차폐계수 란?

차폐계수(SC or TSC) 란?

차폐계수(Shading Coefficient) 란 유리를 직접 투과하여 실내로 입사한 태양방사 에너지와 유리에 흡수된 에너지가 재 방사하여 실내로 유입되는 에너지의 합인 태양열 취득율을 계산하여 3mm 맑은 유리의 태양열 취득율 값으로 나눈 것으로

3mm 맑은 유리 태양열 취득율인 87%를 기준으로 입사하는 전체 태양빛 에너지가 얼마 인지를 비율로 표시한 것이다.

즉, 유리 창(측정 시료)을 통하여 실내로 유입되는 전체 태양에너지(태양열취득률)가 3mm 맑은 유리 한 장을 통하여 유입되는 양과 비교하였을 때 얼마나 되는지를 비율로 나타낸 것이다.    

달리 표현하면, SC 값은 3mm 보다 얇은 유리를 건축용 으로 사용하는 경우는 없으므로 일반적으로 1보다 작은 값을 가지게 될 것이며, 태양 빛이 실내로 유입되는 전체 에너지를 기준으로 3mm 유리 한 장에 비하여 얼마나 적은 비율로 유입되는 지를 표시한 것이라 할 수 있다.

이렇게 계산된 SC값을 TSC라 하며 이를 단 파장과 장 파장 에너지로 구분하여 아래 수식에서와 같이 태양방사투과율(단파장 에너지, 300 ~ 2 500nm)에 대한 TSC 비율로 계산한 SC 값을 SWSC, 유리창에 흡수된 에너지가 실내로 재 방사한 에너지(장파장 에너지, 5 000~50 000nm)에 대하여 TSC 비율로 계산한 SC 값을 LWSC라 표현한다.

                 

                    여기에서 

                          SHGC of 3mm Clear Glass = 0.87

이것은 계산된 SC값 중에서 유리창을 직접 투과하여 실내로 전달된 태양방사투과에너지와 유리창에 흡수되었다가 실내로 재 방사한 에너지가 각각 얼마씩 차지 하는지를 나타낸 것이라 할 수 있다. 

태양열 취득율(SHGC) 계산방법은 "(태양열 취득율(SHGC)이란?)"을 참조하기 바란다.

태양방사투과율 이란?

태양방사투과율 (Solar Energy Transmittance @AM=1.5) 이란?

태양방사 투과율은 태양빛 에너지가 유리창을 통하여 실내로 직접 유입되는 비율로 태양표면온도 약 6500K에서 방출된 300nm ~2 500nm 영역의 복사에너지가 대기권의 1.5배(AM=1.5) 두께를 투과한 후 지표면에 도달한 에너지인 100을 기준으로 실내로 유입되는 에너지 비율을 백분율로 표시한 값이다.

지표면에 도달하는 태양 빛의 복사에너지는 아래 그림과 같이 300nm ~ 2 500nm 영역의 파장분포를 갖고 있으며, 유리창을 직접 투과하여 실내로 입사하는 복사 에너지를 태양방사 투과율이라 한다.

유리창에 도달하는 태양 빛은 투과하거나 반사하고 일부의 빛은 유리 창에 흡수되므로 UV-VIS-NIR Spectrophotometer를 사용하면 투과 스펙트럼이나 반사 스펙트럼을 측정할 수 있고 각 파장별로 100-(투과율+반사율) 수식으로 흡수 스펙트럼을 계산할 수 있다.

UV-VIS-NIR Spectrophotometer, PERKIN-ELMER, Lambda 1050

이들 스펙트럼과 위 태양광의 분광분포를 사용하면 전도, 대류, 복사에너지 중 태양 빛의 복사에너지 값인 태양방사 투과율 / 반사율 / 흡수율을 계산할 수 있다.

태양열 취득율(SHGC)이란?

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.

태양 빛이 대기권을 투과하여 지표면에 도달하는 에너지는 입사하는 각도에 따라 투과하는 두께가 달라지게 되며 이로 인하여 대기권에 흡수하는 에너지 양도 변화하게 된다.

따라서 정해진 두께를 투과한 태양 빛 에너지를 표시하는 단위를 Air Mass(AM)라 하고 대기권을 투과하는 가장 짧은 거리인 수직으로 입사하는 경우를 AM=1.0, 약 42도 입사하여 수직의 약 1.5배를 투과하여 지표면에 도달하는 에너지를 AM=1.5, 대기권의 2배의 두께에 해당하는 AM=2.0 등 규격에 따라 서로 다른 기준으로 제시 하고 있다. 

태양열 취득율은 규격에 따라 다양한 이름으로 표시된다.

KS L 2514 : 태양열 취득율

ANSI/NFRC 200 : Solar Heat Gain Coefficient (SHGC)

ISO 9050 : Total Solar Energy Transmittance (TSET, Solar Factor)

EN410 : Total Solar Energy Transmittance (TSET, Solar Factor, g Value)

JIS R 3106 : 일사열 취득율

ISO 13837 : Total Solar Energy Transmitted to the inside of a glazing (TTS)

여름철 냉방에너지 절약의 관점에서 보면 단열 성능의 지표로 잘 알려진 열관류율 성능값 만으로 판단하는 것은 한계가 있으며, 여름 낮에 입사하는 태양 빛의 전체 에너지 값에 해당하는 태양열 취득율이 더 많은 영향이 있음을 알 수 있다.

결론적으로 상업용 빌딩의 경우 주거용 아파트에 비하여 낮 시간에 근무하는 시간이 더 많으므로 열관류율이 낮고, 태양열 취득율 또한 낮은 색이 짙은 단열복층유리와 태양열차폐복층유리 성능을 두루 갖춘 제품을 사용하는 것이 좋으며

주거용 건물의 경우에는 퇴근 후 태양이 없는 시간에 거주하는 경우가 대부분이므로 겨울밤 난방열 및 여름밤 냉방열이 밖으로 빠져 나가지 않도록 하며, 개방감을 위하여 실외가 잘 보이는 제품인 열관류율이 낮고 가시광선 영역은 잘 투과하는 Selectivity 가 좋은 제품을 선택하는 것이 효율적이라 할 수 있다.

태양열 취득율 계산방법은("단판유리의 태양열 취득율 계산방법"), ("복층 유리의 태양열 취득율 계산방법") 및 ("삼복층 유리의 태양열 취득율 계산 방법")을 참고하길 바란다.

아울러 복층유리 인 경우 중공층의 두께가 두꺼워 질 수록 태양열 취득율은 높아지는 경향이 있으므로 이와 관련된 내용은 링크된 ("중공층이 태양열 취득율에 미치는 영향") 항목을 참고하길 바란다. 

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.

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>

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.