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ISSN : 1225-4517(Print)
ISSN : 2287-3503(Online)
Journal of Environmental Science International Vol.29 No.6 pp.683-689
DOI : https://doi.org/10.5322/JESI.2020.29.6.683

Model Design and Demonstration Test for the Verification of Temperature Reduction Effect of Cooling Fog System with Stainless Steel

Jaekyoung Kim1), Junsuk Kang1),2)*, Hoijin Kim3)
1)Department of Landscape Architecture and Rural Systems Engineering, Seoul national University, Seoul 08826, Korea
2)Research Institute of Agriculture and Life Sciences, Seoul National University, Seoul 08826, Korea
3)UB E&C, Gyeonggi 13503, Korea
*Corresponding author: Junsuk Kang, Department of Landscape Architecture and Rural Systems Engineering, Seoul 08826, Korea Phone : +82-2-880-2227 E-mail : junkang@snu.ac.kr
28/01/2020 14/04/2020 15/05/2020

Abstract


According to a NASA Goddard Institute for Space Studies report, temperatures have risen by approximately 1°C so far, based on temperatures recorded in 1880. The 2003 heatwave in Europe affected approximately 35,000 people across Europe. In this study, a cooling fog, which is used in smart cities, was designed to efficiently reduce the temperature during a heatwave and its pilot test results were interpreted. A model experiment of the cooling fog was conducted using a chamber, in which nano mist spray instruments and spray nozzles were installed. The designed cooling fog chamber model showed a temperature reduction of up to 13.8°C for artificial pavement and up to 8.0°C for green surfaces. However, this model was limited by constant wind speed in the experiment. Moreover, if the cooling fog is used when the wind speed is more than 3m/s in the active green zone, the temperature reduction felt by humans is expected to be even greater. As a second study, the effect of cooling fog on temperature reduction was analyzed by installing a pilot test inside the Land Housing Institute (LHI). The data gathered in this research can be useful for the study of heat reduction techniques in urban areas.



스테인리스 쿨링포그의 온도저감효과 검증을 위한 모델설계 및 실증 실험

김 재경1), 강 준석1),2)*, 김 회진3)
1)서울대학교 생태조경지역시스템공학부 조경학전공
2)서울대학교 농업생명과학연구원
3)유비 E&C

    1. 서 론

    NASA GISS 보고서에 따르면, 1880년도의 기온을 기준으로, 현재까지 약 1℃의 온도가 상승하였다. 유 럽에서 2003년에 발생한 폭염은 유럽 전체에 약 3만 5 천 명의 인명피해를 주었다. 질병관리본부에서 추산 한 2018년 ‘온열 질환 감시체계’에 접수한 온열 질환 자 수는 4526명이었고, 이 가운데 48명이 사망하였다.

    각 지자체에서는 폭염 시기에 온열 질환 환자를 최소 화하기 위해 폭염에 대응하는 정책들을 세우고 있다 (Jung, 2018). 또한, 보행로 그늘막·쿨링포그 등 다양한 대책을 제시하고 있다. 그중에서 쿨링 포그는 스마트시 티 선도도시인 대구광역시·시흥시·세종특별자치시에 우 선적으로 도입되었다. 쿨링포그란 0.5 mm 미만의 분사 노즐을 이용하여, 안개 형태의 수증기를 인체에 분무하 는 구조물이다(Kim, 1997). 직접적으로 인체에 분무가 되기 때문에 열 쾌적성을 높이고 상대온도를 가시적으로 낮출 수 있다는데, 그 장점이 있다. 또한, 0.5 mm 이하의 미세한 입자크기로 분사가 되기 때문에 옷이나 가방 등 섬유질 물질이 크게 젖지 않는다. 위와 같은 장점으로 인 해, 쿨링포그는 어린이·노약자 등 취약계층에게 효율적 인 대책이라는 평가를 받고 있다.

    하지만, 나노미스트를 탑재한 쿨링포그가 얼마만큼의 온도저감효과를 가지고 있는지, 열 쾌적성을 높일 수 있 는지에 대한 정량적인 연구는 미비한 실정이다. 이에 본 연구에서는, 쿨링포그의 온도저감 효과를 파악하기 위한 모형 실험체를 설계 및 제작하였다. 또한, 설계한 쿨링포 그를 기반으로 대전 LHI 내부에 Pilot Test를 진행한 결 과를 고찰하고자 한다.

    2. 선행연구

    쿨링포그를 이용한 연구는 대부분 농작물의 재배관련 연구가 많이 실시되었다(Katsoulas et al., 2006). 해외 에서는 토양 미성숙 고추 작물의 온실 미기후, 작물 증산 률, 과일 품질에 대한 온도습도 영향 연구를 진행했다. Cooling Fog를 실시하였을 때, 온실의 공기와 작물 잎 온도는 3℃ 낮게 측정되었고, 작물의 증산이 20% 감소 한 것으로 나타났다(Arbel et al., 1999).

    국내에서는 고온기 멜론재배 시에 쿨링포그 및 공기 유동팬을 이용한 온도와 습도 조절이 과실 품질에 미치 는 효과를 규명하였다. 쿨링포그와 유동팬을 가동하였을 때, 시설 내 기온은 최대 7℃, 평균 3.2℃ 강하되었고 상 대습도는 최대 28%, 평균 12% 상승하였다(Kwon et al., 2017).

    Fog 냉방 실내 실험기간 동안 온실이 대비구 온실에 비해 약 3℃~14℃ 정도 낮게 유지된 것을 밝혔다(Suh, 1999). 대부분의 선행연구들의 경우, 쿨링포그 시스템을 작물의 생육환경을 맞추기 위하여 실험이 진행됐다 (Nam, 2014).

    반면, 본 연구는 인간을 대상으로 쿨링포그를 설치하 기 위한 설계 매뉴얼을 제시하고, 폭염기에 직접적으로 사람이 느낄 수 있는 상대온도를 저감했다는데 차별성을 갖는다. 또한, 선행연구들은 실내 모형체에서만 실험을 진행했다는 한계점을 가진다. 타 연구의 경우, 분무압을 임의로 설정하지 못했다. 반면, 본 연구에서는 분무압을 연구자가 조절하여, 이전보다 명확히 나노미스트의 온도 저감 효과를 밝혔다.

    3. 연구방법

    연구 방법은 크게 두 가지로 나누어진다. 첫 번째로 타 환경요인의 영향을 제외한 쿨링포그 효과를 살펴보기 위 해, 실험 모형을 설계 및 제작하였다. 아크릴 모형체 내부 에 미세먼지 농도와 온도를 측정하고, 쿨링포그를 유동 적으로 분사하였을 때 변화하는 수치들을 파악하였다. 총 12개의 노즐을 5분 동안 분사되었고, 모형 전체에 미 치는 영향을 관찰하였다. 실험 모형에 들어가는 구성요 소로는 미세먼지/연기분사용 펌프, 미스트 기포 분사용 펌프, 계측기, 분사노즐 등이 있다. 아크릴 모형의 크기는 폭 5~6.0 m / 높이 2~2.4 m로 설계하여, 사람이 실제로 체감하는 높이를 조성하였다.

    두 번째 연구 방법은 설계한 쿨링포그를 대전 LHI 연 구소 내부에 설치하여 Pilot Test를 진행하였다. 온도 측 정은 대기 온도를 열화상 드론으로 측정하였다. 측정의 신뢰도 및 정확도 향상을 위해 3회 실시하였으며, 햇빛의 강도가 가장 강한 13시~16시 사이에 진행하였다. 측정 시점은 2019년 08월 14일 13시, 15시 / 2019년 08월 16일 15시 총 3회에 걸쳐 측정하였다. 측정 드론은 DJI 매트 리스 200 Pro 산업용 드론과 DJI_FLIR 젠뮤즈·짐벌 XT2를 사용하였다.

    4. 연구결과

    4.1. 쿨링포그 챔버 모형실험

    첫 번째 연구 방법에 대한 설계도는 Fig. 2와 같다. 아 크릴 실험체의 왼쪽에 미스트 기포 분사용 펌프를 설치 하고, 이를 이용하여 모형체 상부에서 미세 기포 분사 노 즐에서 미스트가 분사되는 형태이다. 노즐의 크기는 크 게 0.1 mm / 0.3 mm / 0.5 mm로 구분하여 분사하였다.

    노즐크기 0.1 mm일 때, 1분당 분사량은 0.84 cc/min, 0.3 mm일 때 2.5 cc/min, 0.5 mm일 때 4.2 cc/min으로 나타났다. 모형체 내부에 인공피복면과 녹지를 구분하여 포장을 구성하고, FLIR 열화상 카메라를 이용하여 온도/ 습도를 측정하였다. 총 4회의 시험을 실시하였으며, 실험 에 대한 결과표는 Table 1과 같다.

    Table 1을 참고했을 때, 쿨링포그 분사 후의 대기 온 도는 인공피복 포장면 최소 11.1℃ / 최대 13.8℃, 녹지 피복 포장면 최소 7.3℃ / 최대 8.0℃ 까지 저감 됨을 알 수 있다. 습도의 경우 최소 2% 최대 3%까지 높아짐을 알 수 있었다.

    이를 기상청에서 사용하는 체감온도 간편 산정식을 이용하여, 사람이 실제로 느끼는 정도의 온도저감을 살 펴보았다(Table 2). 기상청에서 사용하는 체감온도 산정 식은 아래와 같다.

    T w c = 13.12 + 0.6215 T a 11.37 V 0.16 + 0.3965 T a V 0.16
    (1)

    여기서, Twc는 체감온도, Ta는 섭씨온도, V 는 풍 속을 의미한다(Nelson et al., 2002).

    Table 2를 참고했을 때, 쿨링포그 분사 후의 체감온도 는 인공피복 포장면 최소 7.74℃ / 최대 9.63℃, 녹지 피 복 포장면 최소 5.09℃ / 최대 5.08℃ 까지 저감 됨을 알 수 있다.

    4.2. 열화상 드론을 활용한 Pilot Test

    폭염 및 미세먼지 저감 파일럿 장치는 지상높이 1.5 m의 변화를 살펴보기 위하여 기술 상부에만 설치를 하였으며, 앵커와 Stainless Steel 각파이프 등이 사용되었다. 미세 기포 분사는 총 세 개의 노즐에서 분사가 되며, 좌우방향 으로 노즐의 크기를 조절하여 분사하였다. 폭염 및 미세 먼지 저감 파일럿 장치의 도면은 Fig. 3과 같으며, 해당 장치의 노즐 상세도와 단면도 및 상세 정보는 Fig. 4, Table 3과 같다.

    드론을 활용한 파일럿 시설 주변 열화상 촬영 후 세 지 점의 평균을 결과 값으로 활용하였다. 2019년 08월 14 일 13시에 측정한 결과 값은 Fig. 6 그래프와 같다.

    1차 실험에서 대조군(Control)은 약 39℃, 폭염저감 시설 가동 전(Pre-measurement)은 약 42℃로 나타났다. 폭염저감시설 가동 후 10분 뒤에는 약 35~39℃ 분포를 보여 약 3~7℃가 감소한 것을 확인할 수 있었다.

    2차 실험에서 대조군(Control)과 가동 전이 약 45℃ 에서 가동 후에 약 42℃로 약 3℃ 가량 온도가 감소된 것 을 확인할 수 있었다.

    3차 실험에서는 대조군과 가동 전이 약 39℃로 확인 되었으며, 가동 후에 약 35℃로 대조군과 가동 전 대비 약 4℃ 가량 감소된 것으로 확인되었다.

    5. 결 론

    본 연구에서는 스마트시티 내에서 많이 사용되고 있 는 쿨링포그가, 폭염기에 효율적으로 온도저감을 할 수 있도록 모델을 설계하고 Pilot Test를 해석하였다는데 그 의의가 있다.

    설계한 쿨링포그 챔버 모형에서는 인공포장면 최대 13.8℃, 녹지피복면 최대 8.0℃까지의 온도저감 효과를 보였다. 이를 기상청에서 사용하는 체감온도 식으로 환산 하였을 때, 사람이 느끼는 최대 저감 온도는 9.6℃ 정도 일 것으로 추측된다. 하지만, 이는 실험 모형 내에서 풍속 을 일정하게 설정하였다는데 그 한계점을 가진다. 실제 로 증발산이 활발한 녹지지역에서 3 m/s 이상의 바람이 불었을 때 쿨링포그를 활용하게 된다면, 사람이 느끼는 온도저감량은 더욱 클 것으로 예상된다.

    Pilot Test에서는 3차례에 걸친 쿨링포그의 온도저감 효과 분석 결과, 폭염저감시설의 가동으로 인한 온도저 감 효과가 있는 것으로 판단된다. 대조군 및 가동 전 대비 3~5℃의 온도 저감 효과를 나타냈다.

    본 연구는 스마트시티 내에서 사용되는 쿨링포그만의 절대적인 온도 저감효과를 알아보기 위하여, 챔버 모형 실험과 비교적 환경요인을 받지 않는 LH 연구소 내부에 서 Pilot Test를 실시하였다.

    하지만, 쿨링포그가 주로 설치되는 공원/공공기관 등 에 많이 형성된 녹지상태를 고려하지 못했다는데 그 한 계점을 가지진다. 이와 관련하여 최근 타 연구에서는 고 온역의 바람이 불어오는 풍향과 녹지 형태에 있어 ‘바람- 녹지공간-시설물’ 순서의 배치를 고려해야한다는 사실이 밝혀지기도 했다.(Kim et al., 2020). 추후 이러한 점을 고려하여 녹지공간의 수목이 미치는 온도저감효과와 쿨 링포그의 효과를 복합적으로 연구하고, 도심지 내 폭염 저감 기법을 연구하는데 본 연구를 기초자료로 활용한다 면 유용한 자료로 활용될 것이라 판단된다.

    또한, 본 연구는 열화상 드론을 이용하여, 대상지 전체 의 온도를 시간의 변화 없이 동일한 센서로 측정하였다는 데 의의가 있다. 하지만, 외부 온도 측정 시 중요한 요인으 로 작용하는 미스트의 잠열, 습도, 바람 등의 환경 정보가 간과되었다는 미비점이 있다. 추가적인 후속 연구에서는 열화상 드론과 더불어, 다양한 센서 기반의 환경요인 측 정 장비들이 동시에 사용되어야 할 것으로 판단된다.

    감사의 글

    본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원의 스 마트시티 혁신성장동력 프로젝트 지원으로 수행되었음 (과제번호 : 19NSPS-B154559-02)

    Figure

    JESI-29-6-683_F1.gif

    Pilot test site (LH Institute in Daejeon, South Korea).

    JESI-29-6-683_F2.gif

    Methods for making and experimenting with fine dust/heat specimens.

    JESI-29-6-683_F3.gif

    Heat spray and fine dust reduction pilot system (Unit : mm).

    JESI-29-6-683_F4.gif

    Results Image of thermal imaging using drones (19.08.14. - Primarily).

    JESI-29-6-683_F5.gif

    Results Image of thermal imaging using drones (19.08.14. - Secondly).

    JESI-29-6-683_F6.gif

    Camera (August 14 primary) measuring ambient air temperature using a thermal drone.

    JESI-29-6-683_F7.gif

    Camera (August 14 Secondly) measuring ambient air temperature using a thermal drone.

    JESI-29-6-683_F8.gif

    Camera (August 16) measuring ambient air temperature using a thermal drone.

    Table

    Correlation between nozzle injection and temperature change

    Sensible temperature

    Pilot device specification (Unit : mm)

    Reference

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