자연환기 시스템에 작용하는 3가지 원동력에는 다음과 같은 것이 있다.
- 굴뚝효과를 동반한 실내외 온도차
- 건물 정면으로 부는 바람
- 출구 상단에서의 바람의 동반 효과
바람이 불지 않을 때에는,뒤의 두 가지 요소는 원동력에 기여하지 않는다.
첫 번째 요소는 열적 원동력을 상승시켜주고 원동력을 구성하는 압력차를 결정한다.
마지막 두 가지 요소에 의해 결정되는 원동력은,
일반적으로 불규칙한 기류에 의해 발생하는 압력 혼란으로 사료된다.
2.1 열적 원동력
어떠한 열원이든 간에 열원은 기류의 강력한 발생원이다.
그림 2.1은 하나의 열원을 가진 단일 건물에서의 기류를 나타낸다.
전 과정에 따른 건물의 환기 구역으로 방출되는 열은 열부하 집중도와 관계있으며,
모든 자연환기시스템의 실제 원동력이다.
이 열은 자연대류를 유도하고 잉여열을 건물로부터 뽑아내는 부력을 제공하는 것이 가능한 에너지이다.
자연환기의 기본 조건은
건물 내 공기의 온도가 외부보다 높아야 한다는 것이다.
건물이 문에 의하여 대기와 통하게 되면 자연환기는 이루어진다. 공기는 낮은 곳의 공기구멍을 통해 유입되어 높은 곳의 구멍을 통해 배출된다.
원동력은 실내․외기의 중량차이다.
이러한 압력차는 인입구에서 출구까지의 통로를 통한 움직임에 대한 저항을 극복하는 데 사용된다.
어떠한 열원이든 대류를 발생시키기 때문에 열원에서 열을 얻은 공기 입자는 위로 보내지고
새로운 공기입자로 교체되어진다.
열원이 바닥보다 위에 있다면, 대류에 의한 흐름은 열원 높이보다 높은 곳에서 발생하며,
아래쪽의 공기는 정체한다 ( ; 밀도는 중력 방향으로 더 이상 감소하지 않음).
환기 부하 집중도는
세 가지의 표준적인 열전달 방식
즉 대류, 복사 전도에 의해 생성된다.
복사에 따른 대류는 자연환기에서 두드러진다.
전도는 환기 설계상의 실제 용도에서는 무시되어 질 것으로 여겨진다.
기체와 액체의 농도는 온도에 의해 좌우되는데, 온도가 증가하면() 일반적으로 감소한다(액팽창 때문).
첫 번째 값에 대하여 온도에 따른 밀도 변화는 다음과 같이 주어진다.
열원동력은 층마다 다양하다(바닥 층에서 위층으로 갈수록 감소).
주 : 높이에 따른 정수압 변화로 인하여 기체 및 액체의 압력은 높이에 따라 변한다.
높이 dH의 기체 요소의 압력 변화는 다음과 같다.
여기서 T는 1층의 표면에서의 공기온도이다.
사실상, 위의 식은 단열 상태에 들어맞는다.
따라서, 이것은 현재 논제에 대해서는 적용되지 못한다.
우리는 답(높이에 따른 온도의 변화는 어떠한가에 대한)을 얻기 위해 위의 식을 통해 유도해야 한다.
- 높이 강하에 따라 공기순환은 활동력을 잃게 되고, 공기교환율은 감소하며,
따라서 작업공간으로의 공기 이동은 줄어들지만 작업 공간으로 되돌아오는 공기의 온도는 상승한다.
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