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Kafe 바로가기주관연구기관 | 부경대학교 Pukyong National University |
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연구책임자 | 이규남 |
참여연구자 | 황태연 |
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 | 한국어 |
발행년월 | 2023-03 |
과제시작연도 | 2022 |
주관부처 | 국토교통부 Ministry of Land, Infrastructure, and Transport |
등록번호 | TRKO202300002581 |
과제고유번호 | 1615012697 |
사업명 | (이관)국토교통기술촉진연구(R&D) |
DB 구축일자 | 2023-04-26 |
키워드 | 광선반.복사냉난방.통합시스템.냉난방에너지.조명에너지.Light shelf.Radiant heating and cooling.Integrated system.Heating and cooling energy.Lighting energy. |
□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
자연채광 성능 향상, 외피부하 저감을 통해 조명 및 공조에너지 절감이 가능한 복사냉난방 통합형 광선반 (TALS: Thermally Activated Light Shelf) 시스템 개발 및 성능 검증
◼ 전체 내용
○ 복사냉난방 통합형 광선반 (TALS) 시스템 대안
- 복사면의 위치 및 단면 구성, 패널의 각도 제어 여부, 타 설비 시스템과의 연계 여부에 따라 단계별로 대안 개발
- 1단계: 광선반 기능만 부여
- 2단계: 광선반 기능과 복사냉난
□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
자연채광 성능 향상, 외피부하 저감을 통해 조명 및 공조에너지 절감이 가능한 복사냉난방 통합형 광선반 (TALS: Thermally Activated Light Shelf) 시스템 개발 및 성능 검증
◼ 전체 내용
○ 복사냉난방 통합형 광선반 (TALS) 시스템 대안
- 복사면의 위치 및 단면 구성, 패널의 각도 제어 여부, 타 설비 시스템과의 연계 여부에 따라 단계별로 대안 개발
- 1단계: 광선반 기능만 부여
- 2단계: 광선반 기능과 복사냉난방 기능 복합 (패널 단면 다각화)
- 3단계: 패널의 각도 제어를 통한 자연채광 및 열환경 세부 조절 기능 추가
- 4단계: 천장복사패널, FCU 등 타 설비와 연계된 TALS 시스템
○ 복사냉난방 통합형 광선반 (TALS) 시스템 성능 평가 방법
- 실험 및 시뮬레이션에 의한 열환경/빛환경 평가 방법
- 냉난방용량 및 에너지 성능 평가 방법
- 조광제어시스템 기반 조명에너지 절감량 산정 및 성능평가
- PV 결합형 시스템 신재생에너지 발전량 예측
○ 복사냉난방 통합형 광선반 (TALS) 시스템 제어 방법
- 부하변동 상황에서 TALS 시스템 성능 최적화를 위한 제어기술
- 계절별·시각별 태양고도 변화를 고려한 TALS 각도 제어 방법
- 필요 냉난방용량 확보를 위한 공급냉온수 온도 제어 방법
- 병렬 시스템(천장복사패널, FCU, 차양장치 등)과의 연계 방법
- PV 결합형 시스템과의 연계 방법 및 설계방안
◼ 1년차
❏ 목표
복사냉난방 통합형 광선반 시스템 기본 설계 및 시작품 제작
❏ 내용
○ 복사냉난방통합형 광선반 (TALS) 개발
- TALS 시스템 패널단면 설계
▪ 상하부 표면의 역할에 따라 단면복사형(하부표면을 열교환면으로 이용), 양면복사형(상하부 표면을 모두 열교환면으로 이용)으로 구분하여 설계
▪ 열전달효율을 높이기 위한 열전도레이어, 충진재, 모세유관 적용 대안 도출
- TALS 시스템 냉난방용량 평가
▪ 냉난방용량 평가를 위한 Mock-up 실험체 및 측정시스템 구성
▪ 천장부착형이 아닌 노출된 형태의 복사냉난방패널 냉난방용량 평가 방법 마련
▪ EN14240 기준을 준용한 TALS 시스템 냉난방용량 측정 평가
- TALS 시스템 적용건물의 열환경 및 공조에너지 성능평가 방법 정립
▪ 외주부 복사온도 및 기류특성을 반영한 열환경 평가 CFD 모델 작성
▪ 열환경 평가지표 및 기준 선정: 건구온도, 복사온도, 기류속도, PMV/PPD, 드래프트 위험도(Draught rate), 불균등복사 (Radiant asymmetry) 등
▪ 냉난방에너지 성능평가 범위 및 조건 설정
- TALS 시스템과 기존 설비 통합 방안 도출
▪ TALS 시스템과 연계 가능한 냉난방 시스템 대안 검토
▪ 기존 냉난방 시스템과의 연계를 위한 열원 및 수배관 계통 계획
▪ 광선반에 의해 천장에 유입되는 일사열을 천장복사냉방패널로 흡수함으로써 냉방부하의 증가를 사전에 차단하는 방안 고려
○ 복사냉난방통합형 광선반 이용 조광제어시스템 개발
- 광선반 기본 형상 설계
▪ 기본 패널형: 반사면 성능 확보에 초점을 맞춘 기본적인 대안
▪ 슬랫형: 개별 슬랫의 제어성능 향상 및 기류유동의 용이성을 고려한 대안
▪ PV 결합형: 상부표면에 PV를 부착하여 발전 기능을 추가한 대안
- TALS 시스템과 외피와의 통합 방안 도출
▪ 외피 프레임과 접합 방법, 냉온수배관 수납방법 검토
▪ 내부 블라인드가 있는 경우 TALS 설치 방법 검토
▪ TALS + PV(결정질/비결정질 등) 설계 및 시작품 제작
▪ TALS + PV 시스템 구축 및 전력계통 연계방안 검토
- TALS 시스템 빛/시환경 및 조명에너지 성능평가 방법 정립
▪ 빛/시환경 평가지표 및 기준 선정: 실내조도, 실내 균제도, 창면휘도 등
▪ 광선반 대응형 광센서 조광제어시스템 개발 및 성능평가 방법 정립
▪ 빛/시환경 광선반 대응형 광센서 조광제어시스템 개발 및 성능평가 방법 정립
◼ 2년차
❏ 목표
복사냉난방 통합형 광선반 성능실증 및 시작품 보완
❏ 내용
○ 복사냉난방통합형 광선반 (TALS) 개발
- TALS 시스템 적용 시 내/외주부 온열환경 평가
▪ 실사용건물(개별 사무실공간)에 TALS 시스템 프로토타입 설치 후 성능 실증
▪ CFD 시뮬레이션을 병행하여 TALS 시스템의 상세한 작동 메커니즘 분석
▪ TALS 각도 제어 적용시 내/외주부 온열환경 평가
- TALS 시스템 적용 시 냉난방에너지 평가
▪ TALS 시스템용 냉/온열원 소비전력, 반송동력 측정
▪ 기존 냉난방 시스템 (히트펌프)의 냉난방 에너지 절감량 평가
- 공조관점에서 TALS 시스템 제어 방안 도출
▪ 필요 냉난방용량을 확보하기 위한 냉온수온도 또는 유량 제어 방안
▪ 하절기 TALS 표면결로 방지를 위한 냉수온도 제어 방안
▪ 외주부 쾌적 기준 충족을 위한 TALS의 적정 표면온도 유지방안
○ 복사냉난방통합형 광선반 이용 조광제어시스템 개발
- TALS 시스템 적용 시 내/외주부 빛/시환경 평가
▪ Test-bed 대상 TALS 시스템 프로토타입 설치 및 성능 실증
▪ Radiance 시뮬레이션을 병행한 TALS 시스템 실내 채광성능 분석
▪ 태양고도 및 외기온 변화를 고려한 TALS 각도 제어 적용시 내/외주부 빛/시환경 평가
- TALS 시스템 적용시 조명에너지 절감량 평가
▪ 전천공일사량 직산분리에 의한 실내유일 일사량 및 일조량 예측식 정확도 검증
▪ 광센서 조광제어시스템 결합형 TALS 시스템 자동제어 알고리즘 정확도 검증
▪ 자연채광 기반 조광제어시스템 조명에너지 절감량 Test-bed 실증
▪ TALS 시스템 주광제어 가이드라인 개발
- 인공조명+신재생에너지 결합형 TALS 시스템 에너지관리 방안
▪ PV 연계형 TALS 시스템 발전효율 실증
▪ PV 연계형 TALS 시스템 에너지관리 분산제어 시나리오 개발·실증
□ 연구개발성과
1. 정량적 성과
○ 특허출원 2건
○ 학술논문 7건 (SCI 논문 3건 (2편 심사중)), 비SCI 논문 4건 (1편 심사중))
○ 학술발표 7건 추가 달성
2. 정성적 성과
○ 프로토타입 4건 제작
- 기본형: 내부 단열재 충진형 TALS 2건 (Mock-up 실험용, Test-bed 설치용)
- 용량증대형: 팬 부착형 TALS 1건
- 분절형: 태양광패널과 결합된 분절형 TALS 1건
○ 반사율 95% 이상 확보
- 파장 영역 380~780 nm에서 상부표면 반사율 97.12% 확보
○ 냉난방용량 110 W/㎡ 이상 확보
- Mock-up 실험으로 냉방용량 107.1 W/㎡ 확보 가능 검증
- Test-bed 실험으로 냉방용량 114.4 W/㎡, 난방용량 195.0 W/㎡ 확보 가능 검증
○ 성능평가 Test-bed 구축
- Test-bed 구축 2개소 (부경대학교/조선대학교)
- 냉방용량 상세 평가를 위한 Mock-up 실험 장치 추가 구축
○ 시뮬레이션 모델 구축
- TALS 패널 전열해석 시뮬레이션 모델 (Physibel Voltra) 구축
- TALS 적용공간 열환경 해석 CFD 시뮬레이션 모델 (STAR-CCM+) 구축
- TALS 시스템 에너지 해석 시뮬레이션 모델 (TRNSYS) 구축
○ 빛환경/조명 에너지 관점 성능데이터 확보
- 균제도 0.44, 창면휘도 1,772 cd/㎡
- TALS와 조광제어시스템 적용으로 조명에너지 20.9% 절감
○ 열환경/공조 에너지 관점 성능데이터 확보
- 열쾌적성 PPD %, DR 4.2% 달성
- 냉난방에너지 11.2% 절감
○ 빛환경 제어 기술
- 광선반 설치 공간 조광제어 관련 문건조사, Test-bed 구축 및 성능평가 실험에 활용
○ 열환경 제어 기술
- TALS 수배관 구성 및 온도제어 관련 문건조사, Test-bed 구축 및 성능평가 실험에 활용
□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
1. 연구개발성과의 활용방안
○ 광선반+복사냉난방 융복합 기술 제안
- 복합 시스템의 설계 및 제어 방안 관련 특허 출원
- 공조 설비시스템과 연계된 자연채광 시스템 고도화 기반 마련
○ 제로에너지 빌딩의 패시브-액티브 솔루션 패키지 제안
- TALS의 유형과 통합 설비시스템 종류에 따라 솔루션 분류
- 건물 부하특성, 건축적 특성에 따라 솔루션 패키지를 선택할 수 있도록 구성
- 제로에너지 건축물 의무화 대상 공공건축물에 적용 제안
○ 기존 건축물의 외피 성능 개선에 활용
- 사무소건물, 학교건물, 헬스케어 시설 등의 그린 리모델링 시 외피 부문에 적용
- 기존 외피에 광선반 및 수배관을 추가하는 형태로 설치하여, 기존 건물의 외피를 유지하면서 외피의 성능을 개선하는 용도로 활용
○ 기존 건축물의 공조설비 Retrofit 및 확장에 활용
- 기존 공조설비를 Retrofit할 경우, TALS를 병렬 시스템으로 적용함으로써 설비 시스템의 외주부 환경 제어성능 향상
- 외피부하 비중이 높은 건물에서 TALS를 공조설비와 연계시킬 경우 대대적인 설비의 Retrofit 없이 전체적인 냉난방 에너지 절감 가능
2. 연구개발성과의 기대효과
(1) 기술적 측면
○ 건축환경/설비 분야 원천 기술 확보
- 열-빛환경 통합 조절 시스템의 개념 정립
- 패시브요소와 액티브요소를 결합한 Integrated design 방안 제시
- 선형으로 설치되는 복사냉난방 패널 시스템의 냉난방용량 평가 방법
○ 열-빛환경 통합 조절 시스템의 운전 메커니즘 규명
- 광선반으로 자연광이 유입될 경우 복사냉방 패널에 의한 일사열 흡수 메커니즘 규명
- TALS 시스템의 일사 차단 및 일사에너지 흡수에 의한 외피부하 저감 정도 규명
- TALS 시스템 적용 시 외주부 복사온도 변화에 의한 열쾌적 개선 규명
- 동절기 TALS 시스템 가동에 의한 콜드드래프트 완화 가능성 규명
- TALS 시스템의 형상/각도에 따른 조광제어 성능과 조명에너지 절감 성능 규명
○ 복사냉난방․광선반 시스템 기술 표준 보완에 기여
- 기존 복사냉난방패널과 달리, 실내에 노출형으로 설치되는 복사냉난방 패널의 냉난방용량 평가 방법 제안
- 냉난방 기능을 구비한 광선반 시스템에 대한 기술 표준 신규 제안 가능
(2) 경제적ㆍ산업적 측면
○ 국가 에너지 절약 정책에 부응
- 제로에너지빌딩 구현에 필수적인 패시브/액티브 요소를 결합한 솔루션을 제공함으로써, 건물분야 에너지 소비량 절감에 기여
- 하절기 TALS 시스템의 고온냉수 운전을 통해 열원 효율 증대 및 신재생 에너지원과의 결합으로 에너지 수요 관리에 기여
- 조명에너지의 비중이 높은 사무소 건물의 에너지 절약에 기여
○ 제로 에너지 건축물의 경제적 효과 증대
- 외피부하 저감, 열원 효율 향상, 조명에너지 절감을 통해 건물 운영비용 절감
- 외주부에서의 빛/열환경 개선으로 재실자 생산성 증대를 통한 운영비용 절감
- 외주부의 환경개선을 통해 외주부 유효공간이 증대되어 건축물 경제성 향상
○ 건축환경/설비 분야 산업 고도화
- 복사냉난방시스템의 용도 및 적용 범위 확대에 기여
- 복사냉난방시스템의 열전달을 촉진시킬 수 있는 패널 단면 구조 개발에 기여
- 외피-설비시스템, 또는 열-빛환경 조절시스템이 패키지화된 상품 개발 유도
- 건물 용도와 유형에 따라 선택적으로 적용할 수 있는 TALS 시스템 개발 유도
(출처 : 요약문 3p)
과제명(ProjectTitle) : | - |
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연구책임자(Manager) : | - |
과제기간(DetailSeriesProject) : | - |
총연구비 (DetailSeriesProject) : | - |
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