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문제 정의
- 본 연구는 건물 지붕면으로 유입되는 태양복사에너지의 반사율을 높이고, 흡수된 복사열을 빠르게 방출하는 방사율을 높인 쿨루프의 건물 내·외부 온도 저감 효과를 난방일수 대비 냉방일수가 높은 우리나라 남부의 경상남도 창원시 시청사 건물에 적용하여 분석하고자 하였다.
- 이에 본 연구는 연간 난방일수에 비해 냉방일수가 높은 남부지역[25]에 위치한 경상남도 창원시청 건물을 대상으로 쿨루프 공법을 적용한 후, 기존 녹색우레탄 방수 지붕포장 건물 내‧외부와의 온도 차이를 상호 비교‧분석하여 쿨루프의 온도 저감 효과를 규명하고자 한다.
제안 방법
- 반사율은 태양복사에너지의 반사정도를 나타내는 것으로 표면의 열에너지 축적량을 결정하는 중요한 요인이기 때문에, 순복사량 측정계(CNR4, Kipp & Zonen 사)가 장착된 이동식 측정장비를 활용하여 ECD 4개 지점, CTD 4개 지점을 측정하였다.
- 옥상 면 측정 장비는 접촉식 표면온도 측정계(Testo 175T1)를 이용하여 표면온도(Ts1)를 측정하였고, 설치지점은 주변 건축물로 인해 그림자가 생기지 않고 강우 시 빗물이 고이지 않는 위치로 하였다. 비가 온 후, 표면온도 측정 센서의 접촉면에 먼지와 물기로 인한 오류를 방지하기 위해 주기적으로 관리를 하였다. 천장 공간에서는 상부(Ts2)와 하부(Ts3)에 접촉식 표면온도 측정계(Testo 175T1)를 설치하였고, 하부에서 약 50cm 높이(Ta1)에 온·습도 측정계(Testo 175H1)를 설치하였다.
- 시간대별 변화는 냉방기가 가동된 시간을 제외하고 분석하였다. 08시부터 13시까지 실내온도와 상부표면온도가 상승하였고, 이후 감소하다가 18시부터 일정한 온도를 유지하였다.
- 측정 시기는 쿨루프 시공이 완료된 2014년 5월 29일부터 시작하였고 측정 장비 개수는 두 개 사무실(ECD, CTD) 모두 동일하게 설치하였다. 옥상 면 측정 장비는 접촉식 표면온도 측정계(Testo 175T1)를 이용하여 표면온도(Ts1)를 측정하였고, 설치지점은 주변 건축물로 인해 그림자가 생기지 않고 강우 시 빗물이 고이지 않는 위치로 하였다. 비가 온 후, 표면온도 측정 센서의 접촉면에 먼지와 물기로 인한 오류를 방지하기 위해 주기적으로 관리를 하였다.
- 온·습도계의 설치 위치는 사람의 이동이 적고, 냉방기와 출입문의 영향이 최소화된 곳으로 하였고, 측정값의 저장 간격은 10분으로 설정하였다.
- 천장 측정 장비는 8월 15일에 설치되었기 때문에 이후에 측정된 자료로 분석하였다. 천장공간은 상부(Ts2)와 하부(Ts3)의 표면온도와 기온(Ta1) 간의 차이는 크지 않았고, 패턴도 유사한 것으로 나타났다(Fig.
- 측정 시기는 구름이 거의 없는 맑은 기상상태였던 2014년 8월 12일 10시부터 15시까지로 하였다. 측정 시간은 각 지점당 2분으로 총 10회 반복하였고, 지면에서 약 15cm 정도 이격한 상태에서 측정하였다.
- 쿨루프의 적용 효과는 기상 조건에 영향을 받기 때문에 연구대상지에 가장 가까운 거리에 위치한 창원기상대에서 제공하는 기온과 강수량, 운량 등의 자료를 수집하였다. 현장 측정은 Fig.4와 같이 옥상표면과 옥상과 천장 사이 공간, 그리고 실내 공간을 대상으로 표면온도와 기온 항목을 중심으로 실시하였다. 측정 시기는 쿨루프 시공이 완료된 2014년 5월 29일부터 시작하였고 측정 장비 개수는 두 개 사무실(ECD, CTD) 모두 동일하게 설치하였다.
대상 데이터
- 따라서 본 연구에서는 구름이 많거나 강우가 발생한 일시는 제외하였으며, 이에 6월은 4일(7일, 14일, 15일, 19일), 7월은 4일(1일, 21일, 27일, 30일), 8월은 3일(6일, 22일, 30일), 9월은 4일(4일, 8일, 13일, 28일)의 측정 자료를 대상으로 분석하였다.
- 본 연구는 창원시(35°14'01.02"N, 128°41'19.95"E)의 시청 건물 중 가장 높은 층에 위치한 환경수도과(ECD)와 문화관광과(CTD) 사무실을 대상으로 하였고, 이 중 ECD가 위치한 옥상에 쿨루프 기능을 가진 지붕 마감재를 시공하였다(Fig. 1).
- 반사율은 태양복사에너지의 반사정도를 나타내는 것으로 표면의 열에너지 축적량을 결정하는 중요한 요인이기 때문에, 순복사량 측정계(CNR4, Kipp & Zonen 사)가 장착된 이동식 측정장비를 활용하여 ECD 4개 지점, CTD 4개 지점을 측정하였다. 측정 시기는 구름이 거의 없는 맑은 기상상태였던 2014년 8월 12일 10시부터 15시까지로 하였다. 측정 시간은 각 지점당 2분으로 총 10회 반복하였고, 지면에서 약 15cm 정도 이격한 상태에서 측정하였다.
- 4와 같이 옥상표면과 옥상과 천장 사이 공간, 그리고 실내 공간을 대상으로 표면온도와 기온 항목을 중심으로 실시하였다. 측정 시기는 쿨루프 시공이 완료된 2014년 5월 29일부터 시작하였고 측정 장비 개수는 두 개 사무실(ECD, CTD) 모두 동일하게 설치하였다. 옥상 면 측정 장비는 접촉식 표면온도 측정계(Testo 175T1)를 이용하여 표면온도(Ts1)를 측정하였고, 설치지점은 주변 건축물로 인해 그림자가 생기지 않고 강우 시 빗물이 고이지 않는 위치로 하였다.
- 쿨루프의 적용 효과는 기상 조건에 영향을 받기 때문에 연구대상지에 가장 가까운 거리에 위치한 창원기상대에서 제공하는 기온과 강수량, 운량 등의 자료를 수집하였다. 현장 측정은 Fig.
이론/모형
- 쿨루프 시공은 “A”사에서 개발한 차열 성능을 갖는 에코쿨루프 시스템 UL-200 공법을 적용하였다.
성능/효과
- Pearson 상관계수는 유의수준 1% 이내에서 순복사에너지와 표면온도의 상관성이 0.801, 표면온도와 반사율은 –0.872로 강한 상관성을 보였다(Table 2).
- 물론, 국외 선행연구의 결과와는 쿨루프의 효과 정도가 다소 차이가 있었으며, 이는 대상지역의 지리적 위치와 기후 조건의 차이, 쿨루프의 재질, 색상, 실내 환경 등에 영향을 받은 것으로 판단된다. 따라서 본 연구의 쿨루프는 실내 열환경 개선효과가 있으며, 이를 통해 냉방기 사용 절감 등에도 긍정적인 영향을 미칠 것으로 판단된다.
- 최고온도에 도달하는 시간은 쿨루프 조성 유무에 따라 상이하였는데, 쿨루프가 미조성된 CTD는 19시까지 온도가 상승하였고, 쿨루프가 조성된 ECD는 15시에 최고온도에 도달하였다. 따라서 쿨루프의 조성은 온도가 지속적으로 상승하는 효과를 저감시키는 것으로 확인되었다. 온도 차이에서는 기온은 약 1.
- 모든 측정항목에서 쿨루프를 조성한 사무실(ECD)에서 온도가 낮은 것으로 나타나, 쿨루프의 실내 열환경 개선 효과를 확인할 수 있었다. 물론, 국외 선행연구의 결과와는 쿨루프의 효과 정도가 다소 차이가 있었으며, 이는 대상지역의 지리적 위치와 기후 조건의 차이, 쿨루프의 재질, 색상, 실내 환경 등에 영향을 받은 것으로 판단된다.
- 본 연구는 쿨루프를 조성한 후 건물 옥상면과 천장, 실내 사무실 공간에 대해 표면온도와 기온을 모니터링하였고, 쿨루프가 조성된 ECD가 미조성된 CTD보다 모든 지점에서 온도가 낮은 것으로 나타나 쿨루프의 적용효과가 뚜렷한 것으로 확인되었다. 이는 쿨루프의 반사율이 일반 마감재보다 높기 때문에 표면에 축적되는 순복사에너지가 적어 표면온도가 낮으며, 이로 인해 건물 내부의 천장과 실내에도 영향을 미치는 것으로 확인되었다.
- 본 연구에서는 냉방기 가동 및 장마의 영향을 받은 시기를 제외하였을 때, 표면온도의 경우 최대 9°C정도로 선행연구와 유사한 결과를 보였으나, 실내 온도는 약 0.5~1.0°C로 선행연구보다 다소 차이가 적었다.
- 사무실 실내 온도는 냉방기의 영향이 있었지만 쿨루프가 적용된 사무실(ECD)에서 약 0.5~1.0°C 낮게 나타나, 쿨루프의 실내 온도 저감 효과를 확인할 수 있었다.
- 시간대별 변화를 분석한 결과, 해가 뜨는 06시 이후 온도가 상승하였고, 12~14시에 가장 높게 상승한 후 서서히 감소하였다. 쿨루프 유무에 따른 차이는 해가 뜨기 이전까지 1°C를 유지하다가 이후 점차 증가하였으며, 10~14시에 가장 높은 4°C의 차이를 꾸준히 유지하였다(Fig.
- 0°C 낮게 나타나, 쿨루프의 실내 온도 저감 효과를 확인할 수 있었다. 시간대별로 차이를 비교한 결과, 옥상 표면온도는 11~15시 사이에 쿨루프 적용에 따른 차이가 가장 컸으나, 천장과 실내온도는 사무실의 물리적 환경 특성 차이와 직원들의 행동패턴 등으로 인해 다른 패턴을 보였다.
- 연구 결과를 요약하면, 먼저 순복사에너지를 측정하여 산정된 쿨루프의 반사율은 0.55로 기존 옥상면의 0.22보다 약 0.3 정도 높았으며, 이로 인해 쿨루프의 옥상표면온도가 최고 9°C정도 낮게 나타났다.
- 표면온도와 기온은 모두 8시 이후부터 온도가 서서히 증가하기 시작하였다. 최고온도에 도달하는 시간은 쿨루프 조성 유무에 따라 상이하였는데, 쿨루프가 미조성된 CTD는 19시까지 온도가 상승하였고, 쿨루프가 조성된 ECD는 15시에 최고온도에 도달하였다. 따라서 쿨루프의 조성은 온도가 지속적으로 상승하는 효과를 저감시키는 것으로 확인되었다.
- 쿨루프 조성 유무에 따른 온도 차이에서 실내온도(Ta2)와 상부표면온도(Ts4) 모두 약 1°C정도 차이를 보였다(Fig.
- 6(a)). 쿨루프 조성 유무에 따른 표면온도 차이는 전체적으로 쿨루프가 조성된 ECD의 온도가 낮은 것을 알 수 있으며, 온도가 상승되는 기간인 8월 6일까지의 차이보다 온도가 하강하는 8월 22일 이후의 차이가 더 작은 것으로 나타났다(Fig. 6(d)).
- 즉, 표면온도에 대한 쿨루프의 효과는 태양복사에너지가 강렬한 한 여름철에 뚜렷하게 나타나는 것을 알 수 있다. 표면온도와 반사율 간의 상관관계를 통해 이를 증명한 결과, ECD의 반사율은 0.50~0.60인 반면에, CTD는 0.20~0.25로 약 0.3 정도의 차이를 보였다. Pearson 상관계수는 유의수준 1% 이내에서 순복사에너지와 표면온도의 상관성이 0.
후속연구
- 향후에는 건물에너지 시뮬레이션 도구를 이용하여 쿨루프의 효과를 예측하고, 실제 측정자료와의 비교․검증할 필요성이 있다. 또한 건물 내․외부의 온도 저감효과뿐만 아니라, 쿨루프의 적용한 따른 냉방에너지 사용량의 저감 효과를 정량적으로 예측하는 후속연구를 진행할 필요가 있다. 아울러, 겨울철 쿨루프 적용에 따른 태양복사에너지의 건물 유입감소로 난방에너지 사용량에 어느 정도 영향을 미치는지를 분석하여 쿨루프의 적용 여부를 판단하는데 객관적인 근거자료를 제공할 필요성이 있을 것으로 판단된다.
- 본 연구는 현재 국내 업무용 건물을 대상으로 쿨루프의 적용 효과를 규명한 연구가 부재한 시점에서 실증적인 결과를 제시함으로서 국내의 쿨루프 적용 가이드라인을 제시하는데 기초적인 자료로 활용이 가능할 것으로 보인다. 향후에는 건물에너지 시뮬레이션 도구를 이용하여 쿨루프의 효과를 예측하고, 실제 측정자료와의 비교․검증할 필요성이 있다.
- 또한 건물 내․외부의 온도 저감효과뿐만 아니라, 쿨루프의 적용한 따른 냉방에너지 사용량의 저감 효과를 정량적으로 예측하는 후속연구를 진행할 필요가 있다. 아울러, 겨울철 쿨루프 적용에 따른 태양복사에너지의 건물 유입감소로 난방에너지 사용량에 어느 정도 영향을 미치는지를 분석하여 쿨루프의 적용 여부를 판단하는데 객관적인 근거자료를 제공할 필요성이 있을 것으로 판단된다.
- 본 연구는 현재 국내 업무용 건물을 대상으로 쿨루프의 적용 효과를 규명한 연구가 부재한 시점에서 실증적인 결과를 제시함으로서 국내의 쿨루프 적용 가이드라인을 제시하는데 기초적인 자료로 활용이 가능할 것으로 보인다. 향후에는 건물에너지 시뮬레이션 도구를 이용하여 쿨루프의 효과를 예측하고, 실제 측정자료와의 비교․검증할 필요성이 있다. 또한 건물 내․외부의 온도 저감효과뿐만 아니라, 쿨루프의 적용한 따른 냉방에너지 사용량의 저감 효과를 정량적으로 예측하는 후속연구를 진행할 필요가 있다.
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