태양열 연돌이 적용된 이중외피 건물의 환기 및 에너지성능 평가 :Assessment of ventilation and energy performance of an office building of double skin facade with solar chimney

성욱주

학위논문

저자정보: 성욱주 (한양대학교, 한양대학교 대학원)

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이중외피(Double skin facade)는 건물의 미적 외관 연출, 내부 열 및 공기환경 개선, 외부 소음 차단 등의 건물 운용상의 여러 이로운 기능을 구현하는 대표적인 패시브(Passive) 외피기술이다. 이중외피시스템이 새로운 개념의 신기술은 아니더라도 아직까지도 적용과 운용상의 최적화에 대한 연구가 진행되고 있다.
동절기 외기에 비하여 높은 공기온도분포를 나타내는 이중외피의 중공층은 외피의 열손실을 줄여주기 때문에 난방부하를 감소시킨다. 또한, 이중외피의 중공층과 내부 공조시스템의 Outdoor Air(이하 OA)를 연계하게 되면 이중외피를 OA의 예열 경로로 활용이 가능하다. 하지만, 하절기 이중외피 중공층에서 발생할 수 있는 높은 온도분포는 냉방부하를 증가시킬 수 있는 잠재성이 있다.
이중외피로 인한 하절기 냉방부하를 감소시키기 위한 적용성 평가 인자 중 중요하게 검토되어야 할 것은 바로 중공층의 자연환기이다. 중공층의 자연환기를 유도하여 주간동안의 집중되는 고온의 공기를 효과적으로 외부로 배출하면 냉방부하 측면에서 이중외피 내측외피 표면의 열적 경계조건을 외측 외피면 보다 유리하게 유지시킬 수 있다는 선행연구가 다수 존재한다. 하지만, 이와 관련한 선행연구들의 논리를 객관화시킬 수 있는 하절기 이중외피의 운용상황에 대한 실측자료와 그 문제점을 개선하기위한 실질적인 패시브적 대안 기술에 대한 연구 자료가 부족한 실정이다. 따라서 절기별 외부 자연환경 변화에 따른 이중외피의 열환경을 상세하게 검증할 수 있는 현장 실측 자료가 요구되고 있다. 또한, 중공층의 자연환기 활성화에 초점을 맞춘 직접적인 패시브 기술에 대한 적정 설계방안 및 적용성 평가 연구를 통하여 기존 선행연구를 보완해야 할 것이다.
본 연구에서는 전면형 이중외피(Multistory-type double skin facade)를 대상으로 한 실측결과를 통하여 다수의 선행연구의 결과를 객관화 할 수 있는 검증자료를 제시 하였다. 또한, 중공층의 공기유동 활성화를 유도할 수 있는 태양열 연돌(Solar chimney)이 적용된 이중외피의 환기 및 에너지성능을 평가하고 정량적인 기술자료를 제시하였다. 결과적으로, 태양열 연돌이 적용된 이중외피의 적정 구성 및 설계와 관련한 기반 기술 자료를 제안하는 것이 본 연구의 목적이다.

#공기조절공학

제 1 장 서 론 1
1.1 연구의 배경 및 필요성 1
1.2 연구의 목적 3
1.3 연구의 범위 및 방법 4
제 2 장 이론적 고찰 7
2.1 선행연구 고찰 7
2.1.1 국외 선행연구 고찰 7
2.1.2 국내 선행연구 고찰 13
2.1.3 선행연구 종합검토 18
2.2 이중외피 전열 기본방정식 21
2.2.1 열류방향에 대한 구간별 전열방정식 23
2.2.2 구간별 전열방정식 상세 23
2.2.3 표면계수 계산 27
2.2.4 중공층 온도차에 의한 공기의 속도 30
2.3 공기유동 네트워크 모델(Airflow network model) 31
2.3.1 EnergyPlus 공기유동 네트워크 28
2.3.2 기본 방정식(Linkage model) 32
2.3.3 틈새(Crack)를 통한 공기유동 35
2.3.4 개구부를 통한 공기유동 36
2.3.5 큰 개구부를 통한 공기유동 37
제 3 장 현장실측 평가 40
3.1 실측방법 40
3.1.1 분석대상 이중외피 40
3.1.2 실측인자 및 위치 43
3.2 실측결과 46
3.2.1 분석대상 대표일 선정 46
3.2.2 분석대상 대표일의 외기온도 및 일사량 49
3.2.3 중공층 공기온도 55
3.2.4 중공층 부위별 온도 62
3.2.5 중공층 자연 환기량 66
3.2.6 중공층 OA활용풍량 및 열량 67
3.3 소 결 69
제 4 장 평가모델 수립 71
4.1 태양열 연돌의 정의 및 주요 설계인자 72
4.1.1 태양열 연돌의 기능 73
4.1.2 이중외피와의 통합성 검토 74
4.2 분석대상 이증외피의 적정성 검토 75
4.3 시뮬레이션 기본모델 제안 77
4.3.1 EnergyPlus 시뮬레이션 기본모델 77
4.3.2 시뮬레이션 기본모델 타당성 검증 78
4.4 태양열 연돌 개선대안 82
4.4.1 태양열 연돌의 적정 높이 산정 82
4.4.2 태양열 연돌 개선대안 도출 84
4.5 소결 86
제 5 장 컴퓨터 시뮬레이션 평가 87
5.1 평가방법 87
5.1.1 하절기 평가방법 87
5.1.2 중간기 평가방법 88
5.1.3 동절기 평가방법 90
5.2 하절기 평가결과 92
5.2.1 중공층 공기온도 92
5.2.2 중공층 압력 95
5.2.3 중공층 자연환기량 96
5.2.4 개선 대안별 실내 냉방부하 99
5.3 중간기 평가결과 102
5.3.1 개선 대안별 개구부의 외부 풍압 102
5.3.2 구간별 압력 및 기류유형 104
5.3.3 개선 대안별 실내 자연환기량 132
5.4 동절기 평가결과 142
5.4.1 난방에너지 분석인자 142
5.4.2 OA활용풍량에 따른 OA활용열량 및 실내 난방부하 143
5.4.3 실내 공조 환기횟수별 난방부하 절감량 148
5.4.4 이중외피 태양열 생산열량 및 생산능력 157
5.5 소 결 162
제 6 장 종합검토 및 최적 설계안 도출 165
6.1 태양열 연돌의 환기 및 에너지성능 평가결과 165
6.1.1 실측 평가 종합 결론 165
6.1.2 시뮬레이션 평가결과 종합 결론 167
6.1.3 태양열 연돌 최적 대안 도출 168
6.2 최적 통합 설계방안 제시 171
6.2.1 이중외피 내?외측 투명외피의 일사투과율 조정 172
6.2.2 일사투과율 조정에 따른 절기별 개선효과 173
6.3 소 결 180
제 7 장 결 론 185
참고 문헌 189
ABSTRACT 194

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