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소민 해
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1 사무소건물의방위별유리의선택적적용을통한 냉난방부하절감방안 Reducing Thermal Loads of Office Buildings by Selectively Applying Glazing Materials according to Wall Orientation 송일학 * 권세림 ** 송규동 *** Song, Il-Hak Kwon, Se-Lim Song, Kyoo-Dong Abstract Various design factors of the building are requires for saving energy. Glazing can be a good alternative of reducing excessive load of heating and cooling especially in office buildings with high WWR(Window Wall Ratio). In this study, Window 6.0 program developed in LBNL was used to analyze the glazing and EnergyPlus 6.0 developed in DOE was used to predict heating, cooling load. 12 cases of glazing were used selectively including double low-emissivity glazing, double tinted glazing, double reflective glazing, and triple glazing. The results show that the savings of heating and cooling load due to an application of various glazing types with 8 orientations would be up to about 35% compared to double clear glazing in annual period. 키워드 : 유리, 냉방부하, 난방부하, 방위, 일사취득계수, 열관류율 Keywords : Glazing, Cooling Load, Heating Load, Orientation, SHGC(Solar Heat Gain Coefficient), U-Value 1. 서론 1.1 연구의목적 1) 지구온난화현상과여러기후변화및기상이변에따른온실가스배출저감을위해전세계적으로에너지저감목표를수립하여실행하고있다. 기후변화대응건물에너지정책포럼 ( 에너지관리공단, 2008) 에의하면국내전체에너지사용량중건축물에사용되는에너지비율은약 23% 정도를차지하고있으며, 증가비율은 2020년에는 1990년에비해약 2.5배증가할것으로예상하고있다. 이에따라 2025년까지건축물제로에너지의무화를선언하였고, 건물에너지설계기준강화및각종인증제도의의무화를통해건축물설계단계에서부터에너지소비를절감을위한정책이진행되고있다. 이중 2012년에시행을앞두고있는창호의에너지소비효율등급제도는창호를관련성능에대한등급별로 * 한양대대학원공학석사 ** 한양대대학원석사과정 *** 한양대건축학부교수, 공학박사 " 본연구는관학기술부 / 한국과학재단우수연구센터육성사업인한양대학교친환경건축연구센터의지원으로수행되었음 "(R ) 인증및평가하여건물의실내환경조절을통한높은에너지성능을구현하도록할것으로보인다. 건물외피에속하는창호는재실자의조망, 채광및환기등을위한필수적인요소이지만건물외피에있어서열손실의약 53% 를차지할만큼열적으로가장취약한부분이다 (ASHRAE Standard 90). 실제국내에서도창면적비가높은건물설계시용도와방위에따른환경적요인을충분히고려하지않고창호를설계하여실내에높은부하가생기고, 이로인해건물에너지를과다하게소비하는경우가존재한다. 따라서건물의계획설계단계에서부터건물의용도, 외피구조, 대지조건, 그리고창호성능등을종합적으로고려하여창호를설계할필요가있다. 본연구는창호유리와관련한여러가지성능지표들을고려하여건축물초기설계시해당지역에서건물의방위별유리의선택적적용을통해건물의냉난방부하를절감하는방안을도출하는것을목적으로수행되었다. 1.2 연구의방법및절차본연구에서는사무소건물에서방위별냉난방부하를절감할수있는적정창호유리대안을도출하고자다음과같이진행하였다

(1) 시뮬레이션을위한건물의모델링은정방형형태로각각의방위에대한열부하특성을파악하기위해창호유리를건물벽체중한면에만적용한경우와 4면모두적용한경우로나누어설정하였다. 또한, 총 8개방위에대한고려가가능하도록건물방위각을조절하였다. (2) 에너지시뮬레이션프로그램 (EnergyPlus) 을통해냉난방부하성능평가를하고자, 사무소건물에적정한입력변수들을설정하였다.

2 (1) 시뮬레이션을위한건물의모델링은정방형형태로각각의방위에대한열부하특성을파악하기위해창호유리를건물벽체중한면에만적용한경우와 4면모두적용한경우로나누어설정하였다. 또한, 총 8개방위에대한고려가가능하도록건물방위각을조절하였다. (2) 에너지시뮬레이션프로그램 (EnergyPlus) 을통해냉난방부하성능평가를하고자, 사무소건물에적정한입력변수들을설정하였다. (3) 비교하고자하는유리의선정을위해 WINDOW프로그램의 IGDB V20에등록된삼중유리로구성하였다. (4) 건물벽체한면에만유리를적용시켜총 8개방위별냉난방부하평가를시행하였으며, 이를통해도출된각각의방위별최적유리대안을건물벽체 4면에적용하여연간총냉난방부하의절감율을알아보고자하였다. 2. 문헌고찰 2.1 선행연구 Bojic(2007) 는로이유리단판을통해 4.2%, 일반복층을통해 3.7%, 로이복층을통해 6.6% 까지에너지절감을나타낼수있음을보였다. 박승길 (2005) 은사무소건물의외피의로이복층을통해창면적이증가함에따라난방부하와냉방부하가증가하지만, 조명부하는자연채광의이점으로크게감소하였다. 또한조명부하에따른에너지의전체소비량은창면적비가 50 60% 일때가장낮게나타났다. 안영섭외 (2006) 는이중창과삼중창의투명및로이유리적용에대한건물에너지해석에대한연구를하였다. 이와같은문헌들을살펴본결과, 건물의형태, 방위및용도에따라같은창호를적용할경우에도상이한결과가도출될수있으며, 건물의부하특성에따라적절한유리의선택이이루어져야건물의에너지소비를절감할수있다고판단하여본연구를진행하였다. 하고자 'IdealLoadsAirSystem' 을이용하였다. 이시스템은실내에서필요한열의공급또는제거를항상이상적으로할수있도록하는설정방법으로건물의 HVAC을위한별도의설정을하지않아도된다. 2.3 기상데이터 EnergyPlus에서처리하는기상데이터는 ASHRAE에서제안하는표준기상데이터유형인 IWEC (International Weather for Energy Calculations) 포맷을사용하고있다. 본연구에서는그중인천지역의기상데이터를사용하여시뮬레이션을구동하였다. 3. 평가대상개요및시뮬레이션 3.1 평가대상및방법평가대상건물은그림 1와같이 21m(Width) 21m(Length) 의정방형평면에 3.5m(Height) 의층고를가지는공간이다. 실내는외부존 (Perimeter Zone) 과내부존 (Core Zone) 으로외부존의깊이는 7m이다. 유리의종류에대한건물의방위별냉난방부하산출을위해그림 2 과같이평가대상건물과방위각을 45 변화시킨모델을동시에이용하였다. 각각동 서 남 북 (E W S N) 과북동 북서 남동 남서 (NE NW SE SW) 의 8개방위에유리를적용하였다. 또한, 창면적비는기존사무소건물의높은창면적비와냉난방부하에대한영향을보다크게반영하고자층고간중심을기준으로 80% 가되도록설정하였다., 특정한창호재의방위별열부하특성을파악하기위해건물의 4면중한쪽벽에만창호가설치가된경우를가정하였다. 21m 7m Core Zone 21m 2.2 시뮬레이션프로그램개요본연구에서는건물에너지성능평가를위해미국국립버클리연구소 (LBNL) 에서개발된 WINDOW 6.0과미국 DOE(Department of Energy) 에서개발된 EnergyPlus 6.0 시뮬레이션프로그램을사용하였다. 현재 EnergyPlus의타당성과관련하여여러연구가진행되었다. 그중 Henninger 외 (2006) 는 ASHRAE 1052-RP Toolkit에의거한실내부하예측, 표면의열유동과온도예측에대한타당성연구에서총 15가지의경우를비교한결과 EnergyPlus의결과가 ASHRAE 1052-RP Toolkit에서얻은분석값과거의일치한결과를도출하였다고하였다. Olsen 외 (2003) 는영국에서타당성연구기준관련하여실험체를통해측정한결과와 EnergyPlus를통해모델링하여도출한값이실험치와산출값이매우유사한결과를얻어 EnergyPlus의내부온도및열성능에대한예측은타당성이있음을알수있다. 본연구에서는건물의유리를통한냉난방부하를도출 W Perimeter Zone 2.8m 3.5m 그림 1. 시뮬레이션대상건물의평면및입면 N Core Zone Perimeter Zone S E NW SW Core Zone Perimeter Zone 그림 2. 평가대상건물의해석방위 NE SE

3 3.2 시뮬레이션입력조건평가대상건물의구조체별열관류율은표 1와같으며, 건축물의설비기준등에관한규칙 ( 국토해양부, 2010) 을참고하여법적기준에적합하도록설정하였다. 시뮬레이션분석을위한건물의입력조건은표 2과같다. 건축물에너지효율등급인증규정 (2009) 에따라실내설정온도는냉방시 26, 난방시 20 이며, 환기량은 0.7 회 /h로설정하였다. 외부존의내부발열밀도는기존사무소건물을대상으로에너지성능평가를시행한연구들을고려하여재실자 0.05W/ m2, 조명 11W/ m2, 기기 15W/ m2로설정하였다 (Miyazaki, 2005; Jayoon Koh, 2009; Poirazis, 2008). 재실자, 조명, 기기의스케쥴은 ASHRAE Standard 의일반사무소기준을바탕으로각각평일 (Weekdays) 과토요일 (Saturday) 을설정하였다. 3.3 유리의설정본연구에서적용하고자한유리는국내판유리로그중 IGDB(International Glazing Database) v20에등록된 H사와 K사의제품들로선정하였다. 유리종류에따라복층과삼중으로구성하였다. 유리의성능을분석하기위해설정된환경조건은 NFRC 이다. 분석을위한유리는복층유리의경우 6mm판유리, 12mm의공기층, 그리고 6mm판유리로구성으로하였다. 삼중유리의경우아직국내에서는주문제작에따른구성을따르고있어본연구에서는창의두께를고려하여같은 6mm판유리에공기층을 10mm로설정하였다. 또한, 코팅유리의경우코팅면에위치에따라성능이달라짐을고려하여외측과내측에코팅면이위치하는경우를분류하였다. 이를통해본연구에서는표 4과같이복층과삼중으로구성된 12개로유리를선정하였다. GL1에서 GL9까지는복층이며, GL10에서 GL12까지는삼중으로구성하였다. 복층유리에는투명복층유리 GL1, 색유리계열의 GL2 와 GL3, 외부면을기준으로 2면코팅로이복층유리인 GL4, 3면코팅로이복층 GL5, 색유리와 3면코팅로이유리의조합인 GL6와 GL7, 반사복층유리 GL8, 그리고로이유리와반사유리의성능을동시에지닌복합기능성유리 GL9이있다. 또한삼중창으로는투명삼중유리인 GL10, 5 면코팅삼중로이 GL11, 그리고 2면로이코팅삼중로이 GL12 를선정하였다. 복층유 리 삼중유 표1. 구조체의물리적특성 ( 열관류율법적기준은중부지방대상 ) 구성두께 (mm) 열관류율 (W/ m2 K) 외벽 ( 직접외기 ) 외벽 ( 간접외기 ) 최상층지붕 ( 직접외기 ) 최하층바닥 ( 간접외기 ) 표 2. 부하해석설계조건 ( 법적기준 : 0.36) ( 법적기준 : 0.49) ( 법적기준 : 0.20) ( 법적기준 : 0.58) 구분 해당값 냉방설정온도 ( ) 26 난방설정온도 ( ) 20 재실자 (person/ m2 ) 0.05 조명 (W/ m2 ) 11 기기 (W/ m2 ) 15 환기 (air changes/h) 0.7 표 3. 유리의층 코팅면없는경우코팅면외측위치코팅면내측위치 외측 표면 #1 표면 #2 표면 #3 표면 #4 내측 외측내측외측내측 GL1, GL2, GL3 GL4, GL8, GL9 GL5, GL6, GL7 표면 #1 표면 #2 표면 #3 표면 #4 표면 #5 리외측내측 표면 #6 외측내측외측내측 GL10 GL12 GL11 4. 시뮬레이션결과및분석 4.1 건물한면에유리를적용한경우의냉난방부하 표 4. 분석대상유리구성 Glazing No. Code U-value SC SHGC Tvis Description GL1 6CL-12A-6CL Double Clear GL2 6GN-12A-6CL Double Tinted GL3 6BL-12A-6CL Double Tinted GL4 6ECT264-12A-6CL Double LowE(#2) GL5 6CL-12A-6ECT264f Double LowE(#3) GL6 6GN-12A-6ECT264f Double Tinted LowE(#3) GL7 6BL-12A-6ECT264f Double Tinted LowE(#3) GL8 6TS420-12A-6CL Double Reflective GL9 6MCP346-12A-6CL Double Multifunction GL10 6CL_10A-6CL-10A-6CL Triple Clear GL11 6CL-10A-6CL-10A-6ECT264f Triple LowE(#5) GL12 6ECT264-10A-6CL-10A-6CL Triple LowE(#2)

4 표 4를통해설정한유리의종류에따라건물에적용하였을경우각각의방위별단위면적당냉방부하및난방부하를산출하여그림 3 10에나타내었다. 결과를살펴보면모든방위에걸쳐전체적으로난방부하에비해냉방부하가비교적높게나타남을알수있다. 이는사무소건물이므로내부발열및스케쥴등의조건들로인해높은냉방부하를가지는부하특성때문이다. 그림 3과같이유리를북쪽에적용한경우건물의단위면적당냉난방부하의합이전체적으로큰차이를나타내지않았다. 또한, 다른방위에적용된경우에비해단위면적당난방부하가보다높게분포하는것을알수있다. 색유리계열인 GL2와 GL3, 2면코팅로이유리인 GL4, 색유리와 3면코팅로이유리구성의 GL6와 GL7, 반사유리인 GL8, 그리고복합기능성유리인 GL9의경우태양열에대한차단성능을가지고있어다른유리창에비해비교적낮은 50W/ m2이하의단위면적당냉방부하를보였다. 그중반사유리인 GL8의경우가장낮은냉방부하를나타내었다. 하지만, 난방부하의경우 GL2와 GL3, 그리고 GL8일때, 냉방부하보다높은난방부하를나타내었다. 이는색유리와반사유리가다른유리에비해높은열관류율을가지고있어낮은단열성능을나타내는것이다. 그림 10의경우유리를남향에적용한경우로다른향에비해보다높은냉방부하와낮은난방부하를나타내었다. 또한, 단위면적당냉난방부하의합이유리의종류에따라가장큰차이를나타내었다. 이는줄어든단위면적당난방부하의양에비해남향에서취득한태양복사에너지로냉방부하의영향이상대적으로커졌기때문이다. 특히, GL1과 GL10 등과같이태양열차단성능이낮은유리를적용하였을경우단위면적당냉방부하의양이월등히높은것을것을알수있다. GL1의경우약 140W/ m2정도의단위면적당냉방부하가발생해북쪽에위치했일경우와비교해 2배에가까운증가를나타내었으며, 삼중유리의경우에도북향일때와비교해유사한상승폭을나타내었다. 또한, 로이코팅유리중단열강화를위해실내측 3면과 5면에코팅면이위치한 GL5와 GL11도다른창에비해월등히높은냉방부하의증가를나타내었다. 하지만, 태양열차단성능이좋은 GL8과 GL9의경우단위면적당냉방부하가다른유리에비해상당히적은상승폭을나타내어단위면적당냉난방부하의합이북향일때와유사한 70W/ m2중반정도를나타내었다. 그림 6과그림 8는각각유리를동쪽과서쪽에적용한경우로두경우모두유리종류에따른단위면적당냉난방부하의패턴이매우유사하게나타남을알수있다. 단위면적당난방부하는유리가서쪽에위치할경우근소한차이로높게나타났지만냉방부하는 GL2, GL3, GL4, GL8, GL9, GL12와같이태양열차단성능이높은유리일경우, 동쪽에위치한경우보다낮게나타났다. 이는건물자체에서발생되는냉방부하외에서쪽에서유입되는높은일사를차단하여나타난점으로판단된다. 동쪽과서쪽모두 GL9이단위면적당냉난방부하의합이 80W/ m2 그림 3. 북쪽에위치한유리의종류별냉난방부하그림 4. 남동쪽에위치한유리의종류별냉난방부하그림 5. 북동쪽에위치한유리의종류별냉난방부하그림 6. 동쪽에위치한유리의종류별냉난방부하

정도로가장낮게나타났으며, 이와유사하게 GL4, GL6, GL7, GL8, GL12가 80W/ m2이조금넘는냉난방부하를나타내었다. 각각의유리종류별부하특성을살펴볼때, 투명유리만을이용하여구성한 GL1과 GL10은유리가적용된방위에따라단위면적당냉난방부하의변화가뚜렷한차이를보임을알수있다.

5 정도로가장낮게나타났으며, 이와유사하게 GL4, GL6, GL7, GL8, GL12가 80W/ m2이조금넘는냉난방부하를나타내었다. 각각의유리종류별부하특성을살펴볼때, 투명유리만을이용하여구성한 GL1과 GL10은유리가적용된방위에따라단위면적당냉난방부하의변화가뚜렷한차이를보임을알수있다. 또한, 색유리계열인 GL2와 GL3의경우, 그리고 GL6와 GL7의경우, 태양열유입이많은남쪽에유리를위치할수록단위면적당냉방부하량의차이를나타내었으며, 블루계열의 GL3가그린계열의 GL2보다냉방부하가적게발생해태양열차단에대한성능이보다높음을알수있다. 단열성능과태양열차단성능을동시에가지는복합기능성유리 GL9은대부분의방위에대하여가장낮은단위면적당냉난방부하를나타내었다. 반사유리인 GL8의경우, 유리가남동쪽과남서쪽에위치할때단위면적당냉난방부하량이가장낮은값을나타내었다. 이는 GL8이기본적으로단열성능이낮아단위면적당난방부하가높게나타나낮은냉방부하의값에도불구하고단위면적당냉난방부하의합은상대적으로높게나타났다. 하지만, 태양열차단성능이보다높게요구되는남동쪽과남서쪽에위치하는경우냉난방부하의합이 GL9보다낮으며, 분석대상유리들중가장낮은값을나타내었다. 실내측에코팅면을위치한 GL5와 GL11의경우, 그리고삼중유리인 GL10와 GL12의경우는다른유리와비교해단열성능이높아유리가위치한방위에관계없이상대적으로낮은단위면적당난방부하량을나타내었다. 그림 7. 남서쪽에위치한유리의종류별냉난방부하 그림 8. 서쪽에위치한유리의종류별냉난방부하 4.2 건물의 4면에유리를적용한경우의냉난방부하본연구 4.1에서도출된결과를통해동 서 남 북의방위별로우수한냉방부하및난방부하를나타내는유리를선정해 4방향모두유리를적용할경우산출되는연간총냉난방부하를비교하고자표 5과같이각각의 CASE 들을설정하였다. CASE1에서 CASE12까지는 GL1에서 GL12까지의유리를각각 4면에모두적용한경우이고. 그외에는북쪽면에는단열성능이뛰어난삼중로이인 GL12를적용하였고, 동쪽과서쪽에는태양열차단성능이우수한 GL4, GL8, GL9를각각적용하였다. 또한, 남쪽면에도 GL4, GL8, GL9을조합하여적용하였다. CASE별분석결과는그림 11와같으며, 표 5을통해각각의케이스별냉난방부하절감율을나타내었다. 4가지방위에유리를동일하게적용시킨 CASE1에서 CASE12 까지의경우, GL10을적용한 CASE11을제외하고전체적으로건물한면에유리를적용한 4,1의결과와유사한분포패턴을나타내었다. 또한, 3가지방위에위치한유리를동일하게적용한후한쪽의방위에유리를변화시킬경우, 전체적인냉방부하및난방부하의양은다르지만패턴은 1가지방위에만유리를적용했을경우와유사한분포를나타내었다. 건물의 4방향모두투명복층유리인 GL1을적용하였을경우, 전면 2면코팅로이유리를적용한 CASE3는 29.60% 가절감, CASE8의경우 30.50%. 이중, CASE9일경우 그림 9. 북서쪽에위치한유리의종류별냉난방부하 그림 10. 남쪽에위치한유리의종류별냉난방부하

6 그림 10. 4면의유리구성에따른냉난방부하 35.13% 로가장높은절감율을나타내었다. 차단성능이좋은색유리, 2면코팅로이유리, 반사유리, 그 동쪽과 서쪽에 2면코팅 로이유리인 GL4을 적용한 리고복합기능성유리가적절할것으로평가되었다. CASE13 CASE15 중남쪽면에반사유리인 GL8을적용한 CASE14이남쪽에 GL4나 GL9를적용한 CASE13과 CASE15 보다약 5% 높은절감율차이를나타내었다. (3) 건물의서쪽에유리를적용할경우일반적으로동쪽보다냉방부하가다르게나타나기때문에태양열차단성능이좋은유리를적용할경우동쪽보다상대적으로 하지만, 동쪽과서쪽에반사유리인 GL8이나복합기능성낮은냉방부하를얻을수있는것으로평가되었다. 유리인 GL9을적용한 CASE16 CASE21의경우남쪽면 (4) 본연구의평가대상건물에서방위별로유리를적에 GL9이적용된 CASE18과 CASE21에서가장높은냉용하고자할경우, 복합기능성유리가가장낮은냉난방부난방부하의절감을나타내었다. 하를나타내었고, 남동쪽과남서쪽일경우반사유리가가 표5. 정남향건물의방위별유리구성에따른냉난방부하절감율 장낮은냉난방부하를나타내었다. 또한, 복층로이유리적용시 CASE5와같이 3면에로이코팅을한유리는냉방 유리면의위치 CASE1 대비 부하증가가다른유리에비해큰폭으로증가하게되므 구분냉난방부하로사무소건물에서는가급적사용을피해야할것으로북쪽동쪽서쪽남쪽절감율 (%) 평가되었다. CASE1 GL1 GL1 GL1 GL1 0 CASE2 GL2 GL2 GL2 GL 참고문헌 CASE3 GL3 GL3 GL3 GL CASE4 GL4 GL4 GL4 GL 에너지관리공단, 기후변화대응건물에너지정책포럼발표 CASE5 GL5 GL5 GL5 GL 자료, 2008 CASE6 GL6 GL6 GL6 GL 안영섭, 박재성, 김병수, 윤종호, 공동주택확장발코니에적 CASE7 GL7 GL7 GL7 GL 용된고단열삼중창시스템의난방에너지성능평가연구, 한 CASE8 GL8 GL8 GL8 GL 국생태환경학회, 11호, 2006 CASE9 GL9 GL9 GL9 GL 문선혜, 권한솔, 허정호, 로이유리의냉방성능향상방안연 CASE10 GL10 GL10 GL10 GL 구, 대한건축학회학술발표대회논문집, 28권, 1호, CASE11 GL11 GL11 GL11 GL 박승길, 유호천, 에너지효율로본상업용건물의적정창면 CASE12 GL12 GL12 GL12 GL 적비에관한연구, 대한건축학회학술발표논문집, 제25권, 1 호, CASE13 GL12 GL4 GL4 GL 건축물의설비기준등에관한규칙 ( 국토해양부령제306호 ) CASE14 GL12 GL4 GL4 GL 건축물에너지효율등급인증규정 ( 국토해양부령제 CASE15 GL12 GL4 GL4 GL 호 ) CASE16 GL12 GL8 GL8 GL R. H. Henninger, Michael J. Witte, EnergyPlus Testing wi 5. 결 론 th ASHRAE 1052-RP Toolkit - Building Faric Analytical Tests, GARD Analytics, ASHRAE, ASHRAE Standard , EnergyPlus, 본연구의주요연구결과를정리하면다음과같다. 10. Window 6.0, (1) 유리를건물의북쪽에적용할경우, 상대적으로낮 11. M. Bojic, Application of advanced glazing to high-rise 은냉방부하에비해높은난방부하가발생하여단열성능 residential buildings in Hong Kong, Building Environment 42, 2007 이우수한삼중유리계열을선정하는것이건물의에너 12. J. Koh, J. Zhai, Energy Saving Effect and Economy 지소비절감에유리한것으로평가되었다. Feasibility of Office Building with regard to Geometries (2) 유리를건물의남쪽에적용할경우, 상대적으로낮은난방부하에비해냉방부하가크게나타남으로태양열 and Orientations, International Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Vol. 17, No.1,

11-S-190.hwp

11-S-190.hwp 대한설비공학회 20 계학술발표대회논문집 pp. ~ 창의종류및차폐계수변화에따른 단독주택의에너지사용량분석 정수희, 박효순 *, 김상아 **, 이병연 충북대학교건축학과, * 한국에너지기술연구원 ** 경북대학교건축공학과 A study on analysis of energy consumption of Detached house by U-value and SCs of