시뮬레이션을 이용한 외부 베네시안 블라인드의 약식 SHGC 계산법 개발 The Development of the Simple SHGC Calculation Method in Case of a Exterior Venetian Blind Using the Simulation원문보기
When it comes to these buildings for business use, cooling load during summertime was reported to have great importance which, as a result, impressively increased interest in Solar Heat Gain Coefficient (SHGC). Such SHGC is considered to be lowered with the help of colors and functions of glass itse...
When it comes to these buildings for business use, cooling load during summertime was reported to have great importance which, as a result, impressively increased interest in Solar Heat Gain Coefficient (SHGC). Such SHGC is considered to be lowered with the help of colors and functions of glass itself, internal shading devices, insulation films and others but basically, these external shading devices for initial blocking that would not allow solar heat to come in from outside the buildings are determined to be most effective. Of many different external shading devices, this thesis conducted an analysis on Exterior Venetian Blind. As for vertical shading devices, previous researches already calculated SHGC conveniently using concepts of sky-opening ratios. However in terms of the Venetian Blind, such correlation is not possibly applied. In light of that, in order to extract a valid correlation, this study first introduced a concept called shape factor, which would use the breadth and a space of a shade, before carrying out the analysis. As a consequence, the concept helped this study to find a very similar correlation. Results of the analysis are summarized as follows. (1) Regarding SHGC depending on the surface reflectance of a shade, an average of 2% error is observed and yet, the figure can always be ignored when it comes to a simple calculation. (2) As for SHGC of each bearing, this study noticed deviations of 4% or less and in the end, it is confirmed that extraction can be achieved with no more than one correlation formula. (3) When only the shape factor and nothing else is used for finding a correlation formula, the formula with a deviation of approximately 5% or less is what one would expect. (4) Since the study observed slight differences in bearings depending on ranges of the shape factors, it needed to extract a weighted value of each bearing, and learned that the smaller the shape factor, the wider the range of a weighted value. The study now suggests that a follow-up research to extract a simple calculation formula by dealing with all these various inclined angles of shade, solar radiation conditions of each region (the ratio of diffuse radiation to direct radiation and others) as well as seasonal features should be carried out.
When it comes to these buildings for business use, cooling load during summertime was reported to have great importance which, as a result, impressively increased interest in Solar Heat Gain Coefficient (SHGC). Such SHGC is considered to be lowered with the help of colors and functions of glass itself, internal shading devices, insulation films and others but basically, these external shading devices for initial blocking that would not allow solar heat to come in from outside the buildings are determined to be most effective. Of many different external shading devices, this thesis conducted an analysis on Exterior Venetian Blind. As for vertical shading devices, previous researches already calculated SHGC conveniently using concepts of sky-opening ratios. However in terms of the Venetian Blind, such correlation is not possibly applied. In light of that, in order to extract a valid correlation, this study first introduced a concept called shape factor, which would use the breadth and a space of a shade, before carrying out the analysis. As a consequence, the concept helped this study to find a very similar correlation. Results of the analysis are summarized as follows. (1) Regarding SHGC depending on the surface reflectance of a shade, an average of 2% error is observed and yet, the figure can always be ignored when it comes to a simple calculation. (2) As for SHGC of each bearing, this study noticed deviations of 4% or less and in the end, it is confirmed that extraction can be achieved with no more than one correlation formula. (3) When only the shape factor and nothing else is used for finding a correlation formula, the formula with a deviation of approximately 5% or less is what one would expect. (4) Since the study observed slight differences in bearings depending on ranges of the shape factors, it needed to extract a weighted value of each bearing, and learned that the smaller the shape factor, the wider the range of a weighted value. The study now suggests that a follow-up research to extract a simple calculation formula by dealing with all these various inclined angles of shade, solar radiation conditions of each region (the ratio of diffuse radiation to direct radiation and others) as well as seasonal features should be carried out.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
한편, 국내에서는 2014년 5월에 ‘솔라 시뮬레이터에 의한 태양열 취득율 실험방법’이 KSL 9107로 등록되어 실험을 통한 태양열 취득율을 측정할 수 있는 길이 열렸다.[10] 그러나 KS 표준을 면밀히 살펴보면, 솔라 시뮬레이터를 이용하여 측정시료에 법선면으로 조사하도록 되어 있어 전면 코팅이나 차단되는 장치에는 적용이 가능하지만, 외부차양장치에 적용하기에는 한계가 있는 것으로 판단되므로, 본 연구와 같이 시뮬레이션을 이용한 분석을 통해 손쉽게 태양열취득율을 계산하는 방법을 도출하고자 한다.
본 논문은 창호 계산법이 명시된 ISO 15099를 기반으로 한 EnergyPlus 프로그램을 이용하여 시뮬레이션 분석을 통해 수행된 연구이다.[7][8] 선행 연구를 통하여 EnergyPlus의 외부 베네시안 블라인드의 비교 검증 자료의 정확도에 대하여 제시한 바 있다.
이러한 관점에서 본 논문에서는 태양열취득율(SHGC)을 저감시킬 수 있는 기술 가운데 하나인 외부 차양 장치 중 외부 베네시안 블라인드에 대한 시뮬레이션 분석을 통해 손쉽게 태양열취득율을 산정할 수 있는 계산법을 개발하기 위한 기초 연구를 수행하였다.
이에 본 연구에서는 ISO 15099에 기초한 대표적인 프로그램인 EnergyPlus를 이용하여 태양 기하학이 고려된 수평 블라인드의 SHGC를 분석하고, 상관관계를 통해 새로운 계산법을 도출하고자 한다. 이러한 정량화 시도는 향후 시행될 외피 설계기준에 활용될 수 있을 뿐만 아니라 계획단계에서 손쉽게 적용할 수 있는 외부차양장치의 SHGC를 제시해 에너지 성능을 직관적으로 판단하는데 도움이 될 것으로 기대된다.
가설 설정
SHGC는 제품의 구성요소 각각에 대하여 계산되며, 보다 상세한 알고리즘은 ISO 15099를 참조하면 된다. 그리고 모든 투명한 영역(유리 중앙, 가장자리 및 디바이더의 가장자리)은 동일한 SHGC를 갖는 것으로 가정한다.
제안 방법
[7][8] 선행 연구를 통하여 EnergyPlus의 외부 베네시안 블라인드의 비교 검증 자료의 정확도에 대하여 제시한 바 있다.[9] 그리고 외부 베네시안 블라인드만을 대상으로 선정하였으며, 슬랫의 폭과 간격, 표면 반사율 및 창문과의 이격거리를 변수로 검토하였다.
외부 베네시안 블라인드의 경우, 간이 SHGC 계산법을 도출하기 위하여 천공개구율 개념을 적용하기에 얇은 폭과 길이를 가지는 다수의 블레이드를 가지는 베네시안 블라인드의 형태 및 구성 특성으로 인하여 이러한 상관관계가 성립되지 않는다. 따라서 이에 대한 상관관계 도출을 위해 블라인드의 폭과 간격을 이용한 형상계수(Shape Factor)2)란 개념을 도입하여 계산 및 분석을 수행하였다.
반사율 0.1∼0.5까지 0.1 간격으로 5case, 방위별 4 case로 형상비에 따른 일사취득율을 검토하였다.
본 연구에서는 해석 모델의 창호 성능과 차양장치 특성을 중요 변수로 고려하였으며, 해석 모델의 실크기 및 벽체 구성 등은 해석에 있어 단순화 하였다.
앞서 제시한 분석 방법과 조건에 기초하여 외부 베네시안 블라인드를 모델링할 수 있는 프로그램인 EnergyPlus를 이용하여, 서울 지역을 대상으로 시뮬레이션을 수행하였다.
외부 베네시안 블라인드의 해석과 관련하여, 표 2의 분석 범위에서 시뮬레이션을 수행하였으며, 블라인드 간격은 블라인드 폭과 연동하여 폭에서 5 ㎜를 축소하여 모델링하였다. 그리고 블라인드의 크기는 2 m × 2 m로 창호의 크기와 동일하다.
대상 데이터
우선 창면적비 50 %를 맞추기 위하여 창호의 표준 크기인 2 m × 2 m(4 ㎡)의 2 배 면적인 3.2 m × 2.5 m(8 ㎡) 크기를 대상으로 하였으며, 기준 모델은 프레임 면적비 10 %로 가정하여 차양장치에 의한 영향을 최대한 반영할 수 있도록 하였으며, 유리는 차폐계수(Shading Coefficient ; SC)의 기준이 되는 3 ㎜ 투명유리를 기본으로 하였으며, 대상 지역은 서울지역으로 EnergyPlus에서 제공하는 서울지역의 epw 파일을 사용하였다.
성능/효과
(1) 외부 베네시안 블라인드의 SHGC는 복잡한 알고리즘이 요구되는 천공개구율 개념을 대신한 형상비(차양 간격/차양 폭) 개념을 도입할 경우 직달일사와 확산일사를 고려할 수 있다.
(2) 외부 베네시안 블라인드의 SHGC는 표면반사율과 방위별로 상관식을 도출하였으나, 방위와 반사율에 대한 너무 많은 수식으로 계획단계에서 활용 가능한 디자인 지표로서의 역할은 부족하다.
(4) 외부 베네시안 블라인드의 SHGC는 형상비에 따라 방위별 차이가 커 표 5와 같은 가중치를 도입해야 한다.
1 간격으로 5case, 방위별 4 case로 형상비에 따른 일사취득율을 검토하였다. 검토 결과에 대하여 회귀분석에 따른 상관식을 도출하였으며, 변수 상호간 상관관계가 0.97 이상으로 매우 높게 도출되었다.
95 이상인 새로운 상관식을 도출할 수 있다. 따라서 우리나라 각 지역의 일사조건에 맞는 디자인 지표 개발시 매우 유용한 방법인 것을 확인하였다.
이를 토대로 방위에 상관없이 반사율별로 일사취득율을 정리한 것이 그림 13부터 그림 17까지이다. 전체적으로 4 % 이내의 편차 범위를 나타내고 있으며, 이를 통해 반사율에 따른 하나의 상관식을 도출할 수 있다.
후속연구
이러한 에너지 사용량 패턴에서 알 수 있듯이 냉방 및 조명부하의 원인을 분석하여 이를 원천적으로 제거하거나 감소시킬 수 있는 방안을 찾아가야 할 것이며, 단순히 열적 성능만을 향상시켜 에너지를 절감할 수 없을 것이다. 그러므로 열관류율, 태양열취득율, 가시광선투과율, 조명제어 등을 종합적으로 고려한 성능 지표를 개발해 업무용 건물의 에너지 성능을 향상시켜 나가야 할 것이다.
보다 다양한 표본을 대상으로 시뮬레이션을 수행하여 기술데이터베이스를 구축하여 연구결과의 신뢰성을 높이는 후속 연구가 필요할 것으로 사료되며, 설계자들이 사용하기 쉬운 우리나라 고유의 약식 SHGC 산정 지표를 개발하기 위한 추가적인 연구가 수행될 계획이다.
이에 본 연구에서는 ISO 15099에 기초한 대표적인 프로그램인 EnergyPlus를 이용하여 태양 기하학이 고려된 수평 블라인드의 SHGC를 분석하고, 상관관계를 통해 새로운 계산법을 도출하고자 한다. 이러한 정량화 시도는 향후 시행될 외피 설계기준에 활용될 수 있을 뿐만 아니라 계획단계에서 손쉽게 적용할 수 있는 외부차양장치의 SHGC를 제시해 에너지 성능을 직관적으로 판단하는데 도움이 될 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
커튼월의 단점은 무엇인가?
최근 업무용 목적으로 건축되고 있는 대부분의 건물들은 커튼월 구조를 취하고 있다. 이러한 커튼월 건물이 갖는 여러 가지 장점도 많으나, 최근 이슈가 되고 있는 에너지 관점에서 볼 때, 커튼월은 일반 벽체와 비교해 열적 성능이 매우 취약하기 때문에 건물 에너지소비를 증가시키는 주요 원인으로 연일 보도되고 있다. 그러나 커튼월을 구성하는 유리와 프레임은 일반적인 단열소재가 아니기 때문에 아무리 성능이 개선되더라도 일반 벽체와 같은 열적 성능(U-value ; W/㎡․K)을 갖추지는 못한다.
벽체와 창호의 단열성능 강화와 관련된 제도의 정비가 필요한 이유는 무엇인가?
이러한 건물에서의 에너지 절감을 위해 최우선적으로 제도화되고 있는 것이 벽체와 창호의 단열성능 강화이다. 그러나 주거용 건물의 경우에는 이러한 벽체와 창호의 단열성능 강화가 건물에너지를 저감시킬 수 있는 것으로 연구되고 있으나, 업무용 건물에서는 오히려 건물에너지를 증가시킬 수 있는 것으로 보고되고 있어 관련 제도의 정비가 요구된다.[2][3][4][5][6]
열관류율, 태양열취득율 등을 종합적으로 고려한 성능 지표 개발이 필요한 이유는 무엇인가?
그리고, 주거용 건물들과 달리 커튼월 구조를 갖는 대부분의 업무용 건물들의 에너지 사용량 패턴을 살펴보면, 냉방 및 조명부하가 상대적으로 높은 비중을 차지하고 있으며 최근에는 겨울철에 냉방부하가 발생되는 사례도 발표되고 있다. 이러한 에너지 사용량 패턴에서 알 수 있듯이 냉방 및 조명부하의 원인을 분석하여 이를 원천적으로 제거하거나 감소시킬 수 있는 방안을 찾아가야 할 것이며, 단순히 열적 성능만을 향상시켜 에너지를 절감할 수 없을 것이다. 그러므로 열관류율, 태양열취득율, 가시광선투과율, 조명제어 등을 종합적으로 고려한 성능 지표를 개발해 업무용 건물의 에너지 성능을 향상시켜 나가야 할 것이다.
참고문헌 (10)
Ministry of environment report, 2014.01.28, National Reduction of greenhouse gas emissions, Preparing Road-map 2020
Yoon. Y. S, et al, Fundamental Study on the Optimal Window Applications According to the Window Ratio and SHGC in Office Buildings, Journal of KIAEBS, Vol.6, No.1, pp. 38-45, 2012
Yoon. J. H et al, A Study of Correlation Between Glazing Performance and Building Energy - Focused on the U-value, SHGC and VLT in a Curtain Wall Building, Journal of Architectural Institute of Korea, Vol.27, No.12, pp. 341-348, 2011
Yoon. Y. S et al, A Study of Correlation Between Window to Floor Ratio and Building Energy in Curtain Wall Buildings, Journal of Architectural Institute of Korea, Vol.28, No.3, pp. 243-250, 2012
Yoon. Y. S et al, A Fundamental Study on the Feasibility of the Window to Floor Ratio as a Building Energy Index in Curtain Wall Buildings II, Journal of KIAEBS, Vol.6, No.3, pp. 129-137, 2012
Yoon. Y. S et al, A Study on the Optimal Glazing Units in Apartment : Focused on the Glazing Performance and Heating/Cooling Setpoint Temperature, Journal of Architectural Institute of Korea, Vol.28, No.10, pp. 301-308, 2012
ISO 15099., 2003, Windows and Doors - Thermal Transmission Properties - Detailed calculations
DOE. (2013). EnergyPlus User's Manual
Eom. J. Y et al, A Study on the New Calculating Method of a Solar Heat Gain Coefficient of the Overhangs and Side-fins Using the Simulation Tool, Journal of KIAEBS, Vol.9, No.1, pp. 40-49, 2015
KS L 9107, Testing method for the determination of solar heat gain coefficient of fenestration product using solar simulator.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.