1. 서 론
1.1. 연구 배경
1.2. 연구 범위
2. 연구 방법
2.1. 건축물의 에너지절약설계기준
2.2. 전산유체역학(CFD) 기반 모델 구성 및 설정
3. 연구결과
3.1. 중공층 두께에 따른 열성능 분석
4. 결 론
1. 서 론
1.1. 연구 배경
기후 위기 대응을 위한 녹색성장의 추진을 위해 출범한 탄소중립 녹색 성장 위원회에서는 공공건축물의 그린리모델링 지원사업을 실시하고 있다. 그린리모델링은 에너지 성능향상이 필요한 노후화된 건축물을 개선하여 에너지 효율을 높이고 쾌적한 거주환경을 만드는 것으로 기존 건축물의 단열, 설비 등의 성능을 향상하는 방안을 통해 ‘2030 국가 온실가스 감축목표’ 달성 및 온실가스 순배출량을 0으로 만드는 목표인 ‘2050 탄소중립’의 이행을 돕는다(International Energy Agency, 2021). 현재 정부에서는 공공 및 민간 건축물을 대상으로 그린리모델링 사업을 추진하여 녹색건축의 실현기반을 구축하고 있으며 이를 위해 필수적으로 신재생에너지를 도입하여 건물 에너지 자립도를 향상시키는 것을 목표로 한다. 글로벌 에너지 싱크탱크 Ember가 발표한 ‘2025 글로벌 전력리뷰’에 따르면 2024년 전세계 전력 생산에서 청정에너지의 비율이 사상 최초로 40 %를 넘어선 것을 확인할 수 있다(Ember, 2025). 이 중 태양광 시스템은 20년 연속 가장 빠르게 성장한 전력원으로서 신재생에너지의 주요 성장 동력으로 보고되고 있다(Pourasl, Barenji, & Khojastehnezhad, 2023). 일반적인 PV 셀의 효율은 공칭운전셀온도(일광 0.8 kW/m², 주위온도 20°C, 풍속 1 m/s)에서 측정한 것으로 온도가 상승하면 효율이 내려가는 특징을 가지고 있다. 따라서 PV패널의 효율 향상을 위해서는 패널 표면의 축적된 열의 제거가 가장 중요하다(Skoplaki & Palyvos, 2009).
그린리모델링 시 기존 건축물에 태양광 패널을 부착하는 BAPV 시스템의 경우에는 밀폐 또는 준밀폐 구조에서 발생 가능한 열 축적 및 열적 불균형을 고려한 설계적 대응이 요구된다. 특히 높은 외기온도와 일사량이 집중되는 하절기 또는 해당 기후조건을 갖는 지역의 경우 PV 패널 표면온도 상승에 따른 전력 생산 효율 저하 문제가 발생할 수 있다(Bamisile, Acen, Cai, Huang, & Staffell, 2025). 이를 해결하기 위해 상변화물질(PCM)을 적용하여 기존 PV 패널의 전기효율을 향상시키거나(Maghrabie, Mohamed, Fahmy, & Abdel Samee, 2023), 수냉시스템을 활용하여 물의 비열 용량을 통해 패널의 열을 제거(Chanphavong, Chanthaboune, Phommachanh, Vilaida, & Bounyanite, 2022)하고, 공냉시스템을 적용하여 패널 후면 공기를 냉각(Homa, Sornek, & Goryl, 2024) 시키는 등 재료·시스템 경계를 넘어 다양한 방법론이 제안되었다. 그러나 강제 대류 냉각의 경우 태양전지판 후면에 공기 흐름을 위한 팬이 필요하여 추가적인 전력이 소비된다는 한계가 발생함에 따라(Salameh et al., 2021) 기존 건축물에 태양광 시스템을 부착할 때 PV패널과 기존 건물 외벽 사이에 형성되는 중공층에서 자연대류를 활용하여 모듈 온도를 저감하는 방안에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다(Rey-Martínez, 2019). 특히 PV패널 지붕 부착 시 후면 통풍층의 두께에 따른 성능 분석 연구에서는 최적 공기 간격 조건에서 회로 전압이 약 21 V 상승할 수 있다는 결과가 보고되었다(Muchiri, Kairu, & Maina, 2022). 또한 BAPV 패널 설치 시 외벽과 모듈 뒷면 사이의 통풍층 두께는 약 0.15 m 수준으로 일반적인 유리 중공층보다 두꺼운 특징을 보인다(Sohani et al., 2023).
이와 같이 기존 건축물에 부착되는 BAPV 시스템의 경우, 패널과 외벽 사이에 형성되는 중공층이 모듈 온도 저감과 열적 완충 역할을 동시에 수행할 수 있는 구조적 특징을 가진다. 그러나 국내 에너지절약설계기준에서는 밀폐 중공층의 열저항을 10 mm 이상의 중공층에 대해 두께 변화와 무관하게 고정값으로 적용하고 있다. 이러한 기준은 최근 중공층 두께가 증가하거나 활용 목적이 다양화되는 상황에서는 적용 타당성에 대한 검토가 요구될 수 있다. 중공층의 두께가 증가할 경우, 내부 열전달 거동이 변화하며 열성능 또한 비선형적으로 달라질 수 있다. 따라서 중공층의 두께 증가에 따른 열성능 변화를 정량적으로 분석하는 것은 기존 건축물의 에너지 자립률을 향상시키는 등 녹색건축 요구사항에 효과적으로 대응할 수 있을 것으로 판단된다.
1.2. 연구 범위
본 연구에서는 에너지절약설계기준 중공층의 열저항값과 PV패널 후면의 중공층 두께에 따른 열저항 시뮬레이션 결과를 비교하여 10 mm 미만의 중공층 열저항 및 10 mm 이상 넓은 폭의 중공층에 대한 열저항을 검토하고자 한다. 이를 위하여 CFX 시뮬레이션 프로그램을 활용하여 실제 공기의 흐름과 유사한 거동을 구현하였다. 먼저 10 mm를 기준으로 에너지절약 설계기준 값과의 유사한 결과를 도출함으로써 시뮬레이션 모델의 신뢰성을 검증하였으며 이후 100 mm까지 중공층의 두께가 증가함에 따라 변화하는 중공층의 열성능과 그 원인을 분석하였다.
2. 연구 방법
2.1. 건축물의 에너지절약설계기준
에너지절약설계기준은 건축물의 에너지 소비를 체계적으로 줄이기 위해 제정된 국가기술 기준으로, 건축물이 일정 수준 이상의 열적·기계적·전기적 효율을 확보하도록 요구하는 일종의 종합적 에너지 성능 지침이다. 해당 기준은 크게 일반사항부문, 건축부문, 기계부문, 전기부문, 신재생에너지부문의 다섯 가지로 구성되며, 각 부문은 건물의 에너지 사용을 줄이기 위해 서로 다른 관점에서 목표를 설정하고 세부 요구조건을 제시한다. 여러 부문 중 건축 부문은 건물의 에너지 절약 성능을 결정하는 가장 근본적인 요소 중 하나인 건물외피의 열적 성능 확보를 목표로 하며, 특히 Table 1과 같이 외벽·지붕·바닥·창호 등 부위별로 허용 가능한 최대 열관류율(U-value)을 기후대가 다른 지역별로 명확하게 제시한다.
Table 1
Korean energy saving design standards: thermal transmittance and thermal resistance of air cavities
에너지절약설계기준에서 각 부위의 열관류율 계산 방법은 ‘각 재료의 열저항, 실내표면열전달저항, 실외표면열전달저항, 중공층의 열저항값의 합에 역수를 취하여 해당 부위 열관류율을 계산한다’고 명시하며, 이때 실내표면 열전달저항 및 실외표면 열전달 저항 또한 “에너지절약설계기준 [별표5]”에서 각 부위별로 정리하여 제시하였다. 이때 사용되는 중공층의 열저항은 Table 1과 같이 사용하도록 되어있는데, 이는 중공층의 열저항값이 중공층의 두께에 따라 일정 두께 이상이 되면 고정값을 사용하는 구조이다. 건축물에서 가장 일반적으로 중공층을 포함하는 외피 구조는 창호 내부의 중공층이다. 창호에서는 일반적으로 단열 성능과 구조적 문제, 창호의 두께 등의 이유로 6–16 mm 정도의 중공층을 사용한다. 하지만, 앞서 소개한 바와 같이 BAPV의 보급이 이루어지며 PV패널 후면의 중공층 부분이 표면온도를 저감시켜 발전효율을 증진시킬 수 있는 핵심 공간으로 연구되고 있다. 또한 해당 중공층의 영향으로 실내에서 PV까지 도달하는 열의 전달 메커니즘이 바뀔 수 있다.
본 연구에서는 PV와 건물 외피 표면의 중공층이 밀폐된 경우로 가정하여 에너지절약설계기준에서의 중공층의 열저항 기준이 10 mm 이상의 중공층에서의 열적거동을 반영하기에 적합한지 비교분석하였다.
2.2. 전산유체역학(CFD) 기반 모델 구성 및 설정
본 연구에서는 열유동 해석을 수행하기 위해 CFD(Computational Fluid Dynamics) 소프트웨어인 ANSYS CFX를 사용하였다. ANSYS CFX는 압력과 속도를 동시에 계산하는 연성 알고리즘(fully coupled solver)을 기반으로 하여 수치 안정성이 높고, 난류 및 복사 해석 모델을 다양하게 지원하여 복잡한 열유동 현상을 컴퓨터 환경에서 재현할 수 있다는 장점이 있으며, 다양한 연구분야 및 엔지니어링 설계에서도 표준적인 도구로 사용되고 있다.
본 연구에서는 에너지절약설계기준의 지역별 건축물 부위의 열관류율 중 중부 2지역의 조건을 만족하는 외벽을 모델링하고 중공층의 두께를 변화시키며 열유속을 관찰하여 중공층의 열성능을 추적하였다. 이에 따라 구현된 모델은 외벽에 PV를 부착한 형태로서 사이에 중공층이 적용되었고 형상과 물성치는 Table 2와 같다.
Table 2
Overview of CFX modeling and applied material properties
건물 외벽을 통한 열전달은 아래 수식(1)과 같이 전도(Conduction), 대류(Convection), 복사(Radiation)가 동시에 작용하는 복합 현상으로 이루어진다. 고체로 구성된 벽체 내부는 열전도가 지배적이며 이는 (2) Fourier 법칙으로 표현된다. 외벽 표면 및 중공층에서는 대류 열전달이 발생하고 이는 (3) Newton의 냉각법칙으로 나타낼 수 있으며, 표면 간 복사 열전달은 (4) Stefan-Boltzmann 법칙을 기반으로 나타난다.
ANSYS CFX에서는 이러한 전도-대류-복사 열전달을 벽체 내부에서 에너지 보존식에 의해 하나의 지배방정식으로 통합하여 벽체의 물성치 변화나 외부 조건에 따라 계산된 온도장을 적용한다. 열유동 해석에서 대류와 복사는 실제 물리 과정이 매우 복잡하고 비선형적이기 때문에 정밀한 해석에는 높은 계산량과 시간이 요구된다. 대류의 경우 온도구배, 자연대류, 난류가 혼재하는 상황에서 유동장의 스케일을 직접 계산하기 위해 많은 계산자원이 요구될 뿐더러 복사의 경우도 파장 의존성과 산란, 투과, 방사율 등의 다양한 인자를 포함하기에 물리적 복잡성과 계산 부담이 수반된다. 따라서 ANSYS CFX에서는 대류 및 복사를 비교적 단순화시킨 근사모델을 사용한다.
대류 근사모델은 주로 난류모델의 형태로 제공되며, 대표적으로 k-ε모델, Generalized k-ω 모델, Shear Stress Transport 모델 등이 사용된다. k-ε모델은 가장 널리 사용되는 난류모델로, 다양한 산업 및 건축 분야에서 안정적인 결과를 제공하고, 유동장이 비교적 균질하고 난류가 충분히 발달한 환경에서 특히 강점을 보인다. Generalized k-ω모델은 벽면 근처 유동을 보다 정교하게 처리하기 위해 개발된 모델로 특정 조건에서는 더 높은 정확도를 보일 수 있지만, 저속 자연대류 환경에서 반드시 개선된 결과를 보장하는 것은 아니다. SST(Shear Stress Transport)는 k-ε모델과 k-ω 모델의 특성을 결합한 난류모델로 박리 유동이나 고난류 유동에서 강점을 보이므로 난류 강도가 높은 외기 유동이나 터빈, 항공 분야에서 널리 사용되고 있다.
복사 근사모델은 대표적으로 Monte Carlo와 Transfer 모델이 있다. Monte Carlo 모델은 복사 에너지 이동을 확률적 방식으로 추적하는 회귀적 기법으로, 광자가 이동하는 경로를 난수 기반으로 샘플링하여 복사열전달을 계산한다. Transfer 모델은 복사 에너지를 여러 개의 불연속 방향으로 나누어 전송하는 방식으로 복사수송방정식을 선형화하여 단순화된 형태의 복사계산을 수행하여 Monte Carlo 모델과 달리 확률적 샘플링이 아닌 고정된 격자 방향에 대해 광선을 추적하기 때문에 계산비용이 상대적으로 낮다.
본 연구에서는 에너지절약설계기준에서 제시하는 열저항 값이 일정 두께 이상에서도 열적성능을 잘 반영하는지에 대해 확인하고자 대류 근사모델 3개(k-ε, Generalized k-ω, SST)와 복사 근사모델 2개(Monte Carlo, Transfer)의 조합을 이용하여 에너지절약설계기준에서 제시하는 ‘현장시공 시의 10 mm 중공층의 열저항 0.086 m2·K/W’을 만족할 수 있는 근사모델 조합을 사용하고자 하였다. Table 3와 같이 총 6가지 case를 시뮬레이션 해본 결과 case3의 ‘SST모델과 Monte Carlo모델’의 조합이 중공층의 열저항 0.0852 m2·K/W로 에너지절약설계기준을 가장 잘 반영하는 것으로 나타났고, case5의 ‘Generalized k-ω 모델과 Transfer 모델’의 조합이 그 뒤를 이었다. 그러나 case3의 경우 CFX에서 에너지 지배 방정식 중 온도·열전달 항의 잔차를 Root Mean Square 형태로 나타낸 RMS-H Energy가 Figure 1과 같이 case5보다 높은 값에서 수렴하였다. 이는 에너지 지배방정식의 해가 상대적으로 작게 수렴하지 않아 물리적으로 불안정한 상태임을 나타내며, 열유속의 분포가 안정되지 않는 것으로 해석된다. 실제로 case3의 경우 각 계면에서의 열유속(Heat flux)이 0.29W/m2까지 차이를 보인 반면, case 5에서는 더 작은 값으로 RMS-H energy가 수렴하며 열유속 오차는 최대 0.0017W/m2로 나타난 것을 확인할 수 있었다. 따라서 case3의 ‘SST모델과 Monte Carlo모델’ 조합이 에너지절약설계기준과 부합하지만 CFX에서 해석 안정성이 떨어지므로 ‘Generalized k-ω 모델과 Transfer 모델’을 사용하여 10 mm 이상의 중공층에 대해 분석을 수행하였다.
3. 연구결과
3.1. 중공층 두께에 따른 열성능 분석
밀폐된 중공층에서의 자연대류 현상은 전도 지배 영역, 층류 자연대류 영역, 난류 자연 대류 영역으로 구분되며 이러한 구분은 유체의 물성치 및 온도구배, 특성길이에 따라 결정되는 무차원 수인 레일리 수(Rayleigh number [Ra])의 크기에 의해 결정된다. 중공층이 매우 얇거나 온도차가 작은 경우에는 벽면 근처의 얇은 경계층을 통한 전도적 열전달이 지배적이며 내부 유체의 운동은 거의 발생하지 않는다. 이 구간에서는 열저항이 중공층 두께에 비례하여 선형적으로 증가하는 경향을 나타낸다. Ra가 일정 수준을 넘어서면 층류 자연대류가 발생하고, 내부에서는 안정적으로 뜨거운 유체가 상승하고 차가운 유체가 하강하며 생기는 순환 셀이 형성되는데, 이 시점부터 유체혼합이 증가함에 따라 열저항 증가율이 낮아지는 경향을 보인다. 더 높은 Ra 수에서는 유동의 불안정성이 증가하며 난류적 특성이 발현된다. 일반적으로 수직평판에서 유동이 층류에서 난류로 전이되는 현상은 의 임계 레일리 수에서 나타난다고 알려져있다.
본 연구에서는 이러한 이론적 배경을 토대로 PV 후면 중공층의 열거동을 분석하기 위하여 중공층 두께를 변화시키며 열저항 및 온도분포를 분석하였다. 중공층 10–20 mm 범위에서는 두께 증가에 따라 열저항 변화량이 상대적으로 큰 값을 보이는 전도 지배 특성을 확인할 수 있었다. 이 구간에서의 온도 등고선은 뚜렷한 선형적 온도 구배만 존재하였으며, 내부 유체의 온도 혼합 흔적이나 순환패턴은 거의 관찰되지 않았다. 이는 중공층 두께가 얇을수록 열의 전달 경로가 사실상 직선 형태로 유지되어 유체 운동의 영향 없이 열이 전도 지배 열전달 형태로 전달됨을 의미한다. 그러나 Figure 2와 같이 중공층 두께가 20 mm를 초과한 이후부터는 열저항의 증가율이 이전 구간과 비교하여 감소하는 경향을 보인다. 30 mm 열저항 증분은 0.0058 m2·K/W으로 20 mm에서의 열저항 증분인 0.0194 m2·K/W에 비해 약 70% 이상 감소하였고, 40 mm 이상의 구간에서는 0.0016–0.0019 m2·K/W 수준으로 더욱 낮아지는 현상을 확인하였으며 해당 구간에서의 중공층 열저항은 Table 4와 같다. 온도 분포 또한 단순 선형 온도구배가 유지되지 않고, 내부 유동의 영향으로 등온선이 크게 휘어지고 상하부의 곡률이 강화된 복합 등온구조가 나타나는 대류의 성숙과 혼합 강화가 관찰된다.
Table 4
Relationship between air layer thickness and insulation performance
열저항 및 온도장의 비선형적 변화 원인을 규명하기 위해 유체거동과 관련해 유체 속도의 분포, 체적 평균속도, 난류운동 에너지를 확인하였다. 그 결과 Figure 3과 같이 10 mm일 때 체적평균유속이 0.0007 m/s 정도로 매우 낮게 나왔고, 이후 30 mm의 중공층에서 0.018 m/s까지 점진적으로 증가하는 것을 확인하였다. 이후 범위에서는 0.02 m/s에 수렴한 유속을 나타내는데 이는 20 mm까지의 중공층에서는 내부 유동이 작아 전도 지배 구간의 열거동을 보이는 것으로 판단할 수 있으며, 20 mm 이후에서는 순환 대류셀이 형성되기 시작하면서 유체 혼합이 증가하는 것으로 판단된다. 유체 혼합이 증가하면 벽면 경계층이 얇아지며 열저항 증가율이 둔화된다. 실제로 20–30 mm 범위에서 열저항 증분이 감소하는 시점과 속도장의 유동 구조 변화가 일치하였다. 난류 때문에 생기는 미세한 속도의 변동 성분이 가진 운동에너지를 정량적으로 나타내는 지표인 난류 운동에너지를 살펴보면, 30 mm부터 미약하게 증가하여 유체 혼합이 발생하는 초기 징후를 보이며 40 mm 이상의 영역에서는 난류 운동에너지가 크게 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한 40 mm 중공층에서의 레일리 수를 계산해보면 1.03×109으로 나타났다. 이러한 점들을 통해 40 mm 이상의 영역을 난류 자연 대류의 영역으로 해석할 수 있다. 30 mm에서는 전도 지배 영역을 넘어 자연대류가 발달하였지만 난류 자연 대류 영역이 아닌 층류 자연 대류 영역으로 40 mm 이상의 영역에서 열저항의 증분이 0.002에 수렴한 것에 비해 큰 열저항의 증분이 설명된다.
4. 결 론
본 연구에서는 에너지절약설계기준에서 10 mm 이상의 밀폐 중공층에 동일한 열저항 값을 적용하는 방식이 실제 PV 후면 중공층의 열거동을 반영하는 데 적합한지 검토하고자 ANSYS CFX 기반 열유동 해석을 수행하였다. 난류모델 및 복사모델 조합 비교 결과, SST 모델과 Monte Carlo 모델 조합이 기준값을 가장 잘 재현하였지만 RMS_H energy가 비교적 큰 값에 수렴하여 안정성이 떨어져 이를 제외하면 Generalized k-ω 모델과 Transfer 모델 조합이 기준값(10 mm 중공층 열저항 0.086 m2·K/W)을 가장 안정적으로 재현하였다. 따라서 Generalized k-ω모델과 Transfer 모델 조합을 적용하여 중공층 두께를 10–100 mm 범위에서 변화시키며 열저항, 온도장, 속도장을 분석하였다.
10–20 mm 구간에서는 열저항이 두께 증가에 비례하여 크게 증가하였고, 온도분포는 거의 직선형 구배를 유지하였으며 체적 평균유속은 약 0.0007 m/s로 매우 낮아 전도지배 영역임을 확인하였다. 그러나 30 mm에서는 열저항 증가율이 약 70 % 이상 감소하여 0.0058 m2·K/W 수준을 나타냈으며, 이는 난류 운동 에너지의 발현 및 체적 평균 유속이 크게 증가하는 점 등을 통해 층류 자연대류가 본격적으로 발달되어 나타난 현상으로 판단된다. 40 mm 이상의 두께에서는 열저항 증분이 0.002 m2·K/W에 수렴하였다. 이는 난류 운동에너지가 크게 증가하고, 레일리수가 임계값을 초과하여 40 mm 이상의 중공층에서는 난류적 자연대류가 발달된 것이며 이로 인해 열저항의 증분이 작은 값에 수렴한 것으로 나타났다.
본 연구에서 사용된 모델의 경우에는 20 mm 이하에서는 전도지배, 30 mm에서는 층류 자연대류, 40 mm 이상에서는 난류 자연대류가 발생하는 단계적 전이가 나타났다. 특히 난류 자연대류가 발달하기 시작하는 40 mm 이상에서는 열저항 증가율이 작은 값으로 수렴하는 경향을 보였으나, 이는 열저항이 완전히 일정해지는 것을 의미한다기보다는, 대류 강화로 인해 두께 증가에 대한 민감도가 감소하는 물리적 특징이 반영된 것으로 판단된다. 또한 10 mm 대비 100 mm에서의 중공층 열저항 증가량을 에너지절약설계기준의 고정값과 비교한 결과, 기준값 대비 약 52 % (0.044685 m2·K/W) 초과한 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 에너지절약설계기준에서 10 mm 이상의 중공층을 동일한 열저항으로 간주하는 방식과 달리, 두꺼운 중공층에서도 열저항이 두께에 따라 지속적으로 변화하는 특성을 고려할 필요가 있음을 시사한다.
본 연구는 수치해석 기법을 활용하여 BAPV 후면 중공층의 열전달 거동을 분석한 것으로, 해석적 접근을 통해 두께 변화에 따른 자연대류 특성 및 단열 성능 변화를 체계적으로 검토하였다. 하지만 실제 적용 조건을 고려한 단열 성능을 검증하기 위해 향후 Mock-up test 또는 현장 실측과의 비교·분석 등 추가적인 분석이 요구된다. 이러한 검증 과정은 본 연구 결과의 적용 범위를 확대하고 실무적 활용성을 높이는데 기여할 것으로 판단된다. 또한, 선행연구에 따르면 중공층의 열성능은 두께 변화뿐만 아니라 종횡비, 태양복사 및 외기 풍속 등 다양한 변수의 영향을 받는 것으로 보고된 바 있다. 따라서 제한된 해석 조건에서 도출된 열저항 값을 일반화하는 것은 신중한 접근이 요구된다. 이에 따라 향후 연구에서는 실제 BAPV 조건을 모사한 Mock-up을 제작하여, 중공층 온도 분포 및 열유속을 계측하고 본 연구의 해석 결과와 비교·검증하는 절차를 수행할 계획이다. 특히, 두께 및 종횡비를 변화시키며 수치해석 결과의 정량적 타당성을 확보하고자 한다. 아울러 태양복사 조건 및 외기 풍속을 변수로 설정한 추가 수치해석 및 실험을 병행하여, 다양한 외기 조건에서의 중공층 열성능 변화를 분석할 예정이다. 이를 통해 BAPV 후면 중공층의 실효 열저항값 산정 방법을 보다 체계화하고, 실제 설계 단계에서 활용 가능한 성능 예측 지표 및 적용 범위를 제시하고자 한다.
