Journal of KIAEBS Vol.12, No.6, December pp. 531-542 RESEARCH ARTICLE 블라인드도입과창면적비에따른표준건축물의에너지수요저감에대한시뮬레이션연구 강석민 1 ㆍ이태규 2 ㆍ김정욱 3* 1 솜피한국지사 2 상명대학교일반대학원에너지그리드학과 3 상명대학교전기전자컴퓨터학부전기공학과 A Study on Simulation for Decreasing Energy Demand According to Window-to-Wall Ratio and Installation Blind System in Building Kang, Suk-Min 1 ㆍ Lee, Tae-Kyu 2 ㆍ Kim, Jeong-Uk 3* 1 Somfy Korea, Pangyo, Korea 2 Department of Energy-Grid, Graduate School, Sangmyung University, Seoul, Korea 3 Department of Electrical Engineering, Sangmyung University, Seoul, Korea *Corresponding author: Kim, Jeong-Uk, Tel: +82-2-781-7602, E-mail: jukim@smu.ac.kr ABSTRACT OPEN ACCESS Journal of KIAEBS 2018 December, 12(6): 531-542 https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20180044 pissn : 1976-6483 eissn : 2586-0666 Received: June 29, 2018 Revised: November 15, 2018 Accepted: November 21, 2018 C 2018 Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Building energy demands have highly risen in modern society; thus, It is necessary to reduce building energy demands especially commercial buildings adopting a curtain wall architecture. Curtain wall architectures have a high ratio of windows which is a vulnerable in heat insulations as cladding. In order to complement insulation performance of windows in these buildings, there are various methods adopted often such as installing blinds, wing wall and films. There are two suggestions of this paper. 1) WWR (Window-to-Wall Ratio) makes a impaction of energy demands in buildings. 2) Another one is an efficiency of blind systems which are installed in buildings in order to reduce cooling demands. It is also critical to make fundamental model for low-energy building construction by processing a lot of simulation As a result by this study, 1) an external blind system is more useful for reducing cooling energy demands rather than an internal blind system. 2) Buildings which have a large window require more amount of cooling demands. In case of WWR 45%, it needs more cooling energy rather than WWR 15% model s 3) Adopting blind system would reduce energy demands. WWR 45% model with external blind systems reduces about 4% of cooling energy demands compared to same model without any blind systems.4) it is necessary to study an efficiency of blind systems combined with renewable energy and it will be possible to reduce more energy demand in building significantly. 주요어 : 창면적비, 외부블라인드, 내부블라인드, 에너지수요저감, 트랜시스, 에너지시뮬레이션 Keywords: Window-to-Wall Ratio, Exterior Blind, Interior Blind, Energy-Demand Reduction, TRNSYS, Energy Simulation Journal of KIAEBS Vol. 12, No. 6, 2018 531
서론 건축물설계시외장재의단열성능은중요하게고려되는요소이다. 고단열외장재를사용함으로써여름과겨울에건물에서소비되는냉난방에너지의절감효과를가져올수있다. 외장재는일반적으로창과벽체로구성되며현재국내상업용건축물은커튼월 (Curtain Wall) 건축양식을채택하는추세이다. 커튼월은커튼과벽체가혼합된용어로건축물의하중과는무관한비내력형외장재이며창호의비율이높아창면적비 (Window-to-Wall Ratio) 가다른건축양식에비해높은것이특징적이다.( 노상태외, 2007) 커튼월건축물은수려한미관을가지며풍우, 소음등을차단하는데유리한형태이다. 반면, 넓고긴창으로구성된커튼월건축물은외기의영향에민감하고단열에취약한구조이다. 특히, 태양직사광선에의한재실자의불쾌감을조성하며또한, 여름철태양일사의유입이많아냉방에너지수요증가로인하여정량적인에너지수요량이크다. 블라인드시스템은이러한단점을보완하는방안중하나로태양의직사광선을차단하여재실자의불쾌현휘를줄이는데효과가있으며, 창호의열교환에따른건축물의과다한에너지소비를저지할수있다. 따라서창면적비가높은커튼월건축물의보급이확산됨에따라다양한블라인드시스템을적용하여건축물에너지성능을높이고에너지수요저감을최대화할수있는최적의모델이필요하다. 선행연구고찰장철용외 (2010) 는창면적비와창의유리차폐계수조건을고려하여건축물에너지변화를분석하였으며창면적비계획과차폐계수는건물에너지효율등급제도상난방에유리하도록적용되어있어냉방을고려한창면적비계획도필요할것이라고제시하였으며, 권혁주외 (2017) 는사무용건축물에서의블라인드최적제어를위해향별슬랫의반사율, 각도, 및실내조명제어를고려하였으며일사수열및여러조건별건물부하저감모델을분석하였다. 정유근 (2013) 은사무소건축물에블라인드를설치함으로실내유입주광의감소로인해조명부하가줄어들고그감소폭은블라인드슬랫각도가 45 일때가장큰실험결과를보였으며조명제어를함께고려하여하절기에너지성능이가장좋은모델을도출하였다. 정우람외 (2012) 는사무용건물에실내롤블라인드를설치할경우롤블라인드의반사율에따른재실자의온열환경을분석하였으며반사율이높은롤블라인드의경우하절기온열환경에유리하다는결론을내렸다. 윤여범외 (2013) 는빌딩에설치된외부블라인드가내부블라인드에비해약 20% 더하절기냉난방부하절감에효과가있다고하였으며, 블라인드자동제어시내 외부블라인드모두냉방부하가약 10% 내외로더감소하는것을입증하였다. 또한, 이준기외 (2015) 는 3가지유형의발코니에내 외부블라인드를설치하였을경우외부블라인드가건축물에너지부하량저감에효과적이라고연구하였다. 기존의연구들은창면적비, 차폐계수, 블라인드설치, 블라인드의슬랫각도등을건축물에너지의부하를감소시키기위한중요요소로고려하고있으며더불어각각의다양한방안들을제시하고있다. 하지만아직까지이러한파라미터들을다수의모델로조합하여제시하는방안들은부재하다는한계점이있다. 532 Journal of KIAEBS Vol. 12, No. 6, 2018
연구방법선행연구를참조하여본논문에서는다양한파라미터조합으로시뮬레이션모델을생성하였다. 본연구에서는지역에따른건축물의에너지수요및창면적비에따른건축물의에너지수요를바탕으로대상건축물의에너지수요베이스케이스를구축하고블라인드의종류별적용에따른최적의에너지수요저감모델을제시하고자한다. 연구의방법은다음 Figure 1과같은흐름을갖는다. Figure 1. Flow diagram 이론고찰창면적비 (WWR) 창면적비는건축물전체외피면적에대한창의면적비율을뜻하며외기온도에따른건축물의열교환과직접적인관련이있다. 건축물의창은유리로제작되어외장재의면적대비비율이높을수록단열에불리하고겨울철내부열손실을초래한다. 또한, 태양일사에따른내부의가열된공기와내부재실자및가전기기의발열이혼합되어실내온도를상승시키고여름철불필요한냉방에너지수요를증가시킨다. 블라인드시스템블라인드시스템은최근건축물의에너지성능향상을위해중요한패시브요소중하나이며블라인드는태양의일사에의한실내외열교환을차단하는기능을한다. 블라인드의성능은설치한위치나제작시사용된재료의재질, 색상등에따라다르다. 국내에서는일반적으로 Roll 블라인드, Venetian 블라인드를주로사용하며에너지절감을위한방안으로크게대두되고있다. 블라인드는설치위치에따라두가지로구분할수있다. 먼저, 실내에서창호의바로후단에설치되는내부블라인드는외부에서유입되는직사광을적절히차단하여재실자의불쾌현휘를방지한다. 하지만창을통한외부와의열교환을차단하기힘든단점이있다. 내부블라인드는 Journal of KIAEBS Vol. 12, No. 6, 2018 533
태양의일사에너지를흡수하고열로방출하여실내공기가가열되고결국냉방부하를증가시키는원인이된다. 건축물외부창호앞단에설치되는외부블라인드의경우태양일사를건축물창호면에도달하기전에직접차단할수있고태양일사에의한열을흡수하고방출하더라도실외에서방출되어실제로실내로유입되는열의양이상대적으로적다는장점이있다. 에너지시뮬레이션 건물모델국내에서는표준건축물에대한연구가한국건축기술연구원등에서지속적으로행해지고있으나국내표준으로인정받는모델이부재하다. 반면, 미국의에너지부 (Department of Energy) 는주거용표준건물과상업용표준건물을 3D 모델로제공하고있다. 본연구에서는미국에너지부에서선행연구한표준건물모델을바탕으로시뮬레이션을수행하고자한다. 미국에너지부의상업용표준건물은총 16가지로분류되어있고본연구에서활용한모델은 Medium Office Building이다. Medium Office Building은 5층높이의사무용건축물로그형태는국내의사무용건물과유사하며이는 Figure 2와같다. 시뮬레이션의대상건축물은국내사무용건축물임을고려하여아래 Table 1의환경을가지며지역에따른뚜렷한에너지성능비교를위해건축물의위치는중부지방인서울특별시와남부지방인부산광역시두곳으로선정하였다. Figure 2. DOE Medium office building model Table 1. Building environment Category Medium Office Building Location Seoul, KR / Busan, KR Building scale 49.91 m [W] 33.27 m [D] 19.81 m [H] Building composition 25 Zones Operating hour 9am ~ 6pm (5 days on a week) Orientation Full south aspect Environment Heating : 20 Cooling : 26 Ventilation : 0.3 N (1/h) 534 Journal of KIAEBS Vol. 12, No. 6, 2018
아래 Table 2의건축물모델들은 Figure 1의표준건축물의 WWR을각각 15%, 30%, 45% 로증감한것으로 Google Sketch-Up으로모델링하였다. Table 2. Simulation models WWR [%] Simulation model 15 30 45 블라인드모델블라인드시스템의설치종류별건축물에너지수요저감에대한효용성을비교하기위해 Table 3의창호모델에외부블라인드와내부블라인드를채택하였다. 블라인드모델은유럽의 ES-SO (European Solar-Shading Organization) 에서 Generic 블라인드로인증한타입으로선정하였으며국내사무용건축물에서가장일반적으로사용되는 Roll 블라인드모델과 Venetian 블라인드모델을시뮬레이션에활용하였다. Figure 3은선정한블라인드모델의형태를보여주는그림이며창호에유리에대한물성값은 Table 3에정리하였다. Roll 블라인드시스템의경우태양일사유입을차단하기위해천재질의암막을위또는아래로조정하는간단한원리이지만 Venetian 블라인드시스템은위또는아래로의슬랫높이조절뿐만아니라슬랫의각도에따른태양일사유입도또한고려하여야하므로블라인드의각각의물성값들은 Table 4와같이세가지의각도로나누어표기하였다. (a) Exterior Roll blind (b) Interior Roll blind (c) Exterior Venetian blind (d) Interior Venetian blind Figure 3. Feature of blinds Journal of KIAEBS Vol. 12, No. 6, 2018 535
Table 3. Properties of windows Category SG_COOL-LITE_KNT164_57/46_#2_Ar90 Glass Design 6 [mm] Pane + 16 [mm] Air Gap + 4 [mm] Pane U-Value 1.5 [W/m2K] SHGC 1) 0.46 1) SHGC : Solar Heat Gain Coefficient Table 4. Blind information Category Solar heat gain coefficient (g) Exterior Roll blind Interior Roll blind Exterior Venetian blind Interior Venetian blind Slat angle [ ] Slat angle [ ] 0 30 60 0 30 60 0.065 0.337 0.489 0.269 0.098 0.478 0.421 0.366 Solar transmittance (t) 0.019 0.024 0.393 0.211 0.064 0.393 0.202 0.054 U-value 1.263 1.347 1.412 1.396 1.358 1.499 1.489 1.462 Type Generic shade Generic shade Generic shade Generic shade 블라인드제어건축물의창호를통해유입되는일사량은계절에따른태양의남중고도변화로시간별, 방위별로다르게측정된다. 태양남중고도는여름철에높고겨울철에낮다. 그에따른태양의일사는시간대별로해가뜨기시작한시점부터오전까지동쪽면의유입량이많고해가저무는시점에서는서쪽면의유입량이많다. 여름철에는태양남중고도의영향으로태양일사의유입시간이길고재실자에게눈부심등의활동제약을주기때문에재실자가느끼는불쾌현휘를최소로하는방향으로블라인드를제어할필요성이있고냉방에너지수요감축의측면에서불필요한일사의유입을차단하도록제어하여야한다. 본논문에서는위에서언급한사항을고려하여블라인드를시간에따른스케쥴제어로운영하고자한다. 국내사무용건축물의운영시간인 Figure 4와같이오전 8시부터오후 6시까지태양의남중고도를고려한방위별개별제어를적용하기위하여 Roll 블라인드모델은 Table 5의 UP/DN 제어를도입하고 Venetian 블라인드모델의경우 Table 6과같이슬랫의각도를제어하여일사유입을최소화하는방향으로 TRNSYS 시뮬레이션에적용하였다. Figure 4. Weekly time Schedule 536 Journal of KIAEBS Vol. 12, No. 6, 2018
Table 5. Roll Blind control Time Eastern Southern Western 8am ~ 11am DN UP UP 11am ~ 2pm UP DN UP 2pm ~ 5pm UP UP DN UP : Open position DN : Close position Table 6. Venetian Blind control Time Blind Slat Angle Eastern Southern Western 8am ~ 11am 60 30 0 11am ~ 2pm 30 60 30 2pm ~ 5pm 0 30 60 시뮬레이션결과 지역별창면적비에따른월별수요량분석 TRNSYS를활용하여각건축물모델에대한하절기에너지수요시뮬레이션을통해지역별건축물의여름철냉방에너지수요량을취득하였다. 그결과는 Table 7과같다. WWR에따른에너지수요는정량적으로 WWR 15% 의모델에서가장적었고 WWR이높을수록수요증가폭이크게나타났다. Figure 5 (a), (b), (c) 는서울특별시, 부산광역시의창면적비에따른월별에너지수요변화를나타낸그래프이며두지역모두창면적비가증가함에따라약 3% 의수요증가율을보였다. (a) WWR 15% (b) WWR 30% (c) WWR 45% Figure 5. Building energy demand without blind systems during summer period Journal of KIAEBS Vol. 12, No. 6, 2018 537
Table 7. Cooling demand by non-blind installation Demand [kwh] Demand [kwh] Demand [kwh] Seoul Busan Seoul Busan Seoul Busan June 123,238 125,154 127,250 127,583 130,858 129,504 July 255,256 266,206 260,939 272,148 266,565 277,879 August 271,583 311,700 278,462 319,456 285,748 327,106 September 120,129 181,770 124,239 187,654 128,002 192,810 Total 770,206 884,830 790,890 906,841 811,173 927,299 블라인드시스템효과분석블라인드시스템적용에따른에너지수요시뮬레이션결과는블라인드종류별로각각아래 Table 8 ~ 15에정리하였다. 결과적으로, 서울특별시, 부산광역시두지역모두블라인드시스템을도입함에따라 Table 7의기준수요량대비하절기전반적으로하절기에너지수요의저감효과가나타났다. 에너지수요의저감량을비교할때서울특별시에비해부산광역시가상대적으로높았으며기온이높은남부지방에서블라인드의도입이상대적으로유리하다고할수있다. Table 8. Cooling demand by Interior Roll blind installation in Seoul Interior Roll Blind [kwh] June 122,811 125,973 129,313 July 254,647 259,327 264,364 August 270,816 276,356 282,457 September 119,516 122,756 126,090 Total 767,790 784,412 802,224 Table 9. Cooling demand by Interior Venetian blind installation in Seoul Interior Venetian Blind [kwh] June 122,930 126,452 130,207 July 254,750 259,897 265,570 August 271,055 277,029 284,237 September 119,699 123,226 127,118 Total 768,434 786,604 807,132 Table 10. Cooling demand by external Roll blind installation in Seoul External Roll Blind [kwh] June 121,793 123,294 125,054 July 253,443 255,952 259,010 August 269,332 272,224 275,926 September 118,362 119,705 121,383 Total 762,930 771,175 781,373 538 Journal of KIAEBS Vol. 12, No. 6, 2018
Table 11. Cooling demand by external Venetian blind installation in Seoul External Venetian Blind [kwh] June 121,929 123,584 126,064 July 253,648 256,446 260,430 August 269,547 272,833 277,496 September 118,457 119,960 122,295 Total 763,581 772,823 786,285 Table 12. Cooling demand by Interior Roll blind installation in Busan Interior Roll Blind [kwh] June 124,918 126,907 128,779 July 265,516 270,252 275,469 August 310,348 316,765 323,390 September 180,839 185,554 190,227 Total 881,621 899,478 917,865 Table 13. Cooling demand by Interior Venetian blind installation in Busan Interior Venetian Blind [kwh] June 125,007 127,110 129,265 July 265,687 270,911 276,710 August 310,786 317,843 325,296 September 181,059 188,264 191,649 Total 882,539 904,128 922,920 Table 14. Cooling demand by external Roll blind installation in Busan External Roll Blind [kwh] June 124,153 125,168 126,169 July 264,273 266,525 269,553 August 308,238 311,724 315,362 September 179,233 181,147 183,864 Total 875,897 884,564 894,948 Table 15. Cooling demand by external Venetian blind installation in Busan External Venetian Blind [kwh] June 124,227 125,313 126,793 July 264,433 267,033 271,242 August 308,471 312,336 317,468 September 179,395 181,652 185,086 Total 876,526 886,334 900,589 다만, 내부블라인드시스템의경우하절기 1% 내외의냉방에너지가저감되는것으로나타났으며실질적인에너지수요저감효과는미미하였다. 외부블라인드시스템도입시에는최대약 4% 의저감율을보여에너지측면에서내부블라인드보다우수한면을보여주었다. Journal of KIAEBS Vol. 12, No. 6, 2018 539
아래 Table 16, 17은하절기에너지수요에대한블라인드시스템에따른저감율을나타낸표이다. Table 16. Percentage of cooling energy reduction by interior blind Percentage of cooling energy reduction [%] Category WWR WWR WWR 15% 30% 45% Roll Venetian Roll Venetian Roll Venetian Seoul 0.31 0.23 0.82 0.54 1.10 0.50 Busan 0.36 0.26 0.81 0.30 1.02 0.47 Table 17. Percentage of cooling energy reduction by external blind Percentage of cooling energy reduction [%] WWR WWR WWR 15% 30% 45% Roll Venetian Roll Venetian Roll Venetian Seoul 0.94 0.86 2.49 2.28 3.67 3.07 Busan 1.01 0.94 2.46 2.26 3.49 2.88 블라인드시스템도입은건축물의 WWR에따라서도다른효과를보였다. 전반적으로 WWR이높을수록효과적이었으며대표적으로 WWR 45% 모델은저감율이 WWR 15% 모델대비약 3 ~ 4배높은수준임을보여준다. (a) (b) Figure 6. Reduction ratio of monthly energy demand during summer period 540 Journal of KIAEBS Vol. 12, No. 6, 2018
블라인드의종류에따른에너지수요저감은 Figure 6에서보는바와같이내부블라인드시스템에비해외부블라인드시스템의효과가확연하였다. 또한, 에너지수요측면에서볼때사용비중이가장높은 Venetian 블라인드보다 Roll 블라인드가수요저감에더효과적이었으며이는두블라인드시스템의제어방법의차이와 Venetian 블라인드의슬랫에의한반사로인한결과로사료된다. 종합적으로서울특별시와부산광역시모두건축물의 WWR이높을수록에너지수요가크게증가하였으며따라서, WWR이높은건축물은에너지관리에불리점이분명히존재한다고할수있다. 그에따른방안으로블라인드시스템을도입하여에너지수요를효과적으로저감할수있으며블라인드의설치종류에따라내부블라인드시스템보다는외부블라인드시스템을도입하는것이냉방에너지저감에더욱효과적인것을알수있다. 즉, 건축물의냉방에너지수요저감을위한방안으로외부블라인드시스템을적극적으로고려할필요가있고 WWR이높은커튼월건축물일수록더큰필요성을갖게된다. 결론 서울특별시와부산광역시두지역의건축물의창면적비 (WWR) 에따른내 외부블라인드도입에따른하절기에너지수요저감효과는다음과같았다. (1) WWR 15% 모델의경우블라인드를설치하지않았을때의냉방에너지수요를기준으로내부블라인드의경우 0.3% 내외, 외부블라인드의경우최대약 4% 의수요저감효과를확인할수있었다. (2) WWR 30% 모델은내부블라인드설치시 0.7% 내외, 외부블라인드의경우 2% 로나타났고 WWR 45% 의모델은각각 1%, 3.5% 의냉방에너지평균수요저감효과를확인할수있었다. (3) 즉, 외부블라인드가내부블라인드에비하여냉방에너지수요저감에효과적임을알수있었다. (4) 또한 WWR이클수록블라인드시스템의수요저감효과는더욱좋았고, 특히외부블라인드시스템이저에너지건축물설계를위한방안으로유리하였다. (5) 수요저감측면에서볼때 WWR 45% 모델에외부블라인드시스템을도입할때가장효과적이다. (6) 지역별로는중부지방인서울특별시보다남부지방인부산광역시의수요저감량이많았다. (7) 블라인드종류별에너지저감효과는외부 Roll 블라인드시스템이가장우수했다. 본연구에서는지역별사무용건축물의 WWR의조정과블라인드시스템도입에따른최적수요저감모델을제시하고자하였고결과적으로약 4% 수준의하절기에너지수요저감모델을제시할수있었다. 건축물의창면적비와블라인드의종류별설치에따른에너지수요저감에대한시뮬레이션에서사용한블라인드모델의성능은실재하는제품의성능에비해낮기때문에절감량은크지않았다. 실제로상업용건축물에적용하는고성능블라인드제품은본시뮬레이션보다더큰절감량을기대할수있을것으로사료된다. 다만, 본연구는블라인드 Journal of KIAEBS Vol. 12, No. 6, 2018 541
제품의성능향상과고단열, 고효율의제품개발의필요성을환기시킬수있는자료가될것이며더나아가지역, 블라인드종류, 제어법에대한더많은모델을통해에너지수요비교분석이필요할것으로사료된다. 향후고성능블라인드에대한에너지절감시뮬레이션과추가로태양광발전시스템, 지열등의재생에너지를활용한액티브요소와의결합모델의상호관계및최적저에너지건축물에대한연구를수행할예정이다. 후기 이논문은 2018년정부 ( 산업통상자원부 ) 의재원으로한국에너지기술평가원의지원을받아수행된연구임 (No. 20164030300230). References 1. 권혁주, 이금호, 이광호. (2017). 건물에너지저감을위한향별슬랫형블라인드의최적각도제어알고리즘산출. 한국생태환경건축학회논문집, 17(3), 99-106. 2. 노상태, 김강수, 정진세. (2007). 초고층커튼월외피열성능해석프로그램개발에관한연구. 설비공학논문집, 19(1), 10-18. 3. 윤여범, 김동수, 박장우, 이광호. (2013). 내 외부블라인드운영방법과창호성능에따른건물에너지성능평가연구. 대한건축학회논문집 - 계획계, 29(7), 309-316. 4. 이준기, 이갑택, 이경희. (2015). 발코니유형및블라인드설치유무에따른에너지부하량비교. 한국동력기계공학회지, 19(3), 63-68. 5. 장철용, 한혜심, 이진숙. (2010). 차폐계수와창면적비에따른공동주택의건물에너지효율등급평가, 한국태양에너지학회논문집, 30(5), 38-43 6. 정유근. (2013). 블라인드를고려한여름철소규모사무소건물의냉방및조명에너지평가. 한국생태환경건축학회논문집, 13(1), 39-45. 7. 정우람, 오명환, 이광호, 윤종호. (2012). 사무소건물의실내롤블라인드설치에따른하절기온열환경평가. 한국건축친환경설비학회학술발표대회논문집, 66-69. 542 Journal of KIAEBS Vol. 12, No. 6, 2018