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1. 실내온열요소 | |
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실내온열요소는 일반적으로 물리적 상태인 온도, 습도, 기류, 복사열을 의미한다. 건구온도(DBT;Dry Bulb Temperature) 일반 온도계의 수은주가 가르키는 온도를 말하는 것으로 공기의 온도를 측정한 것을 말한다. 습구온도(WBT;Wet Bulb Temperature) 온도계의 구근(球根)을 물에 젖은 천으로 싸고 공기 중에 노출시켜 습구온도계가 표시하는 온도를 말한다. 습구온도는 포화공기 상태에서는 증발이 일어나지 않으므로 건구온도와 동일한 온도로 측정되지만, 건구온도와 습구온도의 차가 클수록 공기의 상대습도는 낮게 나타난다. 습구온도는 건구온도 보다 절대로 높을 수 없다. 노점온도(Dew Point Temperature) 공기중의 수증기가 냉각되면서 공기 중에서 분리되어 물방울이 되는 것을 응축이라 하며 응축이 시작되는 온도를 노점온도(露點溫度)라 한다. 즉, 습공기가 대기압 중에서 일정량의 수증기를 함유할 수 있는 최저의 온도를 말한다. 절대습도(AH; Absolute Humidity) 습공기에 함유되어 있는 수증기중량과 그 습공기에서의 건조공기 1㎏에 대한 중량비율을 말하며 단위는 ㎏/㎏′또는 ㎏/㎏(DA)을 사용한다.
상대습도(RH; Relative Humidity) 습공기 중의 수증기압과 동일온도에서의 포화공기의 수증기압의 비율로 단위는 %를 사용한다.
비교습도(Percentage Humidity) 일명 포화도(Saturation Ratio)라 하며 이것은 습공기 중의 절대습도와 동일온도에서의 포화절대습도의 비율로 단위는 %를 사용한다. 상대습도와 비교습도와의 차이는 온도가 높아질수록 커지기 때문에 물리·화학의 순수과학 측면에서는 상대습도와 비교습도의 값은 다르다. 그러나 공학적인 측면의 건축환경이나 공기조화설비에 사용되는 온도는 상온상태이기 때문에 차이 폭이 작아 상대습도와 비교습도는 거의 동일하다.
엔탈피(Enthalpy) 어느 상태의 습공기가 보유하는 전열량을 말하는 것으로 엄밀한 의미에서 물질의 내부에너지와 외부에너지와의 합인 엔탈피와는 약간 다르다. 습공기의 엔탈피는 0℃의 건조공기 및 0℃의 포화수의 기준값을 0으로 하고 건조공기 1㎏당 ㎉로 나타낸다. i = ia + iv·x = 0.24t + (597.5 + 0.44t)·x i : 습공기의 엔탈피[㎉/㎏(D.A)] ia : 건조공기의 엔탈피[㎉/㎏(D.A)] iv : 수증기의 엔탈피[㎉/㎏(D.A)] x : 절대습도[㎏/㎏(D.A)] 0.24 : 건조공기의 정압비열[㎉/㎏′·℃] t : 건구온도[℃] 597.5 : 물 0℃에서의 증발잠열[㎉/㎏] 0.44 : 수증기의 정압비열[㎉/㎏·℃] 비체적(Specific volume) 건조공기 1㎏과 수증기 x ㎏을 함유한 습공기의 체적을 비체적 이라 하고 단위는 ㎥/㎏(DA)을 사용한다. 20℃의 건조공기를 표준공기로 보면 공기의 비중량은 1.2㎏/㎥이고 비체적은 비중량의 역수이므로 0.83㎥/㎏이 된다. 현열비(SHF; Sensible heat factor) 공기가 상태변화(온도, 습도의 동시변화)로 열량이 소비될 때 전열량 중에서 현열량과 잠열량의 비율에 의하여 공기선도상의 이동하는 방향이 정해진다. 전열량(全熱量)에 대한 현열량(顯熱量)의 비율을 현열비(SHF)라고 하며 이 값은 즉 엔탈피 변화에 대한 현열량 변화의 비율로서 다음과 같다.
(2.6) qs : 현열량(현열부하)[㎉/h] qL : 잠열량(잠열부하)[㎉/h] Cp : 습공기의 정압비열(=0.24+0.44x)[㎉/㎏·℃] x : 절대습도[㎏/㎏(D.A)] Δt : 건구온도 차[℃] Δi : 엔탈피 차[㎉/㎏(D.A)] 열수분비(Enthalpy-humidity difference ratio) 습공기선도의 좌상단에 위치한 반원상의 수치를 나타낸 것이 열수분비이며 이 값은 엔탈피 변화에 대한 절대습도의 변화의 비율로서 다음과 같다.
Δi : 엔탈피 차[㎉/㎏(D.A)] Δx : 절대습도 차[㎏/㎏(D.A)] qs : 현열량(현열부하)[㎉/h] L : 공기의 가습 또는 감습에 의한 수분량[㎏/h] 습공기선도(Psychrometric Chart) 이 선도는 습공기의 열역학적 상태량을 나타낼 뿐만 아니라 열쾌적영역(Comfort zone), 결로의 판정여부, 공조설비과정의 계산 등에 대하여 쉽게 이용할 수 있다. 그림 1-1 습공기선도 |
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2. 실내온열환경측정 | |
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아스만 통풍건습계 수은을 봉입한 유리온도계를 이용하여 온도와 습도를 동시에 측정한다. 아스만(Assman) 통풍건습계는 구부(球部)를 그대로 두고 측정하는 건구(乾球)온도계와 구부에 가제를 둘러 물로 적셔서 측정하는 습구(濕球)온도계가 있다. 팬(fan)으로 공기를 빨아들여 구부에 풍속 5㎧ 이상의 바람을 닿게하고 도금된 2중관에 의해 열복사가 차폐되는 구조로 되어있다 자기온습도계 온도의 측정은 팽창계수가 다른 두 종류의 금속판을 사용한 바이메탈을 이용하고 습도의 측정에는 흡습에 의한 모발의 신축을 이용한다. 자기온습도계의 상부에는 온도, 하부에는 습도용으로 2개의 펜(pen)에 의해 회전하는 드럼(drum)에 감겨진 기록지에 연속적으로 기록된다 그림 1-2 자기온습도계 카타온도계 1916년 영국의 Leonard Hill은 인체의 방열모형으로 카타온도계(Kata thermometer)를 고안하여 공기 중에서 36.5℃ 인체표면에서의 열손실 정도를 측정하는데 사용하였다. 다시 말해 온열환경요소 중에서 온도와 기류속도에 의한 냉각력을 측정하기 위해 고안되었다. 열선풍속계 열선풍속계(Anemomaster)는 전기적인 방법에 의한 기류속도의 측정기기이며 휴대가 간편하고 취급이 용이하여 많이 사용된다. 최근에는 풍속을 비롯한 풍온, 정압을 측정할 수 있으며 무지향성 프로브(Probe)을 이용하여 미풍속을 측정할 수 있다. 글로브 온도계 복사열은 글로브 온도계(Glove thermometer)를 사용하여 측정한다. 글로브 온도계는 1930년 H.M. Vernon에 의하여 고안되었으며 두께 0.5㎜ 동판으로 제작되고 직경 15㎝의 구형으로 표면에는 복사에 의한 흡열이 잘되도록 무광택 고무로 코팅된다. 일명 흑구온도계라 한다. 구형 내부에는 봉상온도계를 중심에 위치하도록 설치하고 고무마개로 고정시킨다. 글로브온도계의 사용시 유의사항은 평균복사온도가 기온보다 낮은 경우에는 인체의 추위와 더위에 대한 감각과 대응하지 않으므로 글로브온도계는 평균복사온도가 기온보다 높은 경우에 이용해야 한다. 그림 1-3 글로브온도계 실내온열환경측정기 풍속, 온도, 상대습도, 복사온도, 습구온도, CO, CO2, 오존, 분진등을 측정 할 수 있는 실내 종합 환경측정기이다. 그림 1-4 실내온열환경측정기 |
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3. 인체의 열평형 | |
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인체 내에서 발생하는 열은 인체의 활동상태에 따라 변화하는데 발생열량과 같은 열량을 체외로 방출해야 한다. 인체에서의 방열은 인체표면에서의 대류, 복사, 땀의 증발, 호흡에 따르는 수분증발에 의하여 이루어진다. 이러한 인체의 방열량은 착의상태 및 주위공간의 온도, 습도, 기류속도, 주변의 표면온도, 일사 등의 복사열에 의하여 영향을 받는다. 일반적으로 전도에 의한 손실이 없을 경우(18℃정도의 정지공기 내에서 차가운 물체와의 접촉이 없는 경우) 인체에 영향을 미치는 열의 현상은 복사 45%, 대류 30%, 증발 25%를 차지한다. 인체 열평형의 여부에 대한 식은 다음과 같다. H = Met-Evp±Cnd±Cnv±Rad Met : 신진대사량(Metabolism) Evp : 증발열량(Evaporation) Cnd : 전도열량(Conduction) Cnv : 대류열량(Convection) Rad : 복사열량(Radiation) H = 0 일 때 쾌적한 상태(체온 36.5℃ 유지) H 〉0 일 때 더운 상태(체온 상승) H 〈0 일 때 추운 상태(체온 강하) 만약에 인체가 주위환경과의 사이에서 열적으로 불균형을 이루면 열적 스트레스를 받게되며 인체는 이에 대하여 어떠한 반응을 일으키게 된다. 즉 더위와 추위를 느끼게 되면 인체는 체내에서 열을 방출하거나 보존하는 생리적 조절기능을 갖게된다. 그림 1-5 인체의 열평형 |
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4. 건물의 열평형 | |
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건축물도 인체와 마찬가지로 실외 환경기후와 끊임없는 열교환이 이루어진다. 인체를 보호하는 의복의 기능과 마찬가지로 건물의 외피(Building envelope)는 기후의 영향을 조절함으로서 인체의 열적 스트레스를 최소화하여 쾌적환경을 제공하는 역할을 한다. 건물외피는 기후조건이나 계절에 따라 외부로부터 불필요한 열을 차단하거나, 필요한 열을 취득하여 열적 평형을 유지한다. 이러한 의미에서 건축물은 기후의 여과기(Climatic Filter)라고 한다. 건물의 열평형을 이루는 요소는 다음과 같다. 건물에서 열류조건의 합이 0일 때 열평형이 이루어진다.
Qi : 내부발생열 취득 Qs : 일사열 취득 Qc : 전열에 의한 취득, 손실 Qv : 환기에 의한 열취득, 열손실 Qe : 증발에 의한 열손실 Qm: 기계적인 난방, 냉방 그림 1-6 건물의 열평형 |
