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문제 정의
- 본 논문은 에너지플러스(EnergyPlus) 프로그램을 이용하여 사무소 건물을 대상을 박막 BIPV 창호의 적용 유무에 따른 냉난방과 조명 부하를 분석한 것이다. 향후 본 연구에서는 실제로 박막 BIPV 시스템에서 생산된 전력량과 건물에서 소비하는 전력량의 실측데이터를 바탕으로 통합에너지 성능평가와 경제성 분석을 수행하고자 한다.
- 또한 균일한 투광성으로 업무공간에 필요한 조도를 확보할 수 가 있어서 조명부하를 절약할 수 있다. 하지만 사무소 건물을 대상으로 한 박막 BIPV 적용 조건에 따른 냉난방 및 조명 부하에 대한 연구가 미미한 실정이다 이에 본 연구에서는 실물 크기의 사무소 건물을 대상으로 박막 BIPV 적용 하였으며 이를 바탕으로 평가대상 모델을 수립하여 해석 프로그램을 통해서 일반유리 대비 연간 냉난방 및 조명 부하의 저감량에 대한 데이터를 분석하였고 이를 기초자료로 제공하고자 한다.
제안 방법
- 세 번째 ‘Low-e 창호 추가 모델’은 실제 실증 건물과 같이 Window1과 Window3은 BIPV 복층 창호, Window2 Low-e 투명 복층 창호로 구성하였다. 3가지 해석 모델을 분석하여 실증 건물의 상 하단 부위의 BIPV 창호와 비젼 부분의 Low-e 창호의 두가지 각 요소별 부하 저감량을 분석하였다.
- 1W/㎡으로 설정하였다. 난방과 냉방의 설정온도는 난방이 22℃, 냉방이 26℃이며, 주중에는 6시부터 17시까지 토요일과 일요일은 비공조하는 것을 전제로 시뮬레이션을 수행하였다.
- 실제 실증 건물에는 <그림 5>에서 보는 것과 같이 일반 복층창호와 박막 BIPV 창호가 함께 적용되어있다. 따라서 일사획득계수가 낮은 박막 창호가 적용된 실제 실증 건물에서의 건물 에너지 성능 변화 분석을 위해 기준모델의 입력조건에서 창 종류를 변경하였다.
- 박막 BIPV는 에서 보는 것과 같이 남쪽과 동쪽 면에 나누어 설계되었다 남쪽 커튼월 부분에 10.56kW가 설계되었고 동쪽 커튼월 부분에는 가 4.752kW 설계되어 총 15.32kW가 설계 되었다.
- 본 연구에서는 실물크기의 사무소 건물을 대상으로 박막 BIPV 창호의 적용에 따른 연간 냉난방과 조명부하 저감 효과를 정량적으로 분석하였으며 그 분석결과는 다음과 같다.
- 조명밀도 입력값의 계산은 <그림 10>과 같이 진행하였다. 실증건물에 실제 설치되어진 조명기구의 수는 130개로서, 이를 조명기기 개당 소비 전력과 곱하여 조명의 총 소비전력을 계산한 후 바닥면적으로 나누어서 1㎡당 조명밀도를 산출하였다. 실제 건물에 적용된 조명기구는 고효율 조명기구로서 15W/개의 전력을 소비한다.
- 실증건물의 조명이 30W/개의 전력을 소비하는 일반조명기구가 설치되었을 때와 실제 사용된 15W/개의 고효율 조명기구가 설치되었을 때의 에너지 성능을 분석하였고 전면 , 커튼월을 통하여 유입되는 자연채광을 활용하여 조명에너지를 저감시킬 수 있는 조명제어 시스템을 적용하여 그에 따른 에너지 성능을 비교해보았다.
- 실증 건물에 적용된 요소 기술은 박막 BIPV 창호와 Low-e 창호 고효율조명이다. 여기에 더해 실제 실증건물에는 적용되지 않았으나 조명제어 시스템 또한 평가 모델에 적용하여 분석을 진행하였다.
- 연구의 방법은 실제 박막 BIPV 창호가 적용된 실증건물을 대상으로 동적에너지해석 프로그램인 에너지플러스 (Energy Plus)를 이용하여 건물 부하를 분석하였다.
- 실증 건물의 평면을 보면 북측의 North Zone과 서측 외벽과 남측 창면에 면한 West Zone, 남측 창면과 내벽에 둘러싸인 South Zone 그리고 남측 창면과 동측 창면에 면한 East Zone의 4개의 공간으로 나눌 수 있다. 외부에 면한 조건을 최소화하여 박막 BIPV 창호에 의한 에너지 성능 변화를 명확히 분석하기 위해서 분석 대상을 바닥면적 105.47㎡의 South Zone으로 한정했으며, 상부층과 하부 층에 의한 열적 영향을 배제하기 위하여 지붕과 바닥을 단열경계조건으로 지정하였다.
- 연구의 방법은 실제 박막 BIPV 창호가 적용된 실증건물을 대상으로 동적에너지해석 프로그램인 에너지플러스 (Energy Plus)를 이용하여 건물 부하를 분석하였다. <그림1>은 본 연구의 흐름을 나타낸 것으로서 실증건물의 조건을 입력 자료로 활용하여 평가모델을 수립하여, 일반 사무소 조건의 기준모델을 기준으로 실제 실증 건물에 적용된 요소 기술에 따른 건물 부하 저감 효과를 분석하였다. 실증 건물에 적용된 요소 기술은 박막 BIPV 창호와 Low-e 창호 고효율조명이다.
- 조명제어 시스템은 과 같이 창으로부터 3.34m, 10.01m 떨어진 위치에 2개의 감지 센서를 0.85m 높이로 설치하여 조명에너지의 1/2씩 담당하도록 하였다.
대상 데이터
- 냉난방 부하와 조명 부하의 운영조건에 따른 소비량을 비교분석하기 위해서 4층의 업무공간을 대상으로 시뮬레이션을 진행하였으며 에 실증 건물의 4층 평면과 시뮬레이션 모델링의 모습을 나타내었다.
- 본 연구는 가장 먼저 박막 BIPV가 설치될 실증대상 건물을 선정했다. 선정된 건물의 위치는 대구광역시 수성구에 있는 건물이며 1층과 2층은 자동차 전시공간이고 3층부터 5층까지는 업무 공간이다.
- 분석모델의 구성은 건물에너지절약설계기준[국토해양부, 2010]에 만족하는 수준 내에서 구성하였으며, 창의 경우 실제 적용된 일반 투명복층 창호와 박막 BIPV 복층 창호의 물성치를 사용하였다. 내부 발열조건은 <표2>와 같이 조명은 일반조명과 고효율 조명을 각각 9.
- 본 연구는 가장 먼저 박막 BIPV가 설치될 실증대상 건물을 선정했다. 선정된 건물의 위치는 대구광역시 수성구에 있는 건물이며 1층과 2층은 자동차 전시공간이고 3층부터 5층까지는 업무 공간이다.
- 시뮬레이션 분석은 과 같이 4가지 유형으로 나누어 일반투명복층창호와 일반 조명이 적용된 유형를 기준모델로 설정하고 박막 BIPV 창호 적용에 따른 에너지 성능변화 고효율 조명적용에 따른 에너지 성능변화 그리고 조명제어 적용에 따른 에너지 성능변화와의 비교대상으로 하였다.
- 실증대상 건물에 적용된 박막 BIPV모듈은 국내 K회사에서 생산한 것으로 정격출력의 성능을 갖는 44W 27mm(Laminated 모듈 10mm + 공기층 12mm + 투명유리 5mm) 복층유리이다. 박막 BIPV는 <그림2>에서 보는 것과 같이 남쪽과 동쪽 면에 나누어 설계되었다 남쪽 커튼월 부분에 10.
이론/모형
- 조명제어의 방식은 의 우측과 같이 자연채광 증가에 따라 조명에너지가 선형으로 감소하는 Continuous 방식을 적용하였다.
성능/효과
- 1) 연간 냉난방 부하를 분석한 결과 박막 BIPV 창호를 적용한 모델이 일반 창호를 적용한 모델 보다 총 8.4%가 감소하였다.
- 2) 박막 BIPV 창호(67%)과 일반창(33%)이 혼용으로 적용된 창에서 일반창호 대신 Low-e 창호를 적용하였을 때 일반창호를 적용한 모델 보다 Low-e창호를 적용한 모델 이 추가로 총 1.0%의 부하 저감을 보였다.
- 3) Low-e 유리가 적용된 박막 BIPV 창호에 고효율 조명기기를 추가한 모델은 Low-e 유리를 적용하지 않은 모델 대비 14.4%의 총 부하 저감량을 나타냈고, 추가적으로 조명 제어시스템을 적용하였을 경우에는 고효율 조명을 추가한 모델 대비 총 5.9%의 부하를 저감하였다.
- Low-e BIPV 창호를 추가 적용한 경우 박막 창호에 일반복층창호가 적용된 모델 대비 1.0%의 총부하 저감을 보였다. 세부 부하 종류별 변화량을 보면 냉방 부하는 .
- 고효율 조명기기를 추가했을 경우 이전의 창호 Low-e 추가 적용의 경우 대비 14.4%의 총 부하 저감량을 나타냈다. 이때에 세부 부하별 저감량은 조명부하가 2,781.
- 1%의 저감 비율을 나타냈다. 난방 부하의 경우, 박막 BIPV 창호를 적용했을 때 기준모델에서의 난방부하 대비 111.0% 상승하였고 Low-e 창호를 적용한 경우 28.2%, 고효율 조명을 적용한 경우 25.8%, 그리고 조명제어 시스템을 적용한 경우 8.5%의 부하 증가 비율을 나타냈다. 냉방 부하의 경우에는 박막 BIPV 창호를 적용했을 경우가 44.
- 박막 BIPV 창호 적용모델의 연간 부하를 분석한 결과 과 같이 전체 부하가 기준모델 대비 8.4% 감소한 것으로 나타났다.
- 분석결과 기준모델 대비 BIPV 박막 창호 적용 모델에서의 획득열량이 현저히 줄어드는 것을 알 수 있다. 획득열량의 세부 요소를 보게 되면 BIPV 박막 복층 창호 적용으로 투과성분에 의한 획득열량은 급격히 감소한 동시에 복사에 의한 획득열량은 증가하였다.
- 4% 감소한 것으로 나타났다. 세부 구성 요소별로 비교해 보면 냉방부하는 44.7% 감소한 반면 난방 부하는 52.6% 증가하였다.
- 9%의 부하 저감량을 나타냈다. 이 때 조명부하와 냉방부하는 각각 36.2%, 5.8% 감소하였고 난방부하는 3.2%증가하였다.
- 4%의 총 부하 저감량을 나타냈다. 이때에 세부 부하별 저감량은 조명부하가 2,781.1kWh에서 1,392.1kWh로 49.9%감소하였고 냉방부하는2,927.9kWh에서 2,457.1kWh로 16.1% 감소하였다 난방부하는 반대로 4,134.8kWh에서 4,581.3kWh로 10.8% 증가하였다 조명제어시스템을 적용하였을 경우에는 고효율 조명 추가 적용 대비 총 5.9%의 부하 저감량을 나타냈다. 이 때 조명부하와 냉방부하는 각각 36.
- 이러한 각 요소 적용별 조명, 난방 및 냉방 부하 변화 비율을 총합하여 총 부하에 대한 변화 비율을 보면 박막 BIPV 창호 적용 시 8.4%, Low-e창호 적용 시 1.0%, 고효율 조명 적용 시 13.0%, 조명제어 시스템 적용 시 4.6%의 저감 비율을 나타냈다. 이 중 고효율 조명 적용에 의한 저감비율이 13.
- 일반 복층 창호가 적용된 기준모델의 연간 부하를 분석한 결과 와 같이 총 부하는 10,851.4kWh로 나타났으며 그중 냉방부하가 6,341.8kWh로 전체 부하의 58.4%를 차지하였다.
- 47㎡으로 나누어 당 부하로 표시한 것이다. 현재 실제 실증건물에 적용된 BIPV 창호, Low-e 창호, 고효율조명이 적용된 모델의 경우 일반사무소 조건의 기준모델에서의 부하 대비 22.3%가 저감된 것으로 나타났다. 여기에 조명제어 시스템이 추가될 경우 그 저감 값은 26.
- 분석결과 기준모델 대비 BIPV 박막 창호 적용 모델에서의 획득열량이 현저히 줄어드는 것을 알 수 있다. 획득열량의 세부 요소를 보게 되면 BIPV 박막 복층 창호 적용으로 투과성분에 의한 획득열량은 급격히 감소한 동시에 복사에 의한 획득열량은 증가하였다. 하지만 총 획득열량은 투과성분의 영향이 지배적이기 때문에 총 71%의 획득 열량 감소를 나타냈다 기준모델에 박막 창호를 적용한 경우 박막 BIPV 창호의 낮은 일사획득계수로 인해 창을 통한 획득열량과 부하의 감소를 분석하였다 <그림 9>는 박막 창호 적용에 추가로 비젼(vision) 부분인 Window2에 Low-e 창호를 적용하였을 때의 결과 값이다.
후속연구
- 본 논문은 에너지플러스(EnergyPlus) 프로그램을 이용하여 사무소 건물을 대상을 박막 BIPV 창호의 적용 유무에 따른 냉난방과 조명 부하를 분석한 것이다. 향후 본 연구에서는 실제로 박막 BIPV 시스템에서 생산된 전력량과 건물에서 소비하는 전력량의 실측데이터를 바탕으로 통합에너지 성능평가와 경제성 분석을 수행하고자 한다.
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