공공건축물에서 외부차양을 통한 에너지 절감
민 준 기*, 황 태 연†
*경희대학교, 건축공학과
†조선대학교, 건축학부 건축공학전공
Energy Saving Effect by Exterior Shading in Public Office Building
Joon Ki Min
*, Taeyon Hwang
†*Architectural Engineering, Kyung Hee University, Korea
†Architectural Engineering, School of Architecture, Chosun University, Korea (Received : May 22, 2017, Revised : Jun. 16, 2017, Accepted : Jun. 23, 2017)
Abstract : This study aims to find out how much energy can be saved when an exterior shading is installed on a building. The results were proved by comparing with the average values of solar radiation transmittance such as the annual solar radiation, the monthly solar radiation and seasonal solar radiation through the distribution images of solar radiation in building.
The results showed that the building energy could be saved per unit area of building. For the numerical analysis, 'Design Builder' was used as a computer simulation program. As a result, the optimal design for an exterior shading could be suggested to the louver with an angle of 30° and a width of 300mm. Based on these results, it was verified that the energy saving effect was above 3.75% by an exterior shading when this system was applied to Gwangju District Family Court that was the on of public office building.
Keyword : Exterior shading, Energy saving, Solar radiation, Public office building
1. 서 론
1)
2015년 5월 ‘녹색 건축물 조성 지원법’에 에너지 효율을 높이기 위해 일사조절장치 의무설치 관련 조항 이 신설되었다. 이 법은 「저탄소 녹색성장 기본법」
에 따른 녹색건축물의 조성에 필요한 사항을 정하고, 건축물 온실가스 배출량 감축과 녹색건축물의 확대를 통하여 저탄소 녹색성장 실현 및 국민의 복리 향상에 기여함을 목적으로 하고 있다.
현재의 기준에 의하면 공공건축물을 대상으로 외부 차양에 대한 설치기준이 반드시 설치되어야 하는 의무 기준으로 자리잡고 있으며, 향후 건축물의 규모에 따
†Corresponding Author 성 명 : 황 태 연
소 속 : 조선대학교 건축학부(건축공학전공) 주 소 : 광주 동구 필문대로 309 조선대학교 전 화 : 062-230-7146
E-mail : taeyon.hwang@chosun.ac.kr
라 그 적용범위가 민간건축물로의 확대로 전개될 전망 이다. 본 「저탄소 녹색성장 기본법」의 조항 중, 제 14조의2(건축물의 에너지 소비 절감을 위한 차양 등 의 설치)의 1항의 내용이 그 내용을 포괄하고 있는데,
‘대통령령으로 정하는 건축물을 건축 또는 리모델링하 는 경우로서 외벽에 창을 설치하거나 외벽을 유리 등 국토교통부령으로 정하는 재료로 하는 경우 건축주는 에너지효율을 높이기 위하여 국토교통부장관이 고시하 는 기준에 따라 일사의 차단을 위한 차양 등 일사조절 장치를 설치하여야 한다.’가 이에 해당된다.
여기서 “대통령령으로 정하는 건축물”이란 각각 다 음 각 호의 기준에 모두 해당하는 건축물을 말한다.
1. 제9조제2항 각 호의 기관이 소유 또는 관리하는 건축물일 것
2. 연면적이 3천제곱미터 이상일 것
3. 용도가 업무시설 또는 「건축법 실행령」 별표1 제10호에 따른 교육연구시설일 것
따라서, 본 연구에서는 공공건축물인 광주광역시에 소재하고 있는 ‘광주지방법원 가정지원청사’를 연구의 대상으로 선정하여, 건축물의 외부에 외부차양을 설치
하였을 때와 하지 않았을 때를 기준으로 창을 투과하 는 태양일사량의 비교 분석을 통해 건축물의 연간 냉 난방부하에 기반한 건축물의 에너지 성능을 평가하여 외부차양의 효용성을 검토하는 것이 본 연구의 목적이 다. 아울러, 본 연구의 연구방법 및 연구내용은 아래 의 <Figure 1>과 같다.
Figure 1. Research Flow
2. 시뮬레이션 평가 개요 2.1 연구 대상 건물
본 연구를 위한 연구대상건물은, ‘녹색 건축물 조성 지원법 시행령 제10조의2’의 기준에 따라 광주광역시 소재의 공공건축물인 ‘광주지방법원 가정지원청사(이 하, 광주가정법원)’를 선정하였고, 광주가정법원의 전 경 및 건축물 개요는 아래와 같다.
Figure 2. View of Gwangju District Family Court
명칭 광주지방법원 가정지원청사
소재지 광주광역시 서구 상무번영로 85
용도 업무시설 (공공청사)
규모 지하 1층, 지상 5층
연면적 총 6,610.98㎡ (1,999.82평) 건폐율 30.46%
용적율 83.52%
Table 1. Construction Summary of Gwangju District Family Court
본 연구를 위해 ‘광주가정법원’의 도면을 분석하였 고, 분석된 정보를 기반으로 시뮬레이션을 위한 기본 정보를 설정하였으며, 에너지 분석을 위한 동적 시뮬 레이션 프로그램인 ‘Design Builder’를 활용하여 연구를 진행하였다. 아래의 <Figure 3>은 Design Builder를 활 용한 시뮬레이션 모델이다.
Figure 3. Simulation Model of Gwangju District Family Court by Design Builder
2.1 시뮬레이션 변수 설정
공공건축물의 외부차양에 의한 에너지 절감효과를 검토하기 위해 Design Builder를 활용한 시뮬레이션 분 석은 ‘Louver’타입과 ‘Overhang’타입의 두 가지를 대상 으로 건물로 유입되는 일사량의 차단효과를 기반으로 실내 냉난방부하에 대한 효과를 비교하여 분석하였다.
또한 일사가 유입되는 동, 남, 서향에 배치되어 있는 모든 창에 대해 외부차양을 설치하고, 그 효과를 'Design Builder'를 사용하여 변수를 설정하였다.
(1) Louver
본 연구에서는 위의 <Figure 4>와 같이 변수로서 louver의 각도와 판의 폭을 설정하여 값을 조절하였다.
louver의 각도는 0°부터 60°까지 각각 10°씩 증가시 켜 7가지로 설정하였고, 판의 폭은 100㎜부터 600㎜
까지 100㎜씩 증가시켜서 6가지로 설정해서 총 42가 지의 경우의 수를 가지고 외부차양이 설치되지 않았을 때의 값과 비교하였다.
Figure 4. Simulation Variables Image for Louver by Design Builder
(2) Overhang
본 연구에서는 위의 <Figure 5>와 같이 변수로서 Overhang의 돌출부의 폭의 값을 조절하였다. 돌출부의 폭을 500㎜부터 1500㎜까지 100㎜씩 증가시켜서 총 11가지의 경우의 수를 가지고 외부차양이 설치되었을 때와 그렇지 을 때의 결과값을 비교하여 분석하였다.
Figure 5. Simulation Variables Image for Overhang by Design Builder
3. 시뮬레이션 결과
3.1 창 투과 태양 복사열 결과 분석
‘Design Builder’를 활용하여 모델링 한 ‘광주가정법 원’은 건축물에 설정해 놓은 모든 변수 값을 대입해서
‘idf’파일로 변환시키고 건물에너지 분석 Engine을 포함 하고 있는 ‘EnergyPlus’를 활용하여 호환파일을 생성하 였다. 아울러, 외부의 표준기상데이터는 ‘EnergyPlus’에 서 제공하고 있는 광주광역시의 데이터 파일을 사용하 여 분석하였다.
‘EnergyPlus’의 결과값 중, 창을 투과하는 태양 일사 량의 차이를 비교하였고 창을 투과하는 태양 일사량의 연평균, 월평균 및 동절기와 하절기에 대한 기간별 결 과분석을 통해 분석의 세분화를 실시하였다.
(1) 연평균 일사량 분석결과
<Figure 6>은 연평균 창 투과 일사량을 외부차양의 변수별로 표시한 것이다. Louver는 폭의 길이가 같은 분류 종류끼리 묶어서 각도가 큰 순으로 배열했고, Overhang은 돌출부의 폭이 길어지는 순서로 배열하여 그래프를 작성하였다.
먼저, Louver의 경우에는 폭이 같고 각도가 커질수 록 약 4~8W/㎡정도의 열량 차이가 났다. 각도가 같 고 폭이 늘어날수록 약 13~16W/㎡정도의 열량 차이 가 났다. Overhang의 경우, 100㎜씩 돌출부의 폭의 길 이가 증가할 때 길이가 500~900㎜까지는 열량이 약 0.6W/㎡씩 줄어들었고, 900~1300㎜일 때에는 약 0.5W/㎡, 1300~1500㎜일 때에는 약 0.4W/㎡씩 줄어들었다. 돌출부의 폭이 점점 길어질수록 줄어드는 열량의 양이 작아짐을 알 수 있다.
Figure 6. Annual Average of Solar Radiation through Window in Buildings by Exterior Shadings (2) 월평균 일사량 분석
<Figure 7>은 상기의 연평균 외부차양별 창 투과 일 사량을 좀 더 세분화시켜서 Louver의 변수별 월평균 창 투과 일사량을 나타낸다. 각각의 변수에 해당하는 월별 수치를 하나의 그룹으로 보았을 때 각도가 커질 수록, 폭이 길어질수록 창을 투과하는 일사량이 줄어 든다.
Louver의 폭의 길이가 100㎜일 때에는 5월과 10월 의 태양 복사열 수치가 다른 달들에 비해 수치가 높고 두 달의 차이는 약 1W/㎡이다. 하지만 각도가 점점 커지면서 5월과 10월 모두 수치가 줄어들지만 10월의 수치가 더 많이 줄어들면서 두 달의 차이는 점점 더 커지면서 최대 약 4W/㎡ 정도 차이가 있는 것으로 분 석되었다.
Figure 7. Monthly Average of Solar Radiation through Window in Buildings by Louver
<Figure 8>은 Overhang의 변수별 월평균 창 투과 일 사량을 나타낸다. Overhang의 돌출부 폭이 점점 길어 질수록 창을 투과하는 태양 일사량이 줄어드는 것을 알 수 있다. 그래프를 좀 더 세부적으로 보았을 때 Louver의 경우와 동일하게 5월과 10월의 수치가 높음 을 알 수 있다. 하지만 Louver와는 다르게 돌출부 폭 이 점점 길어지더라도 수치의 폭이 크게 차이나지 않 는다는 차이점이 있다.
Figure 8. Monthly Average of Solar Radiation through Window in Buildings by Overhang
(3) 계절별 일사량 분석
<Figure 9>는 기상학적으로 여름에 해당하는 6월-8 월까지의 3개월 동안 Louver를 설치하였을 때 창을 투 과하는 일사량을 나타내고 있다. 외부차양이 설치되지 않았을 때와 각도에 상관없이 폭이 100㎜일 때에는 8 월의 일사량이 6월과 7월보다 많음을 알 수 있다. 그 러나 Louver의 각도가 커질수록 8월의 일사량이 다른 달들에 비해 일사량이 줄어드는 폭이 커서 투과하는 태양 일사량이 적다. 이렇게 되면서 폭의 200㎜이상 일 때는 7월에 투과하는 일사량이 가장 많음을 알 수 있다.
Figure 9. Summer Seasonal Average of Solar Radiation through Window in Buildings by Louver 반대로, <Figure 10>은 겨울에 해당하는 12월-2월 을 대상으로 Louver를 설치하였을 때 창을 투과하는 태양 일사량이 얼마나 줄어드는지 보여주고 있다. 먼 저 눈에 띄는 점은 겨울이라고 해서 비슷한 수치가 나 타나는 게 아니라 12월과 1월에 비해 2월에 투과되는 복사열량이 최소 약 1.2W/㎡에서 최대 약 4.2W/㎡
정도 차이가 난다. 아울러, 폭의 길이가 짧을수록 차 이가 컸다.
Figure 10. Winter Seasonal Average of Solar Radiation through Window in Buildings by Louver
<Figure 11>은 Overhang을 대상으로 한 겨울철 및 여름철의 창 투과 일사량을 비교한 그래프이다. 겨울 철과 여름철 모두 Overhang의 폭이 길어질수록 태양 복사열량이 점점 줄어들고 있으며, 보다 더 상세히 분 석해 보면 폭이 600㎜이하일 경우에는 8월에 창을 투 과하는 태양 일사량이 6월과 7월에 비해 많았지만 폭 이 늘어나게 되면 줄어드는 양이 커서 7월에 가장 일 사량이 크게 분석되었다.
(a) Summer (b) Winter Figure 11. Seasonal Average of Solar Radiation through
Window in Buildings by Overhang
(4) 창 투과 일사량 실내분포 비교
다음은 같은 층에 차양을 설치했을 때와 하지 않았 을 때를 비교할 수 있는 이미지를 토대로 투과된 일사 량의 실내 분포도를 분석한 결과이다. 본 비교에서는 두 가지의 외부차양 종류 중에서 창을 투과하는 태양 복사열량을 좀 더 차단 시켜줄 수 있는 Louver 중에서 일부 변수만 사용하였다. <Figure 12>는 Louver의 유무 에 따른 실내 일사량 분포를 보여주고 있다. 실내로 유입되는 일사량이 상대적으로 큰 서향과 동향에서 Louver의 차단효과가 큰 것을 분포도로 이해할 수 있 고, 본 건축물에서는 ‘Louver 30° 600㎜’를 설치함으 로써 외부차양을 설치하지 않은 북쪽을 제외하고 대부 분의 빛이 차단됨을 알 수 있다.
(a) Without Exterior Shading (b) Louver 30° in 600mm Figure 12. Indoor Distribution Chart of Solar Radiation
through Window in Buildings
<Figure 13>은 Louver의 각도에 따라 실내로 유입되 는 일사량을 비교하기 위한 분포도이다. 분석결과, 동, 남, 서쪽은 Louver의 각도가 커질수록 창을 통해 빛이 영향을 미치는 곳이 점점 줄어든다는 것을 확인할 수 있었다.
(a) Louver 30° (600mm) (b) Louver 40° (600mm)
(c) Louver 50° (600mm) (d) Louver 60° (600mm) Figure 13. Indoor Distribution Chart of Solar Radiation
through Window in Buildings by Installation Angles
3.2 에너지 절감효과 분석결과
본 절에서는 외부차양을 설치하였을 때의 시뮬레이 션에 의한 에너지 절감효과를 분석하였다. 동향, 서향 및 남향에 위치해 있는 창문에 외부차양을 설치하였을 때 단위면적당 에너지를 얼마나 사용하는지 비교한 분 석결과, 전체적으로 Overhang보다는 Louver에서 에너지 사용량이 적음을 알 수 있다. 또한, Louver에서는 폭이 늘어날수록 에너지 사용량이 줄어드는 것으로 확인되었 다 (Figure 14).
<Figure 15>는 로이유리의 방사지수를 다르게 설정 하여 외부차양과 함께 조합할 수 있는 유리의 종류에 따 른 에너지 절감 효과에 대해 분석한 결과이다.
먼저, 방사지수가 1인 창을 설치하고 외부차양을 설 치하였을 때 Louver의 경우에는 약 1.5~4.3%, Overhang의 경우에는 약 1.2 ~ 3.3%정도 에너지를 절 감할 수 있음을 알 수 있다. 방사지수가 2로 커지게 되 면 Louver는 약 1.8 ~ 4.9%, Overhang의 경우에는 약 1.3 ~ 3.3% 정도로 에너지를 절감할 수 있다. 따 라서, 방사지수가 커지면서 약 0.1%에서 크게는 0.6%
까지 에너지를 좀 더 절감할 수 있는 대안이 될 수 있는 결과를 확인하였다.
Figure 14. Amount of Energy Usage per Unit Area for Gwangju District Family Court by Exterior Shadings
Figure 15. Energy Saving ratio per Unit Area for Gwangju District Family Court by Emissivity of Low-e
Glass
4. 결 론
본 연구에서는 건축물에 외부차양을 설치하였을 때 실내로 유입되는 일사량에 따른 에너지 부하량 저감 및 절감 효과에 대한 시뮬레이션 분석을 목적으로 하고 있 다. 본 연구의 결과는 아래와 같다.
외부차양으로서 Overhang보다는 Louver를 사용하는 것이 공공건축물의 실내 일사량 유입의 관점에서 에 너지 절감에 더 효과적인 것으로 확인되었다. 창을 투과하는 태양 일사량을 더 크게 줄일 수 있고, 단위 면적당 에너지 절감 비율 또한 높기 때문이며, Louver 중에서도 폭이 200㎜이하인 종류와 300㎜이 상인 종류의 값의 차이가 크기 때문에 후자를 사용하 는 것이 에너지를 절감하는데 효과적인 것으로 나타 났다.
‚ 단위면적당 에너지만을 비교하였을 때는 각도와 폭이 함께 커지면 에너지 사용량 또한 눈에 띄게 많이 줄 어들지만 폭이 100㎜일 경우에는 각도가 40°이상으 로 커질 경우에는 사용량도 다시 늘어나는 것을 알 수 있다.
ƒ 공공건축물의 외피로 많이 사용되는 커튼월의 유리 특성에 따른 효과를 분석하기 위해 로이유리를 대상 으로 한 방사지수별 단위면적당 에너지 절감효과를 분석한 결과, 방사지수를 높게 하여 외부차양과 조합 하는 것이 에너지 절감효과에 비례적으로 효과 커지 는 것을 확인하였다. 이러한 Case study를 토대로, 본 연구대상으로 설정한 광주가정법원을 대상으로 방사 지수가 2인 THK24 로이유리로 외부창문을 설치하고 외부차양을 설치 할 때에는 각도가 30°이고 폭은 300㎜인 Louver를 사용하게 되면 약 3.75%의 에너 지 절감효과를 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 외부 창의 값만 설정하고 건물의 외 피나 부가적인 설치물들을 제외하였기 때문에 이를 포 함한다면 좀 더 정확한 값을 구할 수 있을 것이다. 또 법 제정으로 인해 외부차양을 설치해야 한다면 실제 건 축물을 설계하는 과정에서 시뮬레이션을 통해 해당 환 경에 가장 알맞은 차양을 설치하여 좀 더 많은 에너지를 절감할 수 있을 것으로 판단된다.
Acknowledgments
1. This work was supported by the Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planning(KETEP) and the Ministry of Trade, Industry & Energy(MOTIE) of the Republic of Korea (No. 20172010105210).
2. This research was supported by Basic Science Research Program through the National Research Foundation of Korea(NRF) funded by the Ministry of Education(No. 2015R1D1A3A01020040)
참고문헌
01. Ghiaus C. and Inard C., Energy and environmental issues of smart buildings in: A Handbook for Intelligent Building, 26-51 (2004).
02. Dahlan N.D., Jones P.J., Alexander D.K., Salleh E.
and Alias J., Daylight ratio, luminance, and visual comfort assessments in typical Malaysian hostels, Indoor and Built Environment 18, 319-335 (2009).
03. Bessoudo M., Tzempelikos A., Athienitis A.K. and Zmeureanu R., Indoor thermal environmental conditions near glazed facades with shading devices—
Part I: Experiments and building thermal model,
Building and Environment 45, 2506-2516 (2010).
04. Ip K., Lam M. and Miller A., Shading performance of a vertical deciduous climbing plant canopy, Building and Environment 45, 81-88 (2010).
05. Hammad F. and Abu-Hijleh B., The energy savings potential of using dynamic external louvers in an office building, Energy and Buildings 42, 1888-1895 (2010).
06. Schlueter A. and Thesseling F., Building information model based energy/exergy performance assessment in early design stages, Automation in Construction 18, 153-163 (2009).
07. Muhaisen A.S. and Gadi M.B., Effect of courtyard proportions on solar heat gain and energy requirement in the temperate climate of Rome, Building and Environment 41, 245-253 (2006).
08. Cheng C.L., Chen C.L., Chou C.P. and Chan C.Y., , A mini-scale modeling approach to natural daylight utilization in building design, Building and Environment 42, 372-384 (2007).
09. Athanassios T. and Athienitis A.K., The impact of shading design and control on building cooling and lighting demand, Solar Energy 81, 369-382 (2007).
10. Athientis A.K. and Tzempelikos A., A methodology for simulation of daylight room illuminance distribution and light dimming for a room with a controlled shading device, Solar Energy 72, 271-281 (2002).
11. Reinhart C.F., Mardaljevic J. and Rogers Z., Dynamic daylight performance metrics for sustainable building design, Journal of the Illuminating Engineering Society of North America 3(1), 7-31 (2006).
12. Nabil A. amd Mardaljevic J., Useful daylight illuminance: a new paradigm for assessing daylightin buildings, Lighting Research and Technology 37(1), 41-59 (2005).
13. Nabil A. and Mardaljevic J., Useful daylight illuminances: a replacementfor daylight factors, Energy and Buildings 38(7), 905-913 (2006).
14. IES, The IES Lighting Handbook, 10th edition, Illuminating Engineering Society, 2011, ISBN(s):
9780879952419.
15. Korea Industrial Standard, KSA 3011: Recommended Levels of Illumination, 2011.
16. Winkelmann F.C. and Selkowitz S., Daylighting simulation in the DOE-2 building energy analysis program, Energy and Buildings 8(4), 271-286 (1985).
17. ANSI/ASHRAE, Standard 90.1: Energy Standard for Buildings Except Low-rise Residential Buildings, American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers, Atlanta, 2013.
