[논문]옥상녹화시스템의 기온조절효과와 태양광발전효율간의 상호연관성 규명을 위한 전산해석연구

김태한; 박성은

doi:10.7836/kses.2013.33.4.070

옥상녹화시스템의 기온조절효과와 태양광발전효율간의 상호연관성 규명을 위한 전산해석연구
A Study on Computer Simulation to Investigate Correlations between Temperature Controlling Effect of Green Roof System and the Photovoltaic Power Generation Efficiency 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.33 no.4, 2013년, pp.70 - 79

김태한 (상명대학교 환경조경학과) , 박성은 (계원예술대학교 라이프스타일군)

Abstract ▼ AI-Helper

These day cities experience serious climatic changes due to environmental load caused by disturbance in the circulation systems of water resources and energy. As technological improvement to respond to various climatic changes and disasters are also requested in the field of construction, inter-disciplinary studies linked to the establishment of sustainable environmental control and energy systems is required in a consilient perspective. This study aims to infer correlations in the impact of environmental changes caused by rooftop greening system on the photovoltaic power generation efficiency through computer simulation in an integrated perspective. By doing so, it seeks to provide basic study for developing a photovoltaic system integrated with building revegetation that is sustainable in environmental and resource aspects. A simulation showed that, in the case of sunshine hours in June, the green surface indicated temperature lowering effects of $9.19^{\circ}C$ on average compared to the non-green surface and temperature was $9.81^{\circ}C$ lower. Due to such greening effects, at the highest sunlight timepoint in June, Pmpp improved 119W and heat loss rate dropped 7.8%.

주제어

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문제 정의

환경요인과 시스템 간의 상호 연관성을 수치해석 및 전산해석을 통해 정량화하는 국내연구는 현재 보고되고 있지 않다. 따라서 본 연구는 통합적 관점의 전산해석을 통해 옥상녹화의 미기상조절효과가 태양광발전효율에 미치는 영향을 수치화하고자 한다. 이로써 환경적, 자원적 측면에서 지속 가능한 건축물녹화 통합형 태양광발전시스템 개발을 위한 기초연구를 제공하고자 한다.
본 연구는 다음과 같이 옥상녹화와 태양광발전효율의 상관관계 유추를 목적으로 체계적인 전산해석을 진행하기 위해 대상지 환경분석, 적지분석, 태양광발전해석, 녹화 및 비녹화면의 비교분석을 순차적으로 수행하였다. 해석과정은 그림 2와 같으며 이를 위해 EnergyPlus, Ecotect Analysis, PVsyst 등의 전산해석 프로그램이 사용되었다.
본 연구는 대상지의 미기상 해석을 일사에 따른 지표면과 대기 간의 복합적인 전열교환현상을 전제로 하여 진행하였다. 따라서 옥상녹화시스템의 순열유동을 이해하기 위해 식생과 육성층의 현열, 잠열로 인한 건물 내외부 표면 온도 해석이 FASST 모델을 통해 선행되었다.
이를 산업적 측면에서 극대화하기 위해 시스템간의 상호보완적 적용을 통해 효율을 극대화하는 모델개발이 필요한 시점이다. 본 연구는 환경ㆍ에너지 관점에서 건전한 태양광발전시스템 제시를 목적으로 경질형 태양전지의 물리적 특성을 감안하여 녹화ㆍ비녹화면에 대한 미기상조건 및 전력변환효율 산출을 위해 체계적인 전산해석 과정을 수행하였다. 결과는 다음과 같이 정리된다.
따라서 본 연구는 통합적 관점의 전산해석을 통해 옥상녹화의 미기상조절효과가 태양광발전효율에 미치는 영향을 수치화하고자 한다. 이로써 환경적, 자원적 측면에서 지속 가능한 건축물녹화 통합형 태양광발전시스템 개발을 위한 기초연구를 제공하고자 한다.

제안 방법

IWEC기후자료는 국내의 경우 인천, 광주, 강릉, 울산 등 4개 주요도시 만이 제공되고 있으며 PVsyst내의 변환과정을 통해 사용된다. 국내기후자료 중에서 전산해석 대상지인 천안시와 가장 인접한 인천지역자료를 채택하여 대상지의 위도, 경도, 해발고도 등의 위치자료를 수정하고 대상지 기후현황 분석을 실시하였다.
Ecotect Analysis는 친환경분석 프로그램으로 특히 일사환경 및 자연채광에서 수렴 가능한 신뢰도를 보이고 있다. 마지막으로 태양광 발전 해석은 그림 4와 같이 녹화면, 비녹화면으로 구분하여 진행되었으며 이를 통해 태양광 발전효율에 대한 비교분석을 수행하였다.
여기에 표 5의 식생지표를 적용하여 식생에 의한 기작이 고려된 해석이 가능하였고 비녹화면과의 비교를 통해 녹화의 주변 기온저감효과를 유추할 수 있었다. 반면 대지와 대기 간에 형성되는 열유동 방정식을 적용하여 녹화, 비녹화로 인한 주변대기온도 해석을 진행하였다. 해석된 녹화, 비녹화면의 건물 내외부 표면온도가 균일하고 항구적이라는 조건 하에 대류에너지와 대기, 지표면에 대한 온도차 사이에 대한 열평형 방정식이 Gauthier C.
반면에 일조환경분석은 대상지인 상록관 옥상을 CAD 3차원 모델링 후에 Ecotect Analysis에서 전산해석을 수행하였으며 일사에 대한 차폐여부만을 고려하여 외피에 물성치는 부여하지 않았다. Ecotect Analysis는 친환경분석 프로그램으로 특히 일사환경 및 자연채광에서 수렴 가능한 신뢰도를 보이고 있다.
⁴⁾ FASST는 식물고에 따라 두 가지 모델로 구분되며 EnergyPlus에는 저관리형 옥상녹화시스템에 적합한 저식물고 모델(Low Vegetation Model)이 적용된다. 이 모델은 발생되는 잠열 및 현열유속과 관련하여 다양한 매개변수를 포괄하고 식생층(Ff)과 육성 층(Fg)으로 구분된 서로 다른 두 개의 산출방정식을 동시에 제공한다. 식생층에서 발생하는 전열교환현상은 현열과 잠열의 형태로 이루어지며 다음 산식(1)과 같이 정리된다.
옥상공간에서 녹화유무에 따른 기온차이는 PV모듈의 열손실로 연계되어 전력변환효율에 영향을 미친다. 이를 규명하기 위해 녹화 및 비녹화면에 대한 표면온도와 주변기온해석을 통해 도출된 결과를 적용하여 전 일조시간과 일조집중시간대에서 250W급 태양광 모듈의 설계효율을 PVsyst로 해석하였다.
일조환경분석은 AutoCAD로 구축된 3차원 모델을 통해 Ecotect Analysis내에서 활성화하여 대상지 건물옥상의 분석을 수행하였다. 분석 대상면을 1m 격자로 구분하여 총 732개의 일사측정지점을 설정하고 전산해석을 진행한 결과 연간 평균 일사에너지는 1,066.
표면온도분석은 추후 다른 전산해석결과와의 연동을 고려하여 10m × 10m × 3.5m의 가상건물을 모델링하였고 외피는 국토해양부고시 “친환경 주택의 건설기준 및 성능”에 부합하는 열관류율을 적용하였다.
이상의 해석과정을 거쳐 도출된 녹화, 비녹화면의 내외부 표면온도와 외기온도는 표 6과 같다. 해석기간은 일 년 중 가장 일조환경이 우수한 6월로 한정하였으며, 균일한 온도조건을 도출하기 위해 평균온도를 산출하였다. 해석단위 시간은 15시간의 총 일조시간과 12시에서 14시까지를 일조집중 시간으로 구분하여 전산해석을 진행하였다.
해석기간은 일 년 중 가장 일조환경이 우수한 6월로 한정하였으며, 균일한 온도조건을 도출하기 위해 평균온도를 산출하였다. 해석단위 시간은 15시간의 총 일조시간과 12시에서 14시까지를 일조집중 시간으로 구분하여 전산해석을 진행하였다. 여기서 태양일사가 직접적인 영향을 미치는 지붕과 천정면은 전체 가상건물면적 100m²에서 외벽을 제외한 88.

대상 데이터

본 연구를 통해 설계되는 Testbed가 적용되는 대상건물은 상명대학교 천안캠퍼스 상록관으로 1984년 6월 29일 준공한 천안캠퍼스 설립 초기에 세워진 4층 벽돌조의 강의 및 교수연구동이다.
본 연구에서는 각기 다른 유형의 전산해석을 진행하기 위해 DOE에서 제공하는 IWEC자료를 공통으로 적용하였다. IWEC기후자료는 국내의 경우 인천, 광주, 강릉, 울산 등 4개 주요도시 만이 제공되고 있으며 PVsyst내의 변환과정을 통해 사용된다.
지하 1층, 지상 4층, 총 3,600m2 규모이며 외벽은 적벽돌 치장쌓기, 천정은 텍스, 바닥은 인조석물갈기로 마감되었다.
태양전지모듈은 현대중공업의 HIS-S250 MG 모델이 사용되었고 자세한 물성치는 표 4와 같다.

이론/모형

본 연구는 대상지의 미기상 해석을 일사에 따른 지표면과 대기 간의 복합적인 전열교환현상을 전제로 하여 진행하였다. 따라서 옥상녹화시스템의 순열유동을 이해하기 위해 식생과 육성층의 현열, 잠열로 인한 건물 내외부 표면 온도 해석이 FASST 모델을 통해 선행되었다.
미국 에너지성(DOE)에서 개발된 EnergyPlus는 옥상 녹화시스템의 에너지평형을 해석하기 위해 Frankenstein, S & G. Koenig(2004)에 의해 제안된 FASST(Fast All Season Soil Strength) 모델을 사용한다.
본 연구는 다음과 같이 옥상녹화와 태양광발전효율의 상관관계 유추를 목적으로 체계적인 전산해석을 진행하기 위해 대상지 환경분석, 적지분석, 태양광발전해석, 녹화 및 비녹화면의 비교분석을 순차적으로 수행하였다. 해석과정은 그림 2와 같으며 이를 위해 EnergyPlus, Ecotect Analysis, PVsyst 등의 전산해석 프로그램이 사용되었다.

성능/효과

(1) 녹화면과 비녹화면의 표면온도를 해석한 결과 6월의 총 일조시간에 유발되는 녹화면의 평균 표면온도저감효과는 4.35℃로 기록되었으며 주변기온은 평균 4.63℃℃가 저감되었다. 반면 일조집중시간에는 9.
(2) 대상 건물인 상록관 옥상의 일조환경분석 결과 연간 평균 일사량은 1,066.50kWh를 기록하였으며, 최적 태양복사량 1,200kWh 이상을 확보할 수 있는 면적은 좌측상단의 경우 76.84m2, 우측하단의 경우 36.89m2로 산출되었다.
(3) 일조집중시간동안 녹화면과 비녹화면에 적용되는 태양광발전시스템의 Pmpp는 녹화면에서 37W의 성능향상을 가져왔으며 이로 인한 열손실율은 4.6%가 저감되었다. 반면 6월 중 최대 일사량을 보인 6월 7일 13시의 경우 119W의 성능향상과 7.
따라서 총 실제 옥상면적 670.90m2 중에서 최적전력변환이 가능한 태양광발전시스템의 설치지역은 좌측상단의 76.84m2와 우측하단의 36.89m2로 연평균 일사에너지 1,200kWh 이상이 확보되는 곳으로 유추되었다.
일조환경분석은 AutoCAD로 구축된 3차원 모델을 통해 Ecotect Analysis내에서 활성화하여 대상지 건물옥상의 분석을 수행하였다. 분석 대상면을 1m 격자로 구분하여 총 732개의 일사측정지점을 설정하고 전산해석을 진행한 결과 연간 평균 일사에너지는 1,066.50kWh를 기록하였다.
여기에 표 5의 식생지표를 적용하여 식생에 의한 기작이 고려된 해석이 가능하였고 비녹화면과의 비교를 통해 녹화의 주변 기온저감효과를 유추할 수 있었다. 반면 대지와 대기 간에 형성되는 열유동 방정식을 적용하여 녹화, 비녹화로 인한 주변대기온도 해석을 진행하였다.
36m²이다. 해석결과, 총 일조시간 동안에 녹화면은 비녹화면에 비해 평균적으로 4.35℃가 낮은 표면온도분포를 보였으며 기온은 4.26℃가 낮게 해석되었다. 반면 일조집중시간에는 녹화면은 비녹화면 대비 평균 9.

후속연구

본 연구는 체계적인 전산해석과정을 제공함으로써 국내 기후환경과 연동된 옥상녹화와 태양광발전이 융합된 시스템을 개발하기 위한 기초연구로 활용될 것으로 사료된다. 하지만 녹화ㆍ콘크리트면과 주변대기 간의 대류 및 열교환부문에서 보다 정교한 모델이 적용되지 않아 현실적인 결과도출에 한계를 지니고 있으며 이는 후속연구를 통해 보완되어야 할 것이다.
본 연구는 체계적인 전산해석과정을 제공함으로써 국내 기후환경과 연동된 옥상녹화와 태양광발전이 융합된 시스템을 개발하기 위한 기초연구로 활용될 것으로 사료된다. 하지만 녹화ㆍ콘크리트면과 주변대기 간의 대류 및 열교환부문에서 보다 정교한 모델이 적용되지 않아 현실적인 결과도출에 한계를 지니고 있으며 이는 후속연구를 통해 보완되어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	옥상녹화시스템이란?	특히 진보된 조경기술을 통해 우수유출 조절을 유도하는 통합관리방안 (IMPs: Integrated Management Practices)은 조경, 건축, 환경을 포괄하는 융합산업부문으로 지속적인 기술개발이 예상되는 분야이다. 여기서 옥상녹화시스템은 우수유출저감은 물론 도심미기상측면의 열섬 저감효과, 도심 종다양성 제고 등 환경적 순기능을 제공하는 통합관리방안기술 중 하나이다.
	저영향개발은 무엇을 제공하는가?	최근 과도한 개발행위로 인한 현대도시의 생태적 기능성 결여를 제고하려는 노력은 건설관련학계의 공통된 화두로 자리 잡고 있다. 이 중 저영향개발(LID: Low Impact Development)은 건설부문을 포괄하며 지속 가능한 도시개발 및 재생에 대한 개념적 기반을 제공하고 있다. 특히 진보된 조경기술을 통해 우수유출 조절을 유도하는 통합관리방안 (IMPs: Integrated Management Practices)은 조경, 건축, 환경을 포괄하는 융합산업부문으로 지속적인 기술개발이 예상되는 분야이다.
	저식물고 모델은 무엇을 제공하는가?	4) FASST는 식물고에 따라 두 가지 모델로 구분되며 EnergyPlus에는 저관리형 옥상녹화시스템에 적합한 저식물고 모델(Low Vegetation Model)이 적용된다. 이 모델은 발생되는 잠열 및 현열유속과 관련하여 다양한 매개변수를 포괄하고 식생층(Ff)과 육성 층(Fg)으로 구분된 서로 다른 두 개의 산출방정식을 동시에 제공한다. 식생층에서 발생하는 전열교환현상은 현열과 잠열의 형태로 이루어지며 다음 산식(1)과 같이 정리된다.

참고문헌 (12)

Han S.W, Kim H.S, LEE D.W, Evaluation of IAQ in School Classroom according to the Building Material and Ventilation Rate Planning Korea institute of architectural sustainable Environment and building systems Proceedings of the Conference. PP 235-239.
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Yoo D.C, Lee. E.J., A study on the effect that the green roof has on the performance of PV module. Korea solar energy society, Vol. 32, No. 2, PP 113-119.

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Frankenstein, S., and G. Koenig. FASST (Fast All Season Soil Strength) Vegetation Models. U.S. Army Engineer Research and Development Center, Coldregions Research and Engineering Laboratory, ERDC/CRREL Technical Report TR-04-25. 2004.
De Paepe M., 3D unstructured finite volume technique for modelling earth air heat exchangers., Advanced Computational Methods in Heat Transfer, 2002, ISBN 1-85312-906-2
Kim T.H., A study on thermal simulation for extensive green roof system using a plant canopy model. The Korea Society For Environmental Restoration And Revegetation Technology. Korea. Vol.15, No.2, PP137-146, 2012

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Gauthier C, Lacroix M, Bernier H. Numerical simulation of soil heat exchanger-storage systems for greenhouses. Solar Energy Vol. 60, No. 6 pp.333-346, 1997

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Mihalakakou G., Santamouris, M., Lewis, J., Asimakopoulos D., On the application of the energy balance equation to predict ground temperature profiles., Solar Energy, Vol. 60, No. 3/4 pp.181-190, 1997

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http://naturalfrequency.com/wiki/insolation.
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Mostrel M. and Givoni B. Windscreens in radiant cooling. Passive Solar J. 1, 229, 1982
$RETScreen{(R)}$ International, Photovoltaic Project Analysis Chapter, Natural Resources Canada

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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].

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