열적쾌적도 균일성 개선을 위한 발열유리 창호 기반 MRT 제어 시스템 개발 = Development of an mean radiant temperature control system using heated glass windows for thermal comfort uniformity

국문 초록 (Abstract)

열적쾌적도 균일성 개선을 위한 발열유리 창호 기반 MRT 제어 시스템 개발 논문제출자 강 은 호 지 도 교 수 윤 종 호 동절기 실내 열환경에서 창측 공간은 외기와의 높은 열교환으로 인해 복사 불균형, 결로, 콜드 드래프트, 열손실 등 다양한 열적 문제가 동시에 발생한다. 이러한 현상은 평균복사온도(Mean Radiant Temperature, MRT)의 저하로 이어지며, 국부적인 열적 불쾌감을 유발하는 주요 원인으로 작용한다. 그러나 기존의 메인 난방 시스템은 공 간 전체의 공기온도를 중심으로 제어되기 때문에, 단열 성능이 취약한 창측 영역에 서 나타나는 복사 환경의 불균일성을 근본적으로 개선하는 데 한계를 가진다. 본 연구는 이러한 문제를 해결하고 재실자의 열적 쾌적도를 효과적으로 향상시키 기 위해, 창호 자체를 능동적인 복사열원으로 활용하는 발열유리 창호 기반 MRT 제 어 시스템을 개발하는 것을 목표로 하였다. 이를 위해 외기 및 실내 조건의 변화를 예측적으로 반영할 수 있는 모델 예측 제어(Model Predictive Control, MPC) 알고리 즘을 설계하고, 평균복사온도 추정 결과를 기반으로 발열유리 창호의 설정점을 도출 하는 제어 알고리즘을 수립하였다. 먼저 MATLAB/Simulink 환경에서 구축된 실물 테스트베드 기반 열적 네트워크 모델을 활용하여 제어기의 기본 성능을 평가하였으 며, 이후 실제 테스트베드 건물을 대상으로 한 MRT 제어 실증 실험을 통해 제안된 제어 전략의 적용 가능성과 실효성을 검증하였다. 시뮬레이션 및 테스트베드 기반 실증 결과, 제안된 MPC 기반 MRT 제어기는 창 측 평균복사온도를 목표값인 25 °C로 안정적으로 유지하였다. 또한 실내 중앙부와 창측 간 MRT 편차를 평균 0.3 °C 이하로 제어함으로써 공간 내 열적 균일성을 효 과적으로 향상시켰다. PMV 분석 결과에서도 위치 간 열적 쾌적도 편차가 기존 난방 방식 대비 약 60% 감소하는 것으로 나타났다. 에너지 측면에서는 발열유리 창호의 적용으로 바닥복사난방 부하가 약 22.6% 감소하였으며, 발열유리 자체의 전력 소비 로 인해 전체 난방 에너지 사용량은 소폭(5–10%) 증가하였다. 그러나 이는 기존 난 방 제어 방식으로는 달성하기 어려운 수준의 복사환경 품질과 열적 쾌적도를 실증적 으로 확보하였다는 점에서 의미 있는 결과로 평가된다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• 1.1 연구배경 및 목적 1
• Ⅱ. 이론고찰 8
• 2.1 발열유리 창호 시스템 8
• 2.1.1 발열유리 창호의 글레이징 구성 10
• 2.1.2 Conductive Coating / Low-E 기반 투명 발열체 11
• 2.2 실내 열적 쾌적도(Indoor Thermal Comfort) 13
• 2.2.1 평균복사온도(Mean Radiant Temperature) 14
• 2.3 RC 네트워크 모델(RC Thermal Network Model) 19
• 2.3.1 RC 모델의 수학적 표현 21
• 2.3.2 RC 모델의 파라미터 추정 24
• 2.3.3 RC 모델 응용 사례 27
• 2.4 모델 예측 제어(Model Predictive Control) 29
• 2.4.1 MPC의 기본 수학적 구조 31
• Ⅲ. 발열유리 창호를 이용한 평균복사온도 제어 34
• 3.1 제어 전략 수립 34
• 3.2 발열유리 창호의 설정온도 결정 알고리즘 36
• 3.3 발열유리 창호 MPC 제어를 위한 상태 예측모델 개발 38
• 3.4 모델 매개변수 추정 및 유효성 검증 43
• 3.5 발열유리 창호 제어기에 대한 목적함수 46
• Ⅳ. 발열유리 창호 MRT 제어 시뮬레이션 48
• 4.1 건물에 대한 시뮬레이션 모델 48
• 4.2 시뮬레이션 입력 및 경계조건 54
• 4.3 발열유리 창호 운영에 따른 실내 열 쾌적성 성능 평가 58
• 4.4 발열유리 창호 적용에 따른 에너지 소비패턴 분석 68
• 4.5 제어방식에 따른 발열유리 제어 성능 비교 72
• Ⅴ. 테스트베드 기반 MRT 제어 실증 75
• 5.1 제어 시스템 구축 및 실행 75
• 5.2 MRT 추정 모델의 유효성 검토 78
• 5.3 MRT 제어 실험 결과 80
• Ⅵ. 결론 84
• 참 고 문 헌 87
• ABSTRACT 99