이용한 냉난방 시스템이 적용되어 있지 않고, 실험 시 창문을 개방하지 않은 경우에는 내부 블라인드를 내려 일사 영향을 최소화하도록 하였다. 또한 외피를 통해 일사가 유입되지 않는 시간대에 측정을 수행하였다. 일사영향이 크지 않은 경우 실내온도와 복사온도(MRT)의 차이는 무시할 수 있다는 기존 연구(Walikewitz et al., 2015)를 참고하여, 본 연구에서는 작용온도와 실내 건구온도가 동일한 것으로 가정하고 온열환경을 평가하였다. 또한 착의량은 기존연구(Jung and Rhee, 2016)을 참고하여, 중간기에 예상되는 0.7clo로 설정하였다.
Table 5는 측정결과 중 실내온도 범위를 측정당시 외기온과 함께 나타낸 것으로, 모든 Case에서 실내온도가 평균 외기온보다 높게 형성된 것을 볼 수 있다. 이는 전열교환기나 자연환기를 통해 낮은 온도의 외기도입이 이루어지더라도, 높은 재실밀도로 인해 인체발열에 의한 온도 상승 효과가 있기 때문이다. 더욱이 자연환기를 적용한 Case 3, Case 4의 경우에는 외부소음 문제로 창문을 초기 20분만 개방하고 그 이후에는 닫은 상태로 유지하였기 때문에, 인체 발열에 의한 실온 상승 효과가 더 크게 나타났다.
Figure 6(a)와 (b)를 비교하면, ERV와 공기순환장치를 병용한 경우, ERV만을 가동했을 때보다 기류속도가 다소 낮아지고 실내온도의 분포범위는 넓어진 것을 알 수 있다. 이는 앞에서 언급한 바와 같이, ERV에 의한 실내공기의 이동이 공기순환장치에 의한 기류와 상충되어 공간에서의 기류확산이 촉진되지 못했기 때문으로 판단된다. 따라서 공기순환장치를 기계환기시스템과 병용할 경우, 기계환기에 의한 실내 공기흐름을 고려하여 설치 위치나 토출방향을 조절할 필요가 있다.
Figure 6(c)는 자연환기 적용 시 온도와 기류속도 분포로서, 측정 당시 외기온이 상대적으로 낮았기 때문에(14.4~15.7℃, 평균 15℃), 외기도입시 기류속도 증가에 의해 쾌적범위를 벗어나는 조건이 일부 발생하였다. Figure 6(d)는 자연환기와 공기순환장치를 병용한 결과로, 외기온이 상대적으로 높은 조건(19.5~20.9℃, 평균 20.1℃)에서 외기도입 및 공기순환장치에 의해 기류속도가 높게 형성됨으로써 쾌적범위를 만족하는 비율이 높아짐을 알 수 있다. 그러므로 중간기에 자연환기와 공기순환장치를 병용할 경우, 외기온이 다소 높은 조건이더라도 온열 쾌적성을 만족시키는데 도움이 될 수 있을 것으로 사료된다.
결 론
본 연구에서는 재실밀도가 다소 높은 강의실을 대상으로, 기존 환기방식(전열교환기 또는 자연환기) 적용 시의 실내 환경을 분석하고, 공기순환장치를 병용할 경우 개선효과를 CO2 농도와 ASHRAE SET 모델 관점에서 평가하였다. 본 연구를 통해 도출된 주요 결과는 다음과 같다.
(1) 전열교환기와 공기순환장치를 병용할 경우, 환기성능 및 온열환경의 개선 효과가 크게 나타나지 않았는데, 이는 전열교환기에 의한 실내 공기의 이동이 공기순환장치에 의한 기류와 상충되어 공간 내 기류확산을 저해하였기 때문으로 판단된다.
(2) 자연환기만 적용할 경우, 신선외기 도입 및 기류확산 촉진으로 CO2 농도가 전반적으로 감소하나, 내주부의 CO2 농도가 다소 높게 나타나, 측면 환기 적용 시 외주부와 내주부의 환기성능 편차가 발생할 수 있는 것으로 분석되었다.
(3) 자연환기에 공기순환장치를 병용한 경우, 실 전체의 기류속도 및 내주부 기류속도가 증가하여 기류확산이 촉진되었으며, CO2 농도가 모든 Case에서 가장 낮게 유지되어, 공기순환장치가 자연환기 성능을 개선해 주는 효과가 있는 것으로 분석되었다.
(4) 외기온이 다소 높은 중간기에 자연환기와 공기순환장치를 병용할 경우, 실내 기류속도를 증가시킴으로써 별도의 냉방 없이 온열 쾌적성을 만족시킬 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구는 환기 성능 개선 수단으로서의 공기순환장치를 강의실에 적용한 사례를 분석하였으나, 맞통풍이 어려운 조건에서 자연환기를 적극적으로 이용하는 건물, 즉 일반 병실, 주거 또는 숙박시설에도 적용될 수 있을 것으로 예상된다. 본 연구는 자연환기, 그 중 측면환기의 개선 목적으로 수행된 관계로 외주부측에서의 외기 유입 영향만을 고려하였으나, 실내 환기 성능의 보다 면밀한 검토를 위해서는 인접 복도와의 기류 유출입 영향에 대한 분석도 필요하다. 이는 복도를 통해 여러 개의 실이 인접한 경우 그 영향이 더 커질 수 있으므로, 다지점 측정 실험 또는 네트워크 시뮬레이션 등을 통한 추후 연구가 필요하다. 또한 온열환경 평가 시, 본 연구에서는 실내온도와 작용온도를 같다고 가정하였으나, 하절기나 일사의 영향이 더 커질 경우에는 작용온도를 기반으로 기류속도와 온열 쾌적성의 관계를 검토할 필요가 있다.
그리고 본 연구는 실험적인 방법을 통해 공기순환장치에 의한 환기성능 및 온열환경을 평가하였으나, 실내기류의 분포 및 그에 따른 CO2 농도의 수평/수직 분포를 보다 정량적으로 해석하기 위해서는 통제된 조건에서의 수치해석 등에 의한 추가 연구가 필요하다고 판단된다.
