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지후 진
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KIEAE Journal, Vol. 17, No. 1, Feb. 2017, pp.69-75.

1 KIEAE Journal, Vol. 17, No. 1, Feb. 2017, pp KIEAE Journal 83 Korea Institute of Ecological Architecture and Environment 전산유체해석을통한슬림형이중외피창호의태양열취득량분석 - 높은태양고도및하절기냉방조건에서의자연환기구적용및창문조절방식별비교 - Numerical analysis of solar heat gain on slim-type double-skin window systems - Heat transfer phenomena with opening of windows and vent slot in summer condition - 박지호 * 오은주 ** 조동우 *** 조경주 **** 유정연 **** Park Ji-Ho * Oh, Eun-Joo ** Cho, Dong-Woo *** Cho, Kyung-Joo **** Yu, Jung-Yeon **** * BEL Eco-Facade Engineering Lab, BEL Technology Co.,LTD, South Korea (salzini@beltec.co.kr) ** Coauthor, BEL Eco-Facade Engineering Lab, BEL Technology Co.,LTD, South Korea (ohya@beltec.co.kr) *** Corresponding author, National Green Building Center, Building & Urban Research Institute, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology(dwcho@kict.re.kr) **** National Green Building Center, Building & Urban Research Institute, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology(kyungjoocho@kict.re.kr) A B S T R A C T Purpose: Heat transfer analysis of recently developed slim type double-skin system window were presented. This window system is designed for curtain wall type façade that main energy loss factor of recent elegant buildings. And the double skin system is the dual window system integrated with inner shading component, enclosed gap space made by two windows when both windows were closed and shading component effectively reflect and terminate solar radiation from outdoor. Usually double-skin system requires much more space than normal window systems but this development has limited by 270mm, facilitated for curtain wall façade buildings. In this study, we estimated thermophysical phenomena of our double-skin curtain wall system window with solar load conditions at the summer season. Method: A fully 3-Dimentional analysis adopted for flow and convective and radiative heat transfer. The commercial CFD package were used to model the surface to surface radiation for opaque solid region of windows frame, transparent glass, fluid region at inside of double-skin and indoor/outdoor environments. Result: Steep angle of solar incident occur at solar summer conditions. And this steep solar ray cause direct heat absorption from outside of frame surface rather than transmitted through the glass. Moreover, reflection effect of shading unit inside at the double-skin window system was nearly disappeared because of solar incident angle. With this circumstances, double-skin window system effectively cuts the heat transfer from outdoor to indoor due to separation of air space between outdoor and indoor with inner space of double-skin window system. c 2017 KIEAE Journal K E Y W O R D 이중외피커튼월전산유체일사해석 Double skin facade Curtain wall CFD S2S Radiation A C C E P TA N C E IN F O Received Nov 29, 2016 Final revision received Feb 6, 2017 Accepted Feb 11, 서론 1) 외관이수려한알루미늄커튼월창호는고층건물뿐아니라최근 에는저층건물및리모델링시에도사용이증가되고있는추세이다. 하지만알루미늄커튼월창호는유리투광부에서의태양열취득과 프레임부을통한열교현상등으로여름철냉방부하가급증하는문 제가있다. 현재동절기를기준으로하는열관류율과같은단열성능 만을충족하는창호로는커튼월건물의냉방에너지증가에대한대 책을수립하는데한계가있다. 이중외피시스템은외피를이중으로구성하고내부공간인중공 층에차양을설치함으로서실내에설치되는차양과달리창을투과 한태양광이실내로직접전달되지않도록하여하절기태양열의실 내유입을적극적으로차단할수있는외피시스템이다 [1]. 이중외피시스템은실외측창과실내측창사이에형성된공간으 로중공층 (cavity) 을형성하고상하부의개구부를통한통풍효 pissn X, eissn 과에의해과열을막는역할을하게된다. 그러나하절기에이중외피에입사하는태양열량이큰경우중공층이과열될수있고, 중공층과실내공기사이의온도차가증가하여전도및대류현상에의해냉방부하가오히려증가하는경우도발생할수있다. 또한이중외피시스템에서중공층공간에의한건축면적의증가, 외측창호개폐의어려움등으로인해실제로는그효과를보고있지못하고있는건물사례들이많이있다. 이를해결하기위해중공층공간의폭을좁힌슬림한이중외피창호시스템이개발되어사용되고있으나중공층공간의협소한이중외피시스템은중공층이외부환경에의해쉽게과열될우려가있어실외측에설치된창호개구부 ( 환기를위한창문, 환기벤트등 ) 의조절방식과적절한배치계획을통하여중공층의과열을방지할필요가있다 [2]. 본연구에서는중공층의폭이 150mm인슬림형이중외피커튼월창호를대상으로창호개구부조작 ( 창호및환기벤트개폐 ) 방식에의해밀폐혹은개방형의중공층형성방식을달리할수있도록하여조작방식에따른이중외피창호의부위별온도분포 ccopyright Korea Institute of Ecological Architecture and Environment 69

전산유체해석을통한슬림형이중외피창호의태양열취득량분석 Fig. 1. Drawing of Double Skin Window with inner Shading System 및실내로투입되는태양열취득량을비교 분석하였다.

본분석대상창호의실험체는중공층의폭이 150mm로슬림형이중외피구조를갖는다. 실외측은상중하 3 열의창으로구성되어있으며실외측상하부에개폐가가능한자연환기구 (vent slot) 가설치되어외측의창호가모두닫힌상태에서도내부의공기가외부로배출될수있도록구성되어있다. 그리고베니션블라인드가중공층내부에설치되어있으며블라인드의전개정도및블라인드슬릿의각도조절이가능하다.

Frame Part 6 Glazing 2 Glazing 1 Combined Glazing Fig. 2. Composition of Heat transfer parts of Windows < 그림1> 은슬림형이중외피실험체의도면으로서, < 그림 2> 에그개요를표시하였다. 실험체는문헌 [1] 의연구에서개 Table 1.

2 전산유체해석을통한슬림형이중외피창호의태양열취득량분석 Fig. 1. Drawing of Double Skin Window with inner Shading System 및실내로투입되는태양열취득량을비교 분석하였다. 이러한개구부조작방식에따른슬림형이중외피창호의하절기실내유입열량특성파악을통해여름철에적용할수있는이중외피시스템의개구부배치계획및운영방안을도출하고자하였으며여름철냉방부하에적절히대응가능한커튼월건물설계의기초자료로활용하고자하였다. 2. 슬림형이중외피창호개요 2.1. 분석대상창호의개요 일반적인이중외피시스템의중공층의폭은 300mm에서 1500 mm내외로구성된다. 본분석대상창호의실험체는중공층의폭이 150mm로슬림형이중외피구조를갖는다. 실외측은상중하 3 열의창으로구성되어있으며실외측상하부에개폐가가능한자연환기구 (vent slot) 가설치되어외측의창호가모두닫힌상태에서도내부의공기가외부로배출될수있도록구성되어있다. 그리고베니션블라인드가중공층내부에설치되어있으며블라인드의전개정도및블라인드슬릿의각도조절이가능하다. 실내측의경우기밀성이확보된미서기창으로구성되어있다. A B C Indoor Window Indoor Window Front Window (Closed) (Partially Opened) 19 Frame Parts 1 Frame Part 2 Frame Part 6 Glazing 2 Glazing 1 Combined Glazing Fig. 2. Composition of Heat transfer parts of Windows < 그림1> 은슬림형이중외피실험체의도면으로서, < 그림 2> 에그개요를표시하였다. 실험체는문헌 [1] 의연구에서개 Table 1. Detail of Window s Glazing System Item Top Middle Bottom Indoor Glazing Area( m2 ) Glass Thickness( mm ) Glass Layers Air Thickness Total Thickness( mm ) 발된시제품으로서외부창의경우중간부 2 개의창및상부 1 개 의창은외부프로젝트방식으로직접개폐가가능하다. < 그림 2> A 의 1 번과 7 번부근에자연환기구가위치하며창유리 GL 1-1, 2-1, 2-2 에해당하는창호의경우개방이되지않는고정 창이다. 실험체전면의 6 개창과후면창의 2 개창은모두공기층 을포함하는복층유리로구성되었다. < 표 1> 2.2. 창호적용물성치 유리와프레임의열전도율및투과율, 흡수율, 반사율등광학적 특성을반영한복사현상이분석될수있도록입력조건을구성하 였다. 유리의광학적특성 ( 표 2) 은 NBNL[3] 의 WINDOW [4] 를통해산출하였다. Table 2. Properties of the Glazing system Item Indoor Upper/Middle Bottom Closed Open Transmittance Reflectivity Absorptance Conductivity [W/m K] NFRC 기준에따른창호프레임의분석은 < 그림 2> 의 A, B 와같 이프레임을단면형태별로구분하여각프레임구획에대한열 전도율을 NFRC 의 U-Value 공식산출도구인 THERM[4] 을사 용하여도출하였다. THERM 해석시경계조건은 KS 기준 [5] 의 창호시험성적조건이적용되었으며 U-value(W/ m2 K) 를열전 달율 (W/m K) 로변환한결과를 < 표 3> 에표시하였다. 추가로이중외피가아닌일반단창에실내블라인드가위치한 70 KIEAE Journal, Vol. 17, No. 1, Feb. 2017

박지호 오은주 조동우 조경주 유정연 Table 3. Pre-analysis results of Heat conductivity of Frame parts Part Index Heat Conductivity Part Index Heat Conductivity 1 1.888 8 1.491 2 1.589 9 1.353 3 2.630 10 2.290 4 2.

본연구에서는하절기실내냉방및높은입사각의태양열이유입 되는경우일사를차단하기위한차양으로써베니션블라인드를설 정하였다. 베니션블라인드의경우전부전개된상태에서슬릿의각 도는 45 로설정하여직달일사는차단하되블라인드표면의반사 로인한산란일사는가능한조건을설정하고외부창의개폐에따른 이중외피창호의태양열차단효과를분석하고자하였다.

3 박지호 오은주 조동우 조경주 유정연 Table 3. Pre-analysis results of Heat conductivity of Frame parts Part Index Heat Conductivity Part Index Heat Conductivity [W/m K] [W/m K] 경우를이중외피와비교하기위하여실내쪽창이개방된경우도 분석대상으로하였으며 < 그림 2> 의 C 는그개요이다 차양의설정 이중외피창호에서차양은여름철에는일사를차단시켜냉방부 하를줄이고, 겨울철에는일사를유입하여난방부하를줄일수있는 역할을하게된다. 본연구에서는하절기실내냉방및높은입사각의태양열이유입 되는경우일사를차단하기위한차양으로써베니션블라인드를설 정하였다. 베니션블라인드의경우전부전개된상태에서슬릿의각 도는 45 로설정하여직달일사는차단하되블라인드표면의반사 로인한산란일사는가능한조건을설정하고외부창의개폐에따른 이중외피창호의태양열차단효과를분석하고자하였다. 즉이중외피창호의조절방식중중공층과열방지를위해베니션 블라인드가전부전개된상태에서실외창혹은환기구개폐여부에 따른실내유입열량을비교한다. 3. 창호조절방식에따른 CFD 해석공간의작성 3.1. 창호작동조건의설정 Table 4. Window operations Windows Vent Name Top Middle Indoor Top Bottom Closed Closed Closed Open Case 3 Closed Open Closed Open Closed Case 4 Open Closed Open Closed Closed Closed Case 5 Open Open Closed Case 6 Open Closed Closed Open Closed Case 7 Closed Closed Open Open Closed Case 8 Closed Closed Open Closed < 표 5> 는각조작방식별 3 차원모델의작성결과이다. 은 실내와실외측의창이모두닫혀밀폐된중공층이있는조건으로일 반적인이중외피창호에서일사에의한가열로온도가높게형성되 는작동방식이다. 는닫혀있는실외창의상하부에자연환기 구가설치된것으로 과비교하여자연환기구의효과를예측 해볼수있는작동조건이다. Case 3 과 7 은자연환기구및개방된창 문의조합을통하여중공층내부에공기흐름이발생할수있도록설 정한조건이며, Case 4~6 은자연환기구를사용하지않는구성으로 서로다른창문개폐조절방식으로구별되었다. 그리고 Case 8 은후 면창을개방하여외부창이실내공기와접촉하고블라인드가중공 층내부가아닌실내에위치하는일반적인단창조건을구현한것으 로, 단창과이중외피창의효과가서로비교될수있도록한것이다 CFD 해석공간의구성 본연구에서는슬림형이중외피창호의하절기단열성능을분석 하고자 3 차원의수치해석모델을적용하였다. 자연환기구및전면창의개폐에의한중공층온도변화의경향을 분석하기위한창호의조절방식을 < 표 4> 과같이구성하여정상상태 열유동해석의 Case 를수립하였다. Table 5. Detailed view of model Part Case 3 Case 4 Case 5 Case 6 Case 7 Case 8 Window Indoor Window Vent (Top) Vent (Bottom) ccopyright Korea Institute of Ecological Architecture and Environment 71

전산유체 해석을 통한 슬림형 이중외피 창호의 태양열 취득량 분석 Table 6.

차분화(discretization)하여 boussinesq 기반의 자연대 류 유동해석에 적합한 해석공간을 작성할 수 있었다.

Layout of fluid domain 기구의 경우 설계상의 도면과 동일한 개구부 면적으로, 두께가 없는 대신 열 저항이 적용되었다.

<그림3>과 같이 창호의 작성한 mesh로서 좌측의 창이 실외측, 우측의 창이 실내측으로 구분되는 수직방향의 단면을 표시한 것이다.

CFD 해석 방법, 2와 같이 창문과 환기구가 모두 닫혀 중공층이 밀폐된 경우 각 유체공간은 동일한 기체로 구성되나 상호간 물질전달은 발생하지

Conjugated heat transfer(cht) Interface는 물질전달이 없이 열전달만 발 생되는 경계조전이 되며 본 연구에서는

Domain compositions Type A B C 1 2, 3, 4, 5, 6, 7 8 Domain Layout Case.

작성과 동 일하게 Star CCM+를 사용하였다. <표8> Table 8.

model Solution procedure Wall Function Radiation Model S2S Beams Convergence

Steady Solver, Boussinesq Approximation Steady RANS, Realizable K-Epsilon

Radiation 512 beams, Reciprocity Tolerance: 0.

5GHz, Memory: 32GB <표7>의 A는 의 경우에 해당하는 것으로, 각 공간이 서로 유리의 투과율과 반사율, 일사접촉면의 가열을

4 전산유체 해석을 통한 슬림형 이중외피 창호의 태양열 취득량 분석 Table 6. Computational grid around the cavity Case 3 Case 4 Case 5 Case 6 Case 7 Case 8 낸 해석공간의 작성방식에 따라 3차원 유한체적요소 격자망을 작성하였다. 3차원 CAD 입력을 통한 모델의 작성 및 격자망의 생성은 상용 CFD 해석도구인 STAR-CCM+[6]의 Trimmed mesher를 적용하여 직육면체 형태의 다면체 Cell로 해석공간을 구성하였다. Trimmed mesh의 적용을 통해 납작한 직육면체 형 태를 이루고 있는 이중외피 창호 프레임 및 내부 중공층을 효율 적으로 차분화(discretization)하여 boussinesq 기반의 자연대 류 유동해석에 적합한 해석공간을 작성할 수 있었다. 블라인드와 자연환기구는 두께가 없는 Baffle 구조로 작성되었으며 자연환 Fig. 3. Layout of fluid domain 기구의 경우 설계상의 도면과 동일한 개구부 면적으로, 두께가 없는 대신 열 저항이 적용되었다. <표7>은 각 해석 Case를 위해 복사모델이 적용된 이중외피 창호 내부와 주변 실내외 공기의 열유동을 분석하기 위한 CFD 모델은 <그림3>과 같이 창호의 작성한 mesh로서 좌측의 창이 실외측, 우측의 창이 실내측으로 구분되는 수직방향의 단면을 표시한 것이다. 입체적인 형태를 구현하고 창호 전 후면에 인접한 공간을 직육면 체 형태를 갖는 실내와 실내로 구분하였다 CFD 해석 방법, 2와 같이 창문과 환기구가 모두 닫혀 중공층이 밀폐된 경우 각 유체공간은 동일한 기체로 구성되나 상호간 물질전달은 발생하지 않으며 유리, 프레임 등 인접한 고체의 열전도를 통해 표면으로 부터의 대류에 의한 열전달이 발생한다. Conjugated heat transfer(cht) Interface는 물질전달이 없이 열전달만 발 생되는 경계조전이 되며 본 연구에서는 창호의 조작방식에 따라 3가지 CHT Interface의 설정방식이 적용되었다. <표7> Table 7. Domain compositions Type A B C 1 2, 3, 4, 5, 6, 7 8 Domain Layout Case.# 난류와 boussinesq assumption의 자연대류 그리고 일사에 의한 복사열전달이 적용된 3차원 유동해석의 Solver로는 mesh 작성과 동 일하게 Star CCM+를 사용하였다. <표8> Table 8. Numerical Method Details Name Code Mesh Cell number Flow Solver Turbulence model Solution procedure Wall Function Radiation Model S2S Beams Convergence criteria Computing System Description STAR-CCM+ trimmed mesh Approx 815,000 Steady Solver, Boussinesq Approximation Steady RANS, Realizable K-Epsilon SIMPLE Two-Layer All y+ Wall Treatment Surface to Surface Gray Thermal Radiation 512 beams, Reciprocity Tolerance: Residual of 10-4, Converged Heat transfer rate CPU: Xeon-E5@3.5GHz, Memory: 32GB <표7>의 A는 의 경우에 해당하는 것으로, 각 공간이 서로 유리의 투과율과 반사율, 일사접촉면의 가열을 분석하기 위하여 밀폐되어 복사를 제외하고는 상호간의 물질전달 없이 표면의 전도 S2S Radiation 모델을 적용하였고 일사부하를 경계조건으로 반영 와 대류로 인한 열전달만 발생한다. 자연환기구 혹은 창문을 통해 중 하는데 Star-CCM+의 S2S 모델과 결합된 Solar load 모델을 적용 공층 내부의 공기가 실외의 공기와 연결되는 ~7의 경우 실외 하였다. 본 연구에 사용된 복사모델의 경우 표면에 입사한 복사열의 공기와 창호 내부의 중공층은 서로 이어져 있다. Case 8은 실내의 공 반사와 산란은 등 방향으로 이루어지며 공간의 매질인 공기(air) 중 기가 중공층과 연결되어 있는 점에서 다른 Case와 구분되며 Case 에서 발생하는 산란이나 흡수는 생략되었다. 2~7의 해석공간의 작성 방식과 유사한 기법이 적용되었다. 일사의 경우 연중 태양고도가 최고가 되는 일자인 하지 정오 시점을 적용하였으며, 실내외 온도조건은 일반적인 냉방조건으로 3.3. CFD 해석 도메인의 작성 앞서 서술한 <표5>에 수록된 각각의 형상을 <표7>에 나타 72 KIEAE Journal, Vol. 17, No. 1, Feb 하여 <표9>에 정리하였다.

Case 5 Case 6 Case 7 Case 8 (Vents) (no Vent) Table 11.

Properties of Solar load model Latitude Longitude Date Time Time Zone

동일하게 양측의 창이 하나 씩 개방된 Case 5와 비교해 볼 때 Case 6은 개방된 창문 별로 높이 차 이가 있어 자연 대류에

창문 조절 조건에 따른 중공층 내부 온도 경향 실외 측과 실내 측의 창이 모두 닫힌 의 경우 중공층의 온 도가 40 를

5 박지호 오은주 조동우 조경주 유정연 Table 10. Temperature contour of vertical sections of each cases Case 3 Case 4 Case 5 Case 6 Case 7 Case 8 (Vents) (no Vent) Table 11. Temperature contour of exterior wall and windows Case 3 Case Azimuth Altitude Direct Solar Flux 12:30 Diffuse Solar Flux +9.0 hr Solar Time Room: 24, : 31.2 Case 6 Case 7 Case 8 의 경우 창호 내부의 공기 순환이 원활 할수록 중공층의 온도가 실외 Table 9. Properties of Solar load model Latitude Longitude Date Time Time Zone Temperature Case W/m2 0.0 W/m2 6/21/2016, 12:30 온도에 가깝게 나타났다. 그중 대각선 방향으로 창문이 열리는 Case 6에서 가장 낮은 온도분포가 나타났다. 동일하게 양측의 창이 하나 씩 개방된 Case 5와 비교해 볼 때 Case 6은 개방된 창문 별로 높이 차 이가 있어 자연 대류에 의한 환기를 활성화하기에 적합한 구조이 며 그 결과가 나타난 것이라 볼 수 있다. 4. 분석 결과 4.1. 창문 조절 조건에 따른 중공층 내부 온도 경향 실외 측과 실내 측의 창이 모두 닫힌 의 경우 중공층의 온 도가 40 를 초과하였으며, 자연환기구가 설치된 의 경우 보다 낮은 중공층 온도가 유지되는 것으로 나타났지만 기타 다른 Case 보다는 높은 온도의 결과를 보였다. <표10>의 온도분포 Fig. 4. Result data: Temperature of cavities at each point 에서 확인 할 수 있는 것과 같이 의 자연환기구는 창호 내부의 Case 8은 <그림4>의 그래프에서는 가장 낮게 나타났지만 중공층 공기를 순환시켜 중공층의 온도를 저감하는 효과는 있지만 그 효과 이 없어 냉방중인 실내공기가 외부창의 표면에 직접 노출되고 실외 가 직접 창문을 개방한 다른 Case들 보다 뛰어나지는 못하였다. 의 일사 및 기온의 영향이 실내로 직접 침투하고 있으므로 온도차만 창문을 직접 열어 중공층 내부의 공기를 실외로 개방한 Case 3~7 Copyright Korea Institute of Ecological Architecture and Environment 73

전산유체해석을통한슬림형이중외피창호의태양열취득량분석 으로비교하기는곤란하며이어서설명하게될실내열통과량분석에서는가장많은열량이실내로전달되었다. 4.2. 창호주변온도분포전면창이개방될경우창호프레임수평부의온도는상대적으로낮게나타났다.

Case 5와 6에서이러한현상이가장분명하게나타났으며전면창의개방을통한외부차양의형성및중공층의자연적인공기흐름발생에의해이중외피창호내외부의냉각을실시할수있음을예측할수있었다. 가늠해볼수있었다. < 표12> 에서이 3가지설정에대한결과를보면, 프레임의표면에도달한태양열의크기가서로비슷하고실내유입열량의합계또한 3가지설정이모두유사한값이다.

6 전산유체해석을통한슬림형이중외피창호의태양열취득량분석 으로비교하기는곤란하며이어서설명하게될실내열통과량분석에서는가장많은열량이실내로전달되었다 창호주변온도분포전면창이개방될경우창호프레임수평부의온도는상대적으로낮게나타났다. 이는 < 표11> 의실외측벽면및창호의온도분포를통해서도확인할수있는것으로, 전면창의프로젝트창이개방될경우창문에의한그늘이발생하여 (Case 3~7) 일사유입을직접적으로차단하는효과가발생하였다. 또한창호가개방된경우중공층내부로부터공기흐름이발생하여개방된창호주변의표면온도가상대적으로낮게나타났다. Case 5와 6에서이러한현상이가장분명하게나타났으며전면창의개방을통한외부차양의형성및중공층의자연적인공기흐름발생에의해이중외피창호내외부의냉각을실시할수있음을예측할수있었다. 가늠해볼수있었다. < 표12> 에서이 3가지설정에대한결과를보면, 프레임의표면에도달한태양열의크기가서로비슷하고실내유입열량의합계또한 3가지설정이모두유사한값이다. 하지만 Case 8의경우유일하게실내로직접전달되는일사량이존재하여가장큰유입열량이발생하였다 창호의설정별일사차단성능 < 그림5> 에서 1은창호와동일한면적의수직면에입사되는일사량이며 2는외부에노출된창호의표면과유리를통과하여창호의중공층내부로유입되는열량이다. 그리고 3은후면창의유리와프레임표면을통해실내로유입되는열량으로실내에노출된창호표면으로부터의대류및전도에의해서실내로전달되는열량이다. Case8의경우유일하게실내에유입되는복사열이포함되어있다 실내유입열량 본연구에적용한 Solar load 모델에서태양광의법선면에도달하 는단위면적당일사량은 1,283 W/ m2이며남향수직벽면에도달하 는일사량은 308 W/ m2이다. 따라서창호의외부노출면과동일한 면적의수직면에입사되는일사량은 1,257 W 이며이일사량은 1 차 적으로외부에노출된프레임의표면과유리의표면을가열하고유 리를투과한태양열은유리를통과하여중공층및내부프레임과블 라인드를가열하게된다. Table 12. Analysis results of Solar load to Indoor environment Case Direct Solar Flux Projected to Windows To Frame Surface < 표 12> 의일사량 (Direct Solar Flux) 은본연구에서적용된 Solar load 모델에의해실외에노출된표면에도달하는일사량이다. 실내 로의유입열량 (Heat flux to room) 은실내공기에접하는창호의표 면에서일어나는열통과량으로프레임과유리의실내노출면에서의 값을서로구분하여표시하였다. 본해석에서적용된높은태양각도로인해전면창의유리를통과 한직달일사의대부분은중공층에위치한프레임의수평면에도달 하였고블라인드의표면에는거의도달하지않았다. 즉높은태양각 도로인해태양광이블라인드에의해외부로반사되지않고대부분 창호표면에도달하게되면서태양열에의한창호의가열이크게이 루어지는환경이구현된것으로중공층의열환경분석에있어서는 가혹한환경으로설정이된것으로판단된다. Heat flux to room Convection Frame Glass Total Direct Solar Radiation , 슬림형이중외피창호의효과는, 2 와 Case 8 을비교하여 Fig. 5. Results: Heat flow rates at specific normal sections Table 13. solar heat gain coefficient and effectiveness of double skin window system [W] 2 [W] 3 [W] A=[3/1] B=1-[3/2] , A 는 1 과 3 의비율로, 창호에도달하는일사량이열에너지로서 실내로투과되는열량의비율이된다. 따라서 A 의경우특정조건에 서의 SHGC(Solar Heat Gain Coefficient) 로볼수있으며본분석 조건에서분석대상이중외피창호는시뮬레이션상의 SHGC 값이 작동조건에따라 ~ 범위로볼수있다. B 는 2 와 3 의 비율로이중외피창호의중공층과차양, 실내공기에접하는후면유 리의단열성능및프레임표면의온도특성등에따른값이된다. 이 중외피가형성된조건인 ~7 의값을비교해볼때, 중공층의 온도가가장낮은 Case6 이가장큰값을나타내며, 이는외부에노 출된프레임표면과유리를통과한태양광및열에너지가이중외피 시스템을통해최대 90% 가량차단되는것을의미한다. 또한 Case6 은 3 의값이 Case2 보다대략 40% 낮아지며, 유사한이중외피시스 템에서외부창호의조절에따라환기구만개방하는 Case 대비실내 로유입되는열량을크게절감할수있는것을나타낸다. Case8 의경우 < 그림 4> 에서나타나는각각의온도가가장낮지만 중공층이없어외측창호를통과한열량이실내로그대로전달되어 74 KIEAE Journal, Vol. 17, No. 1, Feb. 2017

7 박지호 오은주 조동우 조경주 유정연 분석조건에서의 SHGC 값은약 0.46 으로상대적으로단열성능이 크게떨어졌다. 5. 결론 CFD 분석을통해슬림형이중외피창호의냉방시중공층의온도상승을억제할수있는창호의조절방식및일반창호에대한이중외피창호의실내태양열취득량을분석해볼수있었다. 태양각도가높은시점에서는블라인드표면의반사에의한태양열차단효과가거의사라지면서중공층표면에직접도달하는태양열부하가증가하여창호에의한실내로의냉방부하발생량이증가한다. 슬림형이중외피창호의경우태양열이복사열의형태로실내에직접전달되는것을차단하여블라인드의반사효과를발휘할수없는상황에서도낮은 SHGC 값을나타냈다. 슬림형이중외피창호는중공층의온도가상승하면 SHGC 값이감소할수있으며, 중공층내부에적절한환기방안을적용하면중공층내부공기온도를낮출수있다. 중공층내부의환기대책으로창호의상하지점에슬롯형태의자연환기구를설치하는방식이있지만분석결과환기량부족으로효과가제한되었고외부창을개방하여중공층을외부공기와환기시키는것이중공층내부온도를외기와비슷한수준으로유지하여중공층의과열현상을억제하는데효과적인것으로분석되었다. 또한창호에프로젝트창이적용된경우창의개방시창호외부에차양을설치하는것과유사한효과가발생하였으며이를활용하여창호로유입되는태양열을저감할수있었다. 기존이중외피시스템에서차양의전개정도와슬릿각도조절을사용하는조절방식이외에프로젝트창을활용하여하절기에창호로입사하는태양열을조절하는방법을활용하면이중외피창호의성능을추가적으로높일수있을것으로예상된다. Acknowledgements This study is a part of the research result conducted with research fund supporting in 2016 of KETEP (Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planing). The project code : Reference [1] 조동우외 2 인, 냉난방에너지 25% 절감을위한열관류율 1.0W/ m2 K, 270mm 이하의블라인드내장형이중외피커튼월창호시스템개발 1 차년도연차보고서, 2016 (Cho. D.W. et al., 2016, Development of the double skin curtain wall system with the shading device for 25% saving of heating & cooling energy, Annual report 1) [2] 조수외 4 인, 여름철이중외피중공층내부의기류속도변화에따른온도분포특성, 한국생활환경학회, 제 18 권제 1 호, 2011 (Cho. S. et al., 2011, Characteristics of Temperature Distribution Depending on Velocity of Air Flow Inside the Cavity of Double-skin System in Summertime, The Society of Living Environment System, Vol.18(1)) [3] NBNL, Lawrence Berkeley National Laboratory ( [4] NBNL WINDOW&THERM (windows.lbl.gov/software/) [5] KS F 2278 창및문의단열성능측정방법 [6] SIEMENS CD-Adapco Star-CCM+ ccopyright Korea Institute of Ecological Architecture and Environment 75

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ePapyrus PDF Document 19 3 (2009 9 ) J Korean Soc Occup Environ Hyg 2009;19(3):240~249 Numerical Study on Ventilation Method for Temperature Control of HRSG Building Chul Hwan Kim Jong Wook Lee Hoon Ki Choi Geun Jong Yoo Dept.