2.1. 인체의 열평형 제 2 장 온열환경과 쾌적조건 - 인체의 열생산 및 열방출 (인체 주요기관에 일정한 온도 유지) - 인체의 열방출 경로 (피부, 의복, 건물 외피) 2.1.1. 인체의 대사작용 (metabolism) - 음식물의 소화 와 근육운동에 의해 인체에서 열을 생산하는 작용 - 단위: met - 1 met: 공목시 쾌적한 환경에서 조용히 앉아있는 성인남자 신체 표면 적 1m 2 에서 발산되는 열량 (58.2 W/m 2 = 50 Kcal/m 2 h). 성인 여자는 성인남자의 약 85%. - 인체의 발산열량: 개인에 따라 차이 있고, 나이 많을수록 감소. - 인체 표면적: A [m 2 ] = 88.83 x 10-4 H 0.663 W 0.444 2.1.2. 열평형방정식 음식의 소화와 근육운동에 의해 발생된 열: - 인체의 주요기관에 필요한 열제공(심부온도 36.5-37 C) - 잉여열: 1) 약 80%는 혈액과 수분을 통해 피부로 전달된 후 현열로 발산 (대류, 복사, 전도) 2) 약 20%는 호흡과 땀의 증발을 통해 잠열로 발산 35
단, S : 축열(storage) M : 대사(metabolism) R : 복사(radiation) C : 전도&대류(conduction & convection) E : 증발(evaporation) - S>0 일때 HOT - S<0 일때 Cold - S=0 일때 Neutral Point(쾌적상태) 36
2.1.3. 온열환경에 대한 인체의 반응 (체온조절) 1) 체온조절 기능 - 모든 항온동물은 외기의 온도가 어느 범위내에서 변동하더라도 항상 일정 온도를 유지할 수 있는 기능을 갖고 있으며, 주 목적은 심부의 온도를 37±1 C 범위에서 체온이 유지하는 것이다. - 체온이 일정하게 유지되기 위해서는 체내에 대한 열의 생산량과 체외로 열의 발산량이 평형이 되어야 할 필요가 있다. - 체내에서 가장 열 생산량이 많고, 물질대사가 활발한 장기는 골격근과 간장이다. 안정시에 있어서 간장은 대동맥혈보다 0.1-0.8 C 온도가 높다. 운동시에는 골격근의 열 생산이 가장 높게 된다. 신체의 온도가 평균적으로 유지되는 것은 혈액순환에 의한 것이다. - 체표면으로부터의 열의 발산은 외기의 조건에 따라서도 다소 다르지만, 총 열 발산량의 95%는 방사, 전도, 증발에 의한 것이다. 2) 한랭환경에서의 체온조절 (1) 약간 추운경우 (열생산 < 열발산): 열발산 억제기능 작동 - 피부 모세혈관의 수축: 피부로 공급되는 혈류 감소하여 피부온도 저하하므로 복사 및 대류에 의한 열발산 감소 - 모공의 축소: 땀의 증발 억제하고, 선 털에 의해 피부에 밀접해 있는 정지된 공기층을 두껍게함 (2) 아주 추운경우 (열생산 << 열발산): 열생산 촉진(대사조절 기능 작동) - 대뇌의 후시상하부( 後 視 床 下 部 ) 내에 있는 체온조절 중추에 의해 뇌하수체 전엽의 갑상선자극 호르몬의 분비가 증가하여 전체 대사량이 증가 - 근육의 떨림에 의한 근육대사(운동대사) 증가 (3) 체내온도가 30-25 C 로 내려가면 사망 3) 온난환경에서의 체온조절 (1) 약간 더운경우 (열생산 > 열발산) - 피부 모세혈관의 확장: 피부로 공급되는 혈류 증가하여 피부온도 올라감으로써 피부에서의 목사 및 대류에 의한 열발산 촉진 37
(2) 아주 더운경우 (열생산 >> 열발산) - 대뇌의 전시상하부( 前 後 視 床 下 部 ) 내에 있는 체온조절 중추에 의해 뇌하수체 전엽의 갑상선자극 호르몬의 분비가 감소하여 전체 대사량이 감소 - 땀샘 작동: 발한(땀흘림) 작용에 의해 땀이 증발할 때 피부로부터 열을 빼앗도록 함. (3) 체내온도 40 C: 실신 (Heat stroke) (4) 체내온도 41 C: 땀이 정지하고 혼수상태에 빠지며 사망위험 (5) 체내온도 42 C: 사망 시상하부의 체온조절 중추 38
2.2. 온열환경요소 - 열환경에 대한 인체의 반응에 미치는 요소 개인적변수 (personal variables) 활동량 (activity) 착의량 (clothing) 나이 (age) 성별 (sex) 물리적변수 (physical variables) 기온(air temperature) 평균복사온도(mean radiant temperature) 기류속도 (air velocity) 습도 (humidity) 2.2.1. 개인적 변수 1) 활동량(activity) - 인체의 활동량은 met(metabolic rate)라는 단위로 표현 - 1met 는 열적으로 쾌적한 상태에서 의자에 앉아 안정을 취하고 있을 때의 활동량으로서 1met = 58.2W/m 2 임 - 통상의 사무실 작업시에는 1.1-1.4met 의 활동량에 해당하며, 농구 와 같은 격한 운동시에는 5.0-7.6met 의 활동량에 해당 활동정도에 따른 열발산량 활동정도 휴식: 취 침 조용히 앉아서 휴식하는 상태 가만히 서있는 상태 보행: 천천히 걷기(3.2km/h) 빠르게 걷기(3.2km/h) 가사: 청 소 식사준비 세탁 및 다림질 사무: 타이핑 제 도 일반사무 작업: 가벼운 작업(공장) 힘든작업(공장) 강 의 중장비 운전 취비: 댄 스 테니스 골 프 열발산량(단위: met) 0.7 1.0 1.2 2.0 3.8 2.0~3.4 1.6~2.0 2.0~3.6 1.2~1.4 1.1~1.3 1.1~1.3 2.0~2.4 3.5~4.5 1.6 3.2 2.4~4.4 3.6~4.6 1.4~2.6 39
2) 착의량(clothing) - 의복의 단열성을 말하며 단위는 clo - 착의상태의 단위인 clo 는 기온 21 C, 상대습도 50%, 기류속도 0.5m/s 이하의 실내에서 인체 표면으로부터의 방열량이 1met 의 활 동량일 때 피부 표면으로부터 의복 표면까지의 열저항값을 의미 - 1clo 의 열저항값: 1clo = 0.155 m 2 C/W (0.18 m 2 h C/Kcal)가 됨 - 겨울철의 두꺼운 신사복은 약 1clo, 여름철의 얇은 신사복은 약 0.6clo - clo 값은 정확하게는 열적 마네킹(thermal mannequin)에 의해 측정 할 수 있고, 도표를 통해 산출할 수도 있음 - 착의량의 총 clo = 0.82 Σ (각의복의 clo) 의복의 단열값(clo) 남 자 용 여 자 용 의복종류 clo 의복종류 clo 짧은 소매셔츠(얇은것) 0.14 얇은 블라우스 0.20 긴 소매셔츠(얇은것) 0.22 두꺼운 블라우스 0.29 짧은 소매셔츠(두꺼운것) 0.25 얇은 치마 0.10 긴 소매셔츠(두꺼운것) 0.29 두꺼운 치마 0.22 얇은 조끼 0.15 얇은 바지 0.26 두꺼운 조끼 0.29 두꺼운 바지 0.44 얇은 바지 0.26 얇은 쉐터 0.17 두꺼운 바지 0.32 두꺼운 쉐터 0.37 얇은 쉐터 0.20 얇은 자켓 0.17 두꺼운 쉐터 0.37 두꺼운 자켓 0.37 얇은 자켓 0.22 얇은 드레스 0.22 두꺼운 자켓 0.49 두꺼운 드레스 0.70 팬 티 0.05 브래지어와 팬티 0.05 짧은 양말 0.04 반 슬 립 0.13 긴 양 말 0.10 긴 슬 립 0.19 샌 달 0.02 스 타 킹 0.01 구 두 0.04 샌 달 0.02 부 츠 0.08 구 두 0.04 부 츠 0.08 40
3) 나이(age) 일반적으로 나이 많을수록 활동량 감소하고, 냉온감에 영향 받기 쉬우며, 주위 환경의 변화에 크게 영향을 받게 됨 4) 성별(sex) 여성은 일반적으로, 피부온도가 남성보다 낮고, 피부 표면에서의 증발에 의한 열손실이 남성보다 작으며, 옷을 얇게 입기 때문에 냉온감의 지각과 쾌적 열환경 범위에 있어 남성과 약간 차이가 있음 2.2.2. 물리적 변수 1) 기온(air temperature) 일반적으로 사용하는 공기의 건구온도를 말하며, 가장 중요한 열환경 요소 2) 평균 복사온도(MRT, Mean Radiant Temperature) - 평균 복사온도란 복사에 의해 인체와 열을 교환하는 주위 표면의 평 균온도를 의미함 - 실내 기온이 같아도 여름의 뜨거운 천장 근처에서는 더 덥게 느끼고, 겨울의 차가운 창문 근처에서는 더 춥게 느낌 => 표면 온도에 따른 복사의 영향 - 실내 표면은 부정형이고 위치에 따라 인체가 노출되는 표면의 정도 가 매우 달라지므로 편의상 평균 복사온도는 벽면, 천정면, 바닥면과 같은 실내 각 표면의 면적 평균 가중온도로 계산함 MRT = (A1T1+A2T2+A3T3+ )/(A1+A2+A3+ ) 단, MRT : 평균 복사온도( C), A1, A2, A3 : 주위 표면 면적(m2) T1, T2, T3 : 해당 면적의 표면 온도( C) - 흑구에 의해 측정한 흑구온도(globe temperature)로부터 MRT 계산 가능 MRT = GT + 2.35 v ( GT Ta) 단, v: 기류속도 (m/s) GT: 흑구온도 ( C) Ta: 건구온도( C) 41
3) 기류(air movement) - 실내 기류속도를 말하며, 대류에 의한 인체의 열손실을 증가시키고 땀의 증발을 촉진 시키므로 인체의 열평형에 영향을 미침 - 사무소 건물에서 기류속도는 0.5 m/s 이하가 되도록 건축법에 정해 져 있으며, 기류속도가 빠르게 되면 드래프트 현상을 일으키므로 불 쾌감 야기할 수 있음 4) 습도(humidity) - 습도(상대습도)는 체표로부터의 땀의 증발속도에 영향을 미쳐서 인체 의 냉온감에 영향을 미치게 됨. - 저 고습도에서는 인체에 불쾌감을 줌 (저습도에서는 정전기 등의 문 제가 발생하고, 고습도에서는 피부가 젖게 되어 불쾌감 유발) - 고온이나 저온에서 습도는 인체의 열평형에 크게 영향을 미치지만 중간온도 범위에서는 그 영향력이 감소됨 2.2.3. 온열환경지표 위의 4 가지 물리적 변수는 인체의 열평형에 복합적으로 작용하므로 온열 환경을 평가하기 위해서는 이들을 조합하여 표현하는 또 다른 지표가 필 요하게 됨. 1) 유효온도(ET, Effective Temperature) - 기온과 기류 및 습도의 영향을 동시에 고려한 실험적 지표 - 1923 년 Yaglou 와 Houghton 이 제안하였으며 효과온도, 체감온도라고도 함 - 복사에 의한 영향 고려되지 않고 저온에서 습도의 영향 과대 평가되는 결점 2) 수정유효온도(CET, Corrected Effective Temperature) - 유효온도의 기온(건구온도)을 흑구온도로 대치함으로써 복사에 의한 영향을 동시에 고려한 지표 - 노모그램(Nomogram)을 이용 손쉽게 구할 수 있음 42
ET 및 CET 노모그램 3) 신유효온도(ET *, New Effective Temperature) 유효온도가 습도에 대한 영향을 과대 평가한 것을 보완한 것 4) 작용온도(OT, Operative Temperature) 기온, 기류, 평균 복사온도의 영향을 조합한 지표 OT = (h r MRT + h c T a )/(h r + h c ) 단, OT: 작용온도 ( C) MRT: 평균복사온도 ( C) h r : 복사 열전달율(W/m 2 C) h c : 대류 열전달율(W/m 2 C) T a : 기온( C) 43
2.3. 열환경의 쾌적조건 열적쾌적감(thermal comfort): 열환경 조건에 만족감을 느끼는 심리적 상태 (주관적) 소극적 쾌적성 - 불쾌의 제거 - 개인의 생각, 감각이 많은 영향을 미치지 않음 - 고요함, 일상적, 안정, 정상 - 장시간 중점적이고 스트레스가 적은 상태 적극적 쾌적성 - 단시간 적당한 자극에 의하여 얻어지는 성장욕구 - 성장욕구로 +α 추구 - 같은 사람이라도 상황에 따라 달라지며, 합의를 얻기 힘듬 1) 미국 공기조화냉동공학회 (ASHRAE: American Society of Heating, Refrigerating, and Air-conditioning Engineers)의 쾌적범위: 거주자의 80%가 만족하는 범위 ASHRAE 의 쾌적영역(ASHRAE 55-81) 기온: 겨울 20-24 C, 여름 24-27 C 기류: 0.15 m/s, 상대습도: 40-70% 44
2) 평균 예상 온열감(PMV, Predicted Mean Vote) - 열환경의 6 가지 인자(기온, 기류, 습도, 평균 복사온도, 활동량, 착의 량)에 의한 영향을 종합하여 열쾌적을 평가하는 지표 - 1984 년 ISO (International Organization for Standardization)에 의해 ISO-7730 으로 국제규격화 됨 - PMV 는 열적으로 쾌적한 상태에서의 평균 피부온도와 방열량 등과의 관계를 사용해서 표현한 쾌적방정식에 의해 구할 수 있음 - PMV 값은 열적인 중립상태를 ±0 으로 하고, -3(cold)에서 +3(hot)까지 의 수치척도로 나타냄 (-3: cold, -2: cool, -1: slightly cool, 0: neutral, +1: slightly warm, +2: warm, +3: hot) - ISO 쾌적기준 : -0.5 < PMV < +0.5 PPD(Predicted Percent Dissatisfaction) 10% 이하 PMV 와 PPD 의 관계 3) ASHRAE 의 열쾌적 예측방정식 (Y 는 PMV 와 동일) -3-2 -1 0 +1 +2 +3 45
4) 국부적 불쾌적(local discomfort) 유발 요인 (1) 불균등 복사(asymmetric thermal radiation) - 차가운 창, 단열 안된 벽체, 차거나 뜨거운 물건 등에 의해 야기됨 - 수직 방향의 불균등 복사 온도(착석시 바닥 위 0.6, 기립시 바닥 위 1.1m 높이의 작은 수평면상에서 상하 복사온도 차이) < 5 C (ASHRAE 기준) - 수평 방향의 불균등 복사 온도(착석시 바닥 위 0.6m, 기립시 바닥 위 1.1m 높이의 작은 수직면상에서 좌우 복사온도 차이) < 10 C (ASHRAE 기준) 불균등 복사와 불쾌적도 (2) 드래프트(draft) - 기류에 의한 원치 않는 인체의 국부적 냉각 - 인체가 드래프트를 느낄 경우 더 높은 실내 온도를 요구하게 됨 - 드래프트에 따른 불쾌적도는 평균 기류 속도(mean air velocity)와 공 기 온도(air temperature)의 영향 받음 46
평균 기류 속도, 공기 온도와 불쾌적도 (3) 수직 온도차(vertical air temperature difference) 머리(바닥 위 1.7m)와 발목(바닥 위 0.1m) 사이 수직 온도차 <= 3 C (ASHRAE 기준) 머리와 발목에서의 수직 온도차와 불쾌적도 47