2.1 이중외피형 태양열 집열시스템

본 연구에서 제안하는 이중외피형 태양열 집열시스템은 이중외피 시스템과 동일한 구조를 가지나, 중공층 내의 공기 흐름과 예열 효과를 활용하여 겨울철 난방에너지의 절감을 위해 설계되었다. Fig. 2(a)는 이중외피형 태양열 집열시스템의 기본 원리 및 난방 기간의 시스템 운영 전략을 보여준다. 중공층 하부에 유입구(Inlet), 중공층 상부에는 유출구(Outlet)가 위치한다. 중공층 상부에 설치된 팬에 의해 중공층에 음압을 형성하고, 유입구를 통해 건물이 필요로 하는 신선한 외기가 도입된다. 중공층 내부에서 태양복사 에너지를 통해 유입된 외기를 예열할 수 있으며, 최대의 예열 효과를 얻기 위해 이중외피형 태양열 집열시스템의 높이는 건물의 높이와 같게 설계하였다. 예열된 외기는 건물 최상층부의 플레넘을 통하여 공기조화 시스템으로 이동되어 급기(Supply air)로 제공된다. 외기를 직접 사용하는 대신 예열된 외기를 공기조화 시스템에 공급함으로써 겨울철 난방에너지를 절감하는 효과를 얻을 수 있다.

본 논문에서 제안하는 이중외피형 태양열 집열시스템은 기존 건축물에 추가로 설치가 가능할 수 있도록 크게 추가되는 외피, 외피와 기존 건물 벽 사이의 중공층, 기존 건물 벽에 코팅되는 태양열 흡수제로 구성하였다. 유입구는 중공층의 최하단, 유출구는 중공층의 최상부에 위치시켜 중공층 내에서 예열되는 시간을 극대화하였으며, 중공층 상부에 설치된 팬의 설계 유량은 건물의 최소 환기량과 동일하게 설정하여 필요 환기량 공급 및 겨울철 난방에너지 절감 모두를 고려하였다. 이중외피형 태양열 집열시스템이 기존 건물에 통합된 하나의 예시는 Fig. 2(b)에서 확인할 수 있으며, 패시브 요소로 사용되는 기존의 이중외피 시스템과는 달리 건물의 남쪽 외피 전체가 아닌 유닛 단위로 건물 창호 사이에 부분적으로 적용될 수 있도록 설계하였다. 건물 외피의 패시브 성능 향상을 목표로 하는 이중외피 시스템의 경우 건물 전면을 사용하는 것이 필요하나, 공기조화 시스템과 통합되는 하이브리드 이중외피 시스템의 경우 기존 건물의 입면 설계에 따라 가능한 면적에 설치할 수 있고 설치한 면적에 따라 난방에너지 절감량을 확보할 수 있다.

본 연구에서는 이중외피형 태양열 집열시스템의 겨울철 운영 전략을 적용하여 난방 기간의 에너지 성능을 평가하였다. 겨울철 운영 전략의 경우 중공층 내 예열 효과를 이용하기 때문에 여름철에는 냉방에너지가 증가하는 역효과가 발생할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 여름철에는 외피의 하부에 유입구, 외피의 상부에 유출구를 위치시켜 태양복사 에너지에 의해 과열된 중공층 내 공기를 자연 환기를 통해 실외로 배출시킴으로써 실내로 들어오는 열을 줄일 수 있다. Choi et al.⁽¹⁰⁾의 논문에서 동일한 운영 전략이 적용된 이중외피 시스템이 설치된 방과 단일외피 시스템이 설치된 방의 여름철 냉방에너지를 비교하였다. 여름철 1주일 동안 이중외피 시스템이 설치된 방에서 냉방에너지를 약 9% 적게 사용하는 것을 확인하였다.

Fig. 2 (a) Double-skin solar heating system description (b) placement of solar air heating systems in a building.

2.2 에너지 모델링 방법

이중외피 시스템의 에너지 성능 평가에 사용되는 방법론에는 실험⁽¹¹⁾, 전산유체역학⁽¹²⁾, 건물에너지시뮬레이션(Building Energy Simulation, BES)^(13,14) 등이 있다. 그중 미국 에너지부(Department of Energy, DOE)에서 개발한 건물에너지시뮬레이션 툴인 EnergyPlus의 경우, 건물 열·물질 평형(Heat and mass balance) 모델을 기반으로 하면서 압력 차를 통해 유량을 계산하는 에어플로네트워크(Airflow network, AFN) 모델을 지원한다. 따라서, EnergyPlus를 활용하면 건물 열·물질 평형 모델과 에어플로네트워크 모델을 통합한 BES$-$AFN 모델을 생성할 수 있다. EnergyPlus AFN 모델은 노드(AFN node)로 구성되고, 각 노드 간의 기류는 링크(AFN linkage)를 통해 표현된다.⁽¹⁵⁾ Winkler et al.⁽¹⁶⁾은 EnergyPlus AFN 모델을 CONTAM과 같은 다른 AFN 프로그램과 비교하고, 바람과 부력 기반의 자연환기, 기계환기의 유무와 같은 EnergyPlus AFN 모델의 특정 기능을 평가하였다. Johnson et al.⁽¹⁷⁾은 EnergyPlus AFN 모델을 활용하여 다양한 자연환기 시나리오를 모델링하고 실험 데이터와 비교하여 검증하였다. 이러한 연구들의 검증 과정을 통해 EnergyPlus AFN이 건물의 자연환기와 기계환기 분석에 적합한 모델임을 확인하였다.

Kim and Park⁽¹⁸⁾은 실험 데이터와 시뮬레이션 결과 비교를 통해 이중외피 시스템의 성능평가에서 EnergyPlus를 사용한 BES$-$AFN 통합모델의 적합성 및 한계점을 연구하였다. Blanco et al.⁽¹⁹⁾은 EnergyPlus를 사용하여 천공 시트로 만든 이중외피 시스템의 BES-AFN 모델을 개발하였고, 실험 데이터 및 기타 시뮬레이션 모델을 사용하여 BES$-$AFN 모델의 적합성을 검증하였다. 이러한 연구들은 EnergyPlus AFN을 활용한 BES$-$AFN 모델이 이중외피 시스템의 주요한 특성을 잘 나타낼 수 있음을 증명하였다. 따라서, 본 연구에서는 BES$-$AFN 모델을 활용하였다. 이중외피형 태양열 집열시스템의 중공층을 구획한 여러 노드를 BES$-$AFN을 통해 연결함으로써, 중공층 내 열․물질 평형과 공기의 흐름을 동시에 반영한 시뮬레이션 결과를 도출할 수 있다고 판단하였다.

이중외피형 태양열 집열시스템의 BES$-$AFN 모델은 Fig. 3에서 확인할 수 있다. 이중외피형 태양열 집열시스템 내의 수직적 공기 흐름을 적절하게 모사하기 위해 중공층을 6개의 존으로 나누었고, 존 별로 한 개의 AFN 노드를 생성하였다. 그리고 유입구와 유출구에 위치한 AFN 노드와 연계되는 외부 노드를 생성하였다. 유입구와 연결된 외부 노드는 외기를 나타내며, 외부 풍속 및 풍향에 따라 압력 값이 달라질 수 있도록 세팅하였다. 유출구와 연결된 외부 노드는 공기조화 시스템과 통합되는 공기 노드로, 팬을 통해 압력을 일정하게 유지할 수 있도록 세팅하였다. 시뮬레이션에는 한국패시브건축협회에서 제공하는 대한민국 서울시의 표준기상 데이터를 사용하였다.⁽²⁰⁾

Fig. 3 Coupled model (BES$-$AFN).

모델링의 편의를 위하여 이중외피형 태양열 집열시스템의 다양한 너비를 모델링하는 대신 1 m 너비를 가지는 기본 유닛을 설계하였다. 1 m 너비를 가지는 기본 유닛에 설계된 팬의 설계 유량을 달리하여 다양한 집열시스템 너비를 나타낼 수 있었으며, 이를 통해 이중외피형 태양열 집열시스템의 에너지 성능을 분석하였다. 1 m 너비의 기본 유닛 시스템의 동쪽과 서쪽 면은 동일한 유닛이 확장하여 적용될 수 있으므로 단열(Adiabatic) 조건으로 설정하였으며, 북쪽 면은 대상 건물과 접하고 있으므로 재실 시간(오전 8시-오후 7시) 동안 기존 벽의 표면 온도가 22℃로 유지되도록 설정하였다. 본 시스템의 겨울철 난방에너지 절감 효과를 파악하기 위해 시뮬레이션 기간은 11월에서 2월로 설정하였으며, 에너지 성능을 평가하기 위해 외기를 기준으로 이중외피형 태양열 집열시스템의 출구의 온도 상승분($\Delta T$)을 성능지표로 사용하였다. 예열 효과를 나타내는 성능지표는 식(1)과 같이 나타낼 수 있다. $T_{cav.out}$은 이중외피형 태양열 집열시스템의 출구 온도를, $T_{outdoor}$는 외기의 온도를 의미한다.

2.3 대상 건물

대상 건물은 미국 에너지부에서 제공하는 중간 규모의 오피스 건물이며 너비 49.94 m, 깊이 33.27 m, 높이 11.88 m의 3층 건물로 선택하였다. 최소 환기량은 미국 냉난방공조기술자협회(American Society of Heating, Refrigerating and Air-conditioning Engineers, ASHRAE)⁽²¹⁾에서 제시하는 건물 용도별 최소 환기량 계산 기준에 따라 계산하였으며, 식(2)와 같다. $R_{P}$와 $R_{A}$는 건물 용도에 따른 1인당 최소 환기량 계수이고 $P_{Z}$는 재실자 수, $A_{Z}$는 면적을 의미한다. ASHRAE에 따르면, 오피스 공간을 대상으로 한 $R_{P}$와 $R_{A}$는 각각 2.5와 0.3이다. 대상 건물의 재실자 수는 474명, 건물 면적은 4,985 m²이므로 식(2)에 따라 대상 건물의 최소 환기량을 계산하면 2.681 m³/s이다.

이중외피형 태양열 집열시스템의 높이는 대상 건물의 높이와 같은 11.88 m로 설정하였으며, 태양복사 에너지의 영향을 가장 많이 받을 수 있는 남쪽 외피에 설치된다고 가정하였다. 다양한 중공층 깊이 값을 사용하여 분석해본 결과, 팬을 통해 최소 환기량이 제어되는 시스템의 경우 중공층의 깊이가 에너지 성능에 영향을 미치지 않는 것을 확인할 수 있었다. Ryan and Burek⁽²²⁾의 논문에서도 중공층의 깊이가 열효율에 미치는 영향이 미미하다는 것을 확인할 수 있었으므로, 해당 연구에서는 이중외피형 태양열 집열시스템의 깊이를 0.5 m로 가정하였다. 본 시스템의 에너지 성능을 평가하기 위해 (1) 건물 너비에 대한 집열시스템 너비의 비율(이하 “집열시스템 너비율”)(Proportion of system width to building width), (2) 외피의 태양열 취득률(Solar heat gain coefficient, SHGC), (3) 외피의 열관류율(U-value), (4) 태양열 흡수제의 일사 흡수율(Solar absorptance), (5) 태양열 흡수제의 열 방사율(Thermal emittance)로 구성된 총 다섯 가지 설계 파라미터를 선정하였다. 본 연구에서 파라메트릭 스터디를 진행하기 위해 각 파라미터는 세 가지 수준을 고려하였으며, 모든 경우의 수에 해당하는 샘플을 생성하였다. 집열시스템 너비율은 대상 건물 남쪽 외피 너비의 3%, 5%, 10%로 하였고, 외피와 태양열 흡수제의 열적 성질을 나타내는 파라미터는 태양열 집열시스템의 재료로 주로 사용되는 물질의 값^(23,24)을 이용하여 총 세 가지 수준을 고려하였다. 본 연구에 사용된 파라미터는 Table 1에 정리하였다.

3.1 파라미터별 예열 효과에 미치는 영향

집열시스템 너비율(Architectural parameter) 및 열적 성질을 나타내는 네 가지 파라미터(Material parameters)에 따른 이중외피형 태양열 집열시스템의 예열 효과를 Fig. 4에 박스 플롯으로 나타냈다. X축은 집열시스템 너비율이고, y축은 외기를 기준으로 이중외피형 태양열 집열시스템의 출구의 온도 상승분($\Delta T$)이다. 각 그래프에서 테스트하고자 한 파라미터는 Table 1의 세 가지 수준의 값을 적용하였고, 그 외 파라미터의 경우에는 중간 수준의 값으로 고정하였다. 예를 들어, Fig. 4(a)의 경우, 테스트 파라미터는 태양열 취득률과 집열시스템 너비율이고, 태양열 취득률은 0.691(파란색), 0.762(주황색), 0.861(초록색), 집열시스템 너비율은 3%, 5%, 10% 세 가지 수준으로 변화시켰다. 이때 테스트하지 않은 파라미터인 열관류율은 3.159, 일사 흡수율은 0.88, 열 방사율은 0.084로 고정하였다.

Fig. 4 Cavity outlet and outdoor air temperature difference by (a) SHGC, (b) U-value, (c) solar absorptance,

Fig. 4의 결과에서 집열시스템 너비율, 태양열 취득률, 열관류율, 일사 흡수율, 열 방사율 순으로 이중외피형 태양열 집열시스템의 예열 효과에 영향을 주는 것을 확인할 수 있었다. 그중 가장 큰 영향을 미치는 파라미터는 집열시스템 너비율이였고, 집열시스템 너비율이 10%일 때 외기 기준 최대 5.0℃가량의 온도 상승분이 발생하는 것을 확인하였다. 이는 정해진 유량을 제공할 때 집열시스템 너비가 클수록 집열시스템의 부피가 늘어나 유속이 줄고, 이에 따라 태양열 집열량이 증가함으로써 예열 효과가 더 크게 나타나기 때문이다. 한편, y축의 값이 음수, 즉 이중외피형 태양열 집열시스템 출구의 온도가 외기보다 낮은 상태가 발생하였는데, 이는 시뮬레이션에서 발생하는 지연(Time lag) 효과 때문이다. 태양복사 에너지에 의해 중공층 내부에서 생성된 열이 예열 효과로 나타나는 데까지 지연이 발생하기 때문에 몇몇 경우는 이중외피형 태양열 집열시스템 출구의 온도가 외기보다 낮게 나타나기도 한다. 열적 성질을 나타내는 파라미터 중, 태양열 취득률(Fig. 4(a))과 일사 흡수율(Fig. 4(c))은 높을수록, 열관류율(Fig. 4(b))과 열 방사율(Fig. 4(d))은 낮을수록 예열 효과가 커졌으나, 일사 흡수율과 열 방사율은 그 영향이 미미한 것을 확인할 수 있었다.

3.2 난방에너지 절감량

Fig. 5는 이중외피형 태양열 집열시스템의 예열 효과에 가장 영향을 크게 미치는 파라미터인 집열시스템 너비율에 따른 난방에너지 절감량을 보여준다. 집열시스템 너비율을 제외한 나머지 파라미터는 중간 수준의 값을 사용하였다. 공기조화 시스템에서 일반 외기를 사용했을 때와 본 이중외피형 태양열 집열시스템에 의해 예열된 공기를 사용했을 때의 난방에너지 절감량은 식(3)을 통해 계산하였다.

$c$는 공기의 비열로 1.012 kJ/(kg․K)의 값을 이용하였고, $\dot{m}$은 이중외피형 태양열 집열시스템을 통과하는 공기의 질량 유량, $\Delta T$는 외기를 기준으로 이중외피형 태양열 집열시스템의 출구의 온도 상승분을 의미한다. 식(3)을 통해 계산한 값은 대상 건물의 실내 면적으로 나누어 단위 면적당 난방에너지 절감량으로 표현하였고, 이를 사용하여 이중외피형 태양열 집열시스템의 에너지 성능을 분석하였다. 집열시스템 너비율은 기존에 고려한 3%, 5%, 10%와 더불어 남쪽 외피에 확대되어 설치되는 것을 가정하여 30%, 50%, 70%, 100%까지 총 일곱 가지 결과를 비교해보았다. 집열시스템 너비율이 증가함에 따라 대상 건물의 단위 면적당 최소 0.20 kWh/(m²․year)에서 최대 9.33 kWh/(m²․year)의 난방에너지를 절감하는 것을 확인할 수 있었다. 대상 건물에서 외기를 직접 공기조화 시스템에서 사용했을 경우와 비교하여 난방에너지 절감률을 계산해본 결과, 집열시스템 너비율에 따라 난방에너지 절감률은 최소 0.80%에서 집열시스템 너비율이 증가함에 따라 최대 37.27%로 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 집열시스템 너비율이 작은 경우에도 일정 정도의 절감 효과를 얻는 것을 확인할 수 있었으나, 남쪽 외피에 확대하여 설치할수록 난방에너지 절감의 측면에서 유의미한 효과를 가지는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 5 Heating energy saving [kWh/(m2․year)].