[논문]건물의 기하학적 형태를 고려한 TRNSYS 모델링 방법

이재혁; 최원기; 서승직

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Modeling Method of the TRNSYS Considering of a Building Geometry 원문보기

이재혁 (한국건설기술연구원 건축계획환경연구실) , 최원기 ((주)한화건설 기술연구소) , 서승직 (인하대학교 건축학부)

TRNSYS 16 had just a wall area and azimuth as an input value about a building shape. So, a geometrical shape of a building was not considered in simulation using TRNSYS 16. In this study, we suggested the more appropriate modeling method for simulation considering of building geometry in TRNSYS 16. To suggest this method, we simulated energy needs affected by shading effect that caused by a geometrical shape of a building, and compared the result to the simulation result of non-shading environment.

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문제 정의

따라서 본 연구는 건물 모델링 과정에서 좌표값 기준이 아닌 벽체 면적 기준으로 모델링 되는 TRNSYS 프로그램 상에서 모델링 방법에 따른 에너지 요구량에 대하여 건물의 형태가 미치는 영향을 분석하고, 갈수록 복잡해지는 건물의 모델링에 있어 향상된 모델링 방법을 제안하고자 한 것이다.
본 연구에서는 건물의 기하학적 형태의 특성을 고려하지 않는 TRNSYS 16 프로그램에서 건물의 기하학적 형태에 의해 영향을 받을 수 있는 여러 조건들 가운데 차양과 같은 영향을 미치게 되는 간단한 기하학적 모델을 대상으로 향상된 모델링 방법에 대하여 제안하였으며, 이를 고려한 경우의 에너지 요구량 및 일사 유입량에 대한 기본적인 비교 · 분석을 수행하였다.

가설 설정

2와 같이 인접한 건물 형태에 의해 차양의 역할을 추가하여 모델링한 경우이다. 바꿔 말하면, Fig. 3에서와 같이 Lab.1과 Lab.3의 북측 벽을 Lab.2의 동측과 서측 창에 대한 날개벽(side fin)으로 가정하여 시뮬레이션을 진행하였다.

제안 방법

건물 형태에 의해 건물의 일부분에서 음영이 발생되는 건물을 선정하고, 기본적인 TRNSYS 모델링 방법과 TRNSYS 16의 차양 모델링 컴포넌트인 Type 34를 이용한 모델링 방법으로 계산된 각각의 에너지 요구량을 비교 하였다. 그리고 차양이 건물의 에너지 요구량에 미치는 원인인 건물 내로의 일사 유입량을 좌표값을 기준으로 모델링 되는 ESP-r과 비교 · 평가하였다.
건물의 형태를 정확하게 고려하여 모델링을 하였다면, Lab.2에서 발생한 냉 · 난방기간 동안의 일사 유입량의 패턴이 건물의 기하학적 형태를 고려하는 좌표 기준으로 모델링 되는 환경을 가진 프로그램에서의 일사 유입량 패턴과 유사할 것이므로, 이러한 환경을 가진 프로그램에서의 일사유입량 패턴을 비교하였다.
그리고 차양이 건물의 에너지 요구량에 미치는 원인인 건물 내로의 일사 유입량을 좌표값을 기준으로 모델링 되는 ESP-r과 비교 · 평가하였다.
앞에서 언급한 조건들과 대상 건물을 이용하여 TRNSYS 16을 이용하여 냉난방 에너지 요구량 시뮬레이션 분석을 수행하였다. 냉난방 에너지 요구량에 건물 형태에 의해 발생하는 차양 효과가 인접한 실에 미치는 영향을 알아보기 위하여 두 가지 경우로 구분하여 진행하였다.
먼저 일수에 따른 태양적위, 태양고도, 태양방위각, 일조 시간 등을 수식⁽⁵⁾⁽⁶⁾을 통하여 계산하고, 이것을 이용하여 일수 및 시간에 따른 건물에서 발생되는 음영의 영향을 분석하였다.
앞서 TRNSYS 16에서의 건물 형태에 따른 모델링 방법이 정확한지를 확인하기 위하여 또 다른 시뮬레이션 프로그램을 이용한 비교 · 분석을 수행하였다.
앞에서 언급한 조건들과 대상 건물을 이용하여 TRNSYS 16을 이용하여 냉난방 에너지 요구량 시뮬레이션 분석을 수행하였다. 냉난방 에너지 요구량에 건물 형태에 의해 발생하는 차양 효과가 인접한 실에 미치는 영향을 알아보기 위하여 두 가지 경우로 구분하여 진행하였다.
1시간으로 나타났다. 이 시간을 이용하여 일출 및 일몰 시간대와 태양이 남중하는 정오의 태양고도와 방위각을 확인하였다. 난방 기간의 경우, 일출 시간대인 8시의 태양고도는 평균 12.
좌표 기준으로 대상 건물이 모델링 되는 환경을 가진 프로그램 중 영국 Strathclyde 대학의 ESRU에서 개발한 건물에너지해석 프로그램인 ESP-r을 이용하여 존 내부로의 일사유입량 평가를 수행하였다.
한편, 이러한 원인을 태양고도와 태양방위각 등을 이용한 태양 기하학을 통한 이론적 분석으로 확인하였다.

대상 데이터

1과 같은 평면을 가진 건물을 시뮬레이션 대상 건물로 지정하였다. 건물은 1층이며 층고는 3.5m이다. 연구실 3곳과 1곳의 사무실로 구성된 총 4개의 공조 존이 있으며, 4개의 공조존이 만나는 곳에 위치한 2개의 방풍실이 있다.
이러한 특징으로 인하여 건물의 에너지 요구량 계산에서 건물의 외피 면적과 방위 등에 의해서만 계산이 되고, 건물의 형태적 특성에 의한 영향은 고려되지 않는다. 건물의 기하학적인 형태 특성을 고려한 에너지 요구량 계산을 위하여 본 연구에서는 건물의 형태에 따른 영향이 차양과 같은 역할을 하는 대상 건물을 선정하였다.
시뮬레이션을 위한 기상데이터는 기상청의 2006년 서울지역 데이터를 이용하였으며, 나머지 시뮬레이션 시 필요한 기본적인 조건들은 Table 4에 나타난 바와 같다. 건물 내의 환기 횟수와 벽체의 내 · 외표면 열전달 계수는 건물에너지절약 설계기준⁽³⁾에서 제시한 값을 이용하였으며, 건물 내의 기기, 조명 및 인체 발열은 총량베이스 건축물 에너지 절약관리기법 개발 연구보고서⁽²⁾⁽⁴⁾를 참고하였다.

이론/모형

건물 내의 환기 횟수와 벽체의 내 · 외표면 열전달 계수는 건물에너지절약 설계기준(3)에서 제시한 값을 이용하였으며, 건물 내의 기기, 조명 및 인체 발열은 총량베이스 건축물 에너지 절약관리기법 개발 연구보고서(2)(4)를 참고하였다.

성능/효과

(1) TRNSYS 16의 다양한 컴포넌트의 특성을 고려하여 모델링을 한 경우, 도면만을 이용해 단순 모델링을 한 경우와 비교해 난방 기간의 에너지 요구량은 약 13.3 % 증가하였으며, 냉방 기간의 에너지 요구량은 약 2.4 % 감소한 패턴을 나타내고 있었다.
(2) 건물의 에너지 요구량에 대한 인접한 실들의 영향을 반영한 경우와 그렇지 않은 경우 에너지 소비량 패턴에 다소 큰 차이를 나타내고 있으므로 분석하고자 하는 대상 건물의 기하학적 특성을 모델링에 앞서 면밀한 검토를 수행해야 함을 확인할 수 있었다.
(3) 좌표 값을 기준으로 모델링되고 이에 따른 기하학적 특성을 고려하여 시뮬레이션 되는 여러 프로그램 중 ESP-r을 이용하여 존 내부로의 일사 유입량을 대상으로 비교 분석한 결과, 인접한 실들의 영향을 직접적으로 받게 되는 실들의 경우 일사 유입량은 시뮬레이션 마다 다소 차이를 나타내고 있었으나, 수정된 모델링 방법과 ESP-r은 동일한 일사 유입량 패턴을 나타내고 있는데 반하여, 단순 모델링 방법의 경우에는 난방 기간에 비하여 냉방 기간이 더 높은 일사 유입량을 나타내고 있었다.
(4) 태양 기하학의 수학적 개념을 이용한 이론적 비교에서도 냉방 기간에 비하여 난방 기간의 낮은 태양 고도와 동일 시간대의 남쪽에 치우친 태양방위각, 그리고 짧은 일조 시간 등의 영향으로 인하여 인접한 실들의 영향을 받는 창에서의 음영의 크기가 난방 기간에 더 큰 것이 원인인 것으로 확인되었다.
계산된 서울지역의 평균 일조 시간은 난방 기간의 경우 10.3시간, 냉방 기간의 경우 14.1시간으로 나타났다. 이 시간을 이용하여 일출 및 일몰 시간대와 태양이 남중하는 정오의 태양고도와 방위각을 확인하였다.
2는 시뮬레이션을 위해 사용된 2006년 서울지역 기상 데이터와 1989년부터 2008년까지 20년 동안의 서울지역 기상 데이터의 건구온도와 상대습도를 비교한 그래프이다. 시뮬레이션에 이용된 2006년도 서울지역의 기상 데이터는 지난 20년 동안의 평균 기상 데이터와 비교해 건구온도는 연평균 약 1.0℃정도 낮고, 상대습도는 연평균 약 4.9 % 정도 높게 나타났다.
또한 태양방위각도 하루 중 같은 시간대에서 난방 기간의 방위각이 더 남측에 가깝게 나타나므로 동측과 서측에 위치한 창의 경우 냉방 기간에 비해 음영의 길이는 더 증가하게 된다. 이 두 현상과 짧은 낮 시간 등에 의하여 동측과 서측에 위치한 창에서의 음영이 냉방 기간에 비해 난방 기간에 더 길게 발생 되고, 이러한 영향을 받게 되는 인접한 창을 통한 일사 유입량 또한 그 영향으로 값이 작아지게 됨을 알 수 있었다.
이상의 기초 단계의 연구 결과에서 확인할 수 있듯이, 건물의 기하학적 형태는 인접한 실들 상호간에 직간접적으로 영향을 미치게 됨을 알 수 있었다. 따라서 실제 건물 조건과 유사한 모델링을 통한 시뮬레이션 분석을 수행하기 위해서는 건물의 기하학적 형태에 의하여 발생할 수 있는 다양한 영향을 고려할 수 있는 컴포넌트들을 사전에 면밀히 검토해야 할 것이다.
2의 외부 창을 통해 실내로 유입된 냉 · 난방기간의 일사 유입량을 비교한 결과이다. 전체적인 값은 각각의 경우에 다소 차이가 발생하였으나 냉․난방기간의 일사 유입량의 패턴에 있어서는 ESP-r과 인접한 실들에 따른 기하학적 형태를 고려한 TRNSYS 16의 모델링 결과와 매우 유사하게 나타났다. 특히 ESP-r과 인접한 실들의 영향을 고려한 TRNSYS 모델링 결과에 있어 기하학적 형태를 고려하지 않은 TRNSYS 모델링 결과와 반대로 난방 기간의 일사 유입량이 냉방 기간의 97.
전체적인 값은 각각의 경우에 다소 차이가 발생하였으나 냉․난방기간의 일사 유입량의 패턴에 있어서는 ESP-r과 인접한 실들에 따른 기하학적 형태를 고려한 TRNSYS 16의 모델링 결과와 매우 유사하게 나타났다. 특히 ESP-r과 인접한 실들의 영향을 고려한 TRNSYS 모델링 결과에 있어 기하학적 형태를 고려하지 않은 TRNSYS 모델링 결과와 반대로 난방 기간의 일사 유입량이 냉방 기간의 97.4 %(ESP-r), 97.1%(Trnsys shading)의 수준으로 냉방기에 더 많은 일사가 유입되고 있음을 알 수 있었다.

후속연구

끝으로 이러한 건물의 기하학적 형상에 따른 영향 가운데 벽체의 천공 형태계수, 차양 그리고 외표면 열전달 계수의 선정에 있어 다양한 비교 분석을 수행하여 설계단계에서 보다 정확한 에너지 소비량 패턴을 찾을 수 있는 시뮬레이션 방법론들을 개발할 예정이다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

DOE-2(Visual DOE), TRNSYS, EnergyPlus, ESP-r, IES_VE 프로그램의 장점은?

현재 건물의 환경 및 에너지 성능을 정량적 평가하여 최적의 건물을 디자인하기 위해 활용되고 있는 다양한 상용 프로그램들에는 DOE-2(Visual DOE), TRNSYS, EnergyPlus, ESP-r, IES_VE 등이 있다. 이들 대부분은 GUI(Graphic User Interface) 환경 프로그램으로 다소 복잡한 형태의 건물도 쉽게 모델링할 수 있는 장점을 가지고 있으나, 이 프로그램들 중 TRNSYS와 같이 면적과 방위로 모델링하는 프로그램의 경우 사용자가 대상 건물의 기하학적 특성을 정확히 파악하여 모델링해야 정확한 결과를 얻을 수 있다.(1)

건물의 환경 및 에너지 성능을 정량적 평가하여 최적의 건물을 디자인하기 위해 활용되고 있는 다양한 상용 프로그램들은 무엇이 있는가

최근 건설 기술의 발달과 더불어 다양한 기하학적 형태의 건물이 디자인되어 건설되고 있으며, 환경과 에너지에 대한 관심이 높아짐에 따라서 건물의 환경 및 에너지 성능을 디자인 초기 단계에서부터 정량적으로 평가하는 것에 대한 관심도 높아지고 있다. 현재 건물의 환경 및 에너지 성능을 정량적 평가하여 최적의 건물을 디자인하기 위해 활용되고 있는 다양한 상용 프로그램들에는 DOE-2(Visual DOE), TRNSYS, EnergyPlus, ESP-r, IES_VE 등이 있다. 이들 대부분은 GUI(Graphic User Interface) 환경 프로그램으로 다소 복잡한 형태의 건물도 쉽게 모델링할 수 있는 장점을 가지고 있으나, 이 프로그램들 중 TRNSYS와 같이 면적과 방위로 모델링하는 프로그램의 경우 사용자가 대상 건물의 기하학적 특성을 정확히 파악하여 모델링해야 정확한 결과를 얻을 수 있다.

TRNSYS의 건물 모델링 과정은 어떤 특징이 있는가

대상 프로그램으로 선정한 TRNSYS의 건물 모델링 과정은 건물을 구성하는 벽체의 면적과 그 벽체가 향한 방위만을 입력하도록 되어 있다. 이러한 특징으로 인하여 건물의 에너지 요구량 계산에서 건물의 외피 면적과 방위 등에 의해서만 계산이 되고, 건물의 형태적 특성에 의한 영향은 고려되지 않는다.

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