서 론

건물에서 냉난방설계를 진행함에 있어서 저온난방·고온냉방 시스템(Low temperature Heating and High Temperature Cooling system)을 활용할 경우 건물 에너지절약에 효과적이다(REHVA, 2007). 우리나라의 온수온돌 복사난방방식과 같은 수배관 방식의 복사냉난방시스템이 바로 대표적인 저온난방·고온냉방 시스템이다. 이 중 구체축열시스템(Thermally Activated Building System, 이하 TABS)은 슬래브 구조체 내에 수배관을 매설하여 냉난방 운전과정에서 구조체의 축열성능을 활용하는 복사냉난방시스템의 한 종류이다(ISO, 2012). TABS는 적절한 운전 및 설계를 통해 피크부하를 낮출 수 있으며 이를 통해 1차 에너지요구량을 감축할 수 있다는 이점이 있다(Dominguez, 2017). 그러나 TABS는 실내 부하를 제거하기 위해 구조체의 방열면(Active surface)을 통해 복사 또는 대류 열교환이 이뤄지기 때문에, 인체 및 실내 공간과 가능한 넓은 면적이 노출될수록 방열량이 커지고, 전체적인 방열 효율이 높아진다. 그러나 일반적인 슬래브 구조체는 흡음률이 낮은 콘크리트로 시공되기 때문에 실내 공간에서 구조체 표면이 많이 노출될수록, 소음 및 잔향 문제로 실내 음환경(Acoustic environment) 측면에서 불리해진다(Weizmann, 2008). 그러므로 TABS가 적용되는 공간에서는 적절한 음환경을 위하여 흡음재 설치가 필요하다. 일반적으로 흡음재는 천장 전체에 부착되는데, TABS가 적용된 공간에서는 흡음재가 천장에 전체적으로 부착되는 경우, TABS의 방열성능에 영향을 미칠 수 있다(Muet, 2013). 따라서 TABS 설계 및 현장적용을 위해서는 천장거치형 흡음 패널(Free hanging acoustic panels, FHAP)이 TABS의 방열성능에 미치는 영향을 이해하는 것은 필요하다.

본 연구에서는 천장거치형 흡음패널의 설계조건에 따른 냉방운전 시 TABS의 방열 특성을 분석하고자한다. 이를 위하여 실제 TABS 및 천장거치형 흡음패널이 설치되어 있는 이화여자대학교 ECC (Ewha Campus Complex) 건물의 강의실을 대상공간으로 하여, 다양한 설계조건에서 2차원 비정상상태조건의 전열해석 시뮬레이션을 수행하였다. 흡음패널을 적용하여 적절한 실내 음환경을 유지하는 조건 하에 설계 조건에 따른 다양한 시뮬레이션 케이스를 선정하였다. 각 케이스별 방열 성능을 평가하고 이에 따른 실내 온열 환경을 분석하여 흡음 패널의 설계조건에 따른 방열 특성을 살펴보고자 하였다.

시뮬레이션 개요

시뮬레이션 대상 공간 및 TABS 개요

본 연구에서는 실제 TABS가 적용된 건물인 이화여자대학교 ECC건물의 강의실을 대상공간으로 시뮬레이션을 수행하였다. ECC건물은 대학건물이며 강의실·열람실 등의 교육시설뿐만 아니라 영화관·식당 등의 다양한 시설로 구성되어있는데, 이 중 강의실 및 복도공간에 TABS가 적용되어 운전하고 있다. 시뮬레이션 대상공간인 강의실의 면적은 192 ㎡ (8 m x 24 m)로 층고는 3.4 m이며, 지하 2층에 위치해있다. TABS에서 배관은 직경 20 ㎜로 재료는 폴리에틸렌이며, 천장면으로부터 125 ㎜ 상부에 150 ㎜ 간격으로 매입되어있다. 슬래브의 바닥마감은 목재 플로링 20 ㎜이며 하부에 압출법 보온판 50 ㎜이며 콘크리트 325 ㎜ 로 구성되어있다. 대상 공간 및 TABS에 대한 자세한 사항은 Figure 1에 나타나있다.

Figure 1. Overview of ECC (a) Interior view of lecture room in ECC B2 (b) Detailed cross-section of actual applied TABS

천장 거치형 흡음패널의 설계 대안

일반적인 건물에서는 슬래브 하부에 배관이나 덕트, 전기 조명 등 다양한 설비들이 설치되기 때문에 천장 하부에 흡음재(천장면 전체를 가리는 형태)를 전체적으로 설치하고 있다. TABS가 적용된 건물에서는 실내 공간으로의 대류 및 복사열전달을 고려하기 위해서 방열면인 천장면이 실내 공간에 직접적으로 노출되어야 하는데, 이로 인해 천장 방열면의 특성에 따라서 실내 음환경 문제가 발생할 수 있다. TABS가 적용된 건물에서 적절한 실내 음환경을 유지하기 위해서는 천장 거치형 흡음 패널을 천장 방열면 하부에 설치함으로써 적절한 실내 음환경을 유지하면서 천장면 하부로의 방열성능을 확보할 수 있다. 일반적으로 천장 거치형 흡음 패널은 설치 형태에 따라 Figure 2와 같이 수평형(Horizontal Panel), 수직형(Vertical Panel, Baffel) 두 종류로 나눌 수 있다. 보통 흡음 패널은 천장면 아래의 설비배관, 배선 설치 및 적절한 유지보수를 위해서 천장면으로부터 300 ㎜ 아래에 설치된다. 실내에 설치되는 흡음 패널의 재료나 배치형태, 설치 면적비(Coverage ratio) 및 흡음 패널의 개수에 따라 실내 음환경 특성 및 방열특성이 달라진다. 본 연구에서는 수평형 및 수직형 흡음 패널을 대상으로 최적 음환경 설계를 위한 최소 설계 요구조건을 평가하고, 최적 설계 요구조건 범위 내에서 설계 대안을 구성하였다.

Figure 2. General types of free-hanging sound absorption panels (a) Horizontal panels (b) Vertical panels or baffels

일반적으로 적절한 실내 음환경을 유지하기 위해서 음향 설계(Acoustical Design) 과정에서 실내 공간에서의 잔향시간(Reverberation time)을 평가하고 있다. 최적 잔향시간(Optimum reverberation time)은 실의 사용 목적에 따라 범위가 달라지며, 실의 크기(면적이나 체적) 및 실내에서 발생하는 소리의 주파수 특성에 영향을 받는다(Knudsen-Harris, 1950). 기존 문헌에 따르면 오피스, 강의실 등과 같이 사무공간에서 대화가 가능한 최적 잔향시간은 실의 체적에 따라 달라지며 0.70 ~ 1.10 초 정도이다(Knudsen-Harris, 1950). Sabine의 잔향식(Sabine Equation) (1) 과 같이 잔향시간은 해당 실 체적과 각 실내의 흡음력에 따라 결정된다.

여기서 는 은 잔향시간(s), V는 해당실의 체적(㎥), A는 해당실의 흡음력(㎡),을 의미한다. 또한 흡음력은 각 실내 면의 흡음력을 합한 것으로 S 는 각 실내 면의 면적(㎡), α는 각 실내 면의 흡음률을 의미한다.

본 연구에서는 Table 1과 같이 평가 대상 공간(ECC 내 강의실)에서 최적 잔향시간을 만족하기 위한 최소 설계 요구조건을 평가함에 있어서 수평형 및 수직형 흡음 패널을 대상으로 기존 제품 사례를 선정하여 각각 최소 설치 조건을 계산하였다(Ecophon, 2015b). 평가 대상공간의 체적은 652.8 ㎥이며 기존 문헌에 따르면 이에 요구되는 최적 잔향시간은 0.75초 정도이다. 흡음패널 표면의 흡음률은 제품 성능자료를 토대로 천장면에서 300 ㎜ 아래에 위치했을 때 수평형은 0.95, 수직형은 설치간격별 기준 값(설치간격이 300 ㎜인 경우, 0.55)으로 가정하였다. 식 (1) 에 따라 수평형 및 수직형 흡음 패널의 최소 설치 요구량을 계산한 결과, 수평형은 평가 대상 공간에서 최적 잔향 시간을 만족하기 위해 천장 면적의 최소 40% 이상이 설치되어야하고, 수직형은 패널 사이의 간격이 300 ㎜ 이하로 설계되는 경우 최적 잔향시간을 만족하는 것으로 나타났다.

Table 1. Details of Horizontal/ Vertical Panels

TABS의 방열성능은 수평형 및 수직형 흡음 패널의 재료나 설치조건에 따라서 달라진다(Weizmann, 2008). 본 연구에서는 Table 1과 같이 흡음 패널의 재료는 고밀도 유리면이 강판 패널에 포함된 것으로 가정하였으며, 흡음 패널의 배치형태보다는 수평형의 경우 설치 면적비(Coverage ratio), 그리고 수직형의 경우 설치간격(Spacing)을 기준으로 평가 대상의 설계 대안을 가정하였다. Table 2와 같이 최적 잔향시간을 만족하는 범위 내에서 설치 면적비 및 설치간격에 따른 다양한 케이스를 설정하였으며 이에 따른 설치 개수를 가정하였다. Null은 TABS가 적용된 평가대상 공간에서 흡음 패널이 설치되지 않은 조건을 의미한다. 그리고 수평형은 설치면적비를 40~100%까지 4가지로 대안을 설정하였으며, 수직형은 설치간격을 150~300 ㎜까지 4가지로 대안을 설정하였다. 수평형의 설치면적비가 40%일 때와 수직형의 설치간격이 300 ㎜일 때 잔향시간이 각각 0.78, 0.73으로 유사한 흡음 성능을 보이는데 설치 개수는 수평형이 수직형보다 7배 더 많은 것으로 나타난다.

Table 2. Simulation Cases with Horizontal and Vertical Panels

시뮬레이션 해석 프로그램

본 연구에서는 천장거치형 흡음 패널의 설계조건에 따른 TABS의 방열 특성을 분석하고자 Physibel사의 Bistra v3.1을 활용하였다. Bistra는 2차원 비정상 전열해석 프로그램으로서, TABS의 냉난방 운전시 축열 및 방열 특성을 고려한 동적 전열해석이 가능하다. Bistra는 2차원 평면을 삼각형의 매쉬형태(Triangulation)로 나누어 열 해석노드를 구성하고, 계산 타임 스탭에 따라 온도 계산은 Cranck-Nicolson의 유한 차분법을 적용한다. 구조체에서의 전도 열전달은 각 레이어의 열전도율, 비열, 밀도 등 열적 특성을 반영하여 계산되며, 표면에서의 복사 열전달은 형태계수(view factor) 및 표면 방사율, 표면 온도를 고려하여 계산된다. 표면에서의 대류 열전달은 기존 국제표준이나 문헌에서 다양한 실험 결과를 토대로 제시된 경험적인 값을 입력하여 계산된다(BISCO Manual, 2012).

시뮬레이션 조건

본 연구에서는 천장거치형 흡음 패널의 설계 대안별로 TABS 냉방 운전 시 방냉 성능 및 이에 따른 실내 온열환경 특성을 분석하고자 한다. TABS의 방열성능을 보고자 하기 때문에 인접 공간의 영향력은 반영하지 않았으며, TABS가 적용된 강의실의 내주부 공간을 대상으로 시뮬레이션을 수행하였다. 대상 공간에서 천장 슬래브 상부에 시공된 단열재 및 마감재로 인하여 인접공간과의 열전달은 미미하도록 모델링하였다. Figure 3과 같이 내주부 공간을 평가 대상으로 하였으며, 이를 위해 양측 창문으로부터 1 m의 공간을 제외하여 외피를 통한 일사 및 전열 부하는 고려하지 않았으며, 평가대상 공간의 0.1~0.6 m 지점에서 내부 발열이 일정하게 발생하는 것으로 가정하였다.

Figure 3. Heat transfer mechanism and Position of evaluations in the space

Table 3과 같이 각 레이어별 재료 물성치는 EN ISO 12524에 따라 가정하였으며 실제 대상 공간의 조건을 반영하여 모델링하였다. 기존 실측연구를 바탕으로 실제 TABS에서 운전되고 있는 냉수 온도 및 운전조건을 반영하여 각각 18℃로 일정하며, 24시간 연속 운전하는 것으로 가정하였다. 배관 내 냉수의 표면열전달계수는 냉수 온도 및 유속, 배관의 직경과 형태를 고려하여 국제표준에 따라 1838 W/㎡·K 으로 일정하다고 가정하였다(EN ISO 15377-1). 실내 부하는 해당 실의 실제 강의시간 및 재실시간을 고려하여 오전 9시부터 오후 6시까지만 일정하게 발생한다고 가정하였다. TABS의 방열성능을 보고자 하기 때문에 TABS의 축열량 및 냉수온도 및 운전조건을 고려하여 바닥으로부터 0.1~ 0.6 m 위치에서 실내부하는 20 W/m 로 일정하게 발생한다고 가정하였다.

Table 3. Material properties of each layer

시뮬레이션은 각 케이스별로 72시간동안 수행하였고 각 시뮬레이션의 타임스탭은 30분이다. Bistra 프로그램의 특성상 초기 온도는 정상상태 조건 하에 결정되기 때문에 TABS의 동적인 거동을 평가함에 있어서 초기조건이 미치는 영향을 배제하기 위하여 48시간부터 72시간 사이의 시뮬레이션 결과만을 대상으로 분석을 수행하였다. Figure 3과 같이 대상 공간의 바닥으로부터 0.1 m, 0.6 m, 1.1 m, 1.6 m, 2.1 m, 2.3 m, 2.8 m (슬래브와 흡음 패널 사이) 위치에서 각각의 공기온도와 슬래브의 열류(Heat flow)를 평가하였다. 흡음 패널의 설계 대안에 따라 24시간동안의 천장 표면(방열면)에서부터의 열류를 파악하여 TABS의 방열성능을 분석하고자 하였다. 또한 실내 부하 발생 전후의 실내 공간에서의 공기온도 분포를 통해 실내 온열환경 특성을 분석하고자 하였다.

시뮬레이션 결과 및 분석

수평형 흡음 패널의 적용 결과

본 연구에서는 수평형 흡음 패널의 설치면적비에 따라서 대안을 설정하였을 때의 방열성능을 분석하기 위하여 천장 표면(방열면)에서의 방열량(Heat flow)과 누적 방열량(Accumulative Heat flow)을 평가하였다. Figure 4와 같이 24시간 동안의 총 누적 방열량은 모든 시뮬레이션 케이스에서 동일하게 나오지만, 설치면적비가 100%인 대안에서 실내부하가 있는 재실시간(오전9시오후6시)에는 시간별 방열량이 가장 적은 것으로 나타났다. 그러나 설치면적비가 100%인 대안은 공기층의 열저항으로 인해 재실시간 이외(0시부터 9시, 18시부터 24시)에 방열량이 다소 높게 나타났다. 이를 통해 설치면적비가 100%인 대안이 반응속도가 느린 것을 알 수 있다. 재실시간 동안의 방열량을 살펴보면 설치면적비가 0 ~ 70% 인 대안을 비교하였을 때, 패널을 설치하지 않은 대안의 방열량이 가장 많은 것으로 설치면적비가 높을수록 방열량이 적어지지만, 그 차이는 크지 않은 것으로 나타났다. 그리고 최종적인 방열량은 동일하기 때문에 수평형 흡음 패널의 설치면적비는 최종적인 방열량이 아닌 반응속도에 영향을 미치는 것으로 나타났다.

Figure 4. Heat flow and Accumulative Heat flow from Active surface for each case with Horizontal panel

수평형 흡음 패널의 설치면적비에 따라서 대안을 설정하였을 때, 이에 따른 실내 온열 환경을 분석하기 위하여 실내부하에 따른 실내 수직온도 분포를 분석하였다. Figure 5. (a)를 통해 실내 부하 발생 시작시점(9시)에는 모든 시뮬레이션 케이스가 차이가 0.02℃ 이내로 동일한 온도분포를 보였다고 볼 수 있다. 여기서 바닥으로부터 0.1~1.1 m에서 3℃ 이내의 온도 성층화가 나타나는데, 이는 0.1~0.6 m 높이에서 실내부하가 발생한다고 가정하였기 때문이다. Figure 5. (b)를 통해 설치면적비가 100%인 경우가 다른 대안들에 비하여 실내 온도가 3℃ 가량 더 높은 것을 알 수 있다. 설치면적비가 증가할 수 록 전체적인 공기온도가 상승하는 것으로 나타난다. Figure 5. (b)에서 1.1~ 2.1 m 사이에서의 공기온도 분포를 살펴보면 설치면적비가 40%인 대안과 설치면적비가 50%인 대안은 전체적인 온도차이가 0.01℃ 이내로 매우 유사하며 흡음 패널을 설치하지 않은 대안과 0.5℃ 내의 차이를 보인다. 설치면적비가 70%인 대안은 흡음 패널을 설치하지 않은 대안에 비하여 실내 온도가 1℃ 더 높은 것으로 나타났다. Figure 5. (b)에서 2.1~2.8 m 에서의 공기온도를 살펴보면 2.8 m(슬래브와 흡음 패널 사이)에서의 온도는 모든 대안에서 동일하지만 설치면적비가 늘어남에 따라 2.3 m, 2.1 m 높이에서 온도차이가 커짐을 알 수 있었다. 설치면적비가 40~70%인 대안은 2.3 m의 위치에서의 공기온도와 2.1 m의 위치에서의 공기온도가 3℃ 가량 급격하게 증가함을 알 수 있었다.

Figure 5. Air temperature at variable heights for each case with horizontal panels (a) At 9:00 (b) At 18:00

수직형 흡음 패널의 적용 결과

본 연구에서는 수직형 흡음 패널의 설치간격에 따라서 대안을 설정하였을 때의 방열성능을 분석하기 위하여 천장 표면(방열면)에서의 방열량과 누적 방열량을 평가하였다. Figure 6과 같이 24시간 동안의 총 누적 방열량은 모든 시뮬레이션 케이스에서 동일하게 나타났으며, 시간별 방열량 또한 전반적으로 유사한 것으로 나타났다. 흡음 패널을 설치하지 않은 대안의 시간별 방열량이 가장 많은 것으로 나타났으며, 설치간격이 좁아질수록 방열량이 작아지지만 그 차이는 미미하게 나타났다. 즉, 수직형 흡음 패널의 설치간격은 TABS의 방열성능에 큰 영향을 미치지 않음을 알 수 있었다.

수직형 흡음 패널의 설치간격에 따라서 대안을 설정하였을 때 이에 따른 실내 온열 환경을 분석하기 위하여 실내부하에 따른 실내 수직온도 분포를 분석하였다. Figure 7. (a)와 같이 실내 부하 발생 시작시점(9시)에는 모든 시뮬레이션 케이스가 차이가 0.01℃ 이내로 동일한 온도분포를 보였다고 볼 수 있다. 수평형 흡음 패널의 적용결과와 마찬가지로 바닥으로부터 0.1~1.1 m에서 3℃ 이내의 온도 성층화가 나타나는데, 이는 0.1~0.6 m 높이에서 실내부하가 발생한다고 가정하였기 때문이다. Figure 7. (b)와 같이 실내 부하 발생 종료시점(18시)에도 전반적인 온도분포가 유사한 것으로 나타났으며 설치간격이 좁아질수록 전체적인 공기온도가 상승하는 것으로 나타났지만 매우 미미한 차이임을 알 수 있었다. Figure 7. (b)에서 2.1~2.8 m에서의 공기온도를 살펴보면 2.8 m(슬래브와 흡음 패널 사이)에서의 온도는 모든 대안에서 동일하지만, 설치간격이 좁아짐에 따라 2.3 m, 2.1 m 높이에서 온도차이가 발생함을 알 수 있었다.

Figure 6. Heat flow and Accumulative Heat flow from Active surface for each case with Vertical panel

Figure 7. Air temperature at variable heights for each case with vertical panels (a) At 9:00 (b) At 18:00

흡음 패널의 적용 결과 분석

본 연구에서는 수평형 흡음 패널의 설치면적비에 따라서 대안을 설정하였을 때의 방열특성과 수직형 흡음 패널의 설치간격에 따라서 대안을 설정하였을 때의 방열특성을 분석하였다. 이를 통해 수평형 흡음 패널의 설치면적비가 슬래브 표면에서의 방열성능 자체에 큰 영향을 미친다고 보기는 어렵지만, TABS 표면에서 방열되는 시간당 방열량과 누적 방열량을 비교할 때 흡음 패널이 실내 공간과의 복사 열전달 및 대류 열전달에 영향을 미쳐서 반응시간지연이 다소 나타나는 것으로 판단된다. 또한 수평형 흡음패널의 경우, 설치면적비가 50% 이하인 경우, 흡음 패널을 설치하지 않은 설계 대안과 유사한 냉방특성을 나타낸다고 볼 수 있었으며, 수직형 흡음 패널은 설치간격에 따라 방열 성능 및 실내온열환경에 거의 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 즉, 수직형 흡음 패널의 설치 여부와 관계없이 흡음 패널을 설치하지 않은 설계대안과 비교하였을 때 전체적으로 유사한 거동을 보였다.

Figure 8과 같이 유사한 흡음 성능을 갖는 수평형 흡음패널의 설계대안과 수직형 흡음 패널의 설계대안의 실내 부하 발생 종료시점(18시) 의 실내 수직온도분포을 비교한 결과, 설치면적비가 40%인 수직형 패널의 설계대안과 설치간격이 300 ㎜인 수직형 흡음 패널의 설계대안은 흡음 패널을 설치하지 않은 대안을 기준으로 전반적으로 0.3℃가량 높은 온도분포를 보이며 매우 유사한 실내 수직온도분포를 보인다. 이 두 가지 설계 대안은 유사한 흡음 성능과 유사한 실내온열환경 특성을 보이지만, 실내 공간 내 동일한 음환경성능을 유지하기 위해 설치 개수가 크게 차이가 있다. 즉, 유사한 음환경 및 방열성능을 위해서는 수직형 흡음 패널이 수평형 흡음 패널보다 7배 더 많이 설치되어야 한다.

Figure 8. Air temperature at variable heights for each horizontal/vertical panels

결 론

본 연구에서는 천장거치형 흡음 패널의 설계 조건에 따른 TABS의 방열 특성을 평가하고자 실제 TABS가 설치되어있는 ECC건물의 강의실을 대상공간으로 2차원 비정상조건에서 전열해석 시뮬레이션을 수행하였다. 그리고 흡음 패널의 흡음률을 고려하여 잔향시간을 평가하여 적절한 음환경을 설계하기 위해 최적 잔향시간을 만족하는 범위 내에서 수직형 흡음 패널과 수평형 흡음 패널의 평가 대안을 수립하였다. 수평형 흡음 패널은 설치면적비에 따라 4가지 평가 대안에 대하여, 그리고 수직형 흡음 패널은 설치 간격에 따라 4가지 평가 대안에 대하여 평가 모델을 구성하고 시뮬레이션을 수행하였다. 그리고 흡음 패널이 설치되지 않는 대안과 비교하여 방열 성능과 실내온열환경 특성을 분석할 수 있었다. 수평형 흡음 패널의 경우 설치면적비가 50% 이하인 경우 냉방성능에 큰 영향를 끼치지 않는 것으로 나타났다. 수직형 흡음 패널의 경우, 흡음 패널이 설치되지 않은 대안과 유사한 방열특성을 보이며 설치간격이 방열특성 영향을 미치지 않는 것으로 보인다. 그러나 수직형 흡음 패널은 수평형 흡음 패널보다 절대적으로 많은 양이 설치되어야 흡음 성능을 보장할 수 있기 때문에 시공성 및 경제성 측면에서 한계가 있다.