[논문]냉.난방 및 조명에너지를 통합 고려한 DSSC BIPV창호의 사무소건물 적용 효과 연구

심세라; 윤종호; 신우철

doi:10.7836/kses.2011.31.3.067

냉.난방 및 조명에너지를 통합 고려한 DSSC BIPV창호의 사무소건물 적용 효과 연구
A Study on the Application Effect of DSSC BIPV Window System in Office Building Considering Cooling.Heating.Lighting Energy 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.31 no.3, 2011년, pp.67 - 72

심세라 (한밭대학교 대학원 건축공학과) , 윤종호 (한밭대학교 건축학과) , 신우철 (대전대학교 건축공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The aim of this study is to evaluate how much would the building energy consumption be saved by applying DSSC BIPV window which is possible to control the transmittance and express the color in the office building. For this, physical characteristics such as transmittance and reflectance, U-factor of DSSC areanalyzed and an annual energy consumption that is connected to dimming control is calculated when DSSC BIPV window is applied by alternate clear window system. As a result, It is possible to reduce the anannual energy consumption as much as4.1% by just change the clear double window system to DSSC BIPV double window system because the major factor to reduce energy consumption in the office that has much cooling load than other building is SHGC. When the thermal insulation properties of DSSC BIPV window with low-e coating and making triple window are improved, energy saving ratio is about 9%. Plus, energy saving ratio of 25~28% in lighting energy consumption is possible when the dimming control system with DSSC BIPV window is adopt.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

DSSC BIPV창호의 빠른 보급과 상용화를 위해서는 실제 건물에 적용되기 앞서 냉방, 난방, 조명에너지소비량에 대한 통합 예측이 반드시 이루어져야 할 것이다. 따라서 본 연구에서는 DSSCBIPV창호의 사무소 건물 적용효과를 고찰하기 위해 DSSCBIPV창호와 일반창호를 대상으로 제명제어 연동에 따른 연간 냉방, 난방, 조명에너지소비량을 통합 해석하는데 본 연구의 목적이 있다.

가설 설정

외주부와 내주부는 열적 거동이 상이하기 때문에 표 2와 같이 외주부의 공조는 팬코일유닛(FCU), 내주부는 변풍량시스템(VAV system)이 담당하도록 가정하였다. 실내 설정온도는 난방 22℃, 냉방 24℃이며, 건물 재실시간은 주중(주말 제외)오전 8시부터 오후 6시까지로 재실시간동안 제어 시스템이 운영되도록 가정하였다. 표 3은 해석모델의 내부 발열요소를 나타낸 것이며, 적용된 벽체 및 창호의 개요는 각각 표 4, 5와 같다.
외주부와 내주부는 열적 거동이 상이하기 때문에 표 2와 같이 외주부의 공조는 팬코일유닛(FCU), 내주부는 변풍량시스템(VAV system)이 담당하도록 가정하였다. 실내 설정온도는 난방 22℃, 냉방 24℃이며, 건물 재실시간은 주중(주말 제외)오전 8시부터 오후 6시까지로 재실시간동안 제어 시스템이 운영되도록 가정하였다.

제안 방법

건축창호를 대체하는 DSSCBIPV창호의 건물 에너지소비량 저감 효과 및 차양 대체효과를 확인하기 위해 사무소건물 기준층에 일반창호와 DSSC BIPV창호를 적용하여 연간 건물에너지소비량을 비교, 평가하였다. 또한 조명제어시스템을 통해 조명에너지저감 및 냉방, 난방에너지소비량에 미치는 영향을 분석하였으며, 해석에는 발전량에 따른 상쇄되는 에너지를 고려하지 않았다.
DSSC BIPV창호는 일반투명창호보다 가시광선투과율이 작기 때문에 조명장치의 사용패턴이 일반창호와는 달라지게 된다. 따라서 조명제어(DimmingControl)를 통해 실내조도 수준이 500lux²⁾이상(작업면 기준)이 되면 조명밀도를 감소시키도록 설정하였다. 또한 표 6과 같이 DSSCBIPV창호에 조명제어방식을 달리하고, 제어 전과 후의 조명에너지 사용량을 비교하여 최적의 조명제어 방식을 선정하였으며, 이를 바탕으로 창호 종류별 냉방/난방/조명에너지소비량을 평가하였다.
건축창호를 대체하는 DSSCBIPV창호의 건물 에너지소비량 저감 효과 및 차양 대체효과를 확인하기 위해 사무소건물 기준층에 일반창호와 DSSC BIPV창호를 적용하여 연간 건물에너지소비량을 비교, 평가하였다. 또한 조명제어시스템을 통해 조명에너지저감 및 냉방, 난방에너지소비량에 미치는 영향을 분석하였으며, 해석에는 발전량에 따른 상쇄되는 에너지를 고려하지 않았다. 그림 1은 전체 연구의 흐름도를 나타낸 것이다.
따라서 조명제어(DimmingControl)를 통해 실내조도 수준이 500lux²⁾이상(작업면 기준)이 되면 조명밀도를 감소시키도록 설정하였다. 또한 표 6과 같이 DSSCBIPV창호에 조명제어방식을 달리하고, 제어 전과 후의 조명에너지 사용량을 비교하여 최적의 조명제어 방식을 선정하였으며, 이를 바탕으로 창호 종류별 냉방/난방/조명에너지소비량을 평가하였다.
본 연구에서는 DSSC BIPV창호와 일반창호를 대상으로 제명제어 연동에 따른 연간 냉방, 난방, 조명에너지소비량을 비교분석하였다. 그 결과는 다음과 같다.
염료감응태양전지를 창호로써 건물에 적용하기 위해 가장 먼저 선행해야할 단계는 스펙트럼 영역대별 분광 분석을 통해 창호로써의 기능을 만족하기 위한 광학특성데이터를 도출하는 것이다. 본 연구에서는 녹색계열 DSSC 시편을 대표적으로 파장대 2～2400nm범위에서 분광분석을 실시하였으며, 표 1은 분석결과를 나타낸 것이다. 또한 그림 2는 DSSC시편을 통해 외부를 바라본 모습이다.
상기 결과를 바탕으로 일반 창호 및 DSSC BIPV창호에 조명제어(off/33%/67%/on)시스템을 적용하고, 그림 7과 같이 조명제어적용 전/후의 원단위에너지소비량을 비교하였다.
514로 투과율에 비해 상대적으로 높게 나타났다. 이 결과는 선행연구[5]에서 도출된 값으로, 선행연구에서의 입사각별 입력자료를 본 연구의 시간별 에너지 해석에 적용하였다.
일반창호를 대체하여 DSSC BIPV창호를 적용할 경우 냉방/난방/조명에너지 소비절감량을 평가하기 위해 일반창호 4가지 종류와 DSSC BIPV창호 4가지 종류에 대하여 연간 에너지소비량을 평가하였다.

대상 데이터

0을 사용하였다[6]. 해석모델은 그림 3과 같은 정방형의 사무소건물 기준층으로 가정하였으며, 바닥면적 900㎡, 층고 3.6m, 벽면적 대비 창면적비가 80%인 커튼월 구조이다. 또한 DSSCBIPV창호는 북측을 제외한 동, 서, 남측 전면에 설치하는 것으로 하였다.
해석에는 대전지역 기상데이터를 적용하였으며, 해석도구는 동적에너지해석 프로그램인 VisualDOE-4.0을 사용하였다[6]. 해석모델은 그림 3과 같은 정방형의 사무소건물 기준층으로 가정하였으며, 바닥면적 900㎡, 층고 3.

성능/효과

그림 4에 나타난 바와 같이 기준 모델의 연간 총 에너지소비량을 분석한 결과, 일반 복층창호를 삼중창호로 대체할 경우 연간 총 에너지소비량에는 큰 차이를 나타내지 않지만, 복층 및 삼중창호에 로이코팅을 적용한 경우에는 각각 약 5.0%, 6.5%의 에너지 절감율을 보이는 것으로 나타났다. 이 중 일반 삼중창호와 로이 복층창호의 경우 단열성능에는 큰 차이가 없지만 원단위에너지소비량에서 차이가 나는 것은 열관류율보다 일사획득계수의 영향이 더 크기 때문으로 판단된다.
그림 5에서 알 수 있듯이, DSSCBIPV창호도 일반창호와 같이 단열성능보다는 일사획득계수가 연간 에너지소비량에 지배적인 영향 요소로 작용하였으며, 특히 DSSC BIPV 창호의 일사획득계수가 일반창호보다 낮기 때문에 난방에너지소비량은 증가한 반면 냉방은 크게 감소되어 냉방부하가 큰 사무소건물 적용에 더 유리한 것으로 나타났다.
둘째, 일반 복층창호를 DSSC BIPV복층창호로 대체할 경우 원단위 에너지소비량이 10.7kWh/㎡·yr가 저감되어 설치만으로도 약 4.1%의 에너지 절감효과가 있는 것으로 나타났다.
1%의 에너지 절감효과가 있는 것으로 나타났다. 또한 단열성능을 강화시켜 DSSCBIPV로 이삼중창호를 적용할 경우 연간 약 9%의 절감효과가 있는 것으로 나타났다.
또한 일반 복층창호를 DSSCBIPV삼중 로이창호로 대체할 경우 원단위에너지소비량이 23.3kWh/㎡·yr가 저감되어 약 9%의 에너지절감효과가 있는 것으로 분석되었다.
분석 결과, 일반창호의 경우 조명제어 전과 비교하여 조명에너지소비량이 연간 32～33%절감되는 것을 확인할 수 있으며, DSSCBIPV창호의 경우 낮은 투과율 때문에 일반창호보다는 증가하지만, 전체 조명에너지소비가 25～28% 절감되는 것으로 나타났다. 또한 조명제어 도입으로 조명발생열이 줄어들어 전체적으로 난방에너지소비량이 7～9% 증가하였으며, 냉방에너지소비량은 6～8% 감소한 것으로 나타났다.
8%로 나타났다. 또한 태양투과율과 투과과정에서 유리에 흡수된 일사에너지가 실내측으로 전도, 복사되는 성분의 영향을 포함하는 개념인 일사획득계수의 경우 0.514로 투과율에 비해 상대적으로 높게 나타났다. 이 결과는 선행연구[5]에서 도출된 값으로, 선행연구에서의 입사각별 입력자료를 본 연구의 시간별 에너지 해석에 적용하였다.
분석 결과, DSSC시편의 스펙트럼영역 전체의 투과율인 태양투과율은 34.2%, 가시광선 영역에서의 투과율은 28.8%로 나타났다. 또한 태양투과율과 투과과정에서 유리에 흡수된 일사에너지가 실내측으로 전도, 복사되는 성분의 영향을 포함하는 개념인 일사획득계수의 경우 0.
분석 결과, 일반창호의 경우 조명제어 전과 비교하여 조명에너지소비량이 연간 32～33%절감되는 것을 확인할 수 있으며, DSSCBIPV창호의 경우 낮은 투과율 때문에 일반창호보다는 증가하지만, 전체 조명에너지소비가 25～28% 절감되는 것으로 나타났다. 또한 조명제어 도입으로 조명발생열이 줄어들어 전체적으로 난방에너지소비량이 7～9% 증가하였으며, 냉방에너지소비량은 6～8% 감소한 것으로 나타났다.
분석 결과, 해석모델에 적용된 각 대안 창호별로 모두 조명제어를 통해 원단위에너지 소비량을 14.2kWh/㎡·yr～18.4kWh/㎡·yr까지 저감 가능한 것으로 나타났다.
분석결과, 제어방식별 원단위에너지소비량의 차이는 크지 않지만, 조명에너지소비량의 경우 off/33%/67%/on의 4단계 제어방식이 28.1%를 저감시켜 가장 효과적인 것으로 분석되었다. On/Off방식의 경우 가장 조명에너지소비량이 큰 것으로 분석되었는데, 이는 단계적 조절이 아니라 설정조도 이하일 경우 자동 작동되는 방식이기 때문에 상대적으로 조명에너지사용량이 큰 것으로 판단된다.
셋째, DSSC BIPV창호에 가장 효과적인 조명제어방식은 Off/33%/67%/On의 4단계 조절 방식으로 나타났으며, 이를 통해 연간 약 25～28%의 조명에너지소비량을 절감할 수 있는 것으로 나타났다.
일반복층창호를 DSSCBIPV복층창호로 대체할 경우 원단위에너지소비량이 10.7kWh/㎡·yr가 저감되어 설치만으로도 약 4.1% 에너지저감효과가 있으며, 특히 DSSCBIPV삼중창호의 경우 로이 복층창호를 적용한 경우의 효과와 상응하는 수준인 것으로 나타났다.
첫째, DSSC BIPV창호의 성능 중 에너지 소비량에 영향을 미치는 지배적 변수는 일사획득계수인 것으로 나타났다.
특히 기준안인 조명제어 전의 투명복층창호와 비교하여, 조명제어가 연계된 DSSC BIPV 로이삼중창호를 적용하였을 경우에는 원단위 에너지소비량이 257.8kWh/㎡·yr에서 220.4kWh/㎡·yr로 저감되면서 약 14.5%의 절감효과가 있는 것으로 분석되었다.

후속연구

기존의 선행논문에서는 염료감응태양전지의 광학특성[1]및 빛환경에 대한 시뮬레이션 평가[2],[3]와 실증평가[4]등의 기초적 연구가 주를 이루고 있는 반면, 염료감응태양전지의 건물적용에 따른 에너지소비량에 대한 연구는 거의 전무한 실정이다. DSSC BIPV창호의 빠른 보급과 상용화를 위해서는 실제 건물에 적용되기 앞서 냉방, 난방, 조명에너지소비량에 대한 통합 예측이 반드시 이루어져야 할 것이다. 따라서 본 연구에서는 DSSCBIPV창호의 사무소 건물 적용효과를 고찰하기 위해 DSSCBIPV창호와 일반창호를 대상으로 제명제어 연동에 따른 연간 냉방, 난방, 조명에너지소비량을 통합 해석하는데 본 연구의 목적이 있다.
결과적으로 사무소건물에서 투명복층창호를 DSSC BIPV창호로 대체하는 것만으로도 에너지소비량 절감효과가 있으며, 또한 조명제어를 통해 추가적으로 절감이 가능한 것으로 나타나, 추후 발전량을 통해 상쇄되는 양을 통합할 경우 그 효과는 극대화될 것으로 사료된다.
추후 본 연구를 통해 도출된 결과를 바탕으로 DSSCBIPV창호의 발전량과 연계하여 다양한 운영조건하의 가동형 블라인드와 DSSC BIPV창호의 에너지소비량에 대한 비교평가연구를 수행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	염료감응형 태양전지의 장점은 무엇인가?	염료감응형 태양전지(DSSC)는 기존의 태양전지와는 다르게 색상구현 및 투과율 조절이 가능하고 기존의 실리콘계 태양전지보다 제조단가를 줄일 수 있어,건물의 창호를 대신하는 BIPV시스템으로 활용될 경우 그 경쟁력이 매우 높아진다고 할 수 있다.현재 공공 및 상업건물에서 외피재료로서 유리소재의 사용이 증가하고 있는 추세를 볼 때 유리자재를 대체할 수 있는 DSSC BIPV모듈은 그 효과를 극대화할 수 있을 것이다.
	염료감응태양전지를 창호로써 건물에 적용하기 위해 가장 먼저 선행되어야 할 것은 무엇인가?	염료감응태양전지를 창호로써 건물에 적용하기 위해 가장 먼저 선행해야할 단계는 스펙트럼 영역대별 분광 분석을 통해 창호로써의 기능을 만족하기 위한 광학특성데이터를 도출하는 것이다.본 연구에서는 녹색계열 DSSC 시편을 대표적으로 파장대 2～2400nm범위에서 분광분석을 실시하였으며,표 1은 분석결과를 나타낸 것이다.
	DSSC BIPV창호와 일반창호를 대상으로 제명제어 연동에 따른 연간 냉방,난방,조명에너지소비량을 비교분석한 결과는 어떠한가?	첫째,DSSC BIPV창호의 성능 중 에너지 소비량에 영향을 미치는 지배적 변수는 일사획득계수인 것으로 나타났다. 둘째,일반 복층창호를 DSSC BIPV복층창호로 대체할 경우 원단위 에너지소비량이 10.7kWh/㎡·yr가 저감되어 설치만으로도 약 4.1%의 에너지 절감효과가 있는 것으로 나타났다.또한 단열성능을 강화시켜 DSSCBIPV로 이삼중창호를 적용할 경우 연간 약 9%의 절감효과가 있는 것으로 나타났다. 셋째,DSSC BIPV창호에 가장 효과적인 조명제어방식은 Off/33%/67%/On의 4단계 조절 방식으로 나타났으며,이를 통해 연간 약 25～28%의 조명에너지소비량을 절감할 수 있는 것으로 나타났다.

참고문헌 (9)

강준구, 김진희, 김준태, 창호적용을 위한 DSC모듈의 광학적 특성분석, 한국태양에너지학회 추계학술발표대회논문집, 2010.11
오명환, 윤종호, 이지원, 이종기, 빛환경을 고려한 염료감응태양전지(DSSC)의 사무소건물 최적 적용방안에 관한 연구, 한국태양에너지학회 추계학술발표대회 논문집, 2010.11
오명환, 심세라, 이철성, 진경일, 윤종호,염료감응태양전지의 투과율에 다른 채광성능 및 현휘지수 분석을 통한 적정 창면적비에 대한 연구, 한국태양에너지학회, 추계학술발표대회 논문집, 2009.11
강준구, 김진희, 김용재, 천진아, 김준태, DSC 창호의 자연채광성능에 관한 축소모형 실험, 대한설비공학회 하계학술발표대회논문집, 2010.06.
심세라, 윤종호, 정선영, 백남춘, 염료감응 태양전지의 광학특성분석을 통한 건축창호 적용가능성 평가연구, 2010 한국태양에너지학회 논문집
The Visual DOE 4.0 User Manual, 2004.08
윤종호, 김효중, 이철성, 심세라, 투명 박막 태양전지를 이용한 BIPV창호의 열 및 광학 특성분석연구, 대한건축학회논문집 2010.1
T.Miyazaki, A. Akisawa, T. Kashiwagi, Energy savings of office buildings by the use of semi-transparent solar cells for windows, Renewable Energy 30(2005) p.281-304

상세보기
LBNL,Therm5, WINDOW5 NFRC Manual

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증