윤종석
(Jong Seok Yoon)
1
김영일
(Young Il Kim)
2,†
-
서울과학기술대학교 국방융합과학대학원 에너지시스템공학과 박사과정
(Ph.D. Candidate, Department of Energy Systems Engineering, Graduate School of Defense
Convergence Science, Seoul National University of Science and Technology, Seoul 01811,
Korea)
-
서울과학기술대학교 건축학부 교수
(Professor, School of Architecture, Seoul National University of Science and Technology,
Seoul 01811, Korea)
Copyright © Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
키워드
환기횟수, 강당, 부력, 난방, 실내공기질, 환기
Key words
Air change per hour, Auditorium, Buoyancy, Heating, Indoor air quality, Ventilation
기호설명
ACH：
시간당 환기횟수 [회/h]
C：
CO2 농도 [ppm]
D：
속도계수 [-]
g：
중력가속도 [m/s²]
H：
높이 [m]
L：
길이 [m]
P：
압력 [Pa]
$\Delta P$：
압력차 [Pa]
R：
기체상수 [J/kg·K]
t：
시간 [s]
T：
절대온도 [K]
$\Delta T$：
실내외 온도차 [℃]
V：
속도 [m/s]
$\dot{V}$：
체적유량 [m³/h]
X：
체적 [m³]
w：
틈새 간격 [m]
$\rho$：
밀도 [kg/m³]
1. 서 론
교육시설 소강당은 대규모 강의, 학술행사, 특강, 공연, 단체 교육 등 다양한 목적으로 다수의 인원이 장시간 이용하는 다중 시설이다. 이러한 공간은
재실자의 호흡으로 인해 CO2 및 오염물질이 빠르게 증가되므로, 효과적인 환기(Ventilation) 전략이 필수적이다(1,
2). 특히, 직팽식(Direct expansion) 공조기를 사용하는 소규모 강당에서는 외기도입량 조절이 실내공기질(IAQ)에 결정적인 영향을 미친다(3,
4). 직팽식 공조기는 냉매가 공조기에서 직접 열교환하는 방식으로, 기존 중앙공조 방식에 비해 설치가 용이하고 개별 제어 가능하다는 장점을 가진다.
외기도입 없이 완전 재순환 운전(0% 외기)을 할 경우 CO2 농도가 급상승하여 실내공기질(IAQ)이 악화된다(1,
5). 특히, 겨울철 난방 운전 시에는 실내외 온도차에 의한 열부력(Buoyancy) 효과로 인해 건물 개구부 하부에서 외기가 침투하고, 상부에서 실내
공기가 유출되는 자연 침기(Natural infiltration)가 강제환기와 중첩되어 실내 환기와 공조 부하에 복합적인 영향을 미친다. 이를 정량화하기
위해서는 문, 창, 벽의 틈새를 통한 유입 및 유출 질량유량을 속도계수 $D_{orifice}$, 틈새간격 $w$, 틈새길이 $L$, 열부력 압력차
$\Delta P$, 중성대높이 $H_n$의 함수로 모델링하고, 정상상태 질량 균형 조건에서 유입량 및 유출량을 산출하는 이론적 접근이 필요하다(6).
본 연구는 이러한 IAQ 특성을 정량적으로 분석하기 위해, 겨울철 조건에서 AHU 외기댐퍼 개도율을 0%(완전 재순환)와 30%, 난방(Heating)
가동 여부(On/Off)를 조건으로 하여 CO2 농도, 온도 변화량을 측정하였다. 또한, 강당에 설치된 5개 문의 틈새 치수를 계측하고, ASHRAE Handbook Fundamentals Chapter
16(6)의 속도 계수 $D_{orifice}$ = 0.65, 이상기체 상태식, 부력식을 적용하여 문과 벽의 틈새를 통한 유입 및 유출 유량을 계산하였다.
EES(7)를 활용하여 중성대 높이 $H_n$와 실내외 압력차 산출을 통해 난방 시와 비난방 시의 환기량 차이를 계산하고 실측값과 비교 검증하였다. 이를 통해
외기도입 조건 변화에 따른 IAQ 특성과 부력 기반 침기 원리를 규명하고, 수요 제어환기(DCV) 및 재실 기반 제어 전략의 공학적 근거를 제시하고자
한다.
2. 연구방법
2.1 연구 대상 및 공간 개요
본 연구의 실험 대상은 서울 소재 A 대학교에 위치한 건물 내에 위치한 소강당으로, 총 216석 규모이며 주로 학술행사, 특강, 공연 등 다양한 목적에
활용된다. 강당의 실내 면적은 약 201.465 m²(20.35 m × 9.9 m)이며, 층고 3.0 m, 전체 실내 체적은 약 604.4 m³이다.
소강당은 외기에 직접 노출되는 창호나 벽이 없는 내부 공간이며, 실내 환기와 공기질 관리는 공조 시스템(DX EHP + AHU)에 의해 수행한다.
Fig. 1 (a)는 소강당, Fig. 1 (b)는 기계실에 설치된 공기조화기를 보여준다.
Fig. 1 The university auditorium and the air handling unit.
2.2 실험 장비 및 측정 항목
본 연구에서는 건물 내에 위치하며, 측면 4면, 천장, 바닥 모두 외부에 노출되지 않는 교육시설 소강당 내 CO2 제거 특성을 분석하기 위해 시험을 수행하였다. Fig. 2는 공조 시스템, Table 1은 측정에 사용된 CO2, 온도, 습도, 풍속, 압력차 센서의 사양과 오차, Table 2는 공조 시스템 제원을 나타내었다.
Table 1 Specifications of measurement instruments
|
Model
|
Measured parameter
|
Range
|
Accuracy
|
|
Sensirion SCD41
|
CO2 |
400~1,000 ppm
1,001~2,000 ppm
2,001~5,000 ppm
|
Max(±50 ppm, ±2.5% of reading)
Max(±50 ppm, ±3.0% of reading)
Max(±50 ppm, ±5.0% of reading)
|
|
Relative humidity
|
20~65% (15~35℃)
0~100% (-10~60℃)
|
±6%
±9%
|
|
Temperature
|
15~35℃
-10~60℃
|
±0.8℃
±1.5℃
|
Testo 0635 9571
vane probe $\phi$16 mm
|
Air velocity
|
0.6~10 m/s
40.1~50 m/s
|
Max(±0.2 m/s, 1% of reading)
Max(±0.2 m/s, 1% of reading)
|
|
Testo 400
|
Pressure difference
|
0~25 hPa
25.001~200 hPa
|
Max(±0.3 Pa, 1% of reading)
Max(±0.1 Pa, 1.5% of reading)
|
Table 2 Specifications of air handling unit and EHP
|
Category
|
Specifications
|
Value
|
|
Return fan
|
Air flow rate
|
125 CMM
|
|
Static pressure
|
30 mmAq
|
|
Blower power
|
3 HP (2.24 kW)
|
|
AHU supply fan
|
Air flow rate
|
125 CMM
|
|
Static pressure
|
90 mmAq
|
|
Blower power
|
3.7 kW
|
|
EHP
|
Cooling
|
Capacity
|
29.0 kW
|
|
Power
|
8.00 kW
|
|
Heating
|
Capacity
|
32.6 kW
|
|
Power
|
8.40 kW
|
2.3 실험 조건 및 절차
실험은 실내 거주자가 없는 상태에서 CO2를 분사하여 초기 농도를 약 5,000 ppm으로 조성한 후, 공조 시스템을 운전하지 않는 자연 침기 조건과 AHU 외기댐퍼 개도율(0%, 30%)과
난방 가동 여부(On/Off)의 4개 조건과 더불어 총 5개 조건에서 수행하였다. Table 3은 5개 Case에 대한 실험 조건이다. 데이터는 각 조건별로 CO2 농도, 온도 변화를 5초 간격으로 기록하였다. Fig. 3은 소강당 내 CO2 변화 측정 실험의 전체 구성도, Fig. 4는 측정에 사용된 Sensirion CO2 센서이다(8).
실험은 겨울철 조건이며, Fig. 5 (a), (b), (c), (d)에서 보여주는 바와 같이 소강당의 앞, 중앙, 뒤 영역의 3개소에서 높이 1.2 m, 1.6 m 위치에서 13시간
이상 측정하였다. 소강당 외부 인근 복도에 Sensirion CO2 센서를 설치하여 소강당 외부 조건을 측정하였다. 자연 침기 측정은 공조 시스템 미가동 상태에서 CO2 추적 가스 감쇠 원리(9-
11)를 적용하여 자연환기횟수를 산출하였다.
Table 3 Experiment cases
|
Case
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
|
AHU operation
|
Off
|
On
|
On
|
On
|
On
|
|
OA damper opening ratio
|
0%
|
0%
|
0%
|
30%
|
30%
|
|
Heating operation
|
Off
|
Off
|
On
|
Off
|
On
|
Fig. 3 CO2 concentration change measurement experiment setup.
Fig. 4 Sensirion SCD4x CO2 sensor.
Fig. 5 Installation of CO2 sensors in the auditorium.
3. 실험 결과 및 분석
3.1 환기횟수(ACH) 및 CO2 감쇠 분석
공조 시스템 미운전 1개 조건과 외기댐퍼 개도율 0%, 30%와 난방 On, Off를 조합한 4개 조건, 총 5개 조건에서 CO2 추적 가스 감소 실험을 수행하였다. 환기횟수 ACH는 CO2 추적 가스 감쇠법(8,
9)의 식(1)에 의거 선형회귀분석(Linear regression analysis)으로 그 값을 산출하였다.
여기서, $C_{init}$ = 초기 CO2, 농도(ppm), $C$ = 시간 $t$의 CO2 농도(ppm), $C_{out}$ = 외부 CO2 농도(ppm)이다.
Table 4는 실험 결과와 그 결과로부터 산출된 환기횟수 ACH와 침기량 $\dot{V}_{infiltration}$이다. 동일한 외기댐퍼 개도율 조건에서 난방
시 환기횟수와 침기량이 비난방 조건 대비 증가함을 알 수 있다. 난방 조건에서는 실내의 온도가 증가하여 실내외 공기의 밀도차로 인하여 실내외 압력차가
발생한다. 이로 인하여 실내 공간 벽의 하부에서는 외부 압력이 실내 압력보다 높아 외부 공기가 실내로 유입하고, 상부에서는 반대로 외부 압력이 실내
압력보다 낮아 실내 공기가 외부로 유출된다.
Fig. 6은 실험 결과에 따른 Case별 CO2 감쇠 곡선이다. 표에서 $t_{final}$은 측정 실험을 수행한 총시간이다.
Fig. 6은 환기 조건에 따른 CO2 농도 감소 특성을 비교한 것으로, 기계환기와 열부력이 동시에 작용하면 CO2 농도 감소 속도가 빨라지는 경향을 보였다. Case 1은 자연환기이며 가장 완만한 감소 곡선을 나타냈으며, 기계환기가 추가된 조건에서는 감소 속도가
현저하게 향상되었다. 특히 난방 운전에서는 CO2 농도 감소 속도가 더 빠르게 나타났다. 이는 열부력에 의해 발생한 실내외 압력차가 수평 기류를 형성하여 외부 공기의 유입과 실내 공기의 유출을 촉진시켜,
CO2 제거 성능을 향상시켰기 때문으로 판단된다. 그래프 안의 숫자는 CO2 농도가 실내공기질 쾌적 조건이 1,000 ppm에 도달하는 시간(min)이다.
Case 1 자연환기는 실험 수행 시간 동안에는 1,000 ppm에 도달하지 못했다. CO2 농도 1,000 ppm 도달시간은 Case 2(외기댐퍼 개도율 0%, 비난방)는 161 min, Case 3(외기댐퍼 개도율 0%, 난방)는 115
min, Case 4(외기댐퍼 개도율 30%, 비난방)는 110 min, Case 5(외기댐퍼 개도율 30%, 난방)는 95 min으로 나타났다.
Table 4 Experiment results and calculation of AHU and infiltration flow rate
|
Case
|
$C_{init}$ [ppm]
|
$C_{out}$ [ppm]
|
$t_{final}$ [s / min]
|
ACH [h⁻¹]
|
$\dot{V}_{infiltration}$ [cmh]
|
|
1
|
5,000
|
642.5
|
46,000 / 767
|
0.196
|
118.5
|
|
2
|
5,006
|
438.7
|
10,695 / 178
|
0.776
|
469.0
|
|
3
|
5,012
|
423.1
|
8,065 / 134
|
1.127
|
681.2
|
|
4
|
5,054
|
449.2
|
7,830 / 130
|
1.097
|
663.0
|
|
5
|
5,006
|
462.7
|
6,755 / 113
|
1.351
|
816.5
|
Fig. 6 CO2 concentration decay curves based on experimental results.
4. 부력에 의한 침기량 증가 해석
실내 공간을 난방하면 실내외의 온도가 다르므로 밀도차에 의해 내부와 외부의 압력차가 발생하며, 이로 인해 개구부 하부에서는 외부 압력이 실내보다 높고,
상부에서는 실내 압력이 높다. 따라서 하부에서는 외부 공기가 유입, 상부에서는 실내 공기가 유출된다. 강당에는 5개의 문이 설치되어 있으며, 크기와
틈새 간격은 Fig. 7 (a), (b)와 Table 5에 제시되어 있다.
문에서는 실내와 실내의 압력차에 의해 외부 공기 유입 또는 실내 공기 유출이 발생한다. Fig. 7과 같이 문에서는 문틀과 문 사이에 틈새가 발생하며, 이 틈새를 통해 공기가 이동한다. Fig. 8 (a) 문과 Fig. 8 (b) 벽에서는 중성점(Neutral point)보다 낮은 하부에서는 외부 공기 압력이 실내 공기 압력보다 높으므로 외기가 침입한다. 반면, 중성점보다
높은 상부에서는 외부 공기의 압력이 실내 공기 압력보다 낮으므로 실내 공기가 외부로 유출된다.
Fig. 7 Auditorium entrance door.
Table 5 Dimensions of auditorium doors
|
Door $i$
|
Type
|
$H_i$ [m]
|
$L_i$ [m]
|
$w_{x1}$ [m]
|
$w_{x2}$ [m]
|
$w_{x3}$ [m]
|
$w_{y1}$ [m]
|
$w_{y2}$ [m]
|
|
1
|
(a)
|
2.055
|
1.150
|
0.0030
|
0.0030
|
0.0030
|
0.0055
|
0.0050
|
|
2
|
(a)
|
2.055
|
1.150
|
0.0030
|
0.0030
|
0.0030
|
0.0055
|
0.0050
|
|
3
|
(b)
|
2.050
|
0.825
|
0.0180
|
0.0180
|
-
|
0.0025
|
0.0025
|
|
4
|
(b)
|
2.061
|
0.839
|
0.0025
|
0.0025
|
-
|
0.0030
|
0.0030
|
|
5
|
(b)
|
2.076
|
0.844
|
0.0055
|
0.0055
|
-
|
0.0105
|
0.0105
|
Fig. 8 Inward and outward flows due to pressure difference across walls and doors.
문 $i$에서 수직 틈새 $w_{i,xi}$를 통하여 유입되는 미소 질량유량은 식(2)가 된다. 여기서 하첨자 in은 유입, $\rho_o$는 외기 밀도, $V$는 공기속도를 의미한다.
속도계수 $D_{orifice}$는 ASHRAE Fundamentals Chap. 16 Ventilation and Infiltration(6)에 의해 0.65로 가정한다. 이론 속도는 베르누이식으로부터 식(3)이 된다. 여기서 $\Delta P$는 실내외 압력차이다.
공기를 이상기체로 가정하면 밀도는 산출식 식(4)가 된다.
여기서, 대기압 $P_{atm}$는 101325 Pa, 공기 기체상수 $R$은 287 J/(kg·K)라고 가정하며, $T$는 절대온도이다. 압력차
$\Delta P$는 실외, 실외 온도로부터 식(5)와 같이 유도된다. $y$는 중성점으로부터의 거리, 중력가속도 $g$는 9.807 m/s²라고 가정한다. 하첨자 $i$는 실내, 하첨자 $o$는 실외를
의미한다.
식(5)를 식(3)에 대입하고, 그 식을 (2)에 대입한 후, $y$를 0에서 $H_n$까지 적분하면 중성대에서 문 하부까지의 수직 틈새에서의 유입 질량유량을 식(6), (7)처럼 계산할 수 있다.
문 하부 틈새 $w_{y1}$를 통한 유입 질량유량은 식(8)이다.
문 $i$에서 수직 틈새 $w_{i,xi}$를 통하여 유출되는 미소 질량유량은 식(9)이다. 여기서 하첨자 ou는 유출을 의미한다.
식(9)에서 $z$를 0에서 $(H_i - H_n)$까지 적분하면 유출 질량유량은 식(10)이 된다.
문 상부 틈새 $w_{y2}$를 통한 유출 질량유량은 식(11)이 된다.
벽은 기밀성이 완벽하지 않으므로, 미소한 유입과 유출이 존재한다고 가정하여 유입량과 유출량을 계산하였다. 비공조 상태의 데이터를 이용하여 벽의 속도계수
$D_{wall}$은 0.00059 값이 산출되었다. 벽에서의 유입 질량 유량은 식(12)와 같다.
벽에서의 유출 질량유량은 식(13)과 같다.
정상상태에서는 5개의 문 틈새와 4면의 벽에서 유입되는 질량유량 총합은 유출되는 질량유량 총합과 동일하다고 가정하여 식(14)에 의해 중성대 높이 $H_n$을 산출한다.
외기댐퍼 개도율 0%, 30%, 그리고 난방 미운전 및 운전 조건에 대하여 환기횟수 측정 결과는 Table 6에 요약되었다. 실내 공간 체적 $X$는 604.4 m³이므로 Case 2 환기횟수는 0.776 h⁻¹, 외기 환기량은 469.0 cmh Case
3 환기횟수는 1.127 h⁻¹이므로 외기 환기량은 681.2 cmh가 되어, 난방 시 외기 환기량은 비난방 대비 212.2 cmh가 많다.
Case 4 환기횟수는 1.097 h⁻¹, 외기 환기량은 663.0 cmh, Case 5 환기횟수는 1.351 h⁻¹이므로 외기 환기량은 816.5
cmh가 되어, 난방 시 외기 환기량은 153.5 cmh가 많다. 난방 시 외기 환기량이 증가하는 주요 원인은 실내외 온도차에 따른 압력차로 인해
문 및 벽체 틈새를 통한 공기 침기가 발생하기 때문으로 추정된다.
난방 시 외기 환기량 증가를 부력에 따른 실내외 압력차를 고려한 식(2)~(14)에 의해 EES(7)로 계산한 결과, 외기댐퍼 개도율 0%에서는 오차율 0.14%, 개도율 30%에서는 오차율 0.26%로 매우 정확하게 측정값을 예측하고 있다.
Fig. 9는 5개 Case별 자연 침기, 그리고 기계적 난방 시 부력 효과에 의한 침기량 기여도를 보여준다. 난방 시 부력 효과에 의해 침기량이 증가되었음을
알 수 있다.
Table 6 Difference in outdoor ventilation rate between heating off and heating on
modes
OA Damper
open ratio
[%]
|
Heating off
|
Heating on
|
$\Delta ACH$
[h⁻¹]
|
$\Delta T$
[℃]
|
$\Delta \dot{V}_{Experiment}$
[cmh]
|
$\Delta \dot{V}_{Simulation}$
[cmh]
|
$ACH$
[h⁻¹]
|
$T_{hall}$
[℃]
|
$T_{indoor}$
[℃]
|
$ACH$
[h⁻¹]
|
|
0
|
0.776
|
13.84
|
7.90
|
1.127
|
0.351
|
5.94
|
212.2
|
212.5
|
|
30
|
1.097
|
12.62
|
8.07
|
1.351
|
0.254
|
4.55
|
153.5
|
153.1
|
Fig. 9 Comparison of ACH for 5 cases.
5. 결 론
본 연구에서는 직팽식 공조시스템(DX EHP)이 설치된 교육시설 소강당을 대상으로 외기댐퍼 개도율과 난방 운전 여부에 따른 환기성능을 CO2 추적 가스 감쇠 실험으로 분석하고, 난방 시 부력에 의한 실내외 압력차 기반 해석모델을 개발하여 EES을 이용하여 계산한 결과를 실측값과 비교하였다.
연구 결과는 다음과 같다.
(1) CO2 감소 측정 실험은 Case 1(자연환기), Case 2(외기댐퍼 개도율 0%, 비난방), Case 3(외기댐퍼 개도율 0%, 난방), Case 4(외기댐퍼
개도율 30%, 비난방), Case 5(외기댐퍼 개도율 30%, 난방)의 5개 조건에 대하여 실시하였다.
(2) 외기댐퍼 개도율을 0%에서 30%로 증가시키면 환기성능이 크게 향상되었다. 난방 Off 조건에서는 ACH가 0.776 h⁻¹에서 1.097
h⁻¹로 41% 증가하였고, 난방 On 조건에서는 1.127 h⁻¹에서 1.351 h⁻¹로 20% 증가하였다.
(3) CO2 초기농도 5,000 ppm에서 1,000 ppm 도달시간은 Case 2는 161분, Case 3은 115분, Case 4는 110분, Case 5는
95분으로, 외기댐퍼 개도율 30%와 난방을 병행한 Case 5 조건이 가장 빠른 환기성능을 나타내었다.
(4) 난방에 따른 열부력 침기는 환기성능 향상에 현저한 영향을 미쳤다. 외기댐퍼 개도율 0% 상태에서 난방을 가동한 경우의 ACH는 1.127 h⁻¹로,
외기댐퍼 30% 상태에서의 난방을 가동하지 않은 경우의 1.097 h⁻¹와 거의 동일하였다. 이는 겨울철 열부력 침기가 기계적 외기도입 30% 수준의
환기효과를 부분적으로 대체할 수 있음을 의미한다.
(5) ASHRAE 오리피스 속도계수와 열부력에 의한 압력차 이론을 적용한 계산 결과, 난방 시 침기량의 증가분은 외기댐퍼 0% 조건에서 212.5
cmh 30% 조건에서 153.1 cmh로 산정되었다. 이는 실측값과 비교하여 각각 0.14% 및 0.26%의 오차를 나타내어, 제안된 해석 모델의
예측 정확성이 매우 높은 것으로 판단된다.
본 연구는 외기에 직접 노출되지 않는 내부 공간인 소강당을 대상으로 수행되어, 침기에 미치는 외기 풍압의 직접적 영향이 제한적인 조건에서 열부력 효과를
중점적으로 규명하였다. 따라서 본 결과를 외기에 노출된 공간으로 일반화하는 데에는 한계가 있으며, 단일 공간 대상에 따른 샘플 수의 제약 또한 존재한다.
이에 따라 향후 연구에서는 다음과 같은 확장이 요구된다.
(1) 실측 대상 공간에서 외기 풍향·풍속 및 외기 습공기(온·습도, 절대습도) 데이터를 동시에 계측하여, 풍압과 열부력이 중첩되는 조건에서의 침기
유입 특성을 규명한다.
(2) 블로어 도어(Blower door) 테스트를 수행하여 건물 외피 및 개구부의 기밀성능(ACH50, 유효누기면적 등)을 정량화하고, 본 연구에서
제안한 부력 기반 해석모델의 침기량 예측 결과와의 상관성을 객관적으로 검증한다.
(3) 교육시설 내 강의실, 연구실, 체육관 등 다양한 공간 유형과 층고, 개구부 배치, 외기 노출 면적 등 공간적 변수를 반영한 시뮬레이션(CFD
및 다중 영역 네트워크 모델)을 통해 해석모델의 적용 범위를 확장하고 독창성을 확보한다.
(4) 겨울철 외에 여름 및 중간기(봄·가을) 조건에서의 추가 실험을 통해 계절별 부력 방향 전환이 침기·누기 거동에 미치는 영향을 분석한다.
Data sharing and reproducibility
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The data that support the findings of this study are available from the corresponding
author, Young Il Kim, upon reasonable request.
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