1.1 연구배경 및 목적

건물의 노후화는 구조적인 안전성뿐만 아니라 실내환경에도 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 특히 노후화된 건물은 실내의 환기시스템이 부족하거나 비효율적일 수 있다. 미국환경보호청(EPA)은 실내공기질 개선을 위한 지침과 권장사항을 제시하고 있으며, 특히 실내공기질 개선과 공중보건을 보호하기 위한 구체적 지침과 권장 사항을 제시하고 있다.⁽¹⁾ EPA는 실내공기질을 효과적으로 관리하기 위해 기계환기 시스템을 필수 기술 요소로 강조하고 있다. 예를 들어 노후화된 건물의 실내공기질을 개선하려면 공간의 조건과 특성에 적합한 기계환기 시스템이 필요하다. 특히 교육시설과 같은 노후된 학교에서는 수업 시간 동안 공간의 재실 밀도가 높아져, 인체에서 발생하는 이산화탄소(CO₂) 농도가 빠르게 증가할 수 있다. 또한 내부 열기로 인한 온도 불쾌감도 상승할 수 있다. 이를 해결하기 위해서도 환기장치는 효과적인 대안으로 제시될 수 있다. 국내의 열회수형환기장치는 구조에 따라 덕트형, 실내 무덕트형, 무덕트형으로 구분된다. 그러나 노후한된 건물에서는 천장부의 덕트배관 설치가 구조적, 비용적 한계로 인해 어려운 경우가 많다. 이에 실내공간에 급기, 환기 덕트를 연결하지 않거나, 덕트 없이 사용하는 무덕트 타입의 기계환기 시스템의 개발과 도입이 필요하다.

본 연구는 노후화된 건물, 특히 학교와 같은 공공시설에서 실내공기질 문제를 해결하기 위한 기계환기 시스템의 효과를 분석하고, 무덕트형의 급기구 형상 중 고정 날개형 급기 타입 환기시스템을 대상으로 공기확산성능지수에 대한 실험적 연구를 수행하는 데 목적이 있다. 이를 통해 효율적인 환기시스템 설계를 위한 기초 데이터를 제공하고, 설치 위치 및 방식에 따른 시스템의 효과를 최적화하는 방안을 제시하고자 한다.

1.2 문헌조사

환기 방식에 관련된 주요 가이드로, REHVA Guidebook, Ventilation Effectiveness⁽²⁾는 공기 교환 효율(ACE, Air Change Efficiency)과 오염물질 제거 효율(CRE, Contaminant Removal Effectiveness) 두 가지 평가지표를 제시하고 환기 방식에 따른 환기 효율성을 평가한다. 이러한 지표들은 다양한 환기 방식의 효과를 평가하는 데 중요한 기준으로 볼 수 있다. 환기 방식에 따른 환기 효율 관련 연구도 다양하게 보고되고 있다. Cao et al.⁽³⁾은 건물에서 사용되는 다양한 환기 및 기류 분배 시스템의 성능을 검토하여 각 시스템의 효율성과 적합한 적용 공간을 분석하였다. 혼합 환기(MV, Mixing ventilation), 치환 환기(DV, Displacement ventilation), 개인 환기(PV, Personalized ventilation) 등 8가지 환기 방식을 열 제거, 오염물질 제거, 신선한 공기 공급, 교차 감염 방지 등의 기능적 측면에서 비교 분석하였다. 각 환기 방식의 성능은 공간의 용도, 환기의 목적, 평가지표 등에 따라 다르게 나타났으며, 특정 공간에 가장 적합한 환기시스템은 건물 유형, 재실자 요구 사항, 에너지 효율성 목표 등에 따라 달라진다고 보고하였다. Wu et al.⁽⁴⁾은 천장 냉방 시스템(CC)이 설치된 공간에서 혼합 환기(MV), 바닥 공기 분배(UFAD, Underfloor air distribution), 층류 환기(SV, Stratum ventilation)의 성능을 실험적으로 비교 분석하여 실내공기 분배 및 열 환경 특성을 평가하였다. 실험 조건은 천장 표면을 온도 17℃ ~ 26℃, 냉방 부하를 41.5 W/m² ~ 69.5 W/m²까지 변화를 주어 실험을 진행했다. 세 가지 환기시스템 모두 천장 냉방 시스템과 통합될 경우 쾌적한 실내 환경을 조성할 수 있었지만, 각 시스템은 서로 다른 열 제거 효율(HRE, Heat Removal Effectiveness), 공기확산성능지수(ADPI, Air Diffusion Performance Index), PMV를 보였다. 이중 혼합 환기시스템이 가장 안정적이고 균일한 실내공기 분배 및 열 환경을 조성하여 HVAC 시스템 설계 및 제어에 유리하므로, 실제 적용에 가장 적합한 것으로 보고하였다. Jurelionis et al.⁽⁵⁾은 환기된 공간에서의 에어로졸 입자 분산 및 제거에 대한 공기분배 방식의 영향을 실험적으로 분석했다. 실험은 혼합 환기(단방향 및 4방향 취출) 및 치환 환기 방식을 각각 비교하였다. 공기 교환율(1 ~ 4 ACH)과 오염원 위치를 변수로 하여 입자 농도와 환기 효율을 측정했다. 혼합 환기의 경우 낮은 공기 교환율에서 단방향 방식이 입자를 더 효과적으로 제거할 수 있었지만, 4방향 혼합 환기는 공기 중에 입자의 잔류량을 증가시켰다. 또한, 높은 교환율에서는 단방향 혼합 환기가 입자의 확산을 방지할 수 있으며, 치환 환기는 입자 제거에 상대적으로 비효율적인 것으로 나타났다. 이는 공기의 층화 현상과 낮은 공기 유속 때문으로 분석되었다. 해당 연구는 특정 환기 전략이 오염물질 제거 및 에너지 소비와 같은 건물 환경 관리 측면에서 미치는 영향을 강조하며, 적용 시 실내 환경의 특성을 충분히 고려해야 한다고 보고하였다. Fong et al.⁽⁶⁾은 교실 환경에서 세 가지 환기 방식(혼합 환기, 치환 환기, 층류 환기)에 따른 열적 쾌적성을 평가하였다. 48명의 실험 참가자를 대상으로 진행하였고, 실험은 실내온도 24℃, 26℃, 28℃, 공기 교환율 10 ACH, 15 ACH의 조건에서 각각 진행하였다. 주관적 평가를 통해 7단계 척도로 기록한 결과, 층류 환기 방식이 다른 환기 방식보다 약 2.0 ~ 2.5℃ 높은 중립 온도로 더 높은 실내 온도에서도 쾌적성을 유지했다. 이는 높은 열 중립 온도로 인해 냉방부하를 줄일 수 있으며, 층류 환기시스템이 혼합, 변위 환기시스템 대비 각각 약 12%, 9%의 에너지를 절약할 수 있는 것으로 보고하였다.

실내공간의 공기확산에 대한 평가지표를 이용한 연구로 ADPI 지수를 활용한다. ADPI는 산업 작업장 및 수술실을 포함한 다양한 환경에서 공기분배 시스템의 효과를 평가하는 데 중요한 지표이다. 과거의 연구에 따르면 ADPI는 디퓨저 설계, 공기 공급 각도, 배기 시스템 구성과 같은 요인에 의해 영향을 받을 수 있다.

Li et al.⁽⁷⁾의 연구는 산업용 작업장의 공기 취출 디퓨저의 다양한 공기 공급 각도 변경에 따른 ADPI의 영향과 쾌적성을 분석하였다. 공기 공급 각도가 30° ~ 75°일 때 쾌적한 실내온도의 범위는 26℃ ~ 28℃로 나타났다. 최적의 공기 공급 각도는 여름철에 45°와 60°, 겨울철에는 90°의 각도가 ADPI 100%를 달성한 최적의 공기 흐름임을 나타냈다. Alabasiry et al.⁽⁸⁾은 수술실의 공기 분배 개선을 위해 ADPI를 검토하였다. CFD를 통해 수술실의 8개의 배기 그릴을 모서리에 배치했을 때 ADPI가 63%로 가장 높았다고 보고하였다. 이는 중요한 환경에서 열적 쾌적성과 청결을 모두 보장하기 위해 정밀한 공기분배의 필요성을 강조하는 것으로 판단된다. Lam et al.⁽⁹⁾은 CFD를 사용하여 에어컨이 설치된 체육관의 공기 분포를 조사하였다. 배기 위치가 열 쾌적성 및 환기 효율에 미치는 영향을 분석하였다. 체육관의 ADPI는 최소 51%에서 최대 96%로 배기 위치에 따라 다양한 값을 나타냈다. 전체 환기 효율은 급기 방식에 따라 0.14(-)에서 0.39(-) 사이로 나타났다. 이는 적절한 공기분배를 위한 환기시스템의 설계는 환기 효율을 높이고 재실자의 열쾌적성 만족을 위해 중요성을 강조하는 것으로 판단된다. Sahebl et al.⁽¹⁰⁾은 이라크 기후 환경에서 PV 시스템을 MV 시스템과 결합했을 때 실내공기질 및 열쾌적성에 미치는 영향을 CFD를 통해 분석했다. MV 시스템을 단독 운영했을 때 보다 PV 시스템과 결합 운영 시 실내공기질 및 열쾌적성 지표가 향상되는 것을 확인하였다. ADPI 값을 계산한 결과, PV 시스템의 공기 공급량이 10 l/s일 때 63%로 가장 효과적인 결과를 나타냈으며, 유효온도 또한 최댓값인 1.241(-)로 분석되었다.

이외에 실내의 건강, 결로 위험 및 에너지 효율성에 대한 환기 성능을 평가하기 위한 5가지 실내공기질 성능지표를 이용하여 성과 기반 평가방법론도 제시되고 있다.⁽¹¹⁾ 위와 같이 실내의 공기취출형태와 ADPI가 실내에 쾌적 및 실내공기질에 미치는 영향에 대해 연구되고 있다. 환기장치의 취출구 형상이 실내의 공기확산에 영향을 미치는 사례연구는 한정적인 것으로 조사되었다.

2.1 공기확산성능지수 및 실내 기류속도 쾌적감

ADPI는 실내 구역 내 디퓨저를 통해 공급되는 공기의 유동이 공간 내부의 열 환경에 미치는 영향을 평가하는 지수이다. ADPI는 실내 기류속도를 고려하여 전체 실내 측정 지점에서 재실자가 체감하는 온도 만족감을 통계적으로 0 ~ 100%로 나타낸다. 일반적으로 ADPI 값이 80% 이상인 공간은 쾌적한 환경으로 평가된다. ADPI 값은 전체 실내 공간에서 기류속도가 0.35 m/s 이하이고, 유효 드래프트 온도(EDT, Effective Draft Temperature)가 -1.5℃에서 1.0℃ 범위에 속하는 체적이 차지하는 비율로 정의된다.⁽¹²⁾ EDT는 식(1)을 통해 산출된다.

실내 환경 조건 중에서도 사람의 온열 쾌적감은 다양한 요인에 영향을 받는다. 특히, 환경적 요인 4가지(공기 온도, 상대 습도, 기류속도, 방사 온도)와 인체적 요인 2가지(대사량, 착의량)가 주요한 영향을 미친다. 이 중 기류속도는 온도와 함께 온열 쾌적성에 큰 영향을 미치는 중요한 요소이다. 기류속도가 증가하면 드래프트 현상(Draft)이 발생할 수 있기 때문에, 적절한 기류 조건 유지가 필수적이다. 일반적으로 사람이 쾌적함을 느낄 수 있는 기류속도는 0.25 m/s ~ 0.50 m/s 이하로 정의된다.⁽¹²⁾ 본 연구에서는 실험 대상 환기장치가 가동되었을 때, 취출구에서의 풍속과 취출구로부터 도달거리 위치별 풍속을 측정하고, 이를 통해 기류속도가 재실자에게 쾌적감을 제공할 수 있는지 평가하고자 하였다.

4.1 난류강도 측정 결과

난류강도는 풍속의 표준편차를 평균풍속으로 나눈 비율로 정의된다. 식(2)에 난류강도 산출식을 나타낸다. 환기장치의 정격풍량에서 취출 되는 공기의 공기흐름특성과 분배성능을 평가하기 위하여 풍속을 측정하고 산출하였다. 본 실험에서는 취출구 면적을 10 cm 간격으로 분할하여 총 7개의 측정 지점을 설정하고, 각 지점에서 풍속을 측정하였다. 측정 지점의 구체적 위치는 Fig. 2에 나타낸다. 이후 각 측정점에서 측정된 풍속의 평균값을 이용하여 난류강도를 산출하였다.

Fig. 3에는 난류강도 측정 결과를 나타낸다. 각 측정점에서 측정된 풍속의 평균값은 (2.28 ~ 2.88) m/s 범위로 확인되었다. 난류강도를 계산한 결과, 평균풍속은 2.69 m/s, 속도 표준편차는 0.12 m/s로, 난류강도는 4%로 나타났다. 기존의 실내 난류강도와 쾌적성 연구^(14-15)에서는 난류강도가 (3 ~ 7)% 범위일 때 균일한 공기분배를 보장하며 실내환경의 쾌적성을 보장한다고 보고하고 있다. 그러나 난류강도가 30% 이상일 경우 실내공기의 오염물질 제거성능이 향상되지만 공기질과 건강에 문제가 될 수도 있다고 보고하고 있다.

본 연구에서 측정된 4%의 난류강도는 이러한 쾌적 범위 내에 속하며, 이는 환기장치가 기류 안정성을 확보하고 쾌적한 실내 환경 조성이 가능할 범위로 판단된다.

Fig. 2 Measurements of air velocity.

Fig. 3 Turbulence intensity measurement results.

4.2 실내 기류분포 측정 결과

환기장치의 설계 시 실내 기류 분포는 재실자의 열적쾌적성과 밀접한 관련이 있다. 본 연구에서는 환기장치의 취출공기의 실내 위치별 기류속도를 측정하고 분석하였다. Fig. 4 바닥면으로부터 높이 1.2 m 위치의 취출구로부터 거리별 기류속도 분포를 상자그림으로 나타내었다. 재실자가 착석한 상태(1.2 m)에서의 풍속은 (0.05 ~ 0.2) m/s로 확인된다. 거리가 증가함에　따라 풍속의 변화폭이 점진적으로 줄어들고 안정적인 분포를 보였다. 이는 재실자가 기류감을 거의 느끼지 못하는 범위에 해당한다. 느낄 수 없는 범위의 풍속으로 확인되었다. 높이 1.2 m 지점의 8 m 지점에서 풍속이 다소 증가하는 패턴이 관찰되었으며, 이는 환기장치 취출구의 기류가 최대 거리까지 기류가 도달함으로써 풍속이 증가하는 것으로 분석된다.

Fig. 5는 바닥면으로부터 높이 1.8 m 위치의 취출구로부터 거리별 기류속도 분포 결과이다. 모든 거리의 풍속 중앙값은 (0.15 ~ 0.25) m/s 분포를 보였다. 1 m 지점에서 풍속이 비교적 낮게 나타나며 취출구에서 멀어질수록 풍속이 점진적으로 증가하는 경향이 있다. 7 m ~ 8 m 지점은 풍속이 약간 상승하여 최대 0.3 m/s 이상을 기류가 나타났다.

Fig. 6과 같이 높이 2.4 m 지점에서는 1 m ~ 3 m 풍속의 중앙값이 (0.1 ~ 0.2) m/s로 비교적 낮고 3 m ~ 8 m 지점은 중앙값의 풍속이 증가한다. 취출구에서 취출 된 기류가 실내 천정면을 타고 이동하여 실내 끝단까지 공기를 효과적으로 전달하는 것으로 관측되었다. 위와 같이, 환기장치에서 취출 된 기류는 실내 전반에 고르게 확산되었으며, 거리와 높이에 따라 변화가 크지 않아 안정적인 공기 흐름을 확인하였다. 또한, 고정 날개형 급기 타입의 취출구 형태가 취출 공기를 실내 7 m ~ 8 m 지점까지 도달하여 기류 분포의 균일성을 유지하는 것이 확인되었다. 풍속 측정과 함께 분석한 기류 가시화 결과를 고찰하면 Fig. 7과 같다. 기류가시화를 통해 기류분포를 확인한 결과 취출 기류가 측정 지점까지 잘 도달하는 것이 확인되었다.

Fig. 4 Result of space air distributions. 1.2 m.

Fig. 5 Result of space air distributions. 1.8 m.

Fig. 6 Result of space air distributions. 2.4 m.

Fig. 7 Schematic of airflow visualization.

4.3 유효드래프트와 공기확산성능지수 결과

실내 공간에서 재실자가 기류에 불괘감을 분석하기 위하여 EDT와 ADPI를 산출하여 분석하였다. Fig. 8에 거리 3 m, 5 m 지점에서의 풍속 측정과 온도 결과를 나타낸다. 전체 측정 온도를 이용해 실평균온도를 구한 후, 두 지점에서의 높이별 온도를 평균화하여 유효드래프트(EDT)를 계산하였다. EDT는 측정점의 기류속도(거리에 따른 높이별 풍속 데이터)를 고려한 실평균온도와 측정점의 온도와의 차이를 나타낸 값이다. 계산된 EDT를 온도차에 따른 풍속에 대한 그래프로 나타냈었다. Fig. 8(a)과 같이 온도의 편차는 -0.2℃ ~ +0.2℃ 내외로 온도가 균일한 상태이다. Fig. 8(b)과 같이 EDT의 𝜃 값이 ADPI의 쾌적구역 영역 내에 분포하고 있는 것으로 확인된다. 이에 환기장치의 설계가 실내의 공기를 효율적으로 전달하고 실내의 쾌적성에 영향을 미치지 않는 상태로 설계되었음을 확인하였다.

Fig. 8 Result of EDT and ADPI.