-하이브리드 환기시스템 (Hybrid Ventilation System) 개발

하이브리드 시스템이란 "자연환기와 기계환기를 병용한 환기시스템" 입니다.

두가지 방식을 통합제어함으로써 최소한의 에너지 사용을 통해 환기를 구현하는 기술입니다.

성균관대 건축환경연구실에서는 이미 공동주택 창문 부착형 하이브리드 환기시스템을 개발하였으며, 현재는 각종 제어알고리즘 개발을 통해, 환기시스템을 통해 외기냉방, 결로제어, 미세먼지제어, 라돈제어 등을 구현하기 위한 실험 및 시뮬레이션 연구를 수행하고 있습니다. 

  -하이브리드 공조시스템 (Hybrid Air-conditioning System) 개발

하이브리드 공조시스템이란 "하이브리드 환기시스템과 복사냉방을 병용한 공조시스템" 입니다.

복사냉방은 복사열교환을 통해 종래의 공기식 냉방시스템에 비해 높은 실내 온도에서도 재실자가 쾌적감을 유지할 수 있는 에너지절약적인 시스템으로 최근 전세계적으로 주목을 받고 있는 냉방시스템입니다.

그러나 복사냉방은 실내 공간에 신선공기를 공급할 수 있는 별도의 환기시스템 요구됩니다. 이에 성균관대 건축환경연구실에서는 저에너지 환기시스템인 "하이브리드 환기시스템"을 복사냉방의 환기시스템으로 적용하고 있습니다.

아울러 복사냉방시스템은 적절한 제습(dehumidification)시스템을 통해 실내에서 결로가 발생하지 않도록 제어해야 합니다. "하이브리드 환기시스템"은 경우에 따라서는 제습시스템으로도 역할을 합니다.

현재 성균관대학교 건축환경연구실에서는 이미 공동주택에 적용 가능한 복사냉방시스템(하이브리드 환기시스템 병용)을 개발하여 관련 특허 및 많은 관련 연구를 보유하고 있습니다.

  -협조제어시스템(Cooperative Control System) 개발

"협조제어시스템" 이란 오피스건물에서 공조와 조명을 통합제어하여 실시간으로 공조와 조명에 소요되는 에너지를 최소화할 수 있는 제어를 실시하는 시스템입니다.

일반적으로 태양광은 자연채광(daylighting)을 통해 실내 조명에너지를 절감하는 역할을 하지만 또한 일사열(Solar radiation)이 실내로 유입되어 여름철에는 냉방에너지를 증가시키고 겨울철에는 난방에너지를 절감해주는 역할을 합니다. 그러나 내부발열이 많은 대형오피스의 경우에는 겨울철에도 냉방이 요구되기도 하여 결과적으로 일사유입을 통해 조명에너지를 절감하기 보다는 오히려 냉방에너지를 증가시키는 결과를 초래합니다. 따라서 일사유입을 냉난방, 조명 그리고 재실자의 빛환경에 대한 불쾌감(glare) 측면에서 종합적으로 제어하는 것이 요구됩니다. 협조제어시스템은 이와 같이 오피스건물에서 실시간으로 외부 태양조건(담천공/청천공, 태양방위각/입사각 등)의 변화에 따라 블라인드를 최적제어하여 공조+조명에너지를 최소화하는 제어를 구현하는 것입니다. 

2. 주택용 공조시스템 개발

   -자연풍을 활용한 에어컨 개발

"무더운 여름날 대청마루에서 낮잠을..." , 여러분들 중에는 아마 이런 경험을 가지고 있는 분들이 계실 것입니다. 찌는 듯한 여름날에 별도의 에어컨도 없이 대청마루에서 어떻게 쾌면을 취할 수 있을까요? 우리가 알 고 있는 열쾌적에 대한 상식으로는 잘 설명이 되지 않는 내용입니다. 그런데 이것이 가능한 것은 "자연풍의 힘"입니다. 자연풍은 소위 '1/f' 이라는 주파수 변동특성을 가지고 있습니다. 이와 관련한 종래의 연구결과를 보면 자연풍의 이 주파수 특성이 사람들을 심리적으로 안정되게 하고 다소 쾌적범위를 넘어선 온도범위에서도 열적으로 쾌적하게 만들어 준다고 합니다.

성균관대학교 건축환경연구실에서는 이러한 자연풍의 특성을 가정용 에어컨에 구현하여 사람들이 좀더 쾌적하고 건강하게(냉방병 예방) 그리고 심리적으로도 안정(relax)할 수 있는 에어컨을 개발하고자 하였습니다.

먼저, 산, 강, 바다 등지에서 쾌적한 자연풍을 샘플링(피험자 실험도 병행)하였으며, 이것을 에어컨에 구현하여 여름철 장기간의 피험자실험을 통해 종래의 기계풍과 비교하여 좀 더 쾌적하면서도 심리적 안정감을 향상시킬 수 있다는 결과를 얻었습니다.

   -통합공조시스템 개발

최근 주택에서는 복사난방시스템, 환기시스템, 공기청정기, 제습기, 가습기 등 쾌적하고 건강한 실내환경 구현을 위해 다양한 기기들을 사용하고 있습니다. 이것은 최근에 사람들의 삶의 질의 향상, 건강에 대한 관심의 증가로 인한 것으로 그 수요는 증가할 것으로 예측하고 있습니다. 그러나 이들 시스템은 각각 개별적으로 또는 중복 운전되어 상호간에 목적이 충돌되는 결과를 초래하기도 합니다. 결과적으로 에너지를 많이 소모하면서도 실내 공간을 쾌적하지도 않게 운전되는 결과를 초래하기도 합니다.

"호텔식 공조", 즉 냉난방, 환기, 제/가습 등이 통합적으로 그리고 스마트하게 구현될 수 있는 공조시스템이 주택에 적용될 수 있다면 우리는 좀 더 쾌적, 건강하면서도 에너지 절감할 수 있는 실내 환경조절이 가능할 것입니다. 성균관대 건축환경연구실에서는 이러한 "주택용 통합공조시스템"을 구현하는데 필요한 요소기술을 개발 뿐만 아니라 장해요소를 해결하기 위한 연구를 수행하고 있습니다.

3. 기존 건물에너지개수(Retrofit) 기술 개발

   -기존 건물에너지성능 측정 기술

"건물에너지 리모델링" 이라고 해서 기존의 에너지 효율이 좋지 못한 건물에 대해 에너지 효율을 향상시키기 위한 에너지 리모델링이 국내외적으로 많이 시행되고 있습니다. 이러한 사업들은 "ESCO사업"의 형태나 "그린리모델링사업" 의 형태로 이루어지고 있는데, 중요한 것은 대상 건물의 현재 에너지 소비 수준 또는 건물의 성능 수준을 파악하여 이를 기준으로 에너지 리모델링 또는 개수후에 어느 정도 에너지를 절감하여 이에 소요되는 비용을 어떻게 회수할 것인가? 하는 것입니다. 이 과정에서 필수적으로 요구되는 것이 대상건물의 "에너지 소비 특성 파악", "냉난방부하 측면에서의 건물 성능 파악" 입니다.

성균관대 건축환경연구실에서 기존 건물의 건물에너지 성능(단열성능, 기밀성능, 기기 운전 특성, 에너지 소비패턴 등)을 현장레벨에서 측정, 분석할 수 있는 기술 들을 개발하고 있습니다. 특히 최근에는 기존 건물의 벽체 및 창호의 열적 성능(U-value, SHGC 등)을 현장 레벨에서 측정할 수 있느 측정방법, 기기 개발에 관한 연구를 수행하고 있습니다.

   - M & V (Measurement and Verification) 기술

"건물에너지 리모델링", 즉 기존 건물의 에너지 효율 향상에 있어서 핵심적인 기술 중의 하나가 M & V (Measurement and Verification) 라고 할 수 있습니다.

성균관대 건축환경연구실에서 위에서 열거한 기존 건물의 에너지 성능에 관한 측정기술 개발과 함께 그 측정결과를 바탕으로 에너지 개수후 에너지 절감 및 비용 절감효과를 예측할 수 있는 "Calibrated Simulation" 수법의 개발에 관한 연구를 수행하고 있습니다.

4. 초고층 건물 기술 (Building Technology for Super Tall Buildings)

   -초고층 건물의 연돌효과 분석 및 대책안 작성

성균관대 건축환경연구실에서는 네트워크 시뮬레이션을 통한 계획단계에서의 초고층 건물의 연돌효과(stack effet) 분석 및 대책안 작성에 관한 많은 노하우와 연구실적을 가지고 있음.  

아울러 성균관대 건축환경연구실에서는 이미 사용중인 초고층 건물에서의 연돌효과 문제를 해결하기 위한 실측을 통한 연돌효과 문제의 정량화, 그리고 건축적, 설비적인 대책안 작성에 대한 많은 연구, 컨설팅 경험을 가지고 있음. 특히 연돌효과 저감대책으로 "엘리베이터 샤프트 냉각(E/V shaft cooling system)"은 성균관대 건축환경연구실에서 개발한 시스템으로 연돌효과가 현저해지는 겨울철에 연돌효과, 즉 건물 내 수직적 공기유동 경로인 엘리베이터 샤프트를 외기도입을 통해 적절하게 냉각시킴으로써 샤프트내 공기밀도를 증가시켜 공기유동을 저감하는 기술이다. 이와 관련된 연구내용을 정리한 논문(A study on the development and application of the E/V shaft cooling system to reduce stack effect in high-rise buildings, 2010)은 건축환경분야 저명 저널인 Building and Environment에 소개되어 2010년도 Buidling and Environment가 선정한 ' Best Paper Award'를 수상하였다.

   -고층 주거건물에서 연돌효과가 난방에너지에 미치는 영향의 분석

고층  주거건물에서 연돌효과는 소음, 강한 기류(draft) 뿐 아니라 난방, 환기시스템 가동에도 영향을 미친다. 성균관대 건축환경연구실에서는 실측 및 시뮬레이션을 통해 고층 주거건물에서 연돌효과가 난방에너지 증가에 미치는 영향을 장기간에 걸쳐 측정, 분석한 결과를 보유하고 있음. 현재는 고층 주거건물에서 연돌효과에 의한 실내 오염물질, 습기, 열이동을 분석하고 그에 따른 문제를 저감할 수 있는 방안을 작성하는 연구을 실시하고 있음.  

5. 쾌적한 외부환경 설계를 위한 요소 기술 개발

  - 수치시뮬레이션 기법 개발

쾌적한 외부환경 설계, 도시 열섬문제의 해결 등 외부환경을 분석할 수 있는 CFD (Computational Fluid Dynamics)를 기반으로 한 수치시뮬레이션 툴을 개발하는 연구를 실시하고 있음. 그 내용으로는 CFD를 기반으로 한 대류해석 그리고 복사와의 연성해석을 통해 외부환경을 실제 상황과 매우 유사하게 모사하는 수치해석 기법을 개발하는 것임.

  - 외부환경 쾌적성 평가 툴의 작성

전 세계 도시에 대한 외부환경 쾌적성을 평가할 수 있는 외부환경의 쾌적성 평가 툴 작성에 관한 연구를 실시하고 있음. 이 연구는 전 세계 도시에 대한 연간 쾌적한 외부환경 일수를 산정하기 위한 것으로 이 결과는  '지속 가능한 도시의 건설'을 위한 전략을 작성하기 위한 기초자료로 활용될 수 있음. 아울러 국내 건설 관계자들이 해외 도시에서 건설 계획 시, 최적한 공정의 작성, 쾌적한 외부환경 조성을 위한 계획안 작성을 위한 자료로 활용될 수 있음.