| 논문명 |
난방 운전 시 부력 효과에 의한 소강당 외기 침기량 영향에 관한 실측 및 해석모델 연구 / Experimental and Modeling Study of Buoyancy-Driven Infiltration in a Small Auditorium during Heating Operation |
| 저자명 |
윤종석(Jong Seok Yoon) ; 김영일(Young Il Kim) |
| 수록사항 |
설비공학논문집, Vol.38 No.7 (2026-07) |
| 주제어 |
환기횟수; 강당; 부력; 난방; 실내공기질; 환기 ; Air change per hour; Auditorium; Buoyancy; Heating; Indoor air quality; Ventilation |
| 요약1 |
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 , 틈새간격 , 틈새길이 , 열부력 압력차 , 중성대높이 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 = 0.65, 이상기체 상태식, 부력식을 적용하여 문과 벽의 틈새를 통한 유입 및 유출 유량을 계산하였다. EES(7)를 활용하여 중성대 높이 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. |
| 요약2 |
This study analyzed infiltration characteristics driven by thermal buoyancy during winter heating in a 604 m³ auditorium. Temperature, humidity, and CO₂ concentration were measured under five conditions: natural ventilation, and outdoor air damper opening ratios of 0% and 30% (both with and without heating). The lowest air change rate was observed during natural ventilation at 0.197 h?¹. With the outdoor air damper at 0%, the air change rate during heating was 1.127 h?¹, which was 0.351 h?¹ higher than the non-heating condition (0.776 h?¹). At a 30% damper opening, the air change rate during heating was 1.351 h?¹, an increase of 0.254 h?¹ compared to the non-heating condition (1.097 h?¹). This increase is attributed to the elevated indoor temperature during heating, which creates a density difference between indoor and outdoor air, leading to pressure differences. Consequently, the outdoor pressure becomes higher than the indoor pressure in the lower part of the building envelope, causing infiltration, while the outdoor pressure becomes lower in the upper part, resulting in exfiltration. An analytical model incorporating thermal buoyancy was developed to calculate infiltration through five doors and envelope cracks. The model's results showed excellent agreement with measurements, with errors of 0.14% at 0% opening and 0.26% at 30%. The proposed analytical model can effectively predict infiltration rates during heating operation. |
