서 론
연구의 배경 및 목적
연구의 범위 및 방법
예비적 고찰
건물 외주부 열쾌적성에 영향을 주는 실내외 환경 요소
외주부에 적용된 천장복사난방패널의 열쾌적성 평가 요소
천장복사난방패널의 열쾌적성 평가를 위한 모델 구축
천장복사난방패널의 열쾌적성 평가 요소 모델링
열쾌적성 평가를 위한 시뮬레이션 조건 설정
시뮬레이션 케이스
천장복사난방패널의 건물 외주부 열쾌적성 평가
열쾌적성 평가 지표
시뮬레이션 결과
천장복사난방패널의 방열조건 설정
열쾌적성을 고려한 천장복사난방패널의 적정 방열조건 설정
천장복사난방패널의 방열 조건 차트
결 론
서 론
연구의 배경 및 목적
대량소비사회가 주를 이루던 현대사회에 다양한 라이프스타일이 등장함에 따라 사람들의 관심은 양에서 질로 이행하며, 삶의 질에 대한 사람들의 관심은 건물 실내에서의 열쾌적성에 대해서도 높은 수준을 요구하게 된다. 이러한 결과, 겨울철 대류난방시스템의 토출 기류로 대한 불쾌감의 개선을 위해 복사난방시스템이 대체시스템으로 적용되고 있다(Joe, 2018). 특히, 코로나 19로 인해 불특정 다수의 사람들이 이용하는 사무소 등과 같은 건물에서는 기류 흐름에 의한 코로나 19의 전파 상황에 대해 더 민감해지고 있으며, 겨울철 난방을 위해 천장면이나 창문 근처에 설치된 대류난방시스템에서 토출된 기류가 코로나 19의 주요 전파 원인으로 여겨지면서 복사난방시스템의 필요성은 더 커지고 있다.
복사난방시스템이 건물 난방을 위해 적용되는 대류난방시스템을 대체하기 위해서는 외부주의 부하 변동에 빠르게 대응하여 다운드래프트(downdraft)와 같은 불쾌적을 유발하지 않고, 외주부의 난방 부하를 처리할 수 있는 방열량을 확보해야 한다. 일반적으로 사무소 건물에는 천장복사난방패널의 형태로 적용되기 때문에 외부주의 부하 변동에 대한 대응은 가능하다. 그러나 자연 대류의 원리에 의해 열을 공급하여 차가운 기류와의 열교환 효과로 실내를 난방하기 때문에, 외주부에서 담당해야 하는 난방 부하를 처리하기에 충분한 열량을 공급하여 부하 변동에 대응하면서 다운드래프트를 발생시키지 않는지에 대한 검토가 필요하다. 이에 본 연구에서는 천장복사난방패널이 외주부에서 담당해야 하는 난방 부하를 처리하면서 동시에 쾌적성을 확보할 수 있는지에 대해 건물의 다양한 실내외 환경 조건에 따른 열쾌적성을 평가하고 외부주에 적용 가능한 천장복사난방패널의 방열 조건을 제시하고자 한다.
연구의 범위 및 방법
본 연구에서는 건물 외주부에 영향을 주는 실내외 환경 조건과 천장복사난방패널의 방열 특성에 대해 고찰하고 이를 바탕으로 시뮬레이션 모델을 구축하였다. 그리고 열쾌적성 평가를 위해 도출된 조건에 따라 시뮬레이션을 수행하여 천장복사난방패널의 적정 방열조건 설정을 위한 데이터를 수집하고, 수집된 데이터의 분석을 통해 천장복사난방패널의 외주부 열쾌적성을 확보할 수 있는 최적 방열 조건을 제시하였다(Figure 1).
예비적 고찰
건물 외주부 열쾌적성에 영향을 주는 실내외 환경 요소
겨울철 외주부에서는 실내 공기보다 온도가 낮은 외기로 인해 외부로의 열손실이 나타나게 되며, 이에 따라 창문에 근접해있는 공기는 차가운 창문의 영향을 받아 냉각되면서 하강하게 된다(Shia-hui, 1995). 이때 냉각된 공기가 하강하여 재실자에게 직접 도달하게 되면 다운드래프트라 불리는 불쾌적을 유발할 수 있다(Heiselberg, 1994).
건물의 외주부는 외기에 면하는 부분으로 Figure 2와 같이 외부로의 열손실1), 일사열 등과 같은 부분의 영향을 받지만 인체, 조명, 기기와 같은 내부 발열의 영향도 받게 되고, 이러한 실내외 환경 요소의 영향이 혼합되어 재실자의 열쾌적성에 영향을 준다. 또한 내부발열에 의한 따뜻한 기류는 상대적으로 낮은 유체의 밀도로 인해 상승하여 천장면을 따라 창문 측으로 흘러가 하강하게 되므로2), 창문 근처에서의 하강기류를 증폭시켜 다운드래프트를 더 심화시킨다(Joe et al., 2018). 그리고 건물에서의 침기는 차가운 기류의 재실영역 유입을 증폭시켜 재실자의 쾌적성에 영향을 줄 수 있으므로 이에 대해서도 고려해야 한다.
이와 같이 난방기간을 기준으로 보면, 실내외 환경요소는 Figure 3과 같이 건물 외주부의 열쾌적성에 긍정적으로 작용하는 요소와 부정적으로 작용하는 요소로 구분할 수 있다. 열쾌적성에 긍정적으로 작용하는 요소는 건물에서의 열획득과 관련된 요소라 할 수 있으며, 여기에는 일사열획득(Solar heat gain)과 내부발열(Internal heat gain)이 있다. 일사열획득은 외부에서, 내부발열은 내부에서 실내 및 재실자에 열을 공급해주기 때문에 건물 열획득 측면에서 비중이 높을 뿐만 아니라, 난방기와 같이 외부 온도가 낮은 시기에는 재실자의 열쾌적성을 향상시킬 수 있다(Jeong et al., 2016). 그러나 내부발열의 경우, 천장효과로 인해 창문 근처에서 하강하는 기류를 증폭시켜 다운드래프트의 발생을 심화시킬 수도 있으므로, 외주부에서의 열쾌적성에 부정적으로도 작용할 수 있다.
외주부에 적용된 천장복사난방패널의 열쾌적성 평가 요소
Joe et al. (2017)의 연구에 따르면, 천장복사난방패널이 건물 외주부의 난방부하를 담당하기 위해서는 대류난방시스템의 내외주부 조닝과 같이 분할 난방의 형태로 외주부의 부하만 담당할 수 있는 방열량으로 적용하거나, 천장면 전체에 적용하여 내외주부의 부하를 동시에 담당할 수 있는 방열량으로 적용해야 한다. 천장복사난방패널의 방열량은 패널의 표면온도와 방열면적에 따라 달라지므로(Park et al., 2020), 천장복사난방패널의 외주부 적용을 위해서는 난방 부하 제거를 위해 요구되는 열량과 이에 따른 표면온도 및 방열면적을 고려해야 한다. 따라서 Figure 4와 같이 외부환경조건과의 차이로 인한 실내의 열환경 변화와 실내 환경 요소의 영향 그리고 난방 부하의 제거 및 열쾌적성 확보를 위해 요구되는 천장복사난방패널의 방열량을 고려한 평가가 필요하다. 또한 천장효과로 인해 재실자의 쾌적성에 부정적으로 적용하는 않는 방열 조건을 설정해야 한다.
천장복사난방패널의 열쾌적성 평가를 위한 모델 구축
천장복사난방패널의 열쾌적성 평가 요소 모델링
천장복사난방패널이 적용된 건물 외주부에서의 열쾌적성 평가 결과와 방열조건이 일반적으로 적용 가능한 데이터로서의 가치를 지닐 수 있도록 Table 1과 같은 서울 소재 사무소 건물의 평균 공간 범위를 도출하고, 이 범위에 해당되는 특정 공유오피스 구역 8.1 m × 9 m × 2.7 m (w × d × h)을 대상 공간으로 설정하였다.3) 그리고 내부발열의 영향은 Table 2와 같이 표준 발열량을 기준으로 조명을 제외한 인체와 기기와 같은 발열체는 통합하여 대상공간과 유사하게 배치하였다. 또한 실내외 환경을 정밀하게 분석할 수 있도록 상용 CFD 시뮬레이션 프로그램인 Star CCM+를 활용하였으며, 열쾌적성 평가 모델의 정확도를 향상시키고, 창문 표면의 온도 편차 및 그에 따른 온도 구배를 반영할 수 있도록 실외 환경을 모델링하여 외피와의 열교환 조건을 설정하였다. 이때 창면적비는 차가운 창문으로 인한 재실자의 불쾌적이 발생할 가능성이 높은 상황에서 천장복사난방패널을 적용하였을 때 재실자의 쾌적성을 확보할 수 있다면, 이보다 나아진 상황에서는 불쾌적이 발생하지 않을 것이므로 100%를 설정하였다.
Table 1.
Average space range of office buildings
| Classification | Description |
| Ceiling height | 2.7 m ~ 3.3 m |
| Depth of space | Maximum 12 m |
| Unit model (structure module by column) | 9 m x 12 m |
| Occupation density | 0.1 person/m2 ~ 0.2 person/m2 |
Table 2.
Input value of Internal heat gains
| Classification | Description | ||
| value | Reference | ||
| People | 70 W |
Seated, very light work, Sensible Heat (ASHRAE, 2021) | |
| Lighting | 54.675 W |
The value obtained by converting the total heat gain of lighting in the targe office, which is 12 W/m2, into a value per unit area. | |
| Equipment | Computer | 95 W |
Conservative value, Including monitor (ASHRAE, 2021) |
| Printer | 110 W | Conservative value (ASHRAE, 2021) | |
| Shape |
Integrated model |  | |
열쾌적성 평가를 위한 시뮬레이션 조건 설정
천장복사난방패널의 열쾌적성 평가는 외기온이나 창문의 단열성과 같은 외부 환경 조건과 그에 따른 방열조건이 일반적으로 적용 가능한 데이터로 제시되어야 한다. 일반적으로 건물에서의 난방 부하는 외부 온도와 열관류율, 외피의 면적이 중요하게 작용하는데, 면적은 창면적비를 의미하는 것으로 100%를 기준으로 설정하였기 때문에 결국 외부 환경 조건은 외기온과 창문의 열관류율에 따라 어떻게 변화하는지 판단해야 한다. 앞서 분석한 외주부에서의 열전달 매커니즘에 따르면, 외기온과 창문의 열관류율은 창문의 내측면 표면온도에 영향을 미치게 되어 차가운 공기 및 하강 기류가 형성되므로 외부 환경 조건이 실내에 미치는 영향을 대표하는 것은 창문의 실내측 표면 온도라 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 외부 환경 조건의 변화 양상에 대해 창문의 실내측 표면 온도를 기준으로 범위를 설정하고 각 범위에 해당하는 외부 환경 조건을 향후 시뮬레이션 케이스에서 외부 환경을 모델링하는데 필요한 입력값을 설정하도록 하였다.
창문의 실내측 표면온도는 식 (1)과 같이 계산할 수 있으며, 창문의 실내 측 표면 온도는 열관류율에 따라 일정하게 줄어든다. 이를 선형 회귀 분석하여 일반화시키면 식 (2)를 도출할 수 있으며, 이를 통해 창문의 열관류율에 따른 외기온의 차이를 구할 수 있다.
여기서, 는 각각 창문 실내측 표면온도(℃), 창문 실외측 표면온도(℃), 실내온도(℃), 실외온도(℃)이고, 는 각각 창문의 열저항(m2℃/W), 파사드 전체 열저항(m2℃/W)이며, 는 창문의 열관류율(W/m2℃)이다.
외기온은 쾨펜의 기후 조건 구분중에서 극한 기후 (너무 춥거나 너무 더운 기후 조건)를 제외하고 온대 기후와 냉대 기후를 갖는 지역에서 최대 난방 부하 계산 시의 외기온과 겨울철의 평균 외기온을 선정하였다. 또한 창문의 열관류율은 최근 3년간 신축되거나 리모델링된 건물에서 가장 많이 적용되는 로이유리의 열관류율 및 건물의 단열성을 위해 권장되는 창문의 열관류율값을 선정하였다. 이와 같이 선정된 결과에 따른 창문의 실내 측 표면 온도의 결과는 Table 3과 같다.
Table 3.
Inner surface temperature of window by outdoor conditions
Uglaz [W/m2℃] to [℃] | 1.75 | 1.15 | Index |
| -16.7 | 10.559℃ | 13.796℃ | Tisw 10.5 |
| -11.3 | 11.968℃ | 14.709℃ | Tisw 12.0 |
| -5.9 | 13.477℃ | 15.622℃ | Tisw 13.5 |
| -0.2 | 14.926℃ | 16.585℃ | Tisw 15.0 |
그리고 천장복사난방패널의 방열량은 패널의 방열면적과 단위면적당 공급열량과의 관계로 표현할 수 있는데 패널의 필요 열량 즉, 방열량은 패널 표면 온도로 나타낸다. 패널의 표면 온도는 천장복사난방패널의 방열 특성을 분석한 ASHRAE4)와 EN5)에 제시하고 있는데, 패널의 방열량은 표면온도로 산정하여 평가하는 경우에는 EN의 수식이 표면온도의 계산에 유리하므로 식 (3)을 활용하여 계산하였다.
여기서, 는 각각 천장복사난방패널의 방열량(W)과 표면온도(℃)이다.
시뮬레이션 케이스
본 연구에서는 창문 및 창문 근처의 공기 그리고 외주부에 적용된 천장복사난방패널의 방열 조건 사이의 관계성을 분석하여 열쾌적성을 확보할 수 있는 기본적인 방열 조건을 도출하기 위한 시뮬레이션 케이스를 Figure 5와 같이 선정하였다. 그리고 건물의 실내 환경 요소의 영향을 반영한 평가를 위해 내부발열 모델도 구현하였다. 내부 발열은 실내에 열을 공급하는 개념이기 때문에 재실자의 쾌적성 측면에서는 긍정적으로 작용할 수 있지만, 실내과열, 천장효과 등으로 인해 부정적으로 작용할 수 있으므로 열쾌적성 측면에서 허용 가능한 내부 발열의 명확한 기준이 제시되어야 한다. 따라서 내부발열로 인한 냉방부하가 가장 높은 경우를 기준으로 하여 냉방부하가 점점 작아질수록 재실자의 열쾌적성이 어떻게 달라지는지를 평가하기 위한 케이스도 선정하였다. 또한 내부 발열로 발생된 냉방 부하가 난방 부하를 상쇄시켜 천장복사난방패널의 방열량이 작아지는 경우에도 열쾌적성을 확보할 수 있는지에 대한 시뮬레이션도 추가적으로 수행하였다. 상세한 시뮬레이션 케이스는 Table 4와 같다.
Table 4.
Thermal output conditions and load ratio of Cases
천장복사난방패널의 건물 외주부 열쾌적성 평가
열쾌적성 평가 지표
건물 외주부에서의 열쾌적성은 다운드래프트로 인한 불쾌적, 패널의 방열면 및 차가운 창문과 재실자 사이의 열교환에 의한 복사불쾌적(Radiant Asymmetry Temperature, RAT)을 지표로 평가할 수 있다(Joe et al., 2017). 본 연구에서는 다운드래프트 평가를 위해서는 기류로 인한 불쾌적함을 느끼는 사람의 비율을 계산하는 draft rate을 활용하였다.
draft rate은 온도, 기류 속도 그리고 난류강도의 영향을 받으며, 식 (4)와 같이 계산한다. 6)
여기서, 은 다운드래프트로 인한 불쾌감을 느끼는 사람의 비율(%), 는 각각 실내온도(℃), 기류속도(m/s), 난류강도(%)이다.
그리고 복사불쾌적은 천장복사난방패널의 방열면과 방열면적 그리고 차가운 창문면의 영향을 반영할 수 있도록 Wang et al. (2009)에서 제시된 복사열교환이 이루어지는 표면 사이의 형상계수를 이용하여 계산하는 식 (5) 를 활용하여 평가하였다.
여기서, 는 특정 면의 온도(K), 는 특정 구역의 평균복사온도 (K)그리고 는 특정면의 형상계수(무차원수)이다.
시뮬레이션 결과
건물 외주부에 적용된 천장복사난방패널의 열쾌적성을 평가하고 재실자의 열쾌적성을 확보할 수 있는 천장복사난방패널의 방열 조건을 설정하기 위하여 패널의 방열 조건에 따라 재실영역이 시작되는 지점(창문으로부터 1 m 떨어진 지점)에서의 draft rate과 draft rate의 ISO (2005)에서 제시한 기준 범위 이하로 내려가는 지점(Class A 기준), 즉 열쾌적성을 확보할 수 있다고 판단할 수 있는 지점을 기준으로 평가하였다. 또한 다운드래프트와 같은 국부적인 불쾌감은 차가운 기류가 재실자의 피부에 직접 닿게 되면, 피부로부터의 열을 빼앗겨 냉각효과로 인하여 차가움을 느끼게 되는 것이므로 외부에 노출된 신체 부위에서 기류로 인한 불쾌감의 가능성이 높으므로 재실자가 앉아서 작업할 때 노출되는 부위인 발목 높이 0.1 m와 목 높이 1.2 m를 평가 지점으로 선정7)하였다. 그리고 천장복사난방패널의 높은 표면온도로 인한 열쾌적성도 분석하기 위하여 복사불쾌적값도 계산하였으며, 이러한 시뮬레이션 결과는 Table 5와 같다.
Table 5.
Results of simulation
| Case | Draft rate1)[%] | Position2) [m] | RAT3) [℃] | ||
| H 0.1 | H 1.1 | H 0.1 | H 1.1 | ||
| A_01 | 20.89 | 20.14 | 6.0 | 5.6 | 1.28 |
| A_02 | 18.89 | 17.89 | 6.2 | 5.8 | 1.26 |
| A_03 | 19.48 | 18.58 | 6.2 | 5.8 | 1.25 |
| A_04 | 22.08 | 21.13 | 8.2 | 7.6 | 1.24 |
| A_05 | 17.19 | 16.48 | 3.4 | 3.2 | 0.95 |
| A_06 | 17.01 | 16.34 | 3.2 | 3.2 | 0.93 |
| A_07 | 17.68 | 16.71 | 3.6 | 3.4 | 0.93 |
| A_08 | 18.51 | 17.65 | 5.4 | 5.0 | 0.92 |
| A_09 | 14.48 | 13.22 | 2.2 | 2.0 | 0.44 |
| A_10 | 14.72 | 13.44 | 2.2 | 1.8 | 0.43 |
| A_11 | 14.77 | 13.88 | 2.0 | 1.4 | 0.43 |
| A_12 | 15.03 | 14.21 | 2.4 | 1.6 | 0.43 |
| A_13 | 11.55 | 10.25 | 1.2 | 1.0 | 0.25 |
| A_14 | 11.54 | 10.21 | 1.4 | 1.2 | 0.25 |
| A_15 | 11.57 | 10.47 | 1.2 | 1.2 | 0.25 |
| A_16 | 11.59 | 10.57 | 1.2 | 1.2 | 0.25 |
| B_01 | 12.27 | 11.89 | 1.8 | 1.6 | 0.89 |
| B_02 | 12.57 | 12.25 | 1.8 | 1.6 | 0.88 |
| B_03 | 12.79 | 12.33 | 1.8 | 1.8 | 0.88 |
| B_04 | 13.55 | 13.17 | 2.2 | 2.0 | 0.87 |
| B_05 | 9.89 | 9.62 | 0.8 | 0.8 | 0.37 |
| B_06 | 10.02 | 9.79 | 1.2 | 1.0 | 0.37 |
| B_07 | 10.12 | 9.88 | 1.2 | 1.0 | 0.37 |
| B_08 | 10.47 | 10.03 | 1.2 | 1.2 | 0.36 |
| B_09 | 14.55 | 14.01 | 2.2 | 2.0 | 0.88 |
| B_10 | 14.58 | 14.12 | 2.4 | 2.0 | 0.88 |
| B_11 | 14.98 | 14.56 | 2.4 | 2.2 | 0.88 |
| B_12 | 15.54 | 15.02 | 2.8 | 2.6 | 0.87 |
| B_13 | 11.75 | 11.47 | 1.8 | 1.6 | 0.37 |
| B_14 | 11.85 | 11.55 | 1.6 | 1.4 | 0.37 |
| B_15 | 11.95 | 11.63 | 1.6 | 1.6 | 0.37 |
| B_16 | 12.17 | 11.82 | 2.0 | 1.8 | 0.36 |
| C-01 | 22.78 | 22.42 | 2.8 | 2.6 | 0.26 |
| C-02 | 22.45 | 22.32 | 2.8 | 2.4 | 0.27 |
| C-03 | 22.98 | 22.85 | 3.0 | 2.6 | 0.27 |
| C-04 | 25.25 | 24.98 | 4.4 | 4.0 | 0.28 |
외부 환경 조건에 따른 천장복사난방패널의 다운드래프트를 평가한 시뮬레이션 케이스 A의 결과들을 살펴보면, 창문으로부터 1 m 떨어진 지점의 draft rate 수치가 기준점을 상회하였으며, downdraft가 기준점 이하로 내려가는 지점이 실내 깊숙이 발생하였다. 또한 패널을 좁은 면적에서 높은 온도로 방열하는 경우에도 draft rate의 수치가 높게 나타났다. H 0.1 m와 H 1.1 m의 수치가 유사한 결과로 볼 때, 이는 천장효과로 인해 창문 근처로 기류가 재유입되어 차가운 기류가 상대적으로 높은 기류속도를 갖고 실내로 유입되었기 때문으로 판단된다. 또한 천장면 전체에서 방열을 한 경우에는 drate rate의 기준점 이하가 되는 수치가 실내 깊숙이(8.2 m, 7.6 m) 나타났는데, 이러한 결과로 미루어볼 때 외부 환경 조건이 악조건일 경우에는 상대적으로 좋은 면적에서 높은 온도를 방열을 해주는 것이 downraft를 저감하는데 있어서는 더 유리하다.
한편, 외부 환경 조건이 일반적인 수준일 경우(외기온이 높아졌거나 창문의 단열성능이 향상된 경우)에는 천장복사난방패널을 좁은 면적에서 높은 온도로 방열할 때 draft rate의 수치가 가장 낮게 나타났다.
이는 앞선 경우와 마찬가지로 창문 부근의 차가운 공기와 천장복사난방패널에서 방열되는 따뜻한 공기가 혼합되어 기류 속도는 높이지만, 창문 부근에서 하강하여 실내로 유입되는 공기의 온도가 높아져서 draft rate의 값이 낮게 나타난 결과로 판단된다.
내부발열의 영향을 반영한 시뮬레이션 케이스 B의 결과들을 살펴보면, 내부 발열이 실내의 발열체로 작용하였기 때문에 공기의 온도를 상승시켜 다운드래프트로 인한 불쾌감을 저감시키는 결과를 가져왔다. 내부 발열로 인한 발생된 기류가 천장면으로부터 창문측으로 유입되어 기류의 속도를 상승시켜 차가운 기류의 흐름을 증폭시킬 수도 있을 것으로 판단하였으나, 시뮬레이션의 결과로 볼 때는 기류 속도의 상승보다 공기를 가열시키거나 열을 공급한 영향이 더 커서 재실자의 쾌적성 관점에서는 내부 발열로 인한 영향은 긍정적(positive)이라 판단할 수 있다. 그리고 실의 냉방 부하를 난방 부하에 포함시키게 될 경우 시뮬레이션 케이스 C의 결과로 확인할 수 있듯이 창문 근처에서 충분한 열을 공급하지 못하여 창문 근처에서의 공기의 냉각 현상 및 하강 기류가 재실자의 불쾌감을 유발할 수 있을 정도로 높은 draft rate 수치를 나타내었다.
복사불쾌적(RAT)의 결과를 살펴보면, 대부분의 경우에서 기준보다 낮게 나타났다. 특히, 천장복사난방패널이 외주부에 적용될 때 좁은 면적에 높은 표면 온도로 적용될 경우에는 복사불균등으로 인한 불쾌적이 심하게 나타날 것으로 판단되었으나 시뮬레이션 결과는 예상과 일치하지 않았다. 이러한 결과는 천장복사난방패널의 경우 높은 온도로 적용되었다 할지라도 적용되는 방열 면적이 넓지 않고 차가운 창문 부근에 설치되었기 때문에 차가운 창문과 따뜻한 천장복사난방패널의 영향을 동시에 받으므로 패널의 높은 온도로 인한 불쾌감이 상쇄되었다고 볼 수 있으며, 또한 천장복사난방패널의 경우에는 천장 면의 형상계수가 작기 때문에 온도가 높더라도 재실자와 패널간의 복사열교환 효과가 크지 않기 때문에 복사불균등으로 인한 재실자의 불쾌적이 발생하지 않았다고 판단된다.
천장복사난방패널의 방열조건 설정
열쾌적성을 고려한 천장복사난방패널의 적정 방열조건 설정
열쾌적 평가 시뮬레이션 결과에 따르면, 건물의 실내요소인 내부발열이나 복사냉방패널의 적용 등은 재실자의 열쾌적에 긍정적으로 영향을 미친다. 따라서 외부 환경 조건과 천장복사난방패널의 방열 조건간의 관계가 기본이 된다고 할 수 있으므로 외부 환경의 영향을 받는 차가운 창문과 천장복사난방패널의 방열 조건과의 관계성을 분석하였다. 천장복사난방패널이 적용된 공간에서 다운드래프트가 발생하지 않았다고 판단되는 지점은 Figure 6과 같으며, 재실영역 시작 지점인 창문을 기준으로 1 m 떨어진 지점에서의 draft rate 분포는 Figure 7과 같다.
외부 환경 조건에 상관없이 천장복사난방패널을 부분적으로 적용하는 것이 열쾌적성 관점에서 유리하며, 외부 환경 조건이 보통 수준 정도로 확보가 되면 천장복사난방패널을 천장면 전체에 적용하는 것도 가능하다. 그러나 천장복사난방패널의 방열 면적에 따른 비교는 상대적 평가일 뿐 외부 환경 조건이 혹독한 경우에는 창문 근처에서의 다운드래프트수치가 높으므로 downdraft free zone 즉, 다운드래프트로 인한 재실자의 불쾌감이 기준점 이하라고 판단할 수 있는 지점이 실의 안쪽 깊은 부분에서 나타났다. 이는 천장면에서 방출하는 따뜻한 기류가 창문에서 발생되는 하강기류를 증폭시켜서 기류 속도를 상승시키고 이로 인해 다운드래프트의 발생을 심화시킨 결과라 할 수 있다. 그러나 방열면을 부분적으로 적용하면, 창문 근처의 차가운 기류에 충분한 열이 공급되므로 하강하는 기류의 속도가 상승하더라도 차가운 기류가 하강하는 것이 아니라 상대적으로 덜 차갑거나 따뜻한 기류가 하강하여 재실영역으로 유입되게 되므로 유입된 기류로 인해서 재실자가 불쾌감을 느끼지 않게 되는 결과로 나타난다.
천장복사난방패널의 방열 조건 차트
천장복사난방패널을 외주부에 적용하고자 할 때, 상대적으로 높은 표면온도로 천장면에서의 방열을 통해서 창문 근처에 있는 공기를 가열해줄 수 있는 지점이 천장복사난방패널의 적정 방열 범위라 할 수 있으며, 이를 위해 좁은 면적, 높은 표면온도에서 방열 면적을 점점 상승시키는 방향으로 방열 조건을 설정하는 것이 유리하다. 즉, 표면 온도가 높을수록, 난방 부하값이 클수록 패널과 창문 사이의 온도차가 커져 기류 속도가 증폭되며 이에 따라 다운드래프트의 발생 가능성이 높아지므로, 창문의 내표면 대표온도값과 천장복사난방패널의 표면 온도와의 관계를 기본으로 방열 조건이 설계되어야 한다. 그리고 외주부에 적용되는 천장복사난방패널의 열쾌적성을 확보할 수 있는 방열 조건을 제시하기 위해 차트의 형태로 표현하였다. 본 방열조건 차트 내에서 열쾌적성을 확인할 수 있도록 창문의 내표면 대표온도값과 천장복사난방패널의 표면 온도 변화에 따라 재실영역이 시작되는 1 m 지점에서의 draft rate 을 제시하였다.
외부 환경 조건에 따른 천장복사난방패널의 방열 조건은 Figure 8과 같으며, 외부 환경 조건에 따른 천장복사난방패널의 방열 조건에 내부 발열의 영향이 반영되면, 내부발열량에 따라 Figure 9와 같이 패널의 방열 조건이 변화한다. 천장복사난방패널이 외주부에 적용된 경우, 패널의 배치 위치에 관계없이 내부 발열량에 따라 draft rate값이 일정하게 감소하는 경향을 나타내고 있다. 이는 내부 발열이 적용된 경우에는 난방 부하나 외부 환경 조건에 관계없이 내부 발열로 인한 열공급량에 따라 draft rate의 비율을 일정하게 저감할 수 있다는 것을 의미한다. 다만, 난방부하 계산시 내부발열을 공급열량으로 판단하여 천장복사난방패널의 방열량을 설정한 경우에는 재실영역 시작지점에서의 draft rate 수치가 일정한 경향을 나타내고 있다. 이는 패널의 열공급이 충분하지 못하기 때문에 재실자의 쾌적성이 창문의 차가운 기류와 내부 발열량에 따라 결정되어서 나타난 결과로 불 수 있다.
결 론
본 연구는 열쾌적성 측면에서 천장복사난방패널의 외주부 적용 가능성을 평가하는 것을 목적으로, 겨울철 열손실이 발생하는 외부환경 조건과 내부발열과 같이 열획득으로 작용하는 실내 환경 조건에 따른 기류 혼합 양상을 분석하여 천장복사난방패널의 최적 방열 조건을 제시하였다. 본 논문의 결과를 요약하면 다음과 같다.
(1)외부 환경 조건의 기준이 완화될수록 창문의 내표면 온도와 천장복사난방패널의 표면 온도와의 차이가 감소하여 단위 면적당 상대적으로 작은 방열량으로도 재실영역에서의 draft rate 수치를 감소시킬 수 있었다. 이는 창문면과 패널 방열면의 온도차이가 클수록 단위면적당 높은 열량은 공급해 줄 수 있지만 이로 인해 하강 기류의 속도가 상승하여 상대적으로 차가운 기류가 재실영역으로 더 깊게 유입되는 결과라고 할 수 있다.
(2)Radiant asymmetry는 온도만의 문제가 아니라 온도와 그에 따른 방열면의 면적이 중요한 요소로 작용한 결과로 볼 수 있는데, 천장복사난방패널이 높은 온도로 적용되더라도 이때의 방열면적이 복사불쾌적을 일으킬 정도도 크지 않기 때문에 천장복사난방패널의 높은 방열면 온도로 인한 불쾌적의 문제는 발생하지 않았다.
(3)천장복사난방패널의 표면 온도와 창문의 실내 측 표면의 대표 온도간의 차이를 바탕으로 외부 환경 조건의 변화에 따른 천장복사난방패널의 방열 조건을 내부발열의 영향에 따라 구분하여 차트로 제시하였다. 본 차트에서 실내외 환경 요소 각각의 영향을 반영한 △t에 따른 draft rate 그래프를 통해 천장복사난방패널의 적정 방열 범위를 설정할 수 있으며, 본 연구에서 평가하지 않은 조건에 대해서도 예측할 수 있다.
(4)본 연구에서 제시된 방열량차트를 통해 천장복사난방패널을 적용하고자 하는 대상 공간의 창문 열관류율과 설계 외기온에 따라 창문의 실내 측 표면온도의 대푯값을 계산하고 대푯값에 따라 포함되는 범위를 선정한 후 난방 부하를 계산하여 외부 환경 조건을 설장할 수 있다. 또한 적용하고자 하는 천장복사난방패널의 외주부 적용 면적을 산출하고 패널의 방열량과 표면 온도를 계산하는 것이 가능하다. 이와 같이 외부 환경 조건과 패널 면적이 산출되면 천장복사난방패널이 건물 외주부에 적용될 때, 다운드래프트와 같은 불쾌감을 최소화하면서 필요 방열량을 확보할 수 있는 패널의 방열조건을 도출할 수 있다.
본 연구는 시뮬레이션을 기반으로 예측된 결과라는 한계가 있다. 따라서 실험을 통한 검증 및 열쾌적에 대한 빅데이터 분석을 통하여 천장복사난방패널의 적용성에 대한 추가적인 연구를 진행하고자 하며, 냉방시스템이 적용된 경우에 대한 비교 평가도 필요하다고 판단된다.
