수동 환기

Passive ventilation
일반 지구선의 환기 시스템입니다.
도그트로트 하우스는 자연환기를 최대화하도록 설계되어 있습니다.

수동 환기는 기계 시스템을 사용하지 않고 실내 공간에 공기를 공급하고 제거하는 과정입니다.자연력에서 발생하는 압력 차이로 인해 실내 공간으로 외부 공기가 흐르는 것을 말합니다.

건물에는 두 가지 유형의 자연환기가 있습니다. 바람으로 인한 환기와 부력으로 인한 환기가 그것입니다.풍력 구동 환기는 건물이나 구조물 주변의 바람에 의해 생성된 다양한 압력과 건물 주변부에 개구부가 형성되어 건물을 통해 흐를 수 있게 됩니다.부력에 의한 통풍은 내외부 [1]온도차에 의한 방향 부력의 결과로 발생합니다.

내부와 외부의 온도차를 일으키는 내부 열 이득은 사람의 열을 포함한 자연 작용에 의해 생성되며, 바람의 영향은 다양하기 때문에 자연 환기가 되는 건물을 "숨 쉬는 건물"이라고 부르기도 한다.

과정

공기의 정적 압력은 자유로이 흐르는 공기 흐름의 압력으로 날씨 지도에서 이소바로 표현됩니다.정적 압력의 차이는 지구적 및 미기후 열 현상에 의해 발생하며 우리가 바람이라고 부르는 공기 흐름을 만듭니다.동적 압력은 바람이 언덕이나 건물과 같은 물체와 접촉할 때 가해지는 압력으로 다음과 같은 방정식으로 [2]설명된다.

여기서 (SI 유닛 사용):

= 패스칼의 동적 압력,
= 유체 밀도(kg3/m 단위)(예: 공기 밀도),
= 유체 속도(m/s).

건물에 대한 바람의 영향은 건물을 통한 환기 및 침투율과 관련된 열 손실 또는 열 이득에 영향을 미칩니다.풍속은 높이에 따라 증가하고 마찰 항력으로 인해 지면을 향해 낮아집니다.풍압은 실질적으로 자연 환경(나무, 언덕) 및 도시 상황(건물, 구조물) 요소와의 상호작용에 의해 복잡한 기류 및 난류를 생성한다.기후 지역에 따라 다른 지역의 토속적이고 전통적인 건물들은 밀폐된 공간의 온열 쾌적 상태를 유지하기 위해 자연 환기에 크게 의존하고 있습니다.[3]

설계.

설계 가이드라인은 건축 규제 및 기타 관련 문헌에서 제공되며 다음과 같은 많은 특정 영역에 대한 다양한 권장사항을 포함합니다.

  • 건물 위치 및 방향
  • 건물 형태 및 치수
  • 실내 파티션 및 레이아웃
  • 유형, 작동, 위치 및 모양
  • 기타 개구부 유형(도어, 굴뚝)
  • 시공방법 및 상세(침입)
  • 외부 요소(벽, 스크린)
  • 도시계획여건

다음 설계 지침은 [4]국립건축과학연구소의 프로그램인 전체 건물 설계 가이드에서 선정되었습니다.

  • 건물의 용마루를 여름 바람과 수직으로 하여 바람에 의한 환기를 극대화한다.
  • 자연 환기 구역의 폭은 좁아야 한다(최대 13.7m[45피트]).
  • 각 방에는 2개의 별도의 급배기구와 배기구가 있어야 합니다.흡기구 상부에 배기구를 배치하여 스택 효과를 최대화합니다.창문을 방 전체에 걸쳐 배치하고 서로 오프셋하여 실내의 공기 흐름을 방해하는 요소를 최소화하면서 실내의 혼합을 최대화합니다.
  • 창문 개구부는 탑승자가 조작할 수 있어야 합니다.
  • 클레스토리 또는 통풍식 천창의 사용을 고려하십시오.

풍력 구동 환기

풍력 구동 환기는 교차 환기와 단측 환기로 분류할 수 있다.풍력 구동 환기는 바람의 거동, 건물 외피와의 상호작용, 개구부 또는 기타 공기 교환 장치(흡입구 또는 윈드캐처 등)에 따라 달라집니다.

도시 기후학, 즉 건물 주변의 바람의 지식은 공기와 열 교환이 페이스의 풍압에 따라 달라지기 때문에 건물 내부의 공기 품질과 열 쾌적성을 평가할 때 중요하다.등식 (1)에서 관찰한 바와 같이, 공기 교환은 건축 프로젝트가 건설될 도시 지역의 풍속에 선형적으로 의존합니다.CFD(Computational Fluid Dynamics) 도구와 구역 모델링은 일반적으로 자연 환기가 되는 건물을 설계하는 데 사용됩니다.윈드캐처는 건물 안팎으로 공기를 유도함으로써 바람으로 인한 환기를 도울 수 있다.

부력에 의한 환기

(혼합형 부력식 환기가 아닌 변위 부력식 환기에 대한 자세한 내용은 스택 효과 참조)

부력에 의한 통풍은 실내와 외기의 밀도 차이로 발생하며, 이는 대부분 온도 차이로 발생합니다.인접한 두 공기 체적 사이에 온도 차이가 있을 경우 따뜻한 공기는 밀도가 낮아지고 부력이 높아지기 때문에 찬 공기 위로 상승하여 상승 기류를 형성합니다.건물 내 강제 상승 부력에 의한 환기는 전통적인 벽난로에서 이루어집니다.패시브 스택 인공호흡기는 실외에 직접 접근하지 않는 대부분의 욕실 및 기타 유형의 공간에서 흔히 사용됩니다.

건물이 부력에 의한 환기를 통해 적절히 환기되려면 내부와 외부 온도가 달라야 합니다.내부가 외부보다 따뜻할 때 실내 공기가 상승하여 더 높은 구멍으로 건물 밖으로 빠져나갑니다.개구부가 낮을수록 외부로부터의 밀도가 높은 공기가 개구부를 통해 건물로 유입되어 상승류 변위 환기가 이루어집니다.단, 하부 개구부가 존재하지 않는 경우 유입 및 유출 모두 상위 레벨 개구부를 통해 발생합니다.이것을 혼합환기라고 합니다.후자의 전략은 유입되는 냉기가 내부 공기와 혼합되지만 항상 벌크 내부 공기보다 밀도가 높아 바닥으로 떨어지기 때문에 신선한 공기가 낮은 레벨에 도달하게 됩니다.부력에 의한 통풍은 온도차가 커짐에 따라 증가하며, 변위 통풍 시 높은 구멍과 낮은 구멍 사이의 높이가 높아집니다.높은 레벨과 낮은 레벨의 개구부가 모두 존재하는 경우, 건물의 중립면은 (바람이 없는 경우) 내부 압력이 외부 압력과 동일한 높은 개구부와 낮은 개구부 사이의 위치에서 발생한다.중립 평면 위에서는 내부 공기압이 양이고 생성된 중간 레벨 개구부에서 공기가 흘러나옵니다.중립 평면 아래에서는 내부 공기압이 음의 값을 나타내며, 중간 레벨의 개구부를 통해 외부 공기가 공간으로 흡입됩니다.부력에 의한 환기에는 몇 가지 중요한 이점이 있습니다.{ Linden , P Annu Rev Fluid Mech , 1999 }

  • 바람에 의존하지 않음: 가장 필요한 고요하고 더운 여름 날에 실행할 수 있습니다.
  • 안정적인 공기 흐름(바람에 비해)
  • 흡기 영역 선택 시 제어 강화
  • 지속 가능한 방법

부력 구동 환기 제한:

  • 바람이 가장 많이 부는 날 풍력 환기에 비해 진도 감소
  • 온도차이(내부/외부)에 의존
  • 설계 제한(높이, 개구부 위치) 및 추가 비용 발생(통풍구 스택, 공간 증가)
  • 건물에 유입되는 공기의 질은 예를 들어 도시 또는 산업 지역에 근접하여 오염될 수 있습니다(이 또한 풍력 구동 환기의 요인이 될 수 있음).

건물의 자연 환기는 대부분 바람이 부는 조건에서의 풍압 차이에 의존할 수 있지만, 부력 효과는 a) 이러한 유형의 환기를 증가시키고 b) 고요한 날 동안 공기 유량을 보장할 수 있다.건물 내 공기 유입이 풍향에만 의존하지 않는 방식으로 부력에 의한 환기를 구현할 수 있다.이런 점에서, 그것은 도시와 같은 일부 오염된 환경에서 향상된 공기 질을 제공할 수 있다.예를 들어, 거리 전면의 직접적인 오염과 소음을 피하기 위해 건물 뒷면이나 마당을 통해 공기를 흡입할 수 있습니다.바람은 부력 효과를 증대시킬 수 있지만, 바람의 속도, 방향, 공기 유입구 및 배출구 설계에 따라 부력 효과를 감소시킬 수도 있습니다.따라서 스택 효과 환기를 설계할 때 우세 바람을 고려해야 한다.

부력에 의한 환기 추정

두 개의 다른 높이에 있는 환기구와 함께 부력으로 구동되는 자연 환기에 대한 자연 환기의 유량은 다음 [5]방정식을 사용하여 추정할 수 있습니다.

영어 단위:
여기서:
질문S = 부력식 환기 공기량(ft4/s)
A = 개구부 단면적, ft²(흡입구와 출구의 면적이 동일함)
Cd. = 개구부 배출계수 (최소값은 0.65)
g = 중력 가속도, 지구의 약 32.2ft/s²
Hd = 하부 개구부 중간점부터 상부 개구부 중간점까지의 높이(ft)
TI. = 흡입구와 배출구 사이의 평균 실내온도 °R
TO. = 실외온도, °R
SI 단위:
여기서:
질문S = 부력식 환기 공기량(m2g/s)
A = 개구부2 단면적, m(흡입구와 출구의 면적이 동일함)
Cd. = 개구부 배출계수 (최소값은 0.62)
g = 중력 가속도, 지구상 약 9.81m/s²
Hd = 하부 개구부 중간점부터 상부 개구부 중간점까지의 높이 m
TI. = 흡입구와 배출구 사이의 평균 실내온도 K
TO. = 실외온도, K

퍼포먼스 평가

자연 환기 공간의 성능을 측정하는 한 가지 방법은 내부 공간의 시간당 공기 변화를 측정하는 것입니다.환기를 효과적으로 하기 위해서는 실외 공기와 실내 공기를 교환해야 합니다.통기 효율을 측정하는 일반적인 방법은 트레이서 가스를 [6]사용하는 것입니다.첫 번째 단계는 공간에 있는 모든 창문, 문 및 개구부를 닫는 것입니다.그런 다음 공기 중에 트레이서 가스가 첨가된다.참조 자료인 ASTM(American Society for Test and Materials) 표준 E741: 추적기 가스 희석을 통한 단일 구역의 공기 변화를 결정하는 표준 시험 방법에는 이러한 종류의 시험에 사용할 수 있는 추적기 가스가 설명되어 있으며 화학적 특성, 건강 영향 및 검출 [7]용이성에 대한 정보를 제공합니다.트레이서 가스가 추가되면 혼합 팬을 사용하여 공간 전체에 트레이서 가스를 가능한 한 균일하게 분배할 수 있습니다.붕괴시험을 실시하기 위해서는 우선 트레이서 가스의 농도가 일정할 때 트레이서 가스의 농도를 측정한다.다음으로 창문과 문을 열고 공간 내 트레이서 가스의 농도를 일정 시간 간격으로 측정하여 트레이서 가스의 붕괴율을 결정한다.공기 흐름은 시간 경과에 따른 트레이서 가스의 농도 변화를 통해 추정할 수 있습니다.이 테스트 방법에 대한 자세한 내용은 ASTM 표준 E741을 [7]참조하십시오.

자연환기는 팬에 의해 소비되는 전기 에너지를 제거하지만 자연환기 시스템의 전체적인 에너지 소비량은 열회수가 특징인 현대식 기계환기 시스템의 에너지 소비량보다 높은 경우가 많습니다.일반적인 현대식 기계식 환기 시스템은 팬 작동에 2000J/m3의 적은 양을 사용하며, 추운 날씨에는 환열기를 사용하여 폐 배기에서 외부 공급 공기로 열이 전달되는 형태로 이보다 훨씬 더 많은 에너지를 회수할 수 있습니다.

환기 열손실은 세타=Cp*rho*dT*(1-eta)로 계산할 수 있습니다.

장소:

Theta는 W 단위의 환기 열 손실입니다.

Cp는 공기의 비열용량(약 1000J/(kg*K))입니다.

Rho는 공기 밀도(약 1.2kg/m3)

dT는 내부 공기와 외부 공기의 온도 차이(°K 또는 °C)입니다.

Eta는 열 회수 효율입니다(보통 열 회수 시 0.8 정도, 열 회수 장치를 사용하지 않을 경우 0 정도).

따라서 전체 에너지 효율 측면에서 자연 환기를 능가하는 열 회수를 통한 기계적 환기에 필요한 실내와 실외 공기의 온도 차이는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

dT=Cp*Rho*(1-eta)

장소:

SFP는 Pa, J/m^3 또는 W/(m^3/s) 단위의 특정 팬 전력입니다.

열 회수 효율이 80%이고 SFP가 2000J/m3인 일반적인 쾌적 환기 조건에서는 다음과 같은 효과를 얻을 수 있습니다.

dT=2000/(1000*1.2*(1-0.8))=8.33 K

따라서 내부 온도와 외부 온도 간의 평균 절대 차이가 최대 10K를 초과하는 기후에서는 기계적 환기보다 자연적 환기를 선택하기 위한 에너지 절약 주장에 의문이 제기될 수 있습니다.그러나 난방 에너지는 전기보다 저렴하고 환경 친화적일 수 있습니다.지역난방이 가능한 지역에서는 특히 그렇습니다.

열 회수가 가능한 자연 환기 시스템을 개발하려면 먼저 두 가지 고유한 과제를 해결해야 합니다.

  1. 매우 낮은 구동 압력에서 효율적인 열 회수 제공.
  2. 공급 및 배기의 흐름을 물리적으로 또는 열적으로 연결하는 것(스택 환기는 일반적으로 공급 및 배기가스를 각각 낮게 배치하고 높은 위치에 배치하는 것에 의존하며, 바람에 의한 자연 환기는 효율적인 교차 환기를 위해 일반적으로 건물의 반대쪽에 배치하는 개구부에 의존합니다).

열 회수가 특징인 자연 환기 시스템의 개발을 목표로 한 연구는 1993년에 슐츠 [8]등이 골판지 아연도금 철로 구성된 대형 역류 환열기를 사용하여 열을 회수하는 동안 스택 효과에 의존하는 굴뚝형 설계를 제안하고 테스트한 바 있다.공급과 배기가스는 모두 천장 높이에서 배출되고 수직 덕트를 통해 바닥 높이에서 공기가 공급되는 조건 없는 다락방을 통해 이루어졌다.

이 장치는 약 40%의 효율로 단독 가정 및 열 회수에 충분한 환기 공기 흐름을 제공하는 것으로 확인되었습니다.그러나 이 장치는 실용적이기에는 너무 크고 무거우며 열 회수 효율이 너무 낮아서 당시의 [8]기계 시스템에 비해 경쟁력이 없는 것으로 나타났습니다.

이후의 시도는 높은 압력 잠재력 때문에 주된 원동력으로 주로 바람에 초점을 맞추었습니다.그러나 이는 구동 압력에 큰 변동이 있다는 문제를 야기합니다.

환기된 공간의 지붕에 배치된 풍력 타워를 사용하여 공급과 배기가스를 작은 [9]타워의 반대쪽에 서로 가까이 배치할 수 있습니다.이러한 시스템은 이론적으로 최대 열 회수 효율을 [10]제한하지만 핀형 히트 파이프를 사용하는 경우가 많습니다.

또한 배기와 급기 사이의 간접적인 열 연결을 달성하기 위해 루프 주위의 액체 결합 런도 테스트되었습니다.이러한 테스트는 어느 정도 성공적이었지만, 액체 커플링은 작동 [11][12]유체를 순환시키기 위해 에너지를 소비하는 기계식 펌프를 도입했습니다.

상업적으로 이용 가능한 솔루션 중 일부는 수년 전부터 [13][14]사용 가능하지만, 제조업체에 의해 주장되고 있는 성능은 아직 독립적인 과학 연구에 의해 검증되지 않았습니다.이는 자연환기와 높은 열회수 효율을 제공한다고 주장하는 이러한 상용 제품의 시장 영향의 명백한 결여를 설명할 수 있습니다.

열 회수를 통한 자연 환기에 대한 근본적으로 새로운 접근법이 현재 오르후스 대학에서 개발되고 있으며, 열 교환 튜브는 건물 [15]층 사이의 구조 콘크리트 슬래브에 통합되어 있습니다.

표준

환기율과 관련된 표준은 미국에서 ASHRAE 표준 62.1-2010: 허용 가능한 실내 공기 품질을 위한 환기(Ventilation for Acceptable 실내 공기 품질)[16]참조하십시오.이러한 요건은 "단독 가구 주택, 3층 이하의 다층 구조물, 차량 및 [16]항공기를 제외한 모든 인간 거주용 공간"에 적용된다.2010년 표준 개정에서는 6.4절을 수정하여 공간을 자연스럽게 조절하도록 설계된 대부분의 건물이 "환기율 또는 IAQ 절차를 충족하도록 설계된 기계적 환기 시스템도 포함해야 한다[ASHRAE 62.1-2010].기계식 시스템은 극심한 실외 온도 소음 및 보안 문제로 인해 창문이 닫힐 때 사용해야 합니다.[16]이 규격은 자연조건부 건물이 기계식 시스템을 필요로 하지 않는 두 가지 예외는 다음과 같이 명시하고 있다.

  • 섹션 6.4의 요건을 준수하는 자연 환기 개구부는 영구적으로 열려 있거나 예상 점유 기간 동안 개구부가 닫히지 않도록 하는 제어 장치가 있다.
  • 이 구역에는 난방 또는 냉방 장비가 제공되지 않습니다.

또한 관할권을 가진 당국은 기계적인 시스템은 없지만 자연 시스템에만 의존하는 [16]조건부 시스템의 설계를 허용할 수 있다.조절 시스템의 제어가 설계되어야 하는 방법에 관해, 이 표준은 "자연 및 기계적 환기 [16]시스템의 작동을 적절히 조정하기 위한" 조치를 고려해야 한다고 명시하고 있다.

또 다른 참고 자료는 ASHRAE 표준 62.2-2010: 저층 주거용 [17]건물의 환기 및 허용 가능한 실내 공기 품질이다.이 요건은 '제조 및 모듈식 주택을 포함한 3층 이하의 단독주택 및 다층 구조'에 해당하지만 '호텔, 모텔, 요양원, 기숙사, 감옥 [17]등 임시주택에는 해당되지 않는다.

환기율과 관련된 표준은 미국에서 ASHRAE 표준 55-2010을 참조하십시오.인간 [18]거주에 대한 열환경 조건.개정 내내, 이 범위는 "공간 내 대다수 거주자가 [18]수용할 수 있는 열 환경 조건을 생성하는 실내 열 환경 요소와 개인 요소의 조합을 명시하는 것"이라는 현재 명확한 목적에 부합합니다.표준은 ASHRAE 연구 프로젝트 RP-884의 현장 연구 결과, 2004년에 개정되었다: 온도 쾌적성과 선호도의 적응 모델을 개발하여, 탑승자의 온도 반응, 의복의 변화, 제어의 가용성, 그리고탑승자 [19]기대치의 변화표준인 5.3: 자연환기공간에서 허용 가능한 열조건을 결정하는 옵션 방법에서는 자연환기공간에서 [18]허용 가능한 작동온도 범위를 지정함으로써 자연환기건물에 적응형 열쾌적 접근 방식을 사용합니다.그 결과, 자연 환기 시스템의 설계가 보다 실현 가능하게 되었고, ASHRAE는 이를 더욱 지속 가능하고 에너지 효율적이며 거주자에게 친화적인 [18]설계로 인정했습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Linden, P. F. (1999). "The Fluid Mechanics of Natural Ventilation". Annual Review of Fluid Mechanics. 31: 201–238. Bibcode:1999AnRFM..31..201L. doi:10.1146/annurev.fluid.31.1.201.
  2. ^ Clancy, L.J. (1975). Aerodynamics. John Wiley & Sons.
  3. ^ "Lessons from Sustainable and Vernacular Passive Cooling Strategies Used in Traditional Iranian Houses". ResearchGate.
  4. ^ Walker, Andy. "Natural Ventilation". National Institute of Building Sciences.
  5. ^ ASHRAE Handbook. Atlanta, GA: American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers. 2009.
  6. ^ McWilliams, Jennifer (2002). "Review of air flow measurement techniques. LBNL Paper LBNL-49747". Lawrence Berkeley National Lab.
  7. ^ a b "ASTM Standard E741-11: Standard Test Method for Determining Air Change in a Single Zone by Means of a Tracer Gas Dilution". West Conshohocken, PA: ASTM International. 2006. {{cite journal}}:Cite 저널 요구 사항 journal=(도움말)
  8. ^ a b 슐츠, J.M., 1993년Naturlig 환기 메드 Varmegenvinding, Lynby: DTH, Varmeisoling을 위한 연구실(Daboratoriet)
  9. ^ Calautit, J. K., O'Connor, D. & Hughes, B. R., 2015.추운 기후를 위한 히트 파이프 열 회수 기능이 있는 자연 환기용 윈드 타워.재생 에너지, I(87), 페이지 1088-1104.
  10. ^ Gan, G. & Riffat, S., 1999.자연환기를 위한 히트파이프 열회수에 관한 연구AIVC, 477(12), 57-62페이지.
  11. ^ Hviid, C. A. & Svendsen, S., 2008.열 회수 및 야간 냉각 기능이 있는 패시브 환기 시스템.교토, 기후변화 문제 해결을 위한 첨단 건물 환기 및 환경 기술.
  12. ^ Hviid, C. A. & S., 2012.풍력 및 스택 지원 기계, Lyngby: DTU Byg.
  13. ^ 오토데스크, 2012.패시브 열 회수 환기 시스템.[온라인] sustainabilityworkshop.autodesk.com/project-gallery/passive-heat-recovering-ventilationsystem 에서 구할 수 있습니다.
  14. ^ "Ventive". ventive.co.uk. Retrieved 2018-07-28.
  15. ^ "How it works". www.stackhr.com. Retrieved 2018-07-28.
  16. ^ a b c d e "ANSI/ASHRAE Standard 62.1-2010: Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality". Atlanta, GA: American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers. 2010. {{cite journal}}:Cite 저널 요구 사항 journal=(도움말)
  17. ^ a b "ANSI/ASHRAE Standard 62.2-2010: Ventilation and Acceptable Indoor Air Quality in Low-Rise Residential Buildings". Atlanta, GA: American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers. 2010. {{cite journal}}:Cite 저널 요구 사항 journal=(도움말)
  18. ^ a b c d "ANSI/ASHRAE Standard 55-2010: Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy". Atlanta, GA: American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers. 2010. {{cite journal}}:Cite 저널 요구 사항 journal=(도움말)
  19. ^ de Dear, Richard J.; Gail S. Brager (2002). "Thermal Comfort in Naturally Ventilated Buildings: Revisions to ASHRAE Standard 55". Energy and Buildings. 34 (6): 549–561. doi:10.1016/S0378-7788(02)00005-1. S2CID 110575467.

외부 링크

현재 자연환기 연구를 수행하고 있는 대학 기반 연구 센터:

  1. 캘리포니아 대학교 버클리 건설 환경 센터(CBE)http://www.cbe.berkeley.edu/
  2. 로렌스 버클리 국립 연구소, 캘리포니아 버클리.http://www.lbl.gov/
  3. 매사추세츠 공과대학 건축학과http://architecture.mit.edu/building-technology/program/research-topics
  4. 호주 시드니 대학 건축, 디자인 및 계획학부https://web.archive.org/web/20111107120122/http://sydney.edu.au/architecture/research/research_archdessci.shtml

자연 환기 가이드라인:

  1. 미국 국립건축과학연구소 건물설계 가이드, http://www.wbdg.org/resources/naturalventilation.php
  2. 세계보건기구의 자연환기 의료시설에 대한 보고서(설계 가이드라인 포함)인 "건강관리 설정에서 감염관리를 위한 자연환기"http://whqlibdoc.who.int/publications/2009/9789241547857_eng.pdf