1. 서 론

광선반은 자연광을 실내 깊숙이 반사시켜 내부 조도 증가, 균제도 향상 등 빛환경 조절에 주로 활용되는 장치^1,2)이다. 최근의 연구에서는 광선반의 상부 표면은 반사면으로 기능하도록 하고, 광선반의 하부 표면을 냉각시킬 경우 광선반을 열환경 조절의 목적으로도 활용할 수 있음이 보고된 바 있다^3,4,5,6). Rhee and Hwang의 연구³⁾에서는 이러한 광선반을 열적으로 활성화된 광선반(Thermally activated light shelf), 즉 TALS라고 정의하였으며, 열적 활성화를 위해 광선반 내부에 냉수배관을 부착하여 광선반 하부 표면을 냉각시키는 방식을 제안하였다. 이는 형태적으로는 상부 표면이 반사면으로 마감된 천장복사냉방패널(Ceiling radiant cooling panel: CRCP)의 일종으로도 볼 수 있어, CRCP의 냉방용량 평가 방법을 준용하여 TALS의 냉방용량에 대한 평가가 이루어진 바 있다.

한편 TALS는 통상적인 CRCP와는 달리 실내 공간에 노출되어 설치된다는 점, 또한 제한된 표면적으로 인해 냉방용량을 충분히 확보하기 어렵다는 점 때문에, 제한된 냉수온도 및 표면적으로 최대한의 냉방용량을 확보하기 위한 연구가 수행되었다^4,6). Rhee et al.의 연구⁴⁾에서는 TALS의 냉방용량을 평가하기 위한 전열해석 시뮬레이션 모델을 개발하고 이를 Mock-up 실험으로 검증한 후, 냉수온도 및 냉방부하 조건에 따른 냉방용량 변화를 시뮬레이션으로 분석하였다. 시뮬레이션 결과 통상적인 냉수온도 범위와 냉방용량 조건 하에서 TALS의 냉방용량이 약 56 ~ 98 W/m²으로 나타나, 냉방용량 증대를 위한 TALS 단면의 개선 필요성이 제기되었다. Kim et al.의 연구⁶⁾에서는 냉방용량을 증대시키기 위한 방법으로, TALS 내부에 설치된 단열재를 공기층으로 대체하여 상부 표면의 온도를 낮추는 방안, TALS 내부의 냉각된 공기층을 효과적으로 배출하기 위해 기류 순환 팬을 설치하는 방안을 제안하고, 그 효과를 Mock-up 실험으로 분석하였다.

냉방용량 증대 방안에 대한 연구 외에, TALS를 설치한 경우 실내 열환경에 대한 평가 연구도 수행되었다. Choi et al.의 연구⁵⁾에서는 TALS 적용 시 실내 표면온도가 소폭 낮아지는 효과가 있어, 재실자의 전반적인 열쾌적(General comfort)을 –3에서 +3의 범위로 평가하는 PMV (Predicted Mean Vote)가 개선될 뿐 아니라, 국부적인 불쾌적(Local discomfort)을 평가하는 수직온도차, 드래프트 위험도 또한 개선될 수 있음을 CFD 시뮬레이션으로 검증하였다.

이와 같이 기존 연구에서 TALS의 냉방용량, 열환경 조절 능력과 같은 기본적인 냉방성능은 검증되었으나, 이는 이상적인 경계조건 하에서의 시뮬레이션, Mock-up 실험에 의한 결과로서 Full-scale 공간에서의 실증 데이터는 아직 확보되지 않은 상황이다. 또한 TALS의 냉방 운전을 가능하게 하는 설비요소(냉열원, 순환펌프 등)와 연결된 상태에서 TALS 시스템의 성능 평가가 이루어지지 않아, TALS의 거동이나 전체 시스템의 운전 특성은 아직 검증되지 않은 상황이다. 이에 본 연구에서는 TALS의 적용성을 검증하기 위해, 사무공간을 모사한 Test-bed에 TALS 및 이의 운전을 위한 냉열원 및 배관계통을 설치하고, TALS 운전에 따른 냉방성능을 에너지 및 실내 열환경 관점에서 평가하고자 하였다.

2. 냉방성능 평가 방법

2.1 냉방성능 평가 Test-bed

성능평가를 위한 TALS는 Fig. 1과 같이 하부 표면(알루미늄 패널)에 냉수배관(동관)을 열전도판으로 부착하고(Fig. 1(a)), 상부 표면은 반사율 95%의 필름을 부착(Fig. 1(b))하여 1.7 m (W) × 0.544 m (D) × 0.053 m (H)의 크기로 제작하였다. 상부 및 하부 표면 사이의 공간은 필요에 따라 단열재를 탈부착할 수 있도록 하고, 단열재를 설치하지 않을 경우에는 TALS 전후면의 개구부(Fig. 1(c)) 또는 소형 DC 팬 (Fig. 1(d))을 통해 TALS 내부에서 공기 유동이 발생하도록 하여 냉방용량 증대 효과를 거두도록 하였다.

Fig. 1.

TALS installed in the test-bed

이렇게 제작한 TALS의 성능평가를 위해 소형 사무실 공간을 모사한 3.8 m (W) × 3.8 m (D) × 2.6 m (H) 크기의 Test-bed를 구축하였다. Test-bed는 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 남쪽 벽체가 외기에 면하여 있으며, 동쪽과 서쪽 벽체는 별도의 냉난방기로 온도 제어가 되는 실내 공간에 면하여 있고, 북쪽 벽체는 데이터 수집 및 제어를 위한 모니터링 공간과 면하여 있다. TALS는 남쪽 외벽의 창문에 인접하여 바닥 위 1.8 m 높이에 2개소 설치하였다. 일사 부하는 창을 통해 유입되는 일사량을 그대로 활용하였으며, 내부 부하의 경우 전기 발열체로 인체 및 기기발열 480 W를 재현하고, 조명 부하는 천장에 설치된 LED 조명으로 64 W를 재현하여 약 38 W/m²의 내부 부하가 발생하는 것으로 가정하였다.

Fig. 2.

Test-bed for TALS system evaluation

TALS는 제한된 용량으로 인해 실의 냉방부하 일부를 담당하는 보조 냉방 시스템으로 볼 수 있으므로⁶⁾, Test-bed의 냉방부하 대부분을 담당하는 주냉방 시스템으로 FCU을 설치하였다. 주냉방 시스템으로 FCU을 선정한 이유는 FCU과 TALS 모두 물을 열매로 작동하기 때문이며, FCU을 통과하여 온도가 상승한 냉수를 TALS의 공급냉수로 보내줄 경우, TALS 표면에서의 결로를 방지하는 동시에 냉수 ΔT를 증가시킬 수 있을 것으로 판단하였기 때문이다. 또한 FCU은 외주부에 설치하는 것이 일반적이나, 본 연구에서는 TALS를 외주부에 설치하였으므로, FCU 토출 공기의 흐름이 TALS에 의해 간섭받을 수 있다는 점을 감안하여 내주부에 FCU을 설치하였다. Fig. 3에 TALS, FCU, 열원 및 반송계통 개념도 및 Test-bed 설비 시스템을 구성하는 주요 컴포넌트를 나타내었다.

Fig. 3.

Mechanical systems of a test-bed for TALS performance evaluation

2.2 성능 평가 Case

본 연구에서는 TALS가 건물의 냉방성능에 미치는 영향을 평가하기 위해, 일반적인 광선반이 적용된 경우, 즉 TALS에 냉수가 공급되지 않는 경우를 Baseline으로 설정하였다. 즉 TALS가 단순한 광선반의 기능을 하는 상황에서 FCU만 운전되는 조건을 기준으로 설정하고, 이와 비교하여 TALS에 냉수를 공급한 경우의 냉방성능을 평가하였다.

이 때 TALS의 단면구성에 따른 냉방용량 증가가 전체적인 냉방성능에 미치는 영향을 분석하기 위해, 기존 연구를 참조하여 TALS의 내부를 단열재로 충진한 경우, 내부를 중공층으로 처리한 경우, TALS 내부 공기유동 촉진을 위해 소형 DC 팬을 설치한 경우로 평가 Case를 분류하였다. 이후 분석에서 각 Case의 명칭은 각각 INS, AIR, FAN case로 정의하였다. INS case는 TALS 내부를 단열재로 충진하여, 하부표면 냉각 및 하부 방냉량 증가에 초점을 맞춘 case이며, AIR case는 TALS 내부 중공층 공기 유동을 통해 냉방용량의 증가 및 상부 표면의 냉각 효과도 의도한 것이다. FAN case는 TALS 내부 중공층이 협소하여 공기 유동이 원활하지 않을 수 있으므로, 강제대류를 통해 대류열전달 및 냉방용량을 증가시키고, TALS 내부의 냉각된 공기를 외부로 배출하여 추가적인 냉방 효과를 거두기 위해 설정한 Case이다. Table 1에 평가 Case의 조건을 요약하여 나타내었다.

본 연구에서는 TALS 적용 건물의 냉방 실증 데이터를 확보하기 위해, 에너지 관점과 열환경 관점에서 TALS의 냉방성능을 평가하였다. 에너지 관점에서는 냉방용량(제거열량), 운전시간, 냉수온도차(ΔT) 및 에너지 소비량을 평가지표로 설정하였고, 열환경 관점에서는 외주부와 내주부의 PMV를 평가지표로 설정하였다.

냉방용량은 EN 14240⁷⁾에 따라 TALS 냉수 입구온도와 출구온도 차이(ΔT) 및 유량으로 산출하였으며, 운전시간은 1, 2차 펌프의 가동시간으로 평가하였다. 에너지 소비량은 냉동기, 1, 2차 펌프, FCU 팬, DC 팬의 전력 소비량을 합산하여 분석하였고, 조명 에너지는 분석 범위에서 제외하였다. 열환경 평가에 필요한 온도(T-type 열전대), PMV 미터(Testo 480), 일사량 센서(Apogee SP-110-SS) 등 각종 센서류는 Fig. 4의 위치에 설치하였다. 성능평가 실험은 2022년 8월 ~ 9월에 걸쳐 수행되었으며, 오전 9시부터 오후 6시까지 시스템을 연속적으로 운전하면서 데이터를 취득하였다.

Fig. 4.

Sensor deployment for the evaluation of thermal environment

3. 성능평가 결과

3.1 외부 기상 조건

본 연구에서 활용한 Test-bed는 단일 챔버로 구성되어, 동일 기상 조건에서 Case 간 비교 실험이 제한적인 한계가 있었다. 이에 Table 1에서 분류한 각 Case에 대해 2 ~ 3회 반복 실험을 실시하고, 외부 기상조건이 유사한 날짜의 측정 데이터를 선별하여 Baseline과 각 TALS 대안의 냉방 성능을 비교하였다. Fig. 5는 각 Case별로 측정된 외기온, 실외/실내 수평면 일사량 데이터로, Fig. 5(a)와 (b)는 Baseline과 INS case의 비교 시 적용된 외부 조건이며, Fig. 5(c)와 (d)는 Baseline과 AIR case, Fig. 5(e)와 (f)는 Baseline과 FAN case의 비교 시 적용된 외부 기상 조건을 나타낸다.

Fig. 5.

Outdoor weather condition for TALS performance evaluation

Table 2는 각 Case의 외기온, 외부 일사량 평균 및 누적값을 나타낸 것으로, 각각의 비교군 간에 외부 조건의 차이는 어느 정도 있으나, Test-bed의 한계를 감안하면 TALS 적용에 따른 냉방 성능의 비교에는 무리가 없을 것으로 판단된다. 이러한 외부 조건의 차이를 해소하기 위해서는 Test-bed의 외벽을 외기에 직접 노출시키는 것보다는 인공기후 챔버를 통해 일사량 및 외기온을 재현할 필요가 있다고 사료된다.

3.2 냉방 에너지

본 연구의 모든 성능평가 실험은 실내 설정온도 26 (±0.5℃)를 기준으로 FCU 및 TALS에 공급되는 냉수를 on/off 제어하여 수행되었다. Fig. 6은 각 Case의 실내온도, FCU 및 TALS의 냉방용량 변화를 나타낸 것으로, FCU와 TALS의 냉수 공급 및 중단에 따라 실내온도가 25.5 ~ 26.5℃ 범위에서 안정적으로 유지되는 것을 볼 수 있다. TALS는 항상 FCU과 병행하여 가동되는 것으로 설정하였으므로, Fig. 6(b), (d), (f)에서 보듯이 FCU과 TALS에서 동시에 냉방용량이 발생한 것을 볼 수 있다. 그에 따라 TALS가 가동되는 경우 전체 냉방용량이 증가하여, 실온 유지를 위해 시스템이 가동되는 시간이 전반적으로 단축되는 경향을 나타내었다.

Fig. 6에서 보듯 대부분의 Case에서 운전 초기(9시 ~ 11시)에는 실온이 안정화되지 않는 경향이 나타나, 시스템 성능을 정량적으로 비교하기 위해 운전이 안정화된 11시 이후부터의 데이터를 발췌하여 분석하였다. Fig. 7은 FCU과 TALS의 냉방용량 평균값을 나타낸 것으로, TALS 운전에 의해 추가적인 냉방용량이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 외부 기상 조건이 동일하지 않아 절대적인 비교는 어렵겠으나, TALS는 FCU 냉방용량의 11% ~ 51%에 해당하는 냉방용량을 추가하는 것으로 측정되었다. 또한 TALS 냉방용량은 INS case, AIR case, FAN case 순으로 증가하여, TALS 내부를 단열재로 충진하는 것보다 중공층으로 처리하거나 팬으로 공기 유동을 촉진시킬 경우 더 많은 냉방용량을 확보하는 것으로 나타났는데, 이는 Mock-up 실험으로 수행되었던 기존 연구의 결과⁶⁾와도 일치하는 것이다.

이렇게 증가된 냉방용량으로 인해, Table 3과 같이 시스템 운전시간이 17.2 ~ 29.6% 감소하였으며, FCU의 환수가 다시 TALS로 공급되어 냉방부하 제거에 활용됨에 따라, 열원 ΔT가 약 0.4 K 정도 증가하는 효과가 나타났다. 즉 TALS 병용운전으로 인해 시스템 운전시간 단축, 열원 ΔT 증가로 인한 열원 효율 향상 및 냉방 에너지 절감 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.

Fig. 6.

Variation of cooling capacity and room air temperature

Fig. 7.

Cooling capacity of FCU and TALS

TALS에 의해 어느 정도의 냉방 에너지 절감이 가능한지 분석하기 위해, Fig. 8과 같이 냉동기, 1, 2차 펌프, FCU 팬, DC 팬에 투입된 전력량을 비교하였다. Table 4에 각 컴포넌트별 전력량 및 전체 시스템의 전력량, TALS 적용에 따른 에너지 소비량 절감율을 표기하였다. FCU+TALS 1 (INS case)의 경우 TALS 가동에 따라 2차 펌프의 에너지 소비량이 추가되었으나, 1차 펌프의 에너지 소비량이 큰 폭으로 줄어든 결과 2차 펌프 에너지 소비량의 증가를 상쇄함으로써 전체 에너지는 1.3% 감소되는 것으로 나타났다.

Fig. 8.

Energy consumption of TALS alternatives

반면 FCU+TALS 2 (AIR case)의 경우 FCU 단독 운전에 비해 오히려 에너지 소비량이 증가하는 것으로 나타났다. 이는 TALS 내부가 중공층으로 대체됨에 따라, 냉수가 TALS 하부 표면 뿐 아니라 중공층 공기도 냉각시켜 냉방용량을 증가시키는 효과는 있으나, 냉각된 중공층 공기가 TALS 외부로 원활하게 배출되지 못하여 실내 냉방에 유효하게 활용되지 못했기 때문으로 사료된다. 또한 내부에 단열재가 없으므로 TALS 상부 표면도 냉각되나, 냉각된 상부 표면은 인접한 창문 표면과의 복사 열전달로 인해 거주역 냉방에는 큰 효과가 없었던 것으로 판단된다.

FCU+TALS 3 (FAN case)의 경우, DC 팬이 형성하는 기류에 의해 TALS의 냉방용량이 증대됨과 함께, 냉각된 중공층 공기가 TALS 외부로 원활히 배출됨에 따라 TALS의 거주역 냉방 효과가 증가한 것으로 사료된다. TALS 및 DC 팬 가동을 위한 에너지 소비량은 증가하였으나, 1차 펌프와 FCU팬, 냉동기 에너지 소비량 감소분이 이를 상쇄하여 전체적으로 2.7%의 에너지 절감이 가능한 것으로 분석되었다. 앞에서 논의한 바와 같이 각 Case의 에너지 소비량은 동일한 외부 조건에서 측정된 것이 아니며, 1일 운전 데이터에 기반한 분석이므로 에너지 소비량의 절대적인 비교는 어렵겠으나, TALS 대안에 따른 냉방 에너지 소비량의 변화 경향은 충분히 추정 가능할 것으로 판단된다.

3.3 실내 열환경

Table 5는 TALS 가동에 따른 열환경 평가 결과로, 외주부와 내주부의 건구온도, 흑구온도 및 PMV 평균값을 나타낸 것이다. 일사의 영향을 많이 받는 외주부에서 건구온도, 흑구온도 및 PMV가 높게 나타나는 경향을 확인할 수 있다. TALS가 열환경에 미치는 영향을 보면, 건구온도의 경우 외주부와 내주부에서 모두 큰 영향이 없으나, 흑구온도의 경우 특히 외주부에서 온도 저감 효과가 유의미하게 나타난 것을 볼 수 있다. 이는 TALS 표면에 의한 복사 열전달이 TALS와 인접한 외주부에 더 많은 영향을 미쳤기 때문으로 판단된다. 단, FCU+TALS 3 (FAN case)의 경우 TALS 운전에 따른 흑구온도의 변화가 없는데, 이는 FAN case는 DC 팬에 의해 대류성분이 증대되어, 복사열교환의 효과가 상대적으로 작아졌기 때문으로 사료된다.

Fig. 9는 외주부와 내주부의 PMV의 변화를 비교한 것으로, TALS 운전에 의해 특히 외주부의 PMV가 낮아져 쾌적범위에 좀 더 가까워지는 것을 볼 수 있다. 그러나 앞서 언급한 바와 같이 모두 동일한 외부조 건에서 각 Case의 열환경이 평가된 것이 아니므로, TALS의 열환경 개선 정도를 엄밀하게 정량화할 수는 없으나, TALS에 의한 외주부 흑구온도 및 PMV의 저감 가능성을 확인한 것에서 본 평가의 의의를 찾을 수 있다.

평가 결과를 종합하면 TALS를 적용할 경우, 단순한 광선반을 적용했을 때와 비교하여 외주부에서의 열환경 개선 및 냉방 에너지 절감 효과를 얻을 수 있다. 단 TALS 내부를 단열재로 충진하여 하부 방냉량을 최대화하거나, TALS 내부에 중공층을 형성하되 소형 팬으로 강제대류를 촉진하여 냉각된 중공층 공기를 거주역 냉방에 활용할 경우 TALS에 의한 에너지 절감 및 열환경 개선 효과를 기대할 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 9.

PMV at perimeter and interior zones

4. 결 론

본 연구에서는 일반적인 광선반에 복사냉방패널을 결합한 TALS (Thermally activated light shelf)의 냉방 성능을 실증 실험으로 평가하였다. 본 연구를 통해 도출된 주요 결론은 다음과 같다.

(1) FCU의 보조 냉방설비로 TALS를 활용할 경우, TALS에 의해 FCU 냉방용량의 11% ~ 51%에 해당하는 냉방용량이 추가되는 것으로 나타났다.

(2) TALS에 의해 증가된 냉방용량으로 인해, FCU 단독운전 시와 비교하여 냉방 운전시간이 17.2 ~ 29.6% 감소하였으며, 열원 ΔT가 약 0.4 K 정도 증가하는 효과가 나타나, TALS 적용으로 인해 시스템 운전시간 단축, 열원 효율 향상 및 냉방 에너지 절감 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.

(3) TALS의 내부를 단열재로 충진한 대안(INS case), 중공층으로 처리한 대안(AIR case), 중공층에 팬을 설치한 대안(FAN case)로 구분하여 평가한 결과, INS case에서는 1.3%, FAN case에서는 2.7%의 냉방 에너지가 절감되었다. 단, AIR case에서는 6.9%의 에너지가 증가하는 것으로 나타났는데, 이는 냉각된 중공층 공기가 TALS 내부에 정체되어 거주역 냉방에 유효하게 활용되지 못했기 때문으로 판단된다.

(4) TALS 적용 시 외주부 흑구온도 및 PMV가 저감되는 것을 확인하였으며, 에너지 절감 효과 및 열환경 개선 효과 확보를 위해서는 TALS 내부를 단열재로 충진하여 하부 방냉량을 최대화하거나, TALS 내부의 공기 유동을 활성화하여 중공층 공기를 거주역 냉방에 활용하는 대안을 선택할 필요가 있다.