[논문]태양열 냉난방 부하산정을 위한 TRNSYS 동적 시뮬레이션

최창용; 고상철; 곽희열

문제 정의

본 연구에서는 건물의 냉난방 부하산정을 위한 TRNSYS Type 56 멀티존 빌딩 모듈의 모델링이 이루어졌고, 특히 태양열 구동 냉난방 시스템을 이용한 공기조화를 목적으로 하는 열람실 1과 열람실 2에 대한 2004년도 연중 동적부하 계산결과가 제시되었다. 이로 부터 사용인원이 각각 열람실 최대 허용인원의 50%, 80%, 100%인 경우에 대해서 진공관형 태양열 시스템을 사용하는 10RT 급의 흡수식 냉방시스템 설계의 적절성이 검토되었다.
본 연구에서는 광주광역시의한 문화센터 건물 3층에 위치한 도서실 공간을 진공관형 태양열 시스템을 이용하여 난방과 함께 냉방을 하고자 할때 대상 공간에 대한 연중 냉난방 부하를 예측하고자 한다. 태양열을 이용하여 난방과 냉방을 동시에 수행하는 것은 태양열시스템의 연중 이용효율을 높이고 여름철 태양열 집열시스템의 과열문제를 감소시키는 효과를 얻게 된다.

제안 방법

광주광역시의 문화센터 건물 3층에 위치한 도서실에 대한 연중 냉난방 부하를 예측하기 위해서 TRNSYS를 이용한 동적 열에너지 시뮬레이션을수행하였다. 본 연구에서는 건물의 냉난방 부하산정을 위한 TRNSYS Type 56 멀티존 빌딩 모듈의 모델링이 이루어졌고, 특히 태양열 구동 냉난방 시스템을 이용한 공기조화를 목적으로 하는 열람실 1과 열람실 2에 대한 2004년도 연중 동적부하 계산결과가 제시되었다.
생성되었다. 또한 BID(Building Input Description) 프로그램은 이 건물정보 파일을 받아들여서 TRNSYS 시뮬레이션이 진행되는 동안 Type 56에 의해 이용되어질 description file(*.bld), information file(*.inf), transfer function file(*.trn) 등의 3개 파일을 생성하고 IISiBat을 통해 만들어지는 Deck 파일의 입력을 제공한다. 그림 3은 Type 56 모듈을 통한 계산 정보 흐름도를 나타내며, 그림 4는 본 연구에서의 대상건물에 대한 냉난방부하산정을 위해 작성된 IISiBat 모델링 화면을보여준다.
열람실 1, 2, 3은 각각 사용인원에따른 인체발열의 열취득이 고려되어야 하며, 본연구에서는 ISO 7730에 따른 가벼운 사무작업기준으로 1인당 발열량을 120W로서 선정하고총 인체 발열량 계산시의 사람 수를 각 열람실의최대허용인원 즉 열람실 1은 168명, 열람실 2는 132명, 열람실 3은 96명으로서 계산하였다. 또한 각 존별 침입 공기유량과 환기 공기유량은 각각 1 ACH 및 4 ACH를 적용하였다.
멀티존 모델에서는 기하학적 치수 및 벽체구성데이터 등의 모든 건물 데이터와 복사, 외기온, 습도, 스케줄 등의 열적 데이터가 먼저 정의되어야 하며, 본 연구에서는 이러한 건물의 정보를 포함하는 파일이 PreBID를 사용하여 생성되었다. 또한 BID(Building Input Description) 프로그램은 이 건물정보 파일을 받아들여서 TRNSYS 시뮬레이션이 진행되는 동안 Type 56에 의해 이용되어질 description file(*.
본 연구에서는 2004년 1월 1일부터 12월 31 일까지 1년간(8760hr)의 기후데이터를 적용하여광주광역시에 위치한 문화센터 건물의 3층 공간에 대한 동적 열에너지해석을 수행하였으며 3층의 5개 존 중에서 특히 흡수식 냉방시스템을 갖춘 진공관형 태양열 시스템을 통해 냉난방이 이루어질 예정인 열람실 1과 열람실 2의 두 공간에대한 냉난방 부하계산 및 산정이 이루어졌다. 이때 냉난방 부하는 일일 도서관 사용시간 아침 8 시부터 저녁 12시까지의 기간을 기준으로 사용인원이 각각 최대허용인원의 100%, 80%, 50%의경우에 대해서 계산되었다.
이때 냉난방 부하는 일일 도서관 사용시간 아침 8 시부터 저녁 12시까지의 기간을 기준으로 사용인원이 각각 최대허용인원의 100%, 80%, 50%의경우에 대해서 계산되었다. 대표적인 결과로서 그림 6은 80% 인원일' 때 열람실 1의 냉난방부하변화를 표시하며, 그림 7은 이 경우 열람실 2의연중 냉난방부하 변화를 나타낸다.
태양열을 이용하여 난방과 냉방을 동시에 수행하는 것은 태양열시스템의 연중 이용효율을 높이고 여름철 태양열 집열시스템의 과열문제를 감소시키는 효과를 얻게 된다. 특히 본 대상건물의 태양열 구동 냉방설비로는 열원으로 80℃ 정도 중온범위의 열매체 공급에 효과적인 진공관형 태양열 시스템을 사용하는 10RT 급의 흡수식냉방시스템을 적용하고자 한다.
3 층공간은 5개의 존으로 모델링될 수 있으며, 열람실 1, 열람실 2, 열람실 3, 도서보관실, 그리고휴게공간은 각각 존 1, 2, 3, 4, 5로 구분된다. 한편 3층공간의 사용시간은 도서관 일일 개방시간에 해당하는 아침 8시부터 밤 12시까지를 기준으로 하고 이 시간동안에 해당하는 냉난방부하를계산하였다. 열람실 1, 2, 3은 각각 사용인원에따른 인체발열의 열취득이 고려되어야 하며, 본연구에서는 ISO 7730에 따른 가벼운 사무작업기준으로 1인당 발열량을 120W로서 선정하고총 인체 발열량 계산시의 사람 수를 각 열람실의최대허용인원 즉 열람실 1은 168명, 열람실 2는 132명, 열람실 3은 96명으로서 계산하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 그림 1에서 제시된 바와 같이광주광역시에 위치한 문화센터 건물의 3층 공간을 냉난방 부하산정 대상공간으로 하고 있다. 3 층공간은 5개의 존으로 모델링될 수 있으며, 열람실 1, 열람실 2, 열람실 3, 도서보관실, 그리고휴게공간은 각각 존 1, 2, 3, 4, 5로 구분된다.
한편 3층공간의 사용시간은 도서관 일일 개방시간에 해당하는 아침 8시부터 밤 12시까지를 기준으로 하고 이 시간동안에 해당하는 냉난방부하를계산하였다. 열람실 1, 2, 3은 각각 사용인원에따른 인체발열의 열취득이 고려되어야 하며, 본연구에서는 ISO 7730에 따른 가벼운 사무작업기준으로 1인당 발열량을 120W로서 선정하고총 인체 발열량 계산시의 사람 수를 각 열람실의최대허용인원 즉 열람실 1은 168명, 열람실 2는 132명, 열람실 3은 96명으로서 계산하였다. 또한 각 존별 침입 공기유량과 환기 공기유량은 각각 1 ACH 및 4 ACH를 적용하였다.
한편 부하계산을 위한 설정온도는 각각 난방 20℃와 냉방 26℃를 기준으로 하였으며, 적용된기후데이터는 기상청에서 제공된 광주광역시의 2004년도 1년간의 시간별 데이터를 이용하였다. 그림 5는 2004년도 1년간의 외기온과 태양열복사의 변화를 표시한다.
해석대상 건물은 위도 35.15°인 광주광역시에 위치한 지상 3층 지하 1층의한 문화센터건물이며 건물의 방위는 남북으로 길게 뻗은 형태이다. 여기서 진공관형 태양열 시스템을 이용하여냉난방을 하고자 하는 공간은 건물 3층에 위치한도서실 공간 중에서 열람실 1과 열람실 2이다.

이론/모형

건물에 대한 냉난방 부하 산정을 위한 시뮬레이션은 TRNSYS 프로그램의 멀티존 빌딩 해석모듈인 Type 56을 통해 수행되었다. 이 모듈에서는 각 존을 한 개의 공기노드로서 나타내고 전달함수법4)에 근거하여 공간에서 일어나는 여러가지 형태의 복잡한 열취득과 이때 관련되는 복사및 대류현상, 그리고 축열체의 축열 및 방열 등을고려한 열평형을 통해서 동적 열에너지 해석이 수행 된다.
건물에 대한 냉난방 부하산정을 위한 시뮬레이션 방법은 TRNSYS3) 프로그램의 Type 56 멀티존 빌딩 모듈을 적용하였다. 이 모듈은 각 존을한 개의 공기 노드로서 나타내고 전달함수법에 근거하여 공간에서 일어나는 여러가지 형태의 복잡한 열취득과 이때 일어나는 복사 및 대류 현상, 그리고 축열체의 축열 및 방열 등을 고려한 열평형을 통해서 동적 열에너지 해석이 수행된다.

성능/효과

대표적인 결과로서 그림 6은 80% 인원일' 때 열람실 1의 냉난방부하변화를 표시하며, 그림 7은 이 경우 열람실 2의연중 냉난방부하 변화를 나타낸다. 여기서 겨울철순간 최고 난방부하는 1월 21일 24시(504 hr), 외기온 ~10.7℃ 조건에서 열람실 1과 2 각각 약 92.8 MJ/hr 및 75.4 MJ/hr로 예측되었으며, 여름철 순간 최고 냉방부하는 열람실 1의 경우 8 월 14일 11시(5435 hr), 외기온 31.5℃, 일사량 2790 kJ/m2hr 상태일 때 약 97.7 MJ/hr, 열람실 2는 7월 23일 17시(4913 hr), 외기온 346C, 일사량 1870 kJ/nAr의 기상조건에서 78.3 MJ/hr 값으로 계산되었다.
본 연구에서는 건물의 냉난방 부하산정을 위한 TRNSYS Type 56 멀티존 빌딩 모듈의 모델링이 이루어졌고, 특히 태양열 구동 냉난방 시스템을 이용한 공기조화를 목적으로 하는 열람실 1과 열람실 2에 대한 2004년도 연중 동적부하 계산결과가 제시되었다. 이로 부터 사용인원이 각각 열람실 최대 허용인원의 50%, 80%, 100%인 경우에 대해서 진공관형 태양열 시스템을 사용하는 10RT 급의 흡수식 냉방시스템 설계의 적절성이 검토되었다.

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