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문제 정의
- 각각의 실험에는 서울의 기후와 비슷했던 실험일을 대표일로 정하여 냉방기 성능을 검증하고자 한다. 이 중자 연실 온실 험에서는 대표일의 쾌적성을 검토하고자 하며 냉방에너지측정실험에서는 한 달간의 실험 결과로 기후인자가 냉방에너지 소비에 미치는 영향을 검토하고자 한다.
- 따라서 본 연구에서는 냉방부하를 효과적으로 절감하고 쾌적한 실내환경을 제공할 수 있는 이중외피 시스템이 냉방에너지 소비의 지속적인 증가를 해결할 수 있는 대안이 될 수 있을 것이라 판단하여 국내 실정과 기후에 적합한 박스형 이중외피 시스템을 개발하고 실험을 실시하여 냉방기의 열적 성능평가를 실시하였다.
- 각각의 실험에는 서울의 기후와 비슷했던 실험일을 대표일로 정하여 냉방기 성능을 검증하고자 한다. 이 중자 연실 온실 험에서는 대표일의 쾌적성을 검토하고자 하며 냉방에너지측정실험에서는 한 달간의 실험 결과로 기후인자가 냉방에너지 소비에 미치는 영향을 검토하고자 한다.
제안 방법
- 05년 9월 2일 실험구 완공 후, 약 1개월 간 자연 실온(Noirair conditioned room temperature) 실험을 실시하였고, 06년 8월부터 9월15일까지 약 32일 간 냉방모드에서 두 실험구의 에너지 소비량을 비교 분석하였다.
- 06년 8월 9일부터 9월 14일까지(실험 미실시 4일 제외) 약 32일간 에어컨을 가동하면서 실험구의 에너지소비량을 측정하였다. 따라서 두 실험구의 에너지 소비 량을 비교하여 창호시스템의 차이에 따른 냉방에너지 절감율을 분석하였다.
- 국내 기후 변화의 특징과 현대 건축물의 유리 파사드 면적이 증가하는 현실 속에서 냉방 에너지를 절감할 수 있는 대안으로 이중외피를 제안하였고 성능 검증을 위해 실험구를 구축하여 05년부터 07 년까지 실험을 진행하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 그리고 실험구 내부의 측정장비를 통합 관리하는 계측시스템을 구축하였다. 자연실온실험을 위해 설치한 백금저항센서 및 열전대 센서에서 측정된 데이터는 실시간으로 Databus에 저장되어 모니터링 프로그램을 통해 데이터를 확인하거나 다운로드할 수 있다.
- 기상요소가 에너지 소비에 미치는 영향을 파악하기 위해 자연실온 실험결과를 바탕으로 일일 에너지소비량과 외기온, 일사량의 상관관계를 분석하였다.
- 기상청에서 제공하는 일 평년값에 대한 자료 중 서울지역의 8월 달 평균기온, 최저기온, 최고기온을 기준으로 실험일 중 위와 유사한 기온이 측정된 날에 대해 냉방기 대표일로 정하여 에너지 소비량을 검토하였다.
- 다음으로 에너지소비량 측정실험을 위해 각 실험구에 냉방기기를 설치하였는데 소비적력 860W, COP 2.8의 성능을 가진 벽걸이형 에어컨을 사용하였으나 에어필터 내부에 설치된 기존의 작동 센서는 제거하고 0.01℃까지 분해능을 가진 정밀한 센서의 측정값에 따라 에어컨이 가동되도록 하였다.(그림 3-d)
- 에너지소비량을 측정하였다. 따라서 두 실험구의 에너지 소비 량을 비교하여 창호시스템의 차이에 따른 냉방에너지 절감율을 분석하였다.
- 자연실온실험을 위해 설치한 백금저항센서 및 열전대 센서에서 측정된 데이터는 실시간으로 Databus에 저장되어 모니터링 프로그램을 통해 데이터를 확인하거나 다운로드할 수 있다. 또한 에너지소비량 측정실험을 위해 설치한 에어컨과 온도센서를 계측기에서 on - off 제어로 조절하고 가동시간과 정지시간 및 누적 소비량을 디지털 신호로 변환하여 모니터링 프로그램에서 데이터 확인 및 다운로드 할 수 있도록 하였다.(그림 3-e, 3-f)
- 박스형 이중외피와 커튼월 시스템의 비교실험 목적으로 제작하였고 시스템 간, 자연실온실험과 냉방에너지 측정실험에 적합한 실험기자재를 설치하였다.
- 센서의 설치위치는 창문으로부터 0.7m, 1.6m, 2.5m, 3.4m 간격으로 이격된 위치에 스탠드를 세우고 바닥에서부터 0.2m, 1.1m, 1.7m 높이 1)에 설치하였다.(그림 3-C)
- 5m(가로×세로×높이)의 크기로 2기의 실험구를 설치하였다. 실험구의 벽체, 지붕, 바닥은 샌드위치 패널로 구성하였고 내부에는 3mm 석고보드로 마감하였으며 창호를 제외한 각 부위별 물리적인 특징은 동일하도록 구성하였다.(그림 3-a, 3-b)
- 연구는 국내 상황에 적합한 박스형 이중외피를 개발하고 성능 검증을 위해 실물모형 (moke-up)을 설치하고 자연실온실험 (Non-air conditioned room temperature)과 냉방에너지 소비량 즉정실험을 실시하여 열적 특성을 평가하였다. 각각의 실험에는 서울의 기후와 비슷했던 실험일을 대표일로 정하여 냉방기 성능을 검증하고자 한다.
- 냉방기 운전 모델의 특징은 중공층의 예열효과를 최소화하고, 중공층의 과열된 공기를 대류에 의해 효과적으로 외부로 내보내기 위해 외창 상·중, 하단을 모두 개방한 점이다. 외기온이 30℃ 이상으로 상승하는 여름철에 자연환기는 현실적으로 어렵고 실내 쾌적을 위해 냉방기기가 가동되어야 하므로 내창이 닫힌 상태에서 실험을 실시하였다. 냉방기기의 가동 .
대상 데이터
- 냉방기 자연실온실험결과를 구체적으로 분석하기 위해 대표일을 선정하였다. 선정방법은 다양한 기후인자 중 기온이 실온에 미치는 영향2)이 가장 크므로 실험기간 중 측정한 기온과 기상청에서 제공하는 서울지역 8월의 평년값(평균기온)3)과 유사한 날을 대표일로 하였다.
- 비교실험을 위해 2005년 9월 한국건설기술연구원 실험동 옥상에 4.9m×4.9m×1/2.5m(가로×세로×높이)의 크기로 2기의 실험구를 설치하였다. 실험구의 벽체, 지붕, 바닥은 샌드위치 패널로 구성하였고 내부에는 3mm 석고보드로 마감하였으며 창호를 제외한 각 부위별 물리적인 특징은 동일하도록 구성하였다.
- 위해 대표일을 선정하였다. 선정방법은 다양한 기후인자 중 기온이 실온에 미치는 영향2)이 가장 크므로 실험기간 중 측정한 기온과 기상청에서 제공하는 서울지역 8월의 평년값(평균기온)3)과 유사한 날을 대표일로 하였다. 서울지역 8월의 평년값(평균기온)은 25.
- 실험구 내부에는 Testo(社)의 온도와 기류를 동시에 측정할 수 있는 백금저항센서(probe)가 설치되어 있으며 기류 측정이 불가능한 벽체 및 바닥, 천정 , 유리, 블라인드 표면에는 열전대센서를 설치하였다. 센서의 설치위치는 창문으로부터 0.
- 내측 외피는 2개의 개구부로 구성되었고 계폐 방식은 Tilt & Turn 형태로 개방된다. 외측외피와 내측외피에 적용된 유리는 각각 투명단창 6mm, Low-E 24mm를 적용하였다. 이중외피의 수직면의 크기는 2.
성능/효과
- 각 그래프에 표시된 선형추세선을 보면, 이중외피와 커튼월시스템 모두 외기온과 일사량에 비례하여 냉방에너지소비량이 증가하는 것을 알 수 있다. 먼저 기온에 따른 이중외피와 커튼월 창호의 추세 식은 다음과 같다.
- 2 이하로 매우 낮다. 그 결과 이중외피(FDFS)가 커튼월시스템에 비해 냉방부하가 약 55~80% 이상 낮다.
- 넷째, 기후인자에 따른 에너지소비량의 차이는 기온과 일사량이 상승함에 따라 34%, 62% 차이가 발생하며 일사차단이 냉방부하 절감에 효과적이며 외차양과 비슷한 수준의 일사차단효과가 있는 이중외피는 냉방부하 절감에 매우 효과적임을 알 수 있다.
- 둘째, 쾌적성 측면에서 실험구 내부의 수직면의 온도차이를 분석한 결과에서 이중외피는 약 1~ 2K 범위에서 차이가 발생하지만 커튼월 창호는 최대 6K까지 차이가 발생함을 알 수 있다.
- 발생함을 확인할 수 있다. 따라서 일사가 많을수록 커튼월 창호가 이중외피에 비해 냉방부하 측면에서 보다 불리해 진다는 것을 실험결과를 통해 증명하였고 일사차단에 적절히 대응할 경우 냉방 에너지 절감에 매우 효과적임을 알 수 있다.
- 셋째, 서울지역의 여름철 대표일에 대한 에너지소비량 측정실험결과로 커튼월창호 대비 이중외피의 에너지 절감율은 55~80%에 이른다.
- 19℃로 측정된 9 월5일을 최저기온의 대표일로 가정한 경우이다. 에너지 소비는 이중외피가 0.6kWh/day, 커튼월시스템이 4.8kWh/day로 이중외피의 에너지 절감효과가 약 80% 양호하게 나타났다. 특히 이중외피에서는 일사 및 기온의 직접적인 영향에 의한 냉방부하가 늦은 오후부터 발생하였다.
- 여기에는 기온과 일사량이 가장 큰 영향을 미친다. 일사 투과량 조절에 상대적으로 어려운 커튼월시스템은 냉방기에 일반적 외기 조건에서도 민감하게 반응하여 실내온도가 상승하고, 재실자의 불쾌적을 유발하는 빈도가 높은 반면, 이중외피는 매우 열악한 외기조건에도 수직 또는 수평 온도 차이가 크지 않아 쾌적한 실내공간을 형성하는데 보다 유리할 것으로 판단된다.
- 냉방기기의 가동 . 정지온도는 국내 건축물 에너지 절약설계기준과 냉방기기 의 효율을 고려하여 24℃/28℃로 설정하여 26℃가 유지되도록 하였으며 실제 실험결과를 검토한 결과 실온이 26℃에서 유지되는 것을 확인할 수 있었다.
- 것이다. 주간의 실온 변화를 살펴보면 커튼월은 40~50℃, 이중외피는 30~40℃까지 온도가 상승하였으며, 두 시스템의 온도차이가 무려 7~ 13K이나 된다는 것을 확인할 수 있다. 이는 창호의 물리적 성질(투과율, 흡수율, 반사율)과 차양장치 (차폐계수)의 효과에서 기인한다.
- 첫째, 자연실온실험결과를 통해 이중외피를 적용한다면 일반 커튼월창호보다 약 5K 정도의 실온상승을 방지할 수 있다.
- 추세식에서 커튼월창호와 이중외피의 외기온 상승에 따른 에너지소비량 절감율은 약 34%이며 일사량에 따른 에너지 소비량의 차이는 약 62%까지 차이가 발생함을 확인할 수 있다. 따라서 일사가 많을수록 커튼월 창호가 이중외피에 비해 냉방부하 측면에서 보다 불리해 진다는 것을 실험결과를 통해 증명하였고 일사차단에 적절히 대응할 경우 냉방 에너지 절감에 매우 효과적임을 알 수 있다.
후속연구
- 본 연구는 창호의 차이에 따른 열적성능을 분석한 결과로 실제 건물에서 이중외피가 적용될 경우 공간특징(창면적비, 장단비, 층고 등)과 내부 발열에 따른 실험결과와는 다소 차이가 발생할 수 있지만 향후 이중외피의 보편적인 적용이 확대될 수 있는 기초연구가 될 것으로 예상된다.
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