건물의 실내 환경은 재실자들의 작업 능률과 신체적, 정신적 건강에 큰 영향을 끼치기 때문에 실의 쾌적성을 확보하는 것은 매우 중요하다. 실내 환경의 질 (IEQ, Indoor Environmental Quality)을 나타내는 대표적인 요소로는 실내 공기질, 온열 환경, 음 환경, 시 환경이 있다. 이러한 IEQ 요소들에 대한 재실자들의 인식 및 쾌적성평가에 관한 연구들이 많이 이루어지고 있다. 최근에는 IEQ 요소들에 대한 독립적인 연구뿐만 아니라 요소들 간의 상호 연관성을 분석하는 연구들도 많이 이루어지고 있다. 대표적으로 온열 환경과 실내 공기질 사이의 상호 연관성을 분석한 연구들이 있다. 온열 환경이 재실자의 실내 공기질에 대한 평가에 영향을 끼친다는 연구들은다수 발표되었지만, 실내 공기질이 재실자들의 온열환경 평가에 끼치는 영향력에 대해서는 뚜렷한 결과를 제시한 연구들은 미비한 실정이다. 실내 공기질을 대표하는 이산화탄소는 재실자의 호흡과 관련하여 신체 생리 반응에 영향을 끼친다. 이산화탄소 농도가 높아지면 신진 대사율이 높아져 온열감에 영향을 끼칠 수있다. 실내 공기질과 온열 환경은 에너지 측면에서 밀접하게 연관되어 있기 때문에, 두 요소 간 상호 연관성에 대한 정확한 분석이 필요하다.이에 본 연구에서는 실내 공기질을 대표하는 이산화탄소 농도가재실자들의 온열환경 평가에 미치는 영향력에 대한 분석을 진행하였다. TSV 값에서 PMV 값을 뺀 편차를 Dv라 칭하고 이산화탄소 농도에 따른 거동을 분석함으로써 이산화탄소 농도가 온열감에 미치는 영향력을 평가하였다. 그 결과 데이터 수와 실험 방식에 대한 한계들로 인해 정성적인 분석이 이루어지지는 않았지만, 이산화탄소 농도에 따른 재실자들의 온열감 평가 거동에 대한 뚜렷한 경향을 확인할 수 있었다. 또한, 이러한 분석을 토대로 이산화탄소 농도에 따른 온열감 변화를 고려한 PMV 제어 시 환기 제어 전략에 따른 실내 온열환경 및 에너지 사용량 거동을 EnergyPlus를 통해 시뮬레이션 분석하였다. 본 연구의 주요 결과를 요약하면 다음과 같다.

1) 환기 시스템이 적용되지 않은 대학 도서관 열람실의 경우 비 시험기간에는 일 평균 최대 이산화탄소 농도가 학교보건법에서 제시하고 있는 허용 농도 수치인 1,500 ppm을 넘지 않는 반면, 시험기간과 같이 재실밀도가 높아지는 경우에는 이산화탄소 농도가 최대 4,328 ppm 까지 나타났다. 이는 허용 농도 수치인1,500 ppm을 크게 상회하는 수치로 학생들의 학습 능률 및 건강에 해로운 영향을 끼칠 수 있다. 따라서, 대학 도서관 열람실의 경우 시험기간에 급격하게 증가하는 재실 밀도에 대응할 수있는 환기 시스템 적용이 필요할 것으로 사료된다.

2) 이산화탄소 농도가 높아질수록 Dv (TSV-PMV) 분포가 높게 형성되는 것으로 나타났다. 이산화탄소 농도 구간 별 평균 Dv 값또한 농도 구간이 높아질수록 높게 나타났다. 이는 이산화탄소농도가 재실자들의 온열감 평가에 영향을 끼친 것을 의미하며 이산화탄소 농도가 높아질수록 더위에 더 민감하게 반응하는 것을 뜻한다.

3) 성별 및 재실시간에 따른 이산화탄소 농도별 Dv 분석이 이루어졌다. 남성의 경우 여성보다 이산화탄소 농도에 따른 Dv 변화가 크게 나타났고, 재실시간이 1시간 이상인 경우에 미만인 경우보다 Dv 변화가 크게 나타났다. 하지만, 성별 및 재실시간에 대한 TSV 데이터 수가 충분치 않아 추후 검토가 필요할 것으로 사료된다.

4) 이산화탄소 농도에 따른 온열감 변화를 고려한 PMV 제어 시뮬레이션 결과 중간기(중간고사)의 경우 항시 적극적인 환기를 도입하는 것이 가장 에너지 효율적인 것으로 나타났다. 이는 중간기의 경우 환기를 통해 외기 냉방이 이루어져 냉방 부하를 저감시켰기 때문이다. 하지만, 고정 환기량을 적용할 경우 오전시간대에 과도한 외기 냉방으로 인해 실의 쾌적성이 확보되지 않는것으로 나타났다. 수요기반 제어(DCV, Demand Controlled Ventilation)를 적용한 경우 고정 환기량을 적용했을 때 보다 에너지 사용량은 다소 높게 나타났지만, 실내 공기질과 온열 쾌적성을 모두 확보할 수 있는 것으로 나타났다. 중간기의 경우 적극적인 환기를 통해 외기 냉방을 효율적으로 사용하되 실의 온열 쾌적성을 고려한 제어 전략이 적용되어야 할 것으로 사료된다.

5) 냉방기(기말고사)의 경우 환기를 적용하지 않는 경우가 가장 에너지 효율적인 것으로 나타났다. 이는 냉방기의 경우 환기 제어시 냉방 부하가 증가하게 되어 에너지 사용량이 높게 나타났기 때문이다. 하지만, 환기를 적용하지 않는 경우 이산화탄소 농도가 최대 4,354 ppm으로 나타나 실내 공기질이 확보되지 않는 것으로 나타났다. 고정 환기량을 적용했을 경우와 DCV 제어를 적용했을 경우 모두 실내 공기질과 온열 쾌적성을 충분히 확보
하는 것으로 나타났지만, DCV 제어 시 고정 환기량을 적용했을시 보다 약 9.1%가량 낮게 나타났다. 냉방기의 경우 실내 공기질을 유지하는 선에서 환기 부하를 최소화 할 수 있는 제어 전략이 적용되어야 할 것으로 사료된다. 실내 공기질과 온열 환경은 공조 제어 시 에너지 측면에서 서로 상충될 수 있다. 에너지 효율적인 공조 제어를 위해서는 실내 공기질과 온열 환경의 상호 연관성을 파악하고 이에 맞는 제어 전략을 적용해야 한다. 본 연구에서는 실내 공기질을 대표하는 이산화탄소 농도가 재실자들에 온열 환경 평가에 미치는 영향력을 분석하고 이를 토대로 에너지 효율적이며 실의 쾌적성을 확보할 수 있는 공조 제어 전략을 제시하고 있다. 비록 수집된 데이터들에 대한 정성적인 분석에는 어려움이 있었지만, 이산화탄소 농도가 재실자의 온열감 평가에 미치는 영향력에 대한 뚜렷한 경향을 분석하였다는 점에서 높은 활용도를 가질 것으로 기대된다.

It is important to ensure IEQ (Indoor Environmental Quality) because the indoor environment of the building has a significant impact on the working efficiency and health of occupants. IEQ covers many environmental factors, such as IAQ (Indoor Air Quality), thermal comfort, acoustic and lighting. There are many studies on the evaluation of the occupant’s perception on these IEQ factors. Recently, many studies have been conducted to analyze the inter-relationship between IEQ factors. Many studies have shown that thermal environment affects the occupant’s perception of IAQ. However, studies showing clear results on the effect of IAQ on the occupant’s perception of thermal environment are insufficient. CO2, which is represents IAQ, affects the human body’s physiological response in relation to breathing. As the CO2 concentration increases, the metabolic rate increases, which can affect occupant’s thermal sensation. Since indoor air quality and thermal environment are closely related in terms of energy, accurate correlation analysis between the two elements is required.
In this study, the effect of CO2 concentration, which represents indoor, on the occupant’s thermal sensation was analyzed. The deviation of TSV and PMV value was called Dv, and the effect of CO2 concentration on the thermal sensation was evaluated by analyzing Dv behavior according to CO2 concentration. In addition, based on this analysis, the indoor thermal environment and energy usage according to the ventilation control strategy for the CO2 concentration-associated PMV control were simulated through EnergyPlus. The main results of this study are summarized as follows.

1) For non-ventilated university library reading rooms, daily maximum CO2 concentration during the non-test period did not exceed 1,500 ppm. In the test period, the maximum CO2 concentration was up to 4,328 ppm. Therefore, it is necessary to apply the ventilation system that can handle with the rapidly increasing density of rooms in the university library reading room.

2) The higher the concentration of CO2, the higher the distribution of Dv (TSV-PMV). The average Dv value of each CO2 concentration section also increased as the concentration section increased. This means that the CO2 concentration influenced the evaluation of the thermal sensation of the occupants, and the higher the CO2 concentration, the more sensitive it is to warmth.

3) Dv analysis by CO2 concentration was performed according to gender and occupancy time. In the case of men, the change of Dv according to the CO2 concentration was larger than that of women, and the change in Dv was greater than the case of less than 1 hour of occupancy time. However, the number of TSV data on gender and re-real time is not sufficient, so further review is necessary.

4) In the PMV control considering the change of thermal sensation according to the CO2 concentration, it was found that the most energy-efficient ventilation was introducing ventilation at all times through a fixed ventilation rate in intermediate period. This is because in the intermediate period, the cooling air load is reduced through ventilation. However, when the fixed ventilation is applied, the thermal comfort of the room is not secured due to excessive air cooling in the morning hours. Demand Controlled Ventilation (DCV) was found to have a slightly higher energy consumption than fixed ventilation, but both indoor air quality and thermal comfort could be obtained. On the intermediate period, it is necessary to use air cooling efficiently through active ventilation, but ventilation control strategy considering the thermal comfort should be applied.

5) On the Cooling period, non-ventilation is the most energy efficient. This is because the cooling load increases during the ventilation control. However, when ventilation was not applied, the maximum CO2 concentration was up to 4,354 ppm, indicating that indoor air quality was not secured. In case of applying fixed ventilation rate and DCV control, both indoor air quality and thermal comfort were secured. On the cooling period, ventilation control strategy should be applied to minimize the ventilation load while maintaining indoor air quality.

IAQ and the thermal environment can conflict with each other in terms of energy during air conditioning control. For energy efficient air conditioning, it is necessary to understand the correlation between IAQ and the thermal environment. This study analyzed the effect of CO2 concentration, which represents indoor air quality, on the occupant’s perception of the thermal environment, and suggested ventilation control strategy to secure energy efficiency and comfort based on this. Although it is difficult to analyze qualitatively the collected data, it is expected to have high utilization in analyzing the obvious trend of the effect of CO2 concentration on the thermal sensation.