[논문]지역냉방 공동주택 적정 냉방부하 산정

김상훈; 변운섭

지역냉방 공동주택 적정 냉방부하 산정
The Estimation of Cooling Load for District Cooling in Apartment Buildings 원문보기

김상훈 (우원엠앤드이 부설연구소) , 변운섭 (우원엠앤드이)

The purpose of this study is to establish a standard for unit cooling load in central control type apartment applied district cooling. The model of unit household was selected. And the standard of coefficient of overall heat transmission, location of unit household, indoor air temperature, solar radiation & thermal conduction at window and interior load was selected, and region, expansion or non-expansion of balcony, pyeong type, azimuth, rate of window area was applied as parameter. And then cooling load simulation was performed. Based on the result of simulation, the synthetic district cooling load was presented for selecting heat source of apartment applied district cooling, and unit cooling load was analyzed according to design parameter.

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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 지역냉방을 이용하는 중앙식 공동주택의 냉동기 용량을 산정하기 위하여 단위세대 모델 선정, 냉방부하 시뮬레이션 수행 등의 프로세스를 통하여 종합적인 지역냉방부하를 제시하고, 설계 변수에 따른 냉방부하 분석을 목적으로 하였다.
본 연구에서는 지역냉방을 이용하는 중앙식 공동주택의 단위냉방부하 설정을 위한 기준정립을 목표로 하였다.

가설 설정

발코니 확장범위는 설계자의 의도 등에 따라 다르게 계획된다. 본 연구에서는 단위면적당 최대 냉방부하를 산출하는 것이 목적이므로 전면과 후면 모든 발코니를 확장하되, 세탁기가 설치되는 주방/식당 발코니와 피난공간으로 사용될 후면 발코니는 확장하지 않는 것으로 가정하였으며 발코니 확장 전 모델에서는 상부층 발코니를 Over-hang으로 인접세대와의 발코니 경계벽을 Side-pin으로 적용하여 모델링하였다.

제안 방법

1에 전용 면적 101㎡ 단위세대의 개요를 나타냈다. 각 단위세대 모델은 최근 계획되고 있는 공동주택의 세대내 실 배치특성을 반영하였고, 외기와 접하는 조건을 동일하게 하기 위하여 단위세대 정면과 배면에 발코니가 있으며, 정면의 거실을 중심으로 침실이 배치되는 계단식 공동주택의 단위세대 평면을 선정 기준으로 하였다.
그리고, 가정한 5가지 변수 중 창면적비가 냉방부하에 미치는 영향이 가장 작아 지역냉방부하의 변수에서 배제하고, 지역, 발코니 확장여부, 평형, 방위에 따른 지역냉방부하를 제시하였다.
그리고, 우리나라의 주거문화 특성상 기존 공동주택에는 남향 위주로 단위 동을 계획하고 있으나 단지배치상 이것이 불가능 할 경우도 있으므로 남향(S), 남서향(SW), 서향(W), 북향(N), 동향(E), 남동향(SE)의 6방위를 변수로 시뮬레이션을 실시하였다.
내부부하인 조명, 기기 및 인체부하는 Table 1과 같이 반영하였으며, 조명의 점등스케쥴, 기기의 가동 스케쥴 및 거주자의 재실 스케쥴은 시뮬레이션 프로그램의 기본데이터를 국내 실정에 적합하도록 수정하여 적용하였다.
냉방부하와 상관성이 큰 일사부하의 영향을 고려하기 위하여 창면적비를 변수로 설정하였다.
따라서, 발코니 확장과 미확장 두가지를 변수를 선정하여 냉방부하를 분석하였다.
따라서, 본 연구에서는 각 단위세대에 설치되는 사용자측 냉방기기의 용량선정 기준이 되는 냉방 기간인 6~9월 사이에 발생하는 최대냉방부하를 “냉방기간 중 최대 냉방부하”로, 열원용량 선정의 기준이 되는 7~8월 저녁시간대인 19~22시 사이에 발생 최대 냉방부하를 “냉방 집중사용시간대 중 최대 냉방부하”로 정의하여 연구를 진행하였다.
따라서, 지역, 발코니 확장여부, 평형, 방위, 창면적비를 아래의 기준에 의하여 변수로 가정한 후, 각 변수가 결과에 미치는 영향을 분석하였다.
냉방부하에 영향을 크게 미치는 일사부하는 방위에 따라 크게 변화한다. 따라서, 판상형 공동주택의 단위세대 평면특성상 거실 발코니가 위치하는 방향을 전면으로 하여 방위를 부여하였다.
배면에 위치한 창의 면적은 변경하지 않았으며, 전면 외벽면적에 대한 전면 창면적의 비율을 60%와 80% 두가지로 변경하여 냉방부하를 산출 하였다.
이를 위하여 단위세대 모델을 선정하여 열관류율, 단위세대 위치, 실내온도, 창의 일사 및 열전도, 내부부하에 대해서는 기준은 선정하고 지역, 발코니 확장여부, 평형, 방위, 창면적비는 변수로 설정하여 각 조건별 냉방부하 시뮬레이션을 실시하였다. 시뮬레이션 결과를 근거로 지역냉방을 이용하여 단위세대를 냉방하는 공동주택의 적정 냉방부하를 제시하였으며, 변수에 따른 단위냉방부하를 분석하였다.
이를 위하여 단위세대 모델을 선정하여 열관류율, 단위세대 위치, 실내온도, 창의 일사 및 열전도, 내부부하에 대해서는 기준은 선정하고 지역, 발코니 확장여부, 평형, 방위, 창면적비는 변수로 설정하여 각 조건별 냉방부하 시뮬레이션을 실시하였다. 시뮬레이션 결과를 근거로 지역냉방을 이용하여 단위세대를 냉방하는 공동주택의 적정 냉방부하를 제시하였으며, 변수에 따른 단위냉방부하를 분석하였다.
지역냉방부하 산출을 위한 구조체의 열관류율은 법적 기준과 공동주택의 구조체 단열상세를 참고하여 반영하였고, 단위세대 위치는 기준층 중간세대로 하였으며, 실내온도는 에너지절약 설계기준과 쾌적한 삶을 추구하는 경향을 고려하여 26℃를 적용하였다.
창 일사 및 전도열 취득을 고려하기 위한 창 종류는 건축물의 에너지 절약설계기준 [별표 3]-플라스틱-유리의 공기층 12mm-유리문-복층창문-유리비율 50%이상의 기준에 의거하여 2.80W/㎡·K(2.41kcal/㎡·h·℃)를 적용하였으며, 차폐계수는 공기층이 12mm인 투명복층유리에 차폐물이 없을 때의 차폐계수인 0.83을 반영하였다.
쾌적한 삶을 추구하는 거주자의 성향이 반영된 단위면적당 냉방부하를 산출하기 위하여 Fig. 2와 같이 해석대상 냉방범위를 창고 및 욕실 등비거주 공간을 제외한 모든 실을 냉방하는 경우를 기준으로 부하 분석을 실시하였다.
평형에 따른 냉방부하의 변화를 분석하기 위하여 전용면적을 기준으로 59㎡, 101㎡, 166㎡의 3가지 변수를 고려하였다.
해석모델 선정, 냉방부하 기준조건 및 반영사항 결정, 해석 모델별 냉방부하 산출 및 분석, 변수에 따른 냉방부하 비교분석 등을 통하여 동시 사용율 100%를 적용했을 경우의 단위면적당 지역냉방부하를 산출하여 Table 2, Table 3과 같이 변수에 따른 종합적인 지역냉방부하 매트릭스를 제시하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 대한설비공학회가 제공하는 표준 기상데이터와 해당지역의 기상데이터를 가공하여 시뮬레이션에 활용하였다.
시뮬레이션 대상지역은 냉방부하에 영향이 큰 일사량이 위도에 따라 변화됨을 고려하여 중부지방인 서울, 남부지방인 부산지역으로 변수를 선정하였다.
지역냉방부하 산출을 위하여 전용면적을 기준으로 59㎡, 101㎡, 166㎡ 3가지 단위세대 모델을 시뮬레이션 대상으로 선정하였다. Fig.

성능/효과

또한, 방위에 따른 냉방부하는 서향, 남서향, 동향, 남동향, 남향, 북향 순으로 분석되었으며, 창면적비에 따른 냉방부하는 창면적이 증대될수록 일사취득량이 많기 때문에 냉방부하가 높게 분석되었다.
발코니 확장여부에 따른 냉방기간 중 최대냉방부하는 Fig. 6과 같이 발코니 확장, 미확장 중 어느 한쪽이 크거나 작지 않고 혼재되어 있으나, 냉방 집중사용시간대 중 최대 냉방부하는 Fig. 7과 같이 전반적으로 발코니 미확장모델의 단위면 적당 냉방부하가 발코니 확장모델의 단위면적당 냉방부하보다 크게 나타났다.
열원용량 선정의 기준이 되는 냉방 집중사용시간대 중 최대 냉방부하 분석결과, 지역에 따른 냉방부하는 지역에 따른 기상조건의 차이로 부산 지역이 높게 산출되었고, 발코니 확장에 따른 냉방부하는 일사부하의 영향이 적어 발코니 확장모델이 적게 나타났으며, 평형에 따른 냉방부하는 상대적으로 냉방부하가 작은 내주부 면적이 큰 넓은 평형일수록 적게 나타났다.
평형에 따른 냉방기간 중 최대 냉방부하는 Fig. 8과 같이 평형이 증가될수록 단위면적당 냉방부하는 감소하였으며, 냉방 집중사용시간대 중 최대냉방부하도 Fig. 9와 같이 평형이 증가될수록 단위 면적당 냉방부하는 감소하였다. 이것은 넓은 평형 일수록 상대적으로 부하가 작은 내부 면적이 증가 하기 때문으로 사료된다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

지역냉방은 무엇인가?

지역냉방은 오염방지설비가 갖추어진 대규모 냉방열원에서 생산된 냉수를 별도 냉수배관을 통하여 일괄적으로 공급하거나, 각 건물에 중온수 흡수식냉동기를 설치하고, 지역난방 열원시설로 부터 중온수를 공급받아 냉방하는 시스템으로 열공급 방식에 따라 “냉수 직접공급방식”과 “중온수 공급방식”으로 분류할 수 있다.

지역냉방은 열공급 방식에 따라 어떻게 분류할 수 있나?

지역냉방은 오염방지설비가 갖추어진 대규모 냉방열원에서 생산된 냉수를 별도 냉수배관을 통하여 일괄적으로 공급하거나, 각 건물에 중온수 흡수식냉동기를 설치하고, 지역난방 열원시설로 부터 중온수를 공급받아 냉방하는 시스템으로 열공급 방식에 따라 “냉수 직접공급방식”과 “중온수 공급방식”으로 분류할 수 있다.

지역냉방시스템은 어떠한 시대적 요구에 한차원 가깝게 접근할 수 있는 방식인가?

우리나라는 에너지의 대부분을 수입에 의존해야하는 화석연료를 사용하고 있기 때문에 효율적이고 체계적인 에너지 관리가 필요하고, 지구온난화 방지를 위하여 지구환경에 악영향을 미치는 환경부하를 저감시켜야한다. 이러한 시대적 요구에 한차원 가깝게 접근할 수 있는 방식이 하절기에 폐열 및 배열을 이용하여 냉방할 수 있는 중온수를 이용한 지역냉방시스템이다.

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