서 론
연구의 필요성
연구 범위 및 방법
기존 일사량 계산 방법
기준에서 제시하는 계산 방법
연구 방법
개선된 일사량 계산 방법
이중창호 해석을 위한 다양한 case 선정
결과 및 토의
Case별 이중 창호의 일사량 투과율 반사율 흡수율 특성
결 론
서 론
연구의 필요성
전 세계적으로 탄소 중립을 실현하기 위해 에너지 소비를 전체적으로 감소시키려는 노력이 지속되고 있고 건물은 전체 에너지 소비에 상당한 부분을 차지하고 있다. 건물 부분에서는 건물 냉난방 부하가 주요한 에너지 소비 요소로써 건축 설계 및 운영 단계에서 건물의 에너지 성능을 예측하고 평가하는 것은 필수적이다. 건물의 냉난방 부하는 외피, 일사, 침기, 내부 부하로 구성되고 이 중 일사 부하는 창호의 설계에 따라 건물에 유입되는 일사량 변화로 인해 큰 영향을 받을 수 있다. 특히, 대형 유리창이나 커튼월을 사용하는 건물에서는 일사량 유입이 에너지 소비에 따라 크게 달라질 수 있으므로 정확한 계산이 필요하다.
일사량 유입에 관한 일사량 계산은 다양한 연구에서 일반적으로 ISO 9050 (ISO-9050, 2003) 및 EN410 (SIST-EN-410, 2011) 등의 국제 기준에서 제시하는 계산 방안을 활용하고 있다(Dutta and Samanta, 2018; Hammarberg and Roos, 2003; Lago et al., 2019; Mohelníková, 2008; Noh-Pat et al., 2011; Rubin et al., 1998). 하지만 ISO 9050은 2003년, EN410은 2011년 이후로 개정되고 있지 않고 단일 유리 또는 단순한 이중창을 대상으로 간소화되어 개발되었기 때문에 최근 에너지 효율을 높이기 위해 다양한 필름을 적용한 다층 유리에는 적용하기 어렵다는 한계가 있다(Arici and Kan, 2015; Bhamjee et al., 2013). 기존 계산 방법은 유리별 투과율을 고정값으로 가정하여 양측에서의 투과율이 동일하게 적용되는데, 이는 필름의 종류와 위치에 따라 투과율이 달라지는 고성능 창호 시스템의 특성을 반영하기 어렵다. 따라서 기존 계산 방법을 활용하는 경우 고성능 창호 시스템의 성능이 실제와 다르게 나타나 일사량의 유입 및 유출량에서의 차이가 발생하게 되고 흡수되는 열량의 변화가 발생해 일사량이 실내에 영향을 미치는 정도가 상이하게 나타날 수 있다. 이로 인해 일사량을 차단하거나 유입하는 과정의 다양한 친환경 전략을 세우더라도 실제와는 상이한 결과값으로 이어져 의도한 대로 에너지 절약 방안을 달성하기 어려울 수 있다. 본 연구에서는 기존의 일사량 계산 방법의 한계를 극복하고 다양한 필름이 적용된 다층 구조 창호 시스템의 일사량을 정확하게 계산하기 위한 새로운 해석 방안을 제시하고자 한다.
연구 범위 및 방법
본 연구에서는 기존의 이중창 계산 식에서 실제와는 상이할 수 있는 방향성에 따른 투과 특성을 고찰하여 일사 방향을 고려한 각 유리 층의 투과율, 반사율, 흡수율 방정식을 제시하고자 한다. 아울러 다양한 유리를 조합한 이중창 Case를 설정하여 각 Case 별 기존 계산 방법과 연구에서 제안하는 계산 방법을 적용하여 일사량 투과율, 반사율, 흡수율을 계산하여 오차에 대해 비교분석을 하고자 한다. 이를 통해 상황별 일사량이 각 내 외측 유리에 미치는 차이점을 고찰하고 기존 계산 방법 개선의 필요성을 제시한다.
기존 일사량 계산 방법
기준에서 제시하는 계산 방법
일사량이 건물의 창호에 도달했을 때 투과되어 건물에 영향을 미치는 양에 대한 계산 방법은 다양한 기준 및 문헌에서 제시하고 있다. 일사량의 유입량은 기본적으로 반사, 투과 흡수를 기준으로 합이 100%로 수식을 구성한다. 단창의 경우 반사, 투과, 흡수 계수를 쓰거나 SHGC와 같은 계수로 간단히 계산하고 있지만 창호의 layer가 2개 이상일 경우 계산 방법이 어려워진다. 따라서 기준에서 제시하는 두개의 레이어를 기준으로 투과, 반사 흡수율 수식은 식 (1), (2), (3), (4), (5)와 같고 Figure 1과 같이 표현될 수 있다(ISO-9050, 2003; SIST-EN-410, 2011).
여기서, T는 투과율, R은 반사율, α는 흡수율, 아래첨자 1과 2는 각각 외측 유리와 내측유리를 나타내고 b는 유리의 뒷면을 표현한다. 또한 ext는 외부, int는 내부를 나타내고 e는 합산에 의미를 갖는다. 식 (6), (7), (8), (9), (10)은 유리의 현상을 단순하게 표현한 식이고 이러한 식에 무한급수를 이용하여 단순화하면 식 (1), (2), (3), (4), (5)와 같이 표현된다. 식 (6), (7), (8), (9), (10)에 해당하는 자세한 현상에 관한 식을 고찰한 결과 식 (7)과 식 (8)에서 일사량이 실외에서 실내로 투과되는 비율과 실내에서 실외로 유출되는 방향으로 투과되는 비율을 동일하게 설정하여 계산되는 것으로 판단된다. 하지만 일사량은 반사율에 따라 투과율이 변화하므로 코팅이 한 면에 적용된 유리에서는 이러한 계산식에 큰 오차가 나타날 수 있다. 따라서 필름 종류와 위치에 따라 투과율이 달라지는 고성능 창호 시스템에 기존 식을 적용하기 어려울 것으로 판단된다.
EnergyPlus, Optics, Window-Therm과 같은 상용 시뮬레이션 프로그램 내에서도 동일하게 투과율과 내외부 반사율만을 요구하고 있고 이는 고정된 투과율만을 이용하여 계산하는 방식이다. 하지만 필름은 유리의 투과, 반사, 흡수 특성을 변경시키는 역할을 하고 필름의 종류와 적용 위치에 따라 일사량의 투과, 반사, 흡수량이 달라질 수 있다. 예를 들어, Low-E 코팅은 특정 파장의 열에너지를 반사하는 기능을 가지고 있고 필름 위치에 따라 실내로 유입되는 일사량이 변화하기 때문에 이에 따른 현상을 명확히 알고 대처해야 한다.
연구 방법
개선된 일사량 계산 방법
앞서 제기한 문제점인 투과율이 방향성에 따라 변화하는 점을 고려하여 본 연구에서는 반사된 직후 투과되는 일사량을 구분하는 개념을 제시하고자 한다. 이를 식 (11)과 같이 표현할 수 있고 반사된 직후 투과되는 일사량은 유리가 가지고 있는 고유의 흡수 특성에 따라 흡수된 후 나가는 일사량을 투과량으로 구분할 수 있다. 여기서 활용되는 유리 고유의 흡수량은 표면의 반사율을 투과한 후이기 때문에 일사량이 유입 또는 유출되는 방향성과는 무관하게 동일한 특성을 가지고 있는 것으로 가정할 수 있다. 유리 표면에서 반사된 후 유리의 고유흡수율을 로 정의하고 고유투과율을 로 정의하여 세부적인 계산이 가능한 개념을 Figure 2와 같이 나타냈다. 이러한 개념은 식 (12)와 같이 표현될 수 있다.
반사된 직후 일사량이 유리에 흡수되는 고유특성을 고정으로 설정하고 유리의 내외부 투과 특성이 상이함에 따라 내부로부터 유출되는 투과율 및 흡수율에 대한 식을 별도로 세워야 한다. 아래 Table 1에 본 과제에서 제시하는 개념을 적용시킨 식을 투과, 반사, 흡수의 방향성에 따라 각각 제시하였다.
Table 1.
Conventional and proposed solar radiation calculation equation
이중창호 해석을 위한 다양한 case 선정
본 연구에서는 이중창호에 고성능 필름을 한 면에 부착하는 다양한 상황에 대한 case들을 Table 2과 같이 설정하고 계산하여 기준에서 제시하는 방법과 비교분석을 하고자 한다. Case들은 창호에 사용되는 유리는 3 mm 투명유리, 내부 코팅유리, 외부 코팅유리로 구성했고 각각의 조합을 적용되는 코팅 면에 따라 구분했다. 각 유리의 투과, 반사, 흡수율의 특성은 Table 3과 같다.
Table 2.
Double-layered window cases for comparing solar radiation calculation
결과 및 토의
Case별 이중 창호의 일사량 투과율 반사율 흡수율 특성
다양한 유리 조합에 따른 이중창의 Case를 계산한 결과 아래 Table 4과 Table 5와 같이 나타났다. Table 4는 외부에서 내부로 유입되는 일사량의 계산 결과로 기존의 계산 방법과 제안된 계산 방법을 나타내었다. 기존의 계산 방법을 검증하고자 상용 프로램인 Optics에서의 결과값과 비교한 결과 동일하게 나타났다. Table 5는 내부에서 외부로 유출되는 일사량을 계산한 결과이다. 각 Case별로 기존 계산 수식과 본 연구에서 제안한 계산 수식을 적용하여 투과율, 반사율, 흡수율을 계산하고 그 차이를 변화율로 표현하여 Figure 3과 Figure 4와 같이 나타내어 분석하였다.
외부에서부터 유입되는 일사량의 차이는 모든 상황에서 1% 미만으로 나타났고 Case 1과 2의 경우 외측 유리에 코팅이 적용되지 않은 상황으로 결과 값의 차이는 없었다. 그 외 미세한 차이는 외측 유리 흡수량에 따라 나타나는 것으로 판단된다. 특히, 가장 큰 차이를 보인 Case는 Case 5로 외측 유리와 내측 유리 모두 외부 코팅이 적용된 상황으로 외측 반사되는 양이 감소하고 그만큼 외측 유리에 흡수된 상황이다.
Table 4.
Reflected, absorbed, and transmitted solar radiation towards indoor
Table 5.
Reflected, absorbed, and transmitted solar radiation towards outdoor
내부로부터 유출되는 복사량은 내 외측 유리의 상이한 코팅 면으로 인해 다른 반사율을 가지고 있음에도 불구하고 기존 계산은 외부로부터의 투과율을 그대로 내부로부터의 투과율로 반영되면서 흡수율에 큰 차이를 보여 전체적으로 큰 차이를 보였다. 최대로 차이가 크게 발생하는 투과율은 Case 1로 8.7%의 투과율 차이를 보였고 내외 측 유리에 한면 코팅을 적용하는 Case 1- 4의 상황에서 대부분 차이가 크게 나타났다. 이는 내부에서 투과되는 양에 변화가 반사율에 큰 변수로 적용되어 기존 계산에서 상대적으로 작게 계산되어 큰 오차가 발생한 것으로 판단된다. 특히, Case 1과 Case 4에서 큰 차이를 보였는데, 내외 측 유리의 외부 코팅이 적용된 Case들로 이는 내측 유리의 외부로부터 유입되는 일사량의 투과율과 내부에서 유출되는 일사량의 투과율의 큰차이로 발생되는 것으로 나타난다. 코팅이 여러 면에 적용될수록 반사율이 높아져 투과 및 흡수율의 영향이 감소해 오차가 감소하는 것으로 판단된다.
결 론
본 연구에서는 기존 일사량 계산 방법의 한계를 고찰하고 최근 기술 중 창호 코팅 기술에 적용할 수 있는 개선된 계산 방법을 제안하였다. 개선된 계산 방법의 영향도를 분석하기 위해 다양한 이중창 Case study를 통해 기존 방법과 제안하는 방법의 차이를 고찰하였다.
외부에서 유입되는 일사량에 대한 상황에서 기존 계산과 개선된 계산과의 차이가 미비했고 대부분의 차이는 외측 유리 흡수율의 변화에 따라 발생하였다.
내부에서 유출되는 일사량의 흡수 반사 투과율은 큰 차이가 났고 이는 유입되는 투과율과 유출되는 투과율이 동일하게 설정되어 차이가 나타난 것으로 판단된다. 투과 및 흡수율은 각각 8.7%, 9.73%까지 차이를 보였고 이는 건물 냉난방 부하계산 시 큰 영향을 줄 수 있을 것으로 판단된다.
코팅이 단일 면에서만 적용되는 상황에서 가장 큰 차이를 나타냈고 특히 내외 측 유리 모두 외부 코팅을 적용시켰을 때 큰 차이가 났다. 코팅이 내외 측 모두 적용되었을 때는 적용되는 면이 증가함에 따라 흡수량에 차이가 줄어듦에 따라 기존 계산 방법과 개선된 계산 방법의 차이가 감소했다.
향후 연구에서는 실험을 통해 제안하는 계산 방법이 실제 값과 동일한지를 검증하고 삼중창을 포함한 다층 구조 창호 시스템으로 연구 범위를 확장하여 냉난방 부하에 어떠한 영향을 미치는지 연구할 계획이다.
