에너지 위기로 인해 건물의 에너지 절감 기술과 절감형 디자인의 개발은 디자이너와 공학자 모두에 의해 지속적으로 발전해왔다. 절감형 디자인의 하나인 이중 외피는 디자인 측면에서 각광받고 있는 유리를 이용한 파사드 기술이다. 이는 유렵을 중심으로 연구가 이루어져 왔으며 많은 건축가에 의해 적용이 되어 왔다.
하지만 이중외피 시스템은 지속적으로 변하는 외부 환경과의 상호작용에서 복잡한 열?유체적 거동을 일으키기 때문에 불확실성이 많다. 또한 많은 연구에서 에너지 사용과 온열 환경의 측면에서 긍정적인 시각과 부정적인 시각이 대립하고 있다. 이는 이중외피 건물에 대한 실측 자료와 실험 데이터가 부족하고 다양한 기후에서의 적용 가능성에 대한 결과나 기준이 체계적으로 정리되어 있지 않기 때문이다.
유럽에서는 이중외피 시스템에 관해 상대적으로 많은 연구가 수행되었다. 그러나 건물의 에너지 성능을 향상시키기 위해 적용되는 ...
에너지 위기로 인해 건물의 에너지 절감 기술과 절감형 디자인의 개발은 디자이너와 공학자 모두에 의해 지속적으로 발전해왔다. 절감형 디자인의 하나인 이중 외피는 디자인 측면에서 각광받고 있는 유리를 이용한 파사드 기술이다. 이는 유렵을 중심으로 연구가 이루어져 왔으며 많은 건축가에 의해 적용이 되어 왔다.
하지만 이중외피 시스템은 지속적으로 변하는 외부 환경과의 상호작용에서 복잡한 열?유체적 거동을 일으키기 때문에 불확실성이 많다. 또한 많은 연구에서 에너지 사용과 온열 환경의 측면에서 긍정적인 시각과 부정적인 시각이 대립하고 있다. 이는 이중외피 건물에 대한 실측 자료와 실험 데이터가 부족하고 다양한 기후에서의 적용 가능성에 대한 결과나 기준이 체계적으로 정리되어 있지 않기 때문이다.
유럽에서는 이중외피 시스템에 관해 상대적으로 많은 연구가 수행되었다. 그러나 건물의 에너지 성능을 향상시키기 위해 적용되는 패시브 기술은 대상 건물이 들어서는 지역의 기후조건에 따라 달라져야 한다. 따라서 유럽에서의 연구를 한국에서 적용하는 것에는 한계가 있다.
본 연구는 지금까지 한국에서 거의 수행되지 않았던 다층형 이중외피의 실제 거동을 측정하였다. 그리고 이 모니터링 데이터에 근거하여 유효성이 검증된 시뮬레이션 모델을 바탕으로 한국 기후에서 단일외피와 비교한 이중외피 건물의 부하 특성과 계절별 제어 전략을 제시하였다. 또한 이중외피 중공층의 최적 디자인에 대한 연구를 진행하였다.
본 연구의 결과는 다음과 같다.
1) 중공층 내 공기?표면 온도와 유량에 대한 시뮬레이션과 실측 데이터가 비교?검증 되었다. 중간기와 냉방기에 비해 중공층 상?하단부가 닫힌 채 크랙을 통한 유량이 지배적인 난방기 온도의 오차가 상대적으로 컸다. 10초 단위의 실측 유량과 시간 단위의 시뮬레이션 유량에 대한 검증이 이루어졌다. 유량은 외부 일사량과 풍속에 비례하였다.
2) 난방기의 이중외피는 일사가 차단되어 난방부하에 부정적이지만 중공층의 온실 효과로 인한 열전달이 이를 상쇄하였고, 단일 외피와 비교하여 13.8%의 난방 에너지 절감 효과를 보여주었다. 중간기?냉방기의 이중외피는 중공층의 온실효과로 인한 열전달이 냉방부하에 부정적이지만 일사 차단의 효과가 이를 상쇄하였으며, 단일 외피와 비교하여 1.9~2.1%의 냉방 에너지 절감 효과를 보여주었다. 반면 중공층의 온도가 최대로 상승하는 6~8월의 경우 이중외피가 오히려 단일외피보다 불리한 결과를 보여주기도 하였으며 그 차이는 미미하였다.
3) 중공층을 공조기의 예열 공간으로 활용하는 난방기의 제안 모델은 제어 전략이 적용되지 않은 이중외피 모델과 비교하여 총 18.9 %의 난방 에너지 절감 효과를 보여주었다. 중공층의 공기를 실내로 유입하여 자연환기하고, 그 양에 따라 공조기의 외기 도입량이 조절되는 중간기?냉방기의 제안 모델은 제어 전략이 적용되지 않은 이중외피 모델과 비교하여 총 7.5%의 냉방 에너지 절감 효과를 보여주었다.
4) 이중외피의 외측 창, 내측창의 중공층쪽 유리, 내측창의 공조존쪽 유리에 대해 34종의 유리를 이용한 최적화를 진행하였다. 냉방 에너지는 25.1% 증가하였지만, 난방과 조명 에너지가 각각 45.3%, 10.6% 줄어들면서 총 10.85%의 에너지 절감 효과를 보여주었다. 또한 8~148cm 범위의 중공층 너비에 대한 최적화를 진행하였다. 냉방 에너지는 4.3% 증가하였지만, 난방과 조명 에너지가 각각 5.6%, 6.72% 줄어들면서 총 1.74%의 에너지 절감 효과를 보여주었다.
에너지 위기로 인해 건물의 에너지 절감 기술과 절감형 디자인의 개발은 디자이너와 공학자 모두에 의해 지속적으로 발전해왔다. 절감형 디자인의 하나인 이중 외피는 디자인 측면에서 각광받고 있는 유리를 이용한 파사드 기술이다. 이는 유렵을 중심으로 연구가 이루어져 왔으며 많은 건축가에 의해 적용이 되어 왔다.
하지만 이중외피 시스템은 지속적으로 변하는 외부 환경과의 상호작용에서 복잡한 열?유체적 거동을 일으키기 때문에 불확실성이 많다. 또한 많은 연구에서 에너지 사용과 온열 환경의 측면에서 긍정적인 시각과 부정적인 시각이 대립하고 있다. 이는 이중외피 건물에 대한 실측 자료와 실험 데이터가 부족하고 다양한 기후에서의 적용 가능성에 대한 결과나 기준이 체계적으로 정리되어 있지 않기 때문이다.
유럽에서는 이중외피 시스템에 관해 상대적으로 많은 연구가 수행되었다. 그러나 건물의 에너지 성능을 향상시키기 위해 적용되는 패시브 기술은 대상 건물이 들어서는 지역의 기후조건에 따라 달라져야 한다. 따라서 유럽에서의 연구를 한국에서 적용하는 것에는 한계가 있다.
본 연구는 지금까지 한국에서 거의 수행되지 않았던 다층형 이중외피의 실제 거동을 측정하였다. 그리고 이 모니터링 데이터에 근거하여 유효성이 검증된 시뮬레이션 모델을 바탕으로 한국 기후에서 단일외피와 비교한 이중외피 건물의 부하 특성과 계절별 제어 전략을 제시하였다. 또한 이중외피 중공층의 최적 디자인에 대한 연구를 진행하였다.
본 연구의 결과는 다음과 같다.
1) 중공층 내 공기?표면 온도와 유량에 대한 시뮬레이션과 실측 데이터가 비교?검증 되었다. 중간기와 냉방기에 비해 중공층 상?하단부가 닫힌 채 크랙을 통한 유량이 지배적인 난방기 온도의 오차가 상대적으로 컸다. 10초 단위의 실측 유량과 시간 단위의 시뮬레이션 유량에 대한 검증이 이루어졌다. 유량은 외부 일사량과 풍속에 비례하였다.
2) 난방기의 이중외피는 일사가 차단되어 난방부하에 부정적이지만 중공층의 온실 효과로 인한 열전달이 이를 상쇄하였고, 단일 외피와 비교하여 13.8%의 난방 에너지 절감 효과를 보여주었다. 중간기?냉방기의 이중외피는 중공층의 온실효과로 인한 열전달이 냉방부하에 부정적이지만 일사 차단의 효과가 이를 상쇄하였으며, 단일 외피와 비교하여 1.9~2.1%의 냉방 에너지 절감 효과를 보여주었다. 반면 중공층의 온도가 최대로 상승하는 6~8월의 경우 이중외피가 오히려 단일외피보다 불리한 결과를 보여주기도 하였으며 그 차이는 미미하였다.
3) 중공층을 공조기의 예열 공간으로 활용하는 난방기의 제안 모델은 제어 전략이 적용되지 않은 이중외피 모델과 비교하여 총 18.9 %의 난방 에너지 절감 효과를 보여주었다. 중공층의 공기를 실내로 유입하여 자연환기하고, 그 양에 따라 공조기의 외기 도입량이 조절되는 중간기?냉방기의 제안 모델은 제어 전략이 적용되지 않은 이중외피 모델과 비교하여 총 7.5%의 냉방 에너지 절감 효과를 보여주었다.
4) 이중외피의 외측 창, 내측창의 중공층쪽 유리, 내측창의 공조존쪽 유리에 대해 34종의 유리를 이용한 최적화를 진행하였다. 냉방 에너지는 25.1% 증가하였지만, 난방과 조명 에너지가 각각 45.3%, 10.6% 줄어들면서 총 10.85%의 에너지 절감 효과를 보여주었다. 또한 8~148cm 범위의 중공층 너비에 대한 최적화를 진행하였다. 냉방 에너지는 4.3% 증가하였지만, 난방과 조명 에너지가 각각 5.6%, 6.72% 줄어들면서 총 1.74%의 에너지 절감 효과를 보여주었다.
Due to the energy crisis, energy-efficient design and energy reduction technologies for buildings have been consistently developed by designers and engineers. The double skin facades(DSF) system is one of the energy-saving designs and based on facade technology using glass that is popular material i...
Due to the energy crisis, energy-efficient design and energy reduction technologies for buildings have been consistently developed by designers and engineers. The double skin facades(DSF) system is one of the energy-saving designs and based on facade technology using glass that is popular material in designs. This has been applied by numerous architects based on the studies mainly conducted in Europe.
However, the DSF system has many uncertainties since it causes complex thermal/fluid behaviors in its interaction with a constantly changing external environment. In addition, many conflicting views arise in terms of energy use and thermal comfort. The reason for this is that there is lack of monitoring data and no systematically organized results or design criteria on the possible application under a wide range of climates conditions of DSF.
Until now, many studies on the DSF systems have been conducted in Europe. The selection of passive strategy applicable to the improvement of building energy performance varies depending on the climatic condition of the target buildings. Thus, simply applying the European example is inappropriate in Korea?s climatic condition.
This study measured the actual behavior of multi-story DSF, which has hardly been done before in South Korea. The load characteristics of DSF buildings compared with Single skin facades(SSF) ones under weather conditions in Korea and the seasonal control strategies were suggested based on the simulation models verified through monitoring data. In addition, the research on the optimal design of DSF was carried out. The results of this study are as follows.
1) Simulations on the air flow rate and air/surface temperature within cavity and measured data were compared and verified. Relatively greater error occurred in the temperature of heating seasons dominated by air flow through the cracks with upper and lower openings of cavity closed, compared with that of intermediate and cooling seasons. Verification on the actual flow rate of 10 seconds and simulated flow rate by hours was conducted. From the result, the flow rate turned out to be in proportion to external irradiation and wind speed.
2) The DSF in heating seasons was negative to heating load due to cutting off solar radiation. However this was offset by heat transfer due to the greenhouse effect of cavity, and heating coil energy of 13% was reduced in comparison with SSF. In the case of DSF in intermediate and cooling seasons, the heat transfer due to the greenhouse effect of cavity was negative to cooling load. This was offset by the effect of cutting off solar radiation. The cooling coil energy of 1.9?2.1% was reduced in comparison with the SSF. On the other hand, the double-skin facade sometimes showed more disadvantageous results than those of SSF from July to August when the temperature of cavity rises to the maximum; however, its minimal difference had no significance.
3) The proposed model of the heating seasons utilizing cavity as pre-heating space of HVAC system reduced coil energy of 18.9%, compared with DSF model in which control strategies are not applied. The proposed model of the intermediate and cooling seasons utilized natural ventilation through the inflow air of cavity. Based on this, an amount of outdoor air to HVAC system is adjusted and reduced cooling energy of 7.5%, compared with a DSF model in which control strategies are not applied.
4) Optimization was conducted using 34 glass-type data, targeting the glass of outer layer, outside surface of inner layer and inside surface of inner layer. From the results, cooling energy increased by 25.1%, but heating and lighting energy decreased by 45.3% and 10.6% respectively, thereby contributing to a total of 10.85% energy reduction. Optimization on the width of cavity of 8 cm to 148 cm was conducted. From the results, cooling energy increased by 4.3%, but heating and lighting energy decreased by 5.6% and 6.72% respectively, thereby contributing to a total of 1.74% energy reduction.
Keywords : Multi-story Double Skin Facades, Measurement and Verification, EnergyPlus, Airflow Network, Operation Strategies, Optimal Design, GenOpt, Particle Swarm Optimization(PSO)
Due to the energy crisis, energy-efficient design and energy reduction technologies for buildings have been consistently developed by designers and engineers. The double skin facades(DSF) system is one of the energy-saving designs and based on facade technology using glass that is popular material in designs. This has been applied by numerous architects based on the studies mainly conducted in Europe.
However, the DSF system has many uncertainties since it causes complex thermal/fluid behaviors in its interaction with a constantly changing external environment. In addition, many conflicting views arise in terms of energy use and thermal comfort. The reason for this is that there is lack of monitoring data and no systematically organized results or design criteria on the possible application under a wide range of climates conditions of DSF.
Until now, many studies on the DSF systems have been conducted in Europe. The selection of passive strategy applicable to the improvement of building energy performance varies depending on the climatic condition of the target buildings. Thus, simply applying the European example is inappropriate in Korea?s climatic condition.
This study measured the actual behavior of multi-story DSF, which has hardly been done before in South Korea. The load characteristics of DSF buildings compared with Single skin facades(SSF) ones under weather conditions in Korea and the seasonal control strategies were suggested based on the simulation models verified through monitoring data. In addition, the research on the optimal design of DSF was carried out. The results of this study are as follows.
1) Simulations on the air flow rate and air/surface temperature within cavity and measured data were compared and verified. Relatively greater error occurred in the temperature of heating seasons dominated by air flow through the cracks with upper and lower openings of cavity closed, compared with that of intermediate and cooling seasons. Verification on the actual flow rate of 10 seconds and simulated flow rate by hours was conducted. From the result, the flow rate turned out to be in proportion to external irradiation and wind speed.
2) The DSF in heating seasons was negative to heating load due to cutting off solar radiation. However this was offset by heat transfer due to the greenhouse effect of cavity, and heating coil energy of 13% was reduced in comparison with SSF. In the case of DSF in intermediate and cooling seasons, the heat transfer due to the greenhouse effect of cavity was negative to cooling load. This was offset by the effect of cutting off solar radiation. The cooling coil energy of 1.9?2.1% was reduced in comparison with the SSF. On the other hand, the double-skin facade sometimes showed more disadvantageous results than those of SSF from July to August when the temperature of cavity rises to the maximum; however, its minimal difference had no significance.
3) The proposed model of the heating seasons utilizing cavity as pre-heating space of HVAC system reduced coil energy of 18.9%, compared with DSF model in which control strategies are not applied. The proposed model of the intermediate and cooling seasons utilized natural ventilation through the inflow air of cavity. Based on this, an amount of outdoor air to HVAC system is adjusted and reduced cooling energy of 7.5%, compared with a DSF model in which control strategies are not applied.
4) Optimization was conducted using 34 glass-type data, targeting the glass of outer layer, outside surface of inner layer and inside surface of inner layer. From the results, cooling energy increased by 25.1%, but heating and lighting energy decreased by 45.3% and 10.6% respectively, thereby contributing to a total of 10.85% energy reduction. Optimization on the width of cavity of 8 cm to 148 cm was conducted. From the results, cooling energy increased by 4.3%, but heating and lighting energy decreased by 5.6% and 6.72% respectively, thereby contributing to a total of 1.74% energy reduction.
Keywords : Multi-story Double Skin Facades, Measurement and Verification, EnergyPlus, Airflow Network, Operation Strategies, Optimal Design, GenOpt, Particle Swarm Optimization(PSO)
주제어
#다층형 이중외피
#측정과 검증
#EnergyPlus
#Airflow Network
#제어 전략
#최적 디자인
#GenOpt
#Particle Swarm Optimization(PSO)
AI-Helper
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.