1.1 연구배경 및 목적

대한민국 연간 총에너지 소비량의 약 24% 이상이 건물 부문에서 발생했으며⁽¹⁾ 주거환경 및 국민생활 수준이 향상됨에 따라 건물에너지 소비는 지속적으로 증가하고 있다. 이에, 건물에너지 저감에 대한 필요성이 증대되고 있으며 정부에서는 건물에너지 소비 저감을 위한 다양한 국가 로드맵을 시행하는 등 다양한 노력을 기울이고 있다. 특히 건물에너지 소비에 영향을 주는 여러 요인 중, 창호의 경우 열적으로 가장 취약하기 때문에 창호를 통한 건물에너지 부하 변화가 매우 크다. 따라서 건물에너지 부하를 최소화하기 위한 적절한 차양 장치의 필요성이 제시된다.

일반적으로 차양 장치는 내부차양과 외부차양으로 구분되며 각 타입에 따라 건물에너지 부하에 미치는 영향은 모두 다르다. 그 중, 외부차양의 경우 일사의 사전 차단이 가능하기 때문에 내부차양 대비 건물에너지 부하 변동에 미치는 영향을 최소화할 수 있다. 통상적으로 외부 차양 장치는 일조 및 일사 제어를 통해 태양 복사 에너지에 의한 영향을 최소화하기 위해 사용된다. 그러나 차양 장치의 운용은 복사뿐만 아니라 전도, 대류 열전달에도 영향을 주게 된다. 따라서 전도, 대류, 그리고 복사 열전달을 포함하여 통합적으로 분석하는 것이 건물에너지 및 부하 변동 분석에 도움이 될 것으로 판단된다. 그러나 기존 연구에서는 열전달의 3개 성분을 각각 분석한 연구는 전무하였다. 이에 본 연구에서는 전도, 대류, 그리고 복사 열전달을 각각 분석하여 창 부위의 통합 열전달 분석을 수행하는 것에 그 목적을 둔다.

1.2 연구 방법 및 범위

본 연구에서는 대전에 위치한 가상 건물에서의 외부차양 장치 적용에 따른 창호 부위 열전달 해석을 실시하였다. 이를 위해 건물에너지 시뮬레이션 툴인 EnergyPlus Ver.8.5⁽²⁾를 활용하였으며 기상데이터는 ASHRAE에서 제공하는 IWEC2(International Weather Files for Energy Calculation 2.0)⁽³⁾ 대전지역 기상데이터를 사용하였다. 외부차양 장치는 두 가지 타입(Roller Type, Venetian Type)으로 한정하였으며 입력 변수 및 물성치는 동일하게 설정하였다. Venetian Type의 경우 Roller Type과 다르게 Slat Angle의 조절이 가능하기 때문에 두 가지 Slat Angle Case(0°, 45°)에 대한 분석을 실시하였다. 분석은 연중 가장 청명한 날을 대상 기간으로 선정하여 진행하였다. Fig. 1은 본 연구의 전체적인 흐름을 나타낸다.

2.1 차양 관련 법규

Fig. 1 Overall research flow diagram.

국내 정부는 건축물 에너지 효율 등급 인증제, 제로에너지건축물 인증제, 그리고 그린 리모델링 등의 관련 사업을 통해 건물에너지의 효율적 관리를 도모하고 있다.⁽⁴⁾ 녹색건축물 조성 지원법에 따르면 2015년부터 연면적 3,000 m² 이상의 외벽이 유리로 된 공공건물은 일사조절 및 차양 장치의 설치가 의무화 되었으며 외벽에 창을 설치하거나 유리로 마감하는 건축 및 리모델링의 경우 또한 차양 장치를 의무 설치하도록 고시되어 있다. 특히, 건축물 에너지절약 설계 기준에 따르면 에너지성능지표(Energy Performance Index, EPI)에도 냉방부하 저감을 위한 차양 장치 설치 항목이 별도로 고시되어 있으며 차양 장치의 설치 비율에 따라 배점을 부여하고 있다.⁽⁵⁾

대부분의 선진국에서는 1980년대부터 냉방부하 저감을 위한 다양한 설계 기준을 정립해오고 있다. 특히, 프랑스, 이탈리아, 그리고 스위스는 냉방 시스템이 있는 경우, 21% 이상의 일사차단장치를 의무 설치하도록 규정하고 있다.⁽⁶⁾ 또한 ISO 13790, ASHRAE Standard 90.1, EN 13363, 그리고 CIBSE TM 37 등의 표준 가이드 라인에 따르면 차양 장치의 설치 위치 및 구조 계획 등에 따라 일사 차단율 및 SHGC(Solar Heat Gain Coefficient) 등의 설계 기준을 정립하도록 고시되어 있다.⁽⁶⁾ 이처럼 건물에너지 저감을 위한 차양 장치에 대한 관련 법규 및 정책이 범국가적으로 시행되고 있으며 중요성은 지속적으로 증가하고 있다.

2.2 선행연구

본 연구에서는 창호 부위의 열전달 해석을 위한 선행 연구를 진행하였고 검토한 결과는 다음과 같다.

Collins and Harrison⁽⁷⁾은 Venetian 블라인드에 흡수되는 일사량이 실내 열전달 현상에 미치는 영향을 시뮬레이션과 실험을 통해 확인하였으며 블라인드의 슬랫 각도, 내․외부 온도차, 흡수 일사량, 그리고 대류 열전달 계수의 영향도 조사를 통해 분석하였다. 블라인드에 흡수되는 일사량과 내․외부 온도 차이의 상승이 실내 열전달에 큰 영향을 미치지 않는 것을 확인하였다.

Fang⁽⁸⁾은 다양한 창호 유형을 가진 Venetian 블라인드의 반사율에 따른 열관류율 계산 알고리즘을 제안하였다. 반사율이 0.93에서 0.1로 감소하였을 때 단일 창호 열관류율은 28%, 이중 창호 열관류율은 20% 증가함을 확인하였다. 그리고 슬랫 각도가 5°에서 30°로 증가하였을 때 단일 창호 열 손실은 25%, 이중 창호 열 손실은 10% 증가함을 밝혔다.

Collins et al.⁽⁹⁾은 측정 블라인드 슬랫 온도와 예측 블라인드 슬랫 온도의 비교 실험을 통해 평균 대류 열전달 계수를 검증하였다. 분석 결과, 차양 장치가 있는 경우 주위 온도보다 표면온도가 상승하는 것을 확인하였으며 차양 장치의 이격 거리에 따른 대류 및 복사 열전달의 영향 차이는 비교적 미소한 것으로 확인하였다.

Hwang and Lee⁽¹⁰⁾는 확장형 발코니와 기존 발코니에서 블라인드 설치 위치에 따른 실내 열환경 변화에 관한 연구를 진행하였다. 그 결과, 확장형 발코니에서 내부 블라인드보다 외부 블라인드가 열적 측면에서 유리한 것으로 나타났다. 또한, 기존 발코니에서는 발코니 창호에 블라인드를 설치하는 것보다 거실 창호에 설치하는 것이 열적 측면에서 유리한 결과를 보여 주었다.

이처럼 기존 연구에서는 차양 장치에 따른 실내 열적 현상을 분석하거나 단순히 공간에서의 열 손실과 취득에 대한 연구가 대부분이었다. 비록 차양 장치의 표면 온도를 대상으로 한 연구가 존재하였지만, 창호 부위에서의 발생하는 열전달 성분(전도, 대류, 그리고 복사)에 따른 열적 특성 변화 분석은 진행되지 않았다. 이에, 본 연구에서는 외부차양 설치로 인해 발생하는 창호 부위의 열전달 성분별 영향 분석을 실시하였고, 이를 통해 차양장치의 열적 거동 특성을 평가하고자 하였다.

3.1 건물 모델링

본 연구에 활용한 건물 모델은 IECC⁽¹¹⁾ 주거용 건물 기준을 만족하도록 모델링 되었다. 건물 체적은 15.2 m× 15.2 m×2.4 m(555 m3)의 크기로 남향이며 총 4개의 Perimeter Zone들과 1개의 Core Zone으로 구성된다. 창호는 남향 존에 6 mm 단일 창호로 구성하였으며 면적은 9 m²로 WWR(Window to Wall Ratio)은 24.67%이다.

공조 시스템은 EnergyPlus의 IdealLoadsAirSystem을 사용하였다. 실내 설정온도는 냉방 26℃, 난방 20℃로 설정하였고 주간 07:00~18:00 동안 공조 시스템을 가동한다. Fig. 2는 대상 건물 모델의 개념도를 보여주며 Table 1과 Table 2는 각각 건물과 창의 기본 입력 값을 나타낸다.

Fig. 2 3D view of the simulation building modeling.

3.2 차양장치 모델링

본 연구에서 제안한 외부차양 장치는 Roller Type, Venetian Type(0°), Venetian Type(45°)으로 각 타입의 개념도는 Fig. 3과 같다. 외부차양은 남향 존 외부벽에 위치한 6 mm 단일 창호를 기준으로 외부 측에 설치하였으며 작동은 창호로 들어오는 일사 세기에 따라 작동되도록 하였다. 작동되는 일사 기준값은 ISO 13790에서 제안된 기준값(333 W/m²)⁽¹²⁾으로 설정하였으며, Table 3은 본 연구에서 설정한 외부차양 장치의 입력 변수와 물성치를 나타낸다.

4.1 열전달 해석

열전달은 온도 구배에 의한 열에너지 이동 현상이며 전도, 대류, 그리고 복사 세 가지 방식으로 이루어진다. 본 연구에서는 창호 부위 열전달 해석을 위해 세 가지 방식에 대한 개별 및 통합 열전달 분석을 실시하였다. 분석은 차양 장치가 없는 Basecase와 제안된 외부차양 Type별(Roller Type, Venetian Type(0°), 그리고 Venetian Type(45°)) 열전달을 비교하였으며 연중 가장 청명한 날(5월 2일)을 선정하여 진행하였다. 차양 장치는 제 3.1절에서 언급된 일사 기준값(333 W/m²)을 초과하면 작동한다. Fig. 4는 창호 부위에서 발생하는 전도, 대류, 그리고 복사 열전달 개념도를 보여준다. 본 연구는 Fig. 4에서 파선으로 표시된 검사체적(Control Volume)을 대상으로 열전달 분석을 실시하였다.

Fig. 3 Schematic diagram of the external shading device.

Fig. 4 Diagram of heat transfer through window glazing.

4.2 복사 열전달 분석

본 연구에서 이용한 EnergyPlus 시뮬레이션은 매시간 10분 간격으로 총 6번 계산을 수행하게 처리하였으며, 6번 수행된 계산 결과의 평균값을 시간당 결과 값으로 도출하였다. 먼저 외부차양 장치는 10:00~11:00시에 부분닫힘(Partial Closed), 11:00~14:00시에 완전닫힘(Fully Closed), 14:00~16:00시에 부분닫힘(Partial Closed)을 거치면서 16:00 이후에는 차양 장치를 완전개방(Fully Open)하는 상태로 가동하는 결과를 보였다(Fig. 5 참조).

Fig. 5 Hourly radiation heat transfer rates per area.

창호를 통한 복사 열전달량은 큰 폭의 변화를 보였으며 그 결과는 다음과 같다. Fig. 5는 복사 열전달 분석 결과를 보여준다. 시간당 복사 열전달은 Basecase의 경우 약 0~300 W/m²의 분포를, Roller Type과 Venetian Type의 경우 약 0~150 W/m²의 분포를 보인다. Basecase와 달리 Roller Type과 Venetian Type은 10:00~16:00시 사이에 복사 열전달이 크게 감소하였는데 이는, 차양 장치의 작동으로 인해 투과 일사가 차단되고 복사 열전달이 감소한 것으로 판단된다.

또한 Roller Type과 Venetian Type(0°)의 경우 외부차양 작동시 동일한 형상(Fig. 3 참조)을 나타내기 때문에 복사 열전달 분포는 결과 또한 매우 유사한 값을 보였다. 그러나 11:00~14:00시 사이의 복사 열전달값은 Roller Type의 경우 완전히 차단되어 0 W/m²의 분포를 보이는 반면, Venetian Type(0°)의 경우 Fig. 5에서는 뚜렷이 관측되지 않았으나 미세한 투과 복사 열전달량(약 5×10-17~4×10-15 W/m²)이 존재하였다. 이는, 동일한 형상을 나타낼지라도 Venetian Type의 경우 완전한 복사 차단이 어려울 것으로 판단된다. 또한 Venetian Type(45°)의 경우 차양 장치가 작동되었음에도 시간당 약 80~90 W/m²의 복사 열전달이 발생하였다. 이는 Venetian Type(45°)의 경우 슬롯 간의 간극을 통해 일부 투과 일사가 존재하기 때문으로 판단된다.

종합적으로 일간 총 복사 열전달은 Basecase대비 Roller Type과 Venetian Type(0°)가 약 67% 감소하였고 Venetian Type(45°)가 약 48% 감소하였다.

4.3 전도 열전달 분석

Fig. 6 Hourly conduction heat transfer rates per area.

전도 열전달의 경우 표면온도차에 따라 열 획득 또는 열 손실 변화가 발생하기 때문에 실내․외 온도차 및 창호 내․외부 표면온도차를 함께 고려하여 분석하였다. Fig. 6은 전도 열전달 분석 결과를 보여준다.

시간당 전도 열전달은 Basecase의 경우 약 -50~10 W/m²를, Roller Type과 Venetian Type의 경우 약 -50~45 W/m²의 분포를 보인다. 여기서, 양(+)의 부호는 열 획득을 음(-)의 부호는 열 손실을 의미한다. 일사의 영향이 없거나 낮은 시간대에는 네 가지 Type 모두 전도로 인한 열 손실 현상이 발생하였다. 이는, 실내온도가 실외온도보다 높기 때문에 실내에서 실외 측으로 열전달이 일어난 것으로 판단된다. 반면, 10:00~16:00시 사이에 차양 장치가 가동된 세 가지 Type은 Basecase 대비 전도로 인한 열 획득 현상이 발생하였다. 이는, 창의 내․외부 표면온도 차이에 의한 결과로 확인되며, 이와 같은 현상은 Collins et al.⁽⁹⁾가 보여준 차양장치 설치시 주위 온도가 상승하는 연구결과와 일치한다. 따라서 외부 표면온도가 내부 표면온도보다 높기 때문에 실외에서 실내 측으로 열이 유입되는 것으로 판단된다. 동일한 시간대(10:00~16:00시)에서 일간 누적 전도 열전달량은 Roller Type이 약 165 W/m², Venetian Type(0°)가 약 195 W/m², 그리고 Venetian Type(45°)가 약 178 W/m²로 Venetian Type(0°)이 가장 높은 전도 열전달량을 보였고 Roller Type이 Venetian Type 대비 약 7~15% 낮은 값을 보였다. 종합적으로 볼 때, 장치가 작동하는 시간대에 차양 장치가 있는 세 가지 Type은 Basecase대비 약 63%(누적 약 100 W/m²)의 전도 열 획득 현상이 발생하였다.

4.4 Title

대류 열전달의 경우 실내․외 환경 및 표면 온도 변화에 따라 실내․외 대류 열전달계수가 변화하기 때문에 본 연구에서는 실내․외측을 각각 분석하였다. Fig. 7과 Fig. 8은 실내․외 대류 열전달 분석 결과를 각각 보여준다.

Fig. 7 Hourly inside surface convection heat transfer rates per area.

실내 측 대류 열전달 분석 결과, 네 가지 타입 모두 약 -5~15 W/m²의 시간당 대류 열전달 분포를 보였으며, 실내온도가 창 내부 표면온도보다 높을 때 열 획득, 낮을 때 열 손실 현상이 발생하였다. 즉, 차양 장치가 작동하는 10:00시~16:00시 사이에 네 가지 Type 모두 대류로 인한 열 손실 현상이 발생하였다. 이는, 실내 온도가 창 내부 표면온도보다 낮기 때문에 창 내부 표면에서 실내 측으로 열이 이동하였던 것으로 판단된다. 대류 열전달 계수 값은 차양 장치가 운용되었을 때 Basecase 대비 약 0.1~0.3 W/m²․K 높은 값을 보였다. 대류 열전달 계수가 가장 높은 Roller Type의 경우 열 손실이 가장 크게 나타났으나, 네 가지 Type 모두 대류 열전달의 변동 폭은 미세하였고 그 차이는 일간 약 7 W/m²~17 W/m²로 나타났다.

실외 측 대류 열전달 분석 결과, 시간당 대류 열전달은 Basecase의 경우 약 -10~0 W/m², Roller Type의 경우 약 -15~5 W/m², 그리고 Venetian Type의 경우 약 -25~5 W/m²의 분포를 보였다. 차양 장치가 작동하는 10:00시~ 16:00시 사이에 차양 장치가 있는 세 가지 Type 모두 열 손실 현상이 발생하였다. 이는, 실외온도가 창 외부 표면온도 보다 낮기 때문에 창 외부 표면에서 실외 측으로 열이 이동하였던 것으로 판단된다. 대류 열전달 계수의 경우 Roller Type이 Basecase대비 약 1.1 W/m²․K 낮은 값을 보였고, Venetian Type이 Basecase대비 약 2.5 W/m²․K 높은 값을 나타냈다. 차양 장치가 작동하는 시간동안의 누적 대류 열 손실량은 Basecase대비 Roller Type이 약 54%, Venetian Type(0°)가 약 69%, 그리고 Venetian Type(45°)가 약 71% 감소한 결과를 보였다. 이를 통해, 차양 장치 설치와 운용은 실외측 대류 열손실 방지에 효과가 있음을 알 수 있다.

Fig. 8 Hourly outside surface convection heat transfer rates per area.

4.5 전체 열전달량

앞서 분석한 열전달 성분별 분석을 통해 일간 누적 열전달량을 평가하였으며 결과는 다음 Fig. 9에 나타내었다.

전도의 경우 Basecase의 열 손실이 가장 크게 나타났으며 Roller Type이 약 24%, Venetian Type(0°)가 약 30%, 그리고 Venetian Type(45°)가 약 26% 낮은 열 손실 값을 보였다. 대류 열전달의 경우 열전달량의 차이 값은 미미한 것으로 나타났으나 Venetian Type의 경우 열 획득이 발생한 Basecase와 Roller Type과 달리 열 손실 현상이 발생하였다. 따라서 대류로 인한 손실을 줄이기 위해서는 Venetian Type을 기피해야할 것으로 판단된다. 복사 열전달의 경우 전도와 대류에 비해 차양의 유무에 따른 영향이 가장 큰 것으로 나타났다. Basecase대비 Roller Type와 Venetian Type(0°)가 약 67%, Venetian Type(45°)가 약 48% 낮은 복사 열전달량을 보였다. 또한 전체 열전달량 중 복사 성분에 의한 열전달량의 비중이 가장 크게 나타났다. 즉, Basecase대비 Roller Type와 Venetian Type(0°)가 약 86%, Venetian Type(45°)가 약 63%의 비중을 차지하였다.

Fig. 9 Daily heat transfer rates per area.

Fig. 10 Total monthly heat transfer rates per area.

Fig. 10은 월간 누적 열전달량을 나타낸다. (a)는 열 획득과 열 손실량을 함께 표시하였으며 (b)는 (a)의 결과가 통합된 전체 열 전달량을 나타낸다. Basecase의 경우 복사 열전달로 인해 열 획득 현상이 연중 이어졌다. 그러나 차양 장치가 있는 세 가지 Type들의 경우 동절기에 열 손실 현상을 나타냈다. 이는, 복사의 영향이 가장 큰 창호에서 일사 차단으로 인해 복사 에너지가 감소하였고 동시에 전도와 대류에 의한 동반 열 손실로 기인한 결과로 판단된다. 간절기(특히, 3월과 11월)의 결과를 통해 Venetian Type의 슬랫 앵글이 열전달에 미치는 영향을 크게 좌우할 것으로 판단된다. 결과적으로 차양을 통해 건물에너지를 절감을 실현하고자 한다면 연중 변화하는 다양한 환경에 적합한 제어 알고리즘 조정을 통해 가능할 것으로 보인다.