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문제 정의
- 본 연구에서는 선택적 쾌적 구간을 기준으로 하여, 건물부하 상승률이 가장 커지는 지점 이전의 슬랫각도를 검불 부하와 불쾌현휘의 두 상반된 변수를 절충한 최적 각도로 도출하였다. 이에 따라 도출된 최적 슬랫각도는 55°로서, 슬랫각도 35°~50° 까지는 평균 0.
- 본 연구의 목적은 재실자 시환경과 건물에너지성능을 모두 고려한 실내 슬랫형 블라인드의 최적 고정 슬랫각도의 도출 방법을 제시하는 것으로서, 슬랫반사율 0.5의 블라인드와 조명제어시스템을 적용한 사무소 건물의 건물부하와 불쾌현휘를 분석하였다. 주요 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다.
- 따라서 이러한 최적 자동제어 블라인드의 보급이전에 비효율적으로 운용되어지는 블라인드의 현 사용실태에 대한 보안책이 필요하다. 이에 본 연구는 대다수의 건물에서 효율적인 각도 제어가 되지 못하고 있는 내부 슬랫형 블라인드의 운용 실태를 바탕으로, 건물에너지성능 향상과 재실자의 쾌적한 시환경 달성이라는 목적을 통합 고려하는 고정된 슬랫각도의 도출 방법을 제시하는데 그 목적이 있다.
가설 설정
- 5로 고정한 채 슬랫각도만을 변화시켜 해석모델에서의 연간 건물 부하를 분석하였다. 현재 대부분의 사무소 건물에는 조명제어 시스템이 적용되어 있지 않기 때문에 해석모델 또한 조명제어 시스템이 적용되지 않은 상태로 가정하였다.
제안 방법
- [7] 따라서 업무시간(08시∼18시)을 대상으로 DGI가 22를 초과하는 시간을 분석하여, 연간 업무시간 대비 초과 시간의 비율로 계산하였다.
- [9] 실내 설정 온도는 난방 22℃, 냉방 26℃이며, 주중에는 6시∼19시까지, 주말에는 6시∼17시까지, 휴일에는 비공조하는 것을 전제로 시뮬레이션 하였다.
- 그림 10과 같이 슬랫각도별 불쾌현휘 발생비율이 크게 변화하는 30°∼35°, 65°∼70°의 두 점을 기준으로 시각적 인지영역을 불쾌 구간, 선택적 쾌적 구간, 쾌적 구간의 3가지로 나누었다.
- 블라인드의 적용은 재실자 측면에서의 시환경 만족과 건물 측면에서의 건물에너지성능 향상의 두 조건을 모두 만족하는 것이 이상적이다. 따라서 앞서 분석한 결과를 종합하여 두 요건을 모두 만족시킬 수 있는 블라인드 슬랫각도의 범위를 분석하였다. 분석 값은 해석모델에 반사율 0.
- 본 연구는 서론에서의 자동제어 선행연구[6]를 바탕으로 사무소 건물에 내부 슬랫형 블라인드를 적용하여, 고정된 슬랫각도에서의 연간 건물 부하와 불쾌현휘지수를 분석하였다. 연구의 분석변수는 슬랫각도와 조명제어시스템 적용의 유무로서, 슬랫반사율은 0.
- 7%의 분포를 보이는 냉방위주의 부하 패턴을 보이고 있다. 본 해석 모델의 부하량(이하 기준모델)을 본 연구의 비교 기준으로 하여 연구를 진행하였다.
- 블라인드의 적용과 슬랫각도 변화가 실내 획득열량의 각 요소에 끼치는 영향을 알아보기 위해 기준모델과 0°, 45° ,90°의 3가지 대표 슬랫 각도 모델을 선정하여 실내 획득열량을 요소별로 분석하였다.
- 블라인드의 적용을 통해 건물에너지성능을 향상시키기 위해서는 슬랫의 반사율과 각도를 모두 고려하여야 하지만, 본 연구에서는 슬랫의 반사율을 0.5로 고정한 채 슬랫각도만을 변화시켜 해석모델에서의 연간 건물 부하를 분석하였다. 현재 대부분의 사무소 건물에는 조명제어 시스템이 적용되어 있지 않기 때문에 해석모델 또한 조명제어 시스템이 적용되지 않은 상태로 가정하였다.
- 슬랫에 대한 세부 입력값은 표 3의 값으로 설정하였으며, 본 연구에서의 슬랫각도는 0°∼90° 범위에서 5° 간격으로 변화시켰다.
- 연구의 분석변수는 슬랫각도와 조명제어시스템 적용의 유무로서, 슬랫반사율은 0.1∼0.9의 중간값인 0.5로 고정한 채, 슬랫각도에 따른 건물 부하 변화와 슬랫형 블라인드와 조명제어가 통합 적용되었을 때의 효과를 분석하였다.
- 5의 내부 블라인드를 설치했을 경우, 부하 절감 효과는 크지 않은 것을 알 수 있었다. 이를 개선하기 위한 방안으로 해석모델에 조명제어 시스템을 추가로 적용하여 건물 부하에 미치는 영향에 대해 분석해보았다.
- 하지만 블라인드의 조작 목적[11][12] 및 작동 우선순위와 관련된 연구[13]에서는 공통적으로 현휘를 최우선 순위로 제시하고 있으며, 이를 통해 블라인드 적용의 근본적 목적은 재실자의 쾌적한 시환경 유지임을 알 수 있다. 이에슬랫각도별 재실자의 시환경을 분석하였다.
- 조명제어의 기준 조도는 한국산업규격 조도기준(KS A 3011)의 사무소 표준 조도 범위에 해당하는 500 lux로 설정하였으며, 조명제어 센서는 그림 7과 같이 2개의 센서를 통하여 각 센서당 실내면적의 1/2씩 담당하도록 하였다. 조명제어 센서는 0 lux부터 500 lux의 범위 내에서 실내 조도를 감지하여 조명 에너지가 선형으로 감소하도록 하였고, 실내 조도가 500 lux를 넘어서 부터는 조명에너지의 20%만 가동하도록 설정하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용된 해석모델은 벽 면적 대비 창 면적비(WWR: Window-to-Wall Ratio)가 65%인 대전지역에 위치한 사무소건물이다. 건물의 구성은 최상층, 중간층, 최하층의 3개 층으로 구성되었으며, 그림 2의 짙게 표시된 중간층 남측방위의 「South Zone」을 대상으로 분석하였다. 해석에 필요한 기상데이터는 태양에너지학회의「대전지역 20년 표준기상데이터」를 활용하였다.
- 본 연구에서 사용된 해석모델은 벽 면적 대비 창 면적비(WWR: Window-to-Wall Ratio)가 65%인 대전지역에 위치한 사무소건물이다. 건물의 구성은 최상층, 중간층, 최하층의 3개 층으로 구성되었으며, 그림 2의 짙게 표시된 중간층 남측방위의 「South Zone」을 대상으로 분석하였다.
- 표 1은 해석모델의 주요 구조체 및 창호의 구성과 재료 물성을 나타내고 있으며, 불투명 재료는 건물에너지절약설계기준의 성능을 충족시키는 수준 내에서 구성하였다[8]. 창호는 태양투과율(Tsol) 0.87, 가시광선투과율(Tvis) 0.97의 물성을 갖는 6mm 투명유리의 복층창 (6CL+12Air+6CL)을 적용하였다.
- [7] 따라서 업무시간(08시∼18시)을 대상으로 DGI가 22를 초과하는 시간을 분석하여, 연간 업무시간 대비 초과 시간의 비율로 계산하였다. 측정위치는 창면에서 2m 떨어진 거리의 인체 평균키 165cm 높이로 설정하였다.
- 건물의 구성은 최상층, 중간층, 최하층의 3개 층으로 구성되었으며, 그림 2의 짙게 표시된 중간층 남측방위의 「South Zone」을 대상으로 분석하였다. 해석에 필요한 기상데이터는 태양에너지학회의「대전지역 20년 표준기상데이터」를 활용하였다.
데이터처리
- 분석은 미국의 에너지성(DOE)에서 개발한 동적 에너지 해석 프로그램인 EnergyPlus를 이용하여 진행하였다. 연구의 전체적인 흐름은 그림 1과 같으며, 재실자 시환경은 Hopkinson에 의해 제시된 DGI(Daylighting Glare Index) 평가지표를 이용하여 불쾌현휘 발생을 분석하였다[7].
이론/모형
- [9] 실내 설정 온도는 난방 22℃, 냉방 26℃이며, 주중에는 6시∼19시까지, 주말에는 6시∼17시까지, 휴일에는 비공조하는 것을 전제로 시뮬레이션 하였다. 공조 방식은 HVAC System 및 Plant의 효율을 배제하고, 입력된 실내 설정 온도 스케줄의 유지를 위해 투입 및 제거되는 냉방 및 난방, 조명 부하를 평가할 수 있는 IdealLoadSystem을 사용하였다.
- 분석은 미국의 에너지성(DOE)에서 개발한 동적 에너지 해석 프로그램인 EnergyPlus를 이용하여 진행하였다. 연구의 전체적인 흐름은 그림 1과 같으며, 재실자 시환경은 Hopkinson에 의해 제시된 DGI(Daylighting Glare Index) 평가지표를 이용하여 불쾌현휘 발생을 분석하였다[7].
- 조명제어의 방식은 실내조도를 감지하여 자연채광의 증가에 따라 조명에너지를 선형으로 감소시키는 Continuous 방식을 적용하였다. 조명제어의 기준 조도는 한국산업규격 조도기준(KS A 3011)의 사무소 표준 조도 범위에 해당하는 500 lux로 설정하였으며, 조명제어 센서는 그림 7과 같이 2개의 센서를 통하여 각 센서당 실내면적의 1/2씩 담당하도록 하였다. 조명제어 센서는 0 lux부터 500 lux의 범위 내에서 실내 조도를 감지하여 조명 에너지가 선형으로 감소하도록 하였고, 실내 조도가 500 lux를 넘어서 부터는 조명에너지의 20%만 가동하도록 설정하였다.
- 조명제어의 방식은 실내조도를 감지하여 자연채광의 증가에 따라 조명에너지를 선형으로 감소시키는 Continuous 방식을 적용하였다. 조명제어의 기준 조도는 한국산업규격 조도기준(KS A 3011)의 사무소 표준 조도 범위에 해당하는 500 lux로 설정하였으며, 조명제어 센서는 그림 7과 같이 2개의 센서를 통하여 각 센서당 실내면적의 1/2씩 담당하도록 하였다.
성능/효과
- 넷째, 블라인드와 조명제어를 통합 적용한 경우, 재실자 시환경과 건물에너지성능을 모두 고려한 최적의 슬랫각도는 55°로 나타났으며, 이때의 부하 감소량은 기준모델 대비 12.1%, 불쾌현휘 발생 비율은 73.1% 감소하였다.
- 도출된 최적각도에 의한 효과는 그림 11과 같이 기준 모델 대비 건물 부하는 12.1%, 불쾌현휘 발생 비율은 73.1% 감소하였다.
- 둘째, 블라인드와 조명제어를 함께 적용 했을 경우, 최대 부하 감소량은 슬랫각도 0°에서의 16.3%이며, 0°∼30°의 범위 내에서는 모두 14%이상의 감소량을 나타냈다.
- 반면 조명제어가 적용되었을 경우에는 열량 획득과 함께 조명 부하를 감소시킬 수 있는 자연채광의 유입이라는 열과 빛 에너지의 두 가지 개념으로 해석할 수 있다. 따라서 본 절에서의 분석은 유입된 일사에 의한 냉방부하 증가보다 자연채광 활용으로 인한 조명부하 감소와 그에 수반된 조명발열 감소에 따른 냉방부하 감소의 합이 더 크기 때문에 전체 건물 부하의 감소가 나타난 것으로 사료된다.
- 5의 블라인드를 적용한 경우의 부하 절감 효과는 크지 않을 것으로 나타났다. 또한 슬랫이 차폐 될수록 일사투과에 의한 획득 열량이 크게 감소하였고, 이에 따라 냉방부하와 총 부하 또한 감소하였다.
- 본 연구를 통해 내부 블라인드 설치 시 블라인드 구성 조건에 대한 고려가 없을 경우, 오히려 건물 부하가 증가할 것으로 판단된다. 또한 조명제어와 통합 적용됨으로서, 시환경과 건물에너지성능 측면에서 뛰어난 효과를 보이는 것으로 나타났다. 추후 본 연구를 바탕으로 블라인드의 슬랫 반사율과 해석모델의 창면적비, 창호 유리의 종류 등의 제반 조건 변화에 따른 건물 부하 절감과 불쾌현휘 발생의 상관관계 분석 및 실측 실험을 통한 검증연구를 통하여 건물에너지성능과 재실자 시환경을 함께 고려한 최적의 블라인드 구성을 도출할 예정이다.
- 본 연구를 통해 내부 블라인드 설치 시 블라인드 구성 조건에 대한 고려가 없을 경우, 오히려 건물 부하가 증가할 것으로 판단된다. 또한 조명제어와 통합 적용됨으로서, 시환경과 건물에너지성능 측면에서 뛰어난 효과를 보이는 것으로 나타났다.
- 본 절에서의 분석 결과 반사율 0.5의 블라인드를 적용한 경우의 부하 절감 효과는 크지 않을 것으로 나타났다. 또한 슬랫이 차폐 될수록 일사투과에 의한 획득 열량이 크게 감소하였고, 이에 따라 냉방부하와 총 부하 또한 감소하였다.
- 분석 결과, 전도획득과 단파손실의 양은 극미하였고, 그림 6과 같이 슬랫이 0° ➝ 90°로 점차 차폐될수록 총 획득열량이 감소하는 패턴을 나타냈다.
- 분석결과 불쾌현휘 발생은 조명제어 유무에 따른 변화가 없는 것으로 나타났으며, 그림 9에서 보는 바와 같이 블라인드를 적용하지 않은 기준 모델의 경우 불쾌현휘가 발생하는 연간 시간의 비율은 84.0%로 분석되었다. 반면 블라인드를 적용한 경우에는 슬랫각도 0°에서 42.
- 셋째, 블라인드를 적용했을 때의 연중 불쾌현휘 발생 비율은 슬랫각도 0°일 때 42.4%로 기준모델에서의 84.0%보다 41.6%감소하였다.
- 슬랫 각도별 부하 변화의 최대 및 최소치는 15°일 때의 5.8% 증가와 90°일 때 1.6% 감소로, 90°로 완전 차폐 된 경우를 제외한 모든 각도에서 증가한 것을 알 수 있다.
- 슬랫형 블라인드와 조명제어의 통합 분석을 통하여 조명제어적용에 의한 건물 부하 감소 효과를 입증하였다. 하지만 블라인드의 조작 목적[11][12] 및 작동 우선순위와 관련된 연구[13]에서는 공통적으로 현휘를 최우선 순위로 제시하고 있으며, 이를 통해 블라인드 적용의 근본적 목적은 재실자의 쾌적한 시환경 유지임을 알 수 있다.
- 위의 3.1절과같이 조명제어가 적용되지 않는 사무소건물을 대상으로 반사율 0.5의 내부 블라인드를 설치했을 경우, 부하 절감 효과는 크지 않은 것을 알 수 있었다. 이를 개선하기 위한 방안으로 해석모델에 조명제어 시스템을 추가로 적용하여 건물 부하에 미치는 영향에 대해 분석해보았다.
- 이처럼 조명제어와의 통합 분석결과, 증가 패턴을 보이던 건물 부하 변화가 감소되는 패턴으로 변화하였다. 이를 통해 슬랫형 블라인드와 조명제어가 통합 적용 될 경우, 건물에너지성능 측면에서 효과적인 것으로 분석되었다.
- 이에 따라 도출된 최적 슬랫각도는 55°로서, 슬랫각도 35°~50° 까지는 평균 0.2~0.7%의 부하 상승률을 보이지만, 55°이후에는 1.0%이상의 큰 부하 상승률을 나타냈다.
- 전체 부하 감소량은 슬랫이 최대로 개방된 0°일 때가 16.3%로 가장 컸고, 완전 차폐된 90°일 때가 1.6%로 가장 작게 나타났다.
- 첫째, 해석 모델에 블라인드를 적용 했을 경우, 최대 부하 감소량은 슬랫각도 90°에서의 1.6%이며, 이를 제외한 나머지 각도에서는 부하가 모두 증가하였다.
- 획득 요소별로는 일사투과에 의한 획득열량이 급격히 감소하였으며, 대류와 장파복사에 의한 획득열량은 이와 반대로 증가하였다. 총 획득열량의 변화패턴은 일사투과에 의한 회득열량과 동일하게 점차 감소하는 것으로 나타냈으며, 이를 통해 총 획득열량의 변화는 일사투과의 요소에 의해 지배를 받는다고 사료된다.
후속연구
- 또한 조명제어와 통합 적용됨으로서, 시환경과 건물에너지성능 측면에서 뛰어난 효과를 보이는 것으로 나타났다. 추후 본 연구를 바탕으로 블라인드의 슬랫 반사율과 해석모델의 창면적비, 창호 유리의 종류 등의 제반 조건 변화에 따른 건물 부하 절감과 불쾌현휘 발생의 상관관계 분석 및 실측 실험을 통한 검증연구를 통하여 건물에너지성능과 재실자 시환경을 함께 고려한 최적의 블라인드 구성을 도출할 예정이다.
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