Research Article

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. 30 June 2022. 231-240
https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20220020

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 냉방용량 평가 Mock-up 실험

  • 냉방용량 평가 시뮬레이션

  •   시뮬레이션 모델

  •   시뮬레이션 모델 검증

  •   냉방용량 데이터 도출

  • 결 론

서 론

광선반은 직사일광의 실내 유입을 차단하는 한편, 천장면으로 빛을 반사시켜 실내 깊숙이 확산광을 공급함으로써 빛환경을 개선하는 기능을 가지고 있다(Lee et al., 2013; Lim and Heng, 2016). 또한 직사일광의 유입은 열환경에도 영향을 미치므로, 광선반의 각도와 설치 높이 등을 최적화할 경우 열환경 개선 및 냉난방 에너지의 절감 효과도 거둘 수 있는 것으로 보고된 바 있다(Jeon et al., 2016; Bahdad et al., 2021). 이러한 광선반의 열환경 개선 효과는 일사 조절에 의한 패시브적인 방법에 의한 것이라면, 광선반의 표면온도를 인위적으로 조절함으로써 냉난방 기능을 부여하는 액티브적인 방법도 고려할 수 있을 것이다. 이러한 관점에서 Hwang and Rhee는 광선반의 상부 표면은 반사면으로 활용하고, 하부 표면에는 냉수가 순환하는 배관을 부착하여 복사냉방의 기능을 겸할 수 있는 광선반을 제안하였으며, 전열해석 시뮬레이션을 통해 기본적인 냉방 성능을 검토한 바 있다(Hwang and Rhee, 2021). 또한 광선반의 하부표면이 열매체(냉수)에 의해 냉각되는 것에 착안하여, 이러한 광선반의 명칭을 열적으로 활성화된 광선반(Thermally Activated Light Shelf, 이하 TALS)으로 제안하였다.

TALS는 열적인 관점에서 복사냉방 패널로 간주할 수 있으므로, TALS의 성능평가를 위해서는 가장 기본적인 열성능인 냉방용량을 평가할 필요가 있다. 복사냉방패널의 냉방용량은 EN14240 (CEN, 2004), ASHRAE Standard 138 (ASHRAE, 2013)에 제시된 바와 같이 테스트 챔버의 천장면에 냉방패널을 설치하고, 전기 발열체로 냉방부하를 가할 때 패널에서 제거하는 열량을 산출하도록 되어 있다. 이러한 기준에서는 냉방부하가 패널의 하부에서 가해지는 상황, 또한 다수의 패널이 천장면을 덮는 조건에서 패널의 하부 표면이 흡수한 열량으로 냉방용량이 산출된다. 그러나 TALS는 광선반의 기능을 하기 위해 외피에 가깝게 부착되므로, 패널이 천장면을 덮는 것이 아니라 실내 공기 중에 노출된 형태로 설치된다. 또한 상부표면의 반사율이 높더라도 일부 열량이 TALS 상부 표면에 흡수될 수 있어, 냉방용량 평가시 패널의 상하부에서 냉방부하가 가해지는 조건을 상정할 필요가 있다.

즉, 기존의 냉방용량 평가 기준으로는 상하부 표면이 실내 공간 및 냉방부하에 노출되는TALS의 냉방용량을 평가하기 어려운 측면이 있으므로, 본 연구에서는 기존의 복사냉방 패널과 구별되는 TALS의 특성을 고려하여 냉방용량을 평가하고자 하였다. 이를 위해 TALS를 구성하는 냉수 배관과 패널간의 열전달, 패널 표면과 인접 공기 및 실내 표면간의 열전달을 고려할 수 있는 Mock-up 실험체를 제작하고, 다양한 운영 조건에서의 냉방성능 해석이 가능하도록 전열해석 시뮬레이션 모델을 구성하였다. Mock-up 실험을 통해 시뮬레이션 모델의 적정성을 검토하였으며, 상하부 냉방부하 및 냉수 온도 조건을 변화할 경우 냉방용량을 분석하여 TALS의 설계 및 운영에 활용될 수 있는 냉방용량 기초 데이터를 도출하였다.

냉방용량 평가 Mock-up 실험

TALS 냉방용량 평가를 위해, 600 ㎜ (W)×1,500 ㎜ (L)×50 ㎜ (H) 크기의 TALS 시작품을 제작하였으며, 이를 700 ㎜ (W)×1,700 ㎜ (L)×800 ㎜ (H) 크기의 단열챔버 내부에 설치하였다. 단열챔버는 65 ㎜ 두께의 단열재로 제작하였으며, 냉방용량 평가시 외부 온도 변동에 의한 외란을 최소화하기 위해 26℃, 50%로 온습도가 일정하게 유지되는 항온항습챔버 내부에 단열챔버를 설치하였다. TALS의 주재료는 두께 1 ㎜의 알루미늄 시트로서, 하부표면에는 외경 10 ㎜의 PVC 파이프를 열전도 필름으로 부착하였으며, 상부표면에는 반사율 90%의 코팅필름을 부착하였다. 또한 기존 연구(Hwang and Rhee, 2021)를 참조하여 TALS 내부에는 단열재를 충진하지 않고 공기층을 두어 TALS 상부표면도 냉각면으로 활용될 수 있도록 하였다.

TALS에는 2 kW의 냉동기 및 순환펌프로 냉수온도 13℃, 유량 2 lpm의 냉수를 공급하였다. 또한 단열챔버의 바닥과 천장에 각각 285 W 용량의 면상발열체(700 ㎜ (W)×1,500 ㎜ (L))를 설치하고, 전압 조정기로 투입전력을 조절하여 냉방부하를 재현하였다. Figure 1은 TALS 냉방용량 평가를 위해 제작된 Mock-up 실험체의 형상 및 구성을 나타낸 것이다.

TALS의 상부와 하부에서 모두 냉방부하가 가해지는 조건을 재현하기 위해, 챔버의 바닥과 천장에서 각각 50 W/㎡의 열량이 공급되도록 하였다. 또한 TALS 상부에 일사 유입이 없는 조건을 가정하기 위해 바닥에서만 50 W/㎡의 열량이 공급되는 경우의 냉방용량도 평가하였다. 다만 면상 발열체가 온도제어를 위해 On/Off를 반복함에 따라 정확한 열량 공급에는 한계가 있어, 전력량계로 측정한 실제 투입 열량은 바닥 60.3 W (50.7 W/㎡), 천장 56.5 W (47.5 W/㎡)로 나타났다.

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Figure 1.

Mock-up test chamber of TALS

TALS의 냉방용량은 냉수 입구-출구 온도차 및 냉수유량을 측정하여 산출하였고, 추가적으로 TALS의 상하부 표면온도와 TALS 상부 및 하부의 공기온도를 측정하였다. TALS 상하부 표면온도(Ts1, Ts2)는 표면에 균등하게 부착한 9개 열전대 측정값의 평균을 적용하였으며, TALS 상하부 공기온도(Ta1, Ta2)는 패널 표면과 바닥(천장)의 중간지점에 열전대를 설치하여 측정하였다. TALS 하부 공간에는 흑구온도계와 풍속계를 설치하여 작용온도 산출에 활용하였다. 각각의 실험은 6시간 동안 수행하였고, TALS 표면온도, 실온, 유량이 정상 상태에 도달한 마지막 30분간의 데이터를 평균하여 냉방용량을 산출하였다.

Table 1은 Mock-up 실험 결과의 요약으로, Half load와 Full load의 경우 TALS 하부표면이 각각 18.3℃, 20.4℃ 로 유지되어 57.5 W/㎡, 82.0 W/㎡의 냉방용량을 확보하는 것으로 측정되었다. 상부 부하가 없는 경우에는 상부표면온도(Ts2)와 상부실온(Ta2)의 온도차가 거의 없으므로 하부표면에 의한 냉방 효과가 주로 나타나, 냉방용량이 비교적 작게 나타난 것으로 판단된다. 상부 부하가 적용된 경우, 전체적인 냉방부하가 증가하고 TALS 표면과 실내온도와의 차이도 증가하므로 TALS의 냉방용량도 약 43% 증가하는 것으로 측정되었다.

Table 1.

Summary of mock-up experiments

Case Cooling load
[W/㎡]
TALS surface temperature [℃] Air temperature
[℃]
Cooling
capacity
[W/㎡]
Lower
(Floor)
Upper
(Ceiling)
Lower
(Ts1)
Upper
(Ts2)
Lower
(Ta1)
Upper
(Ta2)
Half load 50 0 18.3 23.0 23.8 23.5 57.5
Full load 50 50 20.4 31.9 28.1 33.5 82.0

그러나 증가한 냉방부하를 TALS가 모두 제거한 것은 아니어서, 실내온도가 28.1℃ (Ta1), 33.5℃ (Ta2)까지 증가하였으며, TALS의 제거열량을 초과한 잉여 열량은 Figure 2와 같이 챔버 외부로 손실되는 것으로 추정되었다. 이와 같이 본 연구에서 제안된 Mock-up 실험을 통해 상하부 표면이 냉방부하 및 실내공기에 노출된 TALS의 냉방용량을 분석할 수 있을 것으로 판단되며, 증가된 상부 부하에 대응하여 TALS의 냉방용량을 증대시킬 필요성도 있는 것으로 사료된다.

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Figure 2.

Analysis of cooling load and heat removal

냉방용량 평가 시뮬레이션

시뮬레이션 모델

TALS의 냉방용량을 평가하고 개선 대안을 마련하기 위해서는 다양한 부하조건과 운전조건에서 냉방용량을 평가할 필요가 있으므로, 본 연구에서는 상하부 냉방부하와 냉수온도에 따른 냉방용량을 평가할 수 있는 시뮬레이션 모델을 구성하였다. 시뮬레이션 도구로는 Physibel VOLTRA를 활용하였고, 모델의 검증을 위해 Mock-up 실험에서 사용되었던 것과 동일한 규격의 챔버 및 TALS를 모델링하였다. Figure 3은 챔버, TALS, 상하부 부하(면상 발열체)로 구성된 시뮬레이션 모델을 나타낸 것이며, Table 2에 시뮬레이션에 모델에 구현된 주요 컴포넌트들의 유형과 물성을 정리하였다.

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Figure 3.

TALS simulation model geometry and material

Table 2.

Material properties for Physibel simulation

Material Physibel type Thermal conductivity
[W/mK]
Density
[kg/㎥]
Specific heat
[J/kgK]
Thermal insulation MATERIAL 0.030 30 1,000
Upper panel MATERIAL 501) 2,800 880
Lower panel MATERIAL 501) 2,800 880
Conductive layer MATERIAL 160 2,800 880
Water pipe MATERIAL 0.2 1,000 1,400
Water BC_FRE_S2) - 1,000 4,200
Air temp. sensor MATERIAL 100 100 1,000
Chamber air BC_FREE3) - 1.2 1,008
Ambient air BC_SIMPLE2) - 1.2 1,008

2) Simplified surface boundary condition using a global surface heat transfer coefficient

3) Unknown air temperature to be calculated from convective heat balance

시뮬레이션 모델 검증

TALS 냉방용량 시뮬레이션 결과를 Mock-up 실험 결과와 비교하여 시뮬레이션 모델의 적정성을 검증하였다. Figure 4는 Half load와 Full load 조건에서 온도 해석 결과를 나타낸 것으로, Mock-up 실험에서와 같이 상하부 부하가 모두 가해질 경우 온도분포가 전반적으로 상승하는 것과, TALS 상부의 온도가 상대적으로 증가하는 경향을 확인할 수 있다.

Table 3은 TALS 상하부 평균 표면온도, 상하부 실온, 제거열량 및 냉수평균온도-실온(작용온도)차(Δθ)의 시뮬레이션 결과값을 측정치와 비교한 것이며, 그 중에서 냉방성능 판단의 기준으로 많이 활용되는 냉방용량과 Δθ (Park et al., 2020)를 Figure 5에 나타내었다. TALS의 제거열량은 Figure 5에서와 같이 측정값 대비 –1.97% (Half load), 1.57% (Full load)의 오차를 나타내어, 시뮬레이션 모델로써 TALS의 냉방효과를 충분히 평가할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 냉수평균온도-실온차 Δθ를 비교하면 0.9℃ (Half load), 0.7℃ (Full load)로, 냉수온도와 실온 및 냉방용량 간의 관계 분석에도 제안된 시뮬레이션 모델을 활용할 수 있을 것으로 사료된다.

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Figure 4.

Temperature analysis result of simulation model validation

Table 3.

Simulation validation results

Validation case Air temp.[℃] Surface temp.[℃] Cooling rate
[W]
Δθ
[℃]
Lower Upper Lower Upper
Half load Simulated 24.6 23.5 18.6 22.7 56.3 10.9
Experimental 23.8 23.5 18.3 23.0 57.5 10.0
Full load Simulated 28.9 32.4 20.5 31.3 83.3 15.0
Experimental 28.1 33.5 20.4 31.9 82.0 14.3

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Figure 5.

Comparison of simulation and experimental results

냉방용량 데이터 도출

TALS 냉방용량은 일사유입 조건, 시스템 운전조건에 따라 달라질 수 있으므로, 시뮬레이션을 통해 TALS의 상부에 작용하는 부하의 크기와 냉수온도를 변화시켜가며 냉방용량을 평가하였다. 즉 Table 4와 같이 상부부하의 크기에 따라 Case A, B, C로, 냉수온도에 따라 A1~3, B1~3, C1~3의 세부 Case로 구분하여 시뮬레이션을 수행하였다.

Table 4.

Simulation cases for deriving cooling capacity data

Simulation parameter Case A Case B Case C
A1 A2 A3 B1 B2 B3 C1 C2 C3
Cooling load [W/㎡] Lower 50.7 50.7 50.7 50.7 50.7 50.7 50.7 50.7 50.7
Upper 0 0 0 23.8 23.8 23.8 47.5 47.5 47.5
Water temperature [℃] 13 15 17 13 15 17 13 15 17

Figure 6은 각 Case의 온도해석 결과로, Mock-up 실험에서와 같이 상부 부하의 증가에 따라 전반적인 온도 상승 경향을 볼 수 있으며, 같은 부하조건에서는 냉수온도의 증가에 따라 TALS 표면온도 및 챔버 내부 표면온도가 전체적으로 상승하는 경향을 확인할 수 있다. Figure 7은 부하 조건 및 냉수온도에 따른 냉방용량 산출 결과로서, 상하부에서 모두 냉방부하가 가해지는 조건(Case C)에서는 냉수온도를 13℃까지 낮출 경우 약 100 W/㎡의 냉방용량을 확보할 수 있는 것으로 분석되었다. 이러한 분석결과를 활용하여 부하 조건에 따라 목표 냉방용량을 확보하기 위한 냉수온도를 결정할 수 있을 것으로 판단된다.

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Figure 6.

Temperature analysis results with cooling load and water temperature

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Figure 7.

Cooling capacity with chilled water temperature

한편 평균냉수온도-실온차Δθ에 따른 냉방용량을 분석한 결과, Figure 8과 같이 Δθ가 9.4~15.2 K인 범위에서 56.1~98.3 W/㎡의 냉방용량을 나타내었다. TALS 상부에 작용하는 냉방부하가 커질수록 냉방용량이 증가하나, Δθ도 함께 증가하는 경향을 확인할 수 있다. 또한 같은 부하조건에서는 냉수온도를 낮출수록 냉방용량은 감소하나, Δθ도 감소하는 것을 볼 수 있는데 이는 실온에 가까운 냉수온도로 시스템을 운전할 수 있는 가능성을 의미한다.

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Figure 8.

Cooling capacity with temperature difference Δθ

일반적인 복사냉방 패널은 Δθ가 4~9 K인 조건에서 67~145 W/㎡의 냉방용량을 확보할 수 있다는 기존 연구 결과(Shin et al., 2019)를 감안할 때, TALS의 냉방용량은 비교적 낮은 수준이라고 볼 수 있다. 이는 TALS의 상부 표면에 냉방부하가 가해지는 조건임에 반해, 상부표면이 냉각면으로는 충분히 활용되기 어려운 구조 때문으로 판단된다.

TALS의 냉방용량을 증대시키기 위해서는 Figure 8에서 보는 바와 같이Δθ를 충분히 증가시켜야 할 필요가 있다. 그러나 Δθ를 증가시키는 것은 결국 냉수온도를 낮춘다는 의미이며, 과도하게 낮은 냉수온도는 TALS 표면에서의 결로를 유발할 수 있으므로,Δθ를 크게 증가시키지 않으면서 냉방용량을 증대시킬 수 있는 TALS의 설계 및 운영이 필요하다고 판단된다. 냉수 배관과 TALS 하부표면간의 접촉저항을 최소화할 수 있는 열전도판을 적용하거나, 냉수배관과 패널을 일체화하여 냉수온도와 하부표면의 온도차를 감소시키는 것을 대안으로 고려할 수 있다.

또한 TALS의 냉수배관은 상부가 단열되지 않은 상태이므로, 냉수배관은 하부 표면 뿐 아니라 TALS 내부의 중공층도 냉각시키는 효과가 있다. 이렇게 냉각된 중공층의 공기가 TALS 상부표면의 냉각에도 기여할 수 있도록 TALS 내부의 공기유동을 촉진하는 대안도 고려할 수 있으며 이러한 대안의 타당성을 검토하기 위한 후속 연구가 진행될 필요가 있다.

결 론

본 연구에서는 복사냉방 패널의 상부를 광선반 반사면으로, 하부를 냉각면으로 활용할 수 있는 광선반 결합형 복사냉방 패널(TALS)의 냉방용량을 Mock-up 실험 및 시뮬레이션으로 평가하였다. 이를 위해 기존의 복사냉방 패널과 달리 상하부가 실내공기 및 냉방부하에 노출된 TALS의 특징을 반영할 수 있는 Mock-up 실험 챔버를 제작하고, 상하부 냉방부하 및 냉수온도 조건에 따른 냉방용량 평가를 위해 Physibel 시뮬레이션 모델을 구성하였다.

TALS 상부에 유입되는 일사부하의 유무에 따른 냉방용량을 Mock-up 실험으로 평가한 결과, 상부 부하가 없는 경우 57.5 W/㎡, 상부 부하가 있는 경우 82.0 W/㎡의 냉방용량이 측정되어, TALS의 추가적인 냉방부하 제거 능력을 확인하였다. Mock-up 실험과 동일한 조건에서 실행한 Physibel 시뮬레이션은 실험치 대비 ±2% 이내의 냉방용량, 1℃이내의 냉수평균온도-실온차(Δθ)를 나타내어, 본 연구에서 제안한 시뮬레이션 모델을 TALS의 냉방용량 평가에 충분히 활용할 수 있음을 확인하였다.

상하부 냉방부하와 냉수온도 조건에 따른 냉방용량을 시뮬레이션으로 평가한 결과, Δθ가 9.4~15.2 K인 범위에서 56.1~98.3 W/㎡의 냉방용량을 나타내었으며, 냉방용량을 증대시키기 위해서는 Δθ를 증가시킬 필요가 있는 것으로 분석되었다. 다만 결로 방지를 위해 Δθ의 과도한 증가 없이 냉방용량을 확보할 수 있는 방안이 요구되며, 이를 위해 냉수 배관과 TALS 하부표면간의 열전달을 개선할 수 있는 패널 구조의 적용, TALS 내부의 냉각된 중공층 공기를 상부표면 냉각에 활용할 수 있는 대안의 검토가 필요하다고 판단된다.

Acknowledgements

본 연구는 국토교통과학기술진흥원의 연구비지원으로 수행되었음 (과제번호: 21CTAP- C164253-01).

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