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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 이정재
- 발행연도
- 2021
- 저작권
- 동아대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수78
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최근 급격한 산업화로 인해 환경오염 문제와 더불어 대기오염에 대한 세계적인 관심과 우려가 증가되고 있으며, 황사와 미세먼지 등에 대한 피해가 증가함에 따라 청정한 공기환경에 대한 관심이 고조되고 있다. 이에 국내 학교 교실에서도 건강한 실내공기환경을 확보하기 위하여 고성능 필터가 적용된 환기장치와 더불어 공기청정 설비의 적용이 급증하고 있는 실정이다.
기존 연구에서는 외기와 연동한 환기장치의 제어에 관한 연구가 이루어지고 있으나, 환기 및 공기청정 장치의 에너지 절약적 연동제어 알고리즘 개발에 관한 연구는 진행되지 않고 있다. 따라서, 본 연구에서는 부산에 위치한 학교 교실을 대상으로 기밀성능 및 실내·외 미세먼지 농도를 실측하여 현황을 파악하고, 완전확산을 가정한 오염물질 농도예측법의 정확성 검증을 위하여 CFD(Computational Fluid Dynamics) 해석결과와 비교분석을 실시하였다. 또한 CO2 및 미세먼지의 관점에서 학교 교실의 실내공기질 개선을 위한 환기 및 공기청정 장치의 에너지 절약적 연동제어 알고리즘을 개발하고 본 알고리즘의 적용성을 정량적으로 검토하였다.
본 연구의 주요결과를 정리하면 다음과 같다.
1) 측정대상 학교 교실의 기밀성능은 평균 14.9 ACH50으로 나타나, KIAEBS 기준 및 ASHRAE 상업건물 기준을 크게 초과하는 것으로 나타났다. 학교 교실로의 침기 유입경로는 복도측 창과 문 > 교실 외기창 > 기계환기장치 급배기구 순으로 나타났다. 이는 복도측 창과 문은 목재로 구성되어 기밀정도가 알루미늄 이중창이 적용된 외기창보다 떨어지기 때문으로 판단된다.
2) 완전확산 모델 적용 시의 예측결과를 CFD 해석결과와 비교하면, PM2.5 농도의 경우 3.57~7.69%, CO₂농도의 경우 8.31~13.95% 정도의 오차로 높은 정확도를 보여주고 있다. 다만, PM2.5 농도는 환기장치 단독 운전하는 경우, CO2 농도는 공기청정장치 단독 운전하는 경우, 완전확산 모델 적용 시의 예측결과는 CFD 해석결과와의 오차율이 다소 차이를 보이는 것으로 나타났다. 따라서 환기 및 공기청정 장치가 설치되어 많은 환기량이 확보되는 학교 교실에서는 완전확산을 가정한 실내오염물질 농도예측법의 적용이 충분히 가능한 것으로 판단된다.
3) 환기 및 공기청정 장치가 설치되어 있는 교실에서 CO2와 PM2.5를 효율적으로 제거하여 실내공기질을 개선시킬 수 있는 에너지 절약적 연동제어 알고리즘을 개발하여 적용하였다. 환기장치의 단독 운전 시보다 공기청정장치와 연동하는 것이 실내 미세먼지 농도를 효율적으로 제거시킬 수 있는 것으로 나타났다. 또한, 외부 미세먼지가 높을 경우, 환기장치와 공기청정장치를 연동제어하는 것이 더욱 효과적인 것으로 나타났다.
개발된 환기·공기청정 연동제어 알고리즘 적용 시, 실외의 오염물질이 어떠한 경우에도, 실내 PM2.5 및 CO2 농도가 학교보건법 기준치 이하로 적정하게 제어될 수 있다.
기존 연구에서는 외기와 연동한 환기장치의 제어에 관한 연구가 이루어지고 있으나, 환기 및 공기청정 장치의 에너지 절약적 연동제어 알고리즘 개발에 관한 연구는 진행되지 않고 있다. 따라서, 본 연구에서는 부산에 위치한 학교 교실을 대상으로 기밀성능 및 실내·외 미세먼지 농도를 실측하여 현황을 파악하고, 완전확산을 가정한 오염물질 농도예측법의 정확성 검증을 위하여 CFD(Computational Fluid Dynamics) 해석결과와 비교분석을 실시하였다. 또한 CO2 및 미세먼지의 관점에서 학교 교실의 실내공기질 개선을 위한 환기 및 공기청정 장치의 에너지 절약적 연동제어 알고리즘을 개발하고 본 알고리즘의 적용성을 정량적으로 검토하였다.
본 연구의 주요결과를 정리하면 다음과 같다.
1) 측정대상 학교 교실의 기밀성능은 평균 14.9 ACH50으로 나타나, KIAEBS 기준 및 ASHRAE 상업건물 기준을 크게 초과하는 것으로 나타났다. 학교 교실로의 침기 유입경로는 복도측 창과 문 > 교실 외기창 > 기계환기장치 급배기구 순으로 나타났다. 이는 복도측 창과 문은 목재로 구성되어 기밀정도가 알루미늄 이중창이 적용된 외기창보다 떨어지기 때문으로 판단된다.
2) 완전확산 모델 적용 시의 예측결과를 CFD 해석결과와 비교하면, PM2.5 농도의 경우 3.57~7.69%, CO₂농도의 경우 8.31~13.95% 정도의 오차로 높은 정확도를 보여주고 있다. 다만, PM2.5 농도는 환기장치 단독 운전하는 경우, CO2 농도는 공기청정장치 단독 운전하는 경우, 완전확산 모델 적용 시의 예측결과는 CFD 해석결과와의 오차율이 다소 차이를 보이는 것으로 나타났다. 따라서 환기 및 공기청정 장치가 설치되어 많은 환기량이 확보되는 학교 교실에서는 완전확산을 가정한 실내오염물질 농도예측법의 적용이 충분히 가능한 것으로 판단된다.
3) 환기 및 공기청정 장치가 설치되어 있는 교실에서 CO2와 PM2.5를 효율적으로 제거하여 실내공기질을 개선시킬 수 있는 에너지 절약적 연동제어 알고리즘을 개발하여 적용하였다. 환기장치의 단독 운전 시보다 공기청정장치와 연동하는 것이 실내 미세먼지 농도를 효율적으로 제거시킬 수 있는 것으로 나타났다. 또한, 외부 미세먼지가 높을 경우, 환기장치와 공기청정장치를 연동제어하는 것이 더욱 효과적인 것으로 나타났다.
개발된 환기·공기청정 연동제어 알고리즘 적용 시, 실외의 오염물질이 어떠한 경우에도, 실내 PM2.5 및 CO2 농도가 학교보건법 기준치 이하로 적정하게 제어될 수 있다.
목차
I. 서론 11. 연구의 배경 및 목적 12. 기존 연구 동향 33. 연구의 범위 및 방법 7Ⅱ. 미세먼지 및 이산화탄소가 인체에 미치는 영향 101. 미세먼지 10가. 먼지와 미세먼지 10나. 국내 미세먼지 현황 15다. 미세먼지의 인체 위해성 222. 이산화탄소 23가. 이산화탄소 특성 23나. 국내 이산화탄소 농도 현황 24다. 이산화탄소의 인체 위해성 25Ⅲ. 학교 교실의 기밀성능과 미세먼지 측정 및 분석 261. 기밀성능 측정 및 분석 26가. 측정 대상학교 건물개요 26나. 측정조건 및 방법 29다. 측정결과 및 분석 362. 미세먼지 측정 및 분석 39가. 측정조건 및 방법 39나. 측정결과 및 분석 493. 소결 57Ⅳ. 실내오염물질 농도예측 및 검증 581. 완전확산 모델에 의한 실내오염물질 농도예측 58가. 실내오염물질 평형방정식 59나. 해석방법 및 조건 62다. 해석결과 및 분석 652. CFD에 의한 실내오염물질 농도예측 71가. CFD 시뮬레이션 개요 71나. 해석방법 및 조건 74다. 해석결과 및 분석 773. 완전확산과 CFD에 의한 실내오염물질 농도예측 결과비교 854. 소결 89Ⅴ. 환기 및 공기청정 장치 연동제어 알고리즘 개발 및 적용성 검토 911. 알고리즘 개발 91가. 개발 필요성 91나. 이산화탄소 및 미세먼지 저감을 위한 연동제어 알고리즘 제안 932. 연동제어 알고리즘의 적용성 검토 95가. 해석방법 및 조건 95나. 해석결과 및 분석 983. 소결 116Ⅵ. 결론 118참고문헌 120Abstract 125
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