STEAM R&E 연구결과보고서

STEAM R&E 연구결과보고서

(전통 가옥의 구조적 특징을 활용한 에너지 절약형 친환경 건축물 연구)

2016. 11. 30.

성모여자고등학교

< 연구 결과요약 >

과 제 명 전통 가옥의 구조적 특징을 활용한 에너지 절약형 친환경 건축물 연구

연구목표

1. 전통 가옥의 건축 방식과 건물 배치 등의 특징을 냉 난방 기능에 적용 시킨다.

2. 효과적인 통풍 작용을 위한 방충망을 제작한다.

3. 에너지 커튼과 처마를 활용하여 냉난방 기능의 효율을 높이고자 한다.

위 연구를 통하여 냉 난방비를 절감할 수 있는 실질적인 방안을 연구하고 실생활에 적용시키고자 한다.

연구내용

1. 전통 가옥의 구조적 특징을 연구한다.

전통 가옥이 갖는 구조적인 특징과 건축에 사용된 재료를 바탕으로 냉방과 난방에 적용된 과학적 원리를 연구하고, 구조적인 특징을 바탕으로 효과적인 공간 배치와 건축 양식을 통하여 냉 난방 에너지 사용량을 줄일 수 있는 방법을 모색한다. 2. 베르누이의 원리를 적용한 방충망을 제작한다.

전통 가옥의 구조에 적용된 베르누이의 원리를 이용하여 방충망의 구조를 분석한 뒤, 바람이 잘 통하면서 동시에 미세먼지를 효율적으로 막아 낼 수 있는 방충망의 구조를 찾는다.

3. 에너지 커튼과 처마를 통하여 효과적인 냉난방 방법을 고안한다.

패시브 하우스의 일종으로 트롬월의 원리를 이용하여 창문에서 에너지 손실을 최소화하는 방법으로 에너지 커튼을 고안한다. 또한 처마를 통하여 냉난방 효과를 확인할 수 있도록 구조물을 설계하여 실생활에 적용시키고자 한다.

연구성과

1. 베르누이의 원리를 적용한 방충망의 실제 제작에는 어려움이 있었으나 실험 과정을 통하여 그 효과를 입증할 수 있었다. 절적한 자재를 사용하여 구조물을 만들 수 있다면 실생활에 도움이 될 수 있을 것이다. 또한 이 원리를 방충망에만 적용시키는 것이 아니라 건축물 구조 자체에 적용시켜 건축물 내부의 통풍을 원활 하게 할 수 있도록 설계도를 작성해보았다.

2. 트롬월의 원리를 이용하여 에너지 커튼을 제작함으로써 태양에너지 효율성을 극대화하여 난방을 유지할 수 있도록 한다. 또한 처마를 활용한 냉난방 구조물 제작 실험을 통하여 남중 고도에 따른 빛의 비추임 정도를 파악하여 최적의 처마 길이를 확인할 수 있었다.

냉 난방비 절감을 위하여 다양한 구조적인 특징 분석과 확인을 통하여 친환경적이 면서 에너지를 절약할 수 있는 다양한 방법을 연구하여 실생활에 적용시킬 수 있다면 에너지 절약을 할 수 있는 긍정적인 효과를 기대할 수 있다.

주요어 (Key words)

베르누이원리, 방충망, 에너지 커튼, 패시브 하우스(Passive house), 트롬월(tromb wall), 처마, 남중고도, 친환경, 에너지 절약,

< 연구 결과보고서 >

1. 개요

□ 연구목적

○한여름 무더운 날씨로 냉방기 사용량이 증가하면서 과다한 전기 사용으로 에너지를 낭비하게 되고, 냉방기 사용으로 실내온도를 지나치게 낮게 유지하면 외부 온도와의 차이로 인해 각종 질환에 노출되기도 쉽다. 에어컨과 선풍기와 같은 전자 제품 없이도 더 나은 여름을 보낼 수 있는 방법이 없을까? 라는 의문으로 현재 우리가 살고 있는 주거공간에서 자연 친환경적 에너지 절약기구를 통해 여름의 무더위와 같은 자연적인 불편함을 이겨낼 수 있는 방법을 찾던 도중 과거 우리 조상들은 어떻게 더위를 이겨 냈을까? 라는 의문을 통해 전통 가옥의 구조 속에 깃들여 있는 조상들의 지혜와 노력의 자취를 찾아 볼 수 있었다.

전통가옥의 안채와 창고 사이의 통로가 점점 좁아지는 구조에서 베르누이의 원리가 적용되어 있다는 사실을 깨닫고 이와 같은 원리로 현재 우리의 실생활 속에서 어떻게 응용 시킬 수 있을지 고민하던 도중 여름에 바람이 잘 통하도록 창문을 열면 모기 등 해충으로부터 우리를 보호하기 위한 막인 방충망이 설치되어있다. 이때 방충망의 구조에 베르누이의 원리를 적용시켜 원래의 용도의 해충을 막는 것과 베르누이의 원리를 통해 바람이 더 빠르게 들어올 수 있게 하여 집 내부가 시원해지게 만들어 기존의 방충망보다 더 실용적인 방충망을 만들 수 있을 거 같다는 생각의 과정을 거치게 되어 이 실험을 진행하게 되었다. 전통 가옥 구조를 통한 냉‧난방기능의 원리에 대해 탐구하여 가옥구조에 사용된 베르누이의 정리를 이용한 방충망을 설계 및 직접 만들어 보고, 실생활의 냉난방비 문제와 에너지 소비 문제를 해결할 수 있는 방안을 마련하고자 한다.

또한 전통가옥의 과학적인 구조를 바탕으로 현대식 건물에서 또한 이를 적용시켜 에너지의 소비를 줄일 수 있는 에너지 절약형 구조물을 만들어 보고자 하였다. 우리가 알지 못했고, 깊게 생각하지 못했던 조상님들의 전통 가옥 속에 숨겨진 섬세함과 정교함을 배우며 조상들의 노력과 지혜를 깨달을 수 있었다. 그리고 실생활에 쓰일 수 있는 방법을 찾고 그것을 적용시켜 창의력을 발달시키 고, 실험을 하면서 협동심을 기를 수 있을 것이다. 또한 패시브 하우스를 바탕으로 한 구조물을 직접 제작하고 빛을 잘 반사시키는 최적의 각도를 실험을 통해 찾음으로써 난방 에너지를 절약하는 데 기여하고자 하였다.

이 실험은 현 시대의 전기소비량이 늘어나고 있는 추세를 볼 때 이 연구가 전력 소비에 도움이 될 수 있는 필요성이 있는 연구이다. 후대에서 이 실험을 바탕으로 더 나은 방법으로 발전시켜 실생활에 적용하여 더 나은 기구로 만드는 것에 기여할 수 있을 것이다.

□ 연구범위

○ 연구 분야 및 범위 - 건축학, 건축공학, 유체 역학

○ 연구 진행 단계

- 전통 가옥과 관련된 여러 가지 건축 기술에 대해 알아보던 중 베르누이의 원리가 적용된 사례를 확인 함.

- 베르누이의 원리를 적용하여 에너지를 절감할 수 있는 구조물 제작 방법을 고안함.

- 실제 방충망에 베르누이의 원리를 적용시켜 구조물을 제작하고 실험을 실시함.

(향을 피워 공기의 흐름을 알아보는 정성적인 실험을 실시하고 유속 측정 장치로 정량적인 분석을 함)

- 패시브 하우스를 만들기 위한 또 하나의 방법으로 트롬월 원리를 활용하여 에너지 커튼을 만들고 그 효율성을 확인함.

2. 연구 수행 내용

□ 이론적 배경 및 선행 연구

○ 베르누이의 원리

1700년대에 살았던 스위스의 수학자이자 과학자인 베르누이는 유체(공기나 물처럼 흐를 수 있는 기체나 액체)는 빠르게 흐르면 압력이 감소하고, 느리게 흐르면 압력이 증가한다는 법칙을 알아냈 다. 그래서 유체가 좁은 곳을 통과할 때에는 속력이 빨라지기 때문에 압력이 감소하고, 넓은 곳을 통과할 때에는 속력이 느려지기 때문에 압력이 증가한다. 그의 이름을 따서 이 원리를 '베르누이의 정리'라고 한다.

- 베르누이의 원리가 적용된 예

비행기가 땅에서 서서히 하늘로 올라가는 모습을 볼 수 있다. 이렇게 비행기가 위로 솟아오르는 이유는 비행기의 날개 위쪽이 곡선으로 되어 있어 공기 흐름이 빨라지기 때문이다. 비행기의 날개 단면을 보면, 윗면이 약간 불룩하게 되어 있다. 아랫면보다 윗면의 폭이 길다. 그러므로 비행기가 앞으로 나아가면, 날개 윗면으로 흐르는 공기의 유속이 아랫면을 지나는 유속보다 빠르 게 된다. 그래서 아래쪽은 압력이 높아지고, 위쪽은 압력이 낮아지기 때문에 위로 올라가는 힘이 작용한다. 비행기 날개의 모습을 보면 아래쪽은 날개가 거의 평평해서 공기의 흐름이 느리다.

[그림 1] 유속의 작용

[그림 2] 비행기의 원리

[그림 3] 베르누이의 원리

야구 경기장의 투수는 공을 여러 가지 방법으로 회전시켜 던짐으로써 공이 곡선으로 날아가도록 한다. 이때도 공은 베르누이 원리에 의해 휘는 방향이 달라진다. 베르누이 원리를 응용한 전시물을

자주 볼 수 있는데, 좁은 관 속으로 바람을 불어 물을 안개처럼 뿜도록 만든 분무기는 베르누이 원리를 잘 응용한 예라고 할 수 있다. 베르누이관의 중간의 좁은 부분으로 유체가 지나가면 그 부분에서 유속이 빨라지므로 기압이 낮아져 액체 기둥의 높이(h)가 낮아진다, 이러한 원리로 벤투 리는 분무기를 처음 만들었다.

○ 베르누이 원리를 이용한 전통 가옥 구조의 냉·난방 기능

전통 가옥의 안채와, 창고 사이 실제 마당 쪽 150cm의 간격은 75cm로 뒤로 갈수록 감소한다는 것을 알 수 있다. 여름의 남풍이 지나갈 때, 그 부분의 통로가 좁아져 바람의 세기가 세져 빠르게 통과된다. 이는 바람의 속도를 감안한 냉방시스템이라고 할 수 있다. 이것은 베르누이의 원리로도 설명 할 수 있다.

베르누이의 정리에 따르면 유체의 속력이 증가하면 유체 내부의 압력이 낮아지고, 반대로 속력이 감소하면 내부 압력이 높아진다. 굵기가 변하는 관에 공기를 흐르게 하고 굵기가 다른 부분의 아래로 가는 유리관을 연결한다. 가는 유리관 속에서의 물의 높이를 관찰하면 굵은 쪽에 연결된 물기둥은 그 높이가 낮아지고, 가는 쪽에 연결된 물기둥은 높이가 높아지는데 같은 높이에서 유체가 흐르는 경우 유체의 속력은 좁은 통로를 흐를 때 증가하고 넓은 통로를 흐를 때 감소하므로 압력이 높아지면 유리관 속의 물기둥을 더 세게 누르므로 물기둥의 높이가 낮아지고, 압력이 낮아지면 유리관 속의 물기둥을 약하게 누르므로 물기둥의 높이는 높아지기 때문이다. 따라서 전통가옥의 이러한 구조는 베르누이의 정리가 적용되어있다는 것을 알 수 있다.

- 한옥의 대청마루에는 뒷문이 달려있고, 뒷문은 뒤란과 연결된 구조이다. 뜨거워진 마당의 대기 가 상승하여 그 빈 공간을 뒤란에서 형성된 차가운 공기가 채운다. 그 상태에서 집이 가로막혀 있어 찬바람은 집 내부를 통과하게 되고, 따라서 한여름에도 한옥의 내부가 시원해진다.

[그림 4] 베르누이의 원리가 적용된 한옥의 구조

- 그 외의 전통가옥 구조의 냉∙난방기능에 대한 탐구

뜨거워진 전통가옥의 마당의 대기가 상승할 때 그 빈 공간을 채우는 차가운 공기가 집 내부는 통과 할 수 없어 전통가옥의 대청마루에는 공기가 통할 수 있도록 산으로 연결된 뒷문이 달려있다. 따라서 여름철에도 바람이 잘 통해서 시원하게 지낼 수 있다.

[그림 5] 대청마루의 냉방 원리

[그림 6] 빛을 차단하는 처마의 효과

○패시브 하우스

첨단 단열공법을 이용하여 에너지의 낭비를 최소화한 건축물을 가리킨다. '수동적(passive) 인 집'이라는 뜻으로, 능동적으로 에너지를 끌어 쓰는 액티브 하우스(active house)에 대응하 는 개념이다. 액티브 하우스는 태양열 흡수 장치 등을 이용하여 외부로부터 에너지를 끌어 쓰는 데 비하여 패시브 하우스는 집안의 열이 밖으로 새나가지 않도록 최대한 차단함으로써 화석연료를 사용하지 않고도 실내온도를 따뜻하게 유지한다. 구체적으로는 냉방 및 난방을 위한 최대 부하가 1㎡당 10W 이하인 에너지 절약형 건축물을 가리킨다. 이를 석유로 환산하 면 연간 냉방 및 난방 에너지 사용량이 1㎡당 1.5ℓ 이하에 해당하는데, 한국 주택의 평균 사용량은 16ℓ이므로 80% 이상의 에너지를 절약하는 셈이고 그만큼 탄소배출량을 줄일 수 있다는 의미이기도 하다. 기본적으로 남향(南向)으로 지어 남쪽에 크고 작은 창을 많이 내는 데, 실내의 열을 보존하기 위하여 3중 유리창을 설치하고, 단열재도 일반 주택에서 사용하는 두께의 3배인 30㎝ 이상을 설치하는 등 첨단 단열공법으로 시공한다. 단열재는 난방 에너지 사용을 줄이는 것이 주목적이지만, 여름에는 외부의 열을 차단하는 구실도 한다. 또 폐열회 수형 환기장치를 이용하여 신선한 바깥 공기를 내부 공기와 교차시켜 온도차를 최소화한 뒤 환기함으로써 열손실을 막는다. 이렇게 함으로써 난방시설을 사용하지 않고도 한겨울에 실내 온도 약 20℃를 유지하고, 한여름에 냉방시설을 사용하지 않고 약 26℃를 유지할 수 있다.

건축비는 단열공사로 인하여 일반 주택에 비하여 1㎡당 50만 원 정도 더 소요된다.

[그림 7] 페시브 하우스의 원리

[그림 8] 페시브 하우스에 적용된 기술

□ 연구주제의 선정

○건축 공학에 관심을 가지고 있어 어떻게 하면 좋은 건축물을 만들 수 있을지 생각하게 되었다.

좋은 건축물은 무엇인가를 생각하던 중 건축물은 사람이 살기에 쾌적한 환경이어야 하며 그러한 쾌적한 환경을 만들기 위해서는 일단 친환경적인 구조여야 한다고 생각했다. 그러기 위해서는 에너지의 절약이 우선인데 에너지를 절약하면서 친환경적인 성격을 가진 건축물은 어떠한 요소들 을 갖추어야 하는지 알아보게 되었고 그 과정에서 전통가옥의 구조적 특징을 살펴보던 도중 안채와 창고사이의 간격에서 베르누이 원리가 적용되어 있다는 것을 알게 되었다. 이를 통해 베르누이의 원리를 현대의 집 구조에 또는 방충망의 구조물에 적용 시켜 더운 여름철 유용하게 사용할 수 있지 않을까? 라는 생각을 하게 되었고 직접 실험을 구상하고 실행하도록 하였다. 베르누이의 원리와 트롬월 원리를 확인하여 이를 실생활에 적용시켜 보고자 주제로 선정하게 되었다. 이 과정에 서 주제를 최종적으로 결정하기 전까지 다양한 자료들을 찾아 볼 수밖에 없었고 여러 번의 수정

과정을 거쳐 최종적으로 주제를 선정하게 되었다.

○ 우리 조원은 각각 실험내용과 결과의 기록, 실험 구상 및 설계, 실험 진행 및 보고서 작성 등 역할을 나누어서 자신의 임무를 수행하였다. 전제적인 자료의 수집 및 정리를 담당하는 학생, 손재주가 좋은 학생은 만들기를 담당으로 제작 작업에 열중했으며, 이론 조사 및 활동은 모두가 함께 진행하였다.

○ 중간 발표에서 한지의 우수성을 건축물에 적용시키기 위해서 대담하게 연구를 진행했으나 생각보다 저조한 결과를 나타내었고 경제적으로나 기술적으로나 건축자재로 사용하기에 여러 가지 제한점들이 나타나게 되었다. 그래서 우리는 한지 연구를 과감하게 접어두고 다른 난방 방법을 찾게 되었다. 난방의 효과를 증가시킬 수 있는 방법을 찾던 중 여름철 건물입구에서 나오는 냉방시스 템에 대하여 생각하게 되었고 난방에 적용시킬 수 있는 방법을 생각하던 중에 창문에 트롬월 시스템과 접목한 에너지 커튼을 고안하게 되었다.

○ 중간 발표를 통해서 추가실험을 실시한 필요가 있음을 확인받고 정량적인 분석을 하기 위하여 부산대학교 건축공학과 안영철 교수님께 조언을 얻을 수 있었다. ET965(다기능 측정기)를 이용해 유속을 측정하여 정량적인 비교 실험을 할 수 있었다.

□ 연구 방법

○ 전통 가옥 구조의 냉난방 기능에 대한 조사 연구

- 이론적인 내용을 바탕으로 전통 가옥의 구조를 파악하고 특징을 분석한다.

○ 전통 가옥 구조의 원리로 방충망 설계 및 실험

- 기존의 방충망을 전통 가옥의 구조 원리인 베르누이원리를 이용해 변형 시켜 새로운 방충망을 설계한다.

- 판넬을 사용하여 기존의 방충망과 같은 구조와 새로 설계한 방충망의 구조를 모형으로 제작한 다. 두 판넬의 구멍의 크기는 같게 하나, 새롭게 설계한 방충망 구조는 판넬의 구멍은 간격이 좁아지게 만든다.

- 눈에 보이는 연기를 사용하여 기체의 이동을 확인한다. 일정한 바람을 주어 각 판넬에 통과시켰 을 때 얼마나 빨리 통과하는 지 관찰한다. 또한 입자가 굶은 가루를 사용하여 얼마나 멀리 이동하였 는지도 확인할 수 있다. 이를 통하여 기존의 방충망과 베르누이의 이론을 바탕으로 설계한 방충망 의 성능을 비교할 수 있다.

- 새로 설계한 방충망의 옆면의 각도를 조절 할 수 있게 시침핀으로 원하는 각도에 고정할 수 있도록 제작한다. 정량적인 실험 결과를 얻기 위해 ET965(다기능 측정기)를 이용하여 유속을 측정한다.

[그림 9]베르누이 원리가 적용된 방충망 구조

베르누이 원리로 제작한 방충망은 바람이 들어오는 부분을 4cm로 정하고 바람이 나가는 부분은 3cm로 점점 통로가 좁아지는 형태로 만들었고 높이는 10cm(우르락 두께도 포함)로 2층 높이로 제작 하였다.

[그림 10] 기존 방충망 구조

○ 전통 가옥 구조의 원리가 적용된 현대식 집의 구조 구상 연구

- 베르누이 원리를 이용한 집 설계도를 제작하여 그에 따라 우드락을 재료로 집 구조를 직접 만듦으로써 현대 집 구조에서도 베르누이 원리를 적용 시켜 에너지 절약형 구조물을 만들어 보고자 하였다.

○ 에너지 절약형 하우스에 대한 조사 연구

- 조사한 내용을 바탕으로 반사판을 이용해 태양에너지를 반사시켜 난방에너지를 절약할 수 있는 일종의 패시브 하우스의 구조물을 설계 및 직접 만들어 보고 실험을 진행한다.

○ 에너지 커튼에 대한 연구

- 알루미늄 재질의 반사판을 스티로폼 박스에 설치하여, 빛을 반사시켜 보온효과를 도모하고자 하였다. 또한 반사판은 각도를 조절하여 그 온도를 측정하고, 최대 효과를 낼 수 있는 최적의 각도를 찾고자 하였다 .

[그림 11] (패시브 하우스(passive house)를 위한 에너지 커튼 제작)

□ 연구 활동 및 과정

○ 가설 설정

- 방충망의 구조에 베르누이의 원리를 적용시키면 방충망을 통과하는 바람의 속도가 더 빨라질 것이다.

- 에너지 커튼을 사용하면 에너지 커튼을 사용하지 않은 건물보다 건물의 난방에 효과적인 결과를 나타낼 것이다.

○ 실험 Ⅰ

- 실험Ⅰ,Ⅱ의 가설: 베르누이 원리로 제작한 방충망이 기존의 방충망보다 유속이 더 빠를 것으로 예상하며 연기의 형태가 더 곧고 빠르게 나갈 것이다.

- 실험Ⅰ,Ⅱ의 시행착오 극복:

[그림 12] 베르누이의 원리를 적용시킨 방충망의 구조

( : 바람의 방향을 나타내는 화살표)

위의 베르누이 방충망 설계도로 만들다가 처음 바람이 들어오기 시작하는 끝부분의 구멍의 크기가 기존 방충망과 일정하지 않았고, 바람이 들어오는 부분의 넓은 입구를 제외한 좁은 입구는 바람이 들어올 때 베르누이 원리가 적용되지 않은 부분이 있어 기존의 방충망을 통과하는 유속이 더 센 것 같아 좁은 부분 없도록 막아 서 다시 실험하는 것으로 계획을 세웠고 각도에 따라 바람의 세기가 달라질 것이라 예상하고 각도를 달리 기울여서 실험 해 보기로 하였다.

[그림 13] 새롭게 설계한 베르누이 원리가 적용된 방충망 구조

새롭게 제작한 방충망은 바람이 들어오는 부분을 4cm로 정하고 바람이 나가는 부분은 3cm로 점점 통로가 좁아지는 형태로 만들었고 높이는 10cm(우르락 두께도 포함)로 2층 높이로 제작 하였다.

(1) 직접 만든 방충망 설계도로 우드락을 이용하여 베르 누이 원리가 적용된 방충망과 기존의 방충망을 제작함.

(2). 큰 두 직사각형 비커용기의 윗부분에 직접 설계 한 두 방충망 구조물의 크기만 남기고 투명 아크릴 유리판을 붙인다.

(3). 향연기가 잘 보일 수 있도록 배경으로 검은색 전지를 붙인다.

(4). 큰 직사각형 용기 안에 향을 담을 작은 비커를 넣는다. 작은 두 비커 안에 일정량의 타는 향을 동시 에 넣고 각각의 큰 직사각형 용기에 두 방충망 구조 물을 붙인 후, 방충망을 붙인 부분으로부터 세어 나오 는 향 연기를 15분 동안 막는다. 15분 후 막은 부분을 열어 방충망으로부터 향 연기가 나오게 만든다.

(5).15분이 지난 후 용기 안에 꽉 찬 향 연기를 방충 망 구조물을 통해 밖으로 나오게 한다.

○ 실험 Ⅱ

(1). 크기가 같은 두 스티로폼 박스의 밑 부분을 뚫는 다. 마주 보는 두 옆면이 뚫린 육면체 스티로폼 박스 의 뚫린 한 쪽에 각각 직접 설계한 베르누이원리가 적 용된 방충망과 기존 방충망 구조물을 붙이고, 나머지 부분을 우드락을 이용해 막는다. 붙인 방충망 구조물 과 우드락 사이의 미세한 벌어진 공간으로 향연기가 새어 나가는 것을 막기 위해 테이프를 이용해 막는다.

(2). 스티로폼 박스 안의 밑면에 일정 개수의 향을 부 분적으로 배치한다.

(3). 두 스티로폼 박스를 나란히 배치하여 각각의 방충 망을 통과한 향연기를 위에서 촬영하여 새어나오는 향 연기의 확산정도와 형태를 비교한다.

(4) 기존의 방충망을 붙인 스티로폼 박스 위에 베르누 이 원리가 적용된 방충망을 붙인 스티로폼 박스를 일 직선이 되게 올려 놓는다. 두 스티로폼 박스를 옆에서 촬영하여 각각의 방충망을 통과한 향연기의 확산정도 를 비교한다.

○ 실험 Ⅲ

- 실험 Ⅲ의 가설: 베르누이 원리로 제작한 구조물이 기존의 방충망 구조물보다 유속이 빠 르게 측정 될 것이다.

- 실험 Ⅲ의 부산대학교 안영철 교수님 자문 내역: 유속의 측정의 정량적인 분석의 용이성을 높여 주기 위해 ET965(다기능 측정기)를 제공해 도움을 주셨다.

(1) 직접 설계한 방충망 설계도를 보고 우드락을 이용해 방충망 구조물을 만든다.

- 시침핀을 이용하여 각도를 조절할 수 있게 만든다.

[그림 14] 방충망 설계도

( 90˚ ) ( 80˚ )

( 65˚ ) ( 55˚ )

( 45˚ ) ( 35˚ )

(2) 각 우드락 구조물을 일정한 위치에 고정 시키고 60cm 간격에서 미니선풍기로 바람을 불 어 넣어 준다.

(3) ET965(다기능 측정기)를 이용해 방충망을 통과해 유속을 측정해 변화량을 비교한다.

- 정량적인 실험 결과를 얻기 위해 ET965(다기능 측정기)를 이용하여 유속을 측정하였다.

○ 실험 Ⅳ

(1) 베란다의 창문을 크게 만들고 일직선으로 이어진 부엌의 창문을 작게 만든 베르누이 원 리를 적용시킨 집 설계도를 제작한다.

[그림 15] 베르누이 원리가 적용된 집의 설계도

(2) 직접 만든 설계도에 따라 우드락을 이용해 에너지 절약형 집 구조물을 만든다.

○ 실험Ⅴ^԰

(1) 알루미늄 호일을 사용하여 일정한 크기의 각각의 두 직사각형 모양의 우드락의 한쪽 면 에 붙여 반사판을 만들다. 검은색 전지로 안쪽 면을 다 덮은 스티로폼박스에 각각의 호일을 붙인 우드락을 위아래로 엇갈리게 고정시킨다.

[그림 17] 에너지 커튼 제작 완성

(2) 스티로폼 박스 안쪽에 온도계를 설치하고 위아래의 반사판의 각도를 조절하여 일정한 시간 간격으로 온도를 측정하여 비교한다.

[그림 16] 직접 제작한 베르누이 원리가 적용된 집의 구조

□ 연구 활동 및 과정

○ 월별 연구 추진 실적

월 별 5월 6월 7월 8월 9월 10월 11월 12월

활동내용 ＼ 일별 1 2 3 1 2 3 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 활동 개요 작성 ● ● ● ●

사전자료 조사 ● ● ● ● ● ● ●

실험 설계 및 수행 ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●

외부 전문가 자문 활동 ● ● ●

보고서 작성 ● ● ● ● ●

추가 실험 ● ● ● ● ●

홍볼 활동 ● ● ● ●

3. 연구 결과 및 시사점

□ 연구 결과

○ 실험Ⅰ연구 결과

- 실험Ⅰ,Ⅱ의 연구 과정: 기존 방충망 구조물과 베르누이 원리로 제작한 방충망을 통해 나오는 향연기의 형세와 확산정도를 관찰하여 유속의 빠른 정도를 비교한다.

[그림 18] 기존 방충망과 비교한 베르누이 방충망의 바람 속도 확인

- 향연기가 살짝 꺾여서 나오는 것을 볼 수 있다. 기존 방충망에서 나오는 향은 바로 위로 빠져 나오는데 베르누이 방충망에서 빠져나오는 향은 살짝 비스듬하게 나온다. 두 비커에 가득 찬 향 연기가 두 방충망 구조물을 통해 새어 나오는데, 향연기가 위로 향하여 새어 나와 두 구조물을 통해 나오는 향연기의 세기를 비교하는 데에 어려움이 있었다. 향연기가 겉으로 보기에 미세하여 잘 보이지 않으므로 향의 개수를 늘리고, 향 연기가 위로 새지 않게 미니 선풍기로 약한 바람을

불어주어 향 연기가 직선으로 뻗어 나가게 실험을 설계 해야겠다고 느낀 바이다.

- 베르누이가 적용된 방충망에서 기존 방충망 구조물에 비해 미세하지만 향 연기가 더 빠르고 강하게 나가는 것을 느꼈다.

○ 실험Ⅱ 연구 결과

[그림 19] 기존 방충망과 비교한 베르누이 방충망의 바람 속도 확인

- 위의 사진과 같이 베르누이 방충망 구조물을 통과한 향 연기(A1과 A2)는 바람의 세기가 강해져서 직선으로 곧게 뻗어 나가는 것을 확인 할 수 있었고, 기존 방충망 구조물을 통과 한 향 연기(B1과 B2)는 바람의 세기가 약해져서 계속해서 옆으로 휘어지는 형태로 나오는 것을 확인 할 수 있었다. 바람이 들어가기 시작하는 4cm의 부분에서 방충망 구조물을 비스 듬하게 설치하여 바람이 나가는 3cm의 부분으로 좁아지게 설계하여 바람이 나가는 통로가 서서히 좁아지면서 유체가 단면적이 큰 곳과 작은 곳을 흐를 때, 단면적이 큰 곳은 유체의 흐름이 느리고 압력은 높으며, 단면적이 작은 곳은 유체의 흐름이 빠르고 압력은 낮은 베르 누이 원리에 의해 베르누이 방충망 구조물을 통과한 바람의 세기가 기존의 방충망 구조물 을 통과한 바람보다 강해진다는 것을 예측 할 수 있었다.

- 베르누이 원리가 적용된 방충망에서 나오는 향 연기는 기존의 방충망 구조물에서 나오는 향 연기가 위쪽으로 휘어지는 반면에 형태가 일직선으로 더 곧게 뻗어 나가는 것을 볼 수 있었다. 베르누이 방충망의 서서히 좁아지는 구멍 사이로 바람이 통과하면서 베르누이 원리 에 의해 바람의 세기가 더 강해지므로 이러한 현상이 나타난다는 것을 알 수 있었다.

○ 실험 Ⅲ 연구결과

- 기존 방충망 구조물과 베르누이 원리로 제작한 방충망을 통해 나오는 유속을 ET965(다기능 측정기)를 이용해 측정하였다.

- 각도에 따른 방충망 구조물의 유속 측정 (m/s)

(90˚: 2.1) (80˚:2.0 ~2.2)

(65˚:1.8~2.1) (55˚:1.6~1.7)

(45˚:1.6~1.7) (35˚:0.9~1.0)

기존 85° 65° 55˚ 45° 35°

바람의 세기 2.1 2.0~2.2 1.8~2.1 1.6~1.7 1.6~1.7 0.9~1.0

각도가 90(기존 방충망 )와 65 의 사이 각도에서 2.0~2.2m/s 정도로 가장 유속이 빠르게 측 정 되었고 각도가 35˚ 인 방충망이 가장 느리게 측정 되었다.

- 베르누이 원리를 이용해 방충망 옆면의 각도를 달리하여 각각 90˚, 85˚, 65˚, 55˚, 45˚

, 35˚ 로 정해 유속을 측정해본 결과 90˚~65˚일 때가 가장 최적의 각도였고 35˚일 때 가장 낮게 나오는 것을 확인 할 수 있었다. 이는 각도로 인해 기울어진 옆면의 저항을 받아 속도가 줄어든 것이라고 예상 하였다.

□ 시사점

○ 연구활동을 통해 얻은 학습 효과

과제 연구를 통하여 처음으로 베르누이 방정식에 대해 접하게 되었고, 그를 통해 공간의 크 기가 달라지면 그에 따라 압력이 변해 속도가 달라지는 과정을 탐구해 보았다. 그리고 한옥 에서 베르누이 효과와 다른 장점, 열효율을 높일 수 있는 방법에 대해 탐구해보면서 더욱 더

자세하게 알게 되었다. 또한 태양열 에너지를 반사판의 기울기를 활용해 열에너지의 소비량 을 줄일 수 있는 패시브 하우스를 직접 구상 및 설계를 해 보면서 실생활에 태양에너지를 활용한 다양한 방법과 그에 적용된 원리를 알게 되었고 이를 바탕으로 다양한 실험 방법을 연구 할 수 있었다.

○ 개선점

실험 과정에서 더욱 정확한 정량적인 분석을 위해 또 다른 방법을 탐색해 볼 수 있어야 하 겠고, 실험으로만 마무리 한 내용을 실질적인 생활에 적용시켜 보지 못한 아쉬움이 있다. 실 제 적용하여 냉난방에 얼마만큼의 영향을 주는지 알아볼 필요가 있다.

4. 홍보 및 사후 활용

□ 홍보를 위한 구조물 제작

○ 실생활 적용을 위한 방충망 제작

- 실생활에 적용하기 위해서 방충망을 직접 제작하여 현재 사용하고 있는 방충망을 대체할 수 있도록 해야할 것이다. 이를 통하여 방충망이 해충을 막는 역할 뿐만 아니라 공기를 흐름을 빠르게 유도하여 건물 내부의 냉방에 효과를 줄 수 있는 지 확인한다.

○ 처마의 제작을 통한 설치

- 처마의 원리를 이용한 구조물을 창에 설치하여 그 영향을 확인해보도록 한다.

○ 교내 전시물 설치

- 실험을 통한 실질적인 효과를 알리기 위해 실험 구조물을 적용시킨 건축물을 학생들의 이동이 많은 장소에 설치하여 효율성을 알리고자 한다.

○ 다양한 활동지에 게시

- 다양한 교내 활동지와 학생들의 활동 게시판에 게시하여 효율성을 알리고자 한다.

5. 참고문헌

□ 서적 자료

○ 일본 태양에너지 학회(2012), 태양에너지 이용 기술 ○ 일본 뉴턴프레스 (2014), 모든 단위와 중요법칙 원리집 ○ 홍도영, 패시브하우스 설계&시공 디테일

○ ^{한국교육학술정보원}

○ 나탈리 앤지어(2010). 원더풀 사이언스. 지호.

○ 자동차용어사전편찬회(2012). 자동차 용어사전. 일진사

○손정우 외 2명(2014.5.), 이산화탄소 저감을 위한 친환경 벽돌 제작, 부산일과학고등학교, 817, 4-11p ○ 이지연 외2인(2013.5.), 친환경 단열건축소재 개발과 효과에 대한 연구

○조오근 외 2인(2007.2.), 스티로폼 상자를 이용한 열전도도와 비열 측정, 열에너지 추적 탐구 프로그램, 장영실 과학고 2007-16, 58-72

○ 조오근 외 2인(2007.2.), 창호문의 단열효과 탐구, 열에너지 추적 탐구 프로그램, 장영실 과학고, 2007-16,73-79p

○강성민 외 2명(2014.7.), 탄소 zero 건물의 효과적인 설계 방안 및 친환경 에너지를 이용한 에너지 절약에 대한 연구, 성모여자고등학교, 711, 11-16p

□ 인터넷 자료

○위키백과 ,[네이버 지식백과] 태양열 발전 - 태양에 전기 플러그를 꽂았다 (대단한 하늘여행, 2011.

4. 8., 푸른길)

○지식백과 패시브 하우스 [Passive house] 두산백과 ,dcollection ,EBS 동영상 태양열에너지의 실생활 이용사례

○패시브하우스 콘서트 패시브 하우스란?, [네이버 지식백과] 패시브 하우스 [Passive house] (두산백과)

○시사상식사전 패시브하우스 [ passive house ]

○리포트실생활 미분방정식 - 베르누이방정식 (레포트:미분방정식이 들어간 실제 예시)2016년