서 론
개방형 CRCP 시스템의 냉방용량
기존연구 고찰
개방형 CRCP 시스템의 시뮬레이션 모델 구현
개방형 CRCP 시스템 성능평가 결과
실온제어 성능
에너지 성능
개방형 CRCP 시스템 활용 가능성
결 론
서 론
복사냉방시스템은 우수한 열쾌적성과 정숙성, 에너지 절감 성능과 함께 건축 디자인과의 통합도 가능하므로 최근 저에너지 건축물의 냉방 시스템으로 널리 활용되고 있다 (Rhee and Kim, 2015). 복사냉방시스템 중 금속재의 패널에 냉수 배관을 부착한 천장복사냉방패널(Ceiling radiant cooling panel: 이하 CRCP)은 우수한 열전달 성능, 모듈화 생산, 시공 용이성 등의 장점으로 인해 다양한 상업 건물에 적용되고 있다(Rhee et al., 2017).
CRCP 시스템은 통상적으로 천장의 전면에 설치되어, 패널을 기준으로 하부의 거주역과 상부의 플레넘 공간이 열적으로 분리되는 경우가 많다. 그러나 최근에는 건축 및 설비요소의 마감기술 발달에 따라, 의장적인 목적에서 플레넘 공간을 의도적으로 노출시키는 경우도 있다. 즉 천장 전면이 패널로 덮이는 폐쇄형 CRCP 시스템에서 탈피하여, 패널과 패널 사이, 또는 패널과 벽면 사이에 개구부가 형성되는 개방형 CRCP 시스템의 설치 사례도 증가하고 있다. 이러한 경우 플레넘 공간과 거주역은 완전히 분리되지 않고 상호 간의 기류 이동으로 인해 통상적인 폐쇄형 CRCP 시스템과는 다른 열적 거동을 보이게 된다.
선행 연구(Park et al., 2014)에서는 EN14240 기준(CEN, 2004)에 따라 폐쇄형 CRCP의 냉방용량을 실험적으로 검증하고, 플레넘의 공기온도가 거주역의 공기온도에 비해 1.22°C~ 2.24°C 낮게 형성되는 것으로 보고하였다. 또한 패널 상부를 단열처리 하지 않은 패널의 경우, 그렇지 않은 경우보다 공칭 냉방용량이 약 14% 증대되는 것으로 보고하였는데, 이는 패널에 의해 플레넘 공기가 냉각될 수 있으며 이를 거주역으로 유입시킬 경우 거주역의 냉방에 활용될 수 있는 가능성을 의미한다고 볼 수 있다. 이러한 관점에서 수행된 후속 연구(Shin et al., 2015)에서는 개방형 CRCP가 설치된 공간의 실온이 폐쇄형 CRCP가 설치된 공간에 비해 1.5°C 낮아진다는 것을 규명하여, 개방형 CRCP 시스템의 냉방용량 증대 가능성을 확인하였다. 이의 후속 연구(Shin et al., 2019)에서는 개방형 CRCP의 해석 모델을 Mock-up 실험으로 검증하고, 다수의 CFD 분석을 통해 개방형 CRCP 시스템이 폐쇄형 CRCP 시스템에 비해 54%~80%의 냉방용량 증대 효과가 있음을 규명하였다. 또한 개방형 CRCP 시스템의 개구부 면적 비율이 증가할수록 플레넘과 거주역 사이의 공기 유동이 활성화되어 단위면적당 제거 열량이 증가하는 경향이 있으므로, 개구부 면적 비율에 따른 냉방용량 산출 보정식의 필요성을 제기한 바 있다.
그러나 개방형 CRCP의 냉방성능에 대한 선행 연구는 EN14240 기준에 의거한 정상상태에서의 냉방용량 평가에 대해 수행된 것으로, 냉방기간 전체에 걸친 개방형 CRCP 시스템의실온 제어 성능이나 에너지 성능에 대한 동적 분석은 상대적으로 미흡한 실정이다. 또한 개방형 CRCP 시스템에서 개구부의 면적 변화에 따른 냉방용량의 변화 경향은 규명된 바 있으나, 실온 제어 또는 에너지 성능에 대한 분석은 수행되지 않아 개방형 CRCP 시스템의 적정 설계 방안에 대한 근거가 부족한 상태이다.
이에 본 연구에서는 선행 연구에서 분석된 개방형 CRCP 시스템의 냉방용량 데이터를 동적 시뮬레이션에 반영하여, 전체 냉방기간 중 개방형 CRCP 시스템의 실온 제어 및 에너지 성능을 평가하는 것을 목표로 설정하였다. 또한 앞에서 언급한 바와 같이 개방형 CRCP 시스템의 냉방용량은 개구부의 면적에 큰 영향을 받으므로(Shin et al., 2019), 개구부 면적에 따른 냉방용량 변화를 에너지 시뮬레이션에 반영하여 실온 제어 및 에너지 성능을 평가하였으며, 이를 통해 개방형 CRCP 시스템의 설계 가이드라인 정립을 위한 기초 데이터를 도출하고자 하였다.
개방형 CRCP 시스템의 냉방용량
기존연구 고찰
천장복사냉방 시스템의 냉방용량은 패널 표면에서의 열전달계수와 관계있으며, 이를 밝히기 위한 다양한 연구가 수행되어 ISO 11855 등의 기준으로도 정립된 바 있다(Shinoda et al., 2019; Babiak, 2009; ISO, 2012; ISO, 2015). 한편 정적인 조건에서의 복사냉방시스템과는 달리, 천장 표면의 기류속도를 증가시킬 경우 열전달계수의 증가로 인해 냉방 용량이 증대되는 것으로 알려져 있다. Jeong and Mumma의 연구(Jeong and Mumma, 2003)에서는 CRCP에 기계환기를 병용할 경우 대류 성분 증가로 인해 냉방용량이 16%~71% 증대되는 것으로 보고되었다. Noveselac 등의 연구(Noveselac et al., 2006)에서는 CRCP 패널 표면과 평행하게 기류를 형성시킬 경우 대류 열전달계수의 증가로 4%~17%의 냉방 용량 증대 효과를 얻을 수 있다고 하였다. Karmann 등의 연구(Karmann et al, 2017)에서는 천장 슬래브를 냉각시키는 구체축열 시스템이 적용된 공간에서 팬으로 실내 기류를 순환시킬 경우 냉방 용량이 12%~26% 증가하는 것을 실험적으로 규명하였다.
이러한 연구는 강제대류에 의한 천장복사냉방 시스템의 냉방용량 증대에 관한 것이라면, Shin et al.의 연구(Shin et al., 2019)에서는 자연대류에 의한 CRCP 시스템의 냉방용량 증대 효과를 분석하였다. 즉, Figure 1과 같이 CRCP를 개방형으로 설치할 경우, 패널과 패널 사이의 개구부를 통해 plenum공기가 유동함에 따라 거주역 전체 및 CRCP 표면에서의 열전달계수가 증가하여 냉방용량이 증대되는 것을 Mock-up 실험 및 CFD 시뮬레이션으로 규명하였다. Table 1은 위 연구에서 산출한 냉방용량 데이터를 발췌한 것으로, Δθ(냉수평균온도와 실내온도의 차이)에 따른 냉방용량 데이터를 통해 열전달계수(h)를 추정할 수 있다. 또한 개구부의 면적을 크게 할수록 패널 면적이 작아지므로, 패널 표면에서 제거되는 열량의 총량은 감소할 수 있으나, 공기 유동의 증가로 인해 패널 표면의 열전달계수가 증가하여 단위면적당 제거열량은 증가하는 것을 알 수 있다.
Table 1. Cooling capacity and heat transfer coefficients with CRCP system type
2) Entire ceiling is covered with CRCPs.
Figure 2는 폐쇄형과 개방형 CRCP 시스템의 열전달 개념을 간략하게 도식화한 것으로, 개방형 CRCP 시스템의 제거열량(Qo)은 폐쇄형의 경우보다 증가된 열전달계수(ho) 및 감소된 패널 면적(Ao)을 적용하여 산출하게 된다. 이를 수식화하면 식 (1)과 같이 개방형 CRCP 시스템의 제거열량 Qo는 폐쇄형으로 설치했을 경우를 가정한 제거열량 Qc에, 열전달계수의 증가분(Δh)을 적용한 제거열량 증가분 ΔQ를 더하여 산출하는 것으로 표현할 수 있다.
| $$Q_o=h_oA_o\triangle T=(h_c+\triangle h)A_o\triangle T=h_cA_o\triangle T+\triangle hA_o\triangle T=Q_c+\triangle Q\;(\mathrm W)$$ | (1) |
여기서, Qo, ho, Ao는 각각 개방형 설치시의 제거열량(W), 열전달계수(W/㎡K), 패널면적(㎡), Qc, hc는 각각 폐쇄형 설치시의 제거열량(W), 열전달계수(W/㎡K)이고, ΔT는 패널표면온도와 실내온도차(°C), Δh,ΔQ는 각각 개방형 설치에 따른 열전달계수 증가분(W/㎡K)과 제거열량의 증가분(W)이다. 본 연구에서는 개방형 CRCP 시스템의 패널 면적(Ao) 및 열전달 계수(ho)를 TRNSYS 18의 Type 56-Chilled ceiling 모델의 파라미터로 입력하여, CRCP의 개방형 설치 시의 냉방성능을 분석하였다.
개방형 CRCP 시스템의 시뮬레이션 모델 구현
개방형 CRCP 시스템의 냉방성능 분석을 위해, 선행연구(Shin et al., 2019)에서 설정한 모델 공간을 TRNSYS 18의 Type 56으로 구성하고, 천장면은 Active layer로 모델링하였다. Active layer의 여러 유형 중 CRCP의 물리적 특성을 재현할 수 있는 Chilled ceiling 모델(SEL, 2017)을 적용하였고, Table 2와 같이 CRCP의 면적에 따라 Chilled ceiling의 면적을 조정하는 방식을 취하였다. Reference case의 경우 개구부 없이 천장면 전체가 CRCP로 덮여 있는 조건이며, Case A에서 Case D로 갈수록 개구부의 면적이 증가하나 패널 면적은 감소하는 조건이다. 즉, Case A~D를 설정한 것은 개구부 면적 증가로 인한 열전달 계수 증가 요인과 패널 면적 감소로 인한 제거 열량 감소 요인을 비교하기 위함으로 볼 수 있다. 해석 대상 모델공간의 정보 및 시뮬레이션 입력 조건은 Table 3과 같다.
Table 2. Input parameters for CRCP simulation using TRNSYS 18
| Case | Panel area [㎡] | Opening area [㎡] | h [W/㎡K] | △h [W/㎡K] |
| Reference | 16 | 0 | 11.02 | 0 |
| Case A | 12.96 | 3.04 | 14.86 | 3.84 |
| Case B | 8 | 8 | 16.18 | 5.16 |
| Case C | 6.48 | 9.52 | 16.74 | 5.72 |
| Case D | 4 | 12 | 17.05 | 6.03 |
Table 3. Input parameters for simulated model space
| Parameter | Description | Remark |
| Dimension | 4 m (W) × 4 m (D) × 3 m (H) | (Shin et al., 2019) |
| U-value | 0.651 W/㎡K for external wall 0.040 W/㎡K for floor/ceiling 1.69 W/㎡K for window glazing | Window to wall ratio = 40% |
| Infiltration rate | 0.6 ACH | |
| Internal gains | 115 W/person for occupants 15 W/㎡ for equipment | |
| Occupancy schedule | 0.0 for 00:00-08:00 1.0 for 08:00-12:00 0.5 for 12:00-13:00 1.0 for 13:00-18:00 0.0 for 18:00-24:00 | Occupancy density = 0.2 person/㎡ |
| Weather data | Inchon | EPW format |
| CRCP control | Setpoint=24°C (deadband 2°C) | TRNSYS type 166 |
본 연구는 개방형 CRCP 적용 시 냉방 패널 및 실내측 열적 거동을 중심으로 분석하는 것이 목적이므로, 시뮬레이션 모델링은 CRCP를 포함한 Room까지를 해석 범위로 설정하고 펌프나 냉동기와 같은 열원/반송 및 분배시스템 계통은 해석 범위에서 제외하였다. 개방형 CRCP의 개구부 면적에 따른 냉방성능의 평가지표로는 쾌적 관점에서 실온을, 에너지 성능 관점에서는 패널의 제거 열량, 냉방 가동시간, 가동시간 당 제거열량을 분석하였다.
개방형 CRCP 시스템 성능평가 결과
실온제어 성능
Figure 3은 전형적인 하절기 조건(8월 22일)에서의 실온 거동을 분석한 시뮬레이션 결과로, CRCP가 가동되기 시작하는 7시부터 실온 상승이 억제되고 냉방 설정온도인 24°C전후로 실온이 제어되는 것을 볼 수 있다. Figure 3(a)에서와 같이, 개방형 CRCP의 경우(Case A~D), Reference case에 비해 패널 표면의 열전달 계수가 크므로(Table 1, 2 참조), 시간당 제거열량(Cooling rate) 또한 크며 그에 따라 실온이 상대적으로 빨리 하강하는 것으로 나타났다. 다만 Case A, B, C는 Cooling rate의 차이가 크지 않아 실온 거동은 거의 유사하게 나타나며, 패널 면적이 가장 작은 Case D의 경우 Case A~C에 비해 Cooilng rate이 상대적으로 작아 실온 하강 속도가 다소 완만하게 나타나는 것을 볼 수 있다(Figure 3(b) 참조). 즉, 개구부의 존재에 의해 제거열량이 증대되어 실온 하강속도를 증가시킬 수 있으나, 개구부의 크기가 너무 커질 경우에는 패널 면적의 감소로 인해 Cooling rate 증대 효과가 크지 않아 실온 제어 성능의 향상을 기대하기 어렵다고 판단된다.
개방형 CRCP 적용 시, 개구부 면적이 과도할 경우 원하는 만큼의 Cooling rate을 기대하지 못할 수 있으며, 이는 실온 하강 속도의 감소 및 실온 제어 성능의 저하로 이어질 수 있고, 냉방시간의 증대로 인한 에너지 소비량 증가를 유발할 수 있다. 따라서 Cooling rate과 냉방 시간 측면에서 개방형 CRCP 시스템의 에너지 성능을 평가할 필요가 있으며, 다음 절에서 이에 대한 분석 결과에 대해 논하기로 한다.
에너지 성능
Figure 4는 총 냉방기간 중 시간당 제거열량(Cooling rate)의 범위를 Case별로 비교한 결과로, Reference case에 비해 개방형 CRCP의 Cooling rate은 평균값 기준으로 작게는 1% (Case D), 크게는 23% (Case A)까지 증가하는 것으로 나타났다. 열전달계수 자체는 Case D가 가장 크나, 패널면적이 작은 한계로 Case A~C에 비해 냉방용량 증대효과를 크게 얻을 수 없는 것으로 판단된다. 반면 개방형 CRCP 중 열전달 계수가 가장 작은 Case A는 패널 면적이 개방형 중 가장 크므로, 모든 Case 중 Cooling rate이 가장 큰 것으로 나타났다.
Figure 5는 CRCP의 개구부 면적에 따른 열전달계수와 냉방기간 총 제거열량 간의 관계를 나타낸 것이다. Figure 5(a)는 개방형 설치에 의한 제거열량 증가분(식 (1)의 ΔQ)을 열전달계수와 함께 나타낸 것으로, 개구부 면적이 클수록 공기유동에 의한 열전달 계수가 증가하여 개구부 공기유동에 의한 제거열량 증가 효과가 있음을 확인할 수 있다. 그러나 Figure 5(b)와 같이, 개구부 면적이 클수록 패널 면적이 감소하여, 폐쇄형으로 설치했을 경우를 가정한 제거 열량 (식 (1)의 Qc)은 감소하는 것을 알 수 있다. 그러므로 개방형 CRCP 시스템 설계 시 개구부 면적 증가에 의한 열전달계수 증가와 패널면적의 감소는 trade-off 관계에 있으며, 제거 열량을 최대화할 수 있는 개구부 면적 선정이 필요하다고 판단된다.
Figure 6(a)는 개구부 면적에 따른 총 제거열량 (식 (1)의 Qo)으로 Figure 5(a)와 (b)의 제거열량을 합산한 결과이며, Figure 6(b)는 냉방 가동시간을 나타낸 것이다. 냉방기간 중 총 제거열량은 폐쇄형 CRCP가 가장 크며, 개방형 CRCP 중에서는 개구부 면적이 가장 작은 Case A가 가장 큰 것으로 나타났다. 총 제거열량 측면에서는 개방형 CRCP의 효과가 없다고 판단할 수도 있으나, 냉방 가동시간 측면에서는 개방형 CRCP가 폐쇄형 CRCP에 비해 5~19% 적은 것으로 나타나 에너지 절감 가능성이 있는 것으로 볼 수 있다. 이는 Figure 3에서와 같이 개방형 CRCP의 경우 Cooling rate(시간당 제거열량)이 폐쇄형 CRCP에 비해 크기 때문에 적은 냉방 시간으로도 설정 실온을 만족시킬 수 있기 때문으로 사료된다. 다만 개구부의 면적이 증가할수록 냉방 가동시간도 증가하여, Case D의 경우에는 폐쇄형 CRCP에 비해 냉방 가동시간의 절감 효과가 크지 않다는 것을 알 수 있다.
Figure 7은 총 제거열량을 냉방 가동시간으로 나눈 수치로, 동일시간에 얼마나 많은 열량을 제거할 수 있는지를 의미하므로 일종의 냉방 효율로 평가할 수 있다. 개방형 CRCP는 대부분 폐쇄형 CRCP보다 높은 냉방효율을 보이며, Case A~Case B 사이에서는 거의 동일한 냉방효율을 나타내는 것을 알 수 있다. 본 연구에서 분석한 모델 건물 조건에서는 CRCP의 면적이 전체 천장 면적의 약 50%(Case B에 해당) 이상이면 패널 면적을 줄이면서도 냉방 효율을 증대시킬 수 있을 것으로 판단된다. 다만 본 연구에서는 열원이나 반송계통을 모델링하지 않은 한계가 있으므로, 냉동기 성적계수나 펌프동력 등 엄밀한 냉방효율을 평가하기 위해서는 보다 정밀한 시뮬레이션 모델 분석이 요구된다.
개방형 CRCP 시스템 활용 가능성
앞에서 분석한 바와 같이, 개방형 CRCP 시스템은 동일 시간에 상대적으로 더 많은 열량을 제거할 수 있으므로 복사냉방 시스템의 에너지 절감 방안으로 활용될 수 있다. 또한 Figure 8과 같이, 폐쇄형 CRCP 시스템과 비교하여 냉수 온도차(패널 입출구 온도차)가 증가하므로 대온도차 공조시스템과 같은 열원 효율 향상 효과를 기대할 수 있다. 그러나 개구부의 면적이 너무 커질 경우(Case D), 냉수 온도차는 폐쇄형과 큰 차이가 없으므로 적정 개구부 면적 선정에 유의할 필요가 있다.
Figure 9는 실내온도와 평균냉수온도 차이에 따른 제거열량의 분포를 나타낸 것으로, x축의 값이 작을수록 냉수온도가 실온에 가깝다는 의미이다. 개방형 CRCP 시스템, 특히 Case A~C의 경우 폐쇄형 CRCP 시스템에 비해 실온에 더 가까운 냉수온도로 폐쇄형 CRCP와 동등수준의 제거열량을 확보할 수 있으며, 동일한 냉수온도 조건일 경우에는 폐쇄형에 비해 더 높은 제거열량을 확보할 수 있다. 이는 패널에 공급되는 냉수의 온도를 폐쇄형 CRCP 시스템에 비해 더 높일 수 있으며, 그에 따라 결로 방지 성능이 개선될 뿐 아니라 고온수 냉방으로 인해 열원효율의 향상 또한 기대할 수 있음을 의미한다.
개방형 CRCP 시스템의 부수적 효과로는 냉방패널 설치 면적 감소를 통한 초기투자비 절감 및 시공 용이성 증대 효과를 들 수 있다. 이와 같은 냉방성능 및 비용 측면에서의 개선 효과로 인해, 개방형 CRCP 시스템은 기존의 복사냉방 시스템 성능을 좀 더 향상시킬 수 있는 저비용 고효율의 공조 설비 대안으로 활용 가능할 것으로 판단된다.
그러나 본 연구에서 분석한 개방형 CRCP 시스템은 패널의 상부 단열층이 없는 경우에 적용될 수 있는 한계가 있다. 패널 상부 단열이 있는 개방형 CRCP의 경우에는 플레넘 공간의 온도 저하가 크지 않으므로, 본 연구에서 분석한 바와 같은 냉방 용량 증대효과를 기대하기 어렵다. 또한 본 연구는 잠열부하 처리와 외기 도입을 담당하는 환기시스템을 고려하지 않은 한계가 있으므로, 개방형 CRCP 시스템의 적용성 확대를 위해서는 별도의 환기 및 공조 설비 운전에 의한 패널 표면 열전달계수 및 냉방 용량 변화를 추가적으로 분석할 필요가 있다.
결 론
본 연구에서는 선행연구에서 도출된 개방형 CRCP 시스템의 냉방용량 데이터를 에너지 시뮬레이션에 적용하여, 개방형 CRCP 시스템의 개구부 면적에 따른 냉방성능을 실온제어 및 에너지 성능 관점에서 평가하였다. 본 연구를 통해 도출된 주요 결과는 다음과 같다.
(1)개방형 CRCP는 폐쇄형 CRCP에 비해 패널 표면의 열전달 계수가 크므로, 시간당 제거열량(Cooling rate) 또한 크며 그에 따라 냉방시 설정실온에 도달하는 시간이 단축되어 실온제어 성능이 향상될 수 있다. 그러나 개구부의 크기가 너무 커질 경우에는 패널 면적의 감소로 인해 Cooling rate 증대 효과가 크지 않아 실온 제어 성능의 향상을 기대하기 어렵다고 판단된다.
(2)개방형 CRCP의 시간당 제거열량은 폐쇄형에 비해 평균적으로 1%~23%까지 증가하는 것으로 나타났다. 개구부 면적이 증가할 경우 패널표면 열전달계수는 증가하나, 패널 면적이 감소하므로 개방형 CRCP 시스템의 냉방용량 증대 효과는 제한적일 수 있다.
(3)전체 냉방기간 중 개방형 CRCP의 가동시간은 폐쇄형 CRCP에 비해 5%~19% 감소하며, 총 제거열량을 가동시간으로 나눈 수치를 냉방효율로 평가할 경우 개방형 CRCP는 대부분 폐쇄형 CRCP보다 높은 냉방효율을 나타냈다. 본 연구의 분석 모델에서는 CRCP의 면적이 전체 천장 면적의 약 50% 이상이면 폐쇄형 CRCP에 비해 패널 설치 면적을 줄이면서도 냉방 효율을 증대시킬 수 있을 것으로 판단된다.
(4)개방형 CRCP는 폐쇄형에 비해 냉수온도차(패널 입출구 온도차)가 증가하여 열원 효율 향상 효과를 기대할 수 있으며, 동일한 냉수온도 조건에서도 폐쇄형에 비해 더 높은 제거열량을 확보할 수 있는 것으로 분석되었다. 따라서 폐쇄형에 비해 냉수온도를 더 높일 수 있어, 결로 방지 성능 개선 및 고온수 냉방에 의한 열원효율 향상 효과를 기대할 수 있다.
본 연구는 패널 상부에 단열층이 없는 CRCP에 대한 분석 결과로, 냉수 배관이 마감재 또는 단열재에 매립된 CRCP의 경우에는 해석 결과가 달라질 수 있다. 또한 본 연구는 Room 모델까지를 연구 범위로 설정하고, 열원을 직접 모델링하지 않은 관계로 개방형 CRCP 시스템을 고온수 냉방으로 운전할 경우의 열원 효율 향상 및 에너지 절감량이 직접적으로 분석되지 않은 한계가 있다. 따라서 열원 및 반송 계통을 포함한 개방형 CRCP 시스템의 정밀 해석과 함께, Mock-up 실험을 통한 시뮬레이션 모델의 검증이 병행될 필요가 있다.
