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표제지
국문초록
목차
I. 서론 14
1. 연구의 배경 및 목적 14
2. 기존 연구의 동향 16
3. 연구의 범위 및 방법 19
4. 연구의 구성 21
5. 용어의 정의 23
II. 환기시스템 외기도입 제어에 관한 고찰 24
1. 외기도입 제어에 의한 부하의 절감 24
가. 외기부하의 특성 24
나. 외기부하 절감을 위한 외기도입 제어 29
다. 공동주택 환기시스템의 외기도입 방안 37
라. 외기도입 제어시스템의 해석 방법 39
2. 환기관련 기준 및 기술 현황 41
가. 환기관련 기준 41
나. 환기관련 기술 현황 46
3. 전열교환 환기시스템 및 실험 기준 55
가. 주택용 전열교환 환기시스템 55
나. 전열교환 환기장치 실험기준 63
III. 각종 환기장치의 가동특성에 따른 에너지 절약적 외기도입 방안 71
1. 개요 71
2. 각종 환기장치 가동특성에 따른 급·배기성능 측정 72
가. 측정 개요 및 방법 72
나. 측정 결과 및 상관관계 분석 77
3. CFD 시뮬레이션에 의한 환기장치 가동특성에 따른 실내환경 변화특성 분석 83
가. 시뮬레이션의 개요 및 방법 84
나. 시뮬레이션 결과 및 실내환경 변화특성 분석 87
다. 온열환경 평가에 의한 에너지 절약적 외기도입 방안 제안 96
4. 소결 97
IV. 전열교환 환기유닛의 열교환 효율 예측식 98
1. 개요 98
2. 외기조건 변화에 따른 열교환 효율 예측식 99
가. 실험 개요 및 방법 99
나. 열교환 효율 실험 결과 및 분석 110
다. 외기조건 변화에 따른 열교환 효율 예측식 도출 114
3. 소결 116
V. 전열교환 환기시스템의 에너지 절약적 외기도입 운전제어 방안 117
1. 개요 117
2. 대안의 설정 118
가. 성능평가 도구의 개요 및 모델링 118
나. 전열교환 환기시스템 외기도입 운전제어 대안 134
3. 대안별 성능 평가 및 에너지 절약적 운전제어 방안 136
가. 실내·외 환경 분석 136
나. 지역별 부하특성 분석 140
다. 운전제어 방안에 따른 에너지 절약 효과의 평가 142
4. 소결 148
VI. 결론 150
부록 : TRNSYS input file 153
참고문헌 166
Abstract 170
〈표 2-1〉 외기도입 제어의 종류 29
〈표 2-2〉 실내공기질 기준(다중이용시설 등의 실내공기질 관리법, 2004) 42
〈표 2-3〉 국내·외 신축공동주택의 실내공기질 기준 [㎍/m³] 42
〈표 2-4〉 국내 환기관련 법규 43
〈표 2-5〉 주택성능등급 인정 및 관리기준 43
〈표 2-6〉 국내의 환기설비 설치기준 44
〈표 2-7〉 주요국가의 주거용 건물에 대한 최소환기량 기준 45
〈표 2-8〉 국내에서 적용되는 환기시스템의 기능별 성능 비교 46
〈표 2-9〉 일본의 상시 소풍량 환기시스템의 기능별 성능 비교 52
〈표 2-10〉 열교환 방식별 열교환기의 비교 57
〈표 2-11〉 판형과 로터리형 전열교환기의 비교 58
〈표 2-12〉 AC 모터와 BLDC 모터의 특징 62
〈표 2-13〉 열교환 장치의 시험방식 및 판정기준 64
〈표 2-14〉 국내·외 열교환 장치 시험규격의 비교 65
〈표 2-15〉 전열교환 실험을 위한 국내기준(KS 규격)의 온·습도 공기조건 68
〈표 2-16〉 전열교환 실험을 위한 국내기준(KS 규격)의 결로시험 공기조건 68
〈표 2-17〉 전열교환 실험을 위한 일본기준(JIS 규격)의 온·습도 공기조건 69
〈표 2-18〉 전열교환 실험을 위한 일본기준(JIS 규격)의 결로시험 공기조건 69
〈표 2-19〉 KS 및 JIS 규격의 온·습도 조건상의 절대습도 차이의 비교 70
〈표 2-20〉 KS 및 JIS 규격의 온·습도 조건상의 엔탈피 차이의 비교 70
〈표 3-1〉 세대 전체 기밀성능(자연환기량) 측정결과 (2005.11.12) 78
〈표 3-2〉 실별 기밀성능(자연환기량) 측정결과 (2005.11.12) 80
〈표 3-3〉 주방 후드 및 욕실팬 환기성능 측정결과 82
〈표 3-4〉 청정·환기시스템 환기성능 측정결과 (환기모드) 82
〈표 3-5〉 청정·환기시스템 환기성능 측정결과 (환기+청정) 82
〈표 3-6〉 환기장치 동시가동 시의 급·배기 풍량 측정결과 82
〈표 3-7〉 시뮬레이션에 사용된 환기장치 풍량조건 85
〈표 3-8〉 시뮬레이션에 사용된 온도경계 조건 86
〈표 3-9〉 시뮬레이션 case별 설정 조건 및 시뮬레이션 목적 86
〈표 4-1〉 전열교환 소자의 사양 99
〈표 4-2〉 실내·외 챔버 기본사양 100
〈표 4-3〉 풍량 측정장치(code tester) 사양 100
〈표 4-4〉 열교환 효율 실험 조건 108
〈표 4-5〉 실험에 사용된 전열교환 환기유닛 사양 109
〈표 4-6〉 열교환 효율 측정 결과 110
〈표 5-1〉 에너지 시뮬레이션 프로그램의 비교 118
〈표 5-2〉 분석 대안의 모델링을 위해 적용된 TRNSYS type 121
〈표 5-3〉 존별 개요 123
〈표 5-4〉 자재구성 및 열적 특성 123
〈표 5-5〉 창호의 물성 124
〈표 5-6〉 인체 발열량(ISO 7730) 124
〈표 5-7〉 조명 및 기기 발열량 124
〈표 5-8〉 에어컨 사양 125
〈표 5-9〉 보일러 사양 126
〈표 5-10〉 전열교환 환기시스템 사양 126
〈표 5-11〉 전열교환 환기시스템 열교환 효율 126
〈표 5-12〉 type 231, 혼합공기의 상태 계산 모듈 129
〈표 5-13〉 type 232, 전열교환 환기유닛의 열교환 효율 적용 모듈 129
〈표 5-14〉 type 233 ~ type 237, 외기도입 모드 제어기 130
〈표 5-15〉 시뮬레이션 입력 조건 132
〈표 5-16〉 분석 대안의 설정 조건 135
〈표 5-17〉 자연상태의 실내·외 환경 분석(서울지역 기상데이터) 136
〈표 5-18〉 서울지역 기상데이터에 대한 쾌적범위 만족 비율 136
〈표 5-19〉 열원기기 가동 여부에 따른 절대습도차 분석 137
〈표 5-20〉 열원기기 가동 여부에 따른 기준조건(절대습도차 0.0030 ㎏/㎏' 이상) 만족 비율 137
〈표 5-21〉 지역별 냉·난방부하적산 [GJ] 141
〈표 5-22〉 제어방식별 연간 총 에너지 소비량 [kWh] 142
〈표 5-23〉 난방 방식별 에너지 소비량 비교 143
〈표 5-24〉 제어방식별 월별 난방 에너지 소비량 [kWh] 145
〈표 5-25〉 제어방식별 월별 냉방 에너지 소비량 [kWh] 146
〈표 5-26〉 제어방식별 월별 환기 에너지 소비량 [kWh] 146
〈표 5-27〉 제어방식별 연간 총 에너지 소비량(case7 포함) [kWh] 147
〈그림 1-1〉 연구의 흐름도 22
〈그림 2-1〉 개구부의 공기 유입 조건 24
〈그림 2-2〉 환기시스템에 의한 압력분포의 구성 26
〈그림 2-3〉 외기부하의 구성 27
〈그림 2-4〉 외기제어 시스템 개념도(변풍량 시스템) 29
〈그림 2-5〉 외기의 이용 31
〈그림 2-6〉 외기도입에 따른 상태변화 32
〈그림 2-7〉 건구온도 및 엔탈피 기준에 의한 외기냉방 제어 판단 33
〈그림 2-8〉 연간부하의 패턴과 열회수 및 외기냉방의 효과 34
〈그림 2-9〉 전열교환기의 에너지절약 효과(사무소 건물) 35
〈그림 2-10〉 외기제어의 전체흐름도 36
〈그림 2-11〉 전열교환 환기시스템이 적용되어 있는 실내의 환경조절 방식 38
〈그림 2-12〉 컴퓨터를 이용한 최적화 기법 39
〈그림 2-13〉 시스템 시뮬레이션을 이용한 최적화 40
〈그림 2-14〉 덕트형 전열교환 환기시스템의 개요 47
〈그림 2-15〉 무덕트형 공기청정 겸용 환기시스템의 개요 48
〈그림 2-16〉 급·배기유닛 시스템의 개요 48
〈그림 2-17〉 온돌 바닥구조체 매입형 환기시스템의 개요 49
〈그림 2-18〉 주방 후드 겸용 통합 환기방식 50
〈그림 2-19〉 시미즈 건설사의 24시간 환기시스템 개념도 53
〈그림 2-20〉 다이와 하우스의 '환기정화 ef'의 원리 54
〈그림 2-21〉 일본의 전열교환 환기시스템 설치 사례 54
〈그림 2-22〉 전열교환 환기시스템의 원리 55
〈그림 2-23〉 전열교환 환기유닛의 개요 57
〈그림 2-24〉 열교환 방식별 열교환기의 비교 58
〈그림 2-25〉 전열교환 환기시스템의 구성요소 59
〈그림 2-26〉 열교환 소자의 개요 및 종류 60
〈그림 2-27〉 전열교환 환기유닛 내부 유로 61
〈그림 2-28〉 폐열회수형 환기장치 유효환기량 측정 66
〈그림 2-29〉 2실 방식 열교환 효율 측정 66
〈그림 3-1〉 측정대상 공동주택의 평면 및 측정점 73
〈그림 3-2〉 기밀성능 측정 장면 및 측정기기 74
〈그림 3-3〉 측정에 사용된 청정·환기시스템 75
〈그림 3-4〉 환기장치 성능 측정 장면 및 측정기기 76
〈그림 3-5〉 세대 전체 기밀성능(자연환기량) 측정결과 (2005.11.12) 78
〈그림 3-6〉 실별 기밀성능(자연환기량) 측정결과 (2005.11.12) 80
〈그림 3-7〉 시뮬레이션 대상 공간 및 환기장치 설치 위치 85
〈그림 3-8〉 CFD 시뮬레이션 결과 (case1, 자연환기) 90
〈그림 3-9〉 CFD 시뮬레이션 결과 (case2, 주방 후드만 가동) 91
〈그림 3-10〉 CFD 시뮬레이션 결과 (case3, 주방후드와 환기모드 가동) 92
〈그림 3-11〉 CFD 시뮬레이션 결과 (case4, 주방후드, 욕실팬, 환기모드 가동) 93
〈그림 3-12〉 CFD 시뮬레이션 결과 (case5, 모든 실에 환기모드 가동) 94
〈그림 3-13〉 CFD 시뮬레이션 결과 (case6, 모든 실에 환기+청정모드) 95
〈그림 3-14〉 각 시뮬레이션 case별 톨루엔 농도분포와 온도분포의 상관관계 96
〈그림 4-1〉 실험실 평면도 101
〈그림 4-2〉 실험실 외부입면도 101
〈그림 4-3〉 실험실 내부단면도 101
〈그림 4-4〉 풍량 측정장치(code tester) 상세도 102
〈그림 4-5〉 자동제어 패널 102
〈그림 4-6〉 실험실 전경 103
〈그림 4-7〉 풍량, 유효환기량, 온·습도효율 측정을 위한 기기 설치 개요 106
〈그림 4-8〉 열교환 효율 실험 장면 109
〈그림 4-9〉 현열교환 효율 측정 결과 111
〈그림 4-10〉 잠열교환 효율 측정 결과 111
〈그림 4-11〉 통과풍속에 따른 현열교환 효율 113
〈그림 4-12〉 풍속에 따른 현열교환 효율 예측식 115
〈그림 4-13〉 절대습도차에 따른 잠열교환 효율 예측식 115
〈그림 5-1〉 분석 대상 및 공조 조닝 122
〈그림 5-2〉 내부발열 스케줄 125
〈그림 5-3〉 분석 대상 건물의 냉·난방 기간 127
〈그림 5-4〉 난방부하와 외기온도와의 상관관계 128
〈그림 5-5〉 type 235, 온도센서에 의한 바이패스 제어 알고리즘 131
〈그림 5-6〉 type 236 온·습도센서에 의한 바이패스 제어 알고리즘 131
〈그림 5-7〉 TRNSYS 시뮬레이션 모델링 133
〈그림 5-8〉 전열교환 환기시스템의 바이패스 운전 제어 135
〈그림 5-9〉 중간기 및 냉방기의 실내·외 온도 및 엔탈피 분포 139
〈그림 5-10〉 지역별 연간 난방부하적산 비교 [GJ] 141
〈그림 5-11〉 지역별 연간 냉방부하적산 비교 [GJ] 141
〈그림 5-12〉 제어방식별 연간 총 에너지 소비량 [kWh] 142
〈그림 5-13〉 제안된 운전제어 모드의 에너지 절감량 [kWh] 147
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최근 신축 공동주택은 고단열화, 고기밀화가 진행됨에 따라 기존의 자연 환기 방식으로는 외기의 도입이 부족하게 되어 실내공기의 오염문제가 대두되었다. 이에 따라 환기설비의 설치가 의무화 되어 최소한의 필요환기량 이상의 외기를 도입하도록 하고 있으나, 이는 필연적으로 에너지 소비를 수반하기 때문에 실내공기질을 적절하게 유지하면서 에너지 소비를 최소화 할 수 있는 환기시스템의 에너지 절약적 외기도입 제어 방안에 대한 필요성이 증가하고 있다.
또한, 국내의 기후조건은 사계절이 뚜렷하여 외기의 온·습도 변화에 따른 열교환 효율의 변화 특성이 환기시스템의 운전제어 방안과 더불어 건축물의 에너지 소비특성에 큰 영향을 미치게 된다.
따라서 본 연구에서는 먼저 외기도입 제어에 관련된 이론을 고찰하고, 공동주택에 다양하게 적용되고 있는 각종 환기장치의 가동특성에 따른 상관관계를 검토하여 실내공기질을 효과적으로 유지하면서 에너지 소비량을 최소화 할 수 있는 외기도입 제어 방안을 제안하였다. 또한, 외기조건 변화에 따른 전열교환 환기유닛의 열교환 성능 예측식을 도출하고, 이를 에너지 시뮬레이션에 반영하여 외기조건에 대하여 효율적인 전열교환 환기시스템의 에너지 절약적 외기도입 운전제어 방안을 제안하였다.
본 연구의 결과를 정리하면 다음과 같다.
(1) 공동주택에서 다양하게 사용되는 각종 환기장치의 가동특성을 고려한 에너지 절약적 외기도입을 위해서는 환기장치에 의해 발생하는 압력 밸런스가 건물 내의 압력분포에 영향을 미치지 않도록 주방 후드와 같은 대풍량의 환기장치의 경우 실온과 유사하게 처리된 보급공기를 통한 외기 도입이 필요하다. 또한 실내공기질 개선과 더불어 에너지절약을 위해서는 전열교환 환기 시스템의 채용이 필요하다.
(2) 외기조건 변화에 따른 전열교환 환기유닛의 열교환 성능 예측을 위한 실험 결과, 현열교환 효율은 실내·외의 건구온도차와 관계없이 약 81%로 일정하게 유지되었으며, 효율 변화는 통과 풍속에 기인하는 것을 알 수 있었다. 또한, 잠열교환 효율은 실내·외의 절대습도차가 증가함에 따라 완만한 선형을 그리며 효율이 증가하였다.
실험을 통해 도출된 현열 및 잠열교환 효율 예측식은 다음과 같다.
현열교환 효율 : ηT = 99.288 - 14.238(v) + 1.158(v)²
잠열교환 효율 : ηx = 49.317 - 18.711·log(Δx) - 14.534·log(Δx)²
(3) 공동주택 전열교환 환기시스템에서의 에너지 절약적 외기도입을 위해서는 현재 공동주택에서 일반적으로 사용하고 있는 연중 전열교환 모드 운전을 지양하고, 실내·외 조건에 따라 바이패스 모드로 전환하는 운전제어가 필요하다. 또한, 공동주택의 경우 별도의 잠열제어를 하지 않는 것이 일반적이기 때문에 엔탈피가 아닌 건구온도에 의한 외기도입 운전제어가 보다 에너지 절약적인 것으로 판단된다.
(4) 공동주택 전열교환 환기시스템의 에너지 절약적 외기도입 운전제어 방안을 제안할 목적으로 냉·난방부하 및 에너지 시뮬레이션을 수행한 결과, 난방기는 스케줄 제어에 의한 전열교환 모드를 적용하고, 중간기와 냉방기에는 온도 제어에 의한 바이패스 모드를 적용하는 것이 가장 에너지 절약적이었으며, 이를 서울의 기상조건에 적용할 경우 연중 전열교환 모드에 비해 약 16.4%의 에너지 절약이 가능한 것으로 나타났다.
참고문헌 (57건) : 자료제공( 네이버학술정보 )더보기
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