[학위논문]스마트 변색 창호의 제어방법에 따른 빛환경 및 건물에너지 성능평가 연구 Evaluation of Building Light Environment and Energy Performance according to Smart Window System Control Strategies
건물에서의 에너지 절감은 탄소중립과 관련하여 중요한 고려 요소로 강조되어, 제 로 에너지 건축물에 대한 관심이 증가하고 있다. 제로에너지 건축물을 구현하기 위 해서는 먼저 외피의 성능을 향상시키는 것이 필수적이다. 외피의 구성 요소 중 창호 는 일사 및 주광을 실내로 유입하기 위해 유리로 구성되어 있어, 벽체에 비해 낮은 단열성능을 갖으며, 창호를 통해 유입되는 일사는 건물에너지에 상당한 영향을 미친 다. 일사는 계절과 같은 기후적 요인에 따라 적절하게 조절되어야 하지만, 주광은 연 중 내내 적절한 유입이 필요하다. 일사와 주광은 동시에 제공되는 특징을 갖고 있기 때문에, 상반된 조절이 필요한 경우 조절에 어려움이 수반된다. 이에 본 연구에서는 주광과 일사를 효과적으로 조절하기 위해 기존에 사용되던 고정된 투과율을 갖는 차 양장치나 유리가 아닌, 외부요인에 따라 투과율을 변화시킬 수 있는 스마트 변색 창 호에 대한 운영방법을 모색하고 이에 따른 영향을 분석한다. 본 연구에서는 스마트 변색 창호의 운영방법에 따른 영향을 분석하기 위해 건물에 너지 ...
스마트 변색 창호의 제어방법에 따른 빛환경 및 건물에너지 성능평가 연구
論文提出者 金 載 原 指 導 敎 授 尹 鍾 皓
건물에서의 에너지 절감은 탄소중립과 관련하여 중요한 고려 요소로 강조되어, 제 로 에너지 건축물에 대한 관심이 증가하고 있다. 제로에너지 건축물을 구현하기 위 해서는 먼저 외피의 성능을 향상시키는 것이 필수적이다. 외피의 구성 요소 중 창호 는 일사 및 주광을 실내로 유입하기 위해 유리로 구성되어 있어, 벽체에 비해 낮은 단열성능을 갖으며, 창호를 통해 유입되는 일사는 건물에너지에 상당한 영향을 미친 다. 일사는 계절과 같은 기후적 요인에 따라 적절하게 조절되어야 하지만, 주광은 연 중 내내 적절한 유입이 필요하다. 일사와 주광은 동시에 제공되는 특징을 갖고 있기 때문에, 상반된 조절이 필요한 경우 조절에 어려움이 수반된다. 이에 본 연구에서는 주광과 일사를 효과적으로 조절하기 위해 기존에 사용되던 고정된 투과율을 갖는 차 양장치나 유리가 아닌, 외부요인에 따라 투과율을 변화시킬 수 있는 스마트 변색 창 호에 대한 운영방법을 모색하고 이에 따른 영향을 분석한다. 본 연구에서는 스마트 변색 창호의 운영방법에 따른 영향을 분석하기 위해 건물에 너지 시뮬레이션 프로그램인 EnergyPlus와 창호의 성능지표를 파악하기 위해 Window 7.7을 활용했다. 스마트 변색 창호에 대한 다양한 분석을 수행하기 위해 총 5가지의 운영방법을 모색했으며, 이외에도 시뮬레이션을 위한 사무용 건물 프로토타 입 모델, 4개 도시에 대한 기상데이터, 4개의 스마트 변색 창호 유형, 스마트 창호의 상대적인 성능 파악을 위한 2개의 비교군 창호를 설정하여 다양한 분석을 수행했다. 또한, 사무용 건물을 대상으로 분석하는 만큼 Dimming Control의 유무에 따른 영향 도 고려했다. 연구결과는 다음과 같다. (1) 지역별로 스마트 변색 창호의 성능평가를 수행한 결과, 난방도일이 높은 춘천 에서는 ABS 유형이 REF 유형보다 높은 성능을 보이며, 난방도일이 낮은 제주에서 는 REF 유형이 높은 성능을 나타냈다. 이는 난방도일이 높은 지역일수록 ABS 유형 이 적합하며, 반대의 경우에는 REF 유형이 적합함을 의미한다. 그러나 난방도일이 높은 지역에서는 스마트 변색 창호의 성능이 Reference와 Low-e #2 성능과 유사하 거나 더 낮은 경향을 나타냈다. (2) 스마트 변색 창호의 복층 구조에서 Layer 1에 적용된 ABS1과 REF1이 Layer 2에 적용된 ABS2와 REF2보다 대부분 더 높은 성능을 나타냈다. No Control 상태에 서는 ABS1과 ABS2를 비교했을 때 ABS2의 성능이 소폭 높게 나타났다. (3) 건물에너지 절감 측면에서, "외기온도 기반 제어"를 다른 제어방법과 비교했을 때 Total EUI에 대해 가장 큰 절감을 보였다. 다음으로 Schedule Control, 실내온도 기반 제어, DGI 기반 제어, No Control 순으로 높은 절감을 보였다. 또한, Dimming Control을 하지 않은 경우, Dimming Control을 한 경우보다 스마트 변색 창호로 인 한 절감이 더 높게 나타났다. (4) 실내 빛환경 측면에서는 탈색 상태의 스마트 변색 창호에 No Control을 적용 하는 경우를 제외하고, 모든 제어 조건 및 스마트 변색 창호가 실내 빛환경을 개선 했다. 특히 No Control에서 착색 상태로 운영된 스마트 변색 창호 및 DGI 기반 제어 로 운영된 스마트 변색 창호가 가장 안정적인 실내 빛환경을 조성했다. (5) 일반적으로 실제 사무용 건물에서 차양장치는 부하 절감보다 창호 인근에 위 치하는 재실자의 현휘 방지를 우선으로 고려하여 조절된다. 이러한 운영은 일사와 주광을 동시에 차단하여 하절기에 냉방부하 감소시키고 현휘 방지에 효과적이지만, 동절기에는 현휘 방지 외에 난방 부하를 증가시킨다. 따라서 건물에너지 절감을 고 려하기 전에 창호 인근의 재실자의 현휘를 최우선으로 해결해야 한다. 이러한 배경 을 바탕으로 스마트 변색 창호에 대한 DGI 기반 제어를 수행했다. 결과적으로, 착색 상태의 스마트 변색 창호에 No Control을 적용하여 운영하는 경우를 제외하고, 가장 안정적인 실내 빛환경을 조성하면서 Reference 대비 최대 5%, Low-e #2 대비 최대 2%의 건물에너지 절감을 도출했다. 건물에너지 절감을 최우선으로 고려하는 제어방 법보다는 적은 절감량이지만, 이러한 결과는 현휘를 최우선으로 고려하더라도 건물 에너지 절감이 가능하다는 것을 나타낸다. 다만, DGI 기반 제어시에는 Layer 1에 스 마트 변색 유리를 적용하는 것이 필수적이며, 이에도 불구하고 난방도일이 높은 지 역에서는 Low-e #2 대비 더 많은 건물에너지 소비를 나타냈다.
스마트 변색 창호의 제어방법에 따른 빛환경 및 건물에너지 성능평가 연구
論文提出者 金 載 原 指 導 敎 授 尹 鍾 皓
건물에서의 에너지 절감은 탄소중립과 관련하여 중요한 고려 요소로 강조되어, 제 로 에너지 건축물에 대한 관심이 증가하고 있다. 제로에너지 건축물을 구현하기 위 해서는 먼저 외피의 성능을 향상시키는 것이 필수적이다. 외피의 구성 요소 중 창호 는 일사 및 주광을 실내로 유입하기 위해 유리로 구성되어 있어, 벽체에 비해 낮은 단열성능을 갖으며, 창호를 통해 유입되는 일사는 건물에너지에 상당한 영향을 미친 다. 일사는 계절과 같은 기후적 요인에 따라 적절하게 조절되어야 하지만, 주광은 연 중 내내 적절한 유입이 필요하다. 일사와 주광은 동시에 제공되는 특징을 갖고 있기 때문에, 상반된 조절이 필요한 경우 조절에 어려움이 수반된다. 이에 본 연구에서는 주광과 일사를 효과적으로 조절하기 위해 기존에 사용되던 고정된 투과율을 갖는 차 양장치나 유리가 아닌, 외부요인에 따라 투과율을 변화시킬 수 있는 스마트 변색 창 호에 대한 운영방법을 모색하고 이에 따른 영향을 분석한다. 본 연구에서는 스마트 변색 창호의 운영방법에 따른 영향을 분석하기 위해 건물에 너지 시뮬레이션 프로그램인 EnergyPlus와 창호의 성능지표를 파악하기 위해 Window 7.7을 활용했다. 스마트 변색 창호에 대한 다양한 분석을 수행하기 위해 총 5가지의 운영방법을 모색했으며, 이외에도 시뮬레이션을 위한 사무용 건물 프로토타 입 모델, 4개 도시에 대한 기상데이터, 4개의 스마트 변색 창호 유형, 스마트 창호의 상대적인 성능 파악을 위한 2개의 비교군 창호를 설정하여 다양한 분석을 수행했다. 또한, 사무용 건물을 대상으로 분석하는 만큼 Dimming Control의 유무에 따른 영향 도 고려했다. 연구결과는 다음과 같다. (1) 지역별로 스마트 변색 창호의 성능평가를 수행한 결과, 난방도일이 높은 춘천 에서는 ABS 유형이 REF 유형보다 높은 성능을 보이며, 난방도일이 낮은 제주에서 는 REF 유형이 높은 성능을 나타냈다. 이는 난방도일이 높은 지역일수록 ABS 유형 이 적합하며, 반대의 경우에는 REF 유형이 적합함을 의미한다. 그러나 난방도일이 높은 지역에서는 스마트 변색 창호의 성능이 Reference와 Low-e #2 성능과 유사하 거나 더 낮은 경향을 나타냈다. (2) 스마트 변색 창호의 복층 구조에서 Layer 1에 적용된 ABS1과 REF1이 Layer 2에 적용된 ABS2와 REF2보다 대부분 더 높은 성능을 나타냈다. No Control 상태에 서는 ABS1과 ABS2를 비교했을 때 ABS2의 성능이 소폭 높게 나타났다. (3) 건물에너지 절감 측면에서, "외기온도 기반 제어"를 다른 제어방법과 비교했을 때 Total EUI에 대해 가장 큰 절감을 보였다. 다음으로 Schedule Control, 실내온도 기반 제어, DGI 기반 제어, No Control 순으로 높은 절감을 보였다. 또한, Dimming Control을 하지 않은 경우, Dimming Control을 한 경우보다 스마트 변색 창호로 인 한 절감이 더 높게 나타났다. (4) 실내 빛환경 측면에서는 탈색 상태의 스마트 변색 창호에 No Control을 적용 하는 경우를 제외하고, 모든 제어 조건 및 스마트 변색 창호가 실내 빛환경을 개선 했다. 특히 No Control에서 착색 상태로 운영된 스마트 변색 창호 및 DGI 기반 제어 로 운영된 스마트 변색 창호가 가장 안정적인 실내 빛환경을 조성했다. (5) 일반적으로 실제 사무용 건물에서 차양장치는 부하 절감보다 창호 인근에 위 치하는 재실자의 현휘 방지를 우선으로 고려하여 조절된다. 이러한 운영은 일사와 주광을 동시에 차단하여 하절기에 냉방부하 감소시키고 현휘 방지에 효과적이지만, 동절기에는 현휘 방지 외에 난방 부하를 증가시킨다. 따라서 건물에너지 절감을 고 려하기 전에 창호 인근의 재실자의 현휘를 최우선으로 해결해야 한다. 이러한 배경 을 바탕으로 스마트 변색 창호에 대한 DGI 기반 제어를 수행했다. 결과적으로, 착색 상태의 스마트 변색 창호에 No Control을 적용하여 운영하는 경우를 제외하고, 가장 안정적인 실내 빛환경을 조성하면서 Reference 대비 최대 5%, Low-e #2 대비 최대 2%의 건물에너지 절감을 도출했다. 건물에너지 절감을 최우선으로 고려하는 제어방 법보다는 적은 절감량이지만, 이러한 결과는 현휘를 최우선으로 고려하더라도 건물 에너지 절감이 가능하다는 것을 나타낸다. 다만, DGI 기반 제어시에는 Layer 1에 스 마트 변색 유리를 적용하는 것이 필수적이며, 이에도 불구하고 난방도일이 높은 지 역에서는 Low-e #2 대비 더 많은 건물에너지 소비를 나타냈다.
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