[ 논문] [ 논문] Journal of the Korean Solar Energy Society Vol. 30, No. 3, 2010 IS S N 1 5 9 8-6 4 1 1 다기능복합솔라윈도우시스템의에너지성능평가 조일식*, 김병수** * 한국에너지기술연구원(yscho@kier.re.kr), **( 주)BEMS 컨설팅(ibems@naver.com) The Energy Performance Evaluation of Multi-purpose Solar Window System Cho, Yil-Sik* Kim, Byoung-Soo** *Korea Institute of energy Research(KIER)(yscho@kier.re.kr) **BEMS Consulting Company, Ltd (ibems@naver.com) Abstract The aim of this study was to analysis the Heating/cooling performance of Solar Window System built in apartments. The solar window is the idea to integrate daylight as a third form of solar energy into a PV/Solar Collector system and allows more control due to the possibility to close the reflectors. However, there can be a conflict between the desire for on one hand daylight and view and on the other hand optimal energy conversion for the PV/Solar Collector system. The process of this study is as follows: 1) The Solar Window system is designed through the investigation of previous paper and work. 2)The simulation program(esp-r, Therm5.0, Window6.0) was used in energy performance analysis. The reference model of simulation was made up to analysis energy performance on Solar Window system. 3)Selected reference model(floors:15, Area of Unit:148.5 m2) for heating/cooling energy analysis, Energy performance simulation with various variants, such as U-value of Solar Window system according to its position and angle. Consequently, When Solar Window system is equipped with balcony window of Apartment, Annual heating and cooling energy of reference model was cut down about 5% ~11%. Keywords : 다기능솔라윈도우시스템 (Multi-Purpose Solar Window System), 가동단열(Movable Insulation System), 냉난방에너지 (Heating & Cooling Energy), 샌재생에너지 (Renewable Energy), 에너지절약 (Energy conservation) 1. 서 론 최근건축물의고층화와함께하중을감소 시키기위해철골조와같은경량구조건축물 이증가하고그로인해유리의사용량이크게 증가하고있다. 유리의사용량증가는건물의 냉난방에너지소비량과패턴에직접적인영 향을미치게되므로최근고효율창의개발 이활발히이루어지고있다. 하지만창의성 능개선을단열, 기밀성능개선에집중되어 있어채광이나야간단열, 태양광발전모듈을 일체화시킨다기능창에대한연구 개발이 투고일자 : 2010 년 3월 18 일, 심사일자 : 2010 년 3월 25 일, 게재확정일자 : 20010 년 5월 26일교신저자 : 김병수 (ibems@naver.com) 10 Vol. 30, No. 3, 2010
다기능복합솔라윈도우시스템의에너지성능평가 / 조일식외 미비한실정이다. 본연구에서는건물의냉 난방, 조명에너지절감을위한야간단열과 수평블라인드, 태양광, 태양열시스템을포함 하는하이브리드형태의솔라윈도우에대한 설계를완료하였으며설계과정에서도출된 솔라윈도우의단열성능분석과정을제시하 고주거용건물에적용할경우주야간발생 하는냉난방에너지절감효과를정량적으로 분석하는데연구의목적이있다. 2. 솔라윈도우의개념 솔라윈도우는창으로유입되는태양열, 태 양광을효과적으로활용하기위해기존창 시스템에부가적으로설치되는시스템을의 미하며크게 4 가지시스템이조합되어있다. 셋째, 태양열시스템은태양광발전모듈의 하부에설치하여태양광발전모듈에서흡수 된열을급탕에너지로전환하는시스템을말 한다. 태양광발전모듈의경우표면온도의상 승으로인해발전효율이감소하는단점이있 기때문에솔라윈도우의내부에배관을두어 셀표면의온도를낮추도록했다. 넷째, 솔라윈도우의재질은방사율이낮고 반사율이높은금속으로외피가마감처리되 어있으며, 내부에는열저항이높은우레탄 폼을충진하였다. 이것은야간에솔라윈도우 시스템을완전히닫았을때단열효과를기대 할수있으며금속제로생산되는기존의야 간단열셔터와는구조적기능적으로차별화 된시스템이다.[1][6] 3. 솔라윈도우시스템의에너지성능분석 그림 1. 솔라윈도우시스템의개념 3.1 시뮬레이션프로그램의개요 공동주택에적용된솔라윈도우시스템의 에너지성능평가를위해본연구에서는 해석 도구로 ESRU에서개발한 ESP-r11을사용하 였다. ESP-r은 EU에서자연형태양열시스템 해석을위한유럽내표준프로그램으로지정 된바있으며, BEST TEST를통해전세계 대표적시간별해석프로그램들과함께신뢰 성에대한세부적검증도입증되었다.[9] 특히수치해석적알고리즘을기반으로하 고있기때문에국내사무소및공동주택의 에너지해석용평가도구로가장적합한것으 로판단된다.[4] 첫째블라인드는 20mm~30mm 두께로설계 되었으며, 단열성능이우수한우레탄폼을사용 하였으며반사율, 흡수율, 방사율이다른기능 성도료가도포된외피로구성되어있다. 둘째, 태양광발전모듈 (PV Module) 은블라인드 의고정부에설치하였으며, 년간태양복사를가장 많이받을수있는각도를유지하도록하였다. 3.2 기상데이터 본연구에서는솔라윈도우시스템을주거용 건물에적용할경우에너지성능분석을위해 1999년부터 2008년까지 10년간대전기상데이 터를시뮬레이션을위한포맷(TMY) 로제작하 였다. 시간별표준기상자료를근거로월별통 계처리한결과는표 1 에나타내었다.[2] Journal of the Korean Solar Energy Society Vol. 30, No. 3, 2010 11
[ 논문] 표 1. 대전지역기상자료통계처리결과 HDD CDD 18 20 22 24 22 24 26 28 Jan 600.6 662.6 724.6 786.6 0 0 0 0 Feb 489.5 545.5 601.5 657.5 0 0 0 0 Mar 384.6 446.6 508.6 570.6 0 0 0 0 Apr 186.2 238 29.4 352.8 1.4 0.1 0 0 May 76.3 115.1 16.1 212.4 19 8.4 2.9 0.8 Jun 8.5 23.9 51.2 90.4 42.5 21.7 8.9 2.2 Jul 0.1 1.6 7 21 108.3 60.3 29.7 12.4 Aug 0.3 2.2 9.2 24.1 132.5 85.4 50.7 27.8 Sep 17.1 35.7 69.9 114.9 24.1 9.2 2.1 0.1 Oct 133.6 182.2 237.3 297 3 0.7 0 0 Nov 341.7 401.4 461.4 521.4 0 0 0 0 Dec 527.7 589.7 651.7 713.7 0 0 0 0 HDD 2766 3244 3777 4362 330.8 185.8 94.3 43.3 이중유리를분리또는조합하여분석한결과 이중투명유리의열관류율은 2.8W/ m2k, 솔라 윈도우단독의경우열관류율이 2.0W/ m2k으 로분석되었다. 이중유리와솔라윈도우를조 합할경우전체통합열관류율은 1.2W/ m2k 로감소하는것으로분석되었다. 3.3 솔라윈도우시스템의열성능평가 솔라윈도우의열관류율(U-value), 태양복 사취득계수(SHGC) 등열성능분석을위해 THERM6.0, WINDOW6.0 프로그램을이용 하였다. 시뮬레이션에사용된환경조건및 경계조건은표2, 표3 에나타내었다.[7][8] 그림 2. 솔라월시스템과일반이중유리조합의열성능분석결과 표 2. 시뮬레이션온도조건 겨울 여름 Out In Out In Lay1-14.4-13.8 37.8 38.1 Lay2 6 6.7 37 36.7 표 3. 환경조건(NFRC 100-2001) Tout( ) Tin( ) WndSpd(m/s) Solar(W/ m2) U-value -18 21 5.5 0 Solar 32 24 2.8 783 그림 3. 프레임을포함하지않은솔라윈도우시스템의통합열관류율분석결과 열관류율 (W/ m2k) 표 4. 일반복층유리의물리적특성값 차폐계수태양복사취득계수 (SC) (SHGC) Rel Ht. Gain (W/ m2) 가시광선투과율 2.8 0.808 0.7 532 0.785 표 5. 솔라윈도우시스템의물리적특성값 열관류율 (W/ m2k) 차폐계수 (SC) 태양복사취득계수 (SHGC) 가시광선투과율 (Tvis) 1.20 0.808 0.7 0.785 그림 4. 프레임이포함된솔라윈도우시스템의열관류율분석결과 솔라윈도우시스템과프레임이없는일반 표6과표7에나타난것은 THERM 에서분석 12 Vol. 30, No. 3, 2010
다기능복합솔라윈도우시스템의에너지성능평가 / 조일식외 된결과이다. 표에나타난것과같이알루미늄 프레임을적용한이중유리창과솔라윈도우시 스템을적용한창의경우단면온도분포를분석 한결과솔라윈도우시스템을적용한창의실내 표면온도가이중투명유리보다높게형성되고있 어단열효과가우수한것으로분석되었다. 도우를설치할경우통합열관류율도 상상승하는것으로분석되었다. 표 7. 솔라윈도우의단열성능평가결과 2배이 표 6. 일반창의단열성능평가결과 모델링 등온선분석결과 모델링 등온선분석결과 온도분포분석결과 Heat Flux 분석결과 온도분포분석결과 Heat Flux 분석결과 프레임을포함한창의경우이중유리와열교 차단알루미늄프레임의열관류율은 4.288W/ m2k이며 여기에솔라윈도우시스템을적용 할경우통합열관류율은 2.58W/ m2k로분석 되었다. 알루미늄프레임의경우이중유리보 다열적성능이우수하지않기때문에프레임 이없는이중유리보다열관류율이 1.6배이 상높은것으로분석되었다. 따라서솔라윈 3.4 공동주택의에너지성능분석 공동주택의유리종류별냉난방에너지성 능분석을위해시뮬레이션해석모델을선정 하였다. 해석모델의크기는 45평으로하였으 며, 1동의층수는 15 층으로하였다. 공동주택의냉난방에너지성능분석을위해 아래표와같이구조체부위별로입력하였으 며발코니의유무에따라외기에면하는발코 니창의내측에설치하여냉난방에너지소비량 을분석하였다. 시뮬레이션해석모델의부위별 열적특성, 내부발열조건및건축계획적특징 등은다음의표8, 표9, 표10 에나타내었다. Journal of the Korean Solar Energy Society Vol. 30, No. 3, 2010 13
[ 논문] (1) 시뮬레이션해석모델의에너지사용원단위 기준모델의냉난방에너지를분석한결과연 간난방에너지는 에너지는 740MWh(84.8kWh/ m2), 냉방 201MWh(23.0kWh/ m2) 를사용하는 것으로나타났다. 즉, 기준모델은연간냉난방 에너지로 941MWh(107.8kWh/ m2) 를사용하는 것으로분석되었다. 분석한결과는다음표에 나타내었다.[4][5] 표 11. 기준모델의냉난방에너지사용원단위 구성 외벽 그림 5. 시뮬레이션해석모델의입력형태 재료 두께 열전도율 (mm) (W/mK) 밀도 (kg/ m3) 비열 (J/kgK) 1 중량콘크리트 200 1.4 2100 653 2 단열재 60 0.04 12 840 3 공기층 50 - - - 4 하드보드 10 0.08 600 2000 열관류율 (W/ m2k) 0.494 내벽 1 벽돌 100 0.04 1500 650 2 합성보드 120 0.18 800 837 0.298 1 투명유리 6 창 2 공기층 5 2.90 3 투명유리 6 1 지붕펠트 12 0.19 960 837 최상층지붕 표 8. 공동주택의부위별열적특성 2 중량콘크리트 150 1.4 2100 653 3 단열재 60 0.04 12 840 4 공기층 50 - - - 5 플라스터 9.5 0.38 1120 840 0.280 표 9. 시뮬레이션해석모델의실내조건설정 Heating Energy (kwh/ m2) Cooling Energy (kwh/ m2) Total Energy (kwh/ m2) Jan 19.8 0.0 19.8 Feb 14.5 0.0 14.5 Mar 11.8 0.0 11.9 Apr 5.8 0.5 6.2 May 1.6 1.3 2.9 Jun 0.2 3.4 3.7 Jul 0.0 4.8 4.8 Aug 0.0 7.3 7.3 Sep 0.3 3.5 3.8 Oct 2.1 2.1 4.2 Nov 10.5 0.0 10.5 Dec 18.2 0.0 18.2 Annual 84.8 23.0 107.8 (2) 발코니의유무에따른 난방에너지성능분석 공동주택의냉 발코니확장형모델과비확장모델의외기에 면하는발코니창의내측에가동단열을설치 할경우에너지절감효과는그림 6 과같다. 실명 실내조건 인체발열 (W) 기기발열 (W/ m2) 현열잠열현열잠열 난방설정온도 ( ) 냉방설정온도 ( ) 거실( 침실) 120 80 2 1 24 26 부엌 30 20 2 1 24 26 기타 0 0 0 0 - - 표 10. 공동주택 1세대당건축계획적요소 창면적 ( m2 ) 벽면적 ( m2 ) 창+ 벽면적 ( m2 ) 창면적비 (%) 북쪽 13.2 21.9 35.1 37.6 동쪽 0 30.24 30.24 0 남쪽 16.3 18.8 35.1 46.4 서쪽 0 30.24 30.24 0 바닥 0 133.6 133.6 0 지붕 0 133.6 133.6 0 그림 솔 6. 라윈도우를설치한공동주택의냉난방에너지성능분석결과 14 Vol. 30, No. 3, 2010
다기능복합솔라윈도우시스템의에너지성능평가 / 조일식외 발코니비확장시솔라윈도우의설치결과냉 난방절감효과는거의없는것으로나타났다. 이러한이유는발코니가외기와실내공간을 직접면하게하지않는완충공간으로작용하 기때문에나타나는결과로분석되었다.[4] 분석결과발코니를확장할 발코니창의내 측에솔라윈도우를설치할경우발코니창이 직접외기와면하기때문에난방에너지는 5% ( 약 4.1kWh/ m2yr), 냉방에너지는 11.8%( 약 4.2kWh/ m2yr) 났다. 절감효과가있는것으로나타 스템으로본연구에서는단열효과에대한에 너지성능분석결과를제시하였으며추후솔 라윈도우시스템에적용된태양열및태양광 발전시스템과채광성능분석결과를제시할 예정이다. 후 기 본연구는한국과학재단기초연구사업일반 연구자지원사업 / 기본연구지원사업의연구비지 원으로수행되었음 ( 과제번호 : 2009-0075779) 4. 결 론 참고문헌 솔라윈도우시스템을알루미늄프레임이 중유리에적용할경우예상되는단열성능과 공동주택에적용할경우예상되는에너지절 감량을분석한결과는다음과같다. (1) 솔라윈도우의설치에따른열성능분석결 과일반창의열관류율이 윈도우단독열관류율은 2.9W/ m2k, 2.0W/ m2k, 솔라 일반 창과솔라윈도우동시에설치할경우열 관류율은 1.2W/ m2k로감소하는것으로 분석되었다. 이값은솔라윈도우의재료 와두께에의해변화할수있다. (2) 알루미늄프레임의경우이중유리보다열 적성능이우수하지않기때문에프레임이 없는이중유리보다열관류율이 1.6배이상 높은것으로분석되었다. 따라서솔라윈도 우를설치한통합열관류율도 승하는것으로분석되었다. 2배이상상 (3) 발코니가확장된공동주택에솔라윈도우시 스템을설치한결과주간의일사차단및 야간단열효과에의해 5% ~11.8% 의냉난 방에너지절감효과가있는것으로분석되 었다. 솔라윈도우시스템은채광, 야간단열, 태양 광, 태양열시스템을복합적으로적용한시 1. 전봉구, 이명호, 이언구 실험모델에의한 자연형태양열시스템야간단열구조의 열성능에관한연구, 집,v.7, n.2, 1991. 4 대한건축학회논문 2. 김병수, 그린홈에적용된지열원히트펌 프시스템의에너지성능분석, 대한건축 학회계획계논문집,v.25, n.09, 2009.9 3. 나기도, 이보람, 이철성, 진경일, 윤종호 가동형 열반사단열재가공동주택의냉난방부하 에미치는영향분석, 한국건축환경설비 학회논문집,v.2,n.4, 2008.12 4. 윤종호, 김병수, 공동주택발코니창에설 치된가동단열시스템의열성능평가 한국태 양에너지학회논문집, Vol.28, no.5, 2008.10 5. 윤종호, 김병수, 공동주택의에너지자립 을위한핵심요소기술의에너지성능평가,, Vol.27, no.3, 2007.09. 6. Andreas Fieber "Building Integration of Solar Energy" Report No EBD_T_05/3, ISSN1651-8135, 2005. 7. Therm v5.2 Manual, LBL, 2006.7 8. Window v5.2 Manual, LBL, 2006.7 9. Esp-r cookbook, University of Strathclyde, Glasgow, UK. 2009.1 Journal of the Korean Solar Energy Society Vol. 30, No. 3, 2010 15