CFD를 이용한 아트리움 도서관의 환기전략에 따른 환기효율 및 온열환경 분석 = Analysis of Ventilation Efficiency and Thermal Performance in an Atrium Library Building through Various Ventilation Strategies by using CFD Simulation

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 여름철 도서관 아트리움을 대상으로 다양한 환기전략에 따른 실내 온열환경을 정량적으로 분석하고, 환기효율, 온도 성층화 및 예상 평균 온열감(PMV) 간의 상관관계를 규명하고자 하였다. 아트리움은 유리 외피로 인한 일사 유입과 대류 흐름으로 상부 열고임이 발생하며, 특히 여름철에는 온도 성층화가 강화되어 거주역의 열적 불쾌감을 초래할 수 있다. 이에 본 연구에서는 자연환기, 상부 강력배기, 공조설비(AHU) 운전 등 다양한 환기전략을 적용하여 실내 열환경 변화를 비교하였다.
대상 건물은 기계 환기설비가 설치되지 않은 대학 도서관의 아트리움이며, 냉방 가동 시를 기준으로 실측 및 CFD 시뮬레이션을 수행하였다. 아트리움 내부의 수직 온도 분포를 실측하여 시뮬레이션 값을 검증하고, 이후 각 환기 전략별 공기령 분포를 통해 환기효율을 산정하였다. 또한 10 m ×10 m 격자로 구성된 총 50개의 데이터를 기반으로 환기효율·온도 성층화·PMV 간 상관 관계를 분석하였다.
환기전략에 따른 환기효율은 자연환기 조건(Case 1, 2)에서 각각 82.8%, 64.9%로 높게 나타났으며, 자연환기와 상부 배기를 병행한 Case 3과 Case 4는 각각 29.1%, 15.8%로 낮게 나타났다. AHU를 적용한 Case 5는 76.7%로 비교적 높은 환기효율을 보였다. 온도 분포에서는 자연환기 조건에서 창문 주변에 국부적 고온 영역이 발생하였으나, 전체적인 온도 구배가 완화되는 경향을 보였으며, AHU 적용 조건에서는 가장 균일한 온도 분포가 확인되었다.
환기효율과 온도 성층화의 상관분석 결과 상관계수는 –0.87로 나타났으며, 환기효율이 증가할수록 상하부 온도차가 감소하는 경향이 확인되었다. PMV 분석에서는 모든 환기전략에서 PMV가 Base Case보다 낮게 나타났으며, 환기 효율이 높은 조건에서 열적 쾌적성이 개선되는 경향을 보였다. 환기효율과 PMV 간 상관계수는 –0.79로 도출되었으며, t-검정에서도 두 변수의 차이가 통계적으로 유의미한 것으로 확인되었다.
종합적으로, 아트리움에서는 환기효율이 높을수록 상부 열고임이 완화되고 상하부 온도차와 PMV가 감소하여 열환경이 개선되는 결과가 나타났다. 본 연구는 아트리움 공간에서 환기전략 설계 및 운영시 고려해야 할 기초자료를 제공한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study aims to quantitatively analyze the indoor thermal environment of a university library atrium during the summer by examining various ventilation strategies and evaluating the relationships among ventilation efficiency, thermal stratification, and Predicted Mean Vote (PMV). Atrium spaces characterized by extensive glass envelopes often experience excessive solar heat gain and convective air movement, leading to heat accumulation in the upper zone and the development of thermal stratification. These issues become more critical during cooling operation, emphasizing the need for appropriate ventilation strategies to maintain thermal comfort in occupied areas. Accordingly, this study compares the thermal performance of multiple ventilation scenarios, including natural ventilation, upper-level exhaust, and Air Handling Unit (AHU) operation. The study facility is an atrium without mechanical ventilation, and on-site temperature measurements were conducted to validate the CFD simulation results. Using Star CCM+, airflow patterns, ventilation efficiency, temperature distribution, and PMV were evaluated for each ventilation scenario. A total of 50 data points, segmented by a 10 m ×10 m grid at the breathing height, were used to analyze the correlations among ventilation efficiency, thermal stratification, and PMV through Pearson correlation analysis and t-tests.
The results show that natural ventilation (Case 1, Case 2) achieved high ventilation efficiency at 82.8% and 64.9%, respectively, while natural ventilation combined with upper-level exhaust (Case 3, Case 4) showed lower performance at 29.1% and 15.8%. AHU operation (Case 5) demonstrated relatively high efficiency at 76.7%. In terms of temperature distribution, natural ventilation reduced overall thermal gradients despite localized temperature increases near openings, whereas the AHU case exhibited the most uniform temperature distribution. The correlation analysis between ventilation efficiency and thermal stratification yielded a Pearson correlation coefficient of –0.87, indicating that increased ventilation efficiency reduces the vertical temperature difference. PMV analyses also showed lower values under all ventilation strategies compared to the non-ventilated condition, with improved thermal comfort under higher ventilation efficiency. The correlation coefficient between ventilation efficiency and PMV was –0.79, and t-tests confirmed statistically significant differences between the variables.
In conclusion, higher ventilation efficiency leads to reduced upper-level heat accumulation, smaller vertical temperature differences, and lower PMV values, indicating an overall improvement in thermal conditions within the atrium. The findings of this study provide fundamental data for designing and operating effective ventilation strategies in atrium-type large spaces.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서 론 1
• 1.1 연구배경 및 목적 1
• 1.2 연구범위 및 방법 3
• 1.3 연구동향 6
• 2. 이론적 고찰 8
• 2.1 아트리움 개요 8
• 2.1.1 아트리움의 정의 8
• 2.1.2 아트리움의 기능 10
• 2.1.3 아트리움의 유형 12
• 2.2 아트리움의 열환경 16
• 2.2.1 아트리움의 열환경 특징 16
• 2.2.2 아트리움의 열환경에 영향을 미치는 요소 고찰 18
• 2.3 환기 21
• 2.3.1 자연환기 22
• 2.3.2 기계환기 28
• 3. 분석 대상 건물 및 시뮬레이션 개요 30
• 3.1 분석 대상 건물의 개요 30
• 3.2 CFD 시뮬레이션 개요 32
• 3.2.1 전산유체역학(CFD, Computational Fluid Dynamics) 32
• 3.2.2 기본 방정식 33
• 3.2.3 시뮬레이션 해석 및 경계 조건 35
• 3.2.4 시뮬레이션 검증 실험 40
• 4. CFD 시뮬레이션 결과 및 분석 43
• 4.1 아트리움의 환기방식에 따른 환기효율 43
• 4.1.1 환기효율 개요 43
• 4.1.2 공기령 분포 45
• 4.1.3 환기효율 결과 55
• 4.2 아트리움의 온도 성층화와 환기효율 56
• 4.2.1 아트리움의 온도 분포 56
• 4.2.2 아트리움의 상하부 온도차 66
• 4.2.3 아트리움의 온도 성층화와 환기효율 상관관계 분석 67
• 4.3 아트리움의 PMV와 환기효율 71
• 4.3.1 PMV 평가 개요 71
• 4.3.2 아트리움 거주역의 PMV 분포 73
• 4.3.3 아트리움의 PMV와 환기효율 상관관계 분석 81
• 5. 결 론 84
• ▣ 참 고 문 헌 86
• ▣ ABSTRACT 88