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문제 정의
- 따라서 본 연구의 목적은 전면형 이중외피를 대상으로 각 계절별 내부 열환경을 예측할 수 있는 데이터를 제시하는 것이다. 측정기간 동안의 데이터를 바탕으로 대표일을 선정 한 후, 내부 열환경 요소인 이중외피의 부위별 온도 및 입·출구 개구부의 기류속도를 측정하여 분석을 실시하였다.
- 본 연구에서는 이중외피 내부의 기류현상에 대한 분석에 있어 실측데이터의 한계가 있었다. 따라서 추후 계절별 이중외피의 실측을 통해 예측한 현상을 CFD 시뮬레이션을 통하여 정확한 기류현상을 분석하고, 그에 따른 문제점에 대해 이중외피 구성 인자나 이중외피 운용방법을 변경하여 해결방안을 제시하고자 한다.
- 본 연구에서는 전면형 이중외피의 계절별 내부 열환경 데이터를 제시하기 위하여 이중외피의 부위별 온도 및 입·출구 개구부의 기류속도를 분석하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 이중외피의 입·출구 개구부의 기류속도는 이중외피의 입구 및 출구 측에 설치하여 이중외피 내부의 공기유동을 예측하고자 사용되었다.
제안 방법
- 계절별 일사량에 따른 이중외피 내부의 부위별 온도 및 입·출구 개구부의 기류속도 분포 결과는 해당 대표일의 측정 데이터를 시간별로 평균화하여 산출하였다.
- 계절별 일사량에 따른 이중외피 내부의 수직방향 온도 분포를 분석하기 위한 측정인자는 외부 환경과 그 외부 환경에 실시간 대응하는 이중외피 내부 부위별 환경인자로 구분하였다.
- 연구에서는 한국 에너지기술연구원 내 그린빌딩의 남측에 설치된 전면형 이중외피를 대상으로 계절별 일사량에 따른 이중외피 내부 온도분포 및 입·출구 개구부의 기류 속도를 측정하였다.
- 외부환경 조건에 따른 내부 측정인자 중 이중외피의 내부 온도는 각 층별로 이중외피 외부표면온도, 공기온도, 내표면 유리 및 벽체온도를 측정하였으며 공기온도는 이중외피의 외측 표면으로부터 0.6 m 이격시켜 중공층 중앙에 설치하였다. 이중외피의 입·출구 개구부의 기류속도는 이중외피의 입구 및 출구 측에 설치하여 이중외피 내부의 공기유동을 예측하고자 사용되었다.
- 18 ㎡ 이며, 동절기에는 입·출구 개구부를 전면폐쇄하여 운영하였다. 이중외피 내측유리의 창호는 개방 가능하도록 설치되어졌으나, 개방하지 않은 조건에서 측정을 실시하였다. 이중외피 상부의 덕트는 동절기시 이중외피 내부의 공기를 실내로 유입할 경우에 가동되어졌으며, 하절기에는 운용되지 않은 조건에서 측정하였다.
- 이중외피 내측유리의 창호는 개방 가능하도록 설치되어졌으나, 개방하지 않은 조건에서 측정을 실시하였다. 이중외피 상부의 덕트는 동절기시 이중외피 내부의 공기를 실내로 유입할 경우에 가동되어졌으며, 하절기에는 운용되지 않은 조건에서 측정하였다.
- 측정기간 동안의 데이터를 바탕으로 대표일을 선정 한 후, 내부 열환경 요소인 이중외피의 부위별 온도 및 입·출구 개구부의 기류속도를 측정하여 분석을 실시하였다.
- 측정된 외부환경의 변화를 기준으로 하절기는 6월 16일∼9월 21일, 중간기는 9월 22일∼10월 25일, 동절기는 10월 26일∼12월 30일까지로 구분하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 이중외피의 유형 중 Fig. 1과 같이 두 개의 외피사이에 수평적이거나 수직적인 분할이 존재하지 않고 중공층의 환기가 시스템의 하부와 상부의 개구부를 통해 이루어지는 전면형 이중외피를 대상으로 연구를 진행하였다. 전면형 이중외피는 현재 국내에서 많은 연구가 진행되어지고 있는 박스형 이중외피에 비해 상대적으로 낮은 초기투자비가 소요되어 국외에서 많은 적용실적을 가지고 있다.
- 측정 데이터는 National Instrument Labview를 활용하여 데이터 수집 PC에서 인터페이스를 구성하고 Agilent 34970A DAQ 시스템과의 RS-232통신에 의해 1분 간격으로 수집하였다.
- 측정기간은 2010년 6월 16일∼2010년 12월 30일까지 약 6개월 동안 실시하였다.
- 측정은 2010년 6월 16일∼2010년 12월 30일까지 실시하였다.
데이터처리
- 따라서 각 대표일의 일사량이 가장 많은 시간대인 11∼16시의 이중외피 층간 온도차를 평균화하였으며 데이터의 결과값은 Fig. 5와 같다.
성능/효과
- (1) 계절별 이중외피의 각 층간 중공층 온도차를 분석한 결과, 이중외피 4～5층 구간의 이중외피 중공층 온도차가 거의 유사한 분포를 나타내었다. 결과적으로 이중외피 내부에서 중공층 온도차에 의한 부력 환기가 원활하게 이루어지지 못하여 하절기시 과열된 상층부의 기류가 실내측으로 열손실이 발생하여 냉방 부하가 증가할 것으로 사료된다.
- (2) 계절별 이중외피의 각 부위별 온도 분포를 분석 한 결과, 하절기의 경우 이중외피 내부의 온도차가 형성되지 못하고 이중외피 상층부의 각 부위별 온도분포가 유사하게 형성되었다. 이와 같이 과열된 상층부의 기류가 원활하게 외부로 배출될 수 있도록 이중외피 기류이동에 영향을 주는 구성인자들의 변경을 통해 해결방안을 모색할 수 있을 것으로 판단된다.
- (3) 계절별 이중외피의 입·출구 개구부의 기류 속도를 분석한 결과, 하절기의 경우 입·출구 개구구부를 전면 개방하여 운용하였음에도 불구하고 출구측 개구부의 기류속도가 입구측 개구부의 기류속도보다 낮게 나타났다.
- (1) 계절별 이중외피의 각 층간 중공층 온도차를 분석한 결과, 이중외피 4～5층 구간의 이중외피 중공층 온도차가 거의 유사한 분포를 나타내었다. 결과적으로 이중외피 내부에서 중공층 온도차에 의한 부력 환기가 원활하게 이루어지지 못하여 하절기시 과열된 상층부의 기류가 실내측으로 열손실이 발생하여 냉방 부하가 증가할 것으로 사료된다.
- 결과적으로 이중외피의 상층부로 갈수록 각 층별 중공층 온도차에 의한 부력 환기가 제대로 이루어지지 않고 거의 유사한 분포를 나타냈다.
- 결과적으로 하절기의 경우, 이중외피 상층부의 각 부위별 온도분포가 유사하게 형성되어 과열된 기류가 실내측으로 열적 손실이 일어나 냉방부하가 증가할 것으로 사료된다. 따라서 과열된 상층부의 기류가 원활하게 외부로 배출될 수 있도록 이중외피 기류이동에 영향을 주는 구성인자들의 변경을 통해 해결방안을 모색할 수 있을 것으로 판단된다.
- 동절기의 경우 입·출구 개구부를 폐쇄하여 운용하였기 때문에 입구측 개구부의 기류속도 값이 최대 약 0.4 m/s 이하로 나타났으며, 일사량이 많은 시간대인 11∼16시 사이에 입구측 개구부의 기류속도가 빨라지는 경향을 보였다.
- 그러나 하절기의 경우보다 수직면 적산일사량이 많게 나타났으며, 일사량이 상, 중, 하일 경우의 적산일사량의 차이가 크게 나타났다. 동절기의 경우에는 중간기와 달리 수직면일사량에서 큰 차이가 나타나지 않았으나 대표일별 외기온도에서 뚜렷한 차이가 나타났다.
- 또한 배출기류 온도에 대한 CFD 시뮬레이션 해석을 한 결과, 이중외피의 중공층 높이가 4층과 8층일 경우 모두 이중외피 중공층의 높이에 상관없이 이중외피 입·출구 개구부의 크기가 작을수록 이중외피 내부의 기류온도가 높고 출구측 개구부로 배출되는 기류의 질량유량이 적게 나타남을 밝혔다.
- 이는 하절기의 경우 실내부의 냉방을 가동하여 운용하기 때문에 실 내부와 가장 인접한 이중외피 내측 유리온도가 가장 낮은 온도분포를 나타낸 것으로 사료된다. 또한 하절기의 전체적인 이중외피 부위별 온도분포를 분석한 결과, 일사량이 상일 경우 상층부로 갈수록 이중외피 부위별 온도값이 상승하였으나 4층과 5층의 온도값은 거의 유사한 온도분포를 나타내었다.
- 분석 결과, 이중외피를 기준으로 역풍일 경우 보다 순풍일 경우에 이중외피와 실내측의 자연환기적인 측면에서 유리하며, 이중외피의 입·출구 개구부를 모두 개방하였을 경우보다 출구측 개구부만을 개방하였을 경우 이중외피와 실내측의 자연환기적 측면에서 효과적이라고 하였다.
- 이중외피 부위별 온도분포를 분석한 결과, 1차적으로 가장 많은 일사량에 노출되는 외측 유리표면 온도가 다른 부위의 온도보다 높은 온도 분포를 나타내었으며, 하절기의 경우 외기온도보다 최대 약 12℃, 중간기의 경우 최대 약 23℃, 동절기의 경우 최대 약 30℃ 정도 높은 온도분포가 나타났다. 이는 일사량의 영향으로 인하여 외측 유리부분에 열이 축열되어 외측 유리표면 온도가 외기온도보다 높은 온도값을 나타내는 것으로 보인다.
- 이중외피 입·출구 개구부의 기류속도를 분석한 결과, 전체적으로 일사량이 많아질수록 입·출구 개구부의 기류속도가 빨라졌으며 입구측 개구부의 기류속도가 출구측 개구부의 기류속도보다 빠르게 나타났다.
- 이중외피의 내부 온도 분포 및 입·출구 개구부의 기류속도를 분석한 결과, 이중외피 상층부의 중공층 온도차가 유사하게 나타나 부력환기가 원활하게 이루어지지 않으며 이중외피를 통한 출구측 개구부의 기류속도 또한 입구측에 비해 현저하게 느리게 나타났다.
- 4 m/s 이하로 나타났으며, 일사량이 많은 시간대인 11∼16시 사이에 입구측 개구부의 기류속도가 빨라지는 경향을 보였다. 출구측 개구부가 폐쇄된 상태였으나 출구측 개구부의 기류속도는 이중 외피 상부의 덕트 운용으로 인하여 평균적으로 약 0.1 m/s의 비교적 일정한 기류속도를 나타내었다.
후속연구
- 결과적으로 하절기의 경우, 이중외피 상층부의 각 부위별 온도분포가 유사하게 형성되어 과열된 기류가 실내측으로 열적 손실이 일어나 냉방부하가 증가할 것으로 사료된다. 따라서 과열된 상층부의 기류가 원활하게 외부로 배출될 수 있도록 이중외피 기류이동에 영향을 주는 구성인자들의 변경을 통해 해결방안을 모색할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 동절기의 경우 실내 난방온도를 18℃ 로 유지한 상태에서 운용되어지므로 외기측과 실내측 사이 이중외피의 중공층이 열적 완충공간을 형성하여 난방부하를 줄일 수 있을 것으로 사료된다.
- 본 연구에서는 이중외피 내부의 기류현상에 대한 분석에 있어 실측데이터의 한계가 있었다. 따라서 추후 계절별 이중외피의 실측을 통해 예측한 현상을 CFD 시뮬레이션을 통하여 정확한 기류현상을 분석하고, 그에 따른 문제점에 대해 이중외피 구성 인자나 이중외피 운용방법을 변경하여 해결방안을 제시하고자 한다.
- (2) 계절별 이중외피의 각 부위별 온도 분포를 분석 한 결과, 하절기의 경우 이중외피 내부의 온도차가 형성되지 못하고 이중외피 상층부의 각 부위별 온도분포가 유사하게 형성되었다. 이와 같이 과열된 상층부의 기류가 원활하게 외부로 배출될 수 있도록 이중외피 기류이동에 영향을 주는 구성인자들의 변경을 통해 해결방안을 모색할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 동절기의 경우 실내 난방온도를 18℃로 유지한 상태에서 운용되어지므로 외기측과 실내측 사이 이중외피의 중공층이 열적 완충 공간을 형성하여 난방부하를 줄일 수 있을 것으로 사료된다.
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