출처: https://constructalia.arcelormittal.com/files/KINA26010ENN_002—aadd4dee607cb8b70e8bac8ff70618a1.pdf
3. 향상된 열 쾌적성을 위한 혁신적 기술
1) 서론
과거에는 경량 철골 구조는 여름 동안 특별히 쾌적한 것으로 여겨지지 않았습니다. 과열은 점점 더 중요한 문제이며, 냉각에 대한 에너지 수요는 에너지성능의 계산을 위해 반드시 고려되어야합니다. EPBD 설명서는 다음과 같이 지적했습니다. “우선할 것은 여름 기간 동안 건물의 열성능을 높이기 위한 계획에 우선 순위를 두어야합니다. 이를 위해 패시브 냉각(passive cooling) 기술(…)의 추가 개발이 필요합니다.”라고 말했습니다. 반면, 가느다란 보와 기둥은 햇빛의 사용을 증가시키고 혁신적인 스틸 제품들은 태양빛 차광 장치로 사용될 수 있습니다.
따라서 열적 관성이 어느 정도 열적 쾌적성과 에너지효율에 도움이 되는지 주목해야합니다. 이것은 환기, 음영, 위치 등을 다루는 체계적인 접근 방식을 기초로 조사해야합니다. 매우 경량인 건물의 경우 관심은 소위 PCM(Phase-Change-Material)의 통합이며, 이것은 매우 적은 추가 질량으로 놀랄만한 열 관성을 제공합니다. 이 부문에서 스틸 부문과 관련된 추가적인 활동 분야는 태양 음영입니다. 가용 제품의 설명과 식별 및 태양 음영량의 결정은 이 제품의 시장 점유를 확대하기 위해 필요합니다.
2) 기준 건물 개념
유럽 전체를 대표하는 특정 건물 구성을 선택할 수 없습니다. 열적 쾌적함을 개선하기 위해 이 프로젝트에서 제안된 다양한 혁신적인 기술을 기준하여 적절한 구성을 찾는 다양한 접근이 고려되었습니다.
전체적인 건물 성능을 보다 넓게 보기 위해 다양한 기준 구역으로 구성된 기준 건물이 정의되었습니다. 각 전면에는 최소한 3개의 기준 구역이 있어야 방향과 노출된 외부 벽 사이의 모든 가능한 조합을 설명할 수 있습니다. 최하부와 건물의 상단 부분(지붕 면적)을 통한 열 전달도 고려해야합니다. 따라서 정의된 건물은 각 정면마다 지상 3층 이상과 9개의 기준 구역을 가져야합니다. 정육면체의 모양은 널리 사용되는 모양으로 선택되었습니다.
[일반 기준 건축, 원칙]
건물은 주요 기본 방위를 향하고 모든 시뮬레이션은 그에 따라 수행됩니다. 이것은 전면, 지붕 및 바닥재 시스템에서만 교환성을 허용하기 위해 기준 건물의 기하학 및 방향을 변경하지 않고 항상 유지하기로 결정되었습니다. 이 기준 건물은 열관성 및 환기 계획의 최적화 및 통합적인 전면 설계에 관한 조사를 위해 사용됩니다.
3) 열관성 및 환기 계획의 최적화
열관성과 결합하여 스틸 집약적 건물의 열 성능에 영향을 미치는 여러 가지 패시브(passive) 계획이 있습니다. 열관성과 그것들이 어떻게 상호작용하는지 초점을 맞추기 전에 그러한 계획의 효과를 평가하고 계량화하는 것은 관심사입니다. 그렇게함으로써, 건물 전체 에너지소비에 대한 열관성의 영향에 대한 보다 정확한 아이디어를 얻을 수 있을 것입니다.
이전에 정의된 기준 건물 특성은 다음과 같은 측면이 스틸 집약적 건물의 에너지 수요에 대해 어떤 영향을 미치는지 평가하는데 사용될 다수의 모델을 생산하기 위해 사용되었습니다.
① 외관 열관류율
② 지붕 열관류율
③ 창의 특성
이러한 측면은 건물의 에너지소비에 큰 영향을 미칩니다. 그러나 그것들은 건물 외피를 구성하는 요소에 초점을 맞추고 있으며 이는 건물 열 질량에 대한 제한적인 영향을 가지고 있다고 합니다. 이러한 측면을 독립적으로 분석하는 목적은 열관성 특정 연구가 수행되기 전에 그들의 영향을 통제하는 것입니다.
다양한 상황이 시뮬레이션되었으며 다양한 대안과 특성이 연구에 미치는 영향을 식별하기 위해 분석 전반에 걸쳐 수정되었습니다. 이것은 다음과 같습니다.
○ 사용: 상업용 및 주거용 건물에 중점을 둠
○ 설정 온도 및 내부 획득
○ 기상 조건
○ 적절한 창 영역
○ 공기 침투
○ 조명 조건
종합적인 보고서는 열 관성과 환기를 결합하여 경량 철골 건물의 과열을 방지하기 위한 최적화 계획 보고서로 제공됩니다.
(1) 창 특성, 외관 및 지붕 열관류율
건물 에너지소비에 대한 외관 열관성의 영향은 매우 제한적입니다. 5cm의 공기 공간이 고려되었고 연구된 다른 방법에 대한 가변 폴리우레탄(PU) 두께(3, 6, 8 및 14cm)가 선택되었습니다. 건물 에너지소비에 대한 지붕 열관성의 영향은 매우 제한적입니다. 가변 압출 폴리스티렌(XEPS) 두께(8, 12, 15 및 20cm)가 연구된 다른 방법에 대한 단열재로 선택되었습니다.
두 개의 상대적인 창이 선택되었습니다. 산업용 건물과 주거용 건물의 차이는 사용되는 창문 종류와 관련이 있습니다. 고려된 용도로 인해 내부 조건은 다양하며 따라서 유리 태양계 인자에 대한 요구 조건이 다릅니다.
이 연구의 결과를 분석한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였습니다.
① 외관(단열성 향상)의 열관류율을 줄이면 난방 수요를 확실히 줄일 수 있습니다. 겨울철 동안 건물 외피를 통해 열손실의 양은 열관류율이 특정 지점까지 감소할 때 제한됩니다.
② 반대는 냉각 모드에서 발견됩니다. 열관류율이 감소함에 따라 냉각 수요는 약간 증가합니다. 이것은 건물 외피의 단열 특성을 높이면 내부에서 얻어지는 열을 외부로 전달하기 어려워져 내부 온도를 일정하게 유지하기 위해 더 높은 냉각이 필요하기 때문입니다. 이 효과는 기후에 크게 의존합니다.
③ 난방 수요 감소는 냉방 수요보다 높으므로 따라서 열관류율을 감소시키는 것이 열효율을 높이는 긍정적인 계획으로 보입니다. 그러나 이 계획은 난방 및 냉방의 경제적 및 환경적 비용을 비교하여 최적의 건물 외피 U-값에 대한 필수적인 답을 제공해야합니다.
④ 남, 동 및 서쪽 정면의 개구부 면적의 감소는 동일한 단열 두께로 난방 수요의 증가를 야기합니다. 이것은 가열 형태의 개구부와 관련돤 태양열 획득이 감소하기 때문입니다.
⑤ 냉각의 경우 전개는 반대입니다. 창문을 통한 낮은 태양열 획득으로 냉각 수요가 줄어듭니다.
⑥ 지붕의 열관류율을 감소시키는 것은 정면의 열관류율을 감소시키는 경우와 동일한 영향을 발생시킵니다. 그러나 지붕이 정면보다 표면이 낮기 때문에 지붕 U-값을 줄이는 경우보다 수요의 변화가 덜 중요합니다.
⑦ 결론적으로, 지붕 단열재가 증가할 때 난방 수요는 약간 감소하고 냉방 수요는 증가합니다.
⑧ 개구부위 비율이 감소될 때, 지붕에 대한 열관류율을 변경하는 경우와 동일한 패턴이 발견됩니다. 그러나 계산된 수요에는 더 큰 변화가 있습니다. 이것은 면적이 제한되어 있기 때문에 지붕의 영향이 감소한 것과 비교하여 외관 특성이 얼마나 중요한지를 보여줍니다.
⑨ 창문 일조량이 증가하면 난방 수요가 증가합니다. 일조량이 낮을수록 태양의 입사가 낮아지고 난방 수요가 커집니다.
⑩ 동일한 이유로, 창의 일조량이 증가하면 냉각 수요가 감소합니다.
⑪ 가장 적합한 창을 선택하려면 난방 및 냉방 수요를 모두 고려해야합니다. 창을 선택할 때 수요뿐만 아니라 환경 및 경제적 비용도 고려해야합니다.
⑫ 향후 연구에서는 동일한 일조랴과 가변 열관류율을 가진 다양한 방법의 평가를 고려해야합니다. 건물 에너지수요에 대한 창문의 주된 영향은 대류 및 전도를 통한 열전달보다 개구에 의해 생성된 일조량일 것으로 예상됩니다.
(2) 열관성 및 환기
시뮬레이션을 수행한 후 북유럽에서 도출된 결론은 다음과 같습니다.
① 일반적으로 열 질량이 증가하면 주거용으로 냉각 요구량이 약간 줄어듭니다.
② 일반적으로 증가된 열 질량은 상업적 사용을 위해 상당한 냉각 수요 감소를 발생시키지 않습니다.
③ 북유럽에서 증가된 열 질량은 냉각 수요 감소 측면에서 중요한 이점을 만들지 않습니다. 이것은 상업적 용도로 특히 그렇습니다.
④ 최대 4ac/h의 야간 환기 속도는 중요한 냉각 수요 감소를 발생시킵니다. 야간 냉각 속도가 높아지면 냉각 수요가 더 줄어들게 됩니다.
남유럽에 대한 추가 결론은 다음과 같습니다.
① 증가된 열 질량은 주거용으로 적당한 냉각 수요 감소를 생성합니다.
② 일반적으로 증가된 열 질량은 상업적 용도로 상당한 냉각 요구 감소를 생성하지 않습니다. 가장 유력한 원인은 바닥 슬래브의 열 질량에 저장된 에너지를 완전히 제거하기에 불충분한 공기 흐름(야간 냉각)일 것입니다.
③ 열 질량 및 야간 냉각 환기 최적화 방법의 가능성을 평가하기 위해 태양 음영 방법도 고려해야합니다.
최종 결론으로, 최고의 에너지 총 수요(난방과 냉방 수요간 최상의 균형)를 달성하기 위해 연구된 모든 효과의 전체적으로 최적화를 수행할 필요가 있음을 확인할 수 있습니다. 따라서 다음을 최적화해야합니다.
① 난방 수요: 유리 면적, 유리의 열 및 광학적 특성 및 바닥 슬래브의 열 질량
② 냉방 수요: 야간 냉각방법(공기 흐름 및 일정), 유리의 열 및 광학적 특성 및 음영 처리방법
③ 더욱이, 특히 상업적 사용을 위해 고려해야 하는 매우 중요한 요소는 난방과 냉각 요구에 대한 영향뿐만 아니라 조명 수요와 쾌적함 문제도 고려해야합니다.
(3) CFD 분석
야간에 환기 냉방은 사무실 건물에서 냉각에너지를 줄이는 데 상당한 잠재력을 가지고 있습니다. 북유럽 및 중부 유럽에서는 열 질량을 활용하여 기계적 냉각을 완전히 피할 수 있습니다. 야간 실외 공기온도가 충분히 낮으면, 자연 또는 기계적 환기는 다음 날에 열 제거원을 제공하기 위해 건물의 노츨된 열질량을 냉각시키는 데 사용됩니다. 야간 냉각의 성능은 열 건물 시뮬레이션 도구인 IDA ICE와 부분적으로 CFD-code Comsol Multiphysics(CFD: Computational fluid dynamics)를 사용하여 연구되었습니다.
모델의 결과를 분석한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였습니다.
① 시뮬레이션된 사무실 건물에서 필요한 냉각 에너지는 총 전기의 약 20%에 불과합니다. 따라서 야간 냉각에 의한 에너지절약의 가능성은 그리 크지 않습니다. HAVC(냉장 냉각, 팬, 펌프)의 전기 에너지는 차가운 밤 공기에 거대한 바닥과 천장을 노출시킴으로써 약 10%를 줄일 수 있습니다. 콘크리트 외벽을 만들어 열질량을 증가시키는 것은 미미한 영향을 미칩니다. 반면 매달린 천장은 실내를 열적으로 반사하여 분명히 부정적인 영향을 미칩니다.
야간에 공기흐름 속도가 증가하면 냉각 에너지가 감소하지만 증가된 팬 에너지가 냉각에너지의 이점을 소비하지 않도록 주의해야합니다. 이것은 공기흐름 속도를 높이기 위해 공기흐름 덕트의 크기를 조정하여 보장할 수 있습니다. 다른 가능성은 훨씬 적은 전기에너지를 필요로 하는 자연 또는 하이브리드 환기를 사용하는 것입니다.
② 야간 냉각에 의한 에너지절약은 현재 제어시스템을 미세 조정함으로써 더 높일 수 있습니다. 예를 들어, 최소 실내 온도는 현재 연구보다 낮을 수 있습니다(22℃). 북유럽 및 중부 유럽에서는 기계적 냉각에 대한 투자는 야간 냉각으로 완전히 피할 수 있습니다.
③ 열질량 요소의 표면적이 크면 절대 질량을 증가시키는 것보다 더 도움이 될 수 있습니다. 따라서 바닥, 천장 및 벽 공간 주위에 퍼져있는 얇은 열질량 요소는 직접 태양열을 얻을뿐 아니라, 두 복사 모두에 더 유용하고 적합하게 배치될 가능성이 높습니다.
④ 야간 냉각은 또한 낮 동안 실내 표면이 더 낮기 때문에 작동 온도를 낮춥니다. 이것은 동일한 열적 편안함을 위해 실내 온도의 약 절반을 더 높게 사용할 수 있게 합니다.
⑤ 야간 냉각의 정확한 시뮬레이션은 쉬운 일이 아닙니다. 동적 건물 열 시뮬레이션을 수행할 수 있지만 정확하려면 실내 유량 및 온도 패턴을 고려해야합니다. 이것은 현재 연구에서 사무실 공간에 대한 CFD 시뮬레이션을 통해 입증되었습니다. 대류 열전달은 공기 공급 원리와 설계에 따라 크게 달라집니다.