서 론

최근 들어 오피스 건물에서 경량 커튼월 건물이 늘어나면서 여름철 최대 냉방부하가 증가하고 냉방에너지 소비량이 점차 늘어나고 있다(Yoon, 2013). 이에 국내외에서 오피스 건물에서 최대 냉방부하를 저감시키는 방안으로서 구체축열시스템(Thermally Activated Building System, TABS)를 적용하는 방안이 연구되고 있다(Rijksen, 2010). TABS는 일반적으로 슬래브 구조체 내에 수배관을 매설하는 복사냉난방시스템의 한 유형으로서, 건물의 냉난방 시 구조체의 축열 특성을 이용하여 주간의 냉난방 수요를 효과적으로 관리할 수 있다(ISO 11855-4, 2012). 이에 오피스 건물에 TABS 적용을 위한 설계 및 제어, 운전방식에 대해 많은 연구가 이뤄지고 있다(Olesen, 2012; Arteconi, 2014; Chung, 2018). 기존 연구에 따르면 TABS는 구조체의 축열 성능을 활용하여 시간 지연반응이 나타나기 때문에 냉방부하가 최대로 도달하는 시간을 분산시킬 수 있으며(Olesen, 2006), 대류방식의 HVAC 시스템과 달리 수배관을 통해 냉온수를 직접 실내에 면한 구조체에 전달하기 때문에 반송 동력을 저감할 수 있는 에너지 효율적인 시스템이다(B. Lehmann, 2011). 그러나 TABS는 고온 다습한 우리나라의 기후 특성에서 냉방운전시 표면에 결로가 생기는 문제가 발생할 수 있으며, 방열면이 과도하게 온도가 낮거나 높은 경우 발생하는 온열 쾌적 문제로 인해 설계 용량에 제약이 있다(Lim, 2014). 이에 TABS을 활용하여 실내 냉난방 부하를 안정적으로 제거하기 위해서는 HVAC 시스템과 통합 설계, 운전하는 방안이 고려되고 있다. HVAC 시스템과 TABS를 통합 적용하는 경우, 지열원 히트펌프시스템을 이용하거나 지중열교환기를 직접 연결하여 운전(Free Cooling)하는 방식을 적용함으로써, 연간 에너지 소비량 및 에너지 비용을 크게 절감할 수 있다(Gantiez, 2012). 그러나 실제 오피스 건물에서는 재실공간 내에서 TABS의 동적인 반응 특성 및 시스템 상호간의 제어 및 운전 특성을 고려한 설계기준이 적용되어야 하고(Chung, 2018), TABS와 HVAC 시스템의 운전 조건을 고려한 실내 온열 환경 특성 및 TABS의 방열 특성에 대한 고려가 필요하다. 그러므로 본 연구에서는 오피스 건물에서 TABS와 HVAC 시스템을 통합 적용하였을 때, TABS의 운전 조건에 따른 실내 온열 환경 특성 및 TABS의 방열 특성을 분석하고자 하였다. 기존 연구 고찰을 통해 시뮬레이션 프로그램을 활용한 각각의 해석 조건 및 해석 결과를 분석함으로써, TABS의 동적인 운전 조건 및 오피스 건물의 실내외 부하조건을 모사하기 위한 모델링 방안을 도출하였다. 2차원 비정상 전열해석 프로그램(Bistra)을 이용하여 TABS가 설치된 오피스 건물을 대상으로 실내외 부하특성을 고려한 2차원 모델을 구성한 후, TABS 운전조건에 따른 실내 환경 특성 및 TABS 방열 특성을 분석하였다.

시뮬레이션 프로그램 선정

선행 연구 고찰

기존 국내외 연구에서는 TABS의 열적 성능을 평가하기 위해 동적 시뮬레이션 프로그램을 활용하여 TABS의 방열 특성, 온도 분포, 에너지 성능 등을 하였다(Rhee, 2015). TABS 난방 시의 온수 공급온도 및 설계유량의 변화에 따른 방열량을 평가한 연구(Lim, 2012)에서는 3차원 비정상상태 전열해석 프로그램(Voltra)을 이용하여 TABS가 설치된 하나의 슬래브를 3차원으로 모델링한 후 유량과 공급 온도를 변화시켜 방열면에서의 설계 방열량, 방열면 내 위치에 따른 표면 온도, 환수 온도, 공급 온도를 분석하였다. Voltra 프로그램은 하나의 부위에서의 정밀 전열해석이 가능한 프로그램으로 3차원적으로 발생하는 온도 변화를 확인할 수 있다. 기존 연구에서는 전열해석을 통한 온도 변화와 방열 특성만을 도출하고 공간 내 공기 유동을 고려한 실내 온도 특성을 고려하지 않았다. TABS가 적용된 실내 공간에서 열쾌적 특성을 평가하기 위한 연구(Catalina, 2009)에서는 실제 실험실 공간에서의 실험과 함께 CFD (Computation Fluid Dynamics) 시뮬레이션을 수행하여 실내 수직 온도와 PMV 특성, 실내 공기의 유동 특성을 분석하였다. CFD 프로그램은 유체의 운동을 수치해석으로 계산하는 프로그램으로 설정 존 내의 온도 분포와 공기 흐름을 세밀하게 확인할 수 있으나, 일정한 표면 온도를 경계조건으로 하여 외부 부하조건 및 축열을 고려하지 못하고 열평형을 계산한다. UFAD (Under Floor Air Distribution)와 TABS를 통합 적용한 경우, 실내 환경 및 에너지 성능, 실내 쾌적 특성을 분석한 기존 연구(P. Raftery, 2012)에서는 에너지 시뮬레이션 프로그램(Energy Plus)을 활용하여 UFAD와 TABS 통합 적용된 실내 공간을 가진 건물을 모델링하였으며, 실온, 월별 에너지 소비량, MRT 등을 분석하였다. Energy Plus와 같은 동적 에너지 시뮬레이션 프로그램은 에너지소비 특성은 물론, 하나의 존에서 전반적인 실내 환경 변화를 분석할 수 있지만, 특정한 존 내부의 세밀한 분포 특성을 확인할 수 없다. 앞선 연구와 다르게 전열해석 프로그램을 사용하여 실내 온도 분포를 분석한 기존 연구(Lee, 2018)에서는 천장거치형 흡음패널이 설치된 공간 내에서 TABS를 냉방 운전하였을 때 TABS의 방열 특성과 실내 온도 분포를 분석하였다. 이를 위해 2차원 비정상상태 전열해석 시뮬레이션 프로그램(Bistra)을 활용하여 TABS와 TABS가 설치된 2차원 공간에서 실내에서 발생하는 발열과 실내 공기의 유동 속도를 모델링하여 TABS의 방열량과 실내 공기 수직 온도 분포를 도출하였다.

본 연구에서는 TABS와 HVAC 시스템이 통합 적용된 오피스 건물에서에서 실내 온도 분포와 방열량을 분석하고자 하였다. Figure 1과 같이 일반적으로 오피스 건물에서 HVAC 시스템과 TABS가 통합 적용되는 경우, 실내부하 및 일사의 영향으로 재실시간동안 실내 냉방 부하 특성이 달라지게 되고, 이로 인해 재실 공간 내에서 실온의 수직/수평적인 분포도 달라지고, TABS의 방열 특성이 달라지게 된다. 이러한 특성을 분석하기 위해 본 연구에서는 선행 연구에서 활용된 동적 시뮬레이션 프로그램의 해석 방법과 해석 결과를 분석함으로써 TABS가 설치된 공간과 실내외 부하조건에 대한 모델링이 가능하며 실온 분포를 도출할 수 있는 2차원 비정상상태 전열해석 프로그램(Bistra)을 선정하여 TABS의 운전 조건에 따른 실내 온열 환경 특성을 분석하기 위한 모델링 방안을 도출하였다. 그리고 TABS와 HVAC 시스템을 통합 적용한 오피스 건물을 모델링을 진행하고 실내 온열 환경을 분석하였다.

Figure 1.

The office building with TABS and HVAC system

프로그램 해석 이론 및 모델링 방법

Bistra 프로그램은 2차원 비정상상태 전열해석 프로그램으로 구조체의 동적인 전열 특성과 실외 환경 조건(일사 및 외기 온도)의 변화 및 실내 공간 내에서의 기류 이동을 모사할 수 있는 프로그램이다. 구조체나 외피에서 발생하는 동적인 열전도 해석을 위해 각 재료(material)의 열전도율, 비열, 밀도 등 열적인 특성을 입력하면 삼각분할법(Triangulation)을 이용하여 하나의 재료(material)를 삼각형 모양으로 매우 작게 분할한다. 삼각분할법은 복잡한 다각형을 단순한 삼각형 형태로 분해하여 전열 해석 알고리즘을 적용하기 위한 최소 노드로 활용하는 것이다. Bistra 프로그램은 물체의 동적 거동을 수치적으로 근사하기 위해서 미분방정식을 대수방정식으로 바꾸어 해(solution)을 구하는 해석 기법인 유한차분법(Finite difference method)을 사용한다. 프로그램에서 하나의 삼각형은 하나의 노드로 인식되며, 매 계산 시간마다 시간가중함수를 이용하여 Crank-Nicolson 방법에 따라 각 노드의 온도를 계산한다.

Bistra 프로그램 내 대류 해석에서 하나의 공기층(air mass)은 하나의 노드로 계산되기 때문에 세밀한 계산을 위해서는 여러 개의 공기층으로 나누어 계산을 진행할 수 있다. 실내 거주 공간에서 실내 온열환경 특성을 분석하기 위해서 공간을 여러 개의 수직/수평의 공기층 노드로 구분하고, 공기층 노드간 기류 이동을 모사하였다. 공기층 노드간 기류 이동을 모사하기 위해 인접하는 공기층 노드에서 상호간 이동하는 단위시간당 풍량(㎥/s)을 입력하여 공기가 혼합되는 것으로 가정하였다. 구조체 표면에서 대류열전달(Q_conv)은 다음 식(1)과 같이 표면의 면적(A), 표면 온도(𝜃_s), 대류열전달계수(h_c)에 의해 결정된다. 이 식에서의 대류열전달계수는 사용자가 직접 설정하거나 열류의 방향에 따라 다르게 산정된다. 만약 열류 방향이 주어지지 않는 경우에는 다음 식(2), (3)을 이용해 계산된다(ISO 10077-2, 2012). 여기서 Δ𝜃_sa은 공기 온도와 표면 온도 차이 중 최대값이고, 𝜃_a은 공기 온도이며, 𝜃_smin과 𝜃_smax는 각각 주어진 공기층의 경계면에 인접한 표면의 온도 중 최소값, 최대값이다.

     (1)

     (2)

     (3)

실내 공간 표면에서의 복사 열전달은 표면 노드 사이에서의 형태 계수(View factor)를 이용하여 상세하게 계산된다. 표면 노드 사이의 형태 계수를 계산하기 앞서 무작위로 두 표면 위의 점에서 테스트 광선(test ray)를 사용하여 두 표면 노드 사이의 장애물 존재 여부를 판단한다. 두 개의 표면 노드 사이에 장애물이 없는 경우에 대해서 프로그램 내 알고리즘을 통해 형태 계수를 자동으로 계산하고 이를 복사 열전달 해석에 이용한다. Bistra 프로그램에서 표현할 수 있는 실외 조건은 외벽을 통한 전열 부하와 창호를 통한 일사 부하만 가능하다. 외벽을 통한 전열 부하는 외기(outdoor air)로 설정된 공기층 노드에 외기온 데이터를 온도 함수로 입력하면 외벽 구조체를 통해 실내로 동적인 열전달이 진행된다. 창호를 통한 일사 부하는 외기로 설정된 공기층 노드를 태양복사를 고려할 수 있는 외기존(solar zone)으로 설정하고 전 일사량 및 확산 일사량 데이터를 일사 함수에 입력하여 반영한다. 일사 함수와 지역의 위도, 경도를 입력하면 시간별 태양의 위치를 고도, 방위각으로 계산하고, 대상 공간의 방향을 입력하면 태양의 입사각도에 따라 외벽 또는 창호에 도달하는 일사량을 계산한다. 벽체나 창호에 입사된 직달 일사는 태양의 위치와 수평면 입사 직달 일사량을 토대로 계산된다. 벽체나 창호에 입사된 확산 일사는 프로그램 내 알고리즘을 이용해 천공 가시성(sky visibility)을 계산한 후, 벽체나 창호 표면의 경사도를 고려하여 계산된다.

본 연구에서는 재실 기간동안 대상 공간에서의 내부 발열 부하특성을 고려하여 실내 온열환경 변화를 분석하고자 하였다. 실내 부하를 모사하기 위해 재실 공간 영역 내의 공기층 노드 내부에 미소 발열노드를 설정하고, 그 표면에서 공기층 노드 내부로 열류(heat flux,W/㎡)가 방출하는 것으로 가정하였다. Bistra 프로그램에서는 공기층 노드 내부에 가상의 공기층(air cavity)를 모델링하고 이 공기층을 등가 열전도율(equivalent thermal conductivity)을 갖는 하나의 재료로 해석하도록 설정하였다. 미소 발열노드에서의 발열량은 전부 대류 열전달(convective power)을 통해서만 공기층 노드에 전달된다고 가정하였다.

본 연구에서는 TABS와 HVAC 시스템을 동시에 운전하는 경우에 대한 열전달을 해석하고자 하였다. TABS는 슬래브 구조체 내 배관에 유체를 통과시켜 구조체의 온도를 변화시키고 방열면을 통한 복사 열전달 및 방열면 주위의 공기와 대류 열전달로 실내 부하를 제거한다. Bistra 프로그램에서는 배관, 구조체의 열적 특성들을 반영하여 물과 배관 사이, 배관과 구조체 사이에 발생하는 전도 열전달을 계산한다. 그리고 TABS 구조체 내부에 매설된 배관 내부의 열전달은 공급되는 냉수의 온도 및 유량 조건을 고려하여 배관 내 종합열전달계수(global surface heat transfer coefficient)를 산출하여 입력하였다. TABS 방열량은 재실 공간 내 TABS 방열면과 다른 표면 노드 사이의 형태 계수를 자동 계산하여 복사 열전달을 계산하고, 식(1)을 이용해 TABS 방열면과 실내 공기층 노드에서의 대류 열전달을 계산한다. HVAC 시스템은 전공기 시스템으로 냉방 시 냉각코일을 통과한 저온의 공기가 디퓨저를 통해 거주공간으로 공급되어 실내 부하를 제거한다. 이를 모사하기 위해 실내에서 일반적인 디퓨저(Air diffuser)가 설치되는 지점의 공기층 노드에서 HVAC 시스템 운전시 시간에 따라 열(Q,W)이 제거되는 것으로 가정하였다. HVAC 시스템의 운전 시에는 디퓨저에서의 공기 확산 속도를 감안하여 단위시간당 풍량을 산정하여 입력하였고, HVAC 시스템의 비운전시에는 거주공간에서의 자연대류에 의한 기류 속도를 감안하여 단위시간당 풍량을 산정하여 입력하였다.

시뮬레이션 계획

대상 공간 모델링 및 분석 항목

본 연구의 대상 공간은 TABS와 HVAC 시스템이 통합 적용되어 있는 오피스 건물로서, Figure2와 같이 커튼월 시스템을 통해 들어오는 외부 환경의 영향과 실내 발열 부하의 영향을 반영하기 위해 6 m × 3.4 m의 2차원 공간을 모델링하였다. 슬래브 하부에는 천장거치형 흡음 패널이 천장 마감재로 설치되는 것으로 가정하였다(Lee, 2018). HVAC 시스템은 AHU (Air Handling Unit)에서 냉각된 공기가 실내 디퓨저를 통해 공급되는 것으로 가정하였으며, 일사 부하의 영향과 재실자 스케줄을 고려하여 8시부터 18시까지 작동되는 것으로 가정하였다. AHU의 디퓨저는 천장 마감 높이인 2.7 m에 설치되어 냉각된 공기가 하부로 확산되고, 냉방 운전시 디퓨저 유니트당 50 W의 현열부하를 제거하는 것으로 가정하였다. 실내 부하 중 인체 부하, 기기 부하는 거주역 높이인 0~1.2 m에서 9시부터 18시까지 발생한다고 가정하였다. 인체 발열은 120 W/인으로 가정하였고(ISO 7730, 2005), 기기 발열은 8.07 W/㎡ (ASHRAE Standard 90.1, 2016)으로 가정하였다. 조명 발열은 상부에서 HVAC 시스템이 바로 제거해준다고 가정하여 고려하지 않았다. 실외 부하 조건은 한국태양에너지학회에서 제공하는 표준 기상 데이터에서 여름철 서울지역 전 일사량, 확산 일사량, 외기 온도를 추출하여 입력하였다. TABS의 축열 성능을 고려하기 위해 2일(48시간)동안 시뮬레이션을 수행하였고 2일째 시뮬레이션 결과를 분석하였다. 시뮬레이션 대상 날짜는 우리나라의 여름철 기후를 고려하여 외기온이 높고 일사량이 큰 날을 선정하였고 Figure3과 같은 기후 특성을 보인다.

본 연구에서는 TABS의 운전 방식에 따른 방열 특성과 실내 온열 환경을 분석하기 위해 TABS 하부로의 방열량, 실내 공기 온도 분포를 도출하였다. TABS 방열 특성은 방열면에서의 단위 면적당 방열량을 10분단위로 구하여 시뮬레이션 대상 날짜 하룻동안 방열량 변화로 평가하였다. 실내 공기 온도는 방열면에서의 거리에 따른 수직적 분포와 커튼월 외피로부터 일사의 영향에 따른 수평적 분포를 보고자 실내 공기 노드를 Figure 2와 같이 수직적, 수평적으로 나누어 공기 온도를 분석하였다.

Figure 2.

Scheme of internal load, HVAC system and position of evaluations

Figure 3.

Outdoor temperature and solar radiation input data

평가 대안

심야전력을 이용하여 야간에 TABS를 운전하는 경우 야간에 구조체를 축열하여 주간의 냉방피크부하를 줄이고 전력의 소비를 분산시킬 수 있으며 저렴한 심야전기를 이용함으로써 경제적인 냉방 운전을 도모할 수 있다(Lim, 2016). 이를 위해 TABS는 냉수온도를 일정하게 연속적으로 운전하거나, 실내 부하 특성을 고려하여 간헐적으로 운전되고 있다. 또한 실내외 부하변화에 따라서 TABS에 공급하는 냉수의 온도를 조절하여 적절한 실내 온도를 유지하는 방법이 제안되고 있다.

본 연구에서는 TABS와 HVAC 시스템이 통합 적용된 오피스 건물에서 위와 같은 TABS의 운전 방식을 적용하였을 때, 실내 온열 환경 특성 및 TABS 방열 특성을 비교하고 분석하고자 한다. 우선 HVAC 시스템과 TABS를 통합 적용시 실내 온열 환경 특성을 확인하기 위해, Table 1과 같이 냉방 운전하지 않는 대안(C0_null), HVAC 시스템 냉방 운전하는 대안(C1_HVAC), HVAC 시스템과 TABS를 통합하여 냉방 운전하는 대안(C2_FT20)으로 비교 대상을 구성하여 시뮬레이션을 수행하였다. 그리고 HVAC 시스템과 통합 적용하였을 때, TABS의 간헐적인 운전방식을 TABS 공급냉수 온도를 제어하는 운전방식과 실내 온열 환경 및 방열 특성을 비교 분석하기 위해 각각 비교대안을 구성하여 시뮬레이션을 수행하였다. TABS의 간헐적 운전 방식은 24시간 연속운전(C2_FT20), 간헐적 주간 운전(C3_DT20), 간헐적 야간 운전(C4_NT20)으로 구분하고, 공급냉수 온도 조절에 따른 운전방식은 외기보상제어(C5_FTout), 야간 deep-cooling(C6_NT17), 주간 deep-cooling(C7_DT17)으로 구분하였다. 실외 온도를 고려하여 공급수의 온도를 제어하는 외기보상 제어의 경우 Figure 4과 같이 외기온도에 따라 공급 냉수온도의 설정값이 달라지는 것으로 가정하였다. TABS 방열 특성을 비교하기 위해 24시간 동안 시간당 TABS 하부 방열면에서의 방열량을 분석하였고, 대안별 실내 온열 환경을 분석하기 위해 외주부 1.5 m 위치인 한 점에서의 24시간 동안 공기 온도 변화와 TABS 하부 방열면의 표면 온도 변화를 살펴보았다.

Table 1. TABS and HVAC system operation conditions of test cases

Figure 4.

Supply water temperature with outdoor reset control (C5_FTout)

시뮬레이션 결과 분석

TABS 통합 적용에 따른 실내 온열 환경 분석

TABS와 HVAC 시스템을 통합 적용시 실내 온열 환경을 분석하기 위해 HVAC시스템 냉방 운전스케쥴에 따라 수직 온도 분포를 비교하였으며, 일사의 영향을 고려하기 위해 냉방운전 중 외주부와 내주부의 온도 분포를 비교하였다. HVAC 시스템을 운전하기 전(오전 6시)과 HVAC 시스템을 운전 정지한 후(오후 8시)의 수직 온도 분포를 살펴보면(Figure 5 (a), (b), (e), (f)), 수직 높이에 따른 온도 차이가 거의 나타나지 않았으나, 냉방운전 중(오후 2시)에는 Figure 5 (c), (d)와 같이 약 4℃ 이내의 온도 성층화가 나타났다. 이는 주간의 재실자 거주시간동안 0~1.2 m 높이에서 실내 부하가 발생하고 2.7 m 높이에서 실내 부하가 제거되기 때문이다. 특히 냉방운전 중 내주부의 수직온도분포를 살펴보면(Figure 5(c)), 천장마감재(FHAP) 하부의 온도는 다소 높게 나타났다. 이는 TABS 방열면에 인접한 공기층에서는 FHAP가 설치됨으로 인해 공기 유동에 제약이 있어 온도가 조금 높게 나타난 것으로 판단된다. 냉방 운전 전에는 일사 유입이 없고 외기온에 의한 전열부하가 크지 않기 때문에 내주부와 외주부의 온도 차이가 발생하지 않았으나, 냉방운전 중 일사유입으로 인해 냉방 부하가 크게 증가하는 경우에는 내주부와 외주부의 온도차가 전체적으로 평균 3.5℃가량 나타났다. HVAC시스템의 냉방 운전을 정지한 경우에는 내주부와 외주부의 온도차가 주간(냉방운전 중)에 비해 다소 줄어들었지만 평균 1℃ 내외로 나타났다. TABS와 HVAC 시스템을 동시에 운전하는 경우에도 내주부와 달리 커튼월과 가까운 외주부는 실온이 최대 28℃까지 상승하는 것으로 나타났으며, 이러한 온열환경 특성으로 인해 외주부에 가까운 재실자에게 불쾌적을 유발할 수 있을 것으로 보인다(Figure 5(d)). 이러한 문제를 해결하기 위해서는 외주부의 일사 유입으로 인한 냉방부하를 제거하기 위해서는 외주부에 별도의 FCU (Fan Coil Unit)를 설치하여 냉방 운전하는 것이 가능하다. Figure 6(a), (b)와 같이 FCU를 외주부에 함께 적용하는 경우에는 일사유입이 큰 외기조건(오후 2시)에서도 내주부 및 외주부의 실온을 쾌적하게 유지할 수 있는 것으로 나타났다.

Figure 5.

Air temperature distributions at different heights and different distances from curtain wall for C0_null, C1_HVAC and C2_FT20

Figure 6.

Air temperature distributions at different heights and different distances from curtain wall for C0_null, C1_HVAC, C2_FT20 and C2’_FT20_FCU

TABS 운전 조건에 따른 실내 온열 환경 분석

다양한 TABS의 운전 조건에 따른 실내 온열 환경 및 방열 특성을 분석하고자 각 대안별로 24시간동안 TABS 방열량 변화와 1.5 m 높이에서의 실온 변화, TABS 표면온도 변화를 분석하였다. Figure 7과 같이 다양한 TABS 운전 조건에 대해서 실온의 변화 및 방열량의 변화는 거의 비슷한 형태로 나타났으나, 표면 온도는 반응 속도가 느려 실온 및 방열량 변화에 비해 진폭이 크지 않았다. Figure 7(a), (b), (c)와 같이 TABS를 간헐적으로 운전하는 경우에는 실내 온도 변화와 방열량 변화 특성이 주야간 운전 특성에 따라 미소한 차이를 보이는 것으로 나타났다. 외기보상 제어를 하는 경우(C5_FTout)와 냉방부하가 크게 나타나는 주간에만 냉수온도를 17℃로 낮춰 공급하는 경우(C7_DT17)의 방열 특성을 비교하면, Figure 7(d), (f)와 같이 오전에는 방열량이 비슷하게 나타나지만, 냉수온도를 낮춰 공급하는 시간에서는 방열량이 증가하는 것을 알 수 있다. TABS 간헐적 운전과 연속 운전을 비교하였을 때 실내 온열 환경 및 방열 특성에서 큰 차이가 발생하지 않기 때문에 심야 전력을 사용하여 경제적인 간헐적인 야간 운전을 선택하는 것이 바람직할 것으로 판단된다. 또한 외기보상제어를 통해 TABS 공급 냉수 온도를 조절하는 방식들을 비교하였을 때, 표면 온도 변화와 실질적인 투자 비용, 관리 등을 고려하여 외기 보상 제어보다 온도를 일정하게 조절하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.

Figure 7.

Heat flow, surface temperature of the TABS and air temperature at perimeter zone at 1.5 m for each cases

야간에 deep-cooling을 하는 경우(C6_NT17)에는 Figure 7(e)와 같이 주간에는 방열량이 C2_FT20과 비슷하지만, 야간에 17℃ 냉수를 공급함으로써 야간에 방열량이 증가하는 것으로 나타났다. 야간에 deep-cooling을 하는 경우(C6_NT17), 냉방부하가 거의 발생하지 않는 시간대에 저온의 냉수를 공급하기 때문에 구조체 표면 온도가 18.5℃까지 낮아지는 것으로 나타났다. 반면, 냉방부하가 크게 발생하는 주간에 deep-cooling을 하는 경우(C7_DT17)의 경우에는 TABS 표면 온도가 20~22℃ 내외로 유지되는 것으로 나타났다. TABS 냉방 운전시 주간에 냉방부하가 증가하면서 실온이 상승하지만, TABS 표면 온도는 반응 속도가 느려 HVAC 시스템 운전 초기에 TABS 표면 온도와 실온의 차이가 크게 된다. 야간에 TABS 냉방 운전시에는 HVAC시스템을 작동하기 바로 직전까지 제습이 이뤄지지 않기 때문에 표면결로 발생 가능성이 크게 증가하게 된다. 외기 환경 조건에 따라 야간에도 건물외피를 통해 다습한 외기가 유입되기 때문에 HVAC시스템 냉방운전 시작 전 실내 노점온도 변화를 예측하여 야간의 TABS 냉방 운전 및 제습 방안을 도출하는 것이 필요할 것으로 판단된다.

결 론

본 연구에서는 오피스 건물에서 TABS와 HVAC 시스템을 통합 적용하였을 때, TABS의 운전 조건에 따른 실내 온열 환경 특성 및 TABS의 방열 특성을 분석하였다. 그 결과, 주간에 냉방운전 중에는 약 4℃ 내외로 수직온도의 성층화가 나타났으며, 커튼월을 통한 일사유입으로 인해 내주부와 외주부의 온도차가 전체적으로 3.5℃가량 나타났다. 외주부 냉방부하를 제거하기 위해 FCU를 함께 운전하는 경우, 내주부 및 외주부의 실온을 쾌적하게 유지할 수 있는 것으로 나타났다. TABS 간헐적 운전과 연속 운전을 비교하였을 때 실내 온열 환경 및 방열 특성에서 큰 차이가 발생하지 않기 때문에 심야 전력을 사용하여 경제적인 간헐적인 야간 운전을 선택하는 것이 바람직할 것으로 판단된다. 또한 외기보상제어를 통해 TABS 공급 냉수 온도를 조절하는 방식들을 비교하였을 때, 표면 온도 변화와 실질적인 투자 비용, 관리 등을 고려하여 외기 보상 제어보다 온도를 일정하게 조절하는 것이 바람직할 것으로 판단된다. 야간에 TABS 냉방 운전시에는 HVAC시스템을 작동하기 바로 직전까지 제습이 이뤄지지 않기 때문에 표면결로 발생 가능성이 크게 증가하게 되므로, HVAC시스템 냉방운전 시작 전 실내 노점온도 변화를 예측하여 야간의 TABS 냉방 운전 및 제습 방안을 도출하는 것이 필요할 것으로 판단된다.