2019년 7월 28일 일요일

난방비 절감을 위한 아파트 리모델링

겨울철 난방비 절감을 위한 아파트 창문 교체 시 고려할 점

요즈음 새로 건설되는 아파트의 경우 냉, 난방을 효율을 좋게 하기 위하여 대부분 저방사유리(Low-E Glass)로 제작된 복층유리를 설치하는 것이 일반적이지만,

기존 20, 30년 전에 건설된 아파트인 경우에는 대부분 일반 복층유리를 사용하여 아파트가 건설되었기 때문에 창호의 단열성능이 좋지 않을 뿐아니라 기밀성 마저 떨어져 여름철 냉방비 및 겨울철 난방비가 많이 드는 경우가 많이 있다.

화석연료 고갈의 부담과 이산화 탄소 배출문제와 같은 지구 환경 문제가 사회적 이슈로 떠오르면서 최근들어 정부의 에너지 정책이 급격하게 변화하고 있으며,  이러한 정책 변화의 일환으로 기존 아파트의 단열 성능을 향상 시키기 위한 관심 또한 커지게 되었다.

이를 위해 시도 되는 다양한 방법들 중에서 당연 그 으뜸이 저방사 복층유리로 기존 창호를 교체하는 것이라 말할 수 있으나 비용이 많이 드는 단점이 있다.

열차단 필름의 경우에는 대부분의 필름들이 낮은 온도에서 방출하는 원적외선(5 500 nm ~ 50 000 nm)영역의 빛을 반사하는 특성이 Low-E 유리에 비하여 많은 차이를 보이고 있으므로 여름 낮 태양빛을 차단하는 능력이 아닌 겨울밤 단열 성능면에서 주거용 아파트에 적용하는 것에는 한계가 있다.

그 이름에서 알 수 있듯이 열차단 필름은 태양빛을 차단시키는 효과가 있으므로 주로 낮에 상주하는 상업용 건물의 경우에는 태양빛 차단함으로 태양빛에 의한 실내온도 상승을 막아 주는 역활을 함으로써 효과적인 냉방비 절감 요소라 할 수 있겠지만

주로 밤에 생활하는 주거용 건물인 경우에는 태양 빛 차단이 효과적인 절감 요소라 할 수 없다. 그 이유는 냉, 난방 에너지인 원적외선 영역의 빛을 반사할 수 있는 특성이 단열 효과에 중요한 요소이기 때문이다.

따라서 주거용 건물의 경우 방사율은 낮으며 시야 확보에 유리한 저 방사 복층유리로 창호를 교체하는 것이 보다 효과적이라 할 수 있다.




위 표는 일반 복층유리를 저 방사 복층유리로 교체하는 경우 냉, 난방비를 절감을 가늠할 수 있는 열관류율 값이 2.79에서 1.55 W/m^2 K로 현저하게 좋아지는 것을 확인 할 수 있다.

참고로 대부분의 아파트의 경우에는 베란다에 외부 창이 있고 거실이나 안방에 설치된 실내 창이 있는 것이 일반적인데 비용 절감을 위하여 한쪽의 창문만 교체 하여야 한다면 아래 그림에서 보는 바와 같이 내부 쪽 창을 교체하는 것이 실외 쪽 창문을 교체하는 것 보다 효과적이라 할 수 있다.



위 그래프에서 #2, #3은 베란다에 설치된 외측 창문을 교체하였을 때와 #6, #7인 거실 측에 설치된 창문을 교체하였을 때를 계산하기 위하여, 이를 사중창으로 가정하여 복층유리의 #2면과 #3면에 Low-E 층을 배치한 경우와 #6면과 #7면에 Low-E 층을 배치 한 경우를 비교한 것으로 #6면과 #7면에 Low-E 층이 위치하는 것이 단열에 보다 효과적임을 보여주고 있다.







2019년 7월 25일 목요일

삼복층유리의 태양열 취득율 계산 방법

삼복층유리의 투과율, 반사율 계산

3장의 유리판으로 구성된 삼복층유리의 투과율 및 반사율은 다음 식으로 계산할 수 있다.

<기본수식>



         


수식에 포함된 각 기호에 대한 설명은 "복층유리 투과 반사율 계산"을 참조

기본수식으로 계산된 삼복층유리의 투과율(て1,3), 삼복층유리를 구성하는 각각의 유리에 대한 흡수율(3α1, 3α2, 3α3) 스펙트럼을 이용하여 "태양방사투과율 계산방법"을 참조하여 삼복층유리의 태양방사투과율(てe) 및 각각의 유리판에서 흡수한 스펙트럼으로 계산된 태양방사 흡수율(αe1, αe2, αe3) 값을 계산한다.


<EXCEL 파일에 의한 투과, 반사율 계산>
















<프로그램에 의한 투과, 반사율 계산>














삼복층유리의 태양열 취득율 계산

<기본수식>





위에서 계산한 삼복층유리의 태양방사투과율(てe) 및  태양방사 흡수율(αe1, αe2, αe3)과 아래 수식으로 계산한 열저항 값들을 위 식에 대입하여 태양열 취득율(η)을 계산한다.


 



<EXCEL 파일에 의한 태양열 취득율 계산>




















<프로그램에 의한 태양열 취득율 계산>




복층유리의 투과율, 반사율 계산방법

복층유리의 투과율, 반사율 계산

n장의 유리판으로 구성된 복층유리에서 실외 쪽에서부터 세어 i번째에서 j번째까지의 (j-i+1)장의 유리판으로 구성된 분광투과율, 실내쪽 및 실외쪽 분광반사율은 다음식으로 구할 수 있다.

<기본수식>
















2장의 유리판으로 구성되는 복층유리의 경우 위식을 적용하면









* ρ'2,1=ρ'1,2
                











<EXCEL을 이용한 투과, 반사율 계산>




















2 500nm에서의 기본수식을 사용하여 투과율 및 반사율을 계산하면 아래와 같다.




<프로그램을 이용한 투과, 반사율 계산>




2019년 7월 24일 수요일

Haze에 관하여

적분구 검출기를 이용한 유리의 Haze 측정방법


Haze는 확산 투과/반사율을 전체 투과/반사율에 대한 백분을을 말하며 다음과 같이 구분한다.

투과인 경우
입사한 각과는 동일한 방향을 정 투과율(Direct Transmittance)
입사한 각과 다른 방향의 투과하는 비율을 확산 투과율(Diffuse Transmittance)
정 투과율과 확산 투과율을 합한 값을 전체 투과율(Total Transmittance)이라 하고

반사인 경우
입사한 각과 동일한 방향의 반사율을 정 반사율(Specular Reflectance)
입사한 각과 다른 방향의 반사율을 확산 반사율(Diffuse Reflectance)
정 반사율과 확산 반사율을 합한 값을 전체 반사율(Total Reflectance)이라 한다.

유리 제품의 구조상 표면에 요철이 있거나 확산물질을 포함하는 경우 Haze Ratio가 필요하다.

적분구 검출기는 이러한 특성을 측정할 수 있도록 고안된 검출기로서 다음과 같이 측정하고 계산하다.

아래 그림은 투과율의 Haze Ratio 를 측정하는 방법을 표시하였다.

T1 : Background 측정값 (100%)
T2 : 전체 투과율(Total Transmittance)
T3 : Light Trap을 포함한 시험장비 자체에 의해 측정된 값 (0%)
T4 : 확산 투과율(Diffuse Transmittance)




T1 값인 Background 측정값은 100%이고 T3 값인 장비자체에 의한 scattered 된 빛의 량은 0%가 이상적이나 실제 측정 시 이상적인 값으로 측정될 수 없으므로 이 값을 아래 방법으로 보정 하여야 한다.

아래 계산된 내용은 ASTM D 1003 규격을 기준으로 계산된 것으로 보정 후 Haze 값을 계산하는데 사용된 가시광선 투과율은 A광원 2도시야를 기준으로 계산한 것이다. 

보정방법

<기본수식>





<EXCEL을 이용한 Haze 계산>



<프로그램을 사용한 Haze 계산>


복층유리의 태양열 취득율 계산방법

복층유리의 태양열 취득율 계산


태양열 취득율이란?
태양 빛(에너지)이 유리창을 직접 투과하여 실내로 입사하는 에너지인 태양방사투과율(Te %)과 유리창에 흡수되었다가 실내로 재방사되어 유입되는 에너지인 재방사에너지(qi) 를 합한 값을 태양열 취득율이라 한다.




태양열 취득율은 아래와 같이 규격에 따라 부르는 이름이 다양하다.

KS L 2514 : 태양열 취득율
ANSI/NFRC 200 : Solar Heat Gain Coefficient (SHGC)
ISO 9050 : Total Solar Energy Transmittance (TSET, Solar Factor)
EN 410 : Total Solar Energy Transmittance (TSET, Solar Factor, g Value)
JIS R 3106 : 일사열 취득율

필름접합유리의 경우에는 TSER (Total Solar Energy Reflectance)로 성능을 표시하기도 하는데 TSER=100-TSET 값으로 지표면에 도달하는 에너지(@AM=1.5)를 기준으로 하였을 때 실내로 입사하지 못하고 반사한 에너지의 총량을 의미한다.

<여름철 표면열전달 계수>


<기본수식>



ε1 : 실외측 유리의 중공층과 접합면의 수정방사율
ε2 : 실내측 유리의 중공층과 접합면의 수정방사율



<EXCEL을 이용한 계산>




<프로그램을 사용한 복층유리 열관류율 계산>











규격별 수정 방사율 계산방법

규격별 수정 방사율 (Corrected Emissivity) 계산방법


1) KS L 2514 및 KS L 2525 규격에 의한 측정 및 계산방법

KS L 2514 규격 6항 상온의 열방사율 측정방법에 따라 5 500nm ~ 50 000nm 영역의 반사율을 측정하고 반사율 인증표준물로 보정하여 수직방사율을 계산한다.

계산된 수직방사율은 KS L 2525 규격에서 제시하는 보정 factor를 사용하여 수정방사율로 환산한다.

5 500nm~50 000nm 영역의 원적외선 반사율을 측정하려면 FT-IR 분광광도계를 사용하여야 하고 측정된 스펙트럼의 파장 중에서 규격에서 제시하는 30개 파장에 대한 반사율 값을 추출하여 방사율을 계산할 수 있다.

<기본수식>



수직방사율 계산

1) 5 500 nm에서의 반사율 x 표준 Mirror의 반사율
   93.86362 x 0.978 = 91.79862
2) 5 500 nm ~ 50 000 nm 전체 30개 파장에서의 계산 값의 평균
   평균 93.48516
3) 수직방사율
    수직방사율(εn) = 1- 0.9348516 = 0.0651
4) 수정방사율
    수정방사율(ε) = 0.0651 x 1.1679 = 0.076

수정방사율을 계산하기 위한 factor는 KS L 2525 규격 부표 1 수정방사율을 수직방사율에서 계산하기 위한 계수를 사용하여 계산한다.


계산된 수직방사율 값이 눈금의 중간에서의 계수는 눈금사이를 직선으로 한 내삽으로 구하도록 규격에서 요구하고 있다.

<프로그램을 이용한 방사율 계산>





2) EN 12898:2019 규격에 의한 수정방사율 계산방법


EN 12898 규격에서 요구하는 측정범위는 5 500nm ~ 50 000nm로 KS 규격과 동일하지만 2019년 규격이 개정되면서 수정방사율 계산 수식과 FT-IR 분광광도계의 성능을 고려하여 수직방사율 계산 시 적용되는 Raw Data의 선택 방법이 변경되었다.

EN 규격 5.4.3항의 Noise criterion

일상적인 측정방법을 사용하여 background를 측정한 상태에서 분광광도계가 측정할 수 있는 최대 파장 범위에서 시료를 이동하지 않고 10회 반복 측정한 파장별 data의 최대값과 최소값의 차가  0.02 보다 작거나 같은 영역의 data 만 선택하여 수직방사율을 계산 하여야 한다.

이러한 조건을 만족한 raw data로 계산된 수직방사율은 수정방사율을 계산하기 위해 KS 나 ISO 규격에서 제시하는 환산계수 대신 다음 수식을 사용하여 수정방사율(ε)을 계산 할 수 있다.


<프로그램을 이용한 방사율 계산>

  KS 규격 및 ISO 규격을 이용한 방사율 계산 결과

EN 12898 규격을 이용한 방사율 계산 결과 


계산된 결과는 위 그림에서 알 수 있듯이 KS / ISO 규격으로 계산된 수정방사율과 EN 규격의 수식으로 계산된 수정방사율 값이 거의 동일한 값으로 계산 되었음을 알 수 있다.








2019년 7월 15일 월요일

저방사유리(Low-E Glass)에 관하여

Low Emissivity Glass 란


저방사유리(Low-E Glass)란 유리 표면에 수 십 나노미터의 은막(silver layer)을 코팅하여 원 적외선 영역의 빛은 반사하고 가시광선 영역의 빛은 투과할 수 있도록 만든 것으로 은막(silver layer)을 보호 하면서 동시에 적절한 반사특성 및 다양한 색상을 갖도록 여러겹의 금속막을 코팅한 제품을 말한다.

Low-E 유리 제조 방법인 Ion Sputtering 공법으로 코팅된 금속막은 Hard Low-E 라 불리는 pyrolytic 공법으로 제조된 SnO2 층에 비하여 단열특성은 월등히 좋으나 내구성이 약한 단점을 가지고 있기 때문에 중공층과 접하는 내부에 코팅면이 위치 하도록 복층유리를 제작하여 사용하고 있다.


Ion Superttering Processing 



단열 특성은 Silver 층이 두꺼워 질수록 성능이 좋아지지는 것은 당연하지만 은막(silver layer)이 너무 두꺼우면 적외선 뿐만 아니라 가시광선 영역까지 반사하는 거울이 만들어지게 되므로, 얇은 층을 여러겹으로 코팅하는 방법으로 적외선 영역만 선택적으로 반사하도록 코팅하는 기술이 필요하다.

Low-E Glass 투과스펙트럼 (300nm ~2 500nm)


Blue : Clear Glass (맑은유리)
Red : Triple Low-E
Brown : Double Low-E
Cyan : Single Low-E

이렇게 제조된 Low-E 유리는 Silver 층의 수에 따라 Single Low-E, Double Low-E, Triple Low-E로 나누며 간혹 Quadruple Low-E 제품도 제조되고 있다. 

하지만 Triple Low-E 정도만 되더라도 원적외선의 반사율이 거의 100%에 가까운 값을 갖는 제품을 제조할 수 있으므로 Quadruple 제품의 경우 가성비를 따져보아야 할 것으로 판단된다.

투과 스펙트럼에서 보는 바와 같이 Low-E 코팅을 하지 않은 맑은 유리의 경우에는 가시광선 (380nm ~ 780nm)을 포함한 근적외선 영역(780nm ~ 2 500nm) 빛 까지 투과하지만 Low-E 유리의 경우 은막(silver layer)의 수가 증가할 수록 가시광선은 투과율은 비교적 유지하면서 근적외선 투과율은 낮추는 특성을 지니게 된다.


 Low-E Glass 반사스펙트럼 (300nm ~2 500nm)

Light Green : Triple Low-E
Black : Single Low-E

또한 반사 스펙트럼의 경우에는 Silver 층이 증가할수록 근적외선이 시작되는 780 nm 영역부터 반사율이 현저히 증가 하는 것을 볼 수 있다.

위 그림은 Single Low-E와 Triple Low-E의 반사율 스펙트럼을 비교한 것이며, 
아래 그림은 FT-IR 로 측정된 원 적외선 영역에 대한 Low-E Glass의 투과 및 반사 스펙트럼을 비교한 것이다.

Triple Low-E 제품과 같이 은막의 수가 증가하게 되면 투과율 스펙트럼에서 보는 바와 같이 단열 특성이 좋아지는 한편 가시광선 영역의 투과율은 유지되기 때문에 외부 풍경을 잘 볼 수 있으면서 단열성이 좋아지도록 하는 Low-E 유리의 이상적인 특성인 Selectivity가 좋아지는 성능을 갖게 된다.

유리의 투과 특성은 아래 스펙트럼에서 보는 바와 같이 5 500nm 이상의 원적외선 영역에서는 빛이 전혀 투과되지 않으며, Low-E 코팅유리의 경우 코팅면에서의 반사율이 원 적외선 전체 영역(5 500nm ~ 50 000nm)에서 입사된 빛을 대부분 반사하는 특성을 갖는 다는 것을 알 수 있다.



원적외선 영역의 Low-E Glass 투과/반사 스펙트럼

Low-E 코팅면의 특성인 방사율(수정방사율, Corrected Emissivity)은 일반적으로 Low-E Glass 종류에 따라 대략 아래 표와 같은 값을 갖는다.

Single Low-E   : 0.037 ~ 0.110
Double Low-E : 0.013 ~ 0.037
Triple Low-E   : 0.013 ~ 0.026
Hard Low-E    : 0.15 ~ 0.18

또한 아래 표는 복층유리 제조시 Low-E 유리의 코팅면이 복층유리의 어느면에 위치하느냐에 따라 열관류율은 변하지 않지만 태양열 취득율은 변할 수 있으므로 

주거용 건물에 설치하는 경우에는 일반적으로 태양열이 많이 유입되도록 3면에 코팅면이 오도록 하고 상업용 건물에는 빛이 덜 들어 오도록 2면에 설치하는 것을 추천하고 있다.









2019년 7월 14일 일요일

식물의 생장에 필요한 빛 에너지

식물의 생장에 필요한 빛 에너지


물체의 색은 그 물체가 반사하는 빛을 눈으로 보는 것으로
유리와 같이 일부 투명한 재료를 제외하면 대부분의 물체는 빛을 투과하지 않으므로, 반사하는 파장의 빛이 색으로 보이고 나머지 파장은 물체가 흡수 하게 된다.




식물이 녹색으로 보이는 이유 또한 이와 동일한 원리로서 식물이 생장하는데 필요한 빛은 흡수하고 필요치 않은 빛은 반사하는 것이므로, 가시광선 중에서 녹색영역의 빛은 반사하고 나머지 청색과 적색 영역의 빛은 흡수하는 것이다.

수경 재배 시 식물의 광합성에 필요한 인공광원을 선정할 때 백색광이 아닌 청색(400 nm ~510 nm)과 적색(610 nm ~ 700nm) 파장의 광원을 사용하는 것도 이와 같은 이유 때문이다.

따라서 식물의 색만 보더라도 광합성을 위해 해당 식물이 필요로하는 빛의 파장 영역을 대략 짐작할 수 있게 된다.



식물은 태양으로부터 오는 빛과 뿌리로부터 흡수하는 물 그리고 공기중의 이산화 탄소와 적당한 온도만 있으면 광합성을 통하여 자신을 생장 발육 시킬 수 있다.

광합성 반응식 : 6CO2 + 12H2O + 빛 에너지 → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O

따라서 식물이 생장에 필요한 빛은 흡수하고 나머지 빛은 반사하는 특성으로 인하여 이렇듯 초록의 대자연이 펼쳐지는 것이다.

광합성에 필요한 빛의 파장 영역






광학 특성 계산 프로그램

유리의 광학 특성 계산 프로그램 GlasPRO_Ver2024.0403 프로그램 : GlasPRO Version : 2024.0403 설치 및 사용법 : 링크된 "GlasPRO_Ver2024.0403"를 DownLoad 후 압축 해제하...