共同住宅의 換氣效率 向上을 爲한 換氣計劃에 關한 硏究

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 공동주택에 적용되는 기계환기시스템에 있어서 현행 환기시스템의 환기효율을 실측 및 3차원 비정상해석을 통하여 산정하고자 한다. 이후, 거실과 침실에 있어서 환기효율을 개선할 수 있는 대안을 마련한 후 대안별 환기효율을 CFD 기법을 이용하여 분석하고, 각 실별 환기시스템의 통합설계방안과 효율적인 유지관리지침을 제시함으로써 공동주택 세대 내 거주자들의 건강을 보호할 수 있는 환기계획 자료를 제시하고자 한다. 또한, 본 연구는 실내공기환경 평가에 CFD 기법을 활용한 사례로, 향후 관련연구 수행시의 기초자료로 활용될 수 있으리라 판단된다.
본 연구는 크게 공동주택 환기시스템의 환기성능 현장실측, 환기효율 향상을 위한 거실 및 침실의 계획지침 개발, 그리고 효율적인 환기시스템 설계를 위한 환기계획 프로세스 제안으로 구성되었고, 각 부분별 결론은 다음과 같다.

(1) 현행 공동주택 환기시스템의 현장실측결과 및 CFD 해석의 신뢰도 확보

공동주택 세대 내의 오염원으로 주방의 가스레인지와 거실의 인체를 가정하여 수행한 현행 공동주택 환기시스템의 환기성능 실측결과로부터 환기시스템의 환기성능은 오염물질 발생강도, 발생위치, 이동경로와 급배기구와의 거리 등이 변수로 작용하고 있음을 알 수 있었다. 따라서 환기시스템 설치시에는 설계단계에서 실내의 오염물질의 발생강도, 발생위치, 이동경로를 고려하여 적절한 급배기구의 위치에 대한 고려가 반드시 필요하며, 이러한 과정을 거쳐 최적의 환기시스템 설계가 이루어져야 함을 알 수 있었다.
현행 환기시스템의 환기효율 산정을 위하여 본 연구에서는 CFD 기법을 이용하였으며, 현장실측결과와의 비교를 통해 CFD 해석의 신뢰도를 확보할 수 있었고, 이후 신뢰도가 확보된 CFD 해석을 이용하여 공동주택의 환기효율 향상지침을 제안하였다. 또한, 해석의 신뢰도가 확보될 경우 건물의 실내공기환경 평가에 CFD 기법의 활용이 가능함을 확인할 수 있었다.

(2) 공동주택 환기시스템의 환기효율 향상을 위한 거실의 환기계획지침

거실공간은 크게 주방과 거실부분으로 나뉘고 실별 오염물질 발생특성은 서로 다르므로 환기시스템은 거실과 주방부분으로 나누어 계획하여야 한다.

거실 환기시스템의 급기구와 배기구는 실 전체에 균일한 기류를 공급할 수 있 도록 2개 이상을 설치하여야 한다.

환기시스템의 급기구는 오염물질 발생원에 가까이 설치하되 오염물질 발생원 의 직상부에 급기구를 설치하는 것은 피해야 한다.

평면상 정방형을 벗어나는 요철부위는 급기구의 설치위치로 적합하지 않다.

환기시스템의 배기구는 오염물질 발생원에 가까이 설치되어야 한다.

실내 다수의 부위에서 오염물질이 발생하는 경우에는 각각에 대응할 수 있는 부위별 환기계획이 필요하며, 부위별 환기계획시 환기량 증가를 방지하기 위해 서는 부위별 사용패턴 및 사용시간을 고려한 환기량 제어가 필요하다.

(3) 공동주택 환기시스템의 환기효율 향상을 위한 침실의 환기계획지침

침실과 같이 상대적으로 작은 체적의 정방형 공간에서는 환기시스템의 급배기 구를 하나씩만 설치해도 환기효율을 향상시킬 수 있으나, 급기구만을 설치하는 현행 시스템의 경우 배기구를 통한 오염물질 제거효과가 떨어지므로 급배기구 는 동시에 하나이상을 설치하는 것이 바람직하다.
30m3 정도의 체적을 가지는 일반적인 공동주택의 침실공간에서 급배기구를 하 나씩 설치하는 경우, 환기시스템의 배기구는 오염원에서 가까운 곳에 설치하고 급기구의 위치는 그 대각선 방향에 설치하는 것이 환기효율 향상에 유리하다.

급배기구의 수를 동시에 증가시켜 환기를 유도하는 경우에는 우선적으로 배기 구의 위치를 오염원에 인접하여 설치한 후, 오염원에 인접한 곳에 급기구를 설 치하여 희석환기효과를 도모하는 것이 바람직하다.

(4) 환기시스템의 환기계획 프로세스

제 단계
실내의 오염물질 발생원 및 발생량에 따라 일반적인 방법으로 필요환기량을 산정한다. 그러나, 일반적인 방법으로 산정된 필요환기량은 완전확산을 가정함에 따라 실제 현상과는 차이가 있게 되므로 추후 환기효율을 산정하여 보정하는 과정을 거쳐야 한다.

제 단계
환기효율은 급배기구의 위치 및 풍량에 따라 달라지는 특성을 가지므로 본 연구에서 제안한 환기계획지침을 기본으로 급배기구의 위치를 선정한 후 덕트설계를 한다. 단, 이때 환기시스템 본체의 위치는 외기와 직접 면할 수 있는 곳이어야 하며, 세대의 평면특성을 고려하여 덕트를 통한 정압손실 등이 최소화할 수 있도록 한다. 또한, 시스템의 팬을 통한 소음이 발생될 수 있으므로 덕트 내에 소음기 등을 설치하여 세대내로 소음이 전파되지 않도록 한다.

제 단계
실별 오염발생특성을 고려하여 존별 가동시간을 제어할 수 있는 제어시스템을 구축한다. 제어시스템은 공동주택의 오염물질 발생특성에 따라 세대를 거실부, 주방부 및 침실부로 나누어 제어할 수 있도록 하며, 존별 사용시간에 따라 사용부위에만 집중적인 풍량을 공급함으로써 실제 환기시스템의 환기량은 증가되지 않도록 한다.

제 단계
기본계획이 된 환기시스템을 토대로 CFD 해석의 과정을 거쳐 각 공간에서의 환기효율을 산정하고 환기효율을 고려하여 필요환기량을 보정한다.

이상의 과정을 통하여 공동주택의 기계환기시스템 설계시 효율적인 환기를 가능하게 하는 필요환기량을 산정할 수 있게 된다. 본 연구에서는 실제 공동주택을 대상으로 본 연구에서 제안한 효율적인 환기계획을 적용하였으며, 적용결과로부터 효율적인 환기계획시 환기시스템의 용량을 증대시키지 않으면서도 환기효율을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 16
• 1.1 연구의 배경 및 목적 16
• 1.2 연구의 내용 및 방법 18
• 1.3 연구의 범위 21
• 1.4 국내외 연구동향 22
• 제 2 장 실내공기환경 및 환기효율에 관한 이론적 고찰 27
• 2.1 실내공기 오염물질 및 인체에 미치는 영향 27
• 2.1.1 공동주택의 실내공기 오염인자 27
• 2.1.2 이산화탄소(Carbon Dioxide, CO2) 30
• 2.1.3 일산화탄소(Carbon Monoxide, CO) 30
• 2.1.4 질소산화물(Nitrogen Oxide, NOx) 31
• 2.1.5 아황산가스(Sulfur Dioxide, SO2) 31
• 2.1.6 분진(Particulate, PM10) 32
• 2.1.7 라돈(Radon, Rn) 32
• 2.1.8 포름알데히드(Formaldehyde, HCHO) 34
• 2.1.9 휘발성 유기화합물(Volatile Organic Compounds, VOCs) 35
• 2.2 국내외 실내공기환경 기준 37
• 2.2.1 국내 실내공기환경 기준 37
• 2.2.2 국외 실내공기환경 기준 39
• 2.3 환기효율(Ventilation Effectiveness) 41
• 2.3.1 환기효율의 정의 및 산정 41
• 2.3.2 환기효율을 고려한 필요환기량 산정방법 48
• 제 3 장 공동주택 환기시스템의 국내외 현황 및 환기효율 현장실측 55
• 3.1 공동주택 환기시스템의 국내현황 및 실 사용패턴 조사 55
• 3.1.1 공동주택 환기시스템의 현황 55
• 3.1.2 공동주택의 실 사용패턴 57
• 3.2 공동주택 환기시스템의 국외현황 59
• 3.2.1 일본 가지마 건설의 24시간 환기시스템 59
• 3.2.2 일본 미쓰비시 24시간 환기시스템 60
• 3.2.3 European NatVent 프로젝트에서 개발한 열회수식 자연환기시스템 62
• 3.2.4 스웨덴 바코의 24시간 환기시스템 63
• 3.3 공동주택 환기시스템의 환기효율 현장실측 64
• 3.3.1 실험대상 공동주택 64
• 3.3.2 실험방법 68
• 3.4 실측결과 71
• 3.4.1 실별 배기부의 농도분포 71
• 3.4.2 실별 중앙부의 오염물질 농도 75
• 3.5 소 결 77
• 제 4 장 CFD 기법을 이용한 공동주택 환기시스템의 환기효율 해석 80
• 4.1 CFD 해석의 개요 80
• 4.1.1 CFD 해석의 개념 80
• 4.1.2 유체유동의 기본 지배방정식 81
• 4.1.3 난류모델(Turbulence Model) 83
• 4.1.4 해석도구 85
• 4.2 해석의 신뢰도 검증 86
• 4.2.1 해석대상모델 및 경계조건 86
• 4.2.2 해석결과 및 검증 88
• 4.2.3 국소평균 잔여체류시간 및 국소환기효율의 산정 102
• 4.3 공동주택 거실의 환기효율 향상방안 마련을 위한 CFD 해석 103
• 4.3.1 해석개요 104
• 4.3.2 오염물질과 급기구와의 거리에 따른 환기효율 104
• 4.3.3 오염물질과 배기구와의 거리에 따른 환기효율 115
• 4.3.4 급기구 수 증가에 따른 환기효율 125
• 4.3.5 배기구 수 증가에 따른 환기효율 132
• 4.3.6 급배기구 수 증가에 따른 환기효율 138
• 4.3.7 소 결 144
• 4.4 공동주택 침실의 환기효율 향상방안 마련을 위한 CFD 해석 146
• 4.4.1 해석개요 146
• 4.4.2 급기구 위치에 따른 환기효율 148
• 4.4.3 급기구 수 증가에 따른 환기효율 151
• 4.4.4 급배기구 수 증가에 따른 환기효율 153
• 4.4.5 소 결 156
• 제 5 장 공동주택의 환기효율 향상을 위한 환기계획기법 157
• 5.1 공동주택의 환기효율 향상을 위한 환기계획지침 157
• 5.1.1 공동주택 거실의 환기계획지침 157
• 5.1.2 공동주택 침실의 환기계획지침 158
• 5.2 공동주택 환기효율 향상을 위한 건축적 고려사항 159
• 5.2.1 환기시스템 본체의 설치위치 159
• 5.2.2 천장 속 공간의 높이 160
• 5.3 공동주택의 환기효율 향상을 위한 관리지침 161
• 5.3.1 환기효율 향상을 위한 실별 제어기법 161
• 5.3.2 공동주택 재실스케쥴에 따른 제어지침 및 레인지후드와의 연동제어 162
• 5.4 공동주택 환기시스템의 계획프로세스 164
• 제 6 장 환기효율 향상을 위한 환기계획기법의 적용 및 환기효율을 고려한 필요환기량의 산정 166
• 6.1 공동주택의 평면구조에 따른 유형분류 166
• 6.1.1 20평형대 166
• 6.1.2 30평형대 167
• 6.1.3 50평형대 168
• 6.2 공동주택의 평형별 환기계획 수립 및 환기효율을 고려한 필요환기량의 산정 170
• 6.2.1 공동주택의 오염물질 발생량에 따른 필요환기량 산정 170
• 6.2.2 환기시스템 본체 및 급배기구의 위치 결정 172
• 6.2.3 존별 제어시스템의 구축 174
• 6.2.4 평형별 환기효율 해석 및 필요환기량의 보정 174
• 제 7 장 결 론 183
• 참고문헌 187
• 국문초록 192
• ABSTRACT 196
• [부 록] 경과시간별 CFD 해석결과 200