| 초록 |
□ 연구개발 목표 및 내용 ◼ 최종 목표 자연채광 성능 향상, 외피부하 저감을 통해 조명 및 공조에너지 절감이 가능한 복사냉난방 통합형 광선반 (TALS: Thermally Activated Light Shelf) 시스템 개발 및 성능 검증 ◼ 전체 내용 ○ 복사냉난방 통합형 광선반 (TALS) 시스템 대안 - 복사면의 위치 및 단면 구성, 패널의 각도 제어 여부, 타 설비 시스템과의 연계 여부에 따라 단계별로 대안 개발 - 1단계: 광선반 기능만 부여 - 2단계: 광선반 기능과 복사냉난방 기능 복합 (패널 단면 다각화) - 3단계: 패널의 각도 제어를 통한 자연채광 및 열환경 세부 조절 기능 추가 - 4단계: 천장복사패널, FCU 등 타 설비와 연계된 TALS 시스템 ○ 복사냉난방 통합형 광선반 (TALS) 시스템 성능 평가 방법 - 실험 및 시뮬레이션에 의한 열환경/빛환경 평가 방법 - 냉난방용량 및 에너지 성능 평가 방법 - 조광제어시스템 기반 조명에너지 절감량 산정 및 성능평가 - PV 결합형 시스템 신재생에너지 발전량 예측 ○ 복사냉난방 통합형 광선반 (TALS) 시스템 제어 방법 - 부하변동 상황에서 TALS 시스템 성능 최적화를 위한 제어기술 - 계절별·시각별 태양고도 변화를 고려한 TALS 각도 제어 방법 - 필요 냉난방용량 확보를 위한 공급냉온수 온도 제어 방법 - 병렬 시스템(천장복사패널, FCU, 차양장치 등)과의 연계 방법 - PV 결합형 시스템과의 연계 방법 및 설계방안 ◼ 1년차 ❏ 목표 복사냉난방 통합형 광선반 시스템 기본 설계 및 시작품 제작 ❏ 내용 ○ 복사냉난방통합형 광선반 (TALS) 개발 - TALS 시스템 패널단면 설계 ▪ 상하부 표면의 역할에 따라 단면복사형(하부표면을 열교환면으로 이용), 양면복사형(상하부 표면을 모두 열교환면으로 이용)으로 구분하여 설계 ▪ 열전달효율을 높이기 위한 열전도레이어, 충진재, 모세유관 적용 대안 도출 - TALS 시스템 냉난방용량 평가 ▪ 냉난방용량 평가를 위한 Mock-up 실험체 및 측정시스템 구성 ▪ 천장부착형이 아닌 노출된 형태의 복사냉난방패널 냉난방용량 평가 방법 마련 ▪ EN14240 기준을 준용한 TALS 시스템 냉난방용량 측정 평가 - TALS 시스템 적용건물의 열환경 및 공조에너지 성능평가 방법 정립 ▪ 외주부 복사온도 및 기류특성을 반영한 열환경 평가 CFD 모델 작성 ▪ 열환경 평가지표 및 기준 선정: 건구온도, 복사온도, 기류속도, PMV/PPD, 드래프트 위험도(Draught rate), 불균등복사 (Radiant asymmetry) 등 ▪ 냉난방에너지 성능평가 범위 및 조건 설정 - TALS 시스템과 기존 설비 통합 방안 도출 ▪ TALS 시스템과 연계 가능한 냉난방 시스템 대안 검토 ▪ 기존 냉난방 시스템과의 연계를 위한 열원 및 수배관 계통 계획 ▪ 광선반에 의해 천장에 유입되는 일사열을 천장복사냉방패널로 흡수함으로써 냉방부하의 증가를 사전에 차단하는 방안 고려 ○ 복사냉난방통합형 광선반 이용 조광제어시스템 개발 - 광선반 기본 형상 설계 ▪ 기본 패널형: 반사면 성능 확보에 초점을 맞춘 기본적인 대안 ▪ 슬랫형: 개별 슬랫의 제어성능 향상 및 기류유동의 용이성을 고려한 대안 ▪ PV 결합형: 상부표면에 PV를 부착하여 발전 기능을 추가한 대안 - TALS 시스템과 외피와의 통합 방안 도출 ▪ 외피 프레임과 접합 방법, 냉온수배관 수납방법 검토 ▪ 내부 블라인드가 있는 경우 TALS 설치 방법 검토 ▪ TALS + PV(결정질/비결정질 등) 설계 및 시작품 제작 ▪ TALS + PV 시스템 구축 및 전력계통 연계방안 검토 - TALS 시스템 빛/시환경 및 조명에너지 성능평가 방법 정립 ▪ 빛/시환경 평가지표 및 기준 선정: 실내조도, 실내 균제도, 창면휘도 등 ▪ 광선반 대응형 광센서 조광제어시스템 개발 및 성능평가 방법 정립 ▪ 빛/시환경 광선반 대응형 광센서 조광제어시스템 개발 및 성능평가 방법 정립 ◼ 2년차 ❏ 목표 복사냉난방 통합형 광선반 성능실증 및 시작품 보완 ❏ 내용 ○ 복사냉난방통합형 광선반 (TALS) 개발 - TALS 시스템 적용 시 내/외주부 온열환경 평가 ▪ 실사용건물(개별 사무실공간)에 TALS 시스템 프로토타입 설치 후 성능 실증 ▪ CFD 시뮬레이션을 병행하여 TALS 시스템의 상세한 작동 메커니즘 분석 ▪ TALS 각도 제어 적용시 내/외주부 온열환경 평가 - TALS 시스템 적용 시 냉난방에너지 평가 ▪ TALS 시스템용 냉/온열원 소비전력, 반송동력 측정 ▪ 기존 냉난방 시스템 (히트펌프)의 냉난방 에너지 절감량 평가 - 공조관점에서 TALS 시스템 제어 방안 도출 ▪ 필요 냉난방용량을 확보하기 위한 냉온수온도 또는 유량 제어 방안 ▪ 하절기 TALS 표면결로 방지를 위한 냉수온도 제어 방안 ▪ 외주부 쾌적 기준 충족을 위한 TALS의 적정 표면온도 유지방안 ○ 복사냉난방통합형 광선반 이용 조광제어시스템 개발 - TALS 시스템 적용 시 내/외주부 빛/시환경 평가 ▪ Test-bed 대상 TALS 시스템 프로토타입 설치 및 성능 실증 ▪ Radiance 시뮬레이션을 병행한 TALS 시스템 실내 채광성능 분석 ▪ 태양고도 및 외기온 변화를 고려한 TALS 각도 제어 적용시 내/외주부 빛/시환경 평가 - TALS 시스템 적용시 조명에너지 절감량 평가 ▪ 전천공일사량 직산분리에 의한 실내유일 일사량 및 일조량 예측식 정확도 검증 ▪ 광센서 조광제어시스템 결합형 TALS 시스템 자동제어 알고리즘 정확도 검증 ▪ 자연채광 기반 조광제어시스템 조명에너지 절감량 Test-bed 실증 ▪ TALS 시스템 주광제어 가이드라인 개발 - 인공조명+신재생에너지 결합형 TALS 시스템 에너지관리 방안 ▪ PV 연계형 TALS 시스템 발전효율 실증 ▪ PV 연계형 TALS 시스템 에너지관리 분산제어 시나리오 개발·실증 □ 연구개발성과 1. 정량적 성과 ○ 특허출원 2건 ○ 학술논문 7건 (SCI 논문 3건 (2편 심사중)), 비SCI 논문 4건 (1편 심사중)) ○ 학술발표 7건 추가 달성 2. 정성적 성과 ○ 프로토타입 4건 제작 - 기본형: 내부 단열재 충진형 TALS 2건 (Mock-up 실험용, Test-bed 설치용) - 용량증대형: 팬 부착형 TALS 1건 - 분절형: 태양광패널과 결합된 분절형 TALS 1건 ○ 반사율 95% 이상 확보 - 파장 영역 380~780 nm에서 상부표면 반사율 97.12% 확보 ○ 냉난방용량 110 W/㎡ 이상 확보 - Mock-up 실험으로 냉방용량 107.1 W/㎡ 확보 가능 검증 - Test-bed 실험으로 냉방용량 114.4 W/㎡, 난방용량 195.0 W/㎡ 확보 가능 검증 ○ 성능평가 Test-bed 구축 - Test-bed 구축 2개소 (부경대학교/조선대학교) - 냉방용량 상세 평가를 위한 Mock-up 실험 장치 추가 구축 ○ 시뮬레이션 모델 구축 - TALS 패널 전열해석 시뮬레이션 모델 (Physibel Voltra) 구축 - TALS 적용공간 열환경 해석 CFD 시뮬레이션 모델 (STAR-CCM+) 구축 - TALS 시스템 에너지 해석 시뮬레이션 모델 (TRNSYS) 구축 ○ 빛환경/조명 에너지 관점 성능데이터 확보 - 균제도 0.44, 창면휘도 1,772 cd/㎡ - TALS와 조광제어시스템 적용으로 조명에너지 20.9% 절감 ○ 열환경/공조 에너지 관점 성능데이터 확보 - 열쾌적성 PPD %, DR 4.2% 달성 - 냉난방에너지 11.2% 절감 ○ 빛환경 제어 기술 - 광선반 설치 공간 조광제어 관련 문건조사, Test-bed 구축 및 성능평가 실험에 활용 ○ 열환경 제어 기술 - TALS 수배관 구성 및 온도제어 관련 문건조사, Test-bed 구축 및 성능평가 실험에 활용 □ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과 1. 연구개발성과의 활용방안 ○ 광선반+복사냉난방 융복합 기술 제안 - 복합 시스템의 설계 및 제어 방안 관련 특허 출원 - 공조 설비시스템과 연계된 자연채광 시스템 고도화 기반 마련 ○ 제로에너지 빌딩의 패시브-액티브 솔루션 패키지 제안 - TALS의 유형과 통합 설비시스템 |
