역류방지 기능에 의해 효율적인 자연환기 시스템
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역류방지 기능에 의해 효율적인 자연환기 시스템

<밸런스식 역류방지창(Swindow)을 이용한 자연 환기>
- 산쿄다테야마(주) / 호리 타케후미

1. 머리말


근년에 들어와 지구온난화에 대한 관심이 높아지고 에너지 절감을 위해 다양한 시도가 이루어지는 가운데 ZEB(Zero Energy Building)라든가 ZEH (Net Zero Energy House)를 향해 급속도로 진화하고 있다. 건축 분야에서는 고단열 외피에 더해 조명이나 공조설비 등의 소비전력 삭감이라든가 내부 발열 감소에 의한 에너지 절감도 진행되고 있다. 섀시 분야에서는 단열성능 향상에 따른 공조 에너지 소비 삭감을 중심으로 추진되고 있다. 

그러나 빌딩 고층화가 진행됨에 따라 FIX 창이 주류여서 실내환경을 쾌적하게 유지하려면 공조 기기 및 환기설비를 상시 필요로 하는 경우가 많다. 건물 외부에는 바람이라는 자연 에너지가 무진장 존재한다. 쾌적한 봄가을에는 외기를 적극적으로 도입하면 환기라든가 외기 냉방과 같은 효과가 있고 공조 에너지, 환기·반송동력 에너지의 삭감으로 이어진다. 또한 자연의 바람을 맞는 해방감 등 자연환기에 의한 이점도 많다. 

일찍이 자연환기에 대해 연구해 온 산쿄다테야마(주)는 효율적인 자연환기를 실현하기 위해 기류 해석과 동시에 다양한 자연환기 개구에 대해 연구해 왔다. 

일례로 바람의 방향성을 제어하기 위한 섀시 개발에 몰두했다. 본고에서는 그 선구자격 밸런스식 역류방지창 <Swindow>를 사용한 효율적인 자연환기에 대해 기술한다. 


2. 자연환기와 에너지 절감 


실내에 거주자가 있으면 깨끗한 실내환경을 유지하기 위해 상시 환기해야 한다. 기계환기·기계공조에 대해서는 절전화가 진행되고 있지만 전력 소비를 없앨 수는 없다. 일본은 섬나라이고 사계절이 있다. 건물 외부에는 사계절을 통해 바람이 분다. 특히 봄가을의 중간기에는 기분 좋은 바람이 부는데 이 바람을 이용해 환기를 하면 쾌적한 실내환경을 창출할 수 있다. 자연환기를 유효하게 활용할 수 있는 시간대에 환기설비를 정지하면 그만큼 소비 에너지가 삭감할 것으로 전망된다. 

외부로부터 일사 등의 열이 실내에 유입되기도 하고 또 실내에서 발생하는 열로 인해 실내온도가 상승한다. 외기온도가 실내온도보다 낮을 경우 외기를 적극적으로 받아들이면 공조부하 저감으로도 이어진다. 야간의 나이트 퍼지(night purge)를 이용하는 경우에도 공조 기동 부하 저감에 기여하는 등 자연환기를 함으로써 건물의 에너지 절감성에 크게 도움이 된다. 


3. 자연환기의 원리와 효율적인 환기


자연환기에는 중력환기와 풍력환기가 있다. 중력환기란 실내에서 따뜻해진 공기가 상승하는 성질을 이용하는 환기를 말한다. 이는 하부에 마련된 급기 개구로 외기를 받아들이고 상부에 배기 개구를 마련해 열기를 빼내는 환기경로를 갖는다. 풍력환기란 풍력을 이용하는 환기 방법이다. 원래 바람은 예측 불능이라고 하지만 최근에는 기상 데이터를 충실히 함으로써 바람의 특성이 명확해져 활용 면에서 예측 가능해졌다. 자연환기 사용 빈도를 더욱 높이려면 바람의 특성을 읽어 풍향, 풍속에 대한 사고방식을 정리해 둘 필요가 있다. 이번에는 ‘바람의 방향성’과 ‘중력 환기’에 주목해 풍향 제어를 목적으로 하는 환기 개구를 소개한다. 

대공간을 모델로 생각하면 공간 중에서는 하부에서 상부를 향해 서서히 따뜻해진다. 거주자가 활동하는 거주역과 천장에 가까운 비거주역으로 나뉜다. 이 같은 온도분포가 정돈된 상태를 온도성층이라고 한다. 이 공간을 환기할 경우 중력환기를 이용하려면 하부에 급기 개구를, 상부에 배기 개구를 만든다. 또한 풍력환기를 할 경우에는 풍상측(바람이 불어 들어오는 쪽)에 급기 개구를, 풍하측(바람이 불어 나가는 쪽)에 배기 개구를 만든다. 따라서 이 공간에 개구를 4개소 두는 것이 좋다. 

<그림 1>은 모든 환기 개구를 바람이 없는 상태에서 개방한 그림으로 돼 있다. 이 때 바람의 힘은 작용하지 않기 때문에 중력환기가 작용하고 아래에서 급기해 상부에서 빼내는 중력환기가 이뤄지고 있기 때문에 온도성층이 흩어지지 않아 효율적인 환기이다. 

그러나 바람이 불면 <그림 2>에 나타내는 바와 같이 모든 환기 개구가 개방돼 있는 경우에는 풍상측에서 외기가 들어옴으로써 상부로부터 냉기가 흘러들어가 온도성층을 어지럽힌다. 그러므로 거주역의 쾌적성이 저해된다(혼합 환기라고 한다). 

그래서 <그림 3>과 같이 풍상측 상부를 폐쇄하고 풍하측 하부를 폐쇄함으로써 풍상측 하부로부터 냉기를 받아들이고 실내에서 따뜻해진 공기를 풍하측 상부로 빼냄으로써 온도성층을 흐트러뜨리지 않고 중력환기와 풍력환기를 양립하는 환기계획을 실현한다. 

그러나 바람은 변덕이 심해 바람의 세기나 풍향이 일정하지 않다. 수동 조작에서는 풍향 변화에 따라 그때마다 개방상태를 바꿀 수가 없다. 풍향 센서로 제어할 경우에도 시시각각 변화하는 풍향에 대해 항상 창문을 여닫는 것은 에너지 절감 대책이라고 할 수 없다. 

그래서 풍향에 따라 창문을 자동으로 여닫는 기능을 탑재한 것이 밸런스식 역류방지창 ‘Swindow’이다. 이로써 바람의 방향성을 제어해 이상적인 ‘바람의 길 만들기’에 성공했다. 

 

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<2019년 12월 월간 설비기술 '특집 2' 일부 발췌>