[논문]스팬드럴 부분 BIPV창호 적용 및 후면마감재 구성에 따른 온도특성 분석 연구

김동수; 오명환; 윤종호

문제 정의

따라서 본 연구는 시뮬레이션을 이용하여 스팬드럴 영역에 창호의 일사획득계수(SHGC, SolarHeatGain Coefficient) 변화 및 후면 마감재의 적용 형태에 따른 유리표면온도 특성을 검토하고, 예측된 시뮬레이션의 결과를 바탕으로 실측실험을 통하여 온도상승을 최소화할 수 있는 방안을 도출하는데 목적이 있다.
따라서 본 연구는 한정된 해석조건 하에 이론적 해석과 실측실험을 통하여 스팬드럴 영역의 온도 특성을 정량적으로 분석하고, 온도상승 저감방안에 대한 기초자료를 구축하였다. 향후 본 연구의 실측결과에 기준해 다양한 적용조건에 대한 BIPV발전성능과의 상관관계에 대한 추가연구를 수행할 예정이다.

가설 설정

기상데이터는 인천지역 표준기상데이터를 활용하였고, 재실자의 재실밀도는 0.2인/㎡, 조명밀도는 20.0W/㎡, 기기밀도는 22.0W/㎡로 가정하였으며,[8] 실내 설정온도는 난방의 경우20℃, 냉방은 25℃를 적용하였다.
해석모델의 구성은 그림 4과 같이 스팬드럴공간, 플레넘공간 재실공간의 3개 Zone으로 구분하였고, 규모는 너비 3m, 깊이 6m, 재실 공간 높이 2.7m , 스팬드럴 공간의 높이 0.6m 이며, 커튼월 창호를 제외한 벽은 단열 경계조건화 하여, 같은 층의 양쪽 실간 열의 전달이 없다는 가정 하에 해석을 수행했다.

제안 방법

Case3또한 Case1과 동일한 조건하에 내부마감 흡수율에 따라 실험하였으며, 이에 따른 내부 표면온도 및 중공층 공기온도의 변화를 측정하였다.
2011년 7월 ～ 2011년 11월까지 5개월 동안 남측 수직벽에 적용된 a-SiBIPV복층모듈과 일반투명모듈의 내·외부표면온도를 다음 그림 4와 같이 측정 5지점, 중공층 공기온도 1 지점을 매 1분간의 평균값 데이터를 측정하여 분석을 수행하였다.
BIPV복층모듈과 투명복층모듈을 대상으로 CASE 1의 조건에 따라서 각 온도변화특성을 고찰하였다. 표 4는 실험 대표일(2011년 10월 27일)에 대하여 Case1에 대한 분석결과, 내부표면온도의 경우 가장 높은 온도를 나타낸 조건은 투명복층모듈이 적용된 이격 거리 5cm로 82.
Case 1은 투명복층모듈과 마감재(단열재)의 간격을 5cm, 내부 흡수율 0.17(흰색 마감재)를 기준으로 중공층 간격에 변화를 두어 측정하였으며, Case2는 Case1의 대안에 기준으로 후면 단열성능에 따라 측정하였다. Case3또한 Case1과 동일한 조건하에 내부마감 흡수율에 따라 실험하였으며, 이에 따른 내부 표면온도 및 중공층 공기온도의 변화를 측정하였다.
Full -ScaleMock-up 실험시설을 이용해 BIPV모듈과 일반창호의 표면 온도를 실측하고, 측정결과에 근거하여 시뮬레이션 해석모델을 보정하는 방법으로 다음 그림 3과 같이 신뢰성을 검증하였다. 다음 표1은 실측온도와 해석온도의 온도차를 분석한 것으로 평균 편차는 2.
신뢰성 검증을 마친 후, 사무소 건물을 대상으로 스팬드럴 영역을 구현하여 후면 마감재 특성에 따른 유리의 표면온도 특성을 분석하여 스팬드럴 영역의 온도상승에 대한 방안을 예측하였다. 다음 단계로 투명복층창과 a-SiBIPV가 적용된 Full-Scale Mock-up을 선정하여 스팬드럴 영역을 구현 하였으며,후면 마감재 특성에 따른 표면온도 및 후면 중공층 온도특성 실험을 실행하였다.
본 연구에서는 시뮬레이션을 통하여 커튼 월구조의 스팬드럴 부위에 BIPV창호 적용및 후면 마감재 구성에 따른 내·외측 유리의 표면온도특성을 분석하고, 이를 바탕으로 Full-scaleMock-up 모델을 선정하여 다음 표 3과 같이 유리내부표면온도 및 중공층 온도특성을 실측을 통하여 분석하였다.
본 장은 이론적 해석을 통하여 스팬드럴 부위에 마감 구성에 따른 내·외측 유리의 표면온도특성을 분석하고, 이를 바탕으로 Full-scale Mock-up 모델을 선정하여 다음과 같은 실측 실험을 진행 하였다.
스팬드럴 영역에 대한 이론적 고찰 이후 변수에 따른 유리 표면온도 특성을 예측하기 위해 동적에너지 해석 프로그램인 EnergyPlus를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였으며, 해석에 앞서 시뮬레이션 프로그램의 신뢰성을 검증하였다. 신뢰성 검증을 마친 후, 사무소 건물을 대상으로 스팬드럴 영역을 구현하여 후면 마감재 특성에 따른 유리의 표면온도 특성을 분석하여 스팬드럴 영역의 온도상승에 대한 방안을 예측하였다.
스팬드럴 영역에 대한 이론적 고찰 이후 변수에 따른 유리 표면온도 특성을 예측하기 위해 동적에너지 해석 프로그램인 EnergyPlus를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였으며, 해석에 앞서 시뮬레이션 프로그램의 신뢰성을 검증하였다. 신뢰성 검증을 마친 후, 사무소 건물을 대상으로 스팬드럴 영역을 구현하여 후면 마감재 특성에 따른 유리의 표면온도 특성을 분석하여 스팬드럴 영역의 온도상승에 대한 방안을 예측하였다. 다음 단계로 투명복층창과 a-SiBIPV가 적용된 Full-Scale Mock-up을 선정하여 스팬드럴 영역을 구현 하였으며,후면 마감재 특성에 따른 표면온도 및 후면 중공층 온도특성 실험을 실행하였다.
그림 4데이터 측정 방법 및 적용된 실험체

실험에는 SHGC가 각기 다른 투명복층모듈과 a-SiBIPV복층모듈에 대한 비교를 기본 조건으로 선정하고, 다음 표 3과 같은 조건으로 실험을 실행 하였다.
후면 마감재의 구성에 따른 표면온도특성 분석은 내부흡수율, 후면 단열재의 적용간격, 단열성능 총 24조건에 따라서 분석을 실시하였다. 분석 결과는 다음 표 2에 나타냈다.

대상 데이터

본 실험에 적용된 BIPV복층모듈은 투광성을 가지도록 레이저-스크라이핑된 아몰포스 계열 실리콘 박막태양전지(a-siPV)단판모듈을 복층화한 BIPV복층모듈과 일반적인 투명복층모듈을 사용하였다. BIPV복층모듈은 10mmPV유리 + 12mmAir + 5mm투명유리로 구성되었으며, 열관류율 2.668W/㎡℃, 일사 획득계수 0.186, 가시광선투과율 7.6% 이다. 투명복층모듈은 5mm투명유리 + 12Air + 5mm 투명유리로 구성되었으며, 열관류율 2.
본 실험에 적용된 BIPV복층모듈은 투광성을 가지도록 레이저-스크라이핑된 아몰포스 계열 실리콘 박막태양전지(a-siPV)단판모듈을 복층화한 BIPV복층모듈과 일반적인 투명복층모듈을 사용하였다. BIPV복층모듈은 10mmPV유리 + 12mmAir + 5mm투명유리로 구성되었으며, 열관류율 2.
6% 이다. 투명복층모듈은 5mm투명유리 + 12Air + 5mm 투명유리로 구성되었으며, 열관류율 2.707W/ ㎡℃, 일사획득계수 0.823, 가시광선투과율 83.5% 이다.

성능/효과

(1)스팬드럴 부위의 복층창호 내외측 유리 표면온도는 창호의 SHGC에 따라 급격한 온도 상승이 나타났다.
(2)후면마감재 구성에 따른 분석 측면에서 BIPV복층모듈 대비 투명복층모듈의 온도 상승폭이 큰 것으로 분석되었으며, BIPV복층모듈 적용 측면에서 가장 높은 온도는 외측표면이 41.6℃,내측표면이 62.1℃로 외측표면온도의 표준편차는 1.4, 내측표면온도의 표준편차는 6.6으로 나타났다. 반면 투명복층모듈의 최고온도는 외측표면 71.
(3)실측실험을 통하여 스팬드럴 영역의 후면 마감재 구성에 따른 온도특성 분석 결과, 스팬드럴 부위의 후면 중공층 체적이 증가할수록, 후면 마감재의 단열 성능이 저하 될수록, 내부흡수율이 낮아질수록 창면의 내부표면온도 및 중공층 온도는 감소하는 것으로 나타났으며, 모든 조건에서 투명복층모듈 대비 BIPV복층모듈의 온도 상승 저감효과는 큰 것으로 분석되었다.
BIPV복층모듈은 A와 B가 각각 54.6℃, 47.9℃로 분석되었고, 중공층 온도를 분석한 결과, 투명복층 모듈에 A,B를 적용하였을 때 각각 93.6℃,72.7℃로 나타났으며, BIPV복층모듈에서는 각각 54.0℃, 44.2℃로 4.1에서의 결과와 동일하게 BIPV모듈을 적용하는 것이 온도상승 저감효과가 있으며, 또한 단열성능이 저하될수록 침기 및 전도 손실 등의 영향으로 온도가 크게 상승하지 않는 것으로 분석되었다.
[4]또한 스팬드럴 영역에 판유리를 적용할 경우 온도상승으로 인한 휨내력 성능 저하 및 허용변위저감으로 인한 취성파괴가 발생될 수 있다.반면 접합유리는 판유리와 달리 최대 변형도에 도달하여 1차 파괴된 후, 접합된 후면유리가 추가적인 휨저항 성능을 발휘하여 급격한 취성파괴에 이르지 않는 것으로 나타났다.[3]
9까지 변화에 따른 스팬드럴 복층창호의 표면온도는 그림 5 과 같이 나타냈다. 분석한 결과 SHGC 증가에 따라 실내외 표면온도차가 급격히 증가하는 것으로 나타났으며, 실외 측 대비 실내 측의 표면온도는 급격한 증가율을 보였다.
9℃로 투명복층모듈대비 낮은 온도가 유지되는 것으로 분석되었다. 중공층 공기온도를 분석한 결과, 투명복층모듈의 경우 이격거리 50mm는 94.2℃, 500mm는 84.7℃로 나타났으며, BIPV복층모듈은 50mm, 500mm에서 각각 60.3℃, 53.1℃를 보였다.
0℃로 분석되었다. 중공층 온도는 투명복층모듈의 검정색마감 조건은 121.6℃, 백색마감 조건은 105.7℃로 13%의 감소율을 보였고, BIPV복층모듈의 검정색 조건은 68.6℃, 백색 마감은 64.9℃로 5.3%의 감소율을 나타냈다.
후면마감재 구성에 따라 표면온도의 상승효과는 매우 큰 것으로 나타났으며, 각 조건에 따른 최고온도를 분석한 결과, 전체적으로 BIPV복층 모듈 대비 투명복층모듈의 온도상승은 높게 나타났다. 투명복층모듈의 가장 높은 온도는 외측이 71.2℃, 내측이 164.3℃로 흡수율 0.9, 열저항 2.5㎡/W℃의 조건으로 분석되었으며, 투명복층모듈의 가장 낮은 온도는 외측이 44.3℃, 내측이 64.6℃로 흡수율 0.1, 열저항 0.115㎡/W℃로 분석되었다. 다음 표 2에 도출된 부위별 표면온도는 다양한 조건 별로 분석하기 위해 검증된 해석이론을 포함하는 시뮬레이션도구를 활용한 결과로서 흡수율과 간격 이외의 해석조건과 실제조건이 부합하지 않을 경우 온도가 상이할 수 있다.
후면마감재 구성에 따라 표면온도의 상승효과는 매우 큰 것으로 나타났으며, 각 조건에 따른 최고온도를 분석한 결과, 전체적으로 BIPV복층 모듈 대비 투명복층모듈의 온도상승은 높게 나타났다. 투명복층모듈의 가장 높은 온도는 외측이 71.

후속연구

따라서 본 연구는 한정된 해석조건 하에 이론적 해석과 실측실험을 통하여 스팬드럴 영역의 온도 특성을 정량적으로 분석하고, 온도상승 저감방안에 대한 기초자료를 구축하였다. 향후 본 연구의 실측결과에 기준해 다양한 적용조건에 대한 BIPV발전성능과의 상관관계에 대한 추가연구를 수행할 예정이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	커튼월의 구조는 어떻게 구분되는가?	유리를 외장재로 활용하는 커튼월의 구조는 크게 재실자의 공간에 대한 영역과 아치 와 상부의 수평재로 둘러싸인 스팬드럴 영역으로 구분 된다.스팬드럴(Spandrel)부위란, 다층구조의 건물에서 임의 층의 창호 상단부 에서 상부층의 창호 하단부까지의 범위로 정의된다.
	스팬드럴 부위란 무엇인가?	유리를 외장재로 활용하는 커튼월의 구조는 크게 재실자의 공간에 대한 영역과 아치 와 상부의 수평재로 둘러싸인 스팬드럴 영역으로 구분 된다.스팬드럴(Spandrel)부위란, 다층구조의 건물에서 임의 층의 창호 상단부 에서 상부층의 창호 하단부까지의 범위로 정의된다.[1]일반적으로 스팬드럴 영역에 내부 마감은 유리 후면부에 석고보드 및 철판 등을 적용하여 건축물의 불투명 단열기준에 맞춰 마감이 취해지고 있는 실정이다.
	스팬드럴 영역에 내부 마감을 유리 후면부에 석고보드 및 철판 등을 적용하여 건축물의 불투명 단영기준에 맞춰 마감을 하면 어떤 문제가 있는가?	[1]일반적으로 스팬드럴 영역에 내부 마감은 유리 후면부에 석고보드 및 철판 등을 적용하여 건축물의 불투명 단열기준에 맞춰 마감이 취해지고 있는 실정이다. 하지만 이렇게 유리 후면부에 마감이 행해질 경우 스팬드럴 영역의 창호사이와 후면 마감재에 밀폐된 공기층이 생성되며, 이는 전면 유리를 통해 유입된 일사의 영향으로 밀폐공간의 공기온도를 상승시켜 유리 표면온도에 큰 영향을 미치게 된다.[2]

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