본문내용
1. 온열 환경의 이해
1.1. 온열조건
1.1.1. 인간의 체온조절
인간의 체온조절은 주위환경의 현저한 변화에도 불구하고 체온을 일정하게 유지하는 것이다. 인간은 체온생산과 체온방산의 균형을 통해 항상성을 유지한다.
체온생산은 주로 음식물 섭취에 의한 신진대사로 이루어지며, 간과 골격근 등에서 열이 발생한다. 체온방산은 피부나 호흡기를 통해 증발, 전도, 복사 등의 방식으로 이루어진다.
체온조절 기능에 영향을 미치는 기온, 습도, 기류, 복사열 등의 온열인자들이 있다. 이러한 온열인자들이 특정 상태로 결합되어 나타나는 온열환경을 온열조건이라 하며, 온열조건을 평가하는 지표를 온열지수라 한다. 온열지수는 인체의 생리적 기능과 감각에 기반하여 결정된다.
1.1.2. 온열인자(온열요소)
온열인자(온열요소)란 인간의 체온조절 기능에 영향을 미치는 공기의 물리적 성상을 말한다. 이에는 기온, 기습, 기류, 복사열 등이 포함된다.
기온은 공기의 온도를 말하며, 통상 지상 1.5m에서의 건구온도를 사용한다. 태양복사열이 주된 원인이 되는 기온은 시간, 지역, 계절에 따라 다양한 분포를 나타낸다. 인간이 쾌적하게 느끼는 이상적인 기온을 지적온도(optimum temperature)라 하며, 여름철 21-22°C, 겨울철 18-21°C 정도가 적합하다. 기온 측정 시 태양열이나 벽체 등의 복사열을 차단하고 백엽상을 이용하여 3회 또는 6회 측정하는 것이 일반적이다.
습도는 공기 중 수증기량을 나타내며, 보통 상대습도(비교습도)로 표현한다. 적정 습도 범위는 40-70%로, 이보다 높거나 낮은 경우 불쾌감을 유발할 수 있다. 습도 측정을 위해서는 아스만 통풍 온습도계, 건습구온도계 등을 사용한다.
기류는 실내 공기의 흐름을 말하며, 대류에 의한 인체의 열손실에 영향을 준다. 사무소 건물에서는 기류속도가 0.5m/s 이하로 유지되어야 하며, 이보다 빠른 기류는 드래프트 현상을 일으켜 불쾌감을 줄 수 있다.
복사열은 주변 표면의 온도에 따라 발생하는 복사에너지로, 평균 복사온도(MRT)로 대표된다. 실내에서는 벽, 천장, 바닥 등 주변 표면의 면적 가중 평균온도로 계산된다. 이는 인체의 쾌적감에 중요한 영향을 미친다.
이처럼 온열인자(온열요소)는 인간의 체온조절 기능에 복합적으로 작용하는 물리적 변수들이며, 이들의 적절한 조합이 쾌적한 온열환경 조성에 필수적이다.
1.1.3. 온열조건(온열상태), 온열지수
온열조건(온열상태)이란 온열인자들에 의해 이루어진 조합적인 상태를 말한다. 이러한 온열조건을 평가하는 지수를 온열지수라고 한다.
온열지수는 인체의 체온조절과 체내외의 열교환이 원활히 이루어지고 있는가를 평가하는 지수로, 인체의 생리적 기능과 감각으로 결정된다. 다시 말해 온열지수는 주변 열환경 요소가 인체에 미치는 영향을 종합적으로 나타내는 지표이다.
대표적인 온열지수로는 유효온도(Effective Temperature), 수정유효온도(Corrected Effective Temperature), 신유효온도(New Effective Temperature), 작용온도(Operative Temperature), 평균예상온열감(Predicted Mean Vote), 예상 불만족 백분율(Predicted Percentage of Dissatisfied) 등이 있다. 이러한 온열지수들은 실내 온열환경을 평가하고 쾌적 수준을 판단하는데 활용된다.
예를 들어 유효온도는 기온, 기류, 습도의 3요소로 환경 공기의 쾌적 조건을 표시한 것으로, 공기조화의 실내조건 표준으로 사용된다. 또한 평균예상온열감(PMV)은 열환경의 6가지 인자인 기온, 기류, 습도, 평균복사온도, 활동량, 착의량을 종합적으로 고려하여 열쾌적을 평가하는 지표이다. 이처럼 온열지수는 다양한 열환경 요소를 통합적으로 고려하여 실내 열환경에 대한 평가와 예측을 가능하게 한다.
1.1.4. 온열인자들의 종류
온열인자들의 종류에는 기온, 습도, 기류, 복사열 등이 있다.
기온은 공기의 온도를 말하며, 통상 지상 1.5 m에서의 건구온도를 의미한다. 기온은 태양복사열이 원인이 되어 시간, 지역, 계절에 따라 일교차와 연교차를 나타낸다. 기온의 측정에는 봉상온도계, 아스만 온습도계, 최고최저온도계 등이 사용된다.
습도는 공기 중 수증기량을 말하며, 상대습도로 표현된다. 적정한 습도는 40-70%이며, 이보다 높거나 낮을 경우 불쾌감을 느낄 수 있다. 습도의 측정에는 아스만 통풍 온습도계, 아우구스트 건습계, 모발습도계 등이 사용된다.
기류는 실내 공기의 유동 속도를 말하며, 인체의 열손실에 영향을 미친다. 건축법상 사무소 건물의 기류속도는 0.5 m/s 이하로 규정되어 있다.
복사열은 주변 표면의 온도에 따라 인체에 방사되는 열을 의미한다. 평균 복사온도는 실내 각 표면의 온도를 평균한 것으로, 인체의 열적 쾌적성을 평가하는 데 활용된다.
이와 같이 온열인자에는 기온, 습도, 기류, 복사열 등이 포함되며, 이들은 상호 복합적으로 작용하여 인체의 열적 쾌적성에 영향을 미친다.
1.2. 열 환경
1.2.1. 일사의 효과와 세기
태양광선에 의한 복사열의 세기를 나타내는 것이 바로 '일사'이다. 일사는 대기층에 의해 일부 흡수되거나 반사되어 지상에 도달할 때 그 세기가 감소된다. 대기권 밖에서 들어오는 일사량을 태양정수(solar constant)라 하는데, 이는 약 1170 kcal/㎡·h 또는 1.95 cal/㎠·min 정도이다. 태양정수는 대기층에 들어오기 전의 일사량을 의미한다.
지상에 도달한 일사량은 지표면과 이루는 각도, 즉 태양의 고도에 따라서 달라진다. 태양 광선에 수직한 면인 법선면의 일사량은 태양고도가 클수록 많아지며, 수평면의 일사량 역시 태양고도가 클수록 증가한다. 그러므로 수평면의 일사량은 태양의 고도와 관계가 있지만 방위각과는 무관하다.
이와 같이 일사량은 대기와 지표면의 조건에 따라 달라지며, 이는 곧 주변 열환경을 좌우하는 중요한 요소가 된다. 건축물의 설계 시 일사량과 그에 따른 태양열 획득을 정확히 파악하여 건물의 냉난방 부하를 최적화하는 것이 중요하다.""
1.2.2. 벽의 방위와 일사량
벽의 방위와 일사량은 건물의 열환경에 큰 영향을 미치는 요소이다. 벽면의 방향에 따라 태양열 획득량이 달라지므로, 건물의 배치와 벽체의 향을 고려하여 설계하는 것이 중요하다.
수평면의 일사량은 태양의 고도와 관련이 있으며, 남향 벽면의 경우 여름에 일사량이 최소가 되고 겨울에 최대가 된다. 반면 서측(동측) 벽면은 1년을 통해 비교적 일정한 일사량을 받는다. 따라서 남향 벽면을 최대한 활용하고 서측이나 동측 벽면을 최소화하는 평면 계획이 효과적이다. 전체 벽체의 수열량을 고려할 때, 남향 벽면을 많게 하고 서측이나 동측 벽면을 적게 한 동서축이 긴 평면 계획이 유리하다.
예를 들어, 서울지방의 경우 겨울철에는 남측 창호를 통한 일사 유입이 가장 중요하지만 여름철에는 차양 장치가 필요하다. 또한 서측과 동측 벽면은 연중 일사량 변화가 작기 때문에 방음 및 단열 성능에 초점을 맞출 수 있다. 이처럼 벽면의 방위와 일사량 특성을 고려하여 건물의 배치와 창호, 차양 계획을 수립하면 에너지 효율적인 건물 설계가 가능하다.""
1.3. 열 환경과 체감
1.3.1. 인체의 열 생산
인체의 열 생산은 음식물 섭취로부터 시작된다. 음식물을 섭취하면 그 속의 탄수화물, 단백질, 지방 등이 산화되면서 에너지로 변환되며, 이 과정에서 열이 발생하게 된다. 건강한 성인의 경우 하루 약 3,000 kcal 정도의 열량이 필요한데, 이는 음식물의 섭취와 그에 따른 대사 작용을 통해 주로 간과 골격근에서 열이 발생하기 때문이다. 또한 추운 겨울철에는 열 생산량이 증가하며, 육체 노동 시에도 열 생산량이 증가한다. 이처럼 인체는 끊임없이 열을 생산하여 체온을 유지하고자 한다."
1.3.2. 인체의 열손실
인체의 열손실은 복사, 대류, 수분증발의 세 가지 과정을 통해 이루어진다. 첫째, 인체 표면의 열복사에 의하여 열이 손실된다. 이는 현열이라고 하며 신체 표면의 온도와 주변 온도의 차이에 기인한다. 둘째, 인체 주위의 공기의 대류에 의하여 열이 손실된다. 이 또한 현열의 한 형태이다. 셋째, 인체의 표면이 땀에 젖어 있으면 수분의 증발에 의하여 열손실이 된다. 이는 잠열이라고 한다. 이러한 수분 증발에 의한 열손실은 기온, 습도, 기류에 의해 영향을 받는다. 또한 호흡 작용에 의하여 체내의 열이 외부로 직접 손실된다.
인체에서 발산되는 열손실의 비율은 대략 복사 45%, 대류 30%, 증발 25%로 알려져 있다. 이처럼 인체의 열손실은 복사, 대류, 증발 등 다양한 기전을 통해 이루어지며, 이는 인체의 열평형을 유지하는데 중요한 역할을 한다.
1.3.3. 쾌적 환경 기후 조건과 표시방법
건물의 열환경은 공기의 온도, 습도, 기류, 주위 벽의 열복사 등 네 가지 주요 요소에 의해 좌우된다. 이러한 온열요소들이 적절히 조합되어 있는 상태를 쾌적 환경 기후 조건이라 한다.
실내 공기의 온도, 습도, 기류, 주위 벽의 열복사 등이 최적으로 균형을 이루면 인체는 쾌적감을 느끼게 된다. 이 때의 상태를 '쾌적 범위'라 하며, 쾌적 범위 내에서는 인체의 열균형이 유지되어 체온조절을 위한 발한이나 떨림 등의 생리적 부담이 최소가 된다.
쾌적 환경 기후 조건을 나타내는 대표적인 지표로는 유효온도(ET), 수정유효온도(CET), 신유효온도(ET*), 작용온도(OT), 평균 예상 온열감(PMV) 등이 있다. 이러한 지표들은 온열요소들을 복합적으로 고려하여 나타낸 수치이다.
유효온도(ET)는 기온, 기류, 습도의 영향을 동시에 고려하여 나타낸 체감온도이다. 수정유효온도(CET)는 여기에 복사열의 영향까지 고려하여 보완한 지표이다. 신유효온도(ET*)는 유효온도가 습도에 대한 영향을 과대평가한 것을 보완한 지표이다. 작용온도(OT)는 기온, 기류, 평균 복사온도의 영향을 조합하여 나타낸 지표이다. 평균 예상 온열감(PMV)은 기온, 습도, 기류, 평균 복사온도, 활동량, 착의량 등 6가지 열환경 인자를 모두 고려하여 열적 쾌적감을 예측하는 지표이다.
이러한 지표들을 통해 실내 열환경의 쾌적성을 정량적으로 평가할 수 있다. 쾌적 범위의 기준은 지표별로 다르지만, 일반적으로 실내 온도 18~25°C, 상대습도 40~60%, 기류속도 0.1~0.5m/s 정도가 적정한 것으로 알려져 있다. 이를 벗어나면 온열 스트레스로 인한 불쾌감이나 건강상의 ...
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