Analyses of Energy Savings and Night Heating Performance of a Movable Thermal Insulation Shuttered Window

http://dx.doi.org/10.6110/KJACR.2013.25.3.150

단열셔터를 적용한 구동창호의 에너지 절감 및 야간 난방성능 분석

Analyses of Energy Savings and Night Heating Performance of a Movable Thermal Insulation Shuttered Window

이장만(Jang-Man Lee)¹, 조 수(Soo Cho)², 임상훈(Sang-Hoon Lim)², 송규동(Kyoo-Dong Song)^3†

1

한양대학교 건축환경공학과 ,

한국에너지기술연구원 ,

한양대학교 건축공학

1

Department of Environmental Engineering of Architecture, Hanyang University, Seoul 133-871, Korea

2

Department of Building Energy, Korea Institute of Energy Research, Daejeon 305-343, Korea

3

School of Architecture and Architectural Engineering, Hanyang University, Seoul 133-871, Korea (Received November 16, 2012; revision received January 23, 2013)

Abstract Usually, a window tends to have a lower thermal performance, than that of an ordinary wall. This study analyzes the enhancement of thermal performance of a window, when a Thermal Insulation Shutter is installed. The analyses were conducted at the laboratory, and with a full-scale mockup house, and the U-factor and heating load were examined. The laboratory results show that the U-factor increased by approximately 28%, when a Thermal Insulation Shutter was installed.

The temperature difference was about 5°C, and this shows that the Thermal Insulation Shutter enhances the thermal performance of the window, when installed. The mockup house was used to calculate the heating load; the heating load was reduced by more than 41%, and shows that the installation of a Thermal Insulation Shutter is an effective way to reduce heating energy consumption.

Key words High energy efficiency(고효율에너지), Thermal insulation shutter(단열셔터), Thermal transmittance (열관류율), Heating load(난방부하)

†Corresponding author, E-mail: [email protected]

1. 서 론 1.1 연구 목적

최근 국내에서는 전반적인 에너지 절약 및 기후변화 협약에 대응하기 위하여 이산화탄소 저감 기술에 대한 연구 개발이 활발히 진행되고 있다 . 특히 국가 총 에 너지 소비의 1/4을 점유하고 있는 건물 부문의 에너지 절약적 측면에서는 타 부분에 비하여 절약 요소 기술 을 다양하게 적용할 수 있으며 , 운용 및 관리에 따라 에너지 절감률을 큰 폭으로 향상시킬 수 있는 잠재성 이 높은 분야로 인식하고 있다. 일반 벽체에 비해 약 1/10수준의 단열성능을 가지고 있는 창호는 건물 부문 에서의 에너지 절감을 위해 반드시 기술 개발이 필요 한 실정이다 .

따라서 본 연구에서는 야간 난방 에너지를 절감하기 위하여 차양의 기능과 단열성능의 향상을 동시에 만족

할 수 있는 단열셔터 창호를 개발하였다. 또한 단열셔 터 창호를 실험주택을 통해 실험함으로써 , 단열셔터가 야간 외기온도를 일정부문 차단한다는 점을 확인하였 다. 더불어, 야간 난방부하를 구하고, 에너지 절감량을 확인하였다.

1.2 연구방법 및 절차

본 연구는 Therm and Window 시뮬레이션을 통해 검 증된 단열 셔터를 적용한 구동 창호를 제작하여 단열 성능 시험을 하였고 , 실험주택에서의 실험을 통해 난 방 부하 및 에너지 성능을 분석하였다. 연구의 진행 순 서는 다음과 같다.

(1) 기존 연구를 바탕으로 차양 및 단열을 목적으로 한 창호의 개념 및 주거에서의 활용도를 고찰한다 .

(2) 선행 연구를 통해 최적의 실험주택의 실내 온도

범위를 26℃로 설정하고, 보일러의 적정 온도(보일러의

물 온도 )를 70℃로 설정한다.

(3) 실험 주택에서의 실측 실험을 통해 야간 단열 및 외기 변화에 따른 영향을 분석하고 단열셔터 구동창호 의 표면온도를 확인한다 .

(4) 단열 및 차양에 효과적인 단열셔터 구동창호를 적용한 실험 주택에서의 야간 난방 부하 및 에너지 성 능을 평가한다 .

2. 선행연구 고찰

김창남 외 3인, 차양 장치 제어를 통한 건물에너지 저감 성능평가 에서는 건물에너지 시뮬레이션 프로그 램인 ESP-r을 사용하여, 냉난방 부하를 계산하였다. 시 뮬레이션 프로그램 설정조건으로 weather data는 서울, 실내 설정온도는 난방 20℃, 냉방 26℃이며, 차양계수



  이다 . 그 결과, 차양 장치를 지속적으로 가동하 였을 경우, 난방부하는 26% 증가 하였고, 냉방부하는 40% 감소하였다. 차양 장치를 적용하지 않았을 경우, 난방부하는 53% 감소한 반면, 냉방부하는 268% 증가 한 것으로 나타났다.

차양 장치를 지속적으로 가동하였을 경우 , 동절기에 는 차양 장치에 의해 태양복사 에너지의 유입이 차단 되어 난방부하가 발생하는 반면 , 하절기에는 내부과열 이 방지되고 냉방부하가 감소되는 것으로 판단된다.

반대로 차양 장치를 적용하지 않을 경우 , 동절기에는 태양복사에너지의 유입으로 인해 난방부하가 절감되 지만 , 하절기에는 실내가 가열되어 냉방부하가 과하게 증가되는 현상이 나타난다. 동절기와 하절기에 따라 전략적인 제어가 필요한 것으로 판단된다 .

최경석 외 1인, 전동 블라인드 내장형 창호 시스템 적용에 따른 공동주택 에너지 성능평가 연구에서는 냉 난방 에너지 절감 효과를 분석하기 위해 전열 해석 프 로그램인 Physibel Voltra를 사용하였다. 연간 전열량과 에너지 비용을 분석한 결과, 차양 일체형 창호 시스템 을 적용하여 블라인드를 내렸을 경우 , 연간 약 22.9 ～ 31.8%의 손실 열량이 절감하였으며, 이를 냉난방 비용 으로 환산하면 일반 창호 시스템 대비 약 109,000원 /year 이상의 비용이 절감되는 것으로 나타났다.

선행연구 고찰을 통해 창호 시스템의 부하저감과 냉 난방 비용의 절약을 위해 단열 차양이 효과가 있음을 확인하였다. 단열차양의 효율적인 활용을 위한 제어방 법 및 실측실험을 통한 검토가 필요하다고 판단된다 .

단열성능의 지표가 될 수 있는 단열셔터 구동창호 의 기본성능 및 세부구성을 살펴보면 Table 1과 같다.

Table 1 Details of the movable thermal insulation shuttered window

Composition of the thermal insulation shutter window

Form 2 Track Sliding Material PVC+Aluminum

Frame width

Window part 130 mm Shutter part 120 mm Glazing 6 mm CL+12 mm Air+6 mm Low-e

Fig. 1 Before-after of the thermal shutter installation.

Table 2 Thermal performance of the thermal insulation shutter installation

Division (applying)

Thermal Transmittance

Thermal resistance Before 1.820 W/㎡․K 0.549 ㎡․K/W

After 1.300 W/㎡․K 0.769 ㎡․K/W

단열셔터의 유무에 따른 단열성능을 알아보기 위해 단열셔터를 개방 /폐쇄 하였을 경우, 시험 규격인 KS F 2278에 의한 실험을 통해 열관류율을 측정하였다. Fig.

1은 단열셔터 구동창호를 열관류율 측정장비의 시험 체 틀에 부착한 사진이다.

단열셔터의 개방과 폐쇄 , 즉 셔터의 적용 유무에 따 라 단열성능 시험을 실시한 결과 열관류율과 열관류저 항은 Table 2와 같이 나타났다.

단열셔터의 적용 전의 열관류율은 1.820 W/㎡․K, 단열 셔터 적용 후의 열관류율은 1.300 W/㎡․K로 셔 터를 적용한 경우 0.520 W/㎡․K, 약 28%의 단열 성 능이 향상됨을 알 수 있었다 .

4. 실험 조건 및 방법 4.1 실험 주택의 개요

실험주택은 Room 1과 Room 2 실험실 정면(남향)에

각각 동일한 면적의 개구부를 갖고 있으며 , 동일한 용

Fig. 2 The mockup house.

Fig. 3 The mockup house plan.

Table 3 Details of the mockup house Composition information of the mockup house

Division Measuring room, Test room

Total area 66 ㎡

Laboratory area 32 ㎡ (R1/R2：16 ㎡) Measuring

room area 34 ㎡

Envelope

composition Urethane panel 75 mm Roof composition Urethane panel 110 mm

Height 2.8 m

Opening area R1/R2 4 ㎡

량과 사양의 보일러를 구성하고 있다 . Fig. 2와 Fig. 3 은 실험 주택의 전경과 내부 구성을 나타내고 있으며 , 구성 정보는 Table 3과 같다.

단열셔터 구동창호를 적용한 난방성능 평가는 외부 경계 조건이 동일한 Room 1과 Room 2로 구성된 실험 주택에서 실시하였으며 , 외기에 따른 난방부하와 에너 지 절감을 분석하였다.

4.2 표준판 시험

단열셔터 구동창호를 적용한 실험주택에서의 실험에 앞서 동일한 실험 조건을 맞추기 위해 Room 1과 Room 2의 열량을 비교하여 표준판 시험을 진행하였다. 표준 판을 사용한 제품은 가볍고 단열성이 좋아 건축용 단 열재, 포장재료, 흡음재, 장식재 등으로 사용되고 있는 두께 50 mm의 발포 스타이렌 수지를 사용하였다.

실내 온도는 Room 1과 Room 2 모두 정밀한 측정을 위해 컨트롤러를 설치하여 26℃±0.5℃로 설정하였고, 보 일러는 동일한 용량과 사양이며 , 설정 온도는 70℃로 설 정하였다.

야간 난방부하를 알아보기 위해 표준판을 설치하여 각 실의 온도를 26℃±0.5℃로 균등하게 설정한 뒤 20

：00～06：00까지 10시간을 기준으로 실험하였다. 다음 은 각각 표준판을 부착한 실험주택의 사진과 야간 난 방부하 실험 시 사용한 보일러와 컨트롤러의 사진이다.

Fig. 4 Standard board test(from the front).

Fig. 5 The boilers used for the mockup test.

Fig. 6 The controller.

Fig. 8 Installation of the thermal insulation shuttered window(from the front).

Fig. 9 Installation of the thermal insulation shuttered window(from the right).

Fig. 10 Installation of the thermal insulation shuttered window(from the inside).

8,000 7,000 6,000 5,000 4,000 3,000 2,000 1,000 0

Room 1 Room 2

7,229.22 7,287.83

[K J]

Fig. 7 Result of the mockup test.

산출방법은 다음 식(1)과 같다. 보일러를 통해 각 실 에 유입되는 유량과 취출 온도차를 통해 산출하였다 .

  ⋅⋅⋅∆ (1)

여기서 , Q：열량 [kJ]

c：비열 [kJ/kg℃]

ρ：밀도 [kg/㎥]

m：유량 [㎥]

△t：온도차 [℃]

측정 결과는 Fig. 7과 같다.

표준판 시험 결과 Room 1은 약 7,287.83 kJ, Room 2 는 약 7229.22 kJ의 열량이 측정되었다. 각 실의 오차 는 58.61 kJ이며, 약 1% 이내이다. 본 실험에 앞서 표 준판 실험을 통해 보일러가동 시 각 실의 난방부하가 동일하게 나타나 , 최적의 실험 조건임을 확인하였다.

5. 야간 난방성능 실험

다음 Fig. 8～Fig. 10은 실험주택에 단열셔터 구동창 호를 설치한 사진이다.

야간 단열셔터의 적용 및 개폐 유무에 따른 난방성

능을 알아보기 위해 단열셔터 구동창호의 Mock-up 테 스트를 진행하였다 . 단열셔터를 적용하지 않았을 경우 와 적용한 경우의 비교 실험을 위해 , Room 1에는 단열 셔터 구동창호의 셔터를 적용하지 않았을 때의 경우와 비슷한 열성능을 가지며 , 같은 슬라이딩 형식의 창호 를 선정하여 부착하였고, Room 2에는 단열셔터 구동 창호를 설치하여 야간 난방성능 및 에너지 절감량을 확인하였다 .

20：00～06：00 동안 난방 가동 시 Room 1과 Room 2의 실내 온도변화 분포는 각 실의 온도 포인트 9곳을 균등하게 측정하였고 , 그 결과는 다음과 같다.

Room 1과 Room 2 실내온도를 26℃로 설정하여 실 험한 결과 , 각 실의 실내온도는 26℃±0.5℃의 오차범 위 내에서 평행을 이루었다 . 이는 각 실의 실내온도 분 포가 균등함을 나타낸다.

단열셔터 구동창호의 야간 내외 표면온도와 유리의 표면온도에 따른 열류 및 온도변화 분포를 살펴보면 Fig. 13, Fig. 14와 같다.

단열셔터 부분의 야간 표면온도는 7～10℃인 반면, 유 리 외부 표면온도는 12～14℃, 내부 표면온도는 23℃

로 측정되었다. 단열셔터부와 유리 외부표면과의 온도

는 약 4～5℃ 정도의 온도차가 발생하였다.

Fig. 11 Inside air temperature measurement positions.

Fig. 12 Distribution of inside air temperature changes.

Outside

Outside InsideInside

1T 2T 3T 4T

Fig. 13 Surface temperature changes measurement positions.

Fig. 14 Distribution of surface temperature changes.

20：00～06：00 동안 실내온도 26℃의 설정조건으 로 난방가동 시 Room 1과 Room 2의 일일 야간 난방 열량은 Fig. 15와 같이 나타났다.

Fig. 15 Heating load comparison between Room 1 and Room 2.

단열셔터를 적용하지 않은 Room 1의 열량은 11,658.01 kJ, 단열셔터를 적용한 Room 2의 경우에는 6,802.25 kJ 의 열량이 산출되었다. 야간에 단열셔터를 적용한 구 동창호가 일반 창호에 비해 약 4,855.76 kJ의 열량이 적게 소비됨을 알 수 있다 .

6. 결 론

단열성능이 우수한 단열셔터 구동창호의 단열성능 을 확인하고, 실험주택에서의 실험을 통해 셔터를 설 치함으로써 야간 외기온도를 일정부문 차단한다는 점 을 확인하였다 . 또한, 야간 난방부하를 구하고, 에너지 절감량을 확인하였다 .

본 연구의 결과는 다음과 같다.

(1) 단열셔터 개폐여부에 따라 열관류율이 단열셔터 개방 시 1.820 W/㎡․K, 폐쇄 시에는 1.300 W/㎡․K 로 0.520 W/㎡․K 의 차이를 나타냈다. 약 28%의 단 열성능이 향상됨을 알 수 있었다 .

(2) 단열셔터의 야간표면온도는 7～10℃ 분포로 형 성되었고 , 유리의 외표면 온도는 12～14℃ 분포로 형 성되었다 . 단열셔터부와 유리 외표면 온도와 온도차는 약 4～5℃ 정도의 차이를 나타냈다. 단열셔터가 야간 외기온도를 일정부문 차단한다는 것을 확인하였다.

(3) 보일러의 취출 온도차와 유량에 따라 열량을 산 출하였다 . 실험결과 단열셔터를 적용하지 않은 Room 1의 열량은 11,658.01 kJ, 단열셔터를 적용한 Room 2 의 열량은 6,802.25 kJ로 측정되었다. 단열셔터 유무에 따라 약 4,855.76 kJ의 열량 차이를 나타냈다. 단열셔 터를 적용함에 따라 일일 야간난방부하가 약 41% 절 약됨을 확인하였다 .

이상의 실험을 통해 단열셔터 구동창호의 적용은 야 간 난방에너지절약 측면에서 우수함을 확인하였다. 추 후 하절기 일사의 유입과 차단에 따른 냉방부하와 에 너지 절감량을 확인할 계획이다 .

12,000 10,000 8,000 6,000 4,000 2,000 0

Room 1 Room 2

6,802.25 11,658.01

[K J]

4T 3T 2T 1T 25

20 15 10 5

0

1:26 1:55 2:24 2:52 3:21 3:50 4:19 4:48 5:16 5:45 6:14 20:00 21:20 22:40 0:00 1:20 2:40 4:00 5:20 30

25 20 15 10 5 0

Room 1 Room 2

[℃]

[℃]

후 기

본 연구는 2012년도 정부(교육과학기술부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구로 이에 감사 드립니다 (No. 2012-0005632).

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