KIEAE Journal

사무소 건물에서 커튼월 및 외피에 창호를 설치하는 방식은 재실자에게 외부조망과 개방감뿐만 아니라 시간감 등을 제공하며, 미래 지향적인 시각적 이미지 부여가 가능하기에 선호되고 있다. 이러한 창호는 일사에 지대한 영향을 받으며 향의 배치, 창면적비에 따라 열적, 시각적 쾌적감에 영향을 미친다. 하지만 사무소 건물의 경우 하절기에 일사의 영향을 많이 받아 냉방부하를 증대 시켜 건물 에너지 비용을 증가시킨다. 물론 겨울철의 경우에는 일사의 증가로 난방부하가 감소되어 건물 에너지 비용을 감소시키지만 낮 시간동안 주로 근무하는 사무소 건물의 특성상 난방부하에 비해 냉방부하의 중요성 및 총 에너지 소비량이 크기 때문에 이를 해결하기 위한 여러 가지 방안들이 연구되고 있다. 이에 건물에서 유일하게 태양복사를 투과시키는 유리는 성능이 아무리 우수하다고 해도 유리 자체만으로 일사조절이 쉽지 않아 이를 보완할 수 있는 장치가 필요하다.[1] 대표적인 방안은 블라인드와 같은 차양 장치를 이용하는 방법이며 현재 관리 및 장치 운용 문제로 인해 내부 블라인드가 가장 많이 활용되고 있다. 국내 대부분의 사무소 건물에서 사용되고 있으며 일사 정도에 따라 상향 및 하향 조절뿐만 아니라 슬랫 각도 조절이 가능한 슬랫형 블라인드가 가장 보편적이다.[2] 그러나 사무소 건물에서 슬랫형 블라인드의 경우 보편적으로 활용되는 방법은 재실자의 주관적인 판단에 의한 수동적인 제어 방법으로 건물의 에너지 성능을 고려하지 않은 방향으로 가고 있다. 뿐만 아니라 사무소 건물의 블라인드 운영실태 현장조사 결과, 재실자의 과중한 업무 스케쥴에 의해 합리적으로 조절되지 않고 있으며 대부분 차폐된 상태로 유지되고 있는 실정이다.[3] 냉방부하를 절감하기 위한 다른 방법으로는 조명제어를 통하여 조명부하를 줄이는 것이다. 실내에 유입되는 일사량에 따라 조명제어를 하면 조명부하뿐만 아니라 조명부하 절감에 따른 냉방에너지에도 영향을 미칠 것으로 판단된다. 따라서 본 연구는 오명환 논문[4]에 대한 후속연구로써 차양 장치의 하나인 블라인드의 성능을 개선시키기 위해 단일 향이 아닌 창호의 방위별 블라인드의 최적제어 알고리즘을 도출함에 목적이 있다. 또한 일사가 실내 열환경에 미치는 영향을 알아보기 위해 블라인드의 반사율 및 조명제어를 통하여 실내 열환경 변화를 비교분석하였다. 이에 따라 개선 효과가 우수한 조건을 선별하여 일사수열량과 최적 각도사이의 회귀분석 관계식을 활용하여 향별 일사수열량에 따른 최적 각도를 예측하고 최적제어 알고리즘을 산출하였다. 산출된 일사량에 따른 블라인드의 슬랫 각도 최적제어는 실내 시쾌적 및 건물 에너지 절감에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 기대된다.[5]

본 연구는 서울에 위치하고 블라인드가 설치된 가상의 사무소 건물을 선정하여 슬랫형 블라인드의 최적제어 방안으로 각도 제어를 통한 향별 제어 알고리즘을 제시하였으며, 제어 알고리즘 수립 방법은 시뮬레이션 도구를 이용한 이론적 해석방식을 활용하였다. 이론적 해석도구로는 건물의 외피를 통해 태양복사, 건물외피의 장파복사, 단파복사 등의 열류계산이 가능하며 창호와 블라인드 사이의 열전달 및 공기유동에 대해 정밀 분석이 가능한 EnergyPlus를 사용하였다. EnergyPlus는 표면간의 열전도, 대류, 복사 열평형과 실내공기의 열평형을 포함하여 계산하는 방법인 열평형 방정식을 사용하여 내부 부하를 계산하게 된다. 또한 실 내부의 공기는 실의 평균온도로 계산되며, 표면온도는 동일하고 균일한 장파, 단파를 받는 확산복사표면으로 벽체를 통한 1차원의 열전도라는 가정 하에 계산이 이루어진다. 본 연구는 Fig. 1과 같은 전반적인 흐름을 통해 진행하였다. 슬랫형 블라인드의 최적제어 알고리즘 산출 방법에서 최적의 범위는 시뮬레이션 모델의 연간 건물 냉난방과 조명 부하의 최소화 및 건물 내부의 창면 불쾌현휘지수(DGI : Daylight Glare Index)가 22미만으로 한정하였다. 제어 알고리즘은 연구 조건별 연간 발생 부하량이 가장 낮은 2가지 조건을 선별하여 일사수열 감지량에 따라 슬랫 각도를 회전 시키는 제어 방법을 통해 향별로 각기 다른 제어 알고리즘을 산출하였다.[3,5]

Fig. 1. 
Study flow chart[5]

본 연구를 진행하기 위해 선정한 프로그램은 EnergyPlus로 미국 에너지성(The U.S Department of Energy)에서 개발되었다. 기존에 사용되던 시스템 해석부분에서 강정을 지닌 DOE-2와 부하 해석부분에서 BLAST의 장점만을 통합시킨 프로그램이다. 이에 본 연구에 활용되는 슬랫형 블라인드를 통해 실내로 유입되는 열류량 계산과 실내 부하량에 대한 세밀한 계산이 가능하여 선정하였다. EnergyPlus는 건물 냉난방부하 해석에 있어 미국 냉동공조학회(ASHRAE, American Society of Heating Refrigerating and Air-conditioning Engineers)에서 권장하는 열평형(Heat Balance) 기법에 기초하고 있다. 프로그램에 대한 신뢰성은 대표적인 동적 시뮬레이션 규약인 미국 냉동공조학회의 ASHRAE 140 가이드라인을 통해 시뮬레이션 툴 개발을 진행하여 검증을 받았다.[6] 또한, 시스템과 건축물 사이에서 발생하는 열적 거동에 대한 유기적인 해석이 가능하다는 장점이 있고, 특히 건물 에너지 시뮬레이션의 주요 구성 요소들인 Zone, Surface, Air Heat Balance 및 System과 열원(Plant) 모델링을 각 시간 단계별로 통합적으로 실시함으로써 각 구성 요소간의 유기적인 연결 관계를 모사할 수 있는 장점이 있다.

건축물에서의 차양장치로써 블라인드의 역할은 실내로 들어오는 태양 일사의 차단 및 현휘를 막아주는 것이다. 하지만 대규모의 건축물의 경우 사용자가 일일이 블라인드의 각도를 조절하는 것은 개인의 주관적인 판단 하에 조정하기 때문에 인력 및 시간의 낭비일 뿐만 아니라 일사량에 따라 최적의 각도로 조정하여 일사에너지의 개입을 유동적으로 조정하는 것은 더욱 어렵다. 이를 해결하기 위해 제안된 시스템의 특징은 다음과 같다. 블라인드 각도 제어를 통하여 외부에서 유입되는 일사를 조절하여 실내의 부하를 최소화하며 쾌적한 냉난방 환경을 제공하는 시스템이다. 최적 제어를 위해서는 기계적 에너지가 필요하기 때문에 소모되는 전력이 발생하지만 건물의 부하 절감과 시쾌적성으로 인한 사용자의 불쾌현휘 감소는 이를 충분히 보완 가능할 것으로 사료된다. 아래 Fig. 2는 최적제어 시스템의 작동원리를 나타내며 해당 위치의 기후 및 수직면 직달일사량을 토대로 수치를 계산하고 데이터를 입력하여 이를 바탕으로 블라인드와 조명을 제어한다. 또한 본 논문은 가상의 사무소 건축물을 대상으로 분석을 진행하기 때문에 실내의 냉난방 부하 및 조명부하 저감과 불쾌현휘 부분을 중점적으로 살펴야 한다.[5]

Fig. 2. 
Automatic control strategy system[5]

본 연구에서 사용된 시뮬레이션 모델은 직사각형 모양의 길이 49m, 폭 33m, 층고가 3m, 창면적비가 33%인 3층의 사무소 건물을 모사하였으며, 길이가 49m인 면이 각각 남측과 북측 방위, 폭 33m인 면이 각각 동측과 서측 방위를 향하도록 하였다. 시뮬레이션 해석을 위한 기상데이터는 태양에너지학회의 서울지역 표준 기상데이터를 활용하였다. 실내 발열요소는 Table. 1과 같이 설정하였으며 시뮬레이션 모델의 건물 외피에 대한 구성 및 재료의 물성치는 Table. 2와 같이 설정하였다. 실내 설정온도는 난방 시 21℃, 냉방 시 26℃이며 난방은 07 : 00~18 : 00까지, 냉방은 07 : 00~19 : 00까지 공조하는 것을 전제로 시뮬레이션을 진행하였다.

공조 방식은 HVAC System 및 Plant의 효율을 배제한 EnergyPlus의 IdealLoadsAirSystem 모델을 작용하여 연간 냉난방 및 조명 부하의 데이터를 분석하였다. 본 연구에서 적용된 창호는 Fig. 3과 같이 복층유리(6mmClear + 12mmAir + 6mm Clear)로 구성되어 있다. 또한 창호를 통한 열획득량 변화 분석을 위해 사용된 슬랫형 블라인드는 내부 블라인드로 물성은 열전도율 0.9W/m·K, 방사율 0.9이며 슬랫 너비 0.0048m, 슬랫 간격 0.0048m, 유리와 블라인드의 간격은 0.05m로 가정하였으며, 타 세부 사항은 Table 3와 같다. 슬랫 각도의 범위는 Fig. 4와 같이 -90° ~ +90°로 나타내었다.

Fig. 3. 
Configuration and designation of window and blind position

Fig. 4. 
Slat angle

시뮬레이션 조건은 Table 4과 같이 블라인드가 설치되지 않은 Base Case를 기준으로 단일 반사율 조건인 Reflect 0.1, Reflect 0.9, 전후면의 반사율이 각각 0.9, 0.1로 다른 Separated와 이를 조명제어를 한 Reflect 0.1 + Dimming, Reflect 0.9 + Dimming과 여기에 Separated + Dimming의 경우까지 총 7가지의 조건을 활용하여 시뮬레이션을 진행하였다. 조명제어의 경우 감지센서를 창으로부터 2m 떨어진 위치에 설치하여 자연 채광량의 증가에 따라 조명에너지가 선형으로 감소하는 Continuous 방식을 사용하였고 실내조도감지가 500lux 이상부터는 조명에너지의 20%만 작동하도록 설정하였다. 위의 조건을 바탕으로 조명제어 전후의 연간 실내 총 부하량(냉방 + 난방 + 조명)과 창면 불쾌현휘지수(DGI, Daylight Glare Index)에 대하여 조건별 비교 분석을 하였다. 이를 통해 부하 절감이 좋은 상위 2가지 조건을 활용하여 블라인드 최적제어 알고리즘 산출을 진행하였다.

Table 5는 블라인드를 설치하지 않은 Base case 해석 모델을 대상으로 50%의 창면적비를 가진 기준층(Middle Floor)의 향별 연간 단위 면적당 부하 값을 나타낸다. 동측에서는 냉방부하가 58.6%, 난방부하가 13.2%, 조명부하가 28.2%이며, 서측에서는 냉방부하가 54.9%, 난방부하가 15.1%, 조명부하가 30.0%이며 또한 냉방부하가 가장 큰 남측에서는 냉방이 62.2%, 난방이 9.8%, 조명이 28.0%이며 냉방부하가 가장 적은 북측에서는 냉방이 45.6%, 난방이 19.7%, 조명이 34.8%로 나타났다.

향별 부하패턴을 분석해보면 모든 향에서 냉방부하, 조명부하, 난방부하 순으로 큰 값을 나타내었는데 이는 큰 창면적비로 인해 일사의 유입이 증가하면서 냉방 시 부하가 크게 증가한 것으로 판단되며 난방부하의 경우 모든 향에서 20% 이하의 낮은 값을 나타내었다. 남측의 경우 다른 향에 비해 난방부하는 낮으나 높은 냉방부하를 나타내었으며 이는 비교적 많은 일사의 유입에 기인한 것으로 판단된다. 반면에 북측의 경우 태양으로 인한 일사의 유입의 거의 미미하여 다른 향에 비해 상대적으로 냉방부하가 낮고 난방부하는 증가함을 알 수 있다.

또한 조명부하의 경우 난방부하보다 크며 향과는 무관하게 일정한 소비량을 나타내고 있다. 이처럼 향별로 서로 다른 실내 냉·난방부하 값을 나타내고 있으며 이에 따라 향별로 블라인드를 상이하게 제어할 필요성이 있다. 또한 일정하게 소비되는 조명에너지를 줄이는 방안을 모색해야 할 것으로 사료된다.

본 연구에서는 각 조건별 냉방, 난방, 조명부하를 비교분석하기 위하여 블라인드를 45°로 고정하여 실내의 연간 부하를 산출하였다. Fig. 5에서 Fig. 8은 블라인드를 설치하지 않은 Base Case를 기준으로 향 및 조건별 냉방, 난방, 조명부하의 증감 비율을 나타냈으며 Table 6.에서 Table 9.는 조건별 실내 총 부하의 절대량을 나타낸다. 이에 총 6가지의 조건을 부하 및 향별로 분석을 진행하였다.

Fig. 5. 
Increase/decrease ratio of load in East

Fig. 6. 
Increase/decrease ratio of load in West

Fig. 6. 
Increase/decrease ratio of load in South

Fig. 8. 
Increase/decrease ratio of load in North

조명부하의 경우 조명제어를 적용한 모든 조건에서 조명제어를 적용하지 않은 조건보다 에너지 저감에 효과가 있는 것으로 나타났다. 특히 다른 조건에 비해 반사율이 0.9인 조건에서 최대 61%의 많은 절감량을 보였으며 이는 블라인드를 통해 들어오는 직사광은 차단하면서 슬랫 사이로 반사되어 유입되는 확산광에 기인한 것으로 판단된다. 냉방부하의 경우 반사율이 동일한 조건에서 조명제어 시 냉방부하가 다소 감소하는 패턴을 보였으며 반사율이 낮은 0.1의 조건에서는 최대 51% 증가하는 경향을 나타냈다. 이는 슬랫 반사율이 낮아짐에 따라 블라인드의 표면온도 상승으로 인하여 대류와 복사열 획득량의 증가로 인해 냉방에너지가 증가한 것으로 판단된다. 난방부하의 경우 모든 향에서 반사율이 낮은 0.1인 조건에서는 미미한 변화를 보였지만 반사율이 0.9인 경우와 전후면 반사율이 각각 0.9, 0.1로 다른 조건에서는 오히려 난방부하가 증가한 것으로 나타났다. 하지만 난방부하가 증가함에도 불구하고 조명부하와 냉방부하의 절감으로 인해 총 부하량은 절감되었으며 Reflect 0.9+Dimming과 Separated Reflect+Dimming 조건에서 가장 효과적인 것으로 분석되었다.

향별 부하 패턴을 분석해보면 동측의 경우 다른 향에 비해 조명제어를 적용함으로써 조명부하의 절감효과가 가장 높게 나타났으며 서측과 남측에서는 반사율이 0.1인 조건에서 다소 큰 냉방부하 증가를 나타냈다. 또한 남측의 경우 반사율이 0.9와 Separated인 조건에서 다른 조건에 비해 많은 냉방부하 감소와 난방부하의 증가가 나타나 블라인드 조건에 따른 영향이 큰 것으로 나타났다. 이와 반대로 북측의 경우 직달일사의 영향을 받지 못하고 확산일사를 통해서만 일사를 유입받기 때문에 다른 향과는 다르게 블라인드에 의한 실내 부하의 영향이 가장 적은 것으로 나타났다.

블라인드의 반사율 변화와 조명제어를 연계하는 전략을 통해 건물 실내부하 저감 효과를 얻을 수 있었다. 이에 부하저감 효과가 좋은 Reflect 0.9+Dimming과 Separated Reflect+Dimming 두 가지 조건에서 블라인드의 최적 제어를 위해 슬랫 각도가 45°로 고정이 아닌 -90 ~ +90° 범위의 슬랫 각도 가변제어를 통하여 더 효과적인 에너지 저감을 이루고자 한다. 하지만 슬랫 각도 제어를 위한 입력변수는 특정한 외부 환경 조건이나 실내 환경 조건의 감지대상 선정이 필요하며, 입력변수에 의한 슬랫 각도 가변제어 시 규칙적이고 간단한 알고리즘 형태의 수식화가 요구된다. 다양한 실내외 환경 조건 가운데 본 연구에서는 외부 수직면 일사수열량을 입력 변수로 선정하였다. 전술하였듯이, 본 연구는 오명환 논문[4]에 대한 후속연구로써 차양 장치의 하나인 블라인드의 성능을 개선시키기 위한 연구의 일환으로 일사가 실내 열환경에 미치는 영향을 알아보기 위해 블라인드의 반사율 및 조명제어를 통하여 실내 열환경 변화를 비교분석하였다. 수직면 일사수열량은 태양복사 스펙트럼 가운데 열적인 영역과 광적인 영역을 동시에 포함하고 있으며, 실제 창면에 입사되는 일사의 양으로서 실내 획득열량과 자연채광에 대한 변수 조건으로 충분하다고 볼 수 있다. 또한 슬랫 각도에 따라 변화하지 않는 외부 조건이며, 최적 각도를 구한다면 냉방, 난방 및 조명부하에 대한 비교 분석이 가능하다.

이를 이용한 최적 슬랫 각도 도출 방법은 우선 -90 ~ +90° 사이의 슬랫 각도를 5° 단위로 해석 모델에 적용한 뒤 연간 불쾌현휘 지수가 22 미만의 데이터 중 실내 총 부하가 가장 낮은 각도를 산출하였으며 이 때 일사수열량의 구간은 100W/m² 단위로 구분하였다.[4,5] 이후 일사수열량의 구간별 최적각도를 바탕으로 Excel의 회귀분석을 통하여 향별 서로 다른 블라인드 제어 알고리즘을 산출하였다. Fig. 9와 Fig. 10은 향 및 조건별 일사수열량에 따른 구간별 최적각도를 회귀 분석하여 나타난 슬랫 각도 최적제어 알고리즘을 나타내며 수식은 아래와 같다. 각 수식은 다음과 같이 ‘Optimum∠(Window orientation, Blind reflectance)’을 나타내며 입력변수로써의 x의 값은 수직면 일사수열량을 나타낸다.

Fig. 9. 
Slat angle optimum control algorithm in Reflect 0.9+Dimming case

Fig. 10. 
Slat angle optimum control algorithm in Separated+Dimming case

Fig. 9는 블라인드 반사율이 0.9인 조건의 제어 알고리즘을 Fig. 10은 블라인드 반사율이 전후면이 각각 0.9, 0.1로 다른 Separated인 조건의 제어 알고리즘을 나타낸다.

동측의 경우 조건별 다른 제어 패턴을 보이는데 반사율 0.9인 조건에서 일사수열량이 100W/m² 이하로 낮을 때 블라인드 슬랫은 거의 폐쇄된 80°를 나타났으며 이는 높은 태양입사각에 의해 발생하는 불쾌현휘를 방지하기 위함으로 사료된다. 이후 100~ 200W/m²의 일사량에서는 부분 개폐를 보이다가 일사량의 증가에 따라 완전 폐쇄에 가깝게 블라인드가 제어된다. 반면 Separated인 조건에서의 낮은 일사량에서는 블라인드가 완전 폐쇄에 가까우며 일사량이 300W/m² 이상에서는 각도를 30°로 유지하는 패턴을 나타냈다.

서측의 경우 일사수열량이 100W/m² 이하에서는 두 조건 모두 완전 폐쇄를 나타냈으며 반사율이 0.1인 조건에서는 일사량이 300W/m² 일 때 50°로 개방되었다가 다시 일사량의 증가에 따라 80°까지 폐쇄되는 패턴을 보였다. 반면 반사율이 Separated인 조건에서는 일사량이 500W/m² 일 때 30°까지 점차 개방되었다가 일사량의 증가에 따라 최대 45°로 폐쇄되는 패턴을 나타냈다. 남측의 경우 블라인드의 반사율과 무관하게 모든 구간에서 블라인드가 완전폐쇄에 가까운 70° 이상을 항시 유지하는 패턴을 나타냈다. 북측의 경우 일사수열량이 300W/m² 미만으로 다른 향에 비해 낮은 일사수열량이 관측되었으며 반사율이 0.9인 조건에서는 완전폐쇄에 가까운 패턴을 보였지만 반사율이 Separated인 조건에서는 일사수열량이 100W/m² 이하일 때 유일하게 반사율이 0.1인 면이 전방을 향하는 -90°가 최적각도로 나타났으며 300W/m²에서는 반사율이 0.9인 면이 전방을 향하는 90°가 최적각도로 나타났다.