수동 냉각

Passive cooling
풍탑을 이용한 이란의 전통적인 태양열 냉각 설계

패시브 쿨링은 에너지 소비량이 [1][2]낮거나 전혀 없는 실내 온열 쾌적성을 향상시키기 위해 건물 내 열 획득 제어 및 방산에 초점을 맞춘 건물 설계 접근법입니다.이 방법은 열이 내부로 유입되는 것을 방지하거나(열 발생 방지), 건물에서 열을 제거함으로써(자연 냉각)[3] 작동합니다.

자연 냉각은 열을 [4]방출하는 기계 시스템이 아닌 건물 구성요소(예: 건물 외피)의 건축 설계와 결합된 자연 환경에서 사용 가능한 온사이트 에너지를 사용합니다.따라서 자연 냉각은 건물의 건축 설계뿐만 아니라 현장의 천연 자원을 히트 싱크로 사용하는 방법(즉, 열을 흡수하거나 방산하는 모든 것)에 따라 달라집니다.현장 열제거원의 예로는 상층 대기(밤하늘), 실외 공기(바람) 및 토양/토양이 있다.

수동 냉각은 온난화 환경에서 [5][6]에너지 집약적인 에어컨에 대한 의존도를 낮추면서 기후변화 적응을 위한 건물 설계에 중요한 도구입니다.

개요

수동 냉각은 에너지를 [1]사용하지 않고 열을 방출하고 변조하는 모든 자연 프로세스와 기술을 포함합니다.일부 저자들은 자연 [7]냉각 프로세스의 효율성을 높이기 위해 사용되는 한, 작고 단순한 기계 시스템(예: 펌프 및 이코노마이저)을 수동 냉각 기법으로 통합할 수 있다고 생각한다.이러한 애플리케이션을 '하이브리드 냉각 시스템'[1]이라고도 합니다.수동 냉각 기법은 두 가지 주요 범주로 분류할 수 있다.

  • 외부 및 내부 열 이득의 보호 및/또는 방지를 목적으로 하는 예방 기술.
  • 건물이 히트 싱크의 열을 기후로 전달하여 열 이득을 저장하고 방산할 수 있도록 하는 변조 및 방열 기술입니다.이 기술은 열 질량 또는 자연 냉각의 결과일 수 있습니다.

예방 기술

이 고대 로마의 집은 열을 받는 것을 피한다.무거운 석조 벽, 작은 외부 창문, 좁은 벽으로 둘러싸인 정원 방향의 N-S가 집을 그늘지게 하여 열 발생을 방지합니다.이 집은 중앙 아트리움(하늘을 향해 열려 있음)으로 열려 있습니다. 물의 증발 냉각은 아트리움에서 정원으로의 교차 통풍을 일으킵니다.

열 이득으로부터 보호 또는 열 이득 방지에는 건물 외피를 통한 태양 열 이득의 영향과 점유 및 장비로 인해 건물 내부에서 발생하는 내부 열 이득의 영향을 최소화하는 모든 설계 기법이 포함됩니다.여기에는 다음과 같은 설계 [1]기법이 포함됩니다.

  • 미세 기후 및 현장 설계 - 지역 기후 및 현장 상황을 고려하여 건물의 외피를 통해 과열을 방지하는 데 가장 적합한 특정 냉각 전략을 선택할 수 있습니다.미기후는 태양과 바람의 이용 가능성을 분석함으로써 가장 유리한 건물 위치를 결정하는 데 큰 역할을 할 수 있다.생체 기후도, 태양도 및 풍향장미는 이 [8]기법을 적용할 때 관련된 분석 도구이다.
  • 태양열 제어 - 적절히 설계된 차양 시스템은 태양열을 최소화하는 데 효과적으로 기여할 수 있습니다.건물 외피의 투명한 표면과 불투명한 표면을 모두 음영 처리하면 실내 공간과 건물 구조 모두에서 과열을 유발하는 태양 복사의 양을 최소화할 수 있다.건물 구조를 음영 처리함으로써 창문과 외피를 통해 포착되는 열 이득을 줄일 수 있습니다.
  • 건물 형태 및 배치 - 건물 방향과 실내 공간의 최적 분포를 통해 과열을 방지할 수 있습니다.건물의 다양한 활동을 고려하여 내부 열 이득의 원천 및/또는 열 이득의 배분을 거부하기 위해 건물 내에서 방을 구획화할 수 있다.예를 들어 평평한 수평 평면을 작성하면 평면 전체에 걸친 교차 환기의 효과가 높아집니다.존을 수직으로 배치하면 온도 성층화를 이용할 수 있습니다.일반적으로 계층화로 인해 상위 레벨의 빌딩 구역이 하위 구역보다 따뜻합니다.공간 및 액티비티의 수직존분할은 온도요건에 따른 존 사용에 [8]대응하기 위해 이 온도층화를 사용합니다.폼 팩터(즉, 부피와 표면의 비율)도 건물의 에너지 및 열 프로필에 중요한 역할을 합니다.이 비율을 사용하여 특정 지역 기후에 맞게 건물 형태를 형성할 수 있습니다.예를 들어, 내부 하중 대 외피 면적의 비율이 [9][10]유의하기 때문에 보다 컴팩트한 형태는 덜 컴팩트한 형태보다 더 많은 열을 보존하는 경향이 있습니다.
  • 단열재 - 건물 외피의 단열재를 사용하면 외관을 통해 방사선에 의해 전달되는 열의 양을 줄일 수 있습니다.이 원칙은 봉투의 불투명(벽과 지붕)과 투명한 표면(창문) 모두에 적용됩니다.지붕은 내부 열 부하에 더 큰 기여를 할 수 있기 때문에(예: 금속 구조물로 지붕을 만든 건물 및 작업장) 단열재를 제공하면 지붕으로부터의 열 전달을 효과적으로 줄일 수 있습니다.
  • 행동 패턴 및 거주 패턴 - 건물의 특정 구역 내 인원 제한과 같은 일부 건물 관리 정책도 건물 내부의 열 이득을 최소화하는 데 효과적으로 기여할 수 있습니다.건물 거주자는 또한 비어 있는 공간의 조명과 장비를 끄고, 창문을 통해 태양열을 발생시키는 것을 줄이기 위해 필요한 경우 차양을 작동하거나, 실내 환경에 더 잘 적응하기 위해 옷을 가볍게 입는 등 실내 과열 방지에도 기여할 수 있습니다.
  • 내부 이득 제어 - 에너지 효율이 높은 조명 및 전자기기는 에너지를 적게 방출하기 때문에 공간 내부의 열 부하가 감소합니다.

변조 및 방열 기술

변조 및 방열 기술은 내부 열 이득을 저장하고 제거하기 위해 자연 열 싱크에 의존합니다.자연 싱크대의 예로는 밤하늘, 흙, 건물 [11]질량 등이 있습니다.따라서 열 싱크를 사용하는 수동 냉각 기법은 열 질량에 따라 열 이득을 조절하거나 자연 [1]냉각 전략을 통해 열을 방출하는 역할을 할 수 있습니다.

  • 열질량 - 건물의 열질량을 히트싱크로 적절히 사용함으로써 실내공간의 열게인 조절이 가능합니다.이 열 덩어리는 낮 시간 동안 열을 흡수하고 저장했다가 나중에 [1]우주로 돌아갑니다.저녁/야간에 공간에 전달되는 저장된 열이 바람직하지 않을 경우 열량은 야간 환기 자연 냉각 전략과 결합될 수 있습니다.
  • 자연 냉각 - 자연 냉각은 실내 공간에서 열을 방출하기 위해 환기 또는 자연 열제거원을 사용하는 것을 말합니다.자연 냉각은 환기, 야간 플러싱, 복사 냉각,[12] 증발 냉각 및 접지 커플링의 5가지 범주로 나눌 수 있습니다.

환기

전통적인 건축에 사용되는 한 쌍의 짧은 바람막이(malqaf)입니다.바람은 바람이 불어오는 쪽으로 내려가고 바람이 불어오는 쪽으로 떠납니다(횡단 환기).바람이 없을 경우 흡기구의 증발 냉각으로 순환을 구동할 수 있습니다.중앙에는 while the(지붕등 통풍구)가 있는데, 이 통풍구는 아래 칸을 그늘지게 하면서 뜨거운 공기를 뿜어낸다(스택 효과).[13]

자연 냉각 전략으로서의 환기는 공기의 물리적 특성을 사용하여 열을 제거하거나 탑승자에게 냉각을 제공합니다.일부 경우에는 환기를 사용하여 건물 구조를 냉각할 수 있으며, 이후 히트 싱크로 사용될 수 있습니다.

  • 교차 환기 - 교차 환기 전략은 탑승자를 냉각하기 위해 건물을 통과하는 바람에 의존합니다.교차 환기를 위해서는 흡입구와 배출구라고 하는 공간 양쪽에 개구부가 필요합니다.환기 입구와 출구의 크기와 배치는 건물을 통과하는 교차 환기의 방향과 속도를 결정합니다.일반적으로 적절한 교차 [14]환기를 제공하기 위해 동일한(또는 더 큰) 출구 개구부 면적이 제공되어야 한다.
  • 스택 환기 - 교차 환기는 효과적인 냉각 전략이지만 바람은 신뢰할 수 없는 자원입니다.스택 환기는 따뜻한 공기의 부력에 의존하여 천장 높이에 위치한 개구부를 통해 상승 및 배출되는 대체 설계 전략입니다.바닥 근처에 조심스럽게 설계된 흡입구를 통해 상승하는 따뜻한 공기를 차가운 외부 공기가 대신합니다.

이 두 가지 전략은 환기 냉각 전략의 일부입니다.

자연 환기의 한 가지 특별한 적용은 야간 플러싱입니다.

야간 플러싱

이탈리아 플로렌스에 있는 안마당.그것은 높고 좁으며, 바닥에는 매우 얇은 물줄기가 뿜어져 나오고 있고, 그 위로 윗방이 열려 있다.안뜰의 야간 플러싱은 밤 공기가 차가워지면 자동으로 이루어집니다. 증발 냉각은 안뜰을 더욱 냉각시키고 낮 동안 외풍을 일으키고 공기를 바꾸는 데 사용할 수 있습니다.윈도우는 24시간 내내 열려 있을 수 있습니다.

야간 플러싱(야간 환기, 야간 냉각, 야간 퍼지 또는 야간 대류 냉각이라고도 함)은 [15][16]건물의 구조적 요소를 냉각하기 위해 밤에 공기 이동을 증가시켜야 하는 수동적 또는 반수동적 냉각 전략입니다.물을 냉각하기 위한 자유 냉각과 건물의 열량을 냉각하기 위한 야간 플러싱을 구분할 수 있습니다.야간 플러싱을 수행하기 위해 일반적으로 낮에 건물 봉투를 닫아 둡니다.건물 구조의 열 질량은 낮 동안 싱크대 역할을 하며 거주자, 장비, 일사, 벽, 지붕 및 천장을 통한 전도로부터 얻은 열을 흡수합니다.밤에는 외기가 차가워지면 외피를 열어서 차가운 공기가 건물을 통과할 수 있도록 하여 저장된 열을 [17]대류에 의해 방출할 수 있습니다.이 프로세스는 실내 공기와 건물 열량의 온도를 낮추어 건물이 점유되는 [15]낮에 대류, 전도성 및 복사 냉각을 수행할 수 있도록 합니다.야간 플러싱은 주간 스윙이 큰 기후에서 가장 효과적이다. 즉, 일일 최대 실외 [18]온도와 최소 실외 온도 간의 차이가 크다.최적의 성능을 위해 야간 실외 공기 온도는 낮의 쾌적 구역 한계인 22°C(72°F)보다 훨씬 낮게 떨어져야 하며 절대 습도 또는 특정 습도가 낮으면 안 됩니다.덥고 습한 기후에서 디루날 온도 변동은 일반적으로 작으며 야간 습도는 높은 상태를 유지합니다.야간 플러싱은 효과가 제한적이며 높은 습도를 유발하여 문제를 일으킬 수 있으며 낮에 활성 시스템에 의해 제거될 경우 높은 에너지 비용으로 이어질 수 있습니다.따라서 야간 플러싱의 효과는 충분히 건조한 [19]기후로 제한됩니다.야간 플러싱 전략이 실내 온도 및 에너지 사용을 줄이려면 열 질량을 공간의 일일 열 이득을 흡수할 수 있을 만큼 충분히 크고 넓은 표면적에 분산해야 합니다.또한 총 공기 변화율은 야간 [17][20]공간에서의 내부 열 이득을 제거할 수 있을 정도로 높아야 합니다.건물 내 야간 플러싱에는 세 가지 방법이 있습니다.

  • 밤에 창문을 열고, 바람이나 부력에 의한 공기 흐름을 냉각시킨 후,[21] 낮에는 창문을 닫는 자연스러운 야간 플러싱.
  • 야간 기계식 플러싱은 야간 환기 덕트를 통해 높은 공기 흐름 속도로 기계적으로 공기를 공급하고 낮에는 코드 요구 최소 공기 흐름 [16]속도로 공간에 공기를 공급합니다.
  • 팬을 사용하여 자연 야간 공기 흐름을 지원하는 혼합 모드 야간 플러싱 기능(혼합 모드 환기라고도 함)

이 세 가지 전략은 환기 냉각 전략의 일부입니다.

건물의 냉각 전략으로 야간 플러싱을 사용하면 쾌적성 향상 및 피크 에너지 [22]부하 변화를 비롯한 많은 이점이 있습니다.에너지는 낮에 가장 비싸다.야간 플러싱을 실시함으로써 낮 동안 기계 환기의 사용을 줄이고 에너지와 비용을 절감할 수 있습니다.

또한 야간 플러싱 사용에는 사용 편의성, 보안, 실내 공기 품질 저하, 습도, 실내 소음 저하 등 많은 제한이 있습니다.자연스러운 야간 플러싱의 경우, 매일 수동으로 창문을 열고 닫는 과정은 특히 방충망이 있는 곳에서는 피곤할 수 있습니다.이 문제는 Manitoba Hydro Place와 같은 자동화된 창문이나 환기 루버로 해결할 수 있습니다.또한 자연적 야간 플러싱은 건물에 사람이 없을 가능성이 높은 밤에 창문을 열어야 하므로 보안 문제가 발생할 수 있습니다.실외 공기가 오염된 경우 야간 플러싱으로 인해 거주자가 건물 내부의 유해한 조건에 노출될 수 있습니다.시끄러운 도시 지역에서는 창문을 열면 건물 내부의 음향 상태가 나빠질 수 있습니다.습도가 높은 기후에서는 야간 플러싱으로 습한 공기가 유입될 수 있으며, 일반적으로 한밤중 가장 서늘한 시간 동안 상대 습도가 90% 이상입니다.이 습기는 하룻밤 사이에 건물에 축적되어 낮에 습도가 높아져 쾌적성 문제 및 곰팡이 증식을 일으킬 수 있습니다.

복사 냉각

주요 기사: 복사 냉각
대기가 비정상적으로 투명한 주파수인 적외선 대기창은 오른쪽에 있는 커다란 파란색 블록입니다.이러한 파장에서 형광을 띠는 물체는 주변 공기 온도 이하로 스스로 냉각될 수 있습니다.

모든 물체는 끊임없이 복사 에너지를 방출하고 흡수합니다.물체는 순류가 바깥쪽으로 흐르면 방사선에 의해 냉각되는데, 이는 야간에도 마찬가지이다.밤에는 맑은 하늘에서 나오는 장파 복사가 건물에서 방출되는 장파 적외선 복사에 비해 적기 때문에 하늘로 순류한다.지붕은 밤하늘에서 볼 수 있는 가장 큰 표면을 제공하므로, 라디에이터 역할을 하도록 지붕을 설계하는 것이 효과적인 전략이다.루프 표면을 활용하는 복사 냉각 전략에는 직접 및 [11]간접의 두 가지 유형이 있습니다.

  • 직접 복사 냉각 - 직접 복사 냉각을 최적화하도록 설계된 건물에서는 건물 지붕이 히트 싱크 역할을 하여 일상적인 내부 부하를 흡수합니다.지붕은 밤하늘에 노출된 가장 큰 표면이기 때문에 최고의 히트 싱크 역할을 한다.밤하늘과 함께 방사되는 열전달은 건물 지붕에서 열을 제거하여 건물 구조를 냉각시킵니다.지붕 연못은 이 전략의 한 예이다.지붕 연못 디자인은 1977년 Harold Hay가 설계한 Sky 열 시스템의 개발로 인기를 끌었다.옥상 연못 시스템은 다양한 디자인과 구성이 있지만, 개념은 모든 디자인에서 동일합니다.지붕은 물이 채워진 비닐봉지 또는 개방된 연못을 히트 싱크로 사용하는 반면 가동식 단열 패널 시스템은 난방 또는 냉방 모드를 조절합니다.여름철 낮에는 가동 단열재로 지붕의 물을 일사 및 외기 온도로부터 보호하여 방열판 역할을 하며 천장을 통해 내부에서 발생하는 열을 흡수할 수 있다.밤에는 지붕 연못과 밤하늘 사이에 야간에 방사선을 방출할 수 있도록 패널을 수축시켜 축적된 열을 제거한다.겨울에는 그 과정이 역전되어 낮에는 옥상 연못이 태양 복사를 흡수하고 밤에는 [7][23]아래 공간으로 방출할 수 있게 된다.
  • 간접 복사 냉각 - 열 전달 유체는 밤하늘과의 복사 열 전달을 통해 건물 구조에서 열을 제거합니다.이 전략의 일반적인 설계에는 건물 지붕과 라디에이터 표면 사이의 플레넘이 포함됩니다.공기가 프레넘을 통해 건물로 유입되어 라디에이터에서 냉각되고 건물 구조의 질량을 냉각합니다.낮에는 건물 덩어리가 히트 싱크 역할을 한다.
  • 형광 복사 냉각 - 물체를 형광으로 만들 수 있습니다. 그런 다음 일부 파장에서는 빛을 흡수하지만 선택된 다른 파장에서는 에너지를 다시 방출합니다.적외선 대기창에 선택적으로 열을 방출함으로써 대기가 비정상적으로 투명한 주파수 범위에서 물체를 히트싱크로 효과적으로 사용할 수 있고 외기온도 [24][25][26]훨씬 밑까지 냉각할 수 있다.

증발 냉각

인도 델리 레드포트의 살라사빌(현재는 건조).살라사빌은 증발 냉각을 극대화하기 위해 설계되었으며, 그 냉각은 공기 순환을 촉진하는 데 사용될 수 있습니다.
주요 기사:증발 냉각

이 설계는 유입 공기를 냉각하는 동시에 상대 습도를 높이기 위해 물의 증발 과정에 의존합니다.공급 입구에 포화 필터를 배치하여 자연 증발 과정을 통해 공급 공기를 냉각할 수 있습니다.팬을 구동하는 에너지 외에 실내 공간에 컨디셔닝을 제공하기 위해 필요한 자원은 물뿐입니다.증발 냉각의 효과는 주로 외부 공기의 습도에 따라 달라집니다. 건조기 공기는 더 많은 냉각을 생성합니다.쿠웨이트의 현장 성능 결과를 조사한 결과 증발 냉각기의 전력 요구 사항은 기존의 패키지형 장치 에어컨의 [27]전력 요구 사항보다 약 75% 적은 것으로 나타났습니다.실내 쾌적성에 대해서는 실외온도에 [28]비해 증발냉방이 실내공기온도를 9.6°C 낮춘다는 연구결과가 나왔다.혁신적인 수동 시스템은 증발수를 사용하여 지붕을 식혀 태양열의 대부분이 [29]안으로 들어오지 않도록 합니다.

고대 이집트는 증발 [13]냉각을 사용했는데, 예를 들어, 갈대는 창문에 매달려 있었고 물이 [30]흘러내렸다.

접지 커플링

접지 덕트로 사용되는 카나트 및 윈드캐처로서, 접지 커플링 및 증발 냉각 모두에 사용됩니다.팬은 필요 없습니다. 윈드타워의 바람 부분을 흡입하면 공기가 위로 당겨지고 밖으로 배출됩니다.
주요 기사: 접지 연결 열교환기

접지 커플링은 토양의 적당한 일정한 온도를 사용하여 전도를 통해 건물을 냉각하는 히트 싱크 역할을 합니다.이 수동 냉각 전략은 지구 온도가 고온 기후와 같이 외기 온도보다 낮을 때 가장 효과적입니다.

  • 직접 결합 또는 흙 보호는 건물이 벽을 위한 완충재로 흙을 사용할 때 발생합니다.지구는 방열판 역할을 하며 온도 극치를 효과적으로 완화시킬 수 있습니다.흙막이 기능은 열 손실을 줄여 건물 외피의 성능을 향상시키고 [31]침투를 제한하여 열 이득을 감소시킵니다.
  • 간접 결합은 건물이 접지 덕트를 통해 접지와 결합되는 것을 의미합니다.접지 덕트는 건물에 들어가기 전에 공급 공기가 통과하는 통로 역할을 하는 매립된 튜브입니다.공급 공기는 튜브와 주변 토양 사이의 전도성 열 전달에 의해 냉각됩니다.따라서 토양 온도가 원하는 실내 공기 [31]온도보다 낮지 않으면 토관 냉각원이 제대로 작동하지 않습니다.접지 덕트는 일반적으로 건물에 들어가기 전에 적절한 온도로 공급 공기를 냉각하기 위해 긴 튜브가 필요합니다.접지 덕트에서 건물 안으로 공기를 흡입하려면 팬이 필요합니다.접지 덕트의 성능에 영향을 미치는 요인으로는 덕트 길이, 벤딩 수, 덕트 벽 두께, 덕트 깊이, 덕트 직경 및 공기 속도가 있습니다.

종래의 건물에서는

상세 정보:그린 빌딩

냉방을 위한 "스마트 루프 코팅"과 "스마트 윈도우"는 추운 온도에서 [32][33]온난화로 전환됩니다.가장 하얀 페인트 배합물은 최대 98.1%의 [34]햇빛을 반사할 수 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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