工學碩士學位論文

천장형 냉난방기 설치에 따른 교실

공조환경개선에 관한 연구

2002年 7月

昌原大學校 産業情報大學院

建築工學科 建築工學專攻

朴 孝 碩

工學碩士學位論文

천장형 냉난방기 설치에 따른 교실

공조환경개선에 관한 연구

A Study on the Conditioned Environment Improvement in Class

Room installed with Ceiling Type Air-Conditioning System

指導敎授 崔 禎 珉

이 論文을 工學碩士學位論文으로 提出함.

2002年 7月

昌原大學校 産業情報大學院

建築工學科 建築工學專攻

朴 孝 碩

목 차

제1장. 서 론 ·········································································1

1.1 연구의 배경 및 목적 ·········································································1

1.2 연구의 범위 및 방법 ·········································································3

제2장. 교실 공조환경개선을 위한 예비적 고찰 ········5

2.1 인간과 열환경·····················································································5

2.1.1 열환경에 대한 인간의 반응 ····································································5

2.1.2 열쾌적 지표 ································································································7

2.1.3 국부 불쾌감 유발요인 ············································································11

2.2 실내 온열환경에 관한 국내외 기준 ·············································14

2.2.1 일반적 이론 ······························································································14

2.2.2 국내의 실내환경 기준 ············································································15

2.2.3 국외의 기준 ······························································································16

2.3 학교에서의 냉난방 방식 ········································································18

2.3.1 열원방식에 따른 냉난방방식의 유형 ··················································18

2.3.2 천장형 냉난방방식의 유형····································································22

2.3.3 천장형 실내카세트의 구조····································································26

제3장. 학교 냉난방시설 현황 ········································27

3.1 학교건물의 시설 및 특징 ·····························································27

3.1.1 학교 냉난방시설의 변천 ········································································27

3.1.2 교실의 구성 및 특징 ··············································································28

3.1.3 학교 냉난방시설 고려사항 ····································································30

3.2 학교의 냉난방시설···········································································33

3.2.1 냉난방설비 설치현황··············································································33

3.2.3 냉난방 일수 ······························································································39

3.2.3 학교 교실의 규모 ····················································································40

3.3 온도분포 및 기류속도 예측방법 ·····················································42

3.3.1 실험적 방법 ······························································································42

3.3.2 수치해석적 방법 ······················································································43

3.3.3 수치해석 이론··························································································44

제4장. 실내온도분포 및 기류속도의 예측과 분석 ···50

4.1 해석방법 및 모델 ·············································································50

4.1.1 시뮬레이션 개요 ······················································································50

4.1.2 시뮬레이션 대상공간 ··············································································50

4.1.3 시뮬레이션 조건 및 결과의 평가기준 ················································52

4.2 토출온도 변화에 따른 실내환경 예측결과 ·································56

4.2.1 실내 평균온도 ··························································································56

4.2.2 실내 온도분포 및 기류속도 ··································································57

4.2.3 소결 ············································································································59

4.3 토출각도 변화에 따른 실내환경 예측결과 ·································64

4.3.1 PMV ··········································································································64

4.3.2 ADPI ··········································································································65

4.3.3 토출각도 변화에 공간크기별 실내온도 분포 및 기류분포 ············66

4.3.4 소결 ············································································································67

제5장. 결 론 ········································································74

참고문헌 ····················································································································76

표 목 차

〈표 2-1〉열쾌적 회귀방정식 (ASHRAE) ···········································10

〈표 2-2〉중앙관리 방식의 공기조화 설비의 실내 환경기준 ··········15

〈표 2-3〉냉난방방식의 열원방식별 비교············································18

〈표 2-4〉FCU 설치위치에 따른 비교·················································22

〈표 3-1〉각 학교평면에 나타난 실명의 종류 ····································29

〈표 3-2〉전국 초․중․고등학교 난방개선대상 현황······················33

〈표 3-3〉지역별 난방일수 ······································································39

〈표 3-4〉지역별 냉방일수 ······································································39

〈표 3-5〉고등학교 실별 규모분석 ························································41

〈표 4-1〉토출온도 계산조건 ··································································53

〈표 4-2〉토출각도 계산조건 ··································································53

〈표 4-3〉경계조건 ····················································································54

그 림 목 차

〔그림 2-1〕신유효온도의 쾌적범위 ························································9

〔그림 2-2〕PPD와 PMV ········································································10

〔그림 2-3〕머리와 발목에서의 수직 온도차와 예상 불만족도 ······11

〔그림 2-4〕평균 기류속도와 예상 불만족도 ······································12

〔그림 2-5〕제품별 온도분포 비교························································21

〔그림 2-6〕인버터 냉난방기의 구동 개념도 ······································22

〔그림 2-7〕인버터 냉난방기 사이클 구성도 ······································23

〔그림 2-8〕인버터 냉난방 사이클 ························································24

〔그림 2-9〕디지털 스크롤 압축기의 운전방법 ··································25

〔그림 2-10〕천장형 카세트의 구조······················································26

〔그림 3-1〕냉난방면적 (초등학교, 2001년) ········································36

〔그림 3-2〕연도별 냉난방면적 추이(초등학교) ·································36

〔그림 3-3〕연도별 개별난방방식 분포 추이(초등학교) ···················36

〔그림 3-4〕냉난방면적 (중학교, 2001년) ············································37

〔그림 3-5〕연도별냉난방면적추이(중학교) ·········································37

〔그림 3-6〕연도별 개별난방방식 분포 추이(중학교) ·······················37

〔그림 3-7〕냉난방면적 (고등학교, 2001년) ········································38

〔그림 3-8〕연도별냉난방면적추이(고등학교) ·····································38

〔그림 3-9〕연도별 개별난방방식 분포 추이(고등학교) ···················38

〔그림 4-1〕수치해석에 사용된 3종류 공간크기································52

〔그림 4-2〕시뮬레이션을 위한 천장형 냉난방기 형태 ····················52

〔그림 4-3〕수치해석에 사용된 공간에 대한 그리드 시스템 ··········55

〔그림 4-4〕공간크기별 토출온도와 실내평균온도와의 관계 ··········56

〔그림 4-5〕공간크기별 수직단면 기류분포 ········································60

〔그림 4-6〕공간크기별 수평단면 기류분포 ········································61

〔그림 4-7〕공간크기별 수직단면 온도분포 ········································62

〔그림 4-8〕공간크기별 수평단면 온도분포 ········································63

〔그림 4-9〕공간크기별 토출각도와 PMV와의 관계 ························65

〔그림 4-10〕공간크기별 토출각도와 ADPI와의 관계 ······················66

〔그림 4-11〕토출각도별 수직단면 기류분포(Geo-1) ·······················68

〔그림 4-12〕토출각도별 수직단면 기류분포(Geo-2) ·······················69

〔그림 4-13〕토출각도별 수직단면 기류분포(Geo-3) ·······················70

〔그림 4-14〕토출각도별 수직단면 온도분포(Geo-1) ·······················71

〔그림 4-15〕토출각도별 수직단면 온도분포(Geo-2) ·······················72

〔그림 4-16〕토출각도별 수직단면 온도분포(Geo-3) ·······················73

- 1 -

제1장. 서 론

1.1 연구의 배경 및 목적

현행 학교건물의 난방설치는 고등학교이하각급학교설립운 규정 (제15483

호 : 1997년 9월)에서 교실의 온도기준을 18℃ 이상으로 유지해야 한다 (제

11조 제1항)는 조항에 근거를 두고 시행되고 있다. 이 기준에 따르면 학교건물

의 교실은 온도의 하한선만이 규정되어 있고 별도 냉방에 대한 근거는 마련되

어 있지 않고 있는 실정이다. 그러나 경제성장에 따른 생활수준의 향상과 교육

시설의 중요성이 인식되면서 쾌적한 학교 교실학습환경을 조성하기 위해 현대

식으로 냉난방을 동시에 해결할 수 있는 방식의 도입 등 교육환경개선이 요구

되고 있다.

그러나 근래 들어 일반가정 및 사무용 건물에서는 냉난방설비의 보급이 대폭

확대되는 추세에 비해 학교의 난방시설은 상대적으로 낙후되어 있고, 특히 냉

방시설의 경우 교실에 선풍기 설치정도가 전부로써 성장단계에 있는 학생들에

게 덥거나 추운 점등이 학교생활에서 가장 어려운 점으로 부각되고 있다. 또

한, 인터넷, TV, 신문보도 및 사용자평가 설문응답 등 각종 매체를 통한 민원

제기로, 학생들의 학습환경을 개선해야 한다는 요구가 거세어지고 있으며, 냉

난방을 동시에 할 수 있는 설비의 요구가 확대추세를 보이고 있다.

한편, 경남지역에 있어서도 학생 및 교직원들을 중심으로 종전에는 난방에서

최근에는 냉난방을 동시에 할 수 있는 시설의 요구가 거세어지고 있으며 이에

따른 학교건물을 신축할 경우에는 반드시 냉난방시설을 하도록 권장하고 있으

며, 기존건물에서도 냉난방설비의 설치가 확산되고 있다.

또한, 학교시설 현대화 계획에 따라 에너지의 효율적 이용과 쾌적하면서도 환

- 2 -

경친화적인 학습환경 구현을 위하여 일련의 노력들이 진행되고 있으나, 지금까

지는 대부분이 실내 환경의 쾌적성 측면보다는 적정 온도조건의 유지에만 국

한된 에너지 절약측면만을 강조하여 기류의 속도 및 방향 등 종합적인 향에

의한 평가는 아직까지 이루어지지 못하고 있는 실정이다. 이에 따라 교육인적

자원부에서는 학교시설에 적합한 냉난방시설 모형을 개발하기 위하여 「학교

건물의 냉난방시스템 적용성 평가 연구」1)를 수행한 바 있으며, 천장형 냉난

방기2)를 그 모형 가운데 하나로 제시한 바 있다.

그러나 상기 연구에서는 각 교실별 형상과 규모에 따라 천장형 냉난방기에서

취출되는 공기의 온도 및 풍향 그리고 풍속을 보다 면 히 설정하여 재실자의

쾌적성을 보다 높일 수 있는 운 방안을 제시해야 함에도 불구하고 가로

8.2m, 세로 8.2m, 높이 2.6m 교실 크기로만 검토하여 운 방안을 제시함으로

써, 이 이외의 교실 규모, 크기에 적용하기에는 한계를 지니고 있다.

이에 본 연구에서는 천장형 냉난방기 설치 및 운 시 실내공조환경에 미치는

향을 면 히 분석하여 겨울철 난방기간의 적정 운 방안을 제시하는 것이

목적이며, 이를 통해 최근 교실에서 급속도로 증가하고 있는 냉난방기의 설치

및 운 을 효율성 있고 체계적으로 추진하도록 하고, 학교에서 쾌적한 학습환

경을 최대한 제공하여 학생 및 교직원들이 학교에 오래 머물도록 유도하고, 학

습능률을 높이는 목적으로 본 연구를 수행한다.

1) 학교시설 환경기준에 따른 학교건물 냉난방설비의 본격적인 보급에 앞서 체계

적이고 효율적인 학교건물의 냉난방설비에 대한 기본 방안의 수립을 목적으로

2000년 한국에너지기술연구소에 학술연구를 진행, 학교 냉난방 모델설계 및 평

가 결과에 의해 경제성, 유지관리성, 쾌적성 등에서 우수한 제품으로 평가된 천

장형 냉난방기를 향후 냉난방설비에 대한 모형으로 제시하고 이에 대한 유지관

리지침서 및 시방서 등을 작성하 다.

2) 천장형 냉난방기 이외에는 패키지에어컨, 팬코일 유닛 등이 있다.

- 3 -

1.2 연구의 범위 및 방법

전술한 바와 같이 본 연구에서는 경남지역의 고등학교를 대상으로 교실 규모

및 크기에 대한 조사를 통해 가장 일반화된 교실 형상과 규모 3가지 유형을

추출하고, 이 교실들에 대해 천장형 냉난방기 설치 및 운 시 교실 실내공조환

경에 미치는 향을 면 히 분석하여 겨울철 난방기간의 적정 운 방안을 제

시하는 것이 목적이다.

이에 본 연구에서는 학교 건물에서 보급이 확대되고 있는 천장형 냉난방기에

대하여 경남지역의 고등학교 가운데, 적용가능성이 매우 높은 실 규모를 대상

으로 선정하 다. 분석기법으로는 열전달 및 유체유동 수치해법인 FVM(Finite

Volume Method)을 적용하여 교실의 온도 및 기류환경을 CFD(computational

fluid dynamics)로 해석하 다.3)

또한, 천장형 냉난방기의 적정 운 방안을 도출하기 위해 천장형 냉난방기의

취출공기 온도 및 풍향의 2가지 인자를 주요 변수로 설정하여 CFD 해석을 통

해 교실 실온의 분포와 기류의 흐름, 세기 등에 미치는 향을 종합적으로 분

석함으로써 쾌적한 실내환경 조건에 만족할 수 있는 운 방안을 겨울철 난방

에 대하여 제시하고자 한다.

보다 구체적인 본 연구의 내용에 대해 상술하면 다음과 같다.

3) 열전달과 유체유동 과정의 예측방법에는 실험적 연구와 이론 계산의 두가지가

있다. 실험적 연구는 교실의 실내환경에 대해 가장 믿을 만한 정보를 실제 측정

을 통해 얻을 수 있게 해준다. 그러나 실물크기를 사용하여 수행하는 실험은 비

용이 많이 들며, 이의 대안으로서 축소 모델을 사용하여 실험을 수행할 수도 있

으나, 결과적으로 얻어지는 정보는 실물크기에 대하여 보간을 행하여야 한다. 또

한 측정장치의 오차가 항상 있을 수 있는 단점이 있다. 따라서 이에 대한 대안

으로서 이론적 예측을 시행하게 되는데, 이 이론계산은 실제 물리적 모델의 결

과라기 보다는 수학적 모델의 결과로, 저렴한 경비와 소요시간, 완벽한 정보, 실

제적인 조건을 모사하는 능력 등이 장점을 지니고 있다.

- 4 -

1) 쾌적한 교실환경을 위한 예비조사로서 실내 온열환경의 구성인자 및 국내

외 쾌적기준, 수치해석이론 등에 대해 조사한다.

2) 학교의 냉난방시설을 위한 예비적 고찰로써 학교 냉난방 설치방안 및 학

교건물의 특징, 실 용도별 고려사항을 조사하고, 이와 함께 국내 및 경남지역

에서의 학교건물의 냉난방설비 설치현황 및 냉난방 계획시 요구조건, 난방 일

수 등 여러 자료를 조사 분석하여 본 연구의 기초자료로 활용한다.

3) 이와 함께 경남지역의 고등학교 실별 크기 분석을 통해 천장형 냉난방기

가 설치된 교실 공간의 일반적인 유형 및 형상 3가지를 정형화하여, 이를 시뮬

레이션 대상 공간으로 선정하며, 시뮬레이션 대상 공간 내 교실의 경계조건 등

을 분석한다.

4) 천장형 냉난방기의 난방시 적정 운 방안을 도출하기 위해 천장형 냉난

방기 설치에 따른 난방기간에서의 취출공기 온도 및 풍향의 2가지 인자를 주

요 변수로 설정하여 CFD 해석을 실시한다.

5) CFD 해석에서 나타난 대상 교실의 온도분포와 기류속도, 방향 등을 토대

로 난방시 온도의 분포 및 형성구역과 기류의 흐름, 세기 등에 미치는 향을

종합적으로 분석함으로써 난방시 쾌적면적 비율을 높이기 위한 취출시 적정

온도 및 기류속도, 기류방향 등 쾌적한 실내환경 조건에 만족할 수 있는 운

방안을 겨울철 난방을 중심으로 제시하고자 한다.

- 5 -

제2장. 교실 공조환경개선을 위한 예비적 고찰

2.1 인간과 열환경

실내에서의 공기분포는 공기조화 시스템의 성능을 평가하는 주요 요소 가운

데 하나이다. 쾌적한 환경유지를 위한 공기조화는 실내의 거주역에서 균일한

실온분포와 적절한 기류속도가 유지되어야 하며, 이와 같은 환경은 취출구와

흡입구의 배치, 취출구의 형식, 취출 공기의 풍량, 온도, 속도, 방향 등에 따라

크게 좌우된다.

2.1.1 열환경에 대한 인간의 반응

건축물은 기후의 여과기로서 건물 외피를 통하여 실외의 자연 환경으로부터

인간이 쾌적하게 활동 할 수 있는 실내 환경을 조성하는 것이다. 쾌적상태란

열에 의해 환경에 대하여 만족을 표현하는 마음의 상태 로서 쾌적한 열환경

은 열에 의해 재실자가 스트레스나 긴장감을 받지 않는 환경을 말한다.

인간은 더위와 추위를 피부로 느끼므로, 열적으로 쾌적한가, 그렇지 못한가는

피부 온도에 달려 있다. 쾌적함을 느끼는 피부온도는 개인적으로 차이가 있지

만 몸전체 평균온도가 약31℃에서 34℃일 때이다. 이러한 피부 온도는 피부에

공급되는 열량과 손실 또는 방출열량이 평형을 이루어야만 유지된다.

체내의 열이 방사될 수 있기 위해 피부온도는 항상 실내온도보다 낮아야 하

고, 체내의 열방사가 적당히 이루어지는 주위환경의 온도범위를 쾌적범위

(comfort zone)라고 한다. 이러한 쾌적 범위에는 물리적 온열요소인 실온4), 습

도5), 기류속도6), 복사온도7) 뿐만 아니라 착의량8), 활동량9)과 같은 주관적 온

4) 실온과 관련하여 건구온도의 쾌적범위는 16℃∼28℃로서, 16℃이하에서는 옷을

두껍게 입거나 육체적 운동이 많이 요구되며, 30℃ 이상에서 쾌적한 상태를 유

지하기 위해서는 가벼운 작업시에도 큰 기류속도와와 증발이 요구된다.

- 6 -

열요소들이 향을 미친다.

인간은 생리적인 적응능력을 가지고 있으므로 쾌적 기준을 일정하게 하는 것

은 어려운 일이다. 인간의 최적점과 허용점은 열적 요소보다는 다른 요소에 의

해 좌우될 수 있다. 즉 쾌적한 범위를 제시하고 가능한한 사용자가 열적 조건

을 어느 정도 조절하도록 유도하는 것이 바람직하다.

․온열감각(thermal sensation) : 온열감은 열감각기관을 통하여 지각된다. 쾌

적 역에서는 신경활동이 극소화되고 중추 신경계의 자극은 최저가 된다. 온열

감각은 비교적 반응이 빠르며 환경에 노출된 후 15분이 경과하면 평형상태에

도달한다.

․불쾌감각(consequences of discomfort) : 지나치게 더운 환경이 작업능율의

저하를 초래한다는 것은 일반적인 내용이다. 그러나 불쾌감각을 평가하는 지표

가 다양하고 작업능율 측정방법도 다르기 때문에 불쾌감각을 일반화하기는 어

렵다.

5) 습도의 경우 쾌적온도에서는 증발냉각이 필요 없지만 고온에서는 이것이 가장

중요한 열발산 방법이다. 증발냉각에 의하여 열평형을 유지할 수 있는 최고온도

는 다음과 같이 상대습도(100% : 31℃, 50% : 38℃, 18% : 45℃, 0% : 52℃)

에 따라 다르다.

6) 기류속도에 따른 인체의 일반적 반응은 대체로 0.25㎧ 까지는 느끼지 못하고,

0.25∼0.5㎧는 쾌적함, 0.5∼1.0㎧는 공기의 움직임을, 1.0∼1.5㎧는 냉각효과를,

1.5㎧ 이상은 불쾌감을 느낀다. 따라서 더운 상태에서는 대개 1.0㎧ 정도에서 쾌

적하게 느끼며 1.5㎧ 정도가 허용범위이다. 1.5㎧ 이상이 되면 가벼운 물건들이

날리어 불쾌감이 생긴다. 추울 때 난방실내의 기류속도는 0.25㎧를 넘지 않아야

한다. 그러나 난방된 실내에서 기류가 전혀 없거나 0.1㎧ 이하가 되면 답답함을

느끼게 된다. 외부에서는 5.0㎧가 쾌적함을 느끼는 최대 한계수치이다.

7) 복사열의 향은 기온다음으로 온열감에 큰 향을 미친다.

8) 착의상태로 의복을 통과하는 열량은 공기층을 통한 전달, 섬유재료를 통한 전

도, 공기층과 섬유 사이의 복사 등 매우 복잡하다.

9) 활동에서 열쾌적의 범위는 인체의 물리적인 활동에 따라 다르다. 격렬한 운동

시에는 서늘한 상태가 열적 스트레스를 감소시키기 위하여 필요하나, 학교 내에

서 활동의 범위는 앉아서 수업을 받고 있을 때의 최소활동으로부터 교실을 걸어

다니거나 바닥을 걸레질하거나 계단을 오르거나 하는 등의 격렬한 활동에 이르

기까지 다양하다.

- 7 -

또한, 학교교실에서 학업능률에 대한 열환경의 향은, 온도가 상승함에 따라

개인별로는 학생들의 학업능률이 저하되고, 일정온도 이상에서는 학업성적에서

현격한 차이가 있는 것으로 알려지고 있다. 지능이 낮은 학생이 지능이 높은

학생보다 큰 향을 받으며, 저학년일수록 고학년보다 큰 향을 받는 것으로

밝혀지고 있다.

열환경에서 최대의 작업능률이나 학업능률을 얻을 수 있는 쾌적온도는 사람

마다 다르다. 열환경이 작업능률에 미치는 향은 쾌적온도 이상의 열환경 외

에도 낮은 온도에 의해서도 동일하게 나타난다. 또한 열환경이 사회적 행동에

미치는 향에 대한 연구로서 대중들의 공격적 행동에 의한 폭동이나 시위의

발생률이 고온과 저온의 열환경에 의해 향을 받는 것으로 알려져 있다.

이와 같은 연구에서 최적의 열환경 조건이 개인이나 작업의 종류, 작업시간

등 여러 가지 변수에 의해 다소의 차이가 있으나 이 결과는 지적․정신적 작

업을 수행해야하는 시설뿐만 아니라 산업분야에서도 활용됨으로써 최대의 능

률을 올릴 수 있는 공간계획의 기초자료로 사용할 수 있다.

2.1.2 열쾌적 지표

인체의 에너지는 음식과 산소의 섭취에 의해 만들어지며, 신진대사와 근육운

동에 의해 열이 생산되고, 그 생산열량은 주로 몸 표면 및 호흡으로 방열 된

다. 인체는 항온 동물이므로 생산열량과 균형을 유지하도록 주위의 열환경 변

화에 따라 체온조절 기능을 가짐으로써 체온을 일정하게 유지하고 있다.

사람은 신체의 열 수지차에 의해 더위와 추위의 정도를 느끼며, 앞서 살펴본

바와 같이 열수지에 관계가 있는 인체주위의 열환경 요소는 물리적 변수

(physical variables)인 온도, 습도, 기류 및 주벽의 복사열과 개인적 변수

(personal variables)인 활동량, 착의량을 들 수 있다.

우리들이 느끼는 온감에 대해 이들 각 요소 중 한 요소만이 작용하는 것이

- 8 -

아니고 개인적 변수의 조건과 물리적 변수인 6가지 요소의 조합에 의해 총합

적으로 작용하고 있다. 따라서 열환경을 평가하기 위해서는 이들 전 요소를 고

려하는 것이 이상적이기는 하지만, 요소가 많아질수록 평가가 복잡해지고 직감

성이 상실되므로 이와 같은 개념을 바탕으로 물리적 변수와 개인적 변수를 적

절히 조합하여 하나의 지표로 표시한 것을 열쾌적지표(thermal comfort index)

라고 한다. 이 지표는 각 요소를 조합한 열환경에 있어서의 재실자의 주관적

온감 상태를 통계적으로 처리하는 것이다.

인간은 주위 환경으로부터 상당히 복잡한 과정을 통해 쾌적한 상태를 느끼

게 되나 쾌적감을 느낄 수 있는 환경을 제공하는 물리․화학적 요인 중에서도

가장 중요한 것은 온도, 습도, 기류, 복사열 등을 인위적으로 조절하는 온열환

경이라 할 수 있다. 그래서 쾌적감과 온열환경의 관계를 파악하기 위한 연구는

19세기말부터 미국, 유럽 등지에서 시작되었고 실내온열조건과 인간의 온냉감

및 쾌적한 조건 등에 관해서는 많은 연구가 진행되고 있으며 냉난방공조의 설

정 조건으로서만이 아니라 실내환경평가의 지표로서도 활용되고 있다.

1) 신유효온도(New Effective Temperature : ET*)

기존의 유효온도에 관한 실험연구가 계속되어 A.P.Gagge등이 1971년에 개

발한 지표로, 1972년 ASHRAE Handbook, Fundamentals에 발표되었다. 이론

적으로 환경조건을 해석하고 이를 종합한 지표로 ASHRAE의 습공기 선도상

에서 상대습도 50%에 해당하는 점으로부터 등피부젖음율(Wetteness)선을 긋

고, 이 선상의 조건을 상대습도 50%인 기온과 같은 유효온도라고 한다.

유효온도가 상대습도 100%를 기준으로 한 것에 비하면 신유효온도(ET)는 일

반적으로 경험하는 상대습도인 50%를 기준으로 한 것이며, 쉽게 적용하기 위

해 도표로 나타내었다. 〔그림 2-1〕은 신유효온도의 쾌적한 범위를 나타낸

것이다.

- 9 -

〔그림 2-1〕신유효온도의 쾌적범위

2) 예상온열감(Predicted Mean Vote : PMV)

1967년 P. O. Fanger교수에 의해 제시된 예상온열감은 인간의 온열감각에 대

한 이론을 정량화 시킨 것으로, 열환경인자(건구온도, 평균복사온도, 기류속도

및 수증기 분압)를 측정하고 인체의 대사율, 의복의 저항 값 등을 산정하여 인

체의 열평형을 기초로 작성한 쾌적방정식에 대입, 인체의 온열감을 이론적으로

예측한 것이다.

즉, PMV는 온열환경 6가지 요소를 쾌적방정식에 대입시켰을 때 발산열량과

방열량의 인체열부하와 사람의 온열감각을 피험자 실험에 의해 연관시켜 나타

내는 지표로서, 1984년 ISO에 의한 ISO 7730으로 채택되었다. 〈표 2-1〉은

1997년 ASHRAE Handbook, Fundamentals에서 제시한 열환경의 상태를 예측

하는 회귀방정식으로 Y값이 Fanger의 PMV에 해당한다.

- 10 -

〈표 2-1〉열쾌적 회귀방정식 (ASHRAE)

노출시간 성별 회귀방정식

1h

남 자

여 자

남․여

ｙ＝ 0.220ｔ＋ 0.223ｐ－ 5.673

ｙ＝ 0.272ｔ＋ 0.248ｐ－ 7.245

ｙ＝ 0.245ｔ＋ 0.248ｐ－ 6.475

2h

남 자

여 자

남․여

ｙ＝ 0.221ｔ＋ 0.270ｐ－ 6.024

ｙ＝ 0.283ｔ＋ 0.210ｐ－ 7.694

ｙ＝ 0.252ｔ＋ 0.240ｐ－ 6.859

3h

남 자

여 자

남․여

ｙ＝ 0.212ｔ＋ 0.293ｐ－ 5.949

ｙ＝ 0.275ｔ＋ 0.255ｐ－ 8.622

ｙ＝ 0.243ｔ＋ 0.278ｐ－ 6.802

여기서〔그림 2-2〕는 PMV와 PPD(예상불만족율)과의 관계를 도표화한 것으

로 Y는 -3부터 +3까지의 값을 가지며, -3은 매우 춥다(very cold), -2는 춥다

(cold), -1은 약간 춥다(slightly cool), 0은 쾌적하다(comfortable), +1은 약간

덥다(slightly warm), +2는 덥다(warm), +3은 매우 덥다(hot)를 의미한다.

〔그림 2-2〕PPD와 PMV

- 11 -

2.1.3 국부 불쾌감 유발요인

인체가 열적으로 중립상태에 있는 경우에도, 신체부위중 일부분은 불균등 복

사, 국부 대류 냉각, 차가운 바닥에 대한 접촉 또는 실내 상하온도분포의 편차

에 의해 열적 불쾌감을 일으키는 조건에 노출될 가능성이 있다. 이러한 국부

불쾌감은 단순히 실내 온도를 올리거나 내림으로써 제거할 수 없고 부분적으

로 지나치게 난방이 되거나 냉방이 되는 원인을 제거하는 것이 필요하다.

1) 수직 온도차

닫힌 공간에서의 기온은 일반적으로 바닥에서 천장으로 갈수록 상승하게 된

다. 만약 이 상승의 정도가 크게 되면 전반적으로 인체가 열적으로 중립 상태

가 된다 하더라도 머리 부위는 덥고 발 부위는 차게 되는 국부적인 불쾌감이

형성되게 된다. 따라서 이런 국부적 불쾌감을 방지하기 위해서 ASHRAE에서

는 바닥으로부터 0.1m와 1.7m 사이, 국제표준화기구 ISO(International

Standard Organization)에서는 바닥으로부터 0.1m 와 1.1m 사이의 수직온도차

이가 3℃를 넘지 않도록 권장하고 있다. 〔그림 2-3〕은 머리와 발목의 온도

차와 불쾌적도를 나타낸 것이다.

〔그림 2-3〕머리와 발목에서의 수직 온도차와 예상 불만족도

- 12 -

2) 드래프트

공기취출 시스템은 재실 역에 만족한 열적 쾌적감을 제공하여야 하며, 실제

적으로 열평형 상태에 도달하게 하고 열환경에 대한 쾌적을 제공하는 것은 그

리 어려운 일은 아니다. 그러나 재실자의 신체 전반이 열적 평형 상태에 도달

하 다 하더라도 신체의 특정부분이 차거나 더운 국부적인 불쾌감을 피하게

하는 것은 결코 쉬운 일은 아니다.

Fanger는 드래프트를 인체의 원하지 않는 국부적 대류 냉각 이라 정의하

고, 신체의 국부적 가열 혹은 냉각에 대한 감각은 개인차이가 매우 크기 때문

에 불규칙하게 변화하는 환경 속에서 드래프트 인자의 확인과 등급을 제안하

여야 한다 라고 지적하 다. 열중성 상태에도 불구하고 드래프트는 인체 주위

의 공기온도가 너무 낮거나 기류속도가 클 때, 온도가 너무 낮을 때, 극간 풍

량이 많을 때에는 인체에 국부적인 불쾌감을 야기할 수 있다. 드래프트는 기류

의 평균속도, 난류강도, 기온에 의해서 결정되며, 드래프트에 대한 민감도는 머

리와 발목이 노출되었을 때 크게 나타난다.

〔그림 2-4〕는 드래프트에 의한 불쾌감 정도를 평균기류속도와 온도와의 관

계를 통해 보여준다.

〔그림 2-4〕평균 기류속도와 예상 불만족도

- 13 -

3) 공기확산성능계수(ADPI : Air Diffusion Performence Index)

ASHRAE에서는 실내드래프트 척도로 유효드래프트온도(ETD : Effective

Draft Temperature)를 제시하고 있다. ADPI는 실내의 여러 위치에서 유효드

래프트온도를 측정하여, 쾌적한 범위 내에 들어가는 위치의 수를 전체 측정위

치 수에 대한 백분율로 나타낸 것으로 토출구의 성능 표시에 사용되며, ADPI

가 80% 이상이면 쾌적한 범위 내에 있다고 할 수 있다.

유효드래프트온도는 거주구역 내에서의 인체의 쾌적한 상태를 나타내는 지표

로 바닥상부 75㎝ 높이에서 실내온도 24℃, 기류속도 0.15m/s를 유지할 수 있

도록 실내 조건을 설정한 후 측정값을 식에 대입하여 구하며, 연구결과에 의하

면 유효드래프트온도가 -1.7 ∼ +1.1℃의 범위에서 0.35m/s 이내이면, 앉아서

일하는 상태의 거주자들이 쾌적감을 느끼게 된다고 한다.

4) 복사열

같은 기온이라도 천장이나 벽면이 햇볕 등에 의해 뜨거워져 있다면 덥게 느

껴지고, 겨울의 차가운 창문 근처에서는 냉복사에 의해 춥게 느껴진다. 평균복

사온도란 인체가 주위 환경과 복사 열교환을 행하는 것과 똑같은 양의 복사열

교환을 행하는 균일한 주위온도를 의미한다.

평균복사온도의 개념에는 인체와 주변간의 형태계수가 고려되어 있기 때문에,

인체가 실내의 어느 위치에 있느냐에 따라 평균복사온도(MRT : Mean

Radiant Temperature)는 달라지게 된다. 편의상 각 벽면, 천장면, 바닥면의 면

적평균 가중온도를 평균복사온도로 사용하기도 하나, 경우에 따라서는 기온보

다 더 큰 향을 미칠 수 있으므로 실내의 주위벽면이 가열 또는 냉각되는 경

우에는 복사열의 향을 검토할 필요가 있다. 복사열의 향을 파악하는데는

로브온도계가 사용된다.

- 14 -

2.2 실내 온열환경에 관한 국내외 기준

본 절에서는 교실공간 내에 쾌적한 온열환경을 제공할 수 있도록 하기 위해,

실내 온열환경 기준과 관련한 국내외의 규정에 대해 살펴보고자 한다.

2.2.1 일반적 이론

공조시스템의 설치 목적은 거주공간 내에 쾌적한 온열환경을 제공하는 데에

있으며, 쾌적한 온열환경이라 함은 재실자가 열적으로 쾌적한 상태에 있도록

함으로써, 신체가 열적으로 중립상태에 있을 수 있게 하고 또 한 드레프트나

수직온도 차이 등에 의한 국부적 불쾌감도 없어야 함을 의미한다.

사람에게는 최소의 생리적 노력에 의해 생산 열량과 방열량이 평형을 이루는

덥지도 춥지도 않은 열환경 상태의 어떤 쾌적한 역의 범위가 존재하며, 이

쾌적한 역은 개인차, 생리적․심리적 특성 그리고 활동 상태에 따라 크게 차

이가 있다.

이와 같은 쾌적한 범위의 설정은 실내 환경기후를 알맞게 유지시켜야 하는

건축가에게 있어서는 가장 중요한 기본 개념의 하나로서, 에너지 절약과도

접한 관계가 있다. 그러므로 실내환경에서 쾌적한 범위의 설정은 최소한의 실

내환경 유지에 필요한 에너지 소비량을 예측하고, 최소의 에너지 투입만으로

실내에서 요구되는 환경을 유지케 할 수 있어야 할 것이다.

쾌적한 환경조건은 인체조건, 생활방식, 냉난방 방식 등에 따라 크게 달라진

다는 사실을 감안하면 지금까지 발표된 온열 환경지표에 의한 쾌적한 범위들

은 우리의 조건이 아님을 인식하여야 할 필요가 있다. 따라서 우리의 실정에서

효율적 에너지 소비를 유도하기 위해서는 좀더 많은 연구를 토대로 보다 설득

력 있는 자료가 제시되어야 할 것이다.

- 15 -

2.2.2 국내의 실내환경 기준

국내의 경우 건물 실내의 열적 쾌적성을 확보하기 위해 마련된 별도의 기준

은 없다. 단지 재실자의 건강 유지를 위해 필요한 실내공기의 질에 대해, 중앙

관리방식의 공기조화설비에서 건물의 환경위생의 유지에 필요한 최소한의 기

준을 건설교통부령과 보건복지부 고시에〈표 2-2〉와 같이 제시하고 있는 정

도이다. 여기서 공기조화에 따른 쾌적한 실내환경의 기준 및 목표는 보건위생

과 쾌감이 주가 되지만, 에너지의 합리적 이용, 경제성, 법적 규제조건 등도 고

려하여 결정하도록 하고 있다.

한편 에너지이용합리화법 제31조에 의하면, 산업자원부장관이 건축물에서의

합리적인 에너지 이용을 위해 필요하다고 인정하는 경우에는 산업자원부령이

정하는 일정 규모 이상의 건축물에 대해 냉난방온도에 대한 제한기준을 정할

수 있으며, 사전에 건설교통부장관과 협의토록 되어 있어서 건강이나 쾌적성

이외에 에너지 절약과도 연관된 것임을 알 수 있다.

〈표 2-2〉중앙관리방식의 공기조화설비의 실내 환경기준10)

구 분 내 용

부유 분진량 공기 1㎥당 0.15mg 이하

CO 함유율 (일산화탄소) 10 ppm 이하

CO2 함유율 (탄산가스) 1000 ppm 이하

온 도 17℃ 이상 28℃ 이하

상대습도 40% 이상 70% 이하

기 류 0.5㎧ 이하

현재 학교 관련 환경기준은 고등학교 이하 각급학교 설립운 규정 에 교

사의 내부 환경기준 으로 조도, 소음, 온도에 대하여 규정되어 있으며, 조도는

책상면을 기준으로 300lux 이상, 소음은 55dB 이하, 온도는 섭씨 18도 이상을

유지하도록 간단하게 되어 있다.

10) 공중위생법상의 실내환경기준.

- 16 -

2.2.3 국외의 기준

실내 열쾌적성과 관련한 기준은 여러 국가와 기관에서 정하고 있으나, 그 중

가장 보편적으로 적용되고 있는 기준으로는 국제규격 ISO 규정과 미국의

ANSI/ASHRAE 규정을 들 수 있다.

국제규격 ISO (International Organization for Standardization) 규정에서는

사람이 거주하는 공간을 비교적 온화한 온열환경과 극단적인 온열환경으로 구

분하고 있으며, 사무실과 같이 비교적 온화한 온열환경에 대해서는 ISO 7730

moderate thermal environments-determination of the PMV and PPD

indices and specification of the condition for thermal comfort 의 기준을,

산업현장이나 공장과 같은 극단적인 온열환경에서는 ISO 7726 hot environm

-ents 의 기준을 적용토록 하고 있다.

ISO 7730에서는 온열환경을 평가하기 위한 기준으로서 Fanger가 개발한 온

열환경의 6가지 인자에 의한 복합효과를 평가하는 지표인 PPM, PMV를 채택

하여, 재실자의 90% 이상이 만족하는 실내 온열환경을 추천하고 있으며, 부록

규정에 재실자의 80%가 만족하는 쾌적성 조건들을 온열환경 인자별로 제시하

고 있다.

미국 공조학회의 규정 ANSI/ASHRAE 55-1981은 55-74의 개정판으로, 균일

한 온열환경에서 거주자의 80%가 약간 춥거나, 약간 더운 열적 감각을 일으키

는 수준의 열적 타당성을 한계로 정하고, 적용범위를 고도 3,000m 이하의 기

압하에서 15분 이상 거주하고 있고, 표준적 창의상태에서의 경작업시, 착의상

태가 다른 경우에서의 경작업시, 중작업시의 세 가지 경우에 대해, 건강한 인

간이 쾌적함을 느끼는 온열환경에 관한 기준을 기술하고 있다.

온도, 습도, 기류속도, 평균 복사온도, 불균등 복사 등 환경 인자별로 규정하

고 있는 것이 ISO 7730 과는 다르다. 그 외의 규정으로 독일의 DIN 1946이

- 17 -

있으나, 그 내용은 ISO 7730, ANSI/ASHRAE 55-1981 규정과 유사하다.

한편, 현재 선진국중 학교 관련 환경기준이 가장 잘 정리되어 있는 국의

DfEE(Department for Education and Employment)에서 정한 교실환경 기준으

로는 난방의 경우 외 기온이 하 1℃일 때, 바닥으로부터 0.5m 상부의 온도

가 교실은 18℃, 체육관, 홀은 15℃, 의료(양호)실은 21℃, 복도는 15℃ 가 유지

되도록 하고 있다.

조명은 교실이 300lux, 작업면(시각적 작업)은 500lux, 복도는 100lux 이상,

Glare index 19로 하고, 교실의 자연 채광률은 가능하다면 4∼5% 정도를 유

지토록 하고 있다. 또한 환기량은 학교내의 모든 거주공간에서 사람당

3liter/sec를 공급할 수 있게 하고, 화장실은 시간당 6회의 환기횟수를 유지하

여야 하며, 목욕이나 샤워에 소요되는 급탕의 온도는 43℃를 초과하지 않도록

규정하고 있다.

- 18 -

2.3 학교에서의 냉난방 방식

본 절에서는 국내 학교 교실에서 적용 가능한 냉난방방식의 유형 및 천장형 냉

난방기의 특성에 대하여 살펴보고자 한다.

2.3.1 열원방식에 따른 냉난방방식의 유형

현재 학교건물에서 적용되고 있는 냉난방방식은〈표 2-3〉과 같이 열원방식

별로 여러 형태가 있으나 크게 중앙난방방식과 개별난방방식으로 구분할 수

있다.

〈표 2-3〉냉난방방식의 열원방식별 비교

구 분열원 및

운 방식

사용

에너지장 점 단 점

중앙

집중식

냉온수기(보일

러)로 각실의

FCU에 열원공

급

도시가스

유류

․현재 가장 많은 시설

․중앙 및 개별제어

․연료비 절감

․냉난방 동시가능

․설치비 과다

․기존학교 시공난이

․전문관리인력 필요

․별도의 기계실 필요

심야전기

축열식

심야전력을 이

용 축열조에 열

원을 저장하여

필요시 공급

심야전력

․무공해 시설

․중앙 및 개별제어

․값이 싼 심야전력이용

으로 유지비 저렴

․열원 이송배관 불필요

․수전설비 필요

․보조열원설비 필요

․냉방시설 별도 필요

․비난방기간에도 안

전관리비 부과

지역난방

광역단지내에

서 공급되는 열

원 (중온수 )을

이용하여 난방

지역난방․자체열원설비 불필요

․중앙 및 개별제어

․지역난방공급지역만

가능

․초기시설비 및 분담

금 부과

․냉방시설 별도 필요

시스템

냉난방

열펌프를 이용

하여 각실에 설

치된 실내기를

통하여 냉난방

전기

․에너지절감형으로 최

근개발

․중앙 및 개별 제어

․열원이송배관 불필요

․기존학교 설치용이

․냉난방 동시가능

․초기투자비 과다

․수전설비 필요

․열펌프의 신뢰성 확

보 필요

- 19 -

난방의 경우 중앙난방방식에는 증기를 열매로 하는 증기난방방식과 온수를

열매로 하는 온수난방방식이 있으며, 열원장비에서 생산된 열매체를 실내에 설

치된 방열기, 콘벡터, 팬코일 유니트 등의 부하기기에 공급하여 난방을 한다.

개별난방에서는 가스 및 심야축열전기 등을 이용하여 실별로 설치된 온풍기로

난방하는 방식 등이 있다. 냉방방식으로는 현재까지 페키지에어콘이 주종을 이

루고 있으나, 향후 냉난방설비에 대한 모형으로 제시된 천장형 냉난방기가 주

를 이룰 것으로 예상된다. 이들 방식에 대하여 기술하면 다음과 같다.

1) 팩키지형 냉난방기

냉동기를 기내에 내장하고 있는 공기조화기로서 냉방전용의 것과 냉난방용이

있으며, 냉난방용으로는 별도로 보조열원에 의한 가열기를 사용하는 경우가 주

로 사용된다. 냉각방식에 따라서 공냉식, 수냉식으로 구분되며 가열방식으로는

플레이트 핀형의 증기코일, 온수코일 또는 전기코일이 사용된다. 그러나 지금

까지 대부분의 학교에서는 기존의 난방설비에 추가하여 공냉식의 냉방전용 패

키지형 에어콘을 사용하고 있다.

분리형은 실내기와 실외기가 냉매 배관, 전선, 제어용 선으로 연결되어 있는

형이다. 실내기는 송풍기, 공기열교환기, 에어필터, 온도검출기, 조작스위치 및

케이싱으로 구성되어 있으며, 실외기는 응축기, 송풍기, 열교환기, 냉매제어기

구, 온도검출기, 4방밸브, 케이싱으로 구성되어 있다.

2) 흡수식냉온수기

흡수식 냉온수기는 여름에는 냉방용 냉수를 생산하고 겨울에는 난방용 온수

를 생산할 수 있는 냉난방 겸용기기로서, 냉동기와 보일러를 조합시켜 운용하

던 과거의 열원설비에 대한 대체 기기로서 보급되고 있다. 흡수식 냉온수기

는 고압 재생기내에서 연료를 연소시켜 흡수액을 가열하는 직화식이며 일반적

으로 2중 효용식이 이용되고 있다. 흡수식 냉온수기는 흡수식 냉동기와 같이

냉방운전을 겸할 수 있다.

- 20 -

3) 천장형 냉난방기

기존의 건물에서 방열기 등의 난방장치는 일반적으로 외주부 창측 하단에 설

치하여, 내주부에 설치하는 경우에 비해 열 확산이 균일하게 되도록 하고, 콜

드드래프트 현상을 방지하여 실내 열환경을 쾌적하게 유지되도록 하고 있다.

그러나 기존 초․중등학교의 경우, 방열기 상부에 창턱이 있어 콜드드래프트

현상의 방지에는 불리할 뿐만 아니라 창측의 재실자만이 방열기에 의해 직접

향을 받기 쉽다. 고온수 난방 및 증기난방의 경우에는 교실의 창측 부분만이

과열되고 복도와 접한 부분은 온도가 낮은 복도측의 공기가 단열이 안 된 간

막이벽과 창을 통해 유입되어 온도가 낮아지는 등의 열적 불균형 현상이 발생

하고 있다. 특히 학교의 이용시간대가 주로 주간에 한정되므로 창측 부분에는

일사의 향까지 더해져 이러한 불균형 현상이 가중되고 있다.

이러한 학교건물의 불균등 난방실태를 개선하기 위한 방안으로〈표 2-4〉

FCU 설치위치에 따른 내용을 기초로 실험한 결과〔그림 2-5〕와 같이 제품별

로 온도분포가 나타나고 있다. 교실바닥에 설치되는 기존의 상치형제품 기류분

포는 불균일하게 냉난방이 되어 교실에 앉아 있는 학생들에게 과냉각, 과난방

으로 불쾌감을 주는 반면, 천장형 냉난방기는 천장에서 4면으로 토출됨으로서

교실 전체에 골고루 냉난방이 되고 쾌적한 학습공간을 만들어 주는 것으로 보

고되어 천장형 냉난방기기의 설치가 늘어나고 있다.

〈표 2-4〉FCU 설치위치에 따른 비교

구분 바닥상치형 천장카셋트형

기류-부분적 기류로 분포가 고르지 못함

-cold draft 억제

-4way 기류 이송으로 고루 분포

-난방시 상승기류로 불리

온도-상승기류로 온도 확산이 어려움

-복도창측의 기류도달 어려움

-전 공간 고루 확산으로 쾌적성 확보

용이

유지

관리

-바닥형으로 유지보수 용이

-거주공간내 미관고려 요함

-학생들의 파손 우려

-천장내에 있어 유지보수 난이

-파손 우려 없음

- 21 -

〔그림 2-5〕제품별 온도분포 비교11)

11) 학교건물의 에너지절약형 냉난방시설 모형개발에 관한 연구.

- 22 -

2.3.2 천장형 냉난방방식의 유형

개별공조방식으로 천장형 냉난방기의 대표적 방식으로는 인버터형과 용량가

변형으로 구분된다.

1) 천장형 인버터냉난방기

인버터 압축기를 사용한 공조기로 외기 부하에 적절히 대응하여 회전속도를

변화시킴으로서 회전수를 감소시켜 정지되지 않고 계속 운전할 수 있도록 제

어하는 것으로, 효율적으로 에너지를 절약이 가능토록 한 것으로서 인버터 히

트펌프(variable speed or modulating heat pump)라 한다.

구동개념은〔그림 2-6〕에서와 같이 단상의 AC전원을 3상으로 변환하는 장

치로서 가변 주파수를 만들어 모터의 회전수를 변화시킬 수 있다. 3상으로 변

환하는 과정에는 입력전원을 직류로 변환시키는 콘버터부와 정전압 성분을

120도의 위상차를 갖도록 변환하는 인버터부가 있다.

〔그림 2-6〕인버터 냉난방기의 구동 개념도

연구자료12)에 의하면 천장형 인버터 냉난방기의 구성원리는 히트펌프로서

하10℃의 한랭기후에서도 40℃이상의 온풍을 취출하여 하나의 시스템으로 냉

12) 천장형 냉난방 설비시스템의 적용성 연구, 대한설비공학회 2001동계학술발표

회 논문집.

- 23 -

난방이 가능하도록 하 고, 운전률을 높이기 위한 과냉각 냉매회로가 부착되어

있으며, 정 한 제어를 위해 5개의 온도센서를 이용하고 있다. 히트펌프의 사

이클 구성도는〔그림 2-7〕과 같다.

〔그림 2-7〕인버터 냉난방기 사이클 구성도

즉, 인버터 냉난방 시스템이란 외기부하에 적절히 대응하면서 난방기능을 완

전히 수행하기 위한 방법으로〔그림 2-8〕과 같이 인버터회로와 회전속도 가

변형의 인버터압축기를 사용하여 냉방 및 난방을 겸용으로 하는 가변속 열펌

프(Variable Speed Heat Pump) 를 말하는 것이다.

냉난방기간 에너지수비효율을 일반적인 정속시스템에 의한 냉난방운전시와

비교한 결과 냉방시에는 약 17%, 난방시에는 41%의 에너지 소비효율이 향상

되었으며 전기사용료는 냉방시 약28%, 난방시 34%의 절감효과를 거둘 수 있

었다고 보고되어 2001년도에 조달청 경쟁입찰에서 학교용 표준 냉난방기 로

선정되었다.

- 24 -

〔그림 2-8〕인버터 냉난방 사이클13)

2) 용량가변형 압축기를 이용한 천장형 냉난방기

용량가변형의 디지털 스크롤 압축기를 사용한 천장형냉난방기는 PWM(Pulse

Width Modulation) 밸브를 ON/OFF 제어에 의해 시간간격을 조절하여 능력을

가변하여 일정 저온에서 난방성능 및 실내기의 토출 공기온도를 향상시킬 수

있도록 설계된 것을 말한다.

13) 학교용 냉난방기 기술자료, LG전자, 2002년

- 25 -

용량가변형 압축기는〈그림 2-9〉와 같이 PWM 밸브에 전원이 인지되어 밸

브가 열린 상태가 되면 압축기의 토출 배압이 해제됨으로써 고정 스크롤이 축

상으로 상승하는 무부하상태(unloading)가 되고, PWM 밸브에 전원이 차단되

어 밸브가 닫힌 상태가 되면 상부 스크롤에 배압이 부여됨으로써 고정 스크롤

이 축상으로 하강하는 부하상태(loading)가 된다. 이와 같은 로딩/언로딩의 의

주기를 조절하여(pulse width modulation) 냉매 토출량을 가변 제어함으로써

압축기의 용량을 가변하는 방식이다.

디지털 스크롤 방식은 PWM 밸브의 제어에 의해 언로딩시의 소비전력이 로

딩시 대비 10% 수준으로 10∼100%의 다양한 범위의 능력가변이 가능하고 에

너지 절약적 측면에서 부하가 작은 역에서는 불리하고 부하가 큰 역에서

는 유리한 것으로 보고14)되었다,

〈그림 2-9〉 디지털 스크롤 압축기의 운전 방법

14) 대한설비공학회 2001동계학술발표회 논문집.

- 26 -

2.1.3 천장형 실내카세트의 구조

〔그림 2-10〕는 실내기로 사용하는 천장형 카세트의 개략적인 형상을 나타낸

것으로, 대구경 터보팬의 특성에 따라 중앙 허브부에서 유동방향이 90도로 꺽

여 흡입된 공기가 터보팬을 둘러 싸고있는 열교환기를 통과한 후 4각 외측의

4방향으로 토출되는 구조를 갖고 있다.

〔그림 2-10〕천장형카세트의 구조

천장형카세트의 공기취출구 선택은 4방향, 3방향, 2방향 패턴으로 할 수 있고,

실의 형상 및 설치 위치에 따라 풍향과 풍속을 다르게 적용할 수 있다.

제품의 규격은 용량에 따라 조금씩 차이가 있으나, 학교에서 주로 설치되는

제품을 기준하면 흡입그릴은 중앙에 있으며 규격은 가로577㎜×세로577㎜ 정

방향 형태의 되어있고, 토출구는 길이411㎜×폭77㎜크기로 사각형의 외측 4곳

에 위치하여 있다.

- 27 -

제3장. 학교 냉난방시설 현황

3.1 학교건물의 시설 및 특징

쾌적한 삶을 위하고자 하는 인간의 욕구와 건축기술 발달에 따라 일반적

인 건물들에는 이러한 욕구를 충족시키기 위한 노력이 반 되고 있는 반면, 학

교 건물은 상대적으로 매우 빈약한 수준에 머물러 왔다. 따라서 학교건물은 한

동안 부족한 교실수 확보와 신 개발지의 교실증설 등 질적이라기 보다는 양적

물량 위주의 시각으로 대처해왔다고 보아도 무리가 아닐 것이다.

3.1.1 학교 냉난방시설의 변천

학교에서 냉난방시설의 경우 냉난방 수요가 가장 크게 발생하는 계절은 대

개 방학과 겹치는 데다 예산도 충분하지 못할 뿐 더러 나머지 기간도 어느 정

도 참고 견디면 된다는 사고에 젖어 교실환경개선이 지연되어온 측면도 있다.

그러나, 학교는 어린이들이 대부분의 성장기를 보내게 되는 중요한 공간이라는

인식으로부터 환경 측면에서도 결코 방치해 두어서는 안 될 중요성을 띄고 있

음을 간과해서는 안될 것이다.

학교시설 건축계획과 관련해서는 학교시설의 표준설계지침서 와 1972년에

작성하여 1980년에 개정된 학교교사 표준설계도 가 있으며, 또한 1982년도에

는 자연형 태양열 학교 표준도면 및 조립식 학교 표준도면 이 작성된 바

있다.

이후 1987년 한국에너지기술연구소는 기존에 작성된 1980년, 1982년도의 표준

도면과는 달리 부착온실의 개념을 도입하여 복도를 교실의 남측에 두고 온실

효과를 최대한 이용하여 교실의 난방을 도모하고자 하는 개선방안을 마련하

으나 실용화되지는 못하 다.

- 28 -

3.1.2 교실의 구성 및 특징15)

학교시설의 주요공간요소에는 교육목적과 교육방법, 운 방식에 따라 차이가

있다. 학교시설의 가장 중요한 목적은 학습으로, 그 이념은 시대의 요청에 따

라 변화되어 왔다. 과거 산업의 급진적인 발전에 따른 사회적 요구로 학습목표

는 산업 인력의 양산이었기 때문에 교육방법에 있어서도 집단수업이었으며 주

요 공간구성요소는 규격화된 교실의 연속이었다.

그러나 오늘날의 교육이념은 개인의 독창성과 창의성 개발에 역점을 두고 있다.

따라서 그 목적에 대응하는 공간구성요소가 등장하며 이러한 공간은 적응성과

융통성을 갖추어 현재 추진되고 있는 제7차 교육과정의 적용으로 학교시설이

매우 다양한 실형태로 나타나고 있다. 이상의 실들 가운데 유사한 실들은 통합

하여 분류한 결과〈표 3-1〉에서 알 수 있듯이 60여 개의 실 종류로 구분할 수

있었다.

그리고, 학교건물은 다양한 용도의 실로 구성되고 사용목적과 사용상태가 다르

다. 우선 건물의 실들을 용도상으로 분류하면 일반교실, 특별교실, 관리실, 식

당 및 조리실, 매점, 강당, 체육관 등으로 구분할 수 있으며, 이와 같이 여러 용

도의 실들이 모여 있어 일반 사무용 건물보다 매우 복합적이라 할 수 있다.

사용시간대에 있어서도 하루종일 연속적으로 사용되는 실과 몇 회에 걸쳐 간

헐적으로 사용되는 실, 하루 1회 정도만 사용하는 실 등 사용형태가 매우 다양

하고, 주 5∼6일, 년 9∼10개월만 사용하고 주말과 방학중에는 거의 사용하지

않는 실, 연중 계속 사용하는 사무실, 취미활동, 과외활동 및 지역주민의 이용

에 따라 휴일이나 방학중에도 수시로 사용되는 체육관이나 강당 등이 있다.

15) 학교건물의 에너지관련시설 최적화 방안 연구.

- 29 -

〈표 3-1〉 학교교실의 실 종류16)

구 분 실 명 구 분 실 명

교수학습

공간

일반교실

보통교실

관리 및

지원공간

교장실

심화보충교실 행정실

재량교실 교무실

수준별교실 교사연구실

소․중․대강의실 교재연구실

특수학급교실 회의실

특별교실

과학실 상담실

음악실 교원휴게실

미술실 인쇄실

어학실 문서고

컴퓨터실 숙직실

기술실 전산실(성적관리실)

가사실 교감실

학습지원

공간

도서실 외래강사실

시청각실 정보자료실

다목적실 교과전담실

방송실 학교운 위원회실

예절실 창고 및 예비실

정보검색실

보건위생

공간

양호실

국악실 샤워/탈의실

자료실 식당, 조리장

서예실 탕비실

향토실 화장실

역사관

공용공간

현관

특별활동실 홀 및 전시공간

학생회의실 복도

다목적공간 계단

실내체육공간

체육관

강당

수 장

무용실

체력단련실

16) 류호섭, 최근 우리나라 학교의 평면계획 현황 및 동향, 2001년.

- 30 -

또한 커리큘럼 변경에 따른 학교건물 소요공간의 융통성과 인구이동에 따른

확장성도 매우 중요한 요소이며, 교실과 강당은 좁은 공간임에도 많은 사람(수

용인원 35∼45명 정도, 0.53∼0.60인/㎡)이 동시에 사용하는 과 도의 특성도

지니고 있다.

3.1.3 학교 냉난방시설 고려사항17)

냉난방 계획시 다음과 같은 실들의 특징을 고려해야 하고, 그 특징을 충분히

이해한 다음에 냉난방 설비를 설계해야 한다. 초․중고등학교의 경우 학년, 급

별에 따라 이용형태가 다르다. 그리고 각 실의 냉난방 계획상의 특징을 보면

다음과 같다.

일반교실은 주로 일반교과의 수업을 하며, 보통 35∼45명 정도의 학생과 1명

의 교사가 방학 및 휴일을 제외하고는 매일 사용하며 개시시각은 동일하나 종

료시각은 각 학년별로 다르며, 사용시간은 대략 다음과 같다.

․초등학교 저학년(1∼2학년)은 08:00 ∼ 13:00 (월∼토)

․초등학교 고학년(3∼6학년)은 08:00 ∼ 14:00 (월∼금), 08:00∼13:00 (토)

․중고등학교는 08:00 ∼ 16:30 (월∼금), 08:00 ∼ 13:00 (토)

재실자의 도가 높고 장시간 재실하게 되므로 온습도, 악취, 먼지, 세균 등에

대해 특별히 고려하여야 하며, 중․고등학교의 경우에는 16:30∼22:00까지 야

간 자율학습을 하는 경우가 많으므로 이에 대한 고려도 있어야 한다.

특별교실은 과학실, 음악실, 미술공작실 및 가정실 등이 있고 사용률은 높은

편이지만 학생의 재실시간은 짧다. 그러나 초등학교의 경우 열린 교육시행을

17) 학교건물의 에너지관련시설 최적화 방안 연구.

- 31 -

목적으로 오후 시간대에도 특별활동이 이루어지는 경우가 많으며, 지역사회에

개방하여 사용시간대가 실제는 짧지 않음에 유의해야 한다. 과학실, 미술공작

실 및 조리실습실 등에는 오염가스가 많이 발생하므로 환기설비에서 특별한

고려가 필요하고, 국소적으로 발열이나 또 가스발생이 있을 경우에는 후드를

사용하여 국소 배기를 할 수 있어야 한다. 음악실, 시청각실 및 실습실에서는

다른 실로 음이 전달되는 것에 특히 유의해야 한다.

다목적실인 강당의 사용빈도는 다른 교실에 비해 적지만 휴일에 사용하는 경

우가 있으며 사용시 재실자 도가 높다. 온습도 조건은 일반교실과 비슷하지

만 재실자의 도가 높으므로 환기계획에 특별한 주의가 필요하다. 교직원이

근무하는 관리실이나 야간에도 사용하는 숙직실은 일반교실과는 사용 형태와

시간대가 현저하게 다르므로 이 실들은 별도의 죠닝에 4계절 기후조건에 맞는

냉난방계획이 필요하다.

화장실은 동절기 동파의 우려가 가장 큰 곳으로, 겨울방학중 대부분의 공간이

비난방 상태일지라도 이 곳은 최소한의 동파방지를 위한 난방설비를 계획해야

한다.

또한, 냉난방설비시스템 선정을 위해서는 다양한 요소들에 대한 검토가 필요

하다. 우리 나라의 기후는 4계절이 분명하기 때문에 계절에 따라 냉방기, 난방

기, 중간기로 구분할 수 있으며, 이에 따라 적정 환경 수준을 유지하기 위해서

는 냉방과 난방을 만족시킬 수 있는 설비가 설치되어야만 한다. 이러한 기후조

건과 더불어 지역별로도 온도와 난방도일에도 큰 차이가 발생하기 때문에 전

국을 단일 기후조건으로 취급하기에는 무리가 따른다.

그러므로 학교의 냉난방시스템 선정을 위해서는 기후 구분에 따른 지역별 특

성이 반 되어야만 적정한 시스템 선정이 가능하다. 이 외에도 대도시와 중소

- 32 -

도시, 농어촌 등 도시 구분에 따른 상이함, 수업시간대가 다른 초등 및 중․고

등학교간의 특성, 학교의 규모, 기존 및 신축건물에 대한 특성 등 다음과 같이

다양한 요소들을 감안한 적정한 냉난방시스템이 결정되어야 한다.

․교실공간은 정방형 또는 장방형으로서 천장, 교실측면바닥, 교실코너 바닥

등 냉난방 기기의 설치위치에 따라 온도 및 기류 분포가 다르게 나타나므로

교실내부 전체평면에 냉․온열 및 기류를 골고루 분포하도록 하여 재실인 들

이 불쾌감을 느끼지 않도록 한다.

․냉난방기기 가동시 소음으로 인하여 학습에 지장이 없도록 하여 쾌적한 학

습환경을 만들기 위하여, 학교 내 소음기준 55㏈과 교실 내 소음기준 40㏈이내

의 저소음 기기를 선정하여야 한다.

․학교건물의 복합성과 다양성에 대처하기 위해서는 용도별, 사용시간대별, 위

치별 등 정확한 죠닝 구분과 각 실의 운전, 정지 및 온도조절의 제어가 편리하

도록 중앙제어 및 실별 제어가 가능해야 한다. 또한 효율적인 에너지사용에 기

여하고 부하변동에 대하여 신속하게 대처할 수 있도록 설비계획을 해야 한다.

․학생을 대상으로 한 시설이므로 노출된 기기는 파손우려가 없도록 견고성

을 가져야 하며 설치 및 가동시 내부공기 오염, 가스, 전기 등의 위험이 전혀

없도록 안전하게 시설되어야 한다.

․일반적으로 학교는 학생수의 증가와 교과과정의 변화에 따라 증축 및 실용

도 변경을 할 경우가 많으므로 이에 따른 냉난방설비의 증설, 확장 및 변경 등

이 용이해야 한다. 또한, 열악한 예산사정을 감안하여 초기투자비(설치비) 및

유지관리비가 경제적이어야 하고, 환기성능이 우수하며 기존건물에 설치가 용

이하여야 한다.

- 33 -

3.2 학교의 냉난방 시설

우리나라 학교의 냉난방설비는 환경개선을 위한 노력에 힘입어 1997년도부터

본격적으로 난방시설이 설치되었고, 최근에는 냉난방을 동시에 할 수 있는 냉

난방겸용방식의 설비를 갖춘 학교들이 증가 추세에 있다.

3.2.1 냉난방설비 설치현황

교육인적자원부의 2001년도 국정감사 통계자료에 의하면 전국적으로〈표 3-

2〉에서와 같이 난방개선대상 교실수가 179,978개(48.8%)로 나타나고 있다. 그

가운데 남부지방을 중심으로 한 대부분의 교실들이 미난방으로 나타나고 있으

며, 특히 경남의 경우에는 26,719개 98.0%에 달하는 교실이 난방을 개선하거나

신규설치가 시급한 실정이다.

〈표 3-2〉 전국 초․중․고등학교 난방개선대상 현황

2001년 7월 현재

교육청난방대상

교실수

난방교실

(중앙난방)

개선대상

미난방 개별난로 소계 비율(%)

서울 60,978 59,513 737 628 1,465 2.4

부산 28,654 2,852 23,675 2,127 25,802 90.0

대구 19,817 18,263 - 1,554 1,554 7.8

인천 19,256 13,552 365 5,339 5,704 29.6

광주 11,195 8,038 2,179 979 3,157 28.2

대전 11,714 9,978 273 923 1,196 10.2

울산 8,008 487 3,495 4,062 7,521 93.9

경기 55,471 44,553 113 10,805 10,918 19.7

강원 16,302 1,734 1,383 13,203 14,568 89.5

충북 14,970 7,791 161 7,018 7,179 48.0

충남 17,153 4,695 479 11,979 12,458 72.6

전북 20,417 3,180 1,913 15,325 17,237 84.4

전남 22,295 7,528 8,965 5,802 14,767 66.2

경북 28,473 4,717 - 23,756 23,756 83.4

경남 27,257 538 14,483 12,237 26,719 98.0

제주 5,098 39 3,914 1,106 5,059 99.2

계 367,058 187,980 62,199 116,843 179,078 48.8

- 34 -

경상남도교육청의 통계자료를18) 기준하여 초․중․고등학교를 대상으로 냉난

방시설 설치의 현황 및 변화추이 등을 살펴보면 아래와 같이 나타나고 있다.

2001년도 초등학교의 경우〔그림 3-1〕에서와 같이 냉방설치 면적(냉난방

동시 설치)이 전체의 2.1%인 반면 전체적으로 52.5%의 학교는 난방이나 냉방

어느 설비도 설치가 되어있지 않다.

〔그림 3-2〕는 1999년과 2001년 두 해에 걸친 냉난방설비 설치 면적의 변화

추세로서 전체 연면적의 증가에 따라 모든 설비별 설치 면적이 증가하는 것을

알 수 있으며 비난방면적 또한 증가 추세를 보이고 있다. 그러나 중앙난방은

감소한 것으로 나타났다. 난방설비는 중앙난방의 보급율이 낮은 편으로 많은

학교들이 아직은 기존의 개별난방 방식에 의존하고 있음을 알 수 있다.

〔그림 3-3〕의 에너지원에 따른 개별난방 방식은 유류를 사용하는 방식이

94.9%로 다수를 차지하고 있으며 그 다음이 가스, 심야전기, 일반전기 사용 순

으로 차지하고 있다. 분포 변화 추이를 보면 심야전기 사용기기의 증가세를 볼

수 있고 가스와 일반전기는 보합세를 탄류는 상대적으로 감소하고 있으나 유

류 사용기기는 연전히 가장 큰 비중을 차지하고 있다.

중학교의 경우는〔그림 3-4〕에서와 같이 냉방설치 면적이 전체의 2.7%로 초

등학교에 비해 약간 높으나 난방이나 냉방 어느 설비도 설치되어 있지 않은

경우가 전체적으로 83.2%로서 초등학교와 비교할 때 난방설비 설치 면적이 상

대적으로 낮음을 알 수 있다.

〔그림 3-5〕는 연도별 냉난방면적 변화를 비교한 것으로서 초등학교와는 달

리 중앙난방이 증가한 대신 개별난방 면적이 많이 감소하고 있고 냉방은 차지

하는 비중이 작으나 미미한 증가 추세를 보여주고 있다.

난방설비의 경우 중앙방식의 보급율은 1.8%로 개별난방의 15.0%에 비해 상

대적으로 낮으며 아직은 많은 학교들이 기존의 개별난방 방식에 의존하고 있

18) 경남교육통계연보, 경상남도교육청, 2002년

- 35 -

음을 알 수 있다. 에너지원에 따른 개별난방 방식은 유류를 사용하는 방식이

92.2%로 다수를 차지하고 있으며 그 다음을 가스 사용시설이 차지하고 있다.

전기를 이용한 방식은 아직 미미하나 심야전기이용방식의 보급이 점차 증가하

는 것으로 나타나고 있다.

〔그림 3-6〕의 개별난방설비만을 대상으로 변화 추이를 보면 유류가 절대량

을 차지하나 유류는 감소 일반전기와 심야전기는 증가세를 보여주고 있으나

가스는 초등학교와 다르게 차지하는 사용면적이 감소한 것을 알 수 있다.

고등학교의 경우는〔그림 3-7〕에서와 같이 냉방설치 면적이 전체의 6.6%로

초․중학교에 비해 상당히 높고 난방이나 냉방 어느 설비도 설치되어 있지 않

은 경우가 전체적으로 77.9%로서 초․중학교와 비교할 때 난방설비 설치 면적

이 초등학교보다는 낮으나 중학교보다는 상대적으로 높음을 알 수 있다.

〔그림 3-8〕은 연도별 냉난방면적 변화를 비교한 것으로서 중학교와는 달리

중앙난방이 감소한 대신 개별난방 면적이 많이 증가하고 있고 냉방은 차지하

는 비중이 작으나 초․중학교보다는 증가 추세가 큰 것을 알 수 있다.

난방설비의 경우 중앙방식의 보급율은 5.1%로 개별난방의 17.0%에 비해 상

대적으로 낮으며 아직은 많은 학교들이 기존의 개별난방 방식에 의존하고 있

음을 알 수 있다.

〔그림 3-9〕개별난방설비만을 대상으로 변화 추이를 보면 유류를 사용하는

방식이 83.7%로 다수를 차지하고 있으며 초․중학교와는 달리 심야전기 사용

시설과 더불어 유류, 탄류기기의 사용면적이 증가한 것으로 나타나고 있다.

그러나 2001년도부터 교육인적자원부에서 교육환경개선사업을 적극적으로 추

진하면서 전기를 열원으로 하는 냉난방겸용방식인 천장형 냉난방기의 보급이

전국적으로 확대되고 있는 실정이다.

- 36 -

47.20%

0.30%

52.50%

2.10%

개별난방중앙난방비난방냉방

〔그림 3-1〕냉난방면적 (초등학교, 2001년)

0

200,000

400,000

600,000

800,000

1,000,000

면적

(㎡)

개별난방 중앙난방 비난방 냉방

1999년 2001년

〔그림 3-2〕연도별 냉난방면적 추이(초등학교)

0

200,000

400,000

600,000

800,000

1,000,000

면적

(㎡)

가스 유류 탄류 일반전기 심야전기

1999년 2001년

〔그림 3-3〕연도별 개별난방방식 분포 추이(초등학교)

- 37 -

15%1.80%

83.20%

2.70%

개별난방중앙난방비난방냉방

〔그림 3-4〕냉난방면적 (중학교, 2000년)

0

200,000

400,000

600,000

800,000

1,000,000

면적

(㎡)

개별난방 중앙난방 비난방 냉방

1999년 2001년

〔그림 3-5〕연도별냉난방면적추이(중학교)

020,00040,00060,00080,000

100,000120,000140,000160,000

면적

(㎡)

가스 유류 탄류 일반전기 심야전기

1999년 2001년

〔그림 3-6〕연도별 개별난방방식 분포 추이(중학교)

- 38 -

17%

5.10%

77.90%

6.60%

개별난방중앙난방비난방냉방

〔그림 3-7〕냉난방면적 (고등학교, 2001년)

0

200,000

400,000

600,000

800,000

1,000,000

면적

(㎡)

개별난방 중앙난방 비난방 냉방

1999년 2001년

〔그림 3-8〕연도별냉난방면적추이(고등학교)

0

50,000

100,000

150,000

200,000

면적

(㎡)

가스 유류 탄류 일반전기 심야전기

1999년 2001년

〔그림 3-9〕연도별 개별난방방식 분포 추이(고등학교)

- 39 -

3.2.2 냉난방 일수19)

고등학교이하 각급학교 설립 운 규정 의 교실환경기준에 따라 교실온도

를 18℃이상 유지하기 위해서는 지역에 따라 다소 차이가 있겠지만 대략 겨울

철에는 최저 외기 온도가 5℃이하일 경우 난방시설의 가동이 필요하고, 여름철

에는 최고 외기 온도가 27℃이상의 경우 냉방시설의 가동이 필요하다.

따라서, 경남지역의 경우 냉난방 가동일수는 하계와 동계의 방학기간을 제외

하고 지역기상대 별로 조사한 결과, 겨울철 난방이 필요한 일수는 11월에서 3

월까지 대상으로 조사한〈표 3-3〉과 같고, 여름철 냉방이 필요한 일수는 6월

부터 9월 초순까지 대상으로 조사한〈표 3-4〉와 같다.

〈표 3-3〉지역별 난방일수

지역구분난방기간

(11.12.1.2.3월)

외기온도기준

난방일수

내부온도기준

난방일수

방학기간

일수

휴일기간

일수

실제난방

일수

마산지역 152일 147일 123일 47일 16일 60일

통 지역 152일 147일 124일 47일 16일 61일

양지역 152일 151일 132일 47일 16일 69일

거창지역 152일 152일 142일 47일 16일 79일

〈표 3-4〉지역별 냉방일수

지역구분냉방기간

(6.7.8.9월)

외기온도기준

냉방일수

방학기간

일수

휴일기간

일수

실제난방

일수

마산지역 102일 86일 37일 7일 42일

통 지역 102일 65일 37일 7일 21일

양지역 102일 74일 37일 7일 30일

거창지역 102일 71일 37일 7일 27일

19) 경남 지역별 기상청 자료참조.

- 40 -

3.2.3 학교 교실의 규모

일반적으로 교실의 실내공간은 학습과 직접적 관계가 되는 학습공간과 간접

적 관계가 되는 생활공간으로 나눈다.

1997년 9월 이후에 시행된 학교시설설비기준령은 기존의 학교시설에 대하여

기준을 완화하고 업무를 위임하면서, 실의 다양성, 융통성 부여 및 환경기준을

강화하는 등으로 기존의 방향을 바꾸었고, 건축면적의 최소기준을 1학급당의

개념에서 학생 1인당의 개념으로 전환시켰다.

또한, 세부사항은 시․도 교육감이 결정하는 것으로 개정됨으로서, 보통교실

의 규모는 가장 작은 8.1m × 7.5m 〓 60.75㎡으로부터 시작하여 9.0m ×

15m〓 135㎡까지의 범위에서 모두 48종의 교실이 분포하게 되었다.

그러나, 과거의 시설기준령에20) 의하여 지어진 기존교실들의 규모는 학교표준

도면에 의하여 건축되어 그 크기가 획일화 되어있고, 그 수는 학급수에 상당하

는 수를 두었다. 그러므로〈표 3-5〉에서21) 나타나듯이 교실전체에 대하여 표

준교실은 9.0m(창측의 길이) × 7.5m(칠판측의 길이) 〓 67.5㎡의 크기로

62.1%를 차지하고, 표준크기의 0.5배인 4.5m(창측의 길이) × 7.5m(칠판측의 길

이) 〓 33.75㎡의 교실은 15.6%를 차지하고, 표준크기의 1.5배인 13.5m(창측의

길이) × 7.5m(칠판측의 길이) 〓 101.25㎡의 교실은 5.2% 순으로 차지하고 있

다,

여기서 위 3가지 교실의 규모가 전체교실에서 82.9%를 차지함으로서 본 연구

의 대상으로 선정되었다.

20) 보통교실의 규모는 66㎡이상으로 한다. 다만, 학생수가 학급당 25인 이하인 경

우는 45㎡이상으로 할 수 있다.

21) 경남교육청 관내의 난방개선대상 고등학교 60개교에 대하여, 설계도면을 활용

한 조사를 통하여 실별 규모를 분석하 음.

- 41 -

〈표 3-5〉고등학교 실별 규모 분석

번호 학교명실 별 크 기

4.5×2.7

4.5×5.4

4.5×7.5

9.0×2.7

9.0×3.6

9.0×7.5

13.5×7.5

18.0×7.5

9.0×10.2

13.5×10.2

18.0×10.2

9.0×11.4

9.0×13.5

9.0×14.5

9.0×15.3

기타 계

1창원중앙고

6 31 8 1 46

2 창원여고 8 31 8 1 48

3 창원명지여고 5 7 31 6 1 5 55

4 마산여고 6 34 6 4 4 1 55

5합포고

8 2 28 1 4 4 47

6 경남과학고 8 19 1 1 1 30

7 창원중앙여고 8 4 33 4 1 3 5 58

8 창원기계공고 9 50 6 2 1 68

9마산구암고

4 7 32 7 2 2 1 2 57

10 진해고 8 36 1 6 1 52

11 진해여고 7 31 1 2 6 47

12진해제일고

2 20 1 1 4 28

13 김해고 6 32 3 2 3 46

14 김해여고 5 38 2 3 1 49

15진 고

7 10 18 4 1 4 44

16 김해가야고 5 6 29 6 6 52

17김해경원고

2 10 39 3 10 1 65

18양고

6 28 1 3 4 43

19 양여고 6 27 2 3 38

20 양공고 4 12 1 1 1 19

21양산고

7 31 5 3 2 48

22웅상고

15 29 6 6 1 57

23의령고

6 13 3 1 6 29

24 신반정보고 5 9 3 2 19

25함안고

3 21 1 5 1 31

26산고

5 14 1 1 2 23

27창녕제일고

5 12 5 3 1 26

28야로고

5 13 1 19

29 삼가고 9 9 1 1 3 23

30초계종고

4 16 4 1 3 1 29

31합천고

4 17 1 2 24

32 진주고 6 33 1 9 4 53

33명신고

5 45 16 3 69

34대곡고

5 11 2 4 22

35진양고

6 28 1 3 38

36진서고

8 20 3 31

37삼천포중앙고

8 21 2 1 6 4 42

38곤양고

3 12 3 18

39 고성여고 6 33 1 5 1 46

40통 고

10 39 4 3 1 57

41 통 여고 4 7 36 4 4 1 56

42 충무고 4 8 32 1 5 50

43거제중앙고

14 33 10 5 62

44거제종고

5 31 6 3 5 1 51

45 거제여고 6 29 5 3 1 44

46남해정보산업고

9 18 1 4 32

47하동고

7 23 1 4 35

48금남고

1 2 14 4 21

49진교고

1 2 13 2 3 1 22

50옥종고

3 12 1 16

51산청고

4 12 1 1 2 1 21

52 생초고 2 10 1 1 14

53 경호고 3 3 1 2 9

54덕산고

3 11 14

55단성종고

2 19 5 26

56함양고

7 16 5 2 30

57함양제일고

11 22 3 3 39

58서상상고

3 9 2 14

59안의고

2 10 3 2 17

60거창여고

5 21 1 3 30

계 60개교 12 22 352 10 10 1,400 117 56 55 24 21 16 49 20 21 69 2,254

- 42 -

3.3 온도분포 및 기류속도 예측방법

건물내 온도분포와 기류속도를 예측하기 위한 방법은 크게 실험적 방법과 수

치해석적 방법으로 분류할 수 있는 데, 본 장에서는 각 방법의 특징과 장단점

에 대해 살펴보겠다.

3.3.1 실험적 방법

실험적 방법에서는 실험하고자 하는 공간을 실물 규모로 제작하여 온도분포

와 기류속도 등을 측정, 분석하는 실물스케일 실험과, 실험대상 공간의 물리적

인 제반 특성에 대해 기하학적, 물리학적, 역학적 수치를 적용하여 축소모형을

제작한 후, 축소모형 내에서 열․유체 전달 현상에 대해 측정하고 분석함으로

써 실제 상황을 모의 실험하는 축소모형 실험이 있다.

첫 번째, 실물스케일 실험은 측정 실험결과가 가장 현실적이고 믿을 만하다는

장점이 있으나 실험 조건이 극소수의 경우에만 제한되어 있어서 다양한 경계

조건을 적용한 실험이 어려울 뿐만 아니라 실험시설 제작을 위한 투자비와 유

지관리비가 많이 소요되고 실험에 소요되는 시간 역시 길어질 수밖에 없다. 또

한 측정 기기의 제약으로 인해 저속인 기류의 경우 속도의 벡터성분과 난류강

도에 대한 측정이 곤란하며 측정기기 자체의 오차도 배제할 수 없게 된다.

두 번째, 축소모형 실험은 실물스케일 실험에 비해 측정 분석을 위한 투자비

와 시간이 절약되고 경계조건의 변화를 융통성 있게 조절할 수 있다는 장점이

있고 수치해석적 방법에 비해 결과에 대한 현실성과 신뢰성을 향상시킬 수 있

다는 장점이 있다.

그러나 현재의 기술수준에서는 유체역학에서 중요한 물리적 의미를 지니는

무차원 수인 Re 수(Raynolds number : 관성력과 점성력의 비)와 Ar 수

(Archimedes number : 부력과 관성력의 비)를 실물과 축소모형 간에 완전히

일치시키기는 곤란하므로 모델의 물리적인 제반 특성에 대해 기하학적, 물리학

- 43 -

적, 역학적 수치를 완벽히 적용하기란 거의 불가능하다는 근본적인 문제점이

내재하고 있다. 또한 등온조건과 같은 벽체의 경계조건을 완벽히 맞추기가 곤

란하며 실험 자체에 대한 기술개발이 현재 진행중인 상태이므로 현실적인 적

용에는 아직 이른 감이 없지 않다. 현재 외국에서 진행되고 있는 축소모형 실

험의 예를 보면 미국의 LBL(Lawrence Berkeley Laboratory), 프랑스 국립과

학연구원(C.N.R.S. : Center National de la Recherche Scientifique), 일본의 동

경대학교 생산기술연구소 등에서 축소모형 실험법 개발에 착수하여 건물에너

지 관련 연구에 이를 적용하기 시작하는 실용화 초기 단계에 와 있으며 일본

의 경우 대형 체육관, 강당, 예술센터 등과 같은 대공간 설계에서 환경 예측의

사전모의 수단으로 사용하고 있는 정도이다.

3.3.2 수치해석적 방법

수치해석적 방법은 3.3.1 절에서 밝힌 바와 같이 실험적 방법이 지니는 여러

가지 난점들로 인해 최근 건물내 공간에서 열․유동 전달현상의 해석 도구로

서 가장 널리 이용되고 있다. 본 절에서는 수치해석적 방법의 개발 역사와 그

특징에 대해 살펴보겠다.

건물내 공간의 열․유동 현상을 수학적으로 해석하기 위한 가장 큰 관건은 비

선형의 유동방정식을 수학적으로 해석하기 위한 근사 방법에 있다. 한 예로 난

류의 모든 상세한 현상을 수학적으로 모델링하여 계산해 내기란 거의 불가능하

고 주 관심 대상은 기류의 평균속도 값에 있으므로 난류의 향을 고려한 기류

의 평균속도를 계산해내기 위해 소위 난류모델을 도입하는 것을 들 수 있다.

건물내 공간의 열․유동 전달현상에 대한 수학적 해석의 연구 초기 단계에서

는 비선형의 유동방정식을 수학적으로 해석하기 위한 근사 방법으로 와도와

유량함수법(stream function and vorticity formulation)을 도입하 다. 그후 미

국 Tennessee 대학의 Baker는 ASHRAE의 연구의뢰로 와도와 유량함수법을

유한 요소법을 써서 적용하는 기법을 개발하 다.

- 44 -

Nielson은 수치해석적 방법을 이용하여 건물내 공간의 온도분포와 기류에대

해 해석한 초기 인물중 한 명인데 그의 연구는 국의 Imperial College에서

개발되어 Gosman 등에 의해 1969년에 발표된 컴퓨터 프로그램에 그 기반을

두고 있다. Nielson은 그의 연구에서 난류의 효과를 k-ε모델을 써서 수학적

으로 모델링하 는데 여기에서 k는 난류의 운동에너지(Kinetic energy of

turbulence)를 의미하며, ε은 난류산일률을 의미한다. 낮은 Ar 수에서의 기류

는 도변화에 의한 부력의 향을 무시한 채 계산하게 되는데 Ar 수는 3.3.1

절에서 설명된 바와 같이 부력과 관성력의 비를 의미한다. Nielson의 해석결과

는 실험결과와 비교되어 잘 일치하는 것으로 나타났다. Nielson은 이외에도 대

류 확산 방정식을 이용 공간내의 습도분포를 예측하는 기법을 개발하 다.

1979년에 Nielson 등은 부력에 의한 기류 특성에 관한 연구결과를 발표하

으며 이상의 여러 예측 결과들이 환경 설계를 위한 기준으로서 충분히 타당하

다고 발표하 다.

1980년에 Gosman 등은 건물내 공간의 기하학적 형상을 바꿔가며 공간내 기

류속도의 예측에 관한 연구를 하 다. 난류의 수학적 모델로는 k-ε 모델을

사용하 는데 연구결과 난류의 운동에너지와 특성길이(lenght scale)가 실내에

서는 거의 일정한 것으로 발견되었고, 계산에 요구되는 많은 수고를 절감할 수

있도록 미분방정식을 대수방정식으로 대체할 수 있다고 제안하 다.

3.3.3 수치해석 이론

1) 지배방정식

난류의 속도, 압력, 온도등은 시간평균치와 변동치의 합으로 표현된다.

---------- (식 1)

난류의 지배방정식은 (식 1)을 연속방정식, 운동량방정식, 에너지방정식에 대

- 45 -

입함으로써 얻을 수 있다. 이렇게 얻어진 방정식들을 비압축성, 부력항에 대한

Boussinesq 근사를 사용한 비등온 유동장에 대해서 정리하면 다음과 같다.

----------------------------------- (식 2)

i ji j ------(식 3)

------------(식4)

(식 3), (식 4)에는 미지의 레이놀즈 응력항들이 포함되어 있다. 이 항들에 대

한 계산모델이 필요하며 이를 위해 여러 가지 모델들이 개발되어 왔다. 그 중

에서 k-ε모델이 가장 경제적이고 여러 가지 유동장의 수치해석에 적용되고 있

다. k-ε모델을 적용하기 위해서는 먼저 레이놀즈 응력항들을 평균속도 구배와

와점성 계수의 곱으로 나타낼 수 있다는 Boussinesq의 가설이 사용되는데 이

것을 식으로 표현하면 다음과 같다.

------------------------ (식 5)

또한, 에너지방정식의 응력항에 대해서는 다음과 같이 표현된다.

----------------------------- (식 6)

(식 5), (식 6)을 운동량방정식, 에너지방정식에 각각 대입하고 정상상태 유동

에 관해 정리하면 다음과 같다.

- 46 -

---------- (식 7)

----------------------- (식 8)

2) 난류모델(표준k-ε모델)

Boussinesq의 가설에 기초를 두고 있는 k-ε모델에서 와점성계수는 층류점성

계수와 달리 일정한 값이 아니며 유동장의 각 위치에서 난류상태에 따라 다른

값을 갖게 되는 유동의 특성치이다. 이러한 와점성계수는 속도차원[V]과 길이

차원[L]의 곱으로 표현될 수 있다. k-ε모델은 난류운동에너지(Turbulent

Kinetic Energy, k)와 난류운동에너지 감쇄율(Dissipation rate of Turbulent

Kinetic Energy, ε)을 사용하여 길이차원과 속도차원을 표현하는 것으로 와점

성계수는 다음과 같이 표현된다.

--------------------------------------------- (식 9)

난류운동에너지와 난류운동에너지 감쇄율은 각각 다음과 같은 Transport

equation에 의해 구해진다.

--------- (식 10)

------- (식 11)

- 47 -

여기서

(식 1)∼(식 11)에서 사용된 변수는 다음과 같다.

μi : 속도성분

Ρ : 각점의 압력

Τ : 室기온

Τref : 기준온도

ρ : 공기 도

β : 체적팽창계수

ｑ : 내부발열량

ｇ : 중력가속도

νt : 난류동 점성계수

ν : 분자동 점성계수

σ : Prandtl 수

σt : 暖流Prantol 수

ｋ : 暖流에너지 Kinetic energy of turbulence

ε : ｋ의 消散率(dissipation rate of turbulence energy)

δ : Kronecker․delta

Ｃ1, С2, СD, σt, σ1, σ2 : constants

계산식에 사용되는 표준k-ε모델의 상수항은 다음과 같다.

C1 C2 CD σt σ1 σ2

1.44 1.92 0.09 0.7 1.0 1.3

- 48 -

3) 벽 경계조건

난류유동장의 수치해석에서 가장 중요한 경계조건은 벽을 처리하는 방법이다.

통상 벽면근방의 흐름은 난류 경계층으로 보고 난류이론과 실험식에서 도출된

아래 (식 12)∼(식 17)에 나타낸 벽함수(wall function)를 사용한다.

속도에 관한 벽함수

------------------------------------ (식 12)

----------------------------------- (식 13)

온도에 관한 벽함수

t,t, --------- (식 14)

----------------------- (식 15)

k에 관한 벽함수

----------------------- (식 16)

ε에 관한 벽함수

-------------------------------------(식 17)

- 49 -

여기서, τw : 벽면에서의 전단응력

qw : 벽면에서의 heat flux

u : 벽면에 대한 평행방향의 유속

y : 벽면에서의 거리

y+ : 벽면에서의 무차원 거리

E : 정수

κ : karmann정수

C p : 정압비열

첨자 w,p 는 벽면 및 벽면에 인접한 격자점에서의 값.

- 50 -

제4장. 실내온도분포 및 기류속도의 예측과 분석

4.1 해석방법 및 모델

4.1.1 시뮬레이션 개요

실내에서의 공기분포는 공기조화 시스템의 성능을 평가하는 주요 요소 가운

데 하나이다. 쾌적한 환경유지를 위한 공기조화는 실내의 거주역에서 균일한

실온분포와 적절한 기류속도가 유지되도록 설치 운 되어야 하며, 이와 같은

환경은 취출구와 흡입구의 배치, 취출구의 형식, 취출 공기의 풍량, 온도, 속도,

방향 등에 따라 크게 좌우된다.

본 절에서는 2000년 한국에너지기술연구소의 학교건물의 에너지절약형 냉난

방시설 모형개발에 관한 연구 에서 보고된 바와 같이 학교 냉난방 모델설계

및 평가 결과 경제성, 유지관리성, 쾌적성 등에서 우수한 제품으로 평가된 천

장형 냉난방기에 대하여, 본 연구를 위해 선정된22) 교실에서 취출공기의 온도

및 풍향의 2가지 인자가 실온의 분포와 기류의 흐름, 세기 등에 미치는 향을

종합적으로 분석함으로써, 쾌적한 실내환경조건에 만족할 수 있는 운 방안을

겨울철 난방을 중심으로 제시하고자 한다.

4.1.2 시뮬레이션 대상공간

본 연구에서 계산에 사용한 공간은 3.2.3 절에서 분석한 결과를 근거로 3가지

공간 Geo-1(4.5m×7.5m), Geo-2(9.0m×7.5m), Geo-3(13.5m×7.5m)에 대해 수

치해석을 수행하 다.

Geo-1은 가장 작은 공간으로 표준크기 공간의 0.5배 공간, Geo-2는 가장 일

22) 경남지역 고등학교 가운데서 3.2.3 절에서 조사된 내용과 같이 연구내용의 적

용 가능성이 매우 높은 3가지 교실규모를 추출.

- 51 -

반적인 표준크기의 공간, Geo-3는 가장 큰공간으로 표준크기 공간의 1.5배 공

간으로 천장 높이는 3공간 모두 2.7m로 동일하고 교실의 구성은 [그림 4-1]에

나타내었다.

(a) 표준크기 0.5배 공간(Geo-1) 평면도23)

(b) 표준크기 공간(Geo-2) 평면도24)

23) 표준크기 0.5배 공간 (Geo-1) : 4.5m×7.5m=33.75 ㎡.

24) 표준크기 공간(Geo-2) : 9.0m×7.5m=67.55 ㎡.

- 52 -

(c) 표준크기 1.5배 공간(Geo-3) 평면도25)

[그림 4-1] 수치해석에 사용된 3종류 공간크기

4.1.3 시뮬레이션 조건 및 결과의 평가기준

본 연구에서는 공간크기에 따른 실내 환경의 분석이 목적이므로 해석은 정상

상태로 수행하 으며 계산에 사용된 천장형 냉난방기 모델은 국내 L사 제품의

제품형상을 상정하 으며 그 형태는 [그림 4-2]와 같다.

[그림 4-2] 시뮬레이션을 위한 천장형 냉난방기 형태

25) 표준크기 1.5배 공간 (Geo-3) : 13.5m×7.5m=101.25 ㎡.

- 53 -

계산은 난방운전에 대해 수행하 으며 변화인자는 공간크기별 토출온도 변화

및 토출각도 변화에 대해 수행하 으며 사용된 계산조건의 상세 사항은 <표

4-1>과 같다. 구조체의 온도에 대한 벽 처리조건은 건물의 열관류율을 참고로

선정하 으며 사용된 계산조건은 <표 4-2>와 같다.

교실은 중간층을 대상으로 하 으나 다소 열악한 상황을 가정하여 양옆 교실

및 위층, 아래층 교실은 난방하지 않는다는 조건으로 계산을 수행하여 온도조

건은 외기온도와 실내온도의 중간 역인 5.2℃로 하 다.

<표 4-1> 토출온도 계산조건

구 분 토출온도 변화 쾌적 토출온도

Geo-1 30℃, 33℃, 36℃, 39℃ 32.9℃

Geo-2 36℃, 39℃, 42℃, 45℃ 40.2℃

Geo-3 39℃, 42℃, 45℃, 48℃ 47.1℃

1) 쾌적 토출온도는 토출온도 변화계산 후 토출된 온도

2) 토출각도는 45°고정

3) 토출풍량은 23㎥/min

<표 4-2> 토출각도 계산조건

구 분 토출각도 변화

Geo-1 30°, 35°, 40°, 45°, 50°, 55°, 60°

Geo-2 30°, 35°, 40°, 45°, 50°, 55°, 60°

Geo-3 30°, 35°, 40°, 45°, 50°, 55°, 60°

1) 토출온도는 〈표 4-1〉의 쾌적 토출온도를 사용

2) 토출각도는 천장면을 기준으로 바닥쪽으로 변화하는 각도

3) 토출풍량은 23㎥/min

- 54 -

<표 4-3> 경계조건

구 분 계 산 조 건

외기온도 기준 -11.3℃ TAC 2.5%

구조체 조건

(열관류율)

외벽 : 0.49 ㎉/㎡h℃

지붕, 바닥 : 0.32 ㎉/㎡h℃

창문 : 2.8 ㎉/㎡h℃

사이벽 : 3.0 ㎉/㎡h℃

출입구 : 5.1 ㎉/㎡h℃

외기침입 기준 2회/h

그리고, 천장형 냉난방기는 교실 천장중앙에 설치되었다고 상정하 고 사용된

그리드시스템은 [그림 4-3]에 나타내었다.

이에 따른 시뮬레이션 결과의 평가기준은, 천장형 냉난방기의 운전조건 변화

(토출온도, 토출각도)가 교실크기에 따라 실내환경에 미치는 향을 분석하기

위하여 해석대상 평단면 및 수직단면의 온도, 기류분포를 분석하 으며, 토출

온도 변화에 대해서는 PMV분포를 토출각도 변화에 대해서는 ADPI(공기확산

성능계수)를 평가지표로 사용하 다.

평단면의 위치는 재실자의 호흡선 또는 머리위치에 해당되는 바닥에서 1.1m

높이로 정하 으며 수직단면의 위치는 교실중앙에 위치하며 외벽(또는 복도

벽)에 평행한 단면을 선정하 다.

- 55 -

(a) 표준크기 0.5배 공간(Geo-1) 그리드 시스템

(b) 표준크기 공간(Geo-2) 그리드 시스템

(c) 표준크기 1.5배 공간(Geo-3) 그리드 시스템

[그림 4-3] 수치해석에 사용된 3종류 공간에 대한 그리드 시스템

- 56 -

4.2 토출온도 변화에 따른 실내 환경 예측결과

4.2.1 실내 평균온도

[그림 4-4]는 3종류의 교실에 대하여 토출온도를 변화시켰을 때 계산된 실내

평균온도를 나타낸 것이다. 토출온도 변화에 대해 실내평균온도 변화는 공간크

기에 상관없이 직선적으로 변화한다. 직선의 기울기는 작은 공간에 비해 큰공

간의 경우가 조금 완만한 기울기를 나타내나 그 차이는 아주 작다. 적정 실내

온도를 21℃∼23℃로 볼 때 공간 크기에 따른 토출온도를 살펴보면 표준크기

의 0.5배 교실(Geo-1)의 경우 31.4∼34.4℃, 표준크기 교실(Geo-2)의 경우 38.

3∼42.0℃, 표준크기의 1.5배 교실(Geo-3)의 경우 45.1∼49.2℃로 나타났다. 본

계산에서 채택한 토출풍량은 표준공간에서 사용되는 천장형 에어컨의 풍량으

로 선정하 기 때문에 Geo-1의 토출온도는 다소 낮게 나타나고 Geo-3의 경우

다소 높게 나타났다.

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

27 30 33 36 39 42 45 48 51

토출온도[℃]

실내평균온도[℃

Geo-1

Geo-2

Geo-3 y=0.6633x+0.19

y=0.5433x+0.17

y=0.48x-0.63

[그림 4-4] 공간크기별 토출온도와 실내평균온도와의 관계

- 57 -

4.2.2 실내 온도분포 및 기류분포

실내온도분포의 경향성을 파악하기 위하여 계산에 사용한 공간별 토출각도는

동일하게 비교하기 위하여 45도로 하 고 공간별 토출온도는 사용자가 실내

적정온도를 22℃로 설정하 다고 가정하고 그것에 맞는 토출온도를 선정하여

계산을 수행하 다. 실제 사용자가 에어컨을 사용할 때 토출온도를 설정하는

것이 아니라 희망하는 실내온도를 설정하면 에어컨은 적정 토출온도로 운전되

므로 이와 같은 방법으로 계산하는 것이 타당하다고 생각된다. 토출온도 선정

방법은 4.2.1절의 [그림 4-4]에 나타낸 관계식을 사용하 고 적용된 토출온도

는 다음과 같다.

- 표준크기 0.5배 공간(Geo-1) 토출온도 : 32.9℃

- 표준크기 공간(Geo-2) 토출온도 : 40.2℃

- 표준크기 1.5배 공간(Geo-3) 토출온도 : 47.1℃

1) 수직단면 기류분포

[그림 4-5]는 공간크기별 수직단면의 기류분포를 나타내었다. 본 계산에서 동

일한 토출각도 45도를 적용하 지만 기류분포가 공간 크기에 따라 다른 형태

를 나타낸다. 표준크기 0.5배 공간(Geo-1)의 경우 토출된 기류는 양 측면의 벽

을 타고 흐르고 있고 부력에 의한 기류현상은 나타나지 않는다. 표준크기 공간

(Geo-2)의 경우 0.5m/s이상의 토출 기류가 바닥부근 까지 도달되며 양 측면에

서 부력에 의한 약한 기류상승 현상이 존재한다.

표준크기 1.5배 공간(Geo-3)의 경우 부력의 향이 강하게 나타나 기류분포

가 전체적으로 상부방향으로 향하고 있다. 즉 공간의 크기가 작을 경우 기류분

포에는 부력 향이 거의 나타나지 않으며 공간의 크기가 커 질수록 부력의

향이 크게 나타난다.

- 58 -

2) 수평단면 기류분포

[그림 4-6]은 공간크기별 수평단면의 기류분포를 나타내었다. 수평단면의 기

류분포에서 좌우측은 대칭을 이루고 있고 위쪽(복도와 만나는 부분)과 아래쪽

(외부와 만나는 부분)의 기류분포는 비대칭을 이루고 있다. 좌우측은 옆교실에

해당되므로 동일한 온도부하(현재의 계산은 난방하지 않는 상황으로 설정)를

받게 되어 좌우대칭이 나오는 것이 타당하며 위쪽과 아래쪽의 비대칭은 온도

부하가 다르므로 그에 따라 기류분포도 비대칭성을 나타낸다. 가장 큰 비대칭

성을 나타내는 것은 공간이 작은 경우(Geo-1)이다. 즉 공간이 작은 경우 외부

의 온도부하 향이 쉽게 기류분포에 향을 끼침을 알 수 있다.

3) 수직단면 온도분포

[그림 4-7]은 공간크기별 수직단면 온도분포와 수직단면에서 거주역(높이

1.1m이하)부분에서 온도범위를 분포율로 나타내었다. 수직단면의 온도분포 형

태는 기류분포에서 나타난 현상과 동일한 현상을 나타내고 있다. 즉 작은 공간

의 경우 부력 향은 거의 나타나지 않고 큰공간의 경우 부력 향을 받아 온도

분포는 좌우측면에서 특히 상부 쪽으로 치우쳐 나타나고 있다.

4) 수평단면 온도분포

[그림 4-8]은 공간크기별 수평단면의 온도분포를 나타내었다. 수평단면의 기

류분포에서 나타났던 상하부의 비대칭성이 온도분포에서 나타남을 확인할 수

있다. 가장 큰 비대칭성을 나타내는 것은 기류분포에서와 같이 가장 작은 공간

이다. 좌우분포에 가장 낮은 온도는 하부(외부와 접하고 있는 창문근처)에서

나타나고 있는데 특히 작은 공간(Geo-1)의 경우가 낮은 온도 역이 가장 넓게

나타난다.

즉 외부 온도부하 향을 가장 심하게 받는 공간이 작은 공간(Geo-1)임을 좌

우 온도분포에서도 확인할 수 있다.

- 59 -

4.2.3 소 결

이상에서 공간크기별로 토출온도를 상승시키면서 계산을 수행하 고 실내평

균온도가 동일하도록 토출온도를 선정하여 계산을 수행하 다.

계산결과

1) 실내평균온도는 동일하지만 실의 크기에 따라 온도, 기류분포는 다르게

나타남을 확인할 수 있다. 즉 수직단면의 온도, 기류분포는 공간의 크기가

커짐에 따라 부력의 향을 더욱 크게 받으며 따라서 온도, 기류분포는

공간이 커짐에 따라 위쪽으로 상승하는 성향을 나타낸다.

2) 수평단면의 온도, 기류분포는 온도부하에 따라 비대칭성인 존재함을 알 수

있다. 비대칭성은 공간이 작을수록 증가하는 경향을 나타낸다.

- 60 -

(a) 표준크기 0.5배 공간(Geo-1)

(b) 표준크기 공간(Geo-2)

(c) 표준크기 1.5배 공간(Geo-3)

[그림 4-5] 공간크기별 수직단면 기류분포.

- 61 -

(a) 표준크기 0.5배 공간(Geo-1) (b) 표준크기 공간(Geo-2)

(c) 표준크기 1.5배 공간(Geo-3)

[그림 4-6] 공간크기별 수평단면 기류분포.

- 62 -

(a) 표준크기 0.5배 공간(Geo-1)

(b) 표준크기 공간(Geo-2)

(c) 표준크기 1.5배 공간(Geo-3)

[그림 4-7] 공간크기별 수직단면 온도분포.

- 63 -

(a) 표준크기 0.5배 공간(Geo-1) (b) 표준크기 공간(Geo-2)

(c) 표준크기 1.5배 공간(Geo-3)

[그림 4-8] 공간크기별 수평단면 온도분포.

- 64 -

4.3 토출각도 변화에 따른 실내 환경 예측결과

토출각도 변화에 따라 실의 크기에 따른 실내 환경의 경향성을 파악하기 위

하여 토출각도를 변화시키면서 계산을 수행하 고 PMV, ADPI, 온도분포, 기

류분포 등을 분석하 다. 토출각도는 30도∼60도 범위에서 5도씩 변화시켰다.

토출온도는 4.2.2절에서 사용하 던 토출온도를 사용하 다.

4.3.1 PMV

[그림 4-9]는 공간크기별 토출각도와 PMV와의 관계를 나타내었다. PMV 계

산방법은 먼저 계산 격자점들에서 PMV값을 계산한다. 본 계산에서 PMV 계

산조건은 활동량은 1.0(가만히 앉아 있는 수준), 착의량은 1.2(학생들의 교복착

용에 해당), 복사온도는 실내온도 -2.0℃로 정하 고 온도와 기류값은 시뮬레

이션 결과 값을 이용하 다.

다음으로 거주역(바닥에서 1.1m 이하)내에서 쾌적범위내의 격자점들이 얼마

인가를 계산한 것으로 계산방법은 다음과 같다.

거주역내의 격자점중에서 PMV값이 ±0.5이내인 점의수 PMV[%] 〓 × 100 거주역내의 격자점 수

계산결과 토출각도가 50도가 될 때까지 실의 90%이상의 상당히 양호한 쾌적

상태를 나타내다가 55도부터 실내환경은 급격히 악화된다. 이러한 현상은 실의

크기에 상관없이 동일한 경향을 나타내고 있다.

즉 공간 크기에 상관없이 천장형 에어컨의 토출 한계각도는 PMV측면에서

볼 때 50도로 생각된다. 이와 같은 현상이 나타난 원인분석은 4.3.3절에서 온

도, 기류분석에서 자세히 언급한다

- 65 -

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

30 35 40 45 50 55 60

토출각도

PMV(%)

Geo-1

Geo-2

Geo-3

[그림 4-9] 공간크기별 토출각도와 PMV와의 관계

4.3.2 ADPI(공기확산성능계수)

[그림 4-10]은 3종류의 교실에 대하여 토출각도를 변화시켰을 때 계산된

ADPI를 나타낸 것이다. ADPI변화도 이전의 PMV변화와 유사한 경향으로 나

타난다. 즉 토출각도 변화에 대해 ADPI는 완만한 변화를 나타내다가 갑자기

급격한 감소현상을 나타낸다. 그러나, 변화 경향성은 같으나 정량적으로는 다

소 차이점을 나타내는데 토출각도 40∼50도 범위에서 작은 공간(Geo-1)의

ADPI가 표준크기 공간(Geo-2)과 표준크기 1.5배공간(Geo-3)의 ADPI보다 낮

게 나타난다. 이것의 원인은 토출각도가 커짐에 따라 0.35m/s이상의 기류가 거

주역에 많아지게 되어 ADPI값이 떨어지는데 작은 공간의 경우 기본 면적이

작으므로 그 향이 더욱 크게 나타나기 때문이다. ADPI 90%이상을 기준으

로 할 때 Geo-1의 경우 토출각도 한계치는 35도로 나타나고 Geo-2, Geo-3의

경우 45도까지를 한계치로 볼 수 있다. 이 값들은 PMV 90%기준으로 할 때

토출각도의 한계치 50도보다 엄격하게 나타난다. 따라서 본 계산결과를 근거로

할 때 실내 환경평가에서는 ADPI가 더 엄격한 지표로 생각된다.

- 66 -

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

30 35 40 45 50 55 60

토출각도

ADPI(%)

Geo-1

Geo-2

Geo-3

[그림 4-10] 공간크기별 토출각도와 ADPI와의 관계

4.3.3 토출각도변화에 공간크기별 실내온도분포 및 기류분포

1) 기류분포

[그림 4-11]은 작은 공간(Geo-1)의 토출각도 변화에 따른 수직단면 기류분포

를 나타내었고 [그림 4-12]는 표준크기 공간(Geo-2)의 토출각도 변화에 따른

수직단면 기류분포를 나타내었다. 또한 [그림 4-13]은 표준크기 1.5배공간

(Geo-3)의 토출각도 변화에 따른 수직단면 기류분포를 나타내었다. 대표적인

토출각도 30, 45, 60도에 대해 기류분포를 살펴보면 실의 크기에 상관없이 토

출각도 60도의 경우 기류분포는 90도에 가까운 토출특성을 나타내고 기류분포

도 제대로 발달되지 않음을 알 수 있다. 이것의 원인은 토출된 공기가 흡입부

의 향을 받아 재흡입 되는 현상이 주된 원인이다.

2) 온도분포

[그림 4-14]은 작은 공간(Geo-1)의 토출각도 변화에 따른 수직단면 온도분포

- 67 -

를 나타내었고 [그림 4-15]는 표준크기 공간(Geo-2)의 토출각도 변화에 따른

수직단면 온도분포를 나타내었다. 또한 [그림 4-16]은 표준크기 1.5배공간

(Geo-3)의 토출각도 변화에 따른 수직단면 온도분포를 나타내었다. 대표적인

토출각도 30, 45, 60도에 대해 온도분포를 살펴보면 45도까지 온도분포는 잘

발달되어 고른 온도분포를 나타내나 토출각도 60도의 경우 온도분포는 토출부

에서 가까운 역에만 온도분포가 국소적으로 형성되고 나머지 대부분의 역

들에서 차가운 온도 역이 존재함을 알 수 있다. 이와 같이 온도 본포가 제대

로 발달하지 못하는 것은 재흡입 현상에 의해 기류분포가 제대로 발달되지 못

함에 의해 온도분포가 바로 향받고 있음을 알 수 있다. 따라서 PMV, ADPI

의 급격한 저하 현상은 기류분포의 재흡입 현상에 의한 온도분포 미 발달에서

원인을 찾을 수 있다.

4.3.4 소 결

이상에서 토출각도 변화에 따른 공간크기별 실내환경을 분석한 결과

1) 거주역내에서 얼마나 많은 쾌적 역이 존재하는가를 나타내는 PMV[%]

는 토출각도가 증가함에 따라 어느 한계각도에서 급격한 감소현상이 나

타났다.

2) 거주역내의 ADPI값도 정성적으로 PMV와 동일한 경향을 나타내나 한계각

도의 값은 PMV 기준보다 엄격하게 나타났다. 또한 작은 공간 (Geo-1)의 경

우가 Geo-2, Geo-3의 경우보다 토출각도 40∼50도 역에서 낮은 값이 도출

되었다.

3) 이와 같은 급격한 PMV, ADPI값의 저하는 토출각도가 증가할 때 어느 한

계 치를 지나면 흡입부의 향을 받아 토출류에 재흡입 현상이 일어나고 따

라서 온도분포가 제대로 발달하지 못하는 원인에 기인한다.

- 68 -

(a) 토출각도 = 30도

(b) 토출각도 = 45도

(c) 토출각도 = 60도

[그림 4-11] 토출각도별 수직단면 기류분포(Geo-1).

- 69 -

(a) 토출각도 = 30도

(b) 토출각도 = 45도

(c) 토출각도 = 60도

[그림 4-12] 토출각도별 수직단면 기류분포(Geo-2).

- 70 -

(a) 토출각도 = 30도

(b) 토출각도 = 45도

(c) 토출각도 = 60도

[그림 4-13] 토출각도별 수직단면 기류분포(Geo-3).

- 71 -

(a) 토출각도 = 30도

(b) 토출각도 = 45도

(c) 토출각도 = 60도

[그림 4-14] 토출각도별 수직단면 온도분포(Geo-1).

- 72 -

(a) 토출각도 = 30도

(b) 토출각도 = 45도

(c) 토출각도 = 60도

[그림 4-15] 토출각도별 수직단면 온도분포(Geo-2)

- 73 -

(a) 토출각도 = 30도

(b) 토출각도 = 45도

(c) 토출각도 = 60도

[그림 4-16] 토출각도별 수직단면 온도분포(Geo-3)

- 74 -

제5장. 결 론

본 연구는 교실에서 천장형 냉난방기의 보급확대에 앞서 동 냉난방기의 성능

을 향상시키고 실의 규모에 따라 운용의 개선방안 검토를 위한 목적으로 수행

하 고 연구의 결과는 다음과 같다.

1. 먼저 공간크기별로 토출온도를 상승시키면서 계산을 수행한 후 실내평균온

도가 동일하도록 토출온도를 선정하여 계산을 수행한 결과

가. 실내평균온도는 동일하지만 실의 크기에 따라 온도, 기류분포는 다르게

나타남을 확인할 수 있었다. 즉 수직단면의 온도, 기류분포는 공간의 크기가

커짐에 따라 부력의 향을 더욱 크게 받으며 따라서 온도, 기류분포는 공간

이 커짐에 따라 위쪽으로 상승하는 성향을 나타낸다.

나. 수평단면의 온도, 기류분포는 온도부하에 따라 비대칭성이 존재함을 알

수 있었다. 비대칭성은 공간이 작을수록 증가하는 경향을 나타낸다.

2. 토출각도 변화에 따른 공간크기별 실내환경을 분석한 결과

가. 거주역내에서 얼마나 많은 쾌적 역이 존재하는가를 나타내는 PMV[%]

는 토출각도가 증가함에 따라 어느 한계각도에서 급격한 감소현상이 나

타났다.

나. 거주역내의 ADPI값도 정성적으로 PMV[%]와 동일한 경향을 나타내나

한계각도의 값은 PMV기준보다 엄격하게 나타났다. 또한 작은 공간 (Geo-1)

의 경우가 Geo-2, Geo-3의 경우보다 토출각도 40∼50도 역에서 낮은 값이

도출되었다.

- 75 -

다. 이와 같은 급격한 PMV, ADPI값의 저하는 토출각도가 증가할 때 어느

한계 치를 지나면 흡입부의 향을 받아 토출류에 재 흡입 현상이 일어나고

따라서 온도분포가 제대로 발달하지 못하기 때문이다.

이상의 결과을 취합하면 천장형 냉난방기의 속도분포는 교실의 크기 및 취출

각도에 따라 기류흐름은 실내 전체에서 바뀌며 바닥으로부터 0.1∼1.2m 높이

구간에서 풍속은 0.5m/s 이하로 풍속의 변화가 적다. 그러나 1.5m 이상의 높

이에서는 취출방향에 따라 속도가 빠르며 전체적인 풍속도 안정적이지 않고

편차가 비교적 크게 나타나고 있다.

천장형 냉난방기의 적정 취출각도는 교실의 규모에 따라 조금의 차이는 있으

나 35∼50°일 때 실내 전체의 온도분포 면에서 가장 유리한 조건으로 나타나

고 있다.

학교건축물의 환경개선을 위한 천장형 냉난방기를 교실에 확대 적용하기 위

해서는 냉방에 대한 연구의 범위가 추가(본 연구에서는 난방에 대해서만 연구

의 범위를 설정하여 수행)로 이루어지고, 다양한 교실규모, 환기량 조건(환기횟

수 등)에 따른 추가적인 검토가 필요한 것으로 판단된다.

- 76 -

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