열환경

열환경

열적 쾌적성(Thermal Comfort)은 공기온도 뿐만 아니라 습도,기류속도, 복사 등 여러가지 사항에 의존된다.

열환경(Thermal Environment)

 인간의 쾌적감은 공기의 온도뿐만 아니라 습도,기류,주변벽면의 온도(복사온도), 공기조성, 청정도, 거주자의 활동량, 착의량 등의 복합적결과로 평가

 열적 쾌적성 : 온열 환경에 만족을 나타내는 마음의 상태로서, 만족은 거주자의 적어도 80% 이상이 이 환경을 허용하는 것을 의미함

실내 환경

개요

1. Metabolism (met value)

2. Clothing level (clo value)

3. Integrated temperatures; various types of temperatures (operative temperature, equivalent temperature, effective temperature, mean radiant temperature)

4. Humidity level

5. Air velocity

6. Draught rate

7. Radiant temperature asymmetry

8. Vertical air temperature difference

Parameters that influence the Thermal Comfort

Radiation Asymmetry

Vertical Air Temperature Differences

Floor

Temperature

Draught, Draft

국소적 열적 불쾌적성(Local Thermal Discomfort)

• 공기온도 : 인체와 대류 열전달에 중요한 인자

• 평균복사온도(MRT)

(1) 실내의 어떤 점에 대해 주위벽에서 방사하는 열량과 똑 같은 열량을 방출하는 흑체의 표면온도

(2) 평균복사 온도의 개념에는 인체와 주위와의 형태 계수가 고려 (3) 인간의 위치에 따라 실내에서의 복사 열 전달량 차이 발생

(4) 평균 복사 온도는 벽면, 천장등의 면적 가중 평균온도의 개념임

• 기류

(1) 대류 열전달 계수의 변수

(2) 기류가 강하면 cold draft 발생으로 불쾌감 유발

• 습도

(1) 공기의 엔탈피를 나타내는 지표 (2) 저습도 시 : 정전기 문제 발생

(3) 고습도 시 : 피부의 수분 증발 억제로 불쾌감 유발

 물리적인 환경요소

인체의 열적 쾌적감에 영향을 미치는 요소

• 나이 및 성별

• 활동량

(1) 기초 대사량 : 생명을 유지하기 위한 최소 발열량

(2) 1 MET : 열적으로 쾌적한 상태에서 의자에 앉아서 안정을 취하고 있을 때의 대사량

(3) 식사, 독서시 : 0.4 MET, 사무실작업 : 1.1 ~ 1.4 MET 도보 : 3 MET, 농구 등 운동시 : 5 ~ 8 MET

• 의복(착의 상태)

(1) 의복의 열절연성은 CLO라는 단위로 나타냄

(2) 1 CLO : 21℃, 상대습도 50%, 기류 5m/sec, 이하에서 인체의 표면적으로부터 방열량이 1MET의 활동량과 평형하는 착의 상태에서의 피부표면으로부터의 열저항값

(3) 여름철 하복 : 0.6 CLO, 겨울철 두꺼운 신사복 : 1.0 CLO

2 2

1 MET  58.2 W /( m h )  50 kcal m h /( )

2 2

1 CLO  0.155 m h C W  /  0.18 m h C kcal  /

 개인적인 요소

Velocity m/s Velocity m/s

Time Time

외풍은 실내거주자들의 보편적인 불평사항임.

열손실의 느낌.

열손실량은 평균공기속도, 온도, 그리고 난류도에 좌우 됨.

같은 열손실량이라도 고난 류에서 더 불편함.

Draught-1, 외풍

Mean Air Velocity

같은 공기속도에서도 기온 에 따라 불만감이 다름.

저온일수록 불만감이 더 크다.

Draught-2, 외풍

Fluctuations in Air Velocity is described by Turbulence Intensity (Tu).

Draught Rate equation is based on studies of 150 people, and stated in ISO 7730.

Tu = 100*( S

/ v

)

S

:Standard Deviation of Air Velocity

v

: Local Mean Air Velocity

26 ℃, 0.3 m/s,Tu=10 에서 15% 불만

26 ℃, 0.3 m/s,Tu= 30 에서 25% 불만

Evaluating Draught Rate, 외풍율 평가

Radiant Temperature Asymmetry is perceived uncomfortable.

Warm ceilings and cold walls causes greatest discomfort.

Radiation Asymmetry, 비대칭 복사

Dt

Vertical Air Temperature Difference

Di ssatisfie d

25 ^oC

19 ^oC

Vertical Air Temperature Difference is the difference

between Air Temperature at ankle and neck level.

Vertical Air Temperature Difference, 연직온도차이

- 1.1 m

- 0.1 m - 0.6 m

- 0.1 m - 1.1 m - 1.7 m

• Measurements of Vertical Temp. difference and Draught at ankle and neck.

• Other measurements should be performed at persons centre of gravity.

Workplace Measurements, 업무실 수직온도

Floor Temperature

Di s s ati s fi ed

Acceptable floor temperatures ranging from 19 to 29

C.

The graph is made on the assumption that people wear

“normal indoor footwear”.

Floor Temperature, 바닥온도

몸은 어떻게 온도를 조절 하는가 ?

 몸이 너무 더워지면 피부의 혈류가 증가하여 땀이 나기 시작한다.

 몸이 너무 추워지면 피부의 혈류가 감소하고 몸내부에서의 발열을 증가시키기 위하여

근육이 떨기 시작한다.

37 ^oC 34 ^oC

 열적 균형을 느끼기 위해서는 피부온도와 몸온도의 어떤 적절한 조합이 요구된다.

열적 쾌적성의 두가지 조건

조건-1

 신진대사에 의한 발열량과 몸에서 빠져나가는 열량이 균형을 이루어야 한다.

Heat Lost Heat

Produ- ced

조건-2

활동상태를 나타내는 신진 대사량은 met 단위를 사용 정량화 1 met는 조용히 앉아있는 정좌상태(seated adult)로 인체의 표면적당 50㎉/㎡h 정도가 되며 인체의 활동량이 많을수록 met 값은 높아짐

1.0 met= 18.4 Btu/h = 58.2W/㎡= 50㎉/㎡h

여기에서 사용되는 인체의 표면적(AD)은 1916년 DuBois에 의 하여 제안한 식을 적용하며 보통체격인 신장 173cm, 체중 70

㎏ 남자의 경우 표면적은 약 1.8㎡이 됨

일반적인 상태 (사무실에 앉아서 근무를 하고 있을 때) 1.2 met

Metabolic Rate Value : met

0.8 Met

1 Met 8 Met

4 Met

활동상태에 따른 met value

사람의 의상은 단열 성능의 향상을 가져옴. 따라서 착의상태에 따른 보온 성능을 정량적으로 나타낼 필요성이 제기됨

1 clo는 기온 21.2℃, 상대습도 50%조건에서 조용히 앉아있는 사람이 쾌적하게 느끼는 의복의 열저항 값 : 전형적인 정장차림

의복 1㎏에 해당하는 clo 값은 0.35 clo

착의상태의 단열에 대한 실험방법은 1975년 Nishi에 의하여 인간에게 옷 을 입힌 후 인체피부온도, 의복온도, 기온을 측정한 방법이 있으며, 그 후 1984년 McCullough와 Jones에 의하여 가열된 마네킹을 이용하여 측 정한 착의상태에 의한 단열값(열저항값)으로 구한 것이 있음.

1.0 clo = 0.155 [㎡·℃/W ]= 0.133 [㎡·h·℃/㎉]

clo 단위는 알몸상태를 0 이라 정의하고, 착의상태에 따라 분류함

Cloth Insulation Value ; clo

• 1 clo = Insulation value of 0.155 [m

C/W]

0.15 clo 0.5 clo

1.0 clo 1.2 clo

착의상태에 따른 clo value

의복종류에 따른 clo value

1.7 CLO 2.5 MET RH=50%

t =6^oC.

0.8 CLO 2.2 MET RH=50%

t_co=18^oC.

0.5 CLO 1.2 MET RH=50%

t =24.5^oC.

Comfort Temperature

• 인체가 감지하는 온냉감은 인체와 주변환경 사이에서 일어나는 열교환 상태에 의해 결정

• 인체의 대사 작용에 의해 생성된 열은 신체의 주요 기관에 필요한 일정한 온도를 제공해주고 여기서 남은 잉여열은 혈액과 피부를 통해서 피부로 전달되는데 이때 인체는 주로 대류,복사, 및 증발의 열전달을 통해 외부 환경으로 배출

• 인체에서의 열의 변화량

△ q = M － E ± C ± R

M : 대사 생산 열량 E : 증발 발열량

C : 대류에 의한 수수열량(- : 인체로부터의 방열) R : 복사열에 의한 수수열량(- : 인체로부터의 방열)

△

열평형 방정식



The dry heat loss

(Radiation+Convection) represents ~70% at low Clo- values and ~60% at higher Clo-values.



The evaporative heat loss (E) represents ~25% at

moderate activities



Heat Loss by Conduction (K) and Respiration (RES) are normally insignificant

compared to the total heat exchange.



Man is a poor machine. The efficiency is less than 20%

even for well-trained athletes.

C

E

The Energy Balance

 유효온도(Effective Temperature, ET)

• 어떤 온습도하에서 느끼는 쾌감과 동일한 쾌감을 얻을 수 있는 바람이 없고(0 m/s) 포화상태(상대습도 100%)인 실내의 온도

• 피 실험자의 실험에 의하여 통계적으로 구한 쾌감지표로 기온,

상대습도, 기류의 세 요소가 온열감각에 미치는 영향을 종합하여 표시

• 저온에서 습도의 영향이 실제보다 크게 평가됨

• 복사에 의한 영향과 개인차가 고려되지 못함

구분 건구온도 상대습도 기류

ET 상승 ↑ ↑ ↓

ET 하락 ↓ ↓ ↑

열환경 관련 INDEX

• 1972년 ASHRAE에서 정의

• 온도, 습도, 기류속도의 유효온도에 착의상태를 고려한 유효온도

• 실온 25℃ , 상대습도 50%,기류 0.15 m/s를 기준

• 유효온도가 저온에서 습도의 영향을 과대평가한 것을 보안

• 평균 복사온도와 건구온도가 같고 풍속이 0.2 m/s 이하인 실내에서 가벼운 착의와 경작업시 적용

• 일상생활에 대한 실용성이 높음

 신유효온도(New Effective Temperature, NET, ET*)

• Gagge 등이 제안한 것으로 ET* 를 보다 발전시킨 최신 쾌적지표로서 ASHRAE에서 채택하여 세계적으로 널리 사용

• ET*는 착의량과 활동상태에 따라 달라지므로 모든 상태를 표현하기는 불가능

• 이에 따라 대표적인 실내상태의 조건범위를 표현하기 위한 수단으로 SET 사용

• 상대습도 50%, 풍속 0.1m/s, 활동량 1 MET, 착의량 0.6 CLO의 동일 한 표준환경조건에서 경험하는 기온과 등가인 열자극을 인체에 주는

• 온열조건을 나타내는 지표

• 벽면의 온도와 건구온도가 같고, 복사개념을 생략해서 적용

• 활동량, 착의량 및 환경조건에 따라 달라지는 온열감, 불쾌적 및 생리적 영향을 비교할 때 매우 유용

 표준 신유효온도(Standard Effective Temperature, SET)

• 건구온도, 기류 및 주위의 벽(천장,벽,바닥,기타 난방 패널 등)과의 사이 의 열복사의 종합효과를 나타낸 것으로서 복사난방실의 환경 평가요소 로 사용

• 간이계산서에서는 흑구온도와 건구온도의 산술평균치로 표시

• 습도의 영향이 고려되어 있지 않음

• 실내 기류가 많을 때

R C a

R C

h MRT h t

OT h h

  

 

• 실내 기류가 많지 않을 때(h_C= h_R)

2 MRT t

OT  

 작용온도(Operative temperature, OT, 효과온도 )

h_C : 인체 주위의 복사열전달 h_R : 인체 주의의 대류열전달 t_a : 실내온도

MRT;평균복사온도

 ASHRAE Thermal Sensation Scale (by Prof. F. O. Fanger)

PMV는 7단계 온열감 척도에 대한 많은 사람들의 의사표시(vote)의 평균치를 예측하는 것

+3 : hot

+1 : slightly warm

-1 : slightly cool -2 : cool -3 : cold

PMV 지표는 활동량 (metabolic rate), 착의량 (thermal resistance) 과 온도 (air temperature), 평균 복사온도 (mean radiant

temperature), 상대 기류속도 (relative air velocity), 수증기 분압 (partial water vapor pressure)을 알면 구할 수 있다.

(ISO 7726 참조)

예상 평균 온열감

(PMV ; Predicted Mean Vote)

• 1970년대 P. O. Fanger에 의해 제안된 것으로 열쾌적의 정도를 기온만이 아니라 기류 등의 변수를 가미해 쾌적의 정도를 수치로 표현한 것

• 작업강도, 착의량, 실내온도, 습도, 평균복사온도, 기류속도 등에 관련됨

• PMV는 (-3 : cold ~ +3 : hot) 범위의 값을 가지며 0 의 경우가 쾌적상태임

 0.303exp( 0.036 ) 0.028 

PMV   M  L

M : 신체 발열량

L : 열적하중과 인체발산열량(작업강도, 착의상태의 함수)의 함수

- +3 Hot - +2 Warm

- +1 Slightly warm - +0 Neutral

- - 1 Slightly cool - -2 Cool

- -3 Cold

PPD는 실내환경에 대하여 좀 더 실용적으로 덥거나 혹은 춥게 느끼는 불 만족한 사람의 수를 예측하는 것으로 온열감 반응도에 응답한 사람의 수 를 전체 응답자수에 대한 백분율로 환산한 것

• Fanger의 식

쾌적범위; PPD < 10%

예상 불만족도

(PPD; Predicted Percentage of Dissatisfied)

 -0.5 < PMV < +0.5

 DR(Draught Rate) < 15% at neck and ankle.

 Vertical Air Temperature Differences from ankle to head should be less than 3

C.

 Radiant Temperature Asymmetry from cold windows should be less than 10

C

 Radiant Temperature Asymmetry from warm ceilings should be less than 5

C.

 Surface Temperature of floors should be between 19

C and 29

C.



ISO 7730 Requirements for Thermal Comfort

E

W S

N

z y

x residential zone

z y

x E

W

S N

zo ne residential

z y

x E

W

S N

residential zone

z y

x E

W

S N

residential zone

열환경지표 부하계산

기류 및 온도분포

연구활동-1 (아트리움 미술관)

Thermal comfort measuring equipments

Com put er T herm al co mfo rt dat a log ger

Ope rati ve t em p.

t rans ducer Ai r t emp eratu re t rans ducer

Ai r veloci ty t rans ducer Hum i dit y

t rans ducer

PMV-PPD 산정 실험장치

연구활동-2 (인천국제공항 여객터미널)

P PD [%]

P MV [ - ]

A ir t e mp. [℃]

Ope rat i ve te mp. [℃]

A ir ve l oci t y [m/s]

RH [%]

인천국제공항 여객터미널의 열환경-1

0 5 10 15 20 25 30 35

temp.[degree]

vel.[m/s]

pmv[ - ] ppd[ % ]

Temp [ ] Vel. [m/s ] PMV [ - ] PPD [ % ]

℃

수직방향 높이에 따른 실내 열환경특성

인천국제공항 여객터미널의 열환경-2

Thank you!