냉방시 온도 및 기류에 따른 심리 및 생리반응에 관한 연구

1. 측정요소 및 측정장비

인공 환경실험실 환경요소로서 온도 및 기류의 균일성을 파악하기 위해 온도는 바닥으로부터 0.1m, 0.6m, 1.1m의 높이에서 C-C열전대를 사용하여 측정하였으며, 기류속도는 피험자 정면 0.3m지점에서 열선 풍속계를 사용하여 측정하였다. 인체측 측정요소로서 피험자의 피부온도는 인체용 C-C열전대를 의료용 통기 테이프(Beisesdorf AG)를 이용하여 피부표면에 부착하였으며, 이마, 상박, 손등, 복부, 대퇴부, 하퇴부, 발등에서 측정하여 평균피부온도를 산출하였다.

생리신호 분석을 위하여 심전도(ECG)를 측정하였고, 심전도는 512Hz의 샘플링 주파수로 하여 국제 표준인 6분간 매 10분 단위로 측정하였다, 심전도 측정을 위한 전극위치는 착의 및 착석한 상태이므로 팔목, 발목에만 전극을 부착하는 표준사지유도를 사용하였다(Kim et al., 2007 ). 실험에서 측정된 모든 데이터는 데이터 기록계를 통해 PC로 저장되는 시스템을 구성하여 저장하였다. 실험 중 피험자의 심리상태를 파악하기 위하여 본실 입실 후 매 10분 간격으로 쾌적감(CSV)과 온냉감(TSV) 신고를 받아 분석하였다. <Table 1, 2>에 측정요소별 측정장비와 측정위치, 심리반응 척도를 나타냈다.

<Table 1>

Measurement Factor and Measurement Position

<Table 2>

TSV and CSV Scales

2. 실험순서

[Fig. 1]은 실험순서와 측정 데이터 종류를 나타낸 것이다. 실험환경은 여름철 무더운 외부기상환경의 영향을 반영하기 위하여 전실은 건구온도 33℃~36℃, 상대습도 60%~70%로 유지하였고 실험에 앞서 1시간 정도의 예비운전을 하여 전실을 균일한 상태로 조성한 후 실험을 수행하였다. 본실은 28℃, 26℃, 24℃, 22℃의 설정조건으로 운전하였으며, 기류속도와 방향은 실제의 에어컨 운전상황과 동일하도록 패키지 에어컨을 사용하여 기류속도와 방향을 조절하였다. 기류속도는 강풍(1.03m/s)과 약풍(0.75m/s)으로 제어하였으며, 기류 방향은 피험자가 의자에 착석 시 정면풍이 되도록 조절하였다. 환경실험실의 온습도 조건은 <Table 3>과 같다.

[Fig 1]

Experiment sequence and items.

<Table 3>

Experiment setting conditions

3. 실험방법

실험 설정조건에 부합되는 온·습도 및 기류를 조성하여 체감실험을 수행하기 위해서 항온항습실을 사용하였고, 항온항습시스템의 성능을 <Table 4>에 나타내었다. 항온항습실의 전실과 본실은 실별로 개별제어가 가능하게 설계되어 있어 전실은 여름철 외기조건으로 설정하였으며, 본실은 냉방시 설정온도를 유지하도록 제어하면서 실험을 수행하였다. 실험 참가자는 건강한 청년층 (대학생) 4명을 피험자로 실험 전 체온, 혈압, 맥박을 측정하여 건강상태를 확인한 후 실험을 실시하였다. 피험자의 착의 상태에 따른 착의량은 중량법으로 산출한 결과 0.35clo로 계산되었다. 참가한 피험자 모두에게 실험에 대한 개요를 설명하고 실험에 대한 동의를 받고 난 후 실험을 수행하였다.

<Table 4>

Environmental chamber specification

1. 주관심리반응

설정 온도별 기류속도 조건에 따른 쾌적감(CSV)과 온냉감(TSV)의 경시변화와 회귀식을 [Fig.2, 3]에 나타냈다. 설정온도가 26℃보다 낮은 경우에는 입실 초기 온도와 기류속도 강약 조건에 따라 ‘쾌적하다’ 또는 ‘중립’의 응답에서 시간경과에 따라 ‘불쾌하다’로 변화하는 것으로 나타났다. 특히 22℃조건과 24℃(1.03m/s)조건은 기류에 의해 쾌적감의 변화폭(‘쾌적’에서 ‘불쾌’)이 크게 나타났으며, 28℃조건은 쾌적감 신고값이 상승 및 유지함으로써, 입실 초기의 ‘약간 쾌적하다’의 신고값을 전반적으로 유지하는 경향을 나타냈다. 또한 약 1시간 경과 후에는 기류속도 0.75m/s와 1.03m/s의 쾌적감 신고값이 거의 일치하는 경향을 보였다. 26℃조건은 입실초기 ‘쾌적하다’에서 ‘중립’쪽으로 변화하는 경향을 나타냈고, 기류속도 1.03m/s쪽이 0.75m/s보다 하강폭이 크게 나타났다. 실험설정조건에서 고온영역인 28℃조건은 기류 속도에 관계없이 시간경과에 따라 쾌적감은 회귀식에서 양의 기울기로서 증가하는 경향을 보였지만, 22℃, 24℃, 26℃조건은 음의 기울기로서 시간경과에 따라 감소하는 경향을 나타내었다. 다만, 26℃, 0.75m/s조건은 상대적으로 음의 기울기가 완만하여 쾌적감은 중림이상으로 유지되고 있는 경향을 나타냈다. 본 연구에서 실험 설정 온도 및 기류속도 조건이 시간경과에 따라 쾌적감에 미치는 영향은 24℃ 이하에서는 기류속도 세기와 관계없이 기류의 존재가 쾌적감을 악화시키는 것으로 나타났고, 28℃에서는 기류의 존재가 쾌적감을 증대시키는 것으로 나타났다. 온냉감(TSV)의 변화는 일정한 기류 속도에서 온도 설정이 낮을수록, 체재 시간이 경과할수록 온냉감은 낮아지는 것으로 나타났다. 또한 설정온도가 낮을수록 온냉감은 급격하게 ‘춥다’라는 신고가 많아지는 것으로 나타났다. 28℃조건에서 기류속도 차이에 의한 온냉감의 변화는 0.75m/s와 1.03m/s에서 큰 차이가 없었고, 전반적으로 ‘약간 서늘하다’에서 ‘중립’사이로 나타났다. 26℃조건은 기류속도에 따라 차이가 보였고, 0.75m/s는 ‘중립’에서 ‘약간 서늘하다’의 범위였지만, 1.03m/s조건은 ‘약간 서늘하다’에서 ‘서늘하다’로 변화하는 경향을 나타냈다. 24℃, 22℃ 조건은 기류속도에 관계없이 쾌적범위를 벗어났고, 기류속도가 빠른쪽이 쾌적범위를 더 많이 벗어남을 알 수 있다. 온냉감 경시변화에 대한 회귀식의 기울기는 쾌적감 경시변화 회귀식과 달리 모든 온도 설정조건에서 음의 기울기를 나타내어 전체적으로 시간의 경과와 더불어 온냉감은 하락하는 것으로 나타났고, 기류속도에 따른 차이가 나타냈다

[Fig. 2]

Varition of CSV.

[Fig. 3]

Varition of TSV.

본 연구에서 제시된 온도 및 기류속도 범위에서 주관심리반응인 쾌적감과 온냉감은 고온조건인 28℃에서는 기류속도의 차이보다 존재로 인하여 쾌적감을 증진시키는 효과를 가져오는 것으로 판단되지만, 22℃ 및 24℃조건과 같이 상대적으로 저온영역에서 기류의 존재는 반대로 온냉감 및 쾌적감을 악화시키는 경향을 나타냈다. 반면에 26℃조건은 기류속도가 약한 경우에는 쾌적감을 증진시키지만, 강한 경우에는 쾌적감을 악화시키는 것으로 나타났다.

2. 평균피부온도

평균피부온도(MST)와 주관심리반응과의 상관관계를 [Fig.4, 5]에 나타냈다. 중립기준의 평균피부온도는 쾌적감과 온냉감 사이에 약 1.9℃의 차이가 있어, 온냉감 측면에서는 고온, 쾌적감 측면에서는 저온의 평균피부온도를 유지하는 것이 중립감을 유지하는 것으로 나타났다. 쾌적감의 경우 평균피부온도 약 33.5℃를 기준으로 ‘불쾌하다’에서 선형적으로 증가하여 ‘쾌적하다’라고 신고하였지만, 33.5℃를 초과하는 경우 ‘중립’으로 쾌적감이 떨어지는 경향을 나타냈다. 반면에 온냉감은 쾌적감과 달리 평균피부온도와 선형적인 관계를 나타내어 신고값이 평균피부온도와 잘 일치하고 있음을 알 수 있다.

[Fig. 4]

Correlation of CSV and MST

[Fig. 5]

Correlation of TSV and MST.

[Fig. 6]은 기류속도 차이에 따른 쾌적평균피부온도 범위를 비교한 결과 기류속도 1.03m/s 조건인 28℃는 실험시간 150분 모두 쾌적범위에 있었지만, 26℃는 약 50분, 24℃는 약 30분 정도만 쾌적범위에 있는 것으로 나타났다(Kim, 1998). 반면에 기류속도 0.75m/s에서는 26℃, 28℃는 150분, 24℃는 약 70분, 22℃는 약 50분 정도로 나타났다. 따라서 에어컨을 사용해서 냉방을 하는 경우 쾌적평균피부온도를 유지하기 위해서는 강한 기류속도보다 저속의 기류속도가 유리하고, 고온영역보다 저온영역에서 지속시간의 차이가 크게 나타났다(Kim et al., 2006).

[Fig. 6]

Variation of MST according to air velocity.

3. 생리반응

[Fig. 7]은 LF/HF비율로 통계적 유의차가 있었다. 산출된 LF/HF값은 모두 임상적으로 자율신경계의 균형상태라고 할 수 있는 0.5-2.0 범위로 나타났지만, 동일한 온도대에서 기류속도가 증가함에 따라 LF/HF값은 증가하였다(Kim and Kang., 2017). 이는 신체의 교감신경계의 활성이 기류속도 증가(0.75→1.03m/s)에 의해 영향을 받아 증가된 것으로 판단된다. 즉 교감신경계 활성화의 의미는 심장박동이 빨라지고 긴장상태가 되는 것으로, 교감신경이 과도하게 활성화되면 불안, 주의산만, 두근거림, 격노 등의 증상이 나타난다(Lee et al., 2006). 따라서 본 연구결과에서 나타난 변화 양상에서 기류속도의 증가가 인체의 교감신경 활성화에 영향을 주어 생리적으로 긴장상태로 변화시킨다고 판단할 수 있지만, 각 온도대별 변화폭에 따라 어느 정도 영향을 미치는 지에 대해서는 추가적인 연구가 필요하다고 판단된다.

[Fig. 7]

LF/HF ratio according to set temperature and air velocity.