건물 설계변수에 따른 단위열부하 산정에 관한 연구

이준호,김현우,윤성환 대한건축학회지회연합회 2013 대한건축학회연합논문집 Vol.15 No.4

본 연구에서는 단위 열부하에 대한 데이터베이스의 구축에 대한 정량적인 분석이 수행되었다. 문서 및 국내 건물의 현황에 대한 조사를 통하여 연구가 진행된다. 건물의 용도별 단위열부하 산출을 위하여 시뮬레이션에 의해 설계변수에 따른 열부하를 분석하였다. 단열이 강화될수록 용도별 연간 단위난방부하는 감소하고, 연간 단위냉방부하는 증가를 보였다. 창면적비가 증가함에 따라 창을 통한 열손실과 외기의 유입량이 증가한 것으로 판단된다. 실내발열조건이 증가함에 따라 연간단위난방부하는 감소하였고 연간단위냉방부하는 증가하는 경향이 나타났다.

공동주택의 세대위치별 열부하 특성 분석

윤성환(Yoon Seong-Hwan),장희경(Jang Hee-Kyung),김영탁(Kim Young-Tag) 대한건축학회 2009 대한건축학회논문집 Vol.25 No.10

This study is focused on analysis of the characteristics of thermal load using dynamic heat load simulation according to building exterior thermal performance and direction classified by each household in apartment house. The conclusion of the study is as follows. 1) The characteristics of thermal load classified by each household in a view of the story showed that the mean heating and cooling load at the top floor was the highest(371MJ/㎡yr), the second highest at the ground floor(339MJ/㎡yr) and the lowest at the center floor(281MJ/㎡yr). The heating load of each household in the same story was increased by 10%(side wall of center floor)∼52%(side wall of ground floor) than the center household of center floor which has the lowest in heating load. In the case of cooling load small change occurred except the ground floor. 2) As a result of investigating the characteristics of thermal load according to the change of direction, apartment block which has 25th floor and one hundred of household showed that the south(232MJ/㎡yr) was the most advantageous direction for heating load and the northeast(290MJ/㎡yr) was the most disadvantageous. In the case of cooling load, the south and north(51MJ/㎡yr) was the most advantageous direction and the east(63MJ/㎡yr) was the most disadvantageous. 3) As improving building exterior thermal performance by 10% against the legal standards of building, the mean heating load of one hundred household showed a increased by 22∼23MJ/㎡yr as the mean thermal disadvantage factor was increased by 0.1W/㎡K. Mean heating load and the mean thermal disadvantage factor showed liner correlations. As improving building exterior thermal performance, the mean cooling load of one hundred household showed a constant pattern.

공기열원 히트펌프 융복합시스템의 최적제어를 위한 해석적 연구: 부하율 및 펌프유량에 따른 시스템 성능검토

채수원,배상무,남유진 대한설비공학회 2022 설비공학 논문집 Vol.34 No.11

융복합시스템은 구성요소가 다양하여 건물의 냉난방 부하를 정확하게 예측하고 효율적인 운전수법을 마련하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 축열-히트펌프 시스템의 기간 및 온도에 따른 운전계획을 수립하고 정유량 시스템의 성능을 평가 후 공통 주요 변수인 실내외 열교환기의 순환수 유량 변화에 따른 성능 분석을 수행하여 다음의 결론을 얻었다. (1) 정유량 융복합시스템에서, 히트펌프를 직접 이용한 난방운전의 히트펌프 COP는 외기온도보다 난방부하에 의존하였으나 냉방운전의 경우 냉방부하가 증가함에도 불구하고 외기온도가 높아짐에 따라 히트펌프 COP가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 한편, 축열조를 이용한 냉난방 운전의 경우 히트펌프 COP는 외기온도보다 축열부하에 의존하였다. 축열조를 이용한 난방운전은 외기온도가 높아짐에도 축열부하가 감소할 경우 히트펌프 COP가 감소하였으며 냉방운전의 경우 외기온도가 낮아짐에도 축열부하가 감소하여 히트펌프 COP가 크게 감소함을 확인하였다. 냉난방 및 축열 부하감소로 인해 히트펌프 COP가 감소할 경우, 순환수 유량을 낮춘다면 히트펌프의 입출수 차온을 증가시켜 히트펌프 COP를 개선할 수 있을 것으로 사료된다. (2) 정유량 융복합시스템의 성능해석 결과, 열교환에 불리한 조건의 기후일수록 축열조를 이용한 냉난방 시스템은 히트펌프를 직접 이용한 냉난방 운전과 비교하여 히트펌프 성능 면에서 상대적 우위를 가질 수 있었다. 하지만 냉난방 부하가 크게 요구되지 않는 환경에서는 히트펌프를 직접 이용한 냉난방 성능이 상대적 우위에 있음을 확인하였다. 이것은 건물의 용도 및 에너지 사용량, 공기열원의 상태에 따라 효율적인 운전수법을 마련한다면 융복합시스템의 용량 최적화 구현이 가능하다는 것을 시사한다. (3) 실내외 열교환기의 순환수 유량을 히트펌프 정격유량 이상으로 증가시킬 경우 히트펌프 유닛의 채열량이 감소하고 압축기의 소비동력이 증가하여 히트펌프 COP가 미소하게 감소함을 확인하였다. 순환수 유량을 FRR 1.00에서 FRR 0.65로 감소시킬 경우 축열조 이용 난방운전의 시스템 COP는 3%, 냉방운전의 경우 4% 증가하였다. 또한 히트펌프를 직접 이용한 난방운전의 시스템 COP는 5%, 냉방운전의 경우 7% 증가하였다. 그러나 순환수 유량 감소로 인해 히트펌프 입출수 차온이 지나치게 증가할 경우 압축기 입출구의 압력이 증가하여 히트펌프 성능이 일시적으로 저하됨을 확인하였다. 본 연구에서는 태양광열, 공기열원 히트펌프 융복합시스템의 운전수법과 순환수 유량별 성능해석을 실시하였다. 결론적으로 실내외 열교환기의 입출수 차온과 공기열원의 상태에 따른 시스템 성능을 고려하여 축열조 이용률을 결정한다면 압축기의 소비동력을 감소시킴과 동시에 쾌적한 실내 열환경을 제공할 수 있을 것이다. 또한, 다양한 조건에서의 축열조 부하와 실내 부하의 변동에 따른 시스템 COP 값을 학습데이터로 마련한 후 인공신경망 모델을 통해 높은 시스템 COP에 대응하는 순환수의 유량을 예측하여 융복합시스템의 순환수 유량을 제어한다면 추가적인 에너지절감의 가능성을 높일 수 있을 것으로 기대된다. Since an integrated system has various components, it is difficult to accurately predict heating and cooling loads of a building and apply an efficient operation method. In this paper, the operation method of a constant flow rate system for efficient system operation of an integrated system based on photovoltaic-thermal and air source heat pump was established and system performance according to flow rate was evaluated. In the case of heating and cooling operation using a heat storage tank in an integrated system, the heat pump COP depended on heat storage load rather than outside temperature. The heat pump COP of the heating operation using a heat pump was dependent on the heating load rather than the outside temperature. In the case of a cooling operation using a heat pump, the heat pump COP decreased as the outside temperature increased despite an increased cooling load. If the pump's flow rate is increased to more than the rated flow rate of the heat pump, the heat exchange rate of the heat pump decreases while the power consumption of the compressor increases, thereby slightly reducing the COP of the heat pump. As a result of performance analysis according to operation method and pump’s flow rate, it is possible to reduce power consumption of a heat pump and provide a comfortable indoor environment.

공동주택의 열부하 및 탄소배출량 저감을 위한 태양열시스템의 최적 적용 방안 연구

윤종호(Yoon Jong-Ho),심세라(Sim Se-Ra),신우철(Shin U-Cheul),백남춘,곽희열(Kwak Hee-Yu) 한국태양에너지학회 2011 한국태양에너지학회 논문집 Vol.31 No.2

Architectural market in the world is trying to develop Zero Carbon Buildng that doesn't use fossil fuel. Residential building that thermal load such as heating and domestic hot water is over 70% in energy consumption is easy to make Zero Carbon Building compared with office building that is mainly electric load. So, As a preliminary for analyzing the effect of Solar thermal system in the building, an annual energy consumption of residential building and total heat loads are calculated. Based on this result, three alternatives of solar thermal system for hot water and heating are applied in the building while installation area is increasing. Solar thermal system is applied on balcony and roof of apartment building as the way to reduce thermal load. In the first case that solar thermal system for hot water is applied on the balcony, optimum installation area is 56㎡. And you could install 40㎡ of this system in the roof that angle is 30°. In the second case of solar thermal system for heating and hot water, you can install 40㎡ on the roof. As a result of economic evaluation, the most economical application method is to install 40㎡ of solar thermal system for only hot water on the roof of the building. At that time, you can payback the initial investing cost within 10 years. And carbon emission of this method can be reduced until about 4 ton per year.

항공기 시스템 열관리 모델링 및 엔진 연료윤활계통 열 부하 특성 분석

김영진(Youngjin Kim),손창민(Changmin Son) 한국추진공학회 2015 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2015 No.11

본 연구에서는 대형 상업용 항공기에 적용 가능한 시스템 레벨 열관리 아키텍쳐를 구성하고, Fuel Thermal Management System 중에서 연료시스템에 대한 모델링을 수행하였다. 상용프로그램인 AMESim을 이용하여 모델링을 수행하였으며, 높은 바이패스 비를 가지는 two-spool, 터보팬 엔진을 대상으로 임무 프로파일에 따른 엔진 연료와 윤활계통과의 열 부하 특성을 확인하였다. 연료시스템의 각 구성품별 시간 변화에 대한 연료의 온도변화 및 연료펌프에서 low Pressure pump와 high pressure pump 사이의 열전달 특성에 따른 low pressure pump 출구의 연료 온도변화 특성을 확인하였다. 연료의 열부하량은 엔진으로 유입되는 연료량에 크게 좌우되며, 연료량이 증가하는 Take Off 및 Climb 구간보다는 연료량이 급격히 감소하는 Descent, Flight Idle, Ground Idle 구간에서 증가하는 것으로 나타났다. 또한, low pressure pump와 high pressure pump 사이의 열전달이 반영되었을 경우 Cruise, Descent 구간에서 low pressure pump의 후단에서의 연료 온도는 각각 11.7%, 30.9% 증가하는 것으로 나타났다. In the present study, an architecture of system level thermal management of a commercial aircraft is built for modeling and simulation of fuel system, which is a key part of Fuel Thermal Management System. The study shows thermal interactions between fuel and engine lubrication oil through the mission profile for a high bypass ratio, two-spool turbofan. For the system modeling, a commercial tool, AMESim is used. Fuel temperature is monitored as it flow through each sub-components of fuel system during the mission. As the low and high pressure pumps are installed in the same housing, it is important to investigate the effect of thermal interaction between low pressure pump and high pressure pump. Heat load in fuel system strongly depends on fuel flow rate and is significantly increased for the periods of take off and climb with increase of fuel flow rate rather than for the periods of descent, flight idle and ground idle. Due to the thermal interaction in pump housing, fuel temperature at the outlet of low pressure pump was increased 11.7%, and 30.9% than the case without thermal interaction for cruise and descent, respectively.

터빈 동익 팁 입구 모따기가 팁 표면 열부하에 미치는 영향

최선규,이홍식,이상우 대한기계학회 2022 大韓機械學會論文集B Vol.46 No.9

The effect of tip inlet chamfering on flow and heat transfer over the tip surface of a flat tip has been investigated in a large-scale turbine cascade. The results show that with the increment of h/s, average thermal load on the chamfered tip surface increases consistently. The average thermal load for the chamfered flat tip is lower than that for the normal flat tip when h/s=0.5%, the difference between them becomes smaller with increasing h/s, and the former is higher than the latter when h/s=2.0%. Under the engine condition of h/s=1.0%, average thermal load is reduced by 9.4% for the chamfered flat tip and by 48.7% for the rounded flat tip, in comparison with the normal flat tip one, and thus, chamfered tip, which is preferred to the rounded tip in machining, has more severe tip thermal load than the rounded tip. 본 연구에서는 터빈 동익 익렬에서 그 팁 입구의 모따기가 팁 표면의 유동 및 열전달에 미치는 영향에 대한 연구를 수행하였다. 그 결과 모따기 평면 팁의 경우 h/s(팁 간극비)가 증가할수록 평균 열부하는 지속적으로 증가하였다. h/s=0.5%일 때 모따기 평면 팁의 평균 열부하는 직각 평면 팁 대비 더 낮았으나, h/s가 증가할수록 그 차가 감소하였고, h/s=2.0%에 이르러 그 경향이 역전되었다. 전체 h/s에 걸쳐 모따기 평면 팁의 평균 열부하가 라운딩 평면 팁보다 더 낮았다. 특히 실제 엔진의 작동조건에 해당하는 h/s=1.0%에서, 평면 팁 대비 모따기 평면 팁의 열부하 저감은 9.4%이었으며, 이 열부하의 저감량은 라운딩 평면 팁의 48.7%보다는 훨씬 작았다. 따라서 평면 팁의 열부하를 효과적으로 저감하기 위해서는 가공이 비교적 용이한 모따기 평면 팁보다는 정교한 라운딩 평면 팁이 더 유리하였다.

열환경 개선을 위한 전통민가의 보존적 개수방안 연구 : 외암마을 건재고택 안채를 대상으로

김명신,김준태,박효순 대한건축학회 2004 대한건축학회논문집 Vol.20 No.7

Traditional houses as cultural assets are required to preserve their original forms, which could conflict with residents' demand for higher living standards. These houses were built with sustainable structure and material that can contribute to natural environmental control of building. Nevertheless, their thermal environment seem to be inferior in modern living standards and improvements are certainly necessary. The aim of the study is to evaluate the effects of the building improvements on the energy performances of a traditional house. In this study, the simulation program of Visual DOE 3.1 was used to predict annual heating and cooling energy loads of the house, and sensitivity studies were performed. The subject building in this study was a main building of Genjaegotaek, located at Oeam-maeul, Asan, Chung-Nam. The simulation results for that building indicated that the main determinants of the building energy loads were walls and openings(windows and doors): They represented about 50% and 41% of the annual heating loads, and 49% and 24% to the annual cooling loads, respectively. The improvements of wall and openings turned to be more effective in the house. Of the three measures of energy improvements, wall insulation is the most relatively important, followed by openings, and then ceiling insulation. The energy simulation was further performed with all three improvement measures, and the results indicated that the building heating and cooling loads decreased about 66% and 13%, respectively, and the total annual energy loads decreased by about 46%. This study addressed the issue of thermal improvements of traditional house through building energy simulations. Due to some unknown properties of building elements there are some limitations in modeling the traditional house, and more detailed information from surveys and experiments is needed for more reliable thermal modeling.

동적열부하계산을 통한 공동주택 창호 단열사양에 따른 냉난방부하 절감효과 분석

윤성환(Yoon Seong-hwan),송수빈(Song Su-bin),김영탁(Kim Young-tag),염성곤(Yum Seong-kon) 한국건축친환경설비학회 2008 한국건축친환경설비학회 논문집 Vol.2 No.3

This study is conducted to find out how the heating and cooling loads change by thermal performance by the dynamic heat load simulation program. The study results are as followings. (1) It is revealed that SC is changeable if a window is Low-E coated and by the colors of windows. U-value of window is highly related to the thickness and the kind of window rather than the colors of window. (2) The thermal insulation property of double window whose U-value is distributed 1-2W/㎡K is twice of the thermal insulation property of single window. The mean U-value of PVC window is about 1.0W/㎡K beneficial compared to the mean U-value of aluminum window, which is concluded that it is highly advantageous to take in consideration of the thermal insulation property. (3) As SC increases by 0.1, it shows that annual heating and cooling loads decrease by approximately 5%. And as U-value of window increases by 0.5W/㎡K, annual cooling and heating loads increase by approximately 15%. (4) The simulation results show that annual cooling and heating load is different by 134% to the utmost, as it is appeared to be minimums of 213 MJ/㎡ㆍyr in case of U-value0.6-SC0.6 and maximum of 499MJ/㎡ㆍyr in case of U-value3.0-SC0.4.

동적열부하시뮬레이션을 이용한 향변화에 따른 공동주택의 열적 불균형 검토

장희경(Jang Hee-Kyung),김영탁(Kim Young-Tag),윤성환(Yoon Seong-Hwan) 대한건축학회 2009 대한건축학회 학술발표대회 논문집 - 계획계/구조계 Vol.29 No.1(계획계)

This study is focused on analysis of the characteristics of heat load using dynamic heat load simulation according to the change of direction classified by each household in apartment house. The conclusion of the study is as follows. 1) The characteristics of heat load classified by each household in a view of the story showed that the heating load of each household in the same story was increased by 10%(side wall of center floor)∼52%(side wall of ground floor) than the center household of center floor which has the lowest in heating load. 2) As a result of investigating the characteristics of heat load according to the change of direction, apartment block which has 25th floor and one hundred of household showed that the south(232MJ/㎡yr) was the most advantageous direction for heating load and the northeast(290MJ/㎡yr) was the most disadvantageous. Each household in the direction was increased by 2%(SE)∼26%(NE) than the center household of center floor(S).

그룹 운전 및 비정형 배열 해석을 위한 FLS 기반 지중열교환기 모델 개발

박영준,박승훈,김의종 대한설비공학회 2024 설비공학 논문집 Vol.36 No.4

본 연구에서는 지열 히트펌프 시스템의 성능에 크게 영향을 끼치는 부하 불균형을 대응하고자 다양한 배열과 공별 및 그룹 운전이 가능한 FLS기반 모델을 개발하였다. 개발한 모델과 동일 조건으로 TRNSYS에 내장된 DST 모델 결과를 비교하였고 지중열교환기 평균 벽면 온도(Tb)와 EWT를 중심으로 분석하였다. 분석결과, 두 모델의 평균 벽면 온도(Tb)와 EWT의 평균 오차는 각각 0.11℃, 0.06℃로 차이가 거의 없는 것으로 확인하였다. 또한 DST 배열뿐만 아니라, I자형 배열을 구현하여 시뮬레이션을 진행하였고 시간이 지남에 따라 두 배열의 평균 벽면 온도(Tb)와 EWT의 차이가 점차 커지는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해, 다양한 배열에 따라 열교환 효율을 높일 수 있는 적절한 설계에 대한 필요성을 확인하였다. 공별 특성을 알 수 없고 병렬운전만 모사할 수 있는 DST 모델의 한계를 극복하고자 공별 온도 추출 및 공별 계산이 가능한 제안하는 FLS 모델을 활용하여 중앙에 위치한 지중열교환기와 바깥에 위치한 지중열교환기의 평균 벽면 온도(Tb) 및 EWT를 확인하였다. 바깥에 위치한 지중열교환기에 비해 중앙에 위치한 지중열교환기의 평균 벽면 온도(Tb) 및 EWT는 각각 최대 1.67℃, 0.84℃로 더 높게 나타났다. 이는, 중앙에 위치한 지중열교환기가 열간섭을 심하게 받았기에 나타난 결과임을 알 수 있었고 이러한 해석 결과를 바탕으로 다양한 공별 혹은 존별 운전 방안을 통해 지중온도 변화에 효과적으로 대응할 수 있음을 예측할 수 있었다. 지열 히트펌프 시스템을 안정적이며 장기적으로 높은 COP를 유지하며 사용하기 위해선 현재까지 구현한 FLS 기반 모델을 토대로 장기 시뮬레이션을 통한 최적화 엔지니어링이 필요하며 하이브리드 열원을 조합한 공별 및 그룹 운전 제어 방안에 대한 연구도 필요할 것으로 사료된다. A geothermal heat pump system is a renewable energy system that utilizes the ground as a heat source to meet heating and cooling demands of buildings. Thermal efficiency of a commonly used vertical closed-loop system is affected by thermal interference and load imbalance significantly, necessitating appropriate design of ground heat exchangers and implementation of various optimal control methods. However, the widely used ground heat exchanger model, the DST (Duct-Storage) model, has limitations as it cannot simulate irregular arrangements or individual control strategies among ground heat exchangers. On the other hand, the FLS (Finite Line Source) model can overcome such limitations of the DST model. In this study, we developed an FLS model to estimate the expected Entering Water Temperature (EWT) under specific conditions and validated it by comparing it with the DST model for typical cases. Results demonstrated that the proposed FLS model had similar thermal responses to the DST model, showing only negligible deviations. Furthermore, by utilizing the proposed FLS model, various operating cases can be simulated, e.g., irregular arrangements and separate controls, confirming its ability to overcome limitations of the DST model.