인공 태양광 조건에서 창호 및 차양장치의 태양열취득률 측정방법에 관한 연구

Abstract

건물 부문의 에너지 소비는 지속적으로 증가하고 있으며, 특히, 냉방도일의 증가와 창 면적비가 높은 커튼월 건축물의 증가는 냉방에너지의 수요와 소비를 더욱 증가시키고 있다. 건물 냉방에너지의 정확한 평가를 통한 에너지의 절감을 위해서는 건축물에 적용되고 있는 다양한 창호와 차양장치 등 냉방에너지 절감 기술에 대한 정량적인 SHGC 성능의 제시가 선행되어야 한다. 현재, 실제 태양광을 이용한 SHGC 측정방법은 실내·외 환경조건의 다변화로 인해 정량적 평가가 어려운 실정이며, 이에 따라 창호 및 차양장치의 SHGC 평가는 시뮬레이션 해석을 중심으로 이루어지고 있다. 그러나 시뮬레이션 해석은 열 흐름이 복합적이고, 광학적 성분이 불분명한 대상에 대해 정량적 평가의 한계가 있으며, 해석결과에 대한 유효성 검증 없이 적용됨에 따라 건물 냉방부하의 산정 오류 등 많은 문제를 발생시키고 있다. 따라서, 건물 냉방에너지 성능의 정확한 평가와 에너지의 절감을 위해서는 정량적으로 SHGC의 성능을 평가할 수 있는 측정방법의 정립이 필요한 실정이다. 이에, 본 연구는 인공 태양광 조건에서 창호 및 차양장치의 SHGC 성능을 정량적으로 평가할 수 있는 측정방법의 정립을 목적으로 하고 있으며, 정립된 측정방법을 통하여 시뮬레이션 해석방법의 유효성을 검증하고 향상방안을 제안하였다.

본 연구는 총 6장으로 구성되며, 각 장의 내용은 아래와 같다.

제1장에서는 연구의 배경 및 목적을 기술하였으며, SHGC 변화가 건물에너지에 미치는 영향을 분석하고 정량적인 SHGC 성능의 필요성을 확인하였다. 선행연구의 고찰을 통하여 국내·외 SHGC 측정방법을 광원 및 측정 방식에 따라 분류하고 태양광을 이용한 측정방법의 한계와 인공 태양광을 이용한 측정방법의 특성을 도출하였다. 또한, SHGC 평가방법으로써 계산방법을 통한 그 적용 가능성과 한계를 확인하였다.

제2장에서는 SHGC와 U-value의 이론 모델과 시뮬레이션 해석의 고찰을 통하여 수학적 알고리즘에 기여하는 광학적 성분과 열적 성분의 메커니즘을 분석하고, 인공 태양광을 이용한 SHGC 측정방법의 영향 요인을 도출하였다.

제3장에서는 인공 태양광 조건에서 SHGC 측정방법의 영향 요인을 제시하고, 이를 바탕으로 SHGC와 U-value의 통합 측정 모델을 제안하였다. 또한, 인공 태양광, 실외 환경챔버, 열량 측정챔버로 구성된 측정장치를 제안하였으며, 각 구성부의 성능 검증 통하여 SHGC 측정방법을 정립하였다.

제4장에서는 SHGC 측정방법의 검증 실험을 위해 광학적 특성과 열적 특성이 단순하고 시뮬레이션 해석으로 예측 가능한 유리 제품군을 대상으로 겨울철과 여름철 조건에서 실험과 시뮬레이션 해석을 수행하였으며, 측정값과 해석값의 비교 분석을 통하여 측정방법의 타당성을 검증하였다.

제5장에서는 정립한 인공 태양광 조건에서 SHGC 측정방법을 이용하여 광학적 특성과 열적 특성이 복합적으로 작용하는 실내·외 차양장치를 대상으로 시뮬레이션 해석결과에 대한 유효성을 검증하였으며, 측정값과 해석값의 차이에 따른 건물 냉방에너지 소비량의 변화를 파악하였다. 또한, 이를 바탕으로 측정값과 해석값의 온도분포와 열전달률 경계조건의 차이를 확인하였으며, 측정방법의 경계조건을 기반으로 시뮬레이션 해석결과의 유효성 향상방안을 제안하고 검증하였다.

제6장에서는 본 연구에서 도출한 결론을 기술하였으며, 다음과 같다.

1. 커튼월 건물을 대상으로 SHGC 변화가 건물에너지에 미치는 영향을 분석한 결과, 냉방에너지 소요량은 SHGC 0.8 대비 0.4에서 37.0 %, 0.1에서 54.8 %의 절감율을 나타냈으며, 난방에너지 소요량은 SHGC 0.8 대비 0.4에서 37.2 %, 0.1에서 53.0 %의 증가율을 확인하였다. 총 건물에너지 소요량은 SHGC 0.8 대비 0.4에서 17.4 %, 0.1에서 20.8 %의 절감율을 보여 SHGC 성능 변화가 건물에너지 소비에 많은 영향을 미치는 것으로 나타났으며, 정량적인 SHGC 성능의 필요성을 확인하였다. 2. 건축물에 적용되고 있는 창호 및 차양장치의 SHGC 성능은 시뮬레이션 해석을 중심으로 평가가 이루어지고 있으나, 2원차적 해석의 한계와 오류로 인하여 실험적 측정방법의 필요성을 확인하였다. 또한, 태양광을 이용한 SHGC 측정방법은 실내·외 환경조건의 다변화로 인하여 정량적 평가의 한계를 나타냄에 따라, 인공 태양광을 이용한 측정방법을 중심으로 수행되고 있으나, 램프의 다양성과 열량측정 등 측정방식에 차이를 나타내고 있어 신뢰성 있는 측정방법의 정립이 필요함을 확인하였다.

3. 인공 태양광을 조건에서 SHGC 측정방법의 정립을 위해 인공 태양광의 요구 성능, 실내·외 환경조건, 태양광 취득열량의 측정 등 주요 영향 요인을 제시하였으며, 이를 바탕으로 겨울철, 여름철 조건에서 SHGC와 U-value를 측정할 수 있는 새로운 개념의 통합 측정 모델을 제안하였다. 측정 모델은 태양광 조사 조건에서 실내 태양광 취득열량 측정 모델 (, 순수 태양광 취득열량+관류열량)과 태양광 조사가 없는 조건에서 실내·외 온도차에 따라 유·출입 되는 관류열 측정 모델()로써 2단계의 측정 메커니즘으로 구성된다.

4. 주요 영향 요인과 측정 모델을 기반으로, 기준 태양광 스펙트럼(AM 1.5G)을 모사한 인공 태양광, 실외 환경조건을 모사한 실외 환경챔버, 실내 환경조건의 모사와 태양광 취득열량의 측정이 가능한 열량 측정챔버로 구성된 측정장치를 구축하였다. 또한, 각 구성부의 불확실성 요인이 제거된 성능 검증을 통하여 인공 태양광 조건에서 SHGC를 정량적으로 평가할 수 있는 측정방법을 정립하였다.

5. 정립된 SHGC 측정방법의 검증 실험을 위해 광학적 특성과 열적 특성이 단순하고 시뮬레이션으로 예측 가능한 유리 제품군을 대상으로, 여름철과 겨울철 조건에서 측정값과 해석값의 비교 검증 결과, 측정값과 해석값의 차이는 여름철 조건의 경우–0.013 (-1.8 %)∼0.011(3.3 %)의 범위에서 일치하는 것으로 나타났으며, 겨울철 조건의 경우–0.009(-1.9 %)∼0.016(2.7 %) 범위에서 일치하는 것을 나타냈다. 유리 제품군의 SHGC 측정값과 해석값의 오차율은 모든 Case에서 3.3 % 내 불확도 범위에서 일치하는 것을 나타냈으며, 이를 통해 SHGC 측정방법의 타당성을 검증하였다. 따라서, 본 연구에서 정립한 인공 태양광 조건에서 SHGC 측정방법은 건축물에 적용되는 창호 및 차양장치 등에 대하여 정량적인 SHGC 성능을 제시할 수 있으며, 보다 정확한 냉방에너지의 평가와 절감을 위한 성능지표로 활용 가능할 것으로 판단된다.

6. 정립된 SHGC 측정방법을 이용하여 시뮬레이션 해석결과의 유효성 검증 결과, 실내·외 차양장치의 슬랫각도 0˚, 90˚ 변화 조건에서 측정값과 해석값의 오차율은 최대 5 % 범위에서 일치하는 것을 나타냈으나, 슬랫각도 –45˚, +45˚ 변화 조건에서 오차율은 실내 차양장치의 경우 최대 14.3 %, 실외 차양장치 경우 최대 31.3 %까지 증가하는 것으로 나타났다. 슬랫각도 –45˚와 +45˚ 조건에서 오차의 원인은 실내 측으로 유입되는 열 흐름 외, 슬랫에서 태양광의 흡수 후 유리 사이의 이격공간과 실내 측으로 재방사 되는 추가적인 열 흐름이 발생하며, 이러한 혼합적인 열적 성분에 대한 2차원적 해석의 오류로 판단된다. 또한, 열 흐름이 더욱 복합적인 대상의 경우 측정값과 해석값의 오차가 더욱 증가할 것으로 사료된다. 따라서, 시뮬레이션 해석은 광학적 성분과 열적 성분이 단순한 대상에 대해 제한적으로 활용되어야 하며, 열 흐름이 복합적이고 특성이 불분명한 대상에 대한 SHGC 성능은 측정방법을 통하여 제시되어야 할 것으로 판단된다.

7. 유효성 검증 결과에 따라 측정값과 해석값의 SHGC 차이가 건물 냉방에너지의 소비량에 미치는 영향을 분석한 결과, 측정값의 SHGC 0.427를 적용한 경우, 냉방에너지 요구량은 40.8 kW/(㎡·yr), 소요량은 10.2 kW/(㎡·yr)를 나타냈으며, 해석값의 SHGC 0.380을 적용한 경우, 냉방에너지 요구량은 35.6 kW/(㎡·yr), 소요량은 9.9 kW/(㎡·yr)으로 나타났다. 건물 냉방에너지의 요구량 및 소요량의 오차율은 각각 12.7 %, 2.9 %를 나타내 해석값을 적용했을 경우, 측정값과 비교하여 건물 냉방에너지가 더 감소되는 것으로 평가되었으며 이는, 건물 냉방에너지 평가결과의 신뢰성을 확보할 수 없음을 나타낸다. 특히, 건물 냉방에너지 요구량의 차이는 관련 설비시스템의 종류, 용량, 효율 등의 산정 오류와 신재생에너지 적용 등에 문제가 발생할 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 광학적 특성과 열적 특성이 더욱 복잡한 대상의 경우, 건물 냉방에너지 소비의 평가결과는 더욱 신뢰성이 더욱 감소할 것으로 사료된다. 8. 실내 베네시안 블라인드를 대상으로 측정값과 해석값의 온도분포 비교 결과, 슬랫각도 0˚ 조건에서 측정값과 해석값의 온도 차이는 최대 0.9 ℃에서 수렴되었으나, 슬랫각도 -45˚, +45˚ 변화 조건에서는 최대 5.2 ℃의 온도 차이를 나타내 슬랫각도 변화에 따라 차이가 증가함을 확인하였다. 측정값과 해석값의 열전달률 비교 결과, 슬랫각도 0˚ 조건에서 측정값과 해석값의 표면열전달률의 차이는 0.17 W/(㎡·K)를 나타냈으나, 슬랫각도 -45˚, 45˚ 조건에서는 각각 -2.17 W/(㎡·K), -2.02 W/(㎡·K)를 나타내 차이의 증가를 확인하였다. 이러한 슬랫각도 변화에 따른 열전달률의 차이는 슬랫의 재방사 열량이 Shading 공간의 온도분포 특성과 열 흐름을 혼합적으로 변화시키며, 열전달률 경계조건에 영향을 미치는 것으로 판단된다.

9. 시뮬레이션 해석결과의 유효성 향상방안으로 측정값의 열전달률을 경계조건을 제안하였으며, 열전달률 경계조건 보정 후 측정값과 재해석값의 온도분포 차이는 3 ℃ 내로 개선됨을 확인하였다. 또한, SHGC의 측정값과 재해석값의 오차율은 열전달률 경계조건 보정 전 1.8 %∼6.1 % 범위에서 보정 후 1.0 %∼3.2 % 범위로 감소함을 나타냈다. 따라서, 측정값의 열전달률 경계조건은 시뮬레이션 해석의 오류를 보완할 수 있으며, 시뮬레이션 해석결과의 유효성 향상방안으로 활용될 수 있는 것으로 판단된다.

연구를 통하여 제시한 결과는 다음과 같이 활용될 수 있다.

창호 및 차양장치 등과 같은 다양한 냉방에너지 절감 기술에 대하여 시뮬레이션으로 평가할 수 없었던 기하학적 형상 또는 물성이 불분명한 대상의 정량적인 SHGC 성능을 제시할 수 있으며, 이를 통해 건축물 설계단계에서 정확한 건물 냉방에너지의 평가와 에너지의 절감을 위한 신뢰성 있는 성능지표로 활용될 수 있다.

또한, 다양한 기능과 형태로 건축물에 적용되는 냉방에너지 절감 기술에 대한 수평적 개념의 정량적 성능 비교가 가능함에 따라 창호의 냉방에너지 효율 등급 정립을 위한 측정방법으로 활용될 수 있으며, 이러한 제도적 정립을 통하여 건물 냉방에너지 절감에 기여할 수 있다.