[논문]주거건물용 이중외피 시스템의 블라인드 조절에 따른 에너지 성능평가에 관한 연구

이소연; 강재식; 김강수

문제 정의

본 연구에서는 주거건물에 블라인드가 적용된 이중외피를 설치하여 블라인드 조절에 따른 에너지 성능 평가를 실시하였다. 본 연구는 블라인드 조절을 통한 에너지 소비량 평가를 통해 에너지소비를 최소화 할 수있는 블라인드 조절 방안에 대하여 검토하는데 목적이 있다.
이러한 대안으로 외부환경의 영향을 조절할 수 있는 외피의 적용이 필요하며 사무소 건물에 주로 적용되던 이중외피를 주거건물에 적용하여 에너지 성능을 분석 할 필요가 있다. 본 연구에서는 주거건물에 블라인드가 적용된 이중외피를 설치하여 블라인드 조절에 따른 에너지 성능 평가를 실시하였다. 본 연구는 블라인드 조절을 통한 에너지 소비량 평가를 통해 에너지소비를 최소화 할 수있는 블라인드 조절 방안에 대하여 검토하는데 목적이 있다.
본 연구에서는 주거건물용 이중외피시스템의 블라인드를 조절을 통한 에너지 성능 평가를 실시하였다. 8월 1일 (청천공)하루의 에너지 소비량을 빛환경을 고려했을 때와 고려하지 않았을 때로 구분하여 평가하였다.
본 연구에서는 주거건물용 이중외피의 블라인드 슬랫 각도 조절에 따른 냉방 에너지 소비량을 평가하기 위하여 일반적인 아파트를 해석 건물로 선정하였고, 발코니 확장에 따른 문제가 되는 거실공간으로 해석공간으로 설정하였다. 블라인드 슬랫 각도 조절 방법을 변수로 하여 EnergyPlus를 사용하여 에너지 소비량을 산출하였다.
일사량 및 천공상태가 다른 날에 대해서도 냉방에너지 소비가 최소가 되는 블라인드 조절 방안을 파악 할 필요가 있으며 이를 위해 냉방기(8월)중 블라인드 조절에 따른 에너지 성능평가를 거실이 남측면을 향하고 있을 때에 대하여 실시하였다.

가설 설정

또한 발코니 확장에 따른 문제점 개선을 위하여 기존의 발코니가 있는 그림 1의 아파트에 발코니가 확장 된다고 가정하여 점선으로 표시한 거실을 해석공간으로 설정하였다.

제안 방법

(8월 1일,청천공) 8월 1일 청천공인 날에 대한 투과일사 및 냉방에너지 소비량을 거실이 남측면을 향하고 있을 때에 대하여 분석하였다.
8월 1일 (청천공)하루의 에너지 소비량을 빛환경을 고려했을 때와 고려하지 않았을 때로 구분하여 평가하였다. 또한 냉방기(8월)중 블라인드 조절에 따른 에너지 성능평가를 실시하였다. 결론은 다음과 같다.
또한 자연채광 만으로 거실의 기준조도 200lx를 만족하는 범위에서 냉방에너지가 최소가 되는 블라인드 슬랫 각도로 자동 제어하는 경우를 분석하으며 10°, 30°간격으로 제어하는 경우에 대하여 분석하였다.
본 연구에서는 주거건물용 이중외피의 블라인드 슬랫 각도 조절에 따른 냉방 에너지 소비량을 평가하기 위하여 일반적인 아파트를 해석 건물로 선정하였고, 발코니 확장에 따른 문제가 되는 거실공간으로 해석공간으로 설정하였다. 블라인드 슬랫 각도 조절 방법을 변수로 하여 EnergyPlus를 사용하여 에너지 소비량을 산출하였다. 건물 외피와 관련한 Energyplus 시뮬레이션에 대한 연구결과¹⁾에 의해 타당성이 검증되었다.
블라인드 조절 방법은 하루 중 슬랫 각도를 고정하는 경우(10°간격)와 슬랫 각도를 시각별 자동조절 할 경우에 대하여 비교·분석하였다.
빛환경을 고려하였을 경우, 거실 이용 설정 시간(7시∼19시)에 기준조도 200lx8)를 만족 하지 않을 경우 조명(220W)을 켜도록 설정하여 이를 고려한 냉방에너지를 산출하였다.
블라인드 조절 방법은 하루 중 슬랫 각도를 고정하는 경우(10°간격)와 슬랫 각도를 시각별 자동조절 할 경우에 대하여 비교·분석하였다. 시각별 자동조절은 외부의 직사일광을 차단할 수있는 cut-off각도 제어와 기준 빛환경을 유지하는 범위 내에서 최소 냉방에너지를 만족 하는 각도로 조절하였다. 이러한 조절에 따른 에너지 성능 분석은 빛환경을 고려하지 않았을 때뿐만 아니라 빛환경을 고려하였을 경우에 대해 분석하여 실질적으로 에너지 소비를 최소화 할 수 있는 블라인드 슬랫 각도 조절 방안에 대하여 검토하였다.
실내 설정온도는 냉방 설정온도 26℃⁶⁾로하였으며 에너지 소비량은 EnergyPlus를 이용하여 계산하였다.
실질적인 에너지소비 절감을 위한 블라인드 조절을 목표로 빛환경 성능을 고려한 냉방에너지 소비량을 분석하였다. 거실의 빛환경 성능 평가를 위해 블라인드 슬랫 각도 조절에 따른 조도값을 표 9에 나타내었다.
시각별 자동조절은 외부의 직사일광을 차단할 수있는 cut-off각도 제어와 기준 빛환경을 유지하는 범위 내에서 최소 냉방에너지를 만족 하는 각도로 조절하였다. 이러한 조절에 따른 에너지 성능 분석은 빛환경을 고려하지 않았을 때뿐만 아니라 빛환경을 고려하였을 경우에 대해 분석하여 실질적으로 에너지 소비를 최소화 할 수 있는 블라인드 슬랫 각도 조절 방안에 대하여 검토하였다.
해석공간의 크기는 4,200mm(폭)×4,800mm (깊이)×2,700mm(높이)이다. 이중외피의 깊이는 300mm로 하였고 그림 2와 같이 블라인드를 설치하여 블라인드 조절에 따른 냉방에너지 소비량을 분석하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 주거건물용 이중외피시스템의 블라인드를 조절을 통한 에너지 성능 평가를 실시하였다. 8월 1일 (청천공)하루의 에너지 소비량을 빛환경을 고려했을 때와 고려하지 않았을 때로 구분하여 평가하였다. 또한 냉방기(8월)중 블라인드 조절에 따른 에너지 성능평가를 실시하였다.
기상조건은 에너지플러스에서 제공하는 인천 기상데이터를 사용하였다. 블라인드 조절에 따른 냉방에너지 성능평가를 위하여 해석 기간을 1차로 청천공 상태 8월 1일로 설정하였다.
또한 조명 부하는 일반적으로 거실에 사용 되는 220W(55W×4)를 기본으로 하였다.
기상조건은 에너지플러스에서 제공하는 인천 기상데이터를 사용하였다. 블라인드 조절에 따른 냉방에너지 성능평가를 위하여 해석 기간을 1차로 청천공 상태 8월 1일로 설정하였다. 그 이유는 TotalSkyCover³⁾(하늘에 구름이 덮여있는 정도)값이 0에 가까운 청천공이므로 블라인드 제어에 따른 건물 에너지 소비량을 효과적으로 구할 수 있기 때문이다.
해석 대상 건물은 그림 1의 일반적인 34평형 아파트²⁾로 선정하였다.
해석공간의 크기는 4,200mm(폭)×4,800mm (깊이)×2,700mm(높이)이다.

이론/모형

조도 측정 위치는 KS조도기준에 근거하여 거실 중앙점 바닥 위 450mm지점에서 측정된 값을 사용하였다.

성능/효과

(1) 8월 1일 청천공 상태에서 이중외피시스템의 블라인드 조절에 따른 에너지 성능 평가 결과 빛환경을 고려하지 않았을 경우 블라인드 슬랫 고정각도 90°(완전히 닫힌 슬랫 각도)가 가장 좋은 에너지 성능을 보이나 조도 분석 결과 빛환경 성능은 좋지 않은 것으로 나타났다. 낮은 조도의 거실공간은 인공조명을 필요로 하며 이는 전기에너지 소비와 함께 냉방부하 요소로 작용하여 이를 고려한 에너지 소비량을 파악할 필요가 있다.
(2) 8월 1일 청천공 상태에서 빛환경을 고려한 에너지 성능 평가 결과 기준 조도를 만족하는 범위에서 냉방에너지가 최소가되도록 블라인드를 시각별 자동 제어하는 것이 가장 좋은 블라인드 조절 방법으로 평가되었다.
(4) 8월 1일 청천공 상태에서 빛환경을 고려하며 하루 중 각도를 고정시킬 경우 남측면 이중외피 시스템의 블라인드 조절은 50°∼60°로 고정하는 것이 에너지 절감효과가 가장 우수한 것으로 평가되었다.
(5) 냉방기(8월)중 남측면 블라인드 조절에 따른 에너지 성능평가를 실시한 결과 슬랫각도 자동 조절시 냉방에너지 절감 효과가 가장 우수한 것으로 평가되었다.
(6) 슬랫 각도를 하루 중 고정할 경우 외기 조건 및 천공 상태에 따라 블라인드 조절 각도가 달라졌으며 하루 중 수평면 평균 일사량이 200W/㎡ 이상이며 Total Sky Cover값이 7미만인 흐리지 않은 날에는 50°∼60°로 각도를 고정하는 것이 좋은 것으로 평가되었다. 또한 하루 중 수평면 평균 일사량이 100∼200W/㎡이며 Total Sky Cover값이 7이상인 흐린날에는 0°∼30°로 각도를 고정하는 것이 에너지 성능이 가장 좋은 것으로 평가되었다.
Cut-off 각도로 자동제어 하였을 경우 고정 각도 조절보다 조명부하 및 조명에너지 소비량이 적어 고정 각도에서 에너지 절감효과가 가장 우수한 60° 다음으로 좋은 성능을 보였다.
각도를 90°로 고정하였을 때 냉방에너지 절감률 68.83%로 효과가 가장 뛰어나며 -20° 로 고정하였을 경우 절감률 25.29%로 냉방에너지가 가장 많이 소비되는 것으로 평가되었다.
기준조도를 만족하는 범위에서 냉방에너지가 최소가 되도록 블라인드를 시각별 자동 제어 하였을 경우가 에너지 절감에 가장 효과적인 것으로 평가되었다. 블라인드를 시각별 자동 제어 하였을 경우 10° 간격으로 제어하였을 때 냉방에너지 소비량이 가장 적게 나타났다.
(6) 슬랫 각도를 하루 중 고정할 경우 외기 조건 및 천공 상태에 따라 블라인드 조절 각도가 달라졌으며 하루 중 수평면 평균 일사량이 200W/㎡ 이상이며 Total Sky Cover값이 7미만인 흐리지 않은 날에는 50°∼60°로 각도를 고정하는 것이 좋은 것으로 평가되었다. 또한 하루 중 수평면 평균 일사량이 100∼200W/㎡이며 Total Sky Cover값이 7이상인 흐린날에는 0°∼30°로 각도를 고정하는 것이 에너지 성능이 가장 좋은 것으로 평가되었다.
블라인드 슬랫각도 자동 조절시 냉방에너지 절감 효과는 10°간격으로 조절하였을 때가 가장 좋은 것으로 평가되었으며, 30°간격으로 조절하여도 10°간격과 차이가 크게 나지 않는 우수한 성능을 보이는 것으로 평가되었다.
블라인드를 고정하였을 경우 고정각도 60° 일 때 에너지 소비량 성능이 가장 좋은 것으로 평가되었으며 50°, -80°, 40°순으로 에너지 절감 효과를 보였다.
빛환경을 고려한 에너지 성능 평가 결과 외부의 빛을 최소로 받아들이면서 조명에너지를 적절히 적용하였을 경우가 모두 차폐하고 조명에너지를 켰을 때 보다 에너지 절감 효과가 큰 것으로 평가되었다.
표 13에 음영(▒)으로 표시한 것과 같이 하루 중 수평면 평균 일사량이 200W/㎡ 이상이며 Total Sky Cover값이 7미만인 흐리지 않은 날에는 50°∼60°로 각도를 고정하는 것이 좋은 것으로 평가되었다. 음영 (▒)으로 표시한 것과 같이 하루중 수평면 평균 일사량이 100∼200W/㎡이며 Total Sky Cover값이 7이상인 흐린날에는 0°∼30°로 각도를 고정하는 것이 에너지 성능이 가장 좋은 것으로 평가되었다.또한 음영이 표시되어 있지 않은 부분은 기준조도를 만족하여 조명이 불필요한 시간을 나타낸다.
투과되는 일사량이 적은 아침과 저녁 시간에는 블라인드 슬랫 각도가 10°∼40°로 개방 되는 각도에서 기준조도를 만족시키며 9시∼16시에는 60°, 70°, -80°로 차폐하는 각도가 기준조도를 만족시키며 냉방에너지 소비량이 최소가 되는 것으로 나타났다.
블라인드 슬랫각도를 고정할 경우 외기 조건 및 천공 상태에 따라 블라인드 조절 각도가 달라진다. 표 13에 음영(▒)으로 표시한 것과 같이 하루 중 수평면 평균 일사량이 200W/㎡ 이상이며 Total Sky Cover값이 7미만인 흐리지 않은 날에는 50°∼60°로 각도를 고정하는 것이 좋은 것으로 평가되었다. 음영 (▒)으로 표시한 것과 같이 하루중 수평면 평균 일사량이 100∼200W/㎡이며 Total Sky Cover값이 7이상인 흐린날에는 0°∼30°로 각도를 고정하는 것이 에너지 성능이 가장 좋은 것으로 평가되었다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국가 에너지 전체 사용량 중 건물분야에서 차지하는 비율은?	국가 에너지 전체 사용량 중 건물분야에서 차지하는 비율이 약 24%를 차지하고 있다. 확장형 발코니는 외부 환경에 대한 완충공간의 부재로 인하여 에너지 사용이 증가하는 문제가 있다.
	확장형 발코니의 문제점은?	국가 에너지 전체 사용량 중 건물분야에서 차지하는 비율이 약 24%를 차지하고 있다. 확장형 발코니는 외부 환경에 대한 완충공간의 부재로 인하여 에너지 사용이 증가하는 문제가 있다.이러한 대안으로 외부환경의 영향을 조절할 수 있는 외피의 적용이 필요하며 사무소 건물에 주로 적용되던 이중외피를 주거건물에 적용하여 에너지 성능을 분석 할 필요가 있다.
	확장형 발코니로 인한 에너지 문제를 해결하기 위하여 무엇이 필요한가?	확장형 발코니는 외부 환경에 대한 완충공간의 부재로 인하여 에너지 사용이 증가하는 문제가 있다.이러한 대안으로 외부환경의 영향을 조절할 수 있는 외피의 적용이 필요하며 사무소 건물에 주로 적용되던 이중외피를 주거건물에 적용하여 에너지 성능을 분석 할 필요가 있다.본 연구에서는 주거건물에 블라인드가 적용된 이중외피를 설치하여 블라인드 조절에 따른 에너지 성능 평가를 실시하였다.

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