키네틱 파사드의 열 및 빛 에너지 성능평가 도구 개발

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 건축가가 키네틱 파사드에 대한 열 및 빛 에너지성능을 설계초기 단계에서 평가 및 검토할 수 있도록 하기 위하여, 키네틱 파사드의 설계정보와 대상지역의 기후정보를 이용한 키네틱 파사드의 열 및 빛 에너지 성능평가 도구를 개발하였다.
본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.

1)외부 가변차양이 설치된 외피를 통한 에너지 부하 계산식 도출을 위하여, 열 에너지 및 빛 에너지에 대한 이론적 계산방법을 고찰하였으며, 열 및 빛 에너지 계산방법에서 외부 가변차양의 동적형태 및 재료물성과 관련한 6가지 주요 변수(비차폐면적비, 외부태양투과계수, 노출계수, 방해지수, 차양의 빛 투과율, 타공율)를 도출하였다. 그리고 도출된 주요 변수가 반영된 통합 열 및 빛 에너지 계산식을 각각 도출하였다.

2)키네틱 파사드의 설계정보를 수치적 계산 인자로 변환하기 위하여, 키네틱 파사드의 입면 구성을 설정하였다. 차양의 형태 및 작동방식에 따라 키네틱 파사드를 26가지 유형으로 분류하였다. 그리고 6가지 주요 변수들에 대한 계산방법을 키네틱 파사드의 유형에 따라 각각 설정하여, 키네틱 파사드 유형별 에너지 성능변수 계산방법을 도출하였다.

3)키네틱 파사드의 통합 열 및 빛 에너지 성능평가 도구 마련을 위하여 5가지 과정을 진행하였으며, 주요 내용은 다음과 같다.
①1차에너지 환산을 통한 열 및 빛 에너지의 자원 동일화
②Passive zone 설정을 통한 열 및 빛 에너지의 단위면적 동일화
③차양의 최적 구동시나리오 예측을 통한 연간 에너지 계산방법 도출
④비교모델 설정을 통한 키네틱 파사드 에너지 성능평가 방법 도출
⑤키네틱 파사드 통합 성능평가 프로세스 도출 및 평가도구 마련

4)키네틱 파사드 열 및 빛 에너지 성능평가를 활용하여 Seoul 및 Dubai에서의 키네틱 파사드(folding type 및 rotating type)와 커튼월(curtain wall)에 대한 성능평가 시뮬레이션을 수행하였다. 에너지 성능평가를 통하여, 키네틱 파사드의 두가지 유형에 따른 에너지성능을 비교분석하였으며, 키네틱 파사드와 커튼월의 지역에 따른 에너지성능을 비교분석하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study presents the evaluation method for thermal and lighting energy performance of Kinetic facade using architectural drawing data and local weather data. The purpose of this study is to develop the evaluation tool that can be used in the early design stage, assisting users with reviewing the energy performance of the facade design.
The main results of the research are as follows.

1)The basic formulas were used that calculate thermal and lighting energy of building facade with exterior shading devices. 6 major elements(unshaded fraction, exterior solar attenuation coefficient, exposure coefficient, obstruction index, light transmittance, and perforated ratio) affecting thermal and lighting energy were derived considering its movements and material properties. Applying 6 major elements, thermal and lighting energy calculation methods for exterior movable shading devices were derived.

2)The elevation compositions of Kinetic facade were set in order to apply the architectural drawing data to the calculation method. 26 types of Kinetic facade were derived and categorized by shading shapes and movements. Then, calculation methods of 6 major elements were set for each type of Kinetic facades.
3)The evaluation tool for thermal and lighting energy performance of Kinetic facade was derived. The main processes are as below.
①The different thermal and lighting energy sources were converted to the equivalent amount of primary energy.
②Passive zone were set to facilitate the comparison between solar heat gain and lighting energy requirement generated by different standard areas.
③A method of estimating hourly optimal shading position was derived. Then, the yearly shading movements(optimized positions) scenario was applied to the total energy calculation process.
④The energy performance evaluation method was derived by setting comparison facade model.
⑤The evaluation tool for energy performance of Kinetic facade was derived.

4)Simulations were performed by using developed evaluation tool. Three types of building facades(folding type, rotating type, and curtain wall) and two target cities(Seoul, Dubai) were set. The energy performance were evaluated for each model. The energy performances were compared and analysed according to the types of Kinetic facades, and Kinetic facades were also compared with curtain wall in different climates.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구의 배경 및 목적 1
• 1.2 연구의 범위 및 방법 3
• 제 2 장 키네틱 파사드 에너지성능에 관한 예비적 고찰 5
• 2.1 키네틱 파사드 정의 5
• 2.2 차양의 에너지 성능평가에 관한 기존연구 고찰 7
• 제 3 장 외부 가변차양이 설치된 외피를 통한 부하 계산방법 10
• 3.1 외피를 통한 열 에너지 계산방법 10
• 3.1.1 열 에너지 계산방법 고찰 11
• 3.1.2 통합 열 에너지 계산식 17
• 3.2 외피를 통한 빛 에너지 계산방법 23
• 3.2.1 실내 작업면조도 계산방법 24
• 3.2.2 통합 빛 에너지 계산식 28
• 3.3 열 및 빛 에너지 주요 변수 도출 33
• 3.4 소결 35
• 제 4 장 열 및 빛 에너지 주요 변수 계산방법 설정 36
• 4.1 키네틱 파사드 입면구성 설정 36
• 4.1.1 키네틱 파사드 입면구성 및 위치정보 기준 설정 36
• 4.1.2 유효 유리면적 설정 38
• 4.2 차양의 형태 및 작동방식에 따른 유형 분류 40
• 4.2.1 차양의 형태에 따른 분류 40
• 4.2.2 차양의 작동방식에 따른 분류 41
• 4.2.3 키네틱 파사드 유형 분류 42
• 4.3 열 및 빛 에너지 주요 변수 설정 44
• 4.3.1 유형별 주요 변수 계산방법 44
• 4.3.2 유형별 주요 변수 계산방법 설정 70
• 4.4 소결 72
• 제 5 장 통합 에너지 성능평가 도구 개발 73
• 5.1 키네틱 파사드의 통합 에너지 성능평가 73
• 5.2 키네틱 파사드 통합 에너지 계산 75
• 5.2.1 냉난방 및 조명에너지 사용량의 통합 계산방법 75
• 5.2.2 키네틱 파사드의 연간 최적 구동 시나리오 예측 78
• 5.2.3 키네틱 파사드 통합 에너지 계산식 도출 82
• 5.3 키네틱 파사드 통합 에너지 성능평가 도구 도출 89
• 5.3.1 에너지 성능평가를 위한 비교모델 설정 89
• 5.3.2 키네틱 파사드 에너지 성능평가 도구 도출 91
• 5.4 소결 94
• 제 6 장 평가도구 적용을 통한 에너지 성능평가 95
• 6.1 평가대상 지역 선정 및 기후 데이터 마련 95
• 6.2 평가모델 유형 선정 및 경계변수 설정 97
• 6.3 에너지 성능평가 및 결과 분석 102
• 6.3.1 평가도구 프로그램 입력 102
• 6.3.2 열 및 빛 에너지 성능평가 결과 분석 106
• 6.4 소결 113
• 제 7 장 결 론 114
• 참고문헌 116
• 부록 120