서 론

건축물 설계 시 외장재의 단열성능은 중요하게 고려되는 요소이다. 고단열 외장재를 사용함으로써 여름과 겨울에 건물에서 소비되는 냉난방 에너지의 절감효과를 가져올 수 있다. 외장재는 일반적으로 창과 벽체로 구성되며 현재 국내 상업용 건축물은 커튼월(Curtain Wall) 건축양식을 채택하는 추세이다. 커튼월은 커튼과 벽체가 혼합된 용어로 건축물의 하중과는 무관한 비내력형 외장재이며 창호의 비율이 높아 창면적비(Window-to-Wall Ratio)가 다른 건축양식에 비해 높은 것이 특징적이다.(노상태 외, 2007) 커튼월 건축물은 수려한 미관을 가지며 풍우, 소음 등을 차단하는데 유리한 형태이다. 반면, 넓고 긴 창으로 구성된 커튼월 건축물은 외기의 영향에 민감하고 단열에 취약한 구조이다. 특히, 태양 직사광선에 의한 재실자의 불쾌감을 조성하며 또한, 여름철 태양 일사의 유입이 많아 냉방에너지 수요 증가로 인하여 정량적인 에너지 수요량이 크다. 블라인드 시스템은 이러한 단점을 보완하는 방안 중 하나로 태양의 직사광선을 차단하여 재실자의 불쾌현휘를 줄이는 데 효과가 있으며, 창호의 열 교환에 따른 건축물의 과다한 에너지 소비를 저지할 수 있다. 따라서 창면적비가 높은 커튼월 건축물의 보급이 확산됨에 따라 다양한 블라인드 시스템을 적용하여 건축물 에너지 성능을 높이고 에너지 수요 저감을 최대화할 수 있는 최적의 모델이 필요하다.

선행연구 고찰

장철용 외(2010)는 창면적비와 창의 유리 차폐계수 조건을 고려하여 건축물에너지 변화를 분석하였으며 창면적비 계획과 차폐계수는 건물에너지효율등급제도 상 난방에 유리하도록 적용되어 있어 냉방을 고려한 창면적비 계획도 필요할 것이라고 제시하였으며, 권혁주 외(2017)는 사무용 건축물에서의 블라인드 최적 제어를 위해 향별 슬랫의 반사율, 각도, 및 실내 조명제어를 고려하였으며 일사 수열 및 여러 조건별 건물 부하 저감 모델을 분석하였다. 정유근(2013)은 사무소 건축물에 블라인드를 설치함으로 실내 유입 주광의 감소로 인해 조명 부하가 줄어들고 그 감소 폭은 블라인드 슬랫 각도가 45° 일 때 가장 큰 실험결과를 보였으며 조명제어를 함께 고려하여 하절기 에너지 성능이 가장 좋은 모델을 도출하였다. 정우람 외(2012)는 사무용 건물에 실내 롤블라인드를 설치할 경우 롤블라인드의 반사율에 따른 재실자의 온열환경을 분석하였으며 반사율이 높은 롤블라인드의 경우 하절기 온열환경에 유리하다는 결론을 내렸다. 윤여범 외(2013)는 빌딩에 설치된 외부 블라인드가 내부 블라인드에 비해 약 20% 더 하절기 냉난방 부하 절감에 효과가 있다고 하였으며, 블라인드 자동제어 시 내·외부 블라인드 모두 냉방부하가 약 10% 내외로 더 감소하는 것을 입증하였다. 또한, 이준기 외(2015)는 3가지 유형의 발코니에 내·외부 블라인드를 설치하였을 경우 외부 블라인드가 건축물 에너지 부하량 저감에 효과적이라고 연구하였다.

기존의 연구들은 창면적비, 차폐계수, 블라인드 설치, 블라인드의 슬랫 각도 등을 건축물에너지의 부하를 감소시키기 위한 중요 요소로 고려하고 있으며 더불어 각각의 다양한 방안들을 제시하고 있다. 하지만 아직까지 이러한 파라미터들을 다수의 모델로 조합하여 제시하는 방안들은 부재하다는 한계점이 있다.

연구방법

선행연구를 참조하여 본 논문에서는 다양한 파라미터 조합으로 시뮬레이션 모델을 생성하였다. 본 연구에서는 지역에 따른 건축물의 에너지 수요 및 창면적비에 따른 건축물의 에너지 수요를 바탕으로 대상 건축물의 에너지 수요 베이스 케이스를 구축하고 블라인드의 종류별 적용에 따른 최적의 에너지 수요 저감 모델을 제시하고자 한다.

연구의 방법은 다음 Figure 1과 같은 흐름을 갖는다.

Figure 1.

Flow diagram

이론고찰

창면적비(WWR)

창면적비는 건축물 전체 외피 면적에 대한 창의 면적 비율을 뜻하며 외기온도에 따른 건축물의 열 교환과 직접적인 관련이 있다. 건축물의 창은 유리로 제작되어 외장재의 면적대비 비율이 높을수록 단열에 불리하고 겨울철 내부 열 손실을 초래한다. 또한, 태양 일사에 따른 내부의 가열된 공기와 내부 재실자 및 가전기기의 발열이 혼합되어 실내온도를 상승시키고 여름철 불필요한 냉방에너지 수요를 증가시킨다.

블라인드 시스템

블라인드 시스템은 최근 건축물의 에너지 성능 향상을 위해 중요한 패시브 요소 중 하나이며 블라인드는 태양의 일사에 의한 실내외 열 교환을 차단하는 기능을 한다. 블라인드의 성능은 설치한 위치나 제작 시 사용된 재료의 재질, 색상 등에 따라 다르다. 국내에서는 일반적으로 Roll 블라인드, Venetian 블라인드를 주로 사용하며 에너지 절감을 위한 방안으로 크게 대두되고 있다. 블라인드는 설치 위치에 따라 두 가지로 구분할 수 있다. 먼저, 실내에서 창호의 바로 후단에 설치되는 내부 블라인드는 외부에서 유입되는 직사광을 적절히 차단하여 재실자의 불쾌현휘를 방지한다. 하지만 창을 통한 외부와의 열 교환을 차단하기 힘든 단점이 있다. 내부 블라인드는 태양의 일사 에너지를 흡수하고 열로 방출하여 실내 공기가 가열되고 결국 냉방부하를 증가시키는 원인이 된다. 건축물 외부 창호 앞단에 설치되는 외부 블라인드의 경우 태양 일사를 건축물 창호면에 도달하기 전에 직접 차단할 수 있고 태양 일사에 의한 열을 흡수하고 방출하더라도 실외에서 방출되어 실제로 실내로 유입되는 열의 양이 상대적으로 적다는 장점이 있다.

에너지 시뮬레이션

건물모델

국내에서는 표준건축물에 대한 연구가 한국건축기술연구원 등에서 지속적으로 행해지고 있으나 국내 표준으로 인정받는 모델이 부재하다. 반면, 미국의 에너지부(Department of Energy)는 주거용 표준건물과 상업용 표준건물을 3D 모델로 제공하고 있다. 본 연구에서는 미국 에너지부에서 선행 연구한 표준건물 모델을 바탕으로 시뮬레이션을 수행하고자 한다. 미국 에너지부의 상업용 표준건물은 총 16가지로 분류되어 있고 본 연구에서 활용한 모델은 Medium Office Building이다. Medium Office Building은 5층 높이의 사무용 건축물로 그 형태는 국내의 사무용 건물과 유사하며 이는 Figure 2와 같다.

Figure 2.

DOE Medium office building model

시뮬레이션의 대상 건축물은 국내 사무용 건축물임을 고려하여 아래 Table 1의 환경을 가지며 지역에 따른 뚜렷한 에너지 성능 비교를 위해 건축물의 위치는 중부지방인 서울특별시와 남부지방인 부산광역시 두 곳으로 선정하였다.

Table 1. Building environment

아래 Table 2의 건축물 모델들은 Figure 1의 표준건축물의 WWR을 각각 15%, 30%, 45% 로 증감한 것으로 Google Sketch-Up으로 모델링 하였다.

Table 2. Simulation models

WWR [%]	Simulation model
15
30
45

블라인드 모델

블라인드 시스템의 설치종류별 건축물 에너지 수요 저감에 대한 효용성을 비교하기 위해 Table 3의 창호모델에 외부 블라인드와 내부 블라인드를 채택하였다. 블라인드 모델은 유럽의 ES-SO (European Solar-Shading Organization)에서 Generic 블라인드로 인증한 타입으로 선정하였으며 국내 사무용 건축물에서 가장 일반적으로 사용되는 Roll 블라인드 모델과 Venetian 블라인드 모델을 시뮬레이션에 활용하였다.

Table 3. Properties of windows

¹⁾ SHGC : Solar Heat Gain Coefficient

Figure 3은 선정한 블라인드 모델의 형태를 보여주는 그림이며 창호에 유리에 대한 물성값은 Table 3에 정리하였다. Roll 블라인드 시스템의 경우 태양 일사유입을 차단하기 위해 천 재질의 암막을 위 또는 아래로 조정하는 간단한 원리이지만 Venetian 블라인드 시스템은 위 또는 아래로의 슬랫 높이 조절뿐만 아니라 슬랫의 각도에 따른 태양 일사 유입도 또한 고려하여야 하므로 블라인드의 각각의 물성값들은 Table 4와 같이 세 가지의 각도로 나누어 표기하였다.

Figure 3.

Feature of blinds

Table 4. Blind information

블라인드 제어

건축물의 창호를 통해 유입되는 일사량은 계절에 따른 태양의 남중고도 변화로 시간별, 방위별로 다르게 측정된다. 태양 남중고도는 여름철에 높고 겨울철에 낮다. 그에 따른 태양의 일사는 시간대별로 해가 뜨기 시작한 시점부터 오전까지 동쪽면의 유입량이 많고 해가 저무는 시점에서는 서쪽면의 유입량이 많다. 여름철에는 태양 남중고도의 영향으로 태양 일사의 유입시간이 길고 재실자에게 눈부심 등의 활동제약을 주기 때문에 재실자가 느끼는 불쾌현휘를 최소로 하는 방향으로 블라인드를 제어할 필요성이 있고 냉방에너지 수요 감축의 측면에서 불필요한 일사의 유입을 차단하도록 제어하여야 한다.

본 논문에서는 위에서 언급한 사항을 고려하여 블라인드를 시간에 따른 스케쥴 제어로 운영하고자 한다. 국내 사무용 건축물의 운영시간인 Figure 4와 같이 오전 8시부터 오후 6시까지 태양의 남중고도를 고려한 방위별 개별제어를 적용하기 위하여 Roll 블라인드 모델은 Table 5의 UP/DN 제어를 도입하고 Venetian 블라인드 모델의 경우 Table 6과 같이 슬랫의 각도를 제어하여 일사유입을 최소화하는 방향으로 TRNSYS 시뮬레이션에 적용하였다.

Figure 4.

Weekly time Schedule

Table 5. Roll Blind control

UP : Open position

DN : Close position

Table 6. Venetian Blind control

시뮬레이션 결과

지역별 창면적비에 따른 월별 수요량 분석

TRNSYS를 활용하여 각 건축물 모델에 대한 하절기 에너지 수요 시뮬레이션을 통해 지역별 건축물의 여름철 냉방에너지 수요량을 취득하였다. 그 결과는 Table 7과 같다. WWR에 따른 에너지 수요는 정량적으로 WWR 15%의 모델에서 가장 적었고 WWR이 높을수록 수요 증가 폭이 크게 나타났다. Figure 5 (a), (b), (c)는 서울특별시, 부산광역시의 창면적비에 따른 월별 에너지 수요변화를 나타낸 그래프이며 두 지역 모두 창면적비가 증가함에 따라 약 3%의 수요 증가율을 보였다.

Table 7. Cooling demand by non-blind installation

Figure 5.

Building energy demand without blind systems during summer period

블라인드 시스템 효과 분석

블라인드 시스템 적용에 따른 에너지 수요 시뮬레이션 결과는 블라인드 종류별로 각각 아래 Table 8 ~ 15에 정리하였다. 결과적으로, 서울특별시, 부산광역시 두 지역 모두 블라인드 시스템을 도입함에 따라 Table 7의 기준 수요량 대비 하절기 전반적으로 하절기 에너지 수요의 저감효과가 나타났다. 에너지 수요의 저감량을 비교할 때 서울특별시에 비해 부산광역시가 상대적으로 높았으며 기온이 높은 남부지방에서 블라인드의 도입이 상대적으로 유리하다고 할 수 있다.

Table 8. Cooling demand by Interior Roll blind installation in Seoul

Table 9. Cooling demand by Interior Venetian blind installation in Seoul

Table 10. Cooling demand by external Roll blind installation in Seoul

Table 11. Cooling demand by external Venetian blind installation in Seoul

Table 12. Cooling demand by Interior Roll blind installation in Busan

Table 13. Cooling demand by Interior Venetian blind installation in Busan

Table 14. Cooling demand by external Roll blind installation in Busan

Table 15. Cooling demand by external Venetian blind installation in Busan

다만, 내부 블라인드 시스템의 경우 하절기 1% 내외의 냉방에너지가 저감 되는 것으로 나타났으며 실질적인 에너지 수요 저감효과는 미미하였다. 외부 블라인드 시스템 도입 시에는 최대 약 4%의 저감율을 보여 에너지 측면에서 내부 블라인드보다 우수한 면을 보여주었다.

아래 Table 16, 17은 하절기 에너지 수요에 대한 블라인드 시스템에 따른 저감율을 나타낸 표이다.

Table 16. Percentage of cooling energy reduction by interior blind

Table 17. Percentage of cooling energy reduction by external blind

블라인드 시스템 도입은 건축물의 WWR에 따라서도 다른 효과를 보였다. 전반적으로 WWR이 높을수록 효과적이었으며 대표적으로 WWR 45% 모델은 저감율이 WWR 15% 모델 대비 약 3 ~ 4배 높은 수준임을 보여준다.

블라인드의 종류에 따른 에너지 수요 저감은 Figure 6에서 보는 바와 같이 내부 블라인드 시스템에 비해 외부 블라인드 시스템의 효과가 확연하였다. 또한, 에너지 수요 측면에서 볼 때 사용 비중이 가장 높은 Venetian 블라인드보다 Roll 블라인드가 수요 저감에 더 효과적이었으며 이는 두 블라인드 시스템의 제어방법의 차이와 Venetian 블라인드의 슬랫에 의한 반사로 인한 결과로 사료된다. 종합적으로 서울특별시와 부산광역시 모두 건축물의 WWR이 높을수록 에너지 수요가 크게 증가하였으며 따라서, WWR이 높은 건축물은 에너지 관리에 불리점이 분명히 존재한다고 할 수 있다. 그에 따른 방안으로 블라인드 시스템을 도입하여 에너지 수요를 효과적으로 저감할 수 있으며 블라인드의 설치종류에 따라 내부 블라인드 시스템보다는 외부 블라인드 시스템을 도입하는 것이 냉방에너지 저감에 더욱 효과적인 것을 알 수 있다. 즉, 건축물의 냉방에너지 수요 저감을 위한 방안으로 외부 블라인드 시스템을 적극적으로 고려할 필요가 있고 WWR이 높은 커튼월 건축물일수록 더 큰 필요성을 갖게된다.

Figure 6.

Reduction ratio of monthly energy demand during summer period

결 론

서울특별시와 부산광역시 두 지역의 건축물의 창면적비(WWR)에 따른 내·외부 블라인드 도입에 따른 하절기 에너지 수요 저감효과는 다음과 같았다.

(1) WWR 15% 모델의 경우 블라인드를 설치하지 않았을 때의 냉방에너지 수요를 기준으로 내부 블라인드의 경우 0.3% 내외, 외부 블라인드의 경우 최대 약 4%의 수요 저감 효과를 확인할 수 있었다.

(2) WWR 30% 모델은 내부 블라인드 설치 시 0.7% 내외, 외부 블라인드의 경우 2%로 나타났고 WWR 45%의 모델은 각각 1%, 3.5%의 냉방에너지 평균 수요 저감 효과를 확인할 수 있었다.

(3) 즉, 외부 블라인드가 내부 블라인드에 비하여 냉방에너지 수요저감에 효과적임을 알 수 있었다.

(4) 또한 WWR이 클수록 블라인드 시스템의 수요 저감 효과는 더욱 좋았고, 특히 외부 블라인드 시스템이 저에너지건축물 설계를 위한 방안으로 유리하였다.

(5) 수요 저감 측면에서 볼 때 WWR 45% 모델에 외부 블라인드 시스템을 도입할 때 가장 효과적이다.

(6) 지역별로는 중부지방인 서울특별시보다 남부지방인 부산광역시의 수요 저감량이 많았다.

(7) 블라인드 종류별 에너지 저감 효과는 외부 Roll 블라인드 시스템이 가장 우수했다.

본 연구에서는 지역별 사무용 건축물의 WWR의 조정과 블라인드 시스템 도입에 따른 최적 수요저감 모델을 제시하고자 하였고 결과적으로 약 4% 수준의 하절기 에너지 수요 저감 모델을 제시할 수 있었다. 건축물의 창면적비와 블라인드의 종류별 설치에 따른 에너지 수요 저감에 대한 시뮬레이션에서 사용한 블라인드 모델의 성능은 실재하는 제품의 성능에 비해 낮기 때문에 절감량은 크지 않았다. 실제로 상업용 건축물에 적용하는 고성능 블라인드 제품은 본 시뮬레이션보다 더 큰 절감량을 기대할 수 있을 것으로 사료된다. 다만, 본 연구는 블라인드 제품의 성능향상과 고단열, 고효율의 제품개발의 필요성을 환기시킬 수 있는 자료가 될 것이며 더 나아가 지역, 블라인드 종류, 제어법에 대한 더 많은 모델을 통해 에너지 수요 비교 분석이 필요할 것으로 사료된다.

향후 고성능 블라인드에 대한 에너지 절감 시뮬레이션과 추가로 태양광발전시스템, 지열 등의 재생에너지를 활용한 액티브 요소와의 결합모델의 상호관계 및 최적 저에너지건축물에 대한 연구를 수행할 예정이다.