工學碩士學位 請求論文

建物의 多目的 外皮 시스템의 應用에 관한 硏究

A Study on Application of Multipurpose Envelope

System in Building

2006년 2월

仁荷大學校 大學院

建築工學科(計劃專攻)

金 義 鍾

工學碩士學位 請求論文

建物의 多目的 外皮 시스템의 應用에 관한 硏究

A Study on Application of Multipurpose Envelope

System in Building

2006년 2월

指導敎授 徐 承 稷

이 論文을 工學碩士學位 論文으로 提出함

仁荷大學校 大學院

建築工學科(計劃專攻)

金 義 鍾

이 論文을 金 義 鍾의 碩士學位 論文으로 認定함

2006 年 2 月 24 日

主審 : (인)

副審 : (인)

委員 : (인)

- 1 -

국문 요약

建物의 多目的 外皮 시스템의 應用에 관한 硏究

仁 荷 大 學 校 大 學 院建 築 工 學 科金 義 鍾

전 세계적으로 오일과 같은 화석연료가 고갈되어 가고 아울러 환경 문제에

대한 국제적 대처방법으로 교토 의정서 등 실질적인 에너지와 관련 환경 규제

가 실현되고 있는 지금, 전체 에너지 중 약 98%의 에너지를 해외에 의존하는

우리나라는 이에 대한 범국가적인 대책 마련이 시급한 상황에 놓여 있다.

이 가운데 주거 건물이 소비하는 에너지는 전체 에너지 소비량의 18%에 이

르며 선진국을 중심으로 한 주거건물에서의 태양광 발전과 같은 신재생에너지

의 적용은 에너지 문제와 환경 문제를 동시에 해결할 수 있는 대안으로서 우리

나라에서도 이에 대한 요구가 점차 높아지고 있다.

이러한 배경에서 주거 건물의 에너지 소비를 줄이기 위해 건물 지붕에 적용

가능하고 자연형 에너지의 이용을 극대화한 다목적 외피 시스템(MPES)을 제

안하였고 이에 대한 이론적 분석을 통해 그 가능성을 검증하였다.

이론적 분석은 크게 정상상태 해석과 동적 해석을 병행하였다. 정상상태 해

석을 통하여 시스템의 최적 운용을 위한 변수를 결정하였으며 얻어진 변수들은

동적 열평형 모델의 각 입력값으로 활용되어 시스템 적용시의 연중 부하를 계

산하였다. 미분방정식의 차분은 크랭크 니콜슨 방법, 대수방정식의 매트릭스해

법은 가우스 사이들 반복해법을 사용하였으며 포트란 언어를 이용하여 프로그

램을 작성하였다.

이상의 다양한 시뮬레이션 분석을 통해 얻어진 MPES의 성능에 대한 주요

- 2 -

결과를 요약하면 다음과 같다.

① 정상상태 해석결과 시스템 최적 성능을 위해서 Fan의 유량을 0.2㎥/s/M, 중

공층 간격을 0.2m, 그리고 PV의 설치 면적은 지붕체 중앙의 회전축을 중심

으로 상단에 위치시켰다.

② 다양한 대안 모델들을 통하여 부하량 및 피크부하 절감을 기대할 수 있었으

며 대안에 따라 기준모델과 비교시 냉방시 최고 약 105.1[kWh]의 부하절감

과 1.5[kW]의 피크부하 절감을, 난방시에는 각각 108.9[kWh], 224.8[W]의

절감효과를 나타냈다.

③ 기존건물과의 부하량 비교를 위해 선정된 두 가지의 비교모델에서 천창만을

적용한 모델에 비해서 냉방기 약 5,847.3[kWh]의 큰 부하절감을 나타내었으

며 보다 일반적인 경우인 외벽과 동일하게 구성된 비교모델과는 냉방기 약

647.4[kWh], 난방기 때는 약 746.6[kWh]의 부하절감을 기대할 수 있었다.

④ MPES를 통한 PV발전량의 경우 냉방기 때는 456.9[kWh], 난방기 때는

504.8[kWh]의 발전량을 기대할 수 있었으며 이 경우 대안별 fan의 소요전력

량의 차이로 인해 운용시 주의가 필요하다.

향후 이 시스템의 주거건물에서의 에너지 절감을 위한 대안으로서의 역할을

하리라 사료되며 이의 실용화를 위한 실험을 통한 검증이 병행되어야 한다.

- 3 -

Abstract

A Study on Application of Multipurpose Envelope System in Building

KIM, EUI JONGDepartment of Architectural Engineering

Graduate School of Inha University

These days, fossil energy like oil is being exhausted around the world and

simultaneously the international execution of a climate treaty like Kyoto-Protocol

is just around the corner for preventing the environmental pollution. With this

global environment, we, depending on the foreign energy resources of 98% of the

total energy consumption, are in the urgent situation to make up national

countermeasures for coping with these challenges.

Of the total energy consumption of Korea, one of residential buildings is up

to 18%. To work out these problems, it has been required increasingly to adopt

the renewable energy like BIPV into the residential buildings as the same as the

developed countries like Germany and Japan has done.

With these situations, we proposed a new Multipurpose Envelope System

(hereafter referred to as MPES) utilizing various natural resources on a roof, to

reduce energy consumption on a residential building, and we verified the

possibility through theoretical analyses.

In terms of the theoretical analyses, we fulfilled the steady state method and

the dynamic model method. To decide each parameter of the system for the

optimum operation, we analyzed heat transfer equations with the steady-state

- 4 -

method, and then the parameters obtained from the process used as the input

values in the dynamic heat equivalent model we proposed for calculating building

loads. The discretization of derivatives was the Crank-Nicolson Method, and the

solution of matrices of the algebraic equations from the discretization was

obtained by the iterative method of Gauss-Seidel. All of programmes were coded

by the FORTRAN-language.

The main results of the MPES are summarized as follows :

From the results of the steady-state analysis, it was apt to decide the

parameters as follows : the flow rate through fan, 0.2㎥/s/M ; the air gap of the

channel, 0.2m ; the covering of PV-cell, upper area of the axis positioning at the

center of the roof module.

Various alternatives for improving the system performance were suggested.

when we used the optimum alt., we could reduce the cooling loads of

105.1[kWh] and the cooling peak loads of 1.5[kW] ; the heating loads of

108.9[kWh] and the heating peak loads of 224.8[W] as compared with the

reference case.

In the comparison with other envelopes of the same building, MPES could

reduce the cooling loads of 5,847.3[kWh] in the case of the envelope of glazing

at the roof ; the cooling loads of 647.4[kWh] and the heating loads of

746.6[kWh] with the general composition of wall at the same roof.

In terms of the PV power generation, we could get the electricity of

456.9[kWh] in the cooling period and of 504.8[kWh] in the heating period, but

we should choose the proper alternative according to the objective of operations

because the amounts of fan-power of supply were different in the each

alternative.

Henceforth, MPES could play an important role as the alternative for saving

- 5 -

energy consumption of a residential building, and the additional studies should be

made through the experimental method for the imagineering.

- 1 -

- 목 차 -

제 1 장 서 론 ····················································································· 1

1 . 1 연 구 배 경 및 목 적 ················································································· 2

1 . 2 연 구 방 법 및 범 위 ················································································· 3

제 2 장 건 물 의 자 연 형 에너 지 이용 기 법 ··································· 5

2. 1 태 양 열 이용 ····························································································· 5

2. 2 태 양 광 이용 ····························································································· 6

2. 3 복 사 냉 각 이용 ······················································································· 1 2

2. 4 자 연 채광 이용 ······················································································· 1 2

제 3 장 다 목 적 외 피 시스템 ·························································· 1 4

3 . 1 개 요 ······································································································ 1 5

3 . 2 시스템의 적 용 ······················································································· 1 6

3 . 2. 1 유 사 시스템 사 례 ················································································ 1 6

3 . 2. 2 다 양 한 건 물 적 용 기 법 ······································································ 1 7

3 . 3 시스템의 가 능 한 계 절 별 운 전 방 법 ················································· 1 7

- 2 -

3 . 3 . 1 주 간 운 용 방 식 ···················································································· 1 7

3 . 3 . 2 주 간 운 용 방 식 ···················································································· 1 7

제 4 장 다 목 적 외 피 시스템의 설 계 ·············································· 1 9

4. 1 다 목 적 외 피 시스템의 음 영 분 석 ··················································· 1 9

4. 1 . 1 기 하 학적 계 산 방 법 ············································································ 1 9

4. 1 . 2 음 영 면 적 계 산 ···················································································· 21

4. 2 변 수 분 석 을 위 한 정 상 상 태 해 석 모 델 ········································· 24

4. 2. 1 에너 지 평 형 방 정 식 ············································································ 24

4. 2. 2 입 력 조건 ······························································································· 26

4. 2. 3 방 정 식 계 수 ·························································································· 27

제 5 장 다 목 적 외 피 시스템의 비 정 상 상 태 해 석 모 델 ············ 29

5 . 1 일 사 량 과 기 상 데 이터 ·········································································· 29

5 . 1 . 1 일 사 량 분 석 을 위 한 태 양 기 하 학 ··················································· 29

5 . 1 . 2 기 상 데 이터 ···························································································· 3 0

5 . 2 해 석 모 델 및 재 료 의 물 성 치 ···························································· 3 0

5 . 3 에너 지 평 형 방 정 식 ············································································ 3 2

- 3 -

5 . 3 . 1 절 점 별 열 평 형 방 정 식 ········································································ 3 3

5 . 3 . 2 부 하 계 산 ································································································· 3 6

5 . 4 수 치 해 석 ································································································· 3 7

5 . 4. 1 수 치 해 석 방 법 과 수 치 안 정 성 ····························································· 3 7

5 . 4. 2 알고 리 즘 ································································································· 3 7

5 . 5 열 전 달 계 수 ··························································································· 41

5 . 5 . 1 대 류 및 전 도 열 전 달 계 수 ······························································· 41

5 . 5 . 2 형 태 계 수 ································································································· 44

5 . 5 . 3 복 사 열 전 달 계 수 ················································································ 47

5 . 6 운 전 및 제 어 방 법 ··············································································· 48

5 . 6. 1 계 절 의 설 정 ·························································································· 48

5 . 6. 2 계 절 별 운 전 방 법 ·················································································· 49

제 6 장 계 산 결 과 및 고 찰 ······························································ 5 1

6. 1 음 영 분 석 ······························································································· 5 1

6. 1 . 1 일 사 량 과 음 영률 ·················································································· 5 1

6. 1 . 2 적 정 길이비 산 정 ················································································ 5 5

6. 1 . 3 음 영 분 석 결 과 ···················································································· 5 6

- 4 -

6. 2 정 상 상 태 분 석 ······················································································· 5 6

6. 2. 1 집열 효 율 ······························································································· 5 6

6. 2. 2 복 사 냉 각 효 율 ······················································································ 5 8

6. 2. 3 태 양 광 발 전 효 율 ················································································ 60

6. 2. 4 정 상 상 태 분 석 결 과 ············································································ 60

6. 2. 5 시스템 선 정 ·························································································· 61

6. 3 비 정 상 상 태 해 석 모 델 분 석 결 과 ··················································· 61

6. 3 . 1 P V Roof가 받는 일 사 량 ······························································ 61

6. 3 . 2 대 안 분 석 ··························································································· 63

6. 3 . 3 냉 난 방 부 하 ····················································································· 65

6. 3 . 4 P V 발 전 량 ······················································································· 66

제 6 장 결 론 ····················································································· 68

참고 문헌 ································································································· 7 0

부 록 ········································································································· 7 3

- 5 -

- 표 목 차 -

[표 1] PV cell의 공칭 효율 ············································································································· 26

[표 2] 비정상상태 해석 모델의 물성치 ························································································· 32

[표 3] 부하계산을 위한 설정조건 ··································································································· 36

[표 4] 냉난방 기간의 설정 ··············································································································· 49

[표 5] MPES의 계절별 기본 설정 조건 ······················································································· 50

[표 6] 일사량 프로그램 작성 입력값 ····························································································· 51

[표 7] 대안 선정 조건 ····················································································································· 63

- 6 -

- 그 림 목 차 -

[그림 1.] 우리나라의 에너지 효율의 비교 ······················································································ 1

[그림 2.] 연구 배경 개념도 ················································································································ 3

[그림 3.] 연구흐름도 ···························································································································· 4

[그림 4.] 건물에 적용된 태양열 시스템 ·························································································· 6

[그림 5.] 태양전지의 발전원리 ·········································································································· 7

[그림 6.] 건물 일체형 태양전지의 적용 사례 ················································································ 8

[그림 7.] PV 발전시 전․후면의 온도 양상 ················································································ 11

[그림 8.] 다양한 복사냉각 이용방법 ······························································································ 12

[그림 9.] 다양한 자연채광 이용기술 ······························································································ 13

[그림 10.] MPES의 개념도 ············································································································ 14

[그림 11.] 다목적 외피 시스템의 자연형 에너지 이용 개념도 ················································ 15

[그림 12.] Munich 공항의 채광 자동 조절 시스템 ···································································· 16

[그림 13.] 계절별 시스템 운전모드 ································································································ 18

[그림 14.] 단일 시스템의 크기 ········································································································ 20

[그림 15.] 프로파일각의 개념도 ······································································································ 20

[그림 16.] 경사각도 조절에 따른 위치관계 ·················································································· 21

[그림 17.] 방위각이 클 때의 PV 경사면의 음영패턴 ································································ 22

[그림 18.] 음영면적 개념도 ·············································································································· 22

[그림 19.] 좌표계를 통한 해석 ········································································································ 23

- 7 -

[그림 20.] 정상상태 해석을 위한 열수지 모델 ············································································ 24

[그림 21.] 팬의 유속증가에 따른 시스템 효율 ············································································ 27

[그림 22.] 기상데이터를 이용한 각 방위 일사량 계산 알고리즘 ············································ 29

[그림 23.] 2004년 기상청 데이터(인천) ························································································· 30

[그림 24.] 해석 모델의 개념도 ········································································································ 31

[그림 25.] M의 조건에 따른 시스템 개념도 (M=1 밀폐, M=0 경사개방) ···························· 33

[그림 26.] 유체공간 제어체적의 열수지모델 ················································································ 34

[그림 27.] 지붕 유리의 U-value ····································································································· 34

[그림 28.] 시간별 기상데이터를 이용한 수치해석 개념도 ······················································ 38

[그림 29.] 유체 유동 공간 ················································································································ 39

[그림 30.] 유체 유동 공간의 제어체적 개념도 ············································································ 40

[그림 31.] 시간간격 동안의 유체 흐름도 ······················································································ 40

[그림 32.] 유한한 면적을 갖는 두 표면 사이의 관계 ······························································ 45

[그림 33.] 서로 수직인 두 평면의 관계 ······················································································ 46

[그림 34.] 외기 최대온도의 설정온도별 빈도수 ·········································································· 49

[그림 35.] PV 경사에 따른 누적일사량 ························································································ 52

[그림 36.] 동짓날의 길이비에 따른 음영률 ·················································································· 53

[그림 37.] 최대일사량일 때의 각 통산일의 음영비 ···································································· 54

[그림 38.] 특정일사량일 때의 각 통산일에 따른 음영비 ·························································· 55

[그림 39.] 설계 PV 모듈 구조 ······································································································ 55

- 8 -

[그림 40.] 유체유동공간 폭(H)에 따른 효율 ················································································ 57

[그림 41.] 시스템 길이에 따른 효율 ······························································································ 57

[그림 42.] 일사량 변화에 따른 효율 ······························································································ 58

[그림 43.] 실내공기 유입시 복사냉각효율 (H=0.2m) ································································· 59

[그림 44.] 외기유입시 복사냉각효율 (H=0.2m) ··········································································· 59

[그림 45.] 일사량에 따른 PV의 발전 효율 ·················································································· 60

[그림 46.] 경사에 따른 냉방기 PV Roof 일사량 ········································································ 62

[그림 47.] 경사에 따른 난방기 PV Roof 일사량 ········································································ 62

[그림 48.] 여름철 대안별 냉방부하 및 피크부하 ········································································ 64

[그림 49.] 겨울철 대안별 난방부하 및 피크부하 ········································································ 65

[그림 50.] 비교 모델에 따른 냉․난방 및 피크부하 ·································································· 66

[그림 51.] PV 발전량과 fan에 의한 소비전력량 ········································································· 67

- 9 -

- 기 호설 명 -

알파 벳 기 호 (Nomenclature)

A : 태양 방위각

c : 비열(J/kg․K)

dt : 계산 시간 간격

dt 2 : 유체공간의 시간 간격

Dh : 수력지름 (flow area / wetted perimeter)

F : 형태계수

g : 중력 가속도 (m/ s 2)

H : 유동 공간의 폭

h : 태양 고도

h r : 복사 열전달 계수 (W/㎡․K)

h v : 대류 열전달 계수 (W/㎡․K)

k : 열전도율 (W/m․K)

L : 대상모델의 길이

M : PV Roof 개방 여부

S : 일사량 (W/㎡)

T : 온도(K)

v : 유속(m/s)

W : 대상 모델의 폭

x : 부재 격자 간격

Y : 유체의 격자 간격

- 10 -

그 리 스 문자 (Greek Letters)

α : 흡수율

β p : PV 효율저감계수

β' : 체적 팽창 계수 (for an ideal gas, β'=1/T )

γ : 유체 평균온도 계수

δ : 축과 이루는 각

ΔT : 평판사이의 온도차

ε : 방사율

η : 효율(%)

θ : PV Roof 경사각

ν : 동점성 계수 (kinematic viscosity)

ρ : 밀도(kg/㎥)

σ b : 스테판 볼츠만 상수 (5.67×10-8․W/㎡․K4)

τ : 투과율

Φ : 태양 프로파일각

하 첨자 (Subscript)

a : 지붕체 주변

1…n : 절점(외부면 부터)

f : 유체유동공간

g : 천정 유리

i : 부재 내부면

j : 벽체의 방위

m : 경량 금속체

o : 부재 외부면

out : 외부공간

pv : PV Roof의 PV

r : 실내공간

- 11 -

s : PV Roof

tilt : PV Roof의 경사

v : 수직면

w : 벽체

무차 원 수 (Dimensionless Number)

Nu : Nusselts number ( hfL/μ f )

Pr : Prandtl number ( c fμ f /k )

Ra : Rayleigh number ( gβΔTL 3/να )

Re : Reynolds number ( ρuDh/μ )

- 1 -

제 1 장 서 론

오늘날 우리들의 삶 전반은 자원과 에너지의 소비에 의해 유지되고 있다. 에

너지 없이는 단 한 순간도 살아갈 수가 없게 된 것이다. 지금도 계속되고 있는

자원의 전쟁 속에 에너지는 생존의 수단일 뿐만 아니라 국가 발전의 원동력이

기도 하다.

에너지의 97%를 수입에 의존하는 우리나라는 사회 전반에 걸쳐 에너지 효

율성이 매우 낮다. 가까운 일본과 비교해 볼 때 2001년 기준의 일본의 GDP(국

내총생산)은 41,414억 달러로 우리의 4,222억 달러에 비해 약 9.8배이면서 사용

한 1차 에너지 총소비량은 우리의 195.9백만 TOE(석유로 환산한 톤단위)의

2.63배에 달하는 514.5백만 TOE만을 사용했다고 한다. 이 수치만 보더라도 우

리나라의 에너지 효율은 일본의 27%에 미칠 뿐이며, 독일의 39%, 프랑스의

42%, 미국의 48% 수준이다. 같은 에너지를 사용하면서도 OECD 주요 선진국

의 절반에도 미치지 못하는 현실이다.1)

그림 1. 우리나라의 에너지 효율의 비교

0

5,000

10,000

15,000

20,000

25,000

30,000

35,000

40,000

45,000

JAPAN KOREA

(억달 러)

0

100

200

300

400

500

600

JAPAN KOREA

(백 만

TOE)

G D P 에너지 소비

9.8배 2.63배

에너지 효율27% 39% 42% 48%

일 본 독 일 프랑스 미국

1) 서승직, 선진국 절반 밑도는 에너지 효율, 한국경제신문, 2004. 5

- 2 -

따라서 에너지 빈국인 우리나라는 지속적인 경제성장과 환경 보존 등을 위

해 에너지의 해외 의존율을 감소시킬 수 있는 대체 에너지에 대한 개발이 절실

히 요구되는 실정이다. 대체 에너지 개발 분야 중 태양에너지는 전 세계적으로

연구개발이 촉진되고 있으며, 이용기술의 진보, 시스템 가격의 하락 및 이용률

의 증대 등으로 재생가능하고, 무한한 대체 에너지 자원으로 각광을 받고 있다.

이에 본 논문에서는 태양 에너지 이용을 극대화시키고 친환경적인 건축을

실현시킬 수 있는 건물의 자연형 외피 시스템을 제안하고 다양한 기법을 통하

여 시스템 성능 및 건물 적용시의 영향 등 시스템 응용에 관한 연구를 수행하

였다.

이러한 건물의 다목적 외피 시스템은 ‘Low or Zero energy building' 개발이

라는 의미에서 그 의의가 크다고 하겠으며 진정한 의미의 환경친화적인 건축

(Environmental Friendly Architecture)을 실현하는 길이며, 결과적으로 유한한

에너지 자원의 엔트로피 증가를 막을 수 있는 대안이 될 수 있을 것이다.

1 -1 연 구 배 경 및 목 적

우리나라의 주거 건물에서의 에너지 사용량은 아파트를 제외하고 볼 때 국

가 총 에너지 소비량의 10.6%나 되는 엄청난 량을 소비하고 있다. 그리고 이

소비 에너지 중 78%는 주로 난방과 급탕을 비롯한 실내 환경 조절을 위해 쓰

여지고 있다. 이러한 문제와 관련하여 그동안 국내에서는 주로 건물의 에너지

절약을 위하여 꾸준히 노력하여 왔지만, 건물의 전체의 성능보다는 요소 기술

의 개발과 응용에 주력한 결과 아직까지도 효율적인 건물의 에너지 절감에는

큰 실효를 거두지 못하고 있는 것이 사실이다. 이는 아직도 국내의 에너지 절약

기술이 요소 기술의 산발적인 적용 단계를 벗어나지 못하고 있기 때문이다. 예

를 들면 단열과 관련한 에너지 절약 기술만 보더라도 부위별 단열 두께나 약간

발전시킨 부위별 단열 성능을 규제하는 수준에 머물고 있는 것이 현실이다.

그러나 선진 외국에서는 이미 오래 전부터 부위별 단열기준이 아닌 건물의

전체 성능을 규제하는 절약기술을 적용함으로써 실질적인 건물에너지 효율을

높이고 있다. 특히, 10여 년 전부터는 건물의 에너지 소비를 최소화하기 위한

- 3 -

통합 기법이 적용된 “Zero or Low Energy Building"에 대한 개발과 보급을 촉

진하고 있다.

따라서 본 연구에서는 주택 혹은 아파트의 최상층이 열적으로 가장 열악한

환경을 형성하여 냉․난방비의 상승을 초래하는 일반적인 경우와 관련하여 건

물의 평지붕에 설치가 가능한 다목적 외피 시스템을 제안하였다. 그리고 시스

템 적용시 연간 주기의 에너지 수급효과와 성능 등을 평가하였으며 시스템 응

용과 개발에 필요한 기본 기술 확보를 위한 전반적인 연구를 수행하였다. 그림

2는 본 연구의 배경과 개념을 나타낸 것이다.

그림 2. 연구 배경 개념도

1 -2 연 구 방 법 및 범 위

본 연구는 자연에너지 이용의 극대화를 위한 새로운 자연형 시스

템을 제안하고 이의 평가 및 다양한 조건에서 보다 효과적인 성능

발휘를 위한 시스템의 응용기술에 관한 연구를 수행하였다. 따라서

이미 이론적인 체계 및 그 신뢰성이 확보된 다양한 이론에 따른 수

치분석에 초점을 맞추었다.

그림 3의 전체 연구 내용과 흐름도에서와 같이 자연형 기법들에

- 4 -

대해 조사하고 태양기하학 등의 건물의 에너지 평가와 관련한 이론

을 정리하였다. 그리고 시스템 평가와 설계를 위한 정상상태 열수지

모델의 개발과 비정상상태 모델을 제안, 마지막으로 연간 적정 운용

방법과 그에 따른 부하 등의 성능 분석을 실시하였다.

전체적인 성능 분석을 위해 선행 연구자들이 제안한 여러 가지 열

수지와 관련한 계수들을 이용하여 방정식을 세우고 이에 따른 적절

한 수치해석 기법을 활용하여 프로그래밍하였다. 사용한 프로그램은

수치계산이 우수한 고급언어인 FORTRAN을 사용하였다.

그림 3. 연구 흐름도

연구시작

자연형 디자인 요소 분석

다목적 적용 시스템 모델 분석

PARAMETER분석을 위한정상상태 해석

PV면의 음영분석(태양기하학)

MPES의 디자인 선정

Simulation 분석을 위한열수지 모델 제시

열평형 방정식 수립

Simulation 분석

해석 결과의타당성 분석

적용 시스템의 효과 분석

Simulation을 통한 계절별운용모드 제안

제어 모델의타당성 분석

제어모델의 선정 및 적용

MPES의 설치시 기대효과및 디자인 가이드 제시

연구종료아니요

예

아니요

예

음영을 고려한 PV 발전량 분석

비교모델과의 에너지 성능 비교

FEED BACK

연구시작

자연형 디자인 요소 분석

다목적 적용 시스템 모델 분석

PARAMETER분석을 위한정상상태 해석

PV면의 음영분석(태양기하학)

MPES의 디자인 선정

Simulation 분석을 위한열수지 모델 제시

열평형 방정식 수립

Simulation 분석

해석 결과의타당성 분석

적용 시스템의 효과 분석

Simulation을 통한 계절별운용모드 제안

제어 모델의타당성 분석

제어모델의 선정 및 적용

MPES의 설치시 기대효과및 디자인 가이드 제시

연구종료아니요

예

아니요

예

음영을 고려한 PV 발전량 분석

비교모델과의 에너지 성능 비교

FEED BACK

- 5 -

제 2 장 건 물 의 자 연 형 에너 지 이용 기 법

70년대의 오일쇼크 및 최근의 유가 상승 등 화석연료와 관련한 에너지 위기

에 대한 대안으로 연료전지 및 태양, 수력, 풍력, 지열 등의 다양한 대체에너지

를 가르쳐 자연형 에너지 혹은 신재생 에너지라 하며 최근 전체 소비에너지 중

약 30%의 상당한 에너지를 소비하는 건축물에 적용되는 다양한 자연형 기법이

전 세계적으로 소개되고 있다.

2-1 태 양 열 이용

태양에너지 중 파장이 긴 적외선 영역을 주로 이용하는 태양열 이용기법은

자연형 기법과 설비적 기법으로 나뉘어진다.

자연형 기법은 자연형 태양열 시스템(passive solar system)을 일컫는 것으

로 “passive solar"란 동력을 이용한 팬이나 펌프 또는 다른 복합 제어 장치 등

의 사용없이 태양에너지를 모으고, 저장하고, 재분배하는 방법2)(집열-축열-이

용)을 말한다. 이러한 자연형 태양열 난방 시스템(passive solar heating

system)은 집열부와 축열부의 두 가지 요소를 기본으로 구성되어 있다. 이것을

각각의 기능과 유형별로 나누어보면 직접 획득 방식(direct gain), 축열벽 방식

(thermal stroage wall), 부착온실 방식(attached sunspace), 축열지붕 방식

(thermal storage roof), 또는 지붕연못 방식(roof pond), 자연대류 방식

(convective loop) 등이 있으며, 기타 태양열 굴뚝(solar chimney), 지붕 복사 트

랩(roof radiation trap), 경량 집열 벽체(lightweight collect wall), 이중외피

(double skin) 그리고 복합식 시스템(hybrid system) 등의 방식들이 있다.

설비적 기법은 기계적인 동력 및 설비적 부품 등을 사용하여 집열체를 통

해 태양열을 집열하고 집열된 태양에너지를 열저장 매체를 통해 축열한 후 난

방용이나 급탕용 열을 생산하는 과정을 포함하는 방법을 말한다. 그림 4는 건

물 외피 및 단독으로 설치된 다양한 설비적 태양 집열 시스템의 예이다. 최근

2) Norbert Lechner, Heating Cooling Lighting - Design Methods for Architects, John Wiley &

Sons, Inc., 2002

- 6 -

상용되어 있는 설비형 기법 중 효율 및 경제성 면에서 가장 우수한 시스템으로

우리나라의 경우도 80년대부터 일반 주택에 상용화되어 보급되어져 왔다.

그림 4. 건물에 적용된 태양열 시스템

2-2 태 양 광 이용

태양광 발전 시스템은 1990년대에 들어서 기후변화 협약에 따른 환경문제가

범세계적으로 심각하게 대두됨에 따라 삶의 질을 향상시킬 수 있는 환경친화적

에너지 기술로서 새롭게 각광받고 있다. 이미 독일, 일본을 비롯한 선진 외국들

은 주택의 태양광 보급 사업을 이미 상당 수준 확대해 가고 있으며 미국 역시

후발 주자로서 상당한 수준의 건물의 태양광 설치와 관련한 사업을 계획하고

있다.

2-2-1 태 양 광 발 전 원 리

태양광 발전은 깨끗하고 무한한 태양에너지를 직접 전기에너지로 변환시

- 7 -

키는 기술이다. 광전지는 주로 얇은 규소(Si) 결정판의 한쪽 면에 아주 적은

소량의 인(P)을 붙이게 되면 4개의 규소와 총 5개중 4개의 인 원자가 결합하

게 되어 결합에 필요치 않은 한 개의 인 원자가 규소판 위에서 자유롭게 이

동할 수 있게 되어 인으로 이루어진 한 층은 양전하를 띠게 된다. 그와 반대

로 규소판의 다른 한 면에는 붕소를 입혀 전자가 모자라는 자리를 채울 수

있게 하여 판 전체를 전기적으로 중성을 띠게 된다. 이 반도체 접합으로 구

성된 태양전지(Solar Cell)에 태양광이 입사되면 규소의 자유전자가 양전하를

띤 한 쪽 면으로 이동하고 상대적으로 다른 한 면 경계에 전자 부족 상태가

양으로 하전되는 결과를 갖게 된다. 따라서 이 두면을 전자를 통과시켜주는

금속으로 연결하게 되면 두 개의 층을 가로질러 전류가 흐르게 되는 광전력

효과(photovoltaic effect)에 의해 기전력이 발생하여 전기에너지가 발생하게

되는 것이다.

그림 5. 태양전지의 발전원리

2-2-2 건 물 일 체 형 태 양 광 발 전 시스템

(BI P V ; Building I ntegrated P h otoV oltaic)

건물 일체형 태양광 발전 시스템(BIPV)은 PV모듈의 설치를 건물의 외장재

등으로 일체화 시켜 기본적인 전력 생산 기능이외에 건물의 외피의 변화 및 독

립 설치시의 설치비 절감 등 다양한 효과를 기대할 수 있는 PV 설치 개념이다.

- 8 -

그림 6은 BIPV가 적용된 외국의 사례를 나타낸 것이다.

그림 6. 건물 일체형 태양전지의 적용 사례

이러한 BIPV는 여러 가지 기대효과3)에 대해 살펴보면 다음과 같다.

1 ) 환 경 보 존 효 과

태양광 발전은 빛에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 것으로 물리적으로

는 화학변화를 동반하지 않고 가동부분이 없기 때문에 이산화탄소나 질소산화

물 등이 대기오염물질, 진동, 소음 등을 발생하지 않는다. 또한 이산화탄소의

3) 김현일, 공동주택을 위한 태양광발전시스템의 적용성에 관한 연구, 인하대학교 대학원 건축공학

과(계획전공), 2004.

- 9 -

배출에 대해서는 제조공정까지 고려한 Life-Cycle에 있어서 배출량으로 비교하

여도 화석연료보다 상당히 작다. 대기오염물질을 발생하지 않는다는 점에서 청

정하기 때문에 환경보존의 효과 또한 높다고 볼 수 있다.

2) P eak -C ut 효 과

여름철 주간의 peak 부하에 충분히 대응할 수 있도록 발전소를 정비․건설

하는 것은 peak 부하와 관련한 측면 외에는 설비 이용률을 떨어뜨리는 결과가

되어 설비 투자의 효율 면에서 비효율적이라고 할 수 있다. 태양광발전시스템

은 일사가 강한 주간에 발전전력이 크게 되며, 위에서 서술한 여름철 주간에 집

중되는 수요 peak와도 일치한다. 또 태양광발전시스템에 의해 발전되는 전력이

자가소비를 상회하여도 잉여전력에 대해서 상용계통과 연계(on-grid)함으로서

전력회사에 매전 할 수가 있다.

3 ) 대 체 에너 지 에 대 한 교 육, 계 몽 효 과

태양광발전의 보급은 지구온난화방지대책으로서 대단히 효과적인 방안이지

만 일반인에게는 그 유효성의 인식이 아직 충분하지 못하다. 따라서 태양광발

전시스템을 적극적으로 건축물에 적용할 경우 대체에너지에 대한 계몽효과가

클 것이며, 지역 내 친환경적 이미지 창출과 랜드마크적 역할도 기대할 수 있

다.

2-2-3 BI P V 설 치 시 고 려 사 항

PV를 건물에 적용시 PV cell이 가지고 있는 물리적 성질로 인해 최대효율을

내기 위한 설치방법이 요구되기 때문에 여기서는 각 물리적 인자별 고려사항에

대해 간단히 언급하겠다.

1 ) 주 변 온 도 와 후 면 배 기

PV의 작동원리에서도 알 수 있듯이 태양에너지는 반도체로부터 전자를 일

탈시키는 에너지원이 된다. 각 반도체별로 전자를 일탈시킬 수 있는 광자의 최

- 10 -

소 에너지가 정해져 있기 때문에 파장이 긴 일사는(즉 최소에너지보다 적은)

셀을 가열만 시킬 뿐 반도체의 전자를 일탈시킬 수 없다. 그리고 전자를 일탈시

키는 에너지 외의 잉여 에너지는 역시 열로 바뀌게 된다.

다음은 PV cell 온도를 결정짓는 물리적 방정식 및 관련이론에 대해 간략히

기술한 것이다.

셀 온 도 및 관련 이론 4)

i) 에너지평형식

PV cell 관련된 에너지 평형식을 세우면 식 2-1과 같이 입사하는 일사량

및 발전효율 그리고 주변과의 열교환의 상관관계로 표현된다.

ταIT=η c IT+UL (Tc-Ta) (2-1)

ii) 공칭 작동 온도 (NOCT ; Nominal Operating Cell Temperature)

(when,800W/m2,wind speed 1m/s,ambient temperature 20

oC,

no load operation (η c = 0))

τα/UL=(Tc,NOCT -Ta)/IT,NOCT (2-2)

PV의 공칭효율은 일반적으로 실험실의 제한조건하에서 결정되기 때문에

실상황 모사를 위한 계수 τα/UL의 결정은 식 2-2와 같다.

iii) 셀 온도

Tc=Ta+(ITτα/UL )(1-η c/τα) (2-3)

식 2-3은 외부환경에서의 PV cell의 온도를 나타내며 일반적인 경우 τα

의 값은 0.9를 사용한다.

위의 관련식을 통해 알 수 있듯이 PV셀의 온도는 주변부 온도 및 일사량 그

리고 공칭효율과 관련되며, 이는 역설적으로 PV의 효율은 셀의 온도의 함수임

을 나타내고 있다. 일반적으로 cell의 온도가 낮을수록 발전효율을 커지며 대략

0.5%/℃의 효율변화를 보인다.

PV의 구조상 일사를 받는 전면부를 통한 열교환보다는 후면부를 통한 열교

4) J. A. Duffie, W. A. Beckman, Solar engineering of thermal processes, John Willey & Sons,

1991.

- 11 -

환이 더욱 중요하며 따라서 건물에 적용시 후면부 환기 등을 통하여 되도록 후

면부를 통한 열교환이 원활이 이루어지도록 설치해야 한다.

그림 7. PV 발전시 전․후면의 온도 양상

℃ ℃

PHO

TO

VO

LT

AIC

MO

DU

LE

2) 음 영효 과

일반적으로 PV Module간의 연결은 직렬로 이루어지며 이 경우 PV 설치면

에 생기는 음영으로 인해 발전량의 감소폭은 선형적 관계보다 두드러진다. 즉,

음영부위가 병목현상과 같은 역할을 하여 전체 발전량에 대한 영향이 크다. 그

러나 최근 이러한 현상을 방지하기 위하여 PV 설치 Array를 직․병렬 혼합 배

치 및 적절한 바이패스 다이오드 회로를 사용하는 경우가 많아지고 있다.

그러나 이 경우에도 PV면에 발생하는 음영비율의 계산 및 이에 대한 설치

시의 고려는 여전히 중요한 문제로 남아있다.

3 ) P V 경 사

고정식 PV면일 경우 연중 누적최고일사량을 위한 최적경사에 대한 고려가

필요하며 이에 따라 설치면의 다양한 대안에 대한 설계가 요구된다. 또한 필요

시 실질적인 PV발전을 유도하는 특정일사량에 대한 고려를 통하여 건물적용시

- 12 -

실질적인 PV발전량에 대한 연구 또한 필요하다.

2-3 복 사 냉 각 이용

복사냉각은 천공에서 방사된 단파장 복사량과 방사체에서 방사된 장파장 복

사량의 차인 유효복사량에 의해 건물 요소중 하나인 방사체가 냉각되는 것을

말한다. 이를 활용하여 건물에서의 야간 열손실 방지에 대한 다양한 접근이 가

능하며 적극적으로 이용시 여름철 냉각원으로도 활용할 수 있다. 주로 일사가

없는 야간의 유효복사를 이용하여 실내 열용량이 있는 구조체에 축냉시킴으로

냉방부하등 건물의 환경성능을 개선시킬 수 있는 다양한 방법들이 제안5)되어

져 왔다.

그림 8. 다양한 복사냉각 이용방법

가동 단열재

복사체

경량 방사체 경량 방사체

2-4 자 연 채광 이용

건물이 소비하는 에너지 중 상업건물인 경우 약 26%, 주건 건물에서는 약

6.7%6) 정도를 차지하는 조명(lighting)관련 에너지의 경우 그 비율이 점점 높아

5) B. Givoni, Passive and low energy cooling of buildings, Van Nostrand Reinhold, 1994.

6) Jan F. Kreider, Ari Rabl, Peter Curtiss, Heating and Cooling of Buildings, 2nd Ed.,

McGrawHill, 2002

- 13 -

지면서 그 중요성 또한 커져가고 있다. 이에 건물에서 자연채광을 이용하고자

하는 자연형 및 설비형 주광기술이 개발되고 있으며(Kristensen 1994), 오래된

기법들은 재발견(재평가) 되어지고 있다. 그림 9은 이러한 새로운 기법들을 보

여주고 있다. 유리창의 2/3 높이에 설치되는 내부 반사 광선반은 표면에 입사되

는 광의 반사 성분을 천장면으로 반사시키는 반면에 외부 수평형 차양장치

(overhangs)는 유리창에 음영을 생성한다. 셔터나 전기식 블라인드 또한 유사

한 효과를 얻을 수 있다. Zenithal openings(Couret et al. 1994)는 실내에 높은

조도 레벨을 제공할 수 있기 때문에 많은 관심을 모으고 있으며, 합성 포물선형

집광기를 포함한 anidolic toplighting은 상부에서 광을 집광한 후, 실내로 확산

시킨다. 이것은 직사광의 유입은 차단하지만 아트리움에 적용하기에는 다소 문

제가 있다.

이러한 다양한 자연채광 기법은 건물에 단순한 소요 조도만을 제공해 주는

것이 아니라 재실자에게 심리적 안정감과 편안함 등을 주기 때문에 부하 절감

측면과 함께 쾌적한 실내 환경 조성의 차원에서도 중요한 설계요소로 인식되고

있다.

그림 9. 다양한 자연채광 이용기술

- 14 -

제 3 장 다 목 적 외 피 시스템

(Multipurpose Envelope System)

앞장에서 언급한 다양한 자연형 에너지원을 이용하여 건물의 에너지 출입의

경계면인 외피에 적용할 수 있는 다 목 적 외 피 시스템 (Multipurpose

Envelope System : 이하 MP ES라 한다 )을 제안하였다.

그림 10은 한 예로 건물 지붕에 적용한 다목적 외피 시스템의 개념도를 나

타낸 것으로 계절별로 지붕체(PV Roof)를 자유롭게 조절하며 동시에 fan을 이

용하여 필요시 급배기 등 환기가 가능한 구조로 되어 있다. 이의 정량적인 설계

및 해석을 위해서 필요한 재료의 물성치의 결정에서부터 각 설계변수의 결정,

건물적용시의 에너지 관련 환경성능 평가에 까지 다양한 분석이 요구되며 아울

러 각 자연형 에너지원의 활용을 극대화하기 위한 각 설계 인자들의 심층적인

분석 또한 필요하다.

그림 10. MPES의 개념도

PV 셀

경량 방사체

이중유리

팬

회전축

자연채광 (확산광)

여름철 운용시

겨울철 및 여름철 야간시

- 15 -

3 -1 개 요

MPES는 전체적으로 이중외피 시스템과 같은 구조를 가지고 있으며 외기와

접한 Skin에 PV cell을 직․병렬 혼합 구조(음영의 영향을 최소화)로 설치하였

고 동시에 최적 성능을 위해 Skin 각 부분은 회전축을 중심으로 자유로이 움직

일 수 있도록 구성하였다. PV Roof(각 절개된 외부 Skin)의 경사로 인하여 음

영이 생기기 쉬운 PV Roof 하단부는 야간의 복사냉각과 겨울철 주간의 집열을

위해 방사율과 흡수율이 높은 경량 방사체로 구성하였다. 이중외피 내 중공층

은 설정 조건에 따라 중공층내 유체가 유동하도록 fan을 설치하였으며 실내측

외피는 자연채광의 이용과 열저항을 높이기 위한 방법으로 열관류율이 낮은

Double Glazing을 사용하였다.

MPES를 지붕 등 건물 외피에 적용하면 그림 11과 같이 다양한 자연형 에너

지를 이용하는 외피시스템으로 활용이 가능하다. 그림 11은 관련기법 및 그 적

용에 관한 개념도로 건물이 요구하는 환경성능에 따라 다양한 운전방법을 통하

여 운영될 수 있다. 적용된 자연형 설계 방법(Passive Design Method)을 나열

하면 다음과 같다.

그림 11. 다목적 외피 시스템의 자연형 에너지 이용 개념도

SKY

확산광

PV 셀

경량 방사체

회전축

1. PV (태양광 발전)2. 태양열 집열 시스템3. 복사 냉각 시스템4. 열손실 방지 완충공간5. 자연 채광

2.,4.

3.1.

5.

- 16 -

① 태양광기술(PV)

② 태양열기술(집열판)

③ 천공 복사 냉각(경량 금속체)

④ 천창 시스템(각도 조절)

⑤ 열적 완충공간(밀폐시)

3 -2 시스템의 적 용

MPES는 주택, 오피스, 고층 건물에서 현대건축물에 많이 쓰이고 있는 이중

외피 시스템과 채광성능 개선을 위해 사용된 블라인드 창, BIPV 등의 설계기법

이 통합된 시스템이다. 다음은 관련된 유사 시스템, 가능한 건물 적용 방법 및

적용시 고려사항 등에 관한 내용이다.

7)

3 -2-1 유 사 시스템 사 례

60년대 소개되어 꾸준히 활용되고 있는 Trombe wall에서부터 오피스 건물

등에 상용화 되고 있는 이중외피 시스템, 베네치안 블라인드를 활용한 다목적

외피 시스템, 다양한 건물 외피에 적용되고 있는 BIPV 시스템 등이 있다. 그림

12는 천창 외부에 블라인드를 이용하여 채광을 조절하는 유사시스템 사례이다.

그림 12. Munich 공항의 채광 자동 조절 시스템7)

7) http://gaia.lbl.gov/hpbf/techno_n.htm

- 17 -

3 -2-2 다 양 한 건 물 적 용 기 법

1 ) 평 지 붕

주택 및 건물의 최상층, 체육관 등 공공장소에 적합한 방식이며 상대적으로

주변 건물에 의한 영향이 적은 방법이다.

2) 경 사 지 붕 (주 택 )

평지붕에 비해 인접 PV Roof에 의한 음영 문제가 적은 장점을 가지고 있으

나 상대적으로 적용이 제한적인 방법이다.

3 ) 외 벽

가장 적용성이 높은 방법으로 설치 면적이 가장 크지만 건물의 방위각과 인

접건물의 영향이 큰 적용방법이다.

3 -3 계 절 별 시스템 운 전 방 법

3 -3 -1 주 간 운 용 방 식

여름철 주간에는 최적의 경사각도 즉, 태양고도와 경사면이 법선이 되는 각

도가 되도록 운용할 수 있으며, 또한 공기층 공간에 외기를 순환시켜 PV 온도

상승 억제 및 지붕면에 유입되는 일사 성분을 일정부분 차단시켜 실의 냉방부

하를 감소시킬 수 있을 것이다.

겨울철 주간의 경우에는 일사에 의한 PV와 집열체의 상승된 온도를 이용하

여 실내의 난방부하를 담당케 하고 아울러 PV 후면의 온도를 낮추는 효과까지

도 기대할 수 있다.

3 -3 -2 야 간 운 용 방 식

여름철 야간에는 본 시스템을 운용하는 방법으로 모듈을 수직형태로 세워,

야간의 차가운 외기를 지붕 공간에 순환시키고, 천공과의 복사 열교환을 통해

지붕면의 온도를 낮게 유지시킬 수 있다. 또는 시스템 전체를 닫고, 경량 금속

체의 특징인 야간 천공 복사 냉각 능력을 이용하여 실내 팬을 구동시켜 냉각된

외기를 실내로 유입함으로써 실온을 낮게 유지시킬 수 있다.

겨울철 야간의 경우에는 모든 개구부를 차단시켜, 본 시스템과 건물과의 공

- 18 -

기층을 갖는 벽체 구조로 활용함으로써 지붕면을 통한 실의 열손실을 감소시

켜, 난방부하를 감소시킬 수 있을 것이다.

그 외에도 운전 시기에 따른 적절한 운용 방식을 결정하여 건물과 PV 시스

템 모두 최대 효율로 운용될 수 있도록 할 수 있다.

그림 13. 계절별 시스템 운전모드

주 간 야 간

냉

방

기

utilizing daylight

SKY

PV Power Generation, Daylight Nocturnal Radiative Cooling

난

방

기

PV + solar collector

Buffer Space reducing Heat Loss

Solar Collection, PV Power Generation Buffer Space

중 간 기

PV Power Generation, Solar Collection, Daylight

Nocturnal Radiative Cooling, Buffer Space

위와 같은 다양한 기능을 포함하고 있는 자연형 지붕시스템은 그림 13과 같

이 계절에 따른 다양한 운용을 통해 자연형 에너지를 보다 적극적으로 이용할

수 있을 것으로 사료된다.

- 19 -

제 4 장 다 목 적 외 피 시스템의 설 계

MPES의 길이, 중공층 폭, PV Roof의 길이비 등의 설계를 위해서 인접 PV

Roof로부터의 음영이 생기기 쉬운 동짓날의 음영분석 및 시간에 따른 조건을

고려하지 않는 방법인 정상상태 해석을 사용하여 MPES의 설계변수를 결정하

였다.

4-1 다 목 적 외 피 시스템의 음 영 분 석

4-1 -1 기 하 학적 계 산 방 법

시스템의 효율적인 운용을 위해서는 되도록 큰 면적의 PV를 지붕에 설치하

고 보다 효과적인 일사량의 취득을 위해 PV를 개별적으로 운전해야하며 동시

에 음영이 생기지 않도록 해야 한다. 그러나 각각의 상관관계로 인해 제한된 지

붕면적에서 이 세 가지를 완벽히 충족시킬 수 없다. 즉 계절별 혹은 시간별 누

적 일사량이 큰 범위로 PV시스템을 경사지도록 운전 시 PV의 면적을 크게 할

수록(회전축을 중심으로 PV부분이 길수록) 인접한 PV모듈에 생기는 음영비율

은 더욱 증가하게 된다. 따라서 다음의 이론적 고찰을 통해 PV모듈과 야간 천

공복사를 위한 경량 금속체간의 적절한 길이비를 산정하려고 한다.

지붕의 PV모듈은 정남을 향하는 경우에 한하여 계산 방법을 고찰하였다. 왜

냐하면 지붕의 경우 건물의 배치와 상관없이 PV경사면을 남향으로 배치할 수

있기 때문이다. 그리고 경사지붕의 경우에는 지붕의 경사각이 30～60°범위일

경우, 일사의 법선방향으로 PV모듈이 조절되어도 인접부 PV로 인한 음영은 생

기지 않기 때문에 본 연구에서는 평지붕에 한하여 연구를 진행하였다.

1 ) 지 붕 과 태 양 과 의 기 하 학적 관계

음영의 발생정도를 확인하기 위해 그림 14와 같이 기본적인 지붕요소를 생

각하고 PV가 놓이게 될 부분의 단면 길이를 PVL, 경량 금속체 부분을 NPVL

그리고 이 두 요소의 합한 길이를 TL이라고 지정하였다.

- 20 -

음영이 발생하는 주된 이유는 태양고도이지만 태양의 고도의 변화는 태양방

위각의 변화와 함께 일어나기 때문에 본 연구에서는 방위각과 고도를 모두 고

려한 개념인 태양 프로파일각(그림 15)을 이용하여 태양과 지붕의 기하학적 관

계를 고찰하였다.

그림 14. 단일 시스템의 크기

PVL NPVL

TL

그림 15. 프로파일각의 개념도

SOUTH

AhΦ

그림 16은 θ , PVL, Φ 의 관계를 도식적으로 표현한 것으로 이를 통해 태양

의 프로파일각 변화에 따른 인접한 PV설치면의 기하학적 관계를 쉽게 파악할

수 있다.

- 21 -

그림 16. 경사각도 조절에 따른 위치관계

PVL·cos θ

θ δΦ

TL

2) 음 영 조건 식

다음의 계산식은 태양의 프로파일각 변화에 따른 인접한 PV면의 음영 발생

여부를 확인하기 위한 관계식이다.

tanα=PVL⋅sinθ

(PVL+NPVL)-PVL⋅cosθ(4-1)

여기서 DL=PVL/NPVL로 표현하면,

tanα=sinθ

(1+1/DL)- cosθ(4-2)

tanΦ=tanhcosA

(4-3)

tanΦ≥tanδ (4-4)

즉 식(4-4)의 조건을 만족할 때에 인접 PV면에 음영은 발생하지 않는다.

4-1 -2 음 영 면 적 계 산

하루 중 음영이 생기는 시간은 PV면의 경사에 따라 다양한 분포를 보이지

만 일반적으로 태양의 고도가 낮은 시간대에 주로 발생하게 된다. 그림 17은 태

양의 고도가 낮은 시간대의 음영패턴을 표시한 것으로 태양방위각의 영향으로

회전축 방향의 끝부분은 음영이 생기지 않음을 쉽게 확인할 수 있다.

- 22 -

그림 17. 방위각이 클 때의 PV 경사면의 음영패턴

음영이 지는 면적음영이 지지 않는 면적

SL :

Shading Length

그러나 본 연구는 음영이 되도록 생기지 않는 범위 내에서의 최적 설계를

목적으로 하기 때문에 태양의 방위각이 클 때의 음영이 생기지 않는 면적은 적

정길이산정에 있어 양적(+)요인일 뿐 아니라 TL의 크기에 의해 변화하므로 그

림 16처럼 회전축에 수직인 평면에서의 음영길이를 사용하여 음영 분포를 계산

하여도 큰 무리가 없을 것으로 판단된다. 이는 가동지붕의 단위 면적을 가로

4m × 세로 0.4m(DL=1)로 가정했을 때 동짓날 방위각이 가장 큰 오전 8시경의

방위각으로 인한 측면효과를 음영률에 적용시 6.26%의 오차를 보이고 또한 방

위각의 감소에 따라 함께 줄어드는 수치라는 점을 통해서도 확인할 수 있다.

그림 18. 음영면적 개념도

DF = (tanΦ - tanδ) · TL

θ Φ

TL

SL

δ

- 23 -

그림 18을 통해 알 수 있듯이 DF≤0 일 때 PV모듈에 직달일사로 인한 음영

이 생기게 된다. 음영의 길이를 구하기 위해서 위의 기하학적 형상을 좌표계로

이동시켜 직선의 방정식을 이용하면 SL을 계산할 수 있다.

그림 19. 좌표계를 통한 해석

θ Φ

TL

y

x

TL·tanδ

TL·tanΦ

0

C1

C2

(1)(2)

(3) SLδ

그림 19의 세 개의 직선을 방정식으로 정리하면 다음과 같다.

y=tanθ․x (4-5)

y=-tanδ․x+TL⋅ tanδ (4-6)

y=-tanΦ․x+TL⋅ tanΦ (4-7)

(4-5)와 (4-6), (4-5)와 (4-7)을 연립하여 해를 구하면 두 교점 C1, C2의 좌

표를 얻을 수 있다. 이어서 C1, C2의 두 점 사이의 거리를 구하면 곧 음영 길이

(SL)를 구할 수 있게 된다. 그러나 위의 TL의 경우 아직 정해지지 않은 값이기

때문에 DL을 이용하여 방정식의 해를 정리하고 마지막으로 음영이 생기는 면

적비를 방정식 (4-9)와 같이 정리하여 프로그램을 작성하면 DL의 변화의 따른

음영비율의 변화를 확인할 수 있다.

- 24 -

음영비율 = SL/PVL×100(%) (4-8)음영비율= A2 + tan 2θ⋅A2 ×100(%)

여기서, A=(1+

1DL

)⋅tanδ

tanθ+tanδ-

(1+1DL

)⋅tanΦ

tanθ+tanΦ(4-9)

4-2 변 수 분 석 을 위 한 정 상 상 태 해 석 모 델

4-2-1 에너 지 평 형 방 정 식

제안된 시스템의 물리적 성능을 확인하고 최대 성능을 위한 각 parameter의

최적값을 산출하기 위해 정상상태 시뮬레이션을 실시하였다. 시스템의 입력값

(일사량, 외기, 풍속 등)에 따른 시스템의 성능을 확인하기 위해 시간에 관계없

이 주어진 조건에서 평형을 이루었다고 가정한 열평형 방정식을 수립하였다.

다음의 정상상태 시뮬레이션 가정조건을 나타낸 것이다.

① 지붕 외피의 가로방향 열전달효과는 무시한다.

② 외피의 평균온도는 두 구간의 산술평균값으로 한다.

③ 유체유동공간은 entrance region효과를 고려하지 않고 fully developed 된

것으로 가정한다.

그림 20. 정상상태 해석을 위한 열수지 모델

대 류

태양복사

복 사

- 25 -

1 ) P V Roof

(흡수된 일사량(absorbed solar radiation) = 전력량(electric power output) +

주위와의 열손실(heat loss to environment))

τα pvS=η pS+h va (Tpv -Tout )+h vf (Tpv -Tf )

+h rs (Tpv -Tsky )+h rsg (Tpv -Tg )

(4-10)

η p= η r [ 1-β p (Tpv -Tr )] (4-11)

여기서 τα 1 = 0.98), reference temperature는 25℃이다.

2) 금 속 방 사 체 의 온 도 값

αmS= h va (Tm -Tout )+h vf (Tm -Tf )+h rs (Tm -Tsky )+h rsg (Tm -Tg )

(4-12)

Ts= (Tpv +Tm )/2 (4-13)

3 ) 유 체 유 동 공 간

(주변으로부터 받은 열량 = 채널을 통해 빠져나간 열량)

h vf (Ts -Tf )+h vf (Tg -Tf )= q ̇'' (4-14)다음은 q̇''을 구하는 과정을 수식으로 정리한 것이다. 여기서 채널공간의

평균 온도를 위한 γ 는 γ= 0.759)를 사용하여 계산하였다.

q ̇''WL=m ̇c f(Tf, o -Tf, i ) (4-15)Tf=γTf, o +(1-γ)Tf, i (4-16)

q ̇''= m ̇c f(Tf -Tf, i )γWL

(4-17)

8) A. K. Athienitis , M. Santamouris, Thermal Analysis and Design of Passive Solar Buildings,

James & James, London, 2002.

9) Hirunlabh J, Kongduang W, Namprakai P, Khedari J., Study of natural ventilation of houses

by a metallic solar wall under tropical climate, Renewable Energy Vol 18, No 1, pp.109～119,

1999.9

- 26 -

4) 실 내 유 리 면

(∑주변과의 열교환량 = 0)

h vf (Tf -Tg )+h rsg (Ts -Tg )=Uo (Tg -Tr ) (4-18)

4-2-2 입 력 조건

1 ) P V 일 반 사 항

일반적으로 사용되는 PV시스템의 발전효율 및 공칭값(nominal value)은 표

1과 같다.

표 1. PV cell의 공칭 효율

η r (% ) N O T C (℃) βp (% /℃)

Mono-Si 13.0 45 0.40

Poly-Si 11.0 45 0.40

a-Si 5.0 50 0.11

CdTe 7.0 46 0.24

CIS 7.5 47 0.46

주)η r : 표준 온도시 PV 모듈의 효율

NOTC : 일반 발전시 Cell 온도

βp : 온도 변수

a-Si : Amorphous Silicon

CdTe : Cadmium - Telluride

CIS : Copper-Indium-Diselenide

본 논문에서는 세계적으로 가장 많이 사용하고 있는 결정형 실리콘 중 효율

이 우수한 단결정 실리콘 mono-Si을 사용하여 시뮬레이션을 진행하였다.

2) F an의 유 량

본 연구는 기본적으로 평지붕에서의 활용가능한 시스템에 대한 분석이므로

수평면을 통한 자연형 에너지 이용을 위해서는 fan의 사용이 불가피하다. 따라

서 시뮬레이션에 사용될 fan의 유속을 결정하는 것이 무엇보다 중요하다.

- 27 -

그림 21. 팬의 유속증가에 따른 시스템 효율

기존연구사례10)를 통하여 시뮬레이션 효율곡선의 경사가 완만해지면서 유

속의 증가에 따른 획득열량의 변화는 실제로 일어나지 않는다는 것이 실험을

통해 밝혀졌다. 따라서 본 연구에서는 fan을 통한 에너지 사용의 절감과 보다

현실적인 분석 결과의 도출을 위해 효율곡선의 기울기가 작아지기 시작하는

0.2 m3/s의 값11)을 fan의 유량으로 설정하여 시뮬레이션을 진행하였다.

시뮬레이션 내 포함되는 유체유동 공간의 유속에 관해서는 식 (4-19)와 같

이 질량보존법칙을 이용한 방법을 사용하였다.

Q=V fA f=Vinlet A vent (4-19)

4-2-3 방 정 식 계 수

정상상태 열평형 방정식과 관련된 계수를 나타냈으며 보다 자세한 사항은 5

장의 비정상상태 모델과 관련된 사항에서 자세히 다루었다.

10) X.Q. Zhai, Y.J. Dai, R.Z. Wang, Experimental investigation on air heating and natural

ventilation of a solar air collector, Energy and Buildings, Vol. 37, pp. 373～381, 2005

11) 이 경우 단위폭 1m당 fan에 의한 소비전력은 ≒ 30[W]로 한다.

- 28 -

1 ) 외 부 열 전 달 계 수 h va

h va= 5.7+3.8v (4-20)

2) 벽 체 내 부 와 실 내 사 이에서 의 대 류 열 전 달 계 수

Uo=1/(1/h vr +Δg/k g ) (4-21)

h vr= 9.13 W/m2⋅k (4-22)

일반적으로 8.14∼9.30 W/m 2⋅k 범위의 값을 사용한다.

3 ) 외 부 커 버 및 천 공 과 의 복 사 계 수

h rs=ε s σ b (Ts2+Tsky

2)(Ts+Tsky ) (4-23)

4) 외부커버와 지붕사이의 복사열 전달계수

h rsg= σ b⋅1

1ε s

+1ε g

-1(Ts

2+Tg

2)(Ts+Tg ) (4-24)

4) 천 공 온 도 12)

T sky= 0.0522×Tout1.5 (4-25)

5 ) 효 율식

η=m ̇ c f(Tf, o -Tf, i )

WLS(4-26)

η=m ̇ c f(Tf, o -Tf, i )WL⋅ q ̇'' sky (4-27)

식(4-26)은 겨울철 태양에너지를 이용한 에너지 효율을 나타내며 식(4-27)

은 여름철 야간의 천공과의 복사열교환에 따른 에너지 효율을 나타낸 것이다.

여기서 q ̇'' sky는 천공과 경량 금속체와의 복사열교환에서 이동하는 Flux를 나타낸 것이다.

12) W.C. Swinbank, Long-wave radiation from clear skies, QJR Meteorological Society Vol 89,

pp 339, 1963.

- 29 -

제 5 장 다 목 적 외 피 시스템의 비 정 상 상 태 해 석

모 델

MPES를 건물에 적용했을 때 연중 외기의 변화에 따른 건물의 성능을 확인

하기 위해서 수치 비정상상태 모델을 제안하고 기존의 다양한 수치해석 기법을

이용하여 방정식의 근사해를 구하였다.

5 -1 일 사 량 과 기 상 데 이터

건물의 비정상상태 열거동을 모사하기 위해서는 관련지역의 기상데이터 및

이의 활용이 가장 중요한 요소 중 하나이다. 프로그램을 통한 수치 분석시 이는

수치 분석을 위한 초기값 및 경계조건의 역할을 하며 수치해석결과에 있어서도

사용된 알고리즘과 함께 가장 큰 영향으로 작용한다.

5 -1 -1 일 사 량 분 석 을 위 한 태 양 기 하 학

태양 기하학을 이용하여 시변화에 따른 법선면 일사량을 계산하였으며 대기

노정 P값을 활용하여 주어진 수평면 전일사량 자료로부터 필요한 경사면 및 각

방위별 수조 일사량을 계산하였다.

그림 22. 기상데이터를 이용한 각 방위 일사량 계산 알고리즘

기상데이터의 수평면 전일사량

P값을 1/10000을 증가시킴

계산치 = 실측치

직달일사량 계산

산란 일사량 계산

반사일사량 계산

각 벽체의 수직면 일사량 계산

No

- 30 -

5 -1 -2 기 상 데 이터

기상데이터는 최근 6년간(1999～2004)의 인천지역 기상청에서 제공하는 기

상자료를 활용하였으며 비정상상태 열부하 계산을 위한 자료로는 2004년 자료

를 이용하였다. 그림 23은 계산에 사용된 기상데이를 나타낸 것이다.

그림 23. 2004년 기상청 데이터(인천)

5 -2 해 석 모 델 및 재 료 의 물 성 치

MPES를 적용한 건물에서의 비정상상태 열부하계산 등 성능분석을 위해서

그림 24와 같이 측창의 효과를 배제한 4×4×3m 규모의 무창 건물을 시뮬레이션

대상 모델로 선정하였다.

- 31 -

그림 24. 해석 모델의 개념도

SKY

Tout

Tr

TsTf

Tg

Tw,n Tw,1

지면단열경계조건

대 류

전 도

복 사

일사

유체공간의 물성치는 일반적으로 다음의 식(5-1)～(5-5)와 같이 유체온도의

함수로 표현된다. 그러나 건물에 적용되는 유체의 경우 가능 온도폭에 대한 물

성치의 변화는 크지 않음으로 표 2과 같은 상수를 사용하여 계산을 수행하였

다.

① 동점성계수 (dynamic viscosity)

μ f= [1.846+0 .00472(T f-300)]×10- 5 (5-1)

② 밀도 (density)

ρ f= 1.1614-0 .00353(T f-300) (5-2)

③ 열전도율 (thermal conductivity)

k f= 0.0263+0 .000074(T f-300) (5-3)

④ 비열 (specific heat)

c f= [1.007+0 .00004(T f-300)]×103 (5-4)

⑤ 체적팽창계수 (volumetric coefficient of expansion)

- 32 -

β=1/T f (5-5)

표 2. 비정상상태 해석 모델의 물성치

구 분열 전 도 율[ W / mK ]

비 열[ J / k gK ]

밀 도[ k g/ ㎥ ]

두 께[ mm]

방 사 율

지붕

경량금속 177 875.00 2770 5 0.8

유 리 1.4 753.00 2540 4 0.9

이중유리

U-value 1.4 (charge of Argon)

composition 4 / 16 / 4 (glass/Argon/glass)

벽체

콘크리트 1.5119 795.49 2400 200 0.8

단열재 0.034 837.36 100 25

유체 공 기 0.022 1004.83 1.3 200

5 -3 에너 지 평 형 방 정 식

연중 건물의 열적 거동을 분석하기 위하여 비정상상태 해석 모델을 세워 그

에 따른 방정식을 수립하였으며 MPES이 적용된 대상모델의 각 절점에서 제어

체적별 열류(flux)가 보존되는 FVM(Finite Volumetic Method)형식으로 표현하

였다. 그림 25는 비정상상태 모델을 해석하기 위해 PV Roof 부분의 개폐에 따

른 열수지모델을 표현한 개념도이다. PV Roof 개방시에는 유리면에 입사하는

확산일사 및 유리면과 천공과의 복사열교환 항목을 추가하였고 PV Roof의 개

방에 따라 형태계수의 변화도 고려하였다.

- 33 -

그림 25. M의 조건에 따른 시스템 개념도 (M=1 밀폐, M=0 경사개방)

확산 일사 유입

외기

영역

지붕

내중

공층

실내

영역

PV-ROOF 개방시 PV-ROOF 밀페시

5 -3 -1 절 점 별 열 평 형 방 정 식

1 ) P V Roof(metallic radiator)

cmρmLmdTmdt

= h va (Tout -Tm )+h vf (Tf -Tm )+F⋅h rs (Tsky -Tm )

+h rsg (Tg -Tm )+αS tilt

(5-6)

2) P V Roof (P V C overed)

PV는 용량체가 아닌 것으로 가정하여 계산하면,

τα pvS tilt=η p S tilt+h va (Tpv -Tout )+h vf (Tpv -Tf )

+h rs (Tpv -Tsky )+h rsg (Tpv -Tg, o )

(5-7)

η p= η r [ 1-β p (Tpv -Tref )] (5-8)

일반적으로 τα pv= 0.9, 기준온도(Reference Temperature)는 25℃이다.

3 ) 유 체 유 동 공 간

- 34 -

c f ρ f HdTfdt 2

= h vf (Ts -Tf ) +h vf (Tg -Tf ) + c f ρ fv fΔY

H(Tf-1 -Tf )

(5-9)

여기서 dt 2는 수치안정성을 위한 Courant수를 고려한 개별 시간을 의미하며

그림 26은 유체공간 해석의 열수지모델이다.

그림 26. 유체공간 제어체적의 열수지모델

△Y

H Tf

W

Tf 1H Tf

W

Tf+Tf 1Tf-

△Y

H Tf

W

Tf 1H Tf

W

Tf+Tf 1Tf-

4) 천 정 유 리 면 외 부

c gρ gL gdTg, odt

= h vf (Tf -Tg, o )+h rsg (Ts -Tg, o )+U (Tg, i -Tg, o )

+(1-M )⋅F⋅α r⋅Sdif+(1-M )⋅F⋅h rg (Tsky -Tg, o )

(5-10)

M=0 일때는 PV Roof가 경사각을 이룰 때 즉 경사지붕사이로 확산일사를

받을 때이며 M=1 일때는 PV Roof가 밀폐되었을 때를 의미한다. 그림 27은 이

중유리(double glazing)의 U값을 이용한 열평형 방정식 수립 개념도이다.

그림 27. 지붕 유리의 U-value

Tg , oTg , o

Tg , iTg , iU-value

Lg

Lg

- 35 -

5 ) 천 정 유 리 면 내 부

c gρ gL gdTg, idt

= h v, r (Tr -Tg, i )+U (Tg, o -Tg, i )

+ ∑5

j=1h rj (T w, jn -Tg, i )

(5-11)

6) 벽 체 외 표면 ( j= 1 , 4(각 방 위 별 ))

c w, j1ρw, j10.5dx 1dTw, j1dt

= h va (Tout -Tw, j1 )+h rwj (Tsky -Tw, j1 )

+k 1dx 1

(Tw, j2 -Tw, j1 )+α j⋅S vj

(5-12)

7 ) 지 붕 및 각 방 위 별 벽 체 내 부 (i= 2. . . n-1 (내 부 절 점 ))

(0.5c w, ji-1 ρ w, ji-1 dx i-1+0.5c w, ji-1+ 1 ρ w, ji dx i)∂Tw, ji∂t

=

k i-1dx i- 1

(Tw, ji-1-Tw, ji)+k idx i

(Tw, ji+1-Tw, ji)

(5-13)

8 ) 방 위 별 벽 체 내 표면

c w, jnρ w, jn0.5dx n- 1dTw, jndt

= h vr (Tr -Tw, jn )

+k n- 1dx n- 1

(Tw, jn- 1 -Tw, jn )+ ∑5

j *=1h rj (T w, j * n -Tw, jn )

(5-14)

8 ) 바 닥면 온 도

Tfloor=Tr (5-15)

9 ) 실 내 온 도

c f ρ fV fdTrdt

= ∑6

j=1hvrA j (Tj -Tr )+Qsol̇+ Q iṅ+ Q veṅ+ m ̇⋅c f⋅(Tf-Tr )

+ Qloaḋ (supply by facility)

(5-16)

- 36 -

5 -3 -2 부 하 계 산

건물의 부하를 계산하는 방법에는 energy rate control 방법과 temperature

level control 두 가지 방법이 있으며 다음과 같다.

1 ) Energy Rate C ontrol

free floating 상태로 가정하여 실내온도를 계산하는 방법이며 설비기계

의 용량에 상관없이 설정온도를 벗어난 경우 열량을 보상하는 알고리즘이

다. 주로 건물 자체의 열성능을 파악하는 것이 주목적이다. 본 연구에서는 자연

형 시스템 적용시의 부하를 확인하기 위하여 energy rate control 방법을 사용

하였다.

v inf spepl int0.3rr surf zdTC Q Q Q Q Q Qdt

= + + + + +& & & & & &(5.17)

( )heating p set rQ MC T T= − (5.18)

2) T emperature L evel C ontrol

열원기기의 공급/ 제거 열량을 포함하여 실내온도를 계산하는 방법으로

계산된 실내온도는 제어기에 의해 ON/OFF 를 결정하며 부하측과 HVAC

의 작동조건의 실상황을 모사하는 데 적합한 방법이다.

v inf spepl int0.3rr surf z idTC Q Q Q Q Q Q Pdt

= + + + + + −& & & & & &(5.19)

표 3은 제안한 대상모델에서의 부하 계산을 위한 실내발열 및 환기량에 관

한 내용을 정리한 것이다.

표 3. 부하계산을 위한 설정조건

내부발열조건

인체발열 65W/인

조명발열 6.5W/㎡

기기발열 26.23W/㎡

환기량 0.5 ACH

- 37 -

5 -4 수 치 해 석

5 -4-1 수 치 해 석 방 법 과 수 치 안 정 성

주어진 미분식 수치해석을 위해서는 프로그래밍에 적합한 대수식의 꼴로 변

환하는 이산화과정이 필요하다. 이산화 과정은 공간항과 시간항 각각에 관하여

이산화가 필요하며 이산화 후의 각 절점의 시간 및 공간 설정에 있어서는 크게

오일러 양해법(Euler explicit scheme)과 완전음해법(full implicit scheme)으로

나눌 수 있다.

오일러 양해법의 경우 시간 진행에 따라 기지의 값을 이용하여 쉽게 결과를

얻을 수 있다는 장점이 있으나 수치적으로 불안정하다는 단점을 가지고 있다.