서 론
연구방법
연구 개요
창호 설계조건
대상건물 개요
연구결과 및 분석
ECG의 기본특성
ECG의 복층화 방법에 따른 열-광학적 특성
ECG의 복층화 설계 시 일사 투과특성
냉난방장치용량 산정
결 론
서 론
현재까지의 건물 창호는 정적요소로써 설치비용 및 설치 시 유리/프레임 성능에 집중되어 유지관리의 중요도가 적고 창호 제어의 개념이 부재하였으나 최근 외부에서 유입되는 일사 조절을 통해 실내 에너지 손실을 줄이고 재실자의 쾌적성을 향상시킬 수 있는 스마트 윈도우(Smart window)의 관심이 집중되고 있다(Chambers et al., 2019). 스마트 윈도우 기술은 제어유무에 따라 수동형 스마트 윈도우(Passive smart window)와 능동형 스마트 윈도우(Active smart window)로 구분할 수 있다. 특히, 능동형 스마트 윈도우는 외부 전압, 빛의 파장, 실내·외 온도변화 등에 따라 창호 제어가 가능하며 그 중 외부 전압을 변화시켜 유리의 색상 및 투과도를 달리하는 전기변색 창호(ECG, Electrochromic glazing)는 다른 스마트 윈도우 대비 응답속도가 빨라 실시간으로 제어가 가능한 장점으로 인해 활용도가 높다(Rezaei et al., 2017).
현재까지 ECG의 효율을 높이기 위한 재료/소자 개발과 에너지 시뮬레이션 및 실제 테스트베드 중심의 ECG 성능검증에 대한 다양한 평가가 이루어지고 있다. Shin and Chae (2018)는 에너지 시뮬레이션 기반의 미국 표준 중소형 업무용 건물을 대상으로 ECG의 투과일사량 동적제어를 통한 방위별 연간 냉난방에너지 소비특성을 비교하였으며 ECG 모델은 base모델(복층유리 적용) 대비 남향 5.07%, 동향 2.86%, 북향 2.85%, 서향 3.65%의 에너지 절감이 가능하였다. 스마트 윈도우 간의 성능비교도 수행되었다. Choi et al. (2018)은 ECG와 Low-e 유리 적용 시 연간 냉난방에너지를 비교하였으며 에너지 시뮬레이션 결과, ECG의 전기변색 제어를 통해 ECG의 냉난방에너지(20.38 kWh/m2yr)는 Low-e유리(23.84 kWh/m2yr) 대비 14%의 연간 냉난방에너지가 절감되었다. 또한, Chae (2016)는 미국 표준 중소형 업무용 건물을 중심으로 ECG의 잠재적 5가지 항목의 환경 제어변수를 활용하여 건물 운전특성(에너지소비량, 냉방장치용량)을 평가하였으며 ECG 제어 시 Low-e 유리 대비 80%의 높은 차폐성능이 도출되었고 이를 통해 14~26%의 냉방장치용량 감소가 가능하였다.
해외의 경우 국내보다 다양한 ECG 종류를 활용하여 지역별/건물유형별 ECG의 건물 적용효과와 실제 소형 테스트베드를 기반으로 ECG의 성능검증에 관한 연구도 활발히 진행되고 있다. Deforest et al. (2017)는 자체적으로 개발한 DBEC (dual band electrochromic) glazing을 활용하여 미국 16개 지역에서의 3개 건물유형별(중대형 상업용건물, 중소형 상업용건물, 중형 공동주택) DBEC의 성능을 검증하였다. 상기 시뮬레이션을 통해 DBEC 적용시 모든 지역 및 건물유형에서 6~30 kWh/ft2의 연간 에너지를 절감하였다. Lee와 Claybough, 그리고 LaFrance (Lee et al., 2012)는 미국 내 실제 소형 테스트베드(상업용 건물 내 사무실 규모)를 대상으로 switchable ECG를 적용하여 실내 온열환경 및 조명에너지 절감량을 분석하였고 ECG 적용을 통해 실내 환경의 쾌적성 향상과 48%의 연간 조명에너지 소비량 절감이 가능하였다.
국내외적으로 시뮬레이션 및 테스트 베드를 중심으로 ECG의 제어방법 탐색, ECG의 건물적용 시 실내외 환경특성 변화에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있으나 실제 ECG를 기존 유리(맑은 복층 유리, Low-e 복층 유리)와 복층화 설계 시 설치위치에 따른 열-광학적 성능분석과 건물단위에서의 성능검증은 미비한 실정이다.
이에 본 연구에서는 국내 활용도가 높은 맑은 복층 유리, low-e 복층 유리 내 ECG의 복층화 설치위치에 따른 열-광학적 특성을 비교하고 표준 중소형 업무용 건물단위에서의 복층화된 ECG를 적용하여 연간 건물 응답특성을 분석하고자 한다.
연구방법
연구 개요
Figure 1은 본 연구의 전체 수행과정을 나타낸 것으로 ECG를 포함한 유리 복층화를 위해 각 유리의 특성 수집/추출, ECG 복층화에 따른 유리의 열적/광학적 특성 분석, 그리고 복층화 ECG 적용시 건물 응답특성의 3가지 과정으로 구성된다. 먼저, 각 유리의 데이터 수집을 위해 미국 에너지성(DOE, Department of Energy) 산하 국립 연구소인 LBNL (Lawrence Berkeley National Laboratory)에서 제공하는 Optics과 NFRC (National fenestration rating council)의 시험에서 인증된 창호 라이브러리 기반의 WINDOW 프로그램을 활용하여 단일유리 및 복층화 유리의 특성을 추출하였다. Optics 프로그램에서는 IGDB (International glazing database)에서 제공하는 단일 유리(맑은 유리, low-e 유리, ECG)의 물질 특성을 통해 빛의 스펙트럼 영역별(가시광선, 적외선, 자외선) 광학적 특성(투과율(transmittance), 전/후면 반사율(front/back surface reflectance), 방사율(emissivity))을 산출하였다. 이후, WINDOW에서는 국내 건축물의 에너지절약설계기준(MOLIT, 2015)에서 제시하는 일반 복층, low-e 복층 구조기준을 적용하여 ECG의 복층화 방법에 따른 각 case별 열적(열 관류율(U- value)) 및 광학적 특성(태양열취득계수(SHGC), 차폐계수(SC), 가시광선투과율(Tvis))을 도출하였다. 마지막으로 각 case별 복층화된 ECG의 미국 표준 중소형 업무용 건물 적용 시 동-하절기의 최대 부하발생일 및 연간 일사 투과특성을 분석하고 이에 따른 냉난방장치용량을 산출하였다.
창호 설계조건
ECG의 복층화 설계기준 수립을 위해 국내 건축물의 에너지절약설계기준 내 창 및 문의 단열 성능 중 일부 기준(일반 복층창, Low-e 복층유리)을 적용하였다. 기본적으로 모든 case의 유리구성 조건은 국내 건축물의 에너지절약설계기준에서 제시하는 glazing (6 mm) + air (12 mm) + glazing (6 mm)를 기준으로 clear (6 mm) + air (12 mm) + clear (6 mm)와 low-e (6 mm) + air (12 mm) + low-e (6 mm)의 2가지 기본조건(base case)으로 설정하였다. 이후, ECG의 복층화 위치 및 유리 조합종류에 따라 4가지 case를 구성하였으며 각 case별 유리조합 조건은 Table 1과 같다. 조합기준은 일반 유리를 적용한 경우(case 1, 2)와 low-e 유리를 부착한 경우(case 3, 4)로 분류하고 ECG의 설치위치에 따라 외부 측 설치(case 1, 3), 내부 측 설치(case 2, 4)로 설정하였다. 상기 구성된 조건을 기반으로 WINDOW 프로그램을 통해 각 case별 복층화 유리의 열-광학적 특성을 산출하였다.
Table 1.
Set condition of ECG with different design position
대상건물 개요
대상건물은 미국 DOE에서 제공하는 표준 중소형 업무용 건물로 연면적 4,982 ㎡, 지상 1층 / 지상 3층 규모로 건물 기본특성은 Table 2와 같다. 해당 모델은 미국 업무용 건물의 표준 기하학적 형태, 건물 설계/운영 조건이 적용된 모델이며 기하학적 형상은 Figure 2와 같이 각 층당 1개의 core zone, 4개 구역의 exterior zone으로 구성되어 있다. 대상 건물의 기상 조건은 국내 인천 지역의 표준 기상 조건을 적용하였으며 작성된 분석모델 내 3개층의 남측 exterior zone(3개 구역)을 중심으로 ECG 복층화 방법에 따라 각 case별 동-하절기의 최대 부하발생일 및 연간 일사 투과특성을 분석하고 base case와 각 case별 유리 적용 시 총 냉난방장치용량을 비교하여 ECG의 복층화 방법을 검증하였다.
Table 2.
Characteristics of typical medium office building
연구결과 및 분석
ECG의 기본특성
우선적으로 복층화를 위한 각 유리(ECG, 맑은 유리, low-e유리)의 스펙트럼 영역별 일사 투과 및 전후면 반사 특성을 파악하였다. Figure 3은 각 영역별 일사 투과 분포 및 전/후면 반사 분포를 나타낸 것이고 각 영역별 평균 물성치는 Table 3과 같다. 먼저, 일사 투과율은 모든 영역(solar spectra, visible spectra, IR spectra)에서 맑은 유리 > ECG (clear) 유리 > low-e 유리 > ECG (tint) 순으로 높았다. 대표적으로 전체 영역(solar spectra)에서 맑은 유리의 투과율은 0.757로 가장 높았고 ECG 탈색 시 투과율(0.301)은 low-e 유리(0.209) 대비 30.56% 높게 도출되었으며 ECG가 착색(0.014)일 경우 low-e 유리 대비 93.30%의 낮은 투과특성이 도출되었다. 전/후면 반사율의 경우 모든 영역에서 low-e의 평균 전/후면 반사율(0.368, 0.464)이 모든 유리 평균(0.099, 0.159) 대비 각각 374%, 292% 높은 반사특성이 도출되었으며 그 외 ECG (clear), ECG (tint), 맑은 유리 순으로 나타났다. 각 유리별 기본특성 비교결과, ECG는 착/탈색 상태에 따라 높은 투과율차이(최대 0.562, visible spectra)가 나타났고 low-e 유리는 높은 전/후면 반사율로 인해 유리 조합별 각기 다른 열-광학적 특성이 나타날 것으로 판단된다.
Table 3.
The solar transmittance, front./back surface reflectance of clear, low-e, and ECG
ECG의 복층화 방법에 따른 열-광학적 특성
Table 4는 각 유리 조합에 따른 2가지 base case와 각 case별 열-광학적 특성(U-value, SHGC, SC, Tvis)을 비교한 것이다. 기본적으로 복층화 유리별 U-value 값은 ECG의 착/탈색 여부와 관계없이 case 1, 2(ECG+맑은 유리)에서 1.863 W/㎡·K, case 3, 4(ECG+low-e유리)의 경우 1.695 W/㎡·K로 case 3, 4를 통해 case 1, 2 대비 9.02%, base 1, 2 대비 22.30% 향상된 열성능을 나타냈다. 광학적 특성 중 각 case별 SHGC, SC는 case 1, 3과 같이 ECG를 외부 측에 설치할 경우 ECG가 탈-착색상태 변환 시 각각 평균 0.369, 0.424의 SHGC, SC가 감소하나 ECG를 내부에 설치할 경우(case 2, 4) 각각 0.065, 0.075 감소하여 ECG의 외부 측 설치를 통해 80% 이상의 일사차단을 기대할 수 있다. Tvis의 경우 Case 1, 2에서 ECG가 탈색 시 평균 0.628, 착색 시 0.015로 case 3, 4(0.470(탈색), 0.011(착색))와 base case(평균 0.443) 대비 평균 0. ECG의 착/탈색 상태에 따라 유연한 투과율 조정으로 재실자에게 시각적 쾌적성 향상에 기여할 것으로 판단된다. 이후, ECG의 내/외부 측 설치위치에 따라 탈색 상태에서의 각 case별 주요한 광학적 특성(SHGC, SC)을 비교하였다. 먼저, ECG의 맑은 유리 조합(case 1, 2)시 ECG를 외부 측에 설치(case 1)할 경우 SHGC, SC는 각각 0.517, 0.595로 case 2인 ECG 내부 측 설치(0.659, 0.758) 대비 각각 21.54%, 21.50%가 감소하였다. 이는 ECG가 맑은 유리 대비 낮은 일사 투과율로 인해 ECG의 외부 측 설치 시 일사 유입을 우선적으로 차단하여 나타나는 효과로 판단된다. 그러나, low-e 유리 조합의 경우 ECG의 외부 측 설치(case 3) 시 SHGC, SC는 각각 0.421, 0.484, 내부 측 설치(case 4) 시 0.386. 0.444로 ECG를 내부 측에 설치하는 것이 일사차단에 유리하였다. 이는 상기 각 유리의 기본특성에서 ECG (clear) 대비 low-e 유리가 일사 투과율이 낮고 전면 반사율이 높아 일사 차단 효과적인 것으로 분석된다. ECG가 착색 시에는 유리조합 종류와 관계없이 ECG의 투과율이 현저히 낮아 case 1, 3과 같이 ECG의 외부 측 설치 시 평균 SHGC=0.101, SC=0.116으로 도출되어 ECG 착색 기준 모든 case의 평균(SHGC=0.279, SC=0.321) 대비 각각 0.178, 0.205가 감소된 결과가 산출되었다.
Table 4.
Performance of optical and thermal characteristics of ECG with different design position
ECG의 복층화 설계 시 일사 투과특성
건물단위에서의 ECG 복층화 방법 성능평가를 위해 표준 중소형 업무용 건물 내 남측 3개의 구역을 대상으로 동-하절기 기간 내 최대 일사발생일 및 연간 일사 투과특성을 비교하고 각 case별 총 냉난방장치용량을 산출하여 ECG의 복층화 효과를 검증하였다. 기본적으로 ECG는 하절기 기간 내 착색, 동절기 기간 내 탈색 상태 조건을 적용하였다. Figure 4는 상기 ECG의 착/탈색 조건에 따라 동/하절기 최대 일사발생일에 대해 base case 및 각 case별 남측 구역의 시간별(오전 8시~오후 6시) 일사 투과량을 나타낸 것이다. 먼저, Figure 4의 a)에서 하절기 대표 특성일의 ECG가 착색 상태일 경우 case 1, 3과 같이 ECG를 외부 측에 설치를 통해 시간별 평균 최대 93.97%(base 1 대비)의 일사차단 성능이 확보되었다. ECG가 내부 측에 설치된 Case 2, 4는 base 2(low-e 복층 유리조합) 대비 일평균 4,508 W의 일사량이 추가 유입되나, 맑은 복층 유리조합(base 1)에 비해 43.55% (▼9,226 W)의 일사차단이 가능하였다. 이를 통해 하절기 기간에는 착색된 ECG의 낮은 투과율과 적정 전/후면 반사율 특성을 적극 활용하는 방안이 냉방절감에 유리할 것으로 판단된다.
Figure 4의 b)는 동절기 대표 특성일의 유리 조합별 시간별 일사분포를 나타낸 것으로 base 1, case 2, case 1 순으로 일사유입 성능이 우수하였으며 이외 case 3, case 4, base 2 순으로 나타났다. 건물 내 일사유입 측면에서 높은 투과율을 가진 맑은 유리와 조합 시 일사확보가 유리하였으며 특히, case 2와 같이 맑은 유리의 외부 측 설치를 통해 base 1 대비 일평균 투과 일사량 기준 1,823 W (▼9.80%)인 10% 미만의 적은 차이가 나타났다. Low-e 유리를 조합한 base 2, case 3, 그리고 case 4는 low-e 유리의 낮은 투과율과 높은 전면 반사율로 인해 동절기 기간 내 적정 일사확보에 제한적이었다.
상기 동일한 구역을 대상으로 ECG의 복층화 방법에 따른 각 case별 연간 일사 투과특성을 검토하였다. Figure 5는 base case 및 각 case별 월평균 일사 투과량을 나타낸 것으로 일사확보를 위해 동절기(12-2월) 및 중간기(3~5월, 9~11월) 기간의 ECG는 탈색, 하절기 기간(6~8월) 내 ECG는 착색상태를 유지하여 일사유입 최소화 조건을 유지하였다. 계절별 월평균 일사 투과 분석결과, 하절기 기간 내 case 1, 3과 같이 착색상태의 ECG를 외부 측에 설치한 경우 월평균 463 W의 일사량이 투과되어 일사 투과량이 가장 높은 base 1(월평균 7,645 W) 대비 93.94%의 유입 일사를 차단하였다. Case 4의 경우에서도 base 1 대비 62.76%의 일사 차폐가 가능하였으며 이는 low-e 복층 유리조합(base 2)과 5% 미만의 성능차이를 의미한다. 탈색된 ECG를 설치한 동절기의 경우 대표 특성일과 동일하게 월평균 기준 base 1 (13,044 W), case 2 (11,765 W), case 1 (8,506 W) 순으로 일사 투과량이 산출되었으며 이는 높은 투과율을 가진 맑은 유리 사용 시 일사유입이 유리하다는 것을 의미한다. 특히, case 2는 base 1과 1,279 W의 차이로 모든 case 중 일사확보에 가장 유리하였으며 이를 통해 동절기 최대일사 확보 및 적정 실내 열환경 유지를 위해서는 맑은 유리의 높은 투과율과 내부 측 설치한 ECG의 반사율 특성을 적절히 조합하는 것이 필요하다.
중간기 기간 내 각 case별 특성 비교결과, 먼저 case 3, 4의 경우 평균 일사 투과량 차이가 585 W로 ECG의 내/외부 설치위치의 영향이 10.87%로 차이가 크지 않았으나, case 1, 2의 경우 ECG의 내/외부 설치위치에 따라 case 3, 4의 평균 일사량 차이는 44.32%의 큰 성능차이가 발생하였다. 이는 Table 3, 4에서 제시한 각 case별 열-광학적 특성을 통해 case 3, 4는 각 유리의 일사 투과율(low-e 유리 - 0.209, ECG (clear) 유리 - 0.301)의 일사 투과특성 차이가 적고 조합 시 유사한 광학적 특성(SHGC, SC)이 반영된 결과로 판단된다. 반면, case 1, 2에서는 맑은 유리의 일사 투과율(0.757)과 ECG의 일사 투과율(0.301) 차이로 인해 ECG의 설치위치 영향도가 높으며 조합 시 case 1의 광학적 특성(SHGC=0.517, SC=0.595)과 case 2의 특성(SHGC=0.659, SC=0.758)이 일사 투과특성에 영향도가 높은 것으로 판단된다.
냉난방장치용량 산정
앞서, 분석된 ECG의 복층화 조합에 따른 유리의 일사 투과 특성은 실제 건물의 에너지소비특성에 반영될 뿐만 아니라 HVAC시스템의 장치용량산정 시 중요요인으로 작용한다. Table 5는 전체 건물을 대상으로 산정한 각 base case 및 case별 냉난방장치 용량을 나타낸 것으로 하절기 기간 내 ECG의 착색, 동절기 기간 내 탈색된 ECG를 적용하였다. 먼저, 냉방장치용량은 case 1, 2와 같이 맑은 유리와 ECG 조합 시 base 1 대비 평균 119,700 W (▽22.49%)의 냉방장치 용량이 절감되었으며 case 1인 ECG (tint)의 외부 설치 시 최대 33.43%(base 1 대비), 14.50%(base 2 대비)의 장치용량 저감이 가능하였다. Low-e 유리 조합(case 3, 4)의 경우 base 1 대비 28.68%, base 2 대비 8.40%의 장치용량이 감소하였다. 특히, 일사 투과율이 가장 적은 ECG (tint)의 외부 설치(case 3) 시 base 1 대비 34.88%, base 2 대비 16.37%의 냉방장치용량을 줄일 수 있었다. 각 case별 냉방장치용량 비교결과, ECG (tint)를 외부 측에 설치한 case 1, 3에서 맑은 복층 유리 조합(base 1) 대비 평균 34.16%의 냉방장치용량을 절감할 수 있었으며 이는 ECG의 착색 시 낮은 투과특성을 통해 일사유입을 적극적으로 차단한 결과로 판단된다.
Table 5.
HVAC system sizing load with different ECG combination by typical medium office building
* ECG is tinted state for cooling season, cleared state for heating season
각 case별 난방장치용량은 ECG (clear)와 맑은 유리 조합(case 1, 2) 시 base 1 대비 평균 14.56%의 난방장치용량이 감소하였으며 특히, ECG 외부 설치(case 1) 시 최대 18.93% 감소하였다. 이는 base 1과 case 1, 2의 U-value 값이 각각 2.692, 1.863으로 case 1, 2의 높은 열성능을 통해 난방장치 용량절감이 가능한 것으로 판단된다. ECG (clear)와 low-e 유리 조합의 경우 U-value 값은 base 2 (1.671) 대비 case 3, 4 (1.695)가 낮은 열 성능으로 인해 난방장치 용량이 평균 3.82% 증가되었으나, base 1에 비해 26.73%의 난방장치 용량이 절감되었다. 각 case별 냉난방장치 용량 비교결과, ECG를 외부 측에 설치(case 1 ,3) 시 냉난방부하 저감에 가장 효과적이며 특히, ECG+low-e 유리 조합(case 3)을 통해 맑은 복층 유리(base 1) 대비 냉방장치 기준 34.88%, 난방장치 기준 25.80%의 용량 절감이 가능하였다.
결 론
본 연구에서는 ECG, 맑은 유리, low-e 유리의 파장별 기본 특성을 통해 맑은 복층 유리 및 low-e 복층 유리 내 ECG의 복층화 위치에 따른 열-광학적 성능 특성을 비교하고 이를 표준 중소형 업무용 건물에 적용하여 동-하절기 기간 내 일사 투과 및 냉난방장치용량 등의 건물응답 특성을 분석하였다. 먼저, ECG의 복층화 위치에 따른 열-광학적 성능 특성 중 열적 특성(U-value)의 경우 ECG+low-e 유리 조합 시 ECG+맑은 유리 조합 대비 높은 열성능을 나타냈으며 유리 설치위치와 ECG 착-탈색 여부와 관계가 없었다. 광학적 특성(SHGC, SC, Tvis) 비교결과, 투과율이 낮고 전면 반사율이 높은 ECG (Tint), low-e 유리, ECG (clear), 맑은 유리 순으로 외부 측에 설치할수록 SHGC, SC, Tvis 값이 적게 나타났으며 이는 복층화 설계 시 일사차단 성능이 높은 유리를 외부 측에 설치할 경우 일사차단에 효과적인 것을 의미한다. 건물단위에서의 ECG 복층화 방법을 검증하기 위해 중소형 업무용 건물을 대상으로 동-하절기 기간 내 최대 일사특성일과 연간 일사특성을 분석하고 case별 총 냉난방장치용량을 산정하였다. 기본적으로 계절에 관계없이 각 case별로 ECG의 착-탈색 여부, 복층화 위치가 일사 투과특성에 가장 영향도가 높았으며 맑은 유리 조합 시 low-e 유리 조합 대비 시간별 평균 일사확보가 유리하였다. 특히, 맑은 유리 조합 시 ECG의 내/외부 설치위치의 영향도가 높았으나, low-e 유리 조합 시 ECG의 위치에 따른 영향이 크지 않았다. 이후, ECG의 복층화 방법에 따라 건물 전체의 냉난방용량 장치를 비교하였다. 하절기 기간 내 외부 측에 설치한 ECG (tint)와 low-e유리의 조합은 착색된 ECG의 낮은 일사투과 특성 기반의 일사유입차단을 통해 냉방부하 저감에 가장 효과적이었으며 유리 조합 시 높은 열성능을 통해 난방장치용량 절감측면에서도 우수하였다.
상기 수행된 연구를 통해 ECG 복층화 설계 위치는 열-광학적 특성 뿐만 아니라 건물 적용시 냉난방 부하 특성에도 중요한 요소임을 시사한다. 향후, 해당 연구결과를 기반으로 다양한 건물유형에서의 성능검증을 수행하고 경제적/환경적 측면에서의 최적 유리조합을 모색하고자 한다.
