Intelligent and Responsive Window Opening-Closing Operation Process for Carbon Dioxide(CO₂) Management of Secondary School Classroom

중등학교 교실의 이산화탄소(CO

2

Intelligent and Responsive Window Opening-Closing Operation Process for Carbon Dioxide(CO

) Management of Secondary School Classroom

최 윤 영

이 현 수

Choi, Yoon-Young Lee, Hyun-Soo

Abstract

The school classroom is a common living place where students spend 7 to 14 hours a day to prepare for their careers.

Therefore, if the ventilation of the classroom is not properly performed, it may lead to the deterioration of learning ability due to the unclear air. The concentration of carbon dioxide in the classroom is reported to be high, and the increase in carbon dioxide concentration has a negative effect on the learner's academic performance. In this context, the purpose of this study is to propose a methodology for intelligent and responsive window opening-closing operation process that can reduce the concentration of CO2 in the classroom in order to build a support space that can create an effective teaching-learning environment for adolescents. The specific objectives are as follows. First of all, we define the concept of window opening-closing operation. Secondly, twe develop the operation process of window opening-closing. Thirdly, we develop an algorithm for real-time window opening and closing (process) (Window Opening-Closing Operation Process). Finally, we verify the intelligent responsive window opening-closing operation process through developing examples of window opening-closing operation process using the parametric design program. This study is a preliminary study to develop algorithms necessary for window opening-closing operation. Based on the first-order algorithm, We simulated window opening-closing operations according to a hypothetical scenario. As a result, This study can show that the window is open and close depending on the CO2 concentration, but the CO2 concentration in the room is higher than outdoors. Consequentially, we suggest that it is necessary to develop an algorithm to supplement these results because window is often not working when the temperature difference between indoor and outdoor in winter is large.

키워드：이산화탄소, 지능형건물, 리스펀시브 아키텍처, 창호개폐 작동, 프로세스, 알고리즘

Keywords：CO2, Intelligent Building, Responsive Architecture, Window Opening-Closing Operation, Process, Algorithm

1. 서론¹⁾

1.1 연구의 배경과 목적

학교 교실은 60～70㎡ 기준으로, 30명 이상의 학생들이 진학 및 취업 등 진로준비를 하기 위해 하루 중 7시간에

* Ph.D. student, Dept. of Interior Architecture & Built Environment, Yonsei Univ., Korea

Corresponding Author, E-mail: [email protected]

** Professor, Ph.D., Dept. of Interior Architecture & Built Environment, Yonsei Univ., Korea

서 14시간 이상의 시간을 보내게 되는 공동생활장소이다.

따라서 교실 환기가 제대로 이루어지지 않을 경우 혼탁한 공기로 인하여 학습능력 저하를 초래할 수 있다.

교실내

1) 통계청, 2009년 생활시간조사, 2010

양원호, 학생들의 시간활동 양상 및 학교 실내공기질, 한국교 육시설학회지, 21(6), pp.17-22, 2014

정준식․박덕신․전형진․송혜숙․이민종, 일부 학교 교실의 실내공기질 특성에 관한 연구, 한국산학기술학회논문지, 16(5), pp.3643-3652, 2015.5

정준식․박덕신․김종범․송혜숙․박형규, 일부 실내공간에서 PM10과 CO2의 농도 특성에 관한 연구. 한국산학기술학회논문

이산화탄소 농도는 높은 것으로 보고되고 있다. Bakó-Biró et al.(2007, 2012), Coley & Greeves & Saxby(2007), Myhrvold & Olsen & Lauridsen(1996), Twardella et al.(2012)의 연구에 의하면 이산화탄소 농도 증가는 학습 자의 학업수행력에 부정적 영향을 미친다.

교실내 공기질은 선진 외국에서 중요하게 인식되어 많 은 연구를 수행하고 있다.

20세기 후반부터 이산화탄소 가 재실자의 신체에 미치는 직접적인 영향과 학습에 미치 는 영향 및 그 해결방법에 대한 연구들을 진행하고 있 다.

반면 국내의 경우, 실외 공기오염 노출에 따른 학생 건강영향 연구가 수행되었다. 교실내 공기질 연구는 여러 학문분야에서 진행되고 있으나 공기질 평가에 집중되어 있다.

본 연구는 교실의 주 재실자인 학생의 학업수행력 향상 을 위해 공기환경측면에서 접근하여 물리적 해결방안을 찾고자 한다. CO

농도 최적화를 통하여 학업수행력을 향 상시키고 공기질을 개선하는 것이 연구의 목적이다.

다시 말해 본 연구의 목적은 학업수행력 향상을 위하여 교실내 이산화탄소 농도를 최적화할 수 있는 학교 건물의 지능형 리스펀시브 창호개폐 작동 방법론을 개발하는 것 이다.

연구의 목적을 달성하기 위해 설정된 구체적인 세부연 구목적은 다음과 같다. 첫째, 창호개폐 작동의 개념을 정의 한다. 둘째, 창호개폐의 작동과정을 개발한다. 셋째, 실시간 창호개폐 작동 방법(프로세스)(Window Opening-Closing Operation Process) 알고리즘을 개발한다. 넷째, 파라메트 릭 디자인 프로그램을 활용하여 창호개폐 작동 프로세스 의 사례를 개발하여 지능형 리스펀시브 창호개폐 작동 프 로세스를 검증한다.

1.2 연구의 범위와 방법

본 연구에서는 교실내의 CO

농도가 인체와 학습에 미 치는 영향(교실내 이산화탄소 농도와 교수학습 효과의 관 련성), 청소년기의 특성, 지능형건물과 리스펀시브 아키텍 처에 관한 문헌조사와 CO

농도 측정 선행연구분석을 통 해 사례연구에 필요한 알고리즘 생성의 기준이 되는 데이 터를 조사하였다.

구체적인 연구방법은 첫째, CO

, Intelligent Building,

지, 16(6), pp.4335-4347, 2015.6 2) 양원호, op. cit., p.17

3) 임완철, 교실 내 공기 중 이산화탄소 농도가 학습에 미치는 효 과에 대한 문헌 연구, 환경교육, 28(2), pp.134-145, 2015.6 4) 양원호, op. cit., p.17

Responsive Architecture 등을 Keyword로 하여 Google Scholar, Amazon, 연세대학교 학술정보원 등의 웹사이트 를 통해 참고자료를 검색하고 이론적 근거로 삼는다.

둘째, 알고리즘 개발을 위해 선행연구에서 다룬 데이터 를 활용한다.

셋째, 창호개폐에 대한 Simulation은 Parametric Design 을 활용하며 Grasshopper를 활용하여 구현한다.

연구범위는 첫째, 실내공기 중 CO

에 제한한다.

둘째, 창호개폐 작동(Window Opening-Closing Operation) 의 미적 측면을 다루지 않으며 성능적인 측면을 다루기로 한다.

셋째, 창호개폐 작동(Window Opening-Closing Operation) 은 실제 건물에서 시뮬레이션 하지 않으며, 컴퓨터 시뮬레이 션을 활용하기로 한다.

2. 이론적 배경

2.1 교실내 CO

농도가 학습과 건강에 미치는 영향 이산화탄소는 교실내에서 주로 인체활동(호흡, 재채기, 기침, 대화)을 통하여 발생한다.

학교에서 많은 시간을 보내게 되는 청소년기

학생들은 성장발달이 급격하게 진 행되며 성인보다 호흡량이 많으므로 실내 공기오염물질 노출에 대한 감수성이 상대적으로 높다(Landrigan, 1998;

Faustman, 2000).

이산화탄소는 농도가 0.1%일 경우 호흡기, 순환기, 대뇌 등의 기능에 영향을 보인다. 4%일 경우 두통, 귀울림, 혈 압상승 등의 징후가 나타난다. 8～10%일 경우 간질증상, 경련 등을 일으켜 호흡이 정지된다. 20%일 경우 중추 장 해를 일으켜 생명이 위험하게 된다.

1,000ppm을 백분율 로 나타내면 0.1%, 1%는 10,000ppm으로 환산된다. 농도 0.1%, 즉 1,000ppm이면 호흡기와 순환기 및 대뇌 등의 기 능에 영향을 주기 시작한다.

학교 실내 공기질과 직접적인 관련이 있는 학교보건법

5) 김태우․김현태․홍원화, 학교 건축물의 실내공기질 측정 및 평가에 관한 연구, 대한건축학회논문집 계획계, 22(4), p.302, 2006.4

6) 환경부, 공동주택 실내공기질 관리, p.4, 2008 환경부, 다중이용시설 실내공기질 관리, p.4, 2008

7) 여기서 청소년은 청소년 기본법에 의하면 9세 이상 24세 이하 의 청년과 소년을 이르는 말이다.

8) 김대섭․김선주․박시영․전만중․김규태․김창윤․정종학․

백성옥․사공준, 신축학교 실내공기질이 초등학생들의 인지기 능에 미치는 영향, 대한산업의학회지, 19(1), pp.65-72, 2007.3 9) 정준식․박덕신․전형진․송혜숙․이민종, 2015.5, op. cit., p.3644 10) 이케다 코우이치, 실내공기오염의 원인과 대책, 양성봉․유미 선․안철 역, 서울:수도프리미엄엔지니어링 출판부, p.9, 2004

시행규칙의 실내 공기질 유지기준(2002년 개정)에 의하면, 교실내 이산화탄소 농도를 1시간 평균 1,000ppm으로 규정 한 바 있다.

Table 1

은 교육과학기술부가 학교보건법 에 근거하여 교사 안에서 실내 공기질을 관리하는 기준을 보여준다.

Pollutant Standard Applicable

Facilities Remarks Fine Dust

(㎍/㎥) 100

All Classrooms

Below 10㎛

CO2

(ppm) 1,000

1,500ppm in case of Mechanical

Ventilation HCHO

Formaldehyde (㎍/㎥)

100 ․

TVOC

(CFU/㎥) 800 ․

Falling Bacteria

(CFU/each room) 10 Health Room․Cafeteria CO

(ppm) 10 Individual Heating․Roadside

Classroon

In case of Heating by Direct Conbustion NO2

(ppm) 0.05

Radon (Bq/㎥) 148 Classroom Below 1st floor

VOCS

(㎍/㎥) 400

A School that has not passed 3years

since its construction

Including Extension․

Reconstruction

Asbestos

(number/cc) 0.01

Asbestos Building Schools related to

「Asbestos Safety Managementn Ac t」Article 22 Clause 1

O3

(ppm) 0.06

Teachers' Room․

Administration Office

If you have Office Equipment

(Photocopier, etc.) that generates Ozone Tick (number/㎡) 100 Health Room ․

Table 1. Air Quality Standard of School (표 1. 학교 공기질 유지기준)

한편, 국내 학교 건축의 친환경인증기준

은 2005년 시작 하였다. 몇 차례의 개정을 거쳐 2011년 개정된 기준으로 현 재에 이르고 있다. 공기환경 부문의 학교시설 친환경인증기 준에서 자연환기가 가능하고, 직접 외기를 도입할 수 있는 환기창이 설치된 경우 평점이 높다. LEED(Leadership in Energy and Environmental Design)

2009 for Schools 인

11) 최정민, 학교 실내공기질 개선을 위한 제언, 한국교육시설학 회지, 16(1), pp.21-26, 2009.1,

12) 학교보건법 시행규칙 [별표 4의2], 별표연혁 [시행2016.9.3.]

[교육부령 제107호, 2016.9.1.,일부개정] (국가법령정보센터) (제3조 제1항 제3호의 2관련)

13) 국토해양부 고시 제2011-851호, 환경부 고시 제2011-181호

증기준에서도 자연환기에 관하여 평점이 높다. 자연환기에 따른 세부항목에서 재실자가 창문개폐를 하여 온열감을 조 절할 수 있을 경우 높은 점수를 부여한다.

중․고등학생들이 대부분의 시간을 보내는 교실내의 이 산화탄소 농도는 높다. 환기를 하지 않는 교실은 CO

농도 가 기준치인 1,000ppm을 초과하여 2,000ppm 이상이 되 고

5,000ppm을 넘기도 한다.

특히 겨울철 난방을 위 하여 외부공기의 유입이 차단된 교실에서는 4,000ppm 이상 에 도달한다.

이러한 교실내 이산화탄소 농도의 증가는 학습자의 학업 수행력에 부정적 영향을 미치는 것으로 나타났다(Myhrvold

& Olsen & Lauridsen, 1996; Bakó-Biró et al., 2007; Coley,

& Greeves & Saxby, 2007; Bakó-Biró et al., 2012;

Twardella et al., 2012). Myhrvold와 그의 동료들(1996)의 연구에 따르면 이산화탄소 농도가 높은 교실에 30분간 노출 된 학습자의 학업수행력 측정 결과가 이산화탄소 농도와 음 의 상관관계가 있다.

또한 미국 환경청에 의하면 실내 공기질이 양호한 학교 교실에서는 시험성적이 5% 증가하고 결석률이 15% 감소 한다(US EPA; Yang, 2014에서 재인용).

한편, Shendell et al.(2004)의 연구에서는 교실내와 실외 CO

농도차가 1,000ppm을 넘으면 학생 결석이 10～20% 상 대적으로 증가함에 상응하여 연간 출석률이 0.5～0.9％ 감 소하였다. 질병 결석과 관련하여 Rosen & Richardson

14) 미국 그린빌딩위원회(USGBC: United States Green Building Council)가 시행하는 친환경 건축물 인증제도

15) McConahey E., Mixed mode ventilation : finding the right mix, ASHRAE Journal, pp.36-48, 2008.9

16) 이지영․이경선, 학교건축의 친환경적 계획수법에 대한 사례 연구 - 미국, 일본, 한국의 학교건축을 중심으로, 한국교육시 설학회논문집, 18(2), pp.3-14, 2011.3

17) 전의찬․장길수․국찬, 도시 학교시설에서의 실내공기오염도 평가, The Environmental Education 환경교육, 12(2), pp.73-80, 1999.11

18) Coley, D. A., Greeves, R., Saxby, B. K., The effect of low ventilation rates on the cognitive function of a primary school class, International Journal of Ventilation, 6(2)2, pp.107-112, 2007

19) Bakó-Biró, Zs., Clements-Croome, D. J., Kochhar, N., Awbia, H. B., & Williams, M. J., Ventilation rates in schools and pupils’ performance, Building and Environment, 48, pp.215-223, 2012

20) Fromme, H., Twardella, D., Dietrich, S., Heitmann, D., Schierl, R., Liebl, B., & Ruden, H., Particulate matter in the indoor air of classrooms - exploratory results from Munich and surrounding area, Atmospheric Environment, 41, pp.854-866, 2007

(1999)은 실내 공기질 개선이 질병 결석률을 감소시키는가?

라는 가설을 세우고 전기집진식 공기정화기(Electrostatic Air Cleaning(EAC) system)를 설치한 후 결석률이 감소된 연구를 수행하였고, 결석문제에 대한 물리적 해결책이 제시 된 바 있다.

최태환 외(2007)의 연구는 자연환기 시스템의 프로토타 입을 모드1(냉방기), 모드2(난방기)로 나누어 운영하는 방 식으로 설치하고, 환기성능 평가를 하였다. 프로토타입은 돌출형 이중창의 창틀과 통합된 방식으로 설치하였다. 자 연환기장치는 내측장치, 외측장치로 구분된다. 이산화탄소 와 관련한 환기성능 향상 연구는 아니지만 자연환기 시스 템을 통해 실내공기 오염물질인 포름알데하이드(HCHO)의 농도가 낮아졌고, 환기성능이 향상됨을 볼 수 있었다. 또 한 재실자가 실내공기에 대하여 불쾌감을 느끼지 않는다 는 결론을 도출하였다.

미국 환경청은 학교에서의 효과적인 교수학습을 지원하 기 위한 가이드라인으로 학교 교실내 공기질 관리를 위한 'IAQ(Indoor Air Quality) Tools for Schools Action Kit' 을 제공하고 있다(EPA, 2010). 미국 환경청(EPA: Environmental Protection Agency)에서는 학생들의 건강뿐만 아니라, 학생 들의 학업수행력에 학교 실내의 공기질이 영향을 줄 가능성 이 있다고 판단하고 있다. 반면, 국내 관련 법과 정책(교육 과학기술부의 학교보건법, 범정부부처의 실내 공기질 관리 기본계획)에서 이산화탄소는 학교 실내 공기의 환기상태평 가와 관리를 위한 지표로서 의미를 가진다.

따라서 학교 교실 재실자의 건강 및 쾌적성뿐만 아니라, 학업수행력 향상을 위한 학교 실내환경 관리체제 개발 연 구가 필요하다. 다시 말해 학교 공간이 추구해야하는 가치 즉, 보다 효과적인 교수학습이 발생하는 실내 공간 구축을 위한 공기질 관리체제 개발 연구가 필요하다.

2.2 지능형건물과 반응건축

본 논문에서는 창호개폐의 유연한 작동을 위하여 지능 형건물의 개념과 반응건축의 개념을 기반으로 하였다.

지능형건물(인텔리전트 빌딩)은 21세기 지식정보화사회 에서 건물 규모와 용도 및 기능에 적합한 각종 시스템을 도입하고 자동화시켜 각 시스템의 안전성과 확장성으로 신속하고 안전한 정보서비스가 구현된 건물이다. 또한 에

21) 최정민․강은혜․하석용․주재욱․손영환․임형철, 학교 교 실의 실내 공기질 향상을 위한 설계 및 관리지침 개발에 관한 연구, 대한건축학회 계획계, 24(3), pp.281-290, 2008.3 22) 임완철, op. cit., p.142

너지 절감을 통해 쾌적한 환경을 제공하고 건물의 경제적 관리가 가능하게 되어 건물 내에서의 생산성을 극대화할 수 있는 건물이다.

지능형건물시스템(IBS: Intelligent Building System)은 지능형건물 구현을 위한 시스템이다. 학교 건물의 지능형 시스템화 요소는 건물 관리 자동화 시스템, 교육정보화 시 스템, 학사․행정업무 자동화 시스템으로 분류할 수 있다.

이와 같이 분류한 기준은 업무용 빌딩의 건물자동화 시스템 (BA: Building Automation), 정보통신 시스템(TC: Telecom- munication), 사무자동화 시스템(OA: Office Automation) 이며 이 시스템들에 대응하여 분류된 것이다.

이범석 외(2007)의 연구에서 지능형시스템 요소기술과 관련된 자료(배정익 외, 1998; 농심데이터시스템(주) IBS 사업부, 1998.3, 1998.4; 이경회, 1999; 김승제, 2000, 2001;

IBS Korea, 2002; 정보통신부, 2004)를 분석하여 지능형 학교시설을 위한 인텔리전트 시스템 요소로 제시된 83개 기초 데이터에는 온습도자동조정제어시스템, 소규모 존별 자동운전시스템, HVAC/난방설비 상태감시, 냉난방폐열회 수시스템 요소가 포함된다. 이후 초등학교의 지능화 시설 구축에 필요한 요소로 전문가 조사를 통해 도출된 설비관 리 시스템, 에너지절약 공조 시스템, 교육정보화, 초고속정 보통신망 시스템, 도서관리 전산화 시스템, 첨단매체 이용 시스템, 학사관리 자동화 시스템, 행정업무 자동화 시스템, 조명시설, 방범시설, 방재시설, 절수설비의 12개 지능화 요 소를 제안하였다.

한국교육학술정보원(2011)의 연구에 의하면 2030년경에 는 ‘제4차 산업혁명’ 패러다임의 반영으로 거의 모든 학교 가 스마트화 될 것으로 전망된다. 스마트 홈, 스마트 그리 드, 스마트 팩토리, 스마트 시티와 함께 스마트 스쿨의 일 반화도 예측되는 것이다. 사물인터넷 시대에는 스마트폰, PC, 자동차, 시계, 냉장고, 세탁기 등의 사물은 물론 사람 과 동물 등의 생명체, 우리가 거주하는 집과 오피스, 학교, 공원과 도로 등 모든 공간이 하나로 연결된다.

스마트

23) (사)IBS Korea, 2017, 지능형건축물 인증제도개요

이범석․이주용․노윤석․유수훈․이호정, 지능형 학교시설 을 위한 요소기술 도출에 관한 기초연구 - 초등학교 학사․

행정업무자동화 시스템(OA: Office Automation), 건물관리자 동화 시스템(BA: Building Automation), 교육정보화 시스템 (TC: Telecommunication)을 중심으로, 한국교육시설학회지, 14(4), pp.25-33, 2007.10

24) 배정익․안병욱․박동소․이상호․이경회, 인텔리전트 대학 시설 모형개발을 위한 실태조사 연구, 한국교육시설학회지, 5(1), pp.44-52, 1998.3

25) 이범석․이주용․노윤석․유수훈․이호정, op. cit., pp.25-33

화된 학교는 학교의 모든 교육자원들이 IoT 센서들의 네 트워크로 초연결(hyper-connectivity)

되고 인공지능적으 로 통합된 학교 교육환경을 의미한다. 이러한 교육환경에 서는 가상공간과 실세계의 융합으로 교수학습의 시간과 공간을 확장할 수 있고, AI 빅데이터 분석에 의해 각 학 생의 특성에 부합되는 맞춤형 학습관리와 행정서비스를 받을 수 있게 된다.

또한 친환경적인 에너지 절감 방식 을 통하여 쾌적한 교육환경관리 서비스도 받을 수 있게 될 것이다.

현 시대는 소통하는 건축을 원하고 있다. 인터랙티브 아 키텍처는 인터랙션(interaction)에 대한 시대적 요구로 생겨 났다. 인터랙티브 아키텍처와 같은 맥락의 리스펀시브 아키 텍처는 반응하는 건축이라는 뜻을 가지며, 주변의 변화하는 환경과 소통하며 반응하는 건축을 뜻한다.

Sterk(2005)는 건물을 둘러싼 환경 조건을 반영하여 형태를 변화시킬 수 있는 건물을 리스펀시브 아키텍처라고 정의하였다.

리스펀시브 아키텍처라는 용어는 니콜라스 네그로폰테 (Nicholas Negroponte, 1943년～)가 처음 지칭하였다. 인 공지능을 건축에 도입하여 공간배치문제를 해결하고자 활 용되었다. 네그로폰테는 컴퓨터, 건물공간, 구조를 통합하 여 이성적인 건물을 구축할 수 있다고 하였고, 기술집약적 건축의 기초를 마련하였다.

리스펀시브 아키텍처는 환경변화에 대한 데이터를 계산 하고 실행하는 컴퓨터 프로그래밍과 이를 기초로 하여 만 들어진 디지털 모델을 실제 건물에 적용하는 기술을 바탕 으로 한다. 이처럼 리스펀시브 아키텍처는 인공지능과 로 봇공학을 건축에 도입하여 건축의 기능적 고정성을 탈피 하고 반응하는 과정을 통해 건축물의 기능을 향상시키고 있다.

26) 미래전략정책연구원, 10년 후 4차산업혁명의 미래, 일상이상, 2016

27) 스마트폰, 초소형 센서, 웨어러블 장치, 스마트 가전, 무인자 동차, 산업용 로봇 등 약 250억 개의 다양한 사물들이 2020년 까지 인터넷을 통해 연결되는 초연결 디지털 혁명이 진행된 다. 초연결은 컴퓨터가 사람․사물․환경 속에 내재되어 지능 화되며 네트워크로 연결되어 상황에 적합한 서비스를 상시 제공하는 기술이다(유재학 외, 2015; 시대의 변화를 담은 미 래교육 패러다임, 2017).

28) 시대의 변화를 담은 미래교육 패러다임, 교육청 연수자료, 2017

29) 한국교육학술정보원, 미래학교 체제 도입을 위한 Future School 2030 모델 연구, p.110, 2011

30) 목진요, 키네틱 랜드스케이프 “하이퍼매트릭스” - 여수엑스 포 현대자동차그룹관의 초대형 키네틱아트 작품을 중심으로, 한국디자인포럼, 39(39), pp.261-270, 2013.5

리스펀시브 아키텍처는 건축요소 중 외피, 즉 파사드에 활발히 적용되고 있다.

파사드는 건축물에서 중요한 주출입구가 있는 전면, 정면부

이며 건물의 외측전경, 건물의 외벽처리 등을 말한다.

내부 공간구성을 표현하 는 것과 내부와 관계없이 독자적 구성을 취하는 것 등이 있다.

리스펀시브 파사드는 파사드에 장착된 센서가 환 경변화를 감지하고 파사드 요소들이 반응하여 움직임으로 표현된다. 작동원리의 한 예로 리스펀시브 키네틱 파사드 는 주변환경의 변화를 감지하는 감지기(센서)와 센서에서 수집된 데이터를 처리하는 컴퓨터 프로그래밍(알고리즘), 이를 바탕으로 건축요소를 움직이는 작동기(엑추에이터)로 구성된다.

이와 같은 리스펀시브 아키텍처의 개념을 도입한 창호개 폐 프로세스를 개발하는 것이 본 연구의 주요 연구내용이다.

3. 창호개폐 작동 프로세스

3.1 창호개폐 작동의 개념

Figure 1에서 보는 것처럼 창호의 개폐가 실시간으로 작동하는 것은 CO

의 효율적인 관리를 위하여 필수적으로 필요하다.

기후 환경은 온도 센서, 이산화탄소 센서와 같은 환경 센서로 측정 가능하다. 센서를 통하여 수집된 이산화탄소, 온도 데이터를 바탕으로 창호가 개폐 작동한다. 이산화탄 소 농도를 조절하여 공기질을 개선하고 학습자의 학업수 행력을 증진시키는 것을 목표로 창호개폐 작동을 한다.

본 연구에서 제안한 창호개폐 작동의 개념을 보여주는 것 이 Figure 1이다. Data Collection 단계는 실내 및 실외 기 후 환경의 정보를 감지하고 수집하여 수치화한다. 자극 감 지 및 정보 수집을 위한 센서는 온도 센서, 이산화탄소 센 서 등의 환경 센서를 활용할 수 있다. Data Processing 단 계는 기후 환경에서 측정되고 수집된 수치 정보를 컴퓨터 알고리즘 규칙에 따라 처리한다. Parametric Simulation 단 계는 실제 건축물에서 이루어지는 창호개폐 작동을 컴퓨터 3D Model 프로그램을 통하여 시뮬레이션한다.

31) Ibid., p.265

32) 이경선․유다은, 리스펀시브 키네틱 파사드의 친환경성에 대 한 연구, 대한건축학회 계획계, 28(6), pp.85-96, 2012.6 33) 두산백과 http://www.doopedia.co.kr

34) 현대건축관련용어편찬위원회,건축용어사전, 성안당, 2011 35) 동방디자인 교재개발원, 인테리어 용어사전, 동방디자인, 2006 36) 두산백과, op. cit.

37) 이경선․유다은, op. cit., p.87

Figure 1. Conception of Window Opening-Closing Operation Process (그림 1. 창호개폐 작동의 개념도)

3.2 창호개폐의 작동 과정

이상에서 창호개폐의 작동 개념을 설명하였다. 이 개념을 바탕으로 창호개폐의 작동 과정을 보여주는 것이 Figure 2 이다.

그림에서 보여준 것처럼 실외 및 실내 이산화탄소 농도와 온도 데이터를 바탕으로 창호개폐를 할 수 있어야 한다.

실외 및 실내 이산화탄소 농도와 온도 데이터는 온도 센서, 이산화탄소 센서 등의 환경 센서로 측정하여야 한 다. 수집된 이산화탄소 농도와 온도 데이터는 컴퓨터를 통 하여 개폐 유무를 판단하는 근거가 되기 때문에 중요하다.

창호개폐 작동 알고리즘에 따라 수집된 데이터가 해석되 고, 창호개폐 상황의 파악이 가능하다. 사용자가 수동으로 개폐할 수 있도록 User Selection 모드에서 시스템을 설정 할 수도 있다. Automatic Selection 모드에서는 컴퓨터가 창 호개폐 작동을 수행한다. 이 과정에서 Rhino, Grasshopper 프로그램을 활용한 컴퓨터 시뮬레이션의 시각화는 작동 프 로세스를 이해하는데 도움을 줄 수 있다.

데이터 측정, 데이터 처리, 창호개폐 작동의 전 과정은 시간주기 설정에 따라 실시간으로 반복 수행되며, 재실자 및 사용자가 시간주기를 조절하여 설정할 수 있다.

Figure 2. Operation Process of Window Opening-Closing (그림 2. 창호개폐의 작동 과정)

3.3 창호개폐 작동 알고리즘

Figure 2의 창호개폐 작동 프로세스를 진행하기 위해서 는 구체적인 작동 알고리즘을 필요로 한다.

이와 같은 알고리즘의 개발과 관련하여 본 연구에서는 학 교보건법의 교실 공기질 유지기준에 따라 CO

농도를 1,000ppm 이하로 유지하기 위하여, 700ppm 이상이 되면 창 호개폐 작동 수행을 시작하는 것으로 가정하였다. Figure 3 은 창호개폐의 작동 알고리즘을 보여주고 있다.

작동 알고리즘은 다음과 같다. 시간이 오전 8시～오후 6시 사이면, 센서를 가동하여 데이터 수집을 시작한다. 오전 8 시는 학생 등교가 시작되는 시간이며, 오후 6시는 학생이 하교하는 시간으로 설정하여, 해당 시간 외는 교실에 학생 이 재실하지 않으므로 센서를 가동하지 않는 것으로 하였 다. 내부 CO

농도가 700ppm 이상일 경우에, 외부 CO

농도보다 높으면 창호를 Open한다. 20분 간격으로 실시간 측정하여 창호개폐 작동을 수행한다. Figure 3에서 l은 CO

기준값으로 700, 1,000(ppm) 등으로 수치를 자유롭게 설정할 수 있다. m은 실시간 CO

측정주기로 10, 20(분) 등으로 자유롭게 설정할 수 있다.

내부 CO

농도가 1,000ppm 이상이고 외부 CO

농도보 다 높으면, 실내 오염도가 높은 상황이므로 창호를 무조건 개방한다.

내부 CO

농도가 1,000ppm 미만일 경우에는 외부 온도

와 내부 온도의 온도차가 10 미만이고 외부 CO

농도보다

높으면, 창호를 개방한다. 즉, 내부 CO

농도가 1,000ppm

을 넘지 않는 경우에는 외부 온도와 내부 온도의 차이가

10 이 안되어 온도차가 극심하게 크지 않고 외부 CO

농 도보다 높으면, 창호를 개방한다. Figure 3에서 n은 실내 와 실외의 온도차 기준값으로 온도차 설정을 자유롭게 할 수 있다.

내부 CO

농도가 1,000ppm 미만일 때, 외부 온도와 내 부 온도의 차이가 10 이상이면 창호를 닫는다. 즉, 내부 CO

농도가 1,000ppm을 넘지 않을 때, 외부 온도와 내부 온도의 온도차가 10 을 넘어 차이가 큰 경우에는 열 손실 을 막기 위하여 창호를 닫는다.

Figure 3. Window Opening-Closing Operation Algorithm (그림 3. 창호개폐 작동 알고리즘)

창호를 열지 않는 경우, 폐열회수형 환기장치와 같은 폐 열회수 환기시스템을 가동할 수 있다.

실시간 CO

측정주기를 자유롭게 설정하여, 실시간으로 데이터 측정을 수행하고 창호개폐 작동을 반복 실행한다 는 것이 본 알고리즘이 갖는 가장 중요한 요소이다.

이상의 창호개폐 작동 알고리즘에서 CO

의 기준값으로 700, 1,000ppm을 사용하고 온도차의 기준을 10으로 설정 하였지만, 이 값은 parameter

값으로 얼마든지 수정이

38) 매개변수(parameter)를 기반으로 한 Parametric Modeling은

‘매개변수 모델링’으로, ‘매개변수들 간의 관계 설정에 의해 형성되는 모델’이다(조태용․고완석, 건축․인테리어의 새로 운 형태․패턴 디자인을 위한 알고리즘 기반의 파라메트릭 3D CG TOOL GRASSHOPPER for Rhino, 디지털북스, p.23, 2012).

가능한 기준이다. 설명의 편의성을 위하여 설정한 값이다.

그러나 실제 다양한 실험을 통하여 합리적인 기준을 찾아 야 할 것이다.

4. 창호개폐 작동 시뮬레이션 사례연구

Figure 3에서 제안한 창호개폐 알고리즘의 적정성을 검 증하기 위해서는 사례를 통한 시뮬레이션이 필요하다.

4.1 시뮬레이션 모델 대상의 설정

적용대상은 6층의 학교건물로, 교실 공간의 크기는 9,000

㎜(W) × 9,000㎜(D) × 3,500㎜(천정고H)이다.

Figure 4. Classroom Plan of Simulation Model (그림 4. 시뮬레이션 모델 대상 교실 평면도)

개폐 작동하는 창호의 기본 모듈 크기는 1,700㎜(W) × 7,00㎜(H)이며, 형태는 Project-out 방식을 설정하였다. 외 기에 접한 벽면의 12개의 창호만 개폐 작동한다.

창호개폐 작동의 시각화를 위해 Rhino, Grasshopper 프 로그램을 사용하였다. Rhino는 다양한 plug-in의 편집과 수정에 용이하여 건축에 있어 반복되는 작업이나, 특정한 작업을 신속하고 간편하게 할 수 있게 해주는 도구로 유 용성이 높다. Grasshopper는 일련의 알고리즘을 작성하여 모델링하는 plug-in으로, 알고리즘을 구성하기 위해서는 parameter 값을 필요로 한다.

Rhino에서 기본적인 3D Model을 구현하고, Grasshopper에서 parameter 값에 따라 개폐 작동을 제어하여 시뮬레이션 하였다.

4.2 창호개폐 작동 알고리즘 개발을 위한 가상시나리오 Figure 3의 알고리즘에 따라 parameter 값을 700, 1,000 (ppm)으로 설정하였고, 개폐 각도는 0, 90(도)로 설정하여

우리북, p.14, 15, 190, 2016.

Figure 7. CO2 Variation related to Window Opening-Closing Operation (그림 7. 창호개폐 작동에 따른 CO2 변화 그래프)

프로그램을 제어하였다. Figure 3의 알고리즘에서 CO

최 대 농도를 1,000ppm으로 설정한 것에 따라 시뮬레이션에 서 CO

농도가 1,000ppm을 훨씬 뛰어 넘는 수치가 나오 지 않도록 제어하였다. 700ppm 이상이 될 경우 창호가 개 폐되도록 제어하였고, 1,000ppm 이상이 될 경우 온도차 10을 기준으로 개폐 유무를 판단하여 창호가 개폐되도록 제어하였다.

교실에서 학습이 진행될 경우 학생 수 29명, 교사 1명 총 30명을 기준으로 시뮬레이션 하였다. 등교시간 및 하교 시간은 전체 인원이 밀집된 상태는 아니므로 교실학습 진 행 시 전체 인원수의 1/2 수를 기준으로 하였다. 1교시 실 습실에서의 학습시간, 5교시 특별활동으로 인한 강당활동, 6교시 체육시간에 강당이용을 하는 시간은 교실에 재실자 가 없으므로 0명이다. 점심시간 Cycle16, Cycle17은 0명, Cycle18은 점심 후 돌아온 학생이 있으므로 교실학습 진 행 시 전체 인원수의 1/2 수를 기준으로 하였다.

20분 단위로 측정되는 CO

양은 학생 및 교사 개인이 발생하는 개인별 CO

양 전체의 평균값으로 사용하였다.

창호개폐 작동 알고리즘을 적용하기 위한 가상시나리오 를 사이클별로 설명하면 다음과 같다.

Cycle 0, 7시 40분, Window Opening-Closing Operation 이 시작되기 전 창호는 Closing상태이다(Figure 5). Cycle 3, 8시 이후 등교시간에 학생들이 모이면서 CO

농도가 상승 하기 시작하지만 900ppm을 넘지 않으므로 창호는 Closing 상태이다. Cycle 7, 2교시 수업이 시작되면서 CO

농도가 상승하여 987ppm이 되어 창호가 Opening되었다(Figure 6).

Figure 5. Scenario for Window Opening-Closing Operation Algorithm : Cycle 0 (그림 5. 창호개폐 작동 알고리즘 개발을 위한 가상시나리오 : Cycle 0)

Cycle 17, 점심시간이 시작되면서 학생들이 급식실로 이 동하여 교실내 CO

농도가 621ppm으로 낮아졌고 창호가 Closing되었다.

Figure 6. Scenario for Window Opening-Closing Operation Algorithm : Cycle 7 (그림 6. 창호개폐 작동 알고리즘 개발을 위한 가상시나리오 : Cycle 7)

Cycle 20, 5교시 특별활동 시간에 강당 이동 활동을 실시

하여 교실내 CO

농도가 587ppm으로 낮아져 창호가 점심

시간 이후 Closing 상태를 계속 유지한다. Cycle 23, 6교시

체육시간 학생들의 운동장 이동으로 CO

농도가 564ppm으

로 낮아져 창호가 Closing상태이다. Cycle 26, 점심시간이후

6교시까지 교실내 수업활동이 없었으므로 창호가 계속

Closing상태를 유지하다가, 7교시 수업이 진행되면서 775ppm

까지 농도가 상승하여 창호가 Opening되었다. 특히 체육수

업 후이므로 학생들의 호흡활동이 왕성해지면서 CO

농도

가 상승하여 775ppm이 되고 창호가 Opening되었다. Cycle

27, 7교시 수업 종료시점에서 CO

농도가 754ppm으로 창

호가 Opening 상태를 유지한다. Cycle 28, CO

농도가

689ppm으로 낮아지면서 창호가 Closing되었다. 한겨울 큰

온도차로 Window Opening이 안될 경우 기계환기(폐열회

수 환기시스템-폐열회수형 환기장치) 실시한다. 자연환기를

원할 경우 수동으로 창호를 개폐할 수 있다. Cycle 30, 학생

Figure 8. Simulation Image related to CO2 Variation by Scenario (그림 8. 가상시나리오에 의한 CO2 변화에 따른 시뮬레이션 이미지)

Table 2. Window Opening-Closing Operation History related to CO2 Concentration by Scenario (표 2. 가상시나리오에 의한 CO2 농도에 따른 창호개폐 작동 내력)

들의 하교시간이므로 CO

농도가 612ppm으로 낮아졌다.

Table 2는 가상시나리오에 의한 CO

농도에 따른 창호 개폐 작동 내력을 보여준다.

CO

농도가 상승할 때 창호가 Opening 되고, Opening 이후 수치가 하강하여 Closing되는 패턴을 Figure 7에서 볼 수 있다.

Figure 8은 CO

농도를 조절하기 위해 창호가 Opening 과 Closing을 반복하는 상황을 보여준다. 이처럼 환경의 변화에 따라 창호의 개폐가 자동으로 일어나게 만드는 것 은 적절한 시기에 환기를 하지 않는 문제를 해결하는데 큰 도움이 될 것이다. 결과적으로 이산화탄소 농도를 개선 함으로써 학생들의 건강증진과 학업수행력 향상에 기여할 수 있다.

4.3 분석결과

본 논문에서는 창호개폐 작동을 위한 프로세스와 알고

리즘을 다루었다. 센서를 통해 데이터가 실시간으로 수집 되고 처리되어, 창호개폐 작동이 실시간으로 진행된다는 가정 하에 작동 프로세스를 개발하였다. 그러나 1차 알고 리즘을 바탕으로 가상시나리오에 따라 창호개폐 작동을 시뮬레이션 해본 결과, CO

농도 변화에 따라 창호가 Opening과 Closing되는 패턴을 볼 수는 있지만 실내의 CO

농도는 실외에 비하여 높음을 확인할 수 있다. 또한 겨울철 실내와 실외의 온도차가 클 경우에는 작동이 되지 않는 경우가 많으므로, 이 결과들을 보완하기 위한 알고리 즘의 개발이 필요하다. 이에 후속연구로 아두이노를 활용 하여 실시간 CO

측정값을 기반으로 하여 창호개폐 작동 을 조절하기 위한 연구가 필요하다. 실시간 측정 시간단위 를 변경하여 창호개폐 작동 사례연구 결과를 도출하는 것 도 연구과제이다.

본 연구는 창호개폐 작동 프로세스 개발을 위한 연구로 시뮬레이션을 통한 사례연구를 수행하였다. 실제 실내공기 질 개선 성능은 차후 연구에서 실제 실험을 통하여 다루 고자 한다. 또한 창호개폐 작동을 위해서는 고려할 여러 환경요인 변수가 있으나, 본 연구에서는 이산화탄소 농도 만 집중하여 다루었다. 그러나 후속연구로 이산화탄소 농 도 외에 다른 환경 요인을 고려하는 것도 필요하다고 본 다. 특히 최근 미세먼지에 대한 이슈가 중요해지고 있으므 로 향후 다양한 환경 요인을 기준으로 개폐 작동 방법론 을 개발하는 연구가 필요하다.

끝으로 4.1에서 제시한 창호의 형태와 크기는 시각화의 편의상 제시된 것이므로 추후 기존 교육시설의 창호 형식 과 개폐 방법의 교체를 고려할 수 있다는 가정 하에 사례 연구 결과를 도출하였다.

5. 결론

본 논문에서는 알고리즘을 이용한 창호개폐 작동 프로 세스 제시, 창호개폐 작동 알고리즘 개발을 위한 가상시나 리오 검토, 컴퓨터 3D 시뮬레이션 사례연구를 수행하여 청소년의 학업 스트레스 문제에 대한 물리적 해결방안을 제안하였다. 특히 학생의 학업성취에 관련된 문제 해결을 위해 이산화탄소 농도를 중심으로 한 공기환경의 측면에 서 접근하여 실시간 반복 수행을 통하여 물리적 해결방안 을 모색한다는 점에서 연구의 의의가 있다. 본 연구의 결 과를 바탕으로 교실 학습자의 학업수행력 향상이 가능하 도록 공기환경 개선의 측면에서 실시간 CO

농도 개선을 통한 교수학습 지원공간 구축의 토대를 마련할 수 있을

것으로 기대한다.

본 연구에서 제안한 창호개폐 작동 프로세스의 검증은 가상시나리오에 의하여 이루어졌다. 이 검증을 통해 논리 적 타당성을 검증하였으나 실제 데이터를 통해 실증적인 검증을 하지 않는 것은 본 논문이 갖는 한계이다. 이러한 한계는 향후 연구를 통해 실증연구를 진행하여 보완할 계 획이다.

차후 본 연구를 바탕으로 교실 내에 지점을 나누어 센 서위치를 다르게 하고, 각 지점의 CO

농도에 따라 창호 위치별로 다른 각도의 개폐를 계획할 수도 있을 것이다.

교실 단위로 조닝하여 창호개폐 작동에 따른 파사드 디자 인 방법을 제안하는 것도 향후 연구 과제이다. 또한 에너 지 절감 효율성을 고려하면서, 효과적인 교수학습을 지원 할 수 있는 학교 건물 설계 연구가 필요하다.

향후 다양한 학문 분야에서 친환경적 에너지를 활용한 교수학습 지원공간 구축을 위한 연구가 활발히 이루어져, CO

농도 개선, 기타 미세먼지와 같은 공기환경요인 개선 을 통하여 학습자의 건강 및 학업수행력 향상을 기대하는 바이다.

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