2-2. 건축물의 최대열부하계산방법으로 RTS(Radiant Time Series, 복사시계열)법과열평형법을 비교하여 설명하시오.

건축물의 최대 열부하 계산 방법 비교: RTS (복사 시계열) 법 vs 열평형법

건축물의 냉방 및 난방 설비 용량을 결정하는 데 매우 중요한 최대 열부하 계산은 건물의 에너지 효율적인 설계에 필수적인 과정입니다. 최대 열부하 계산 방법에는 다양한 접근 방식이 있지만, 여기서는 대표적인 두 가지 방법인 RTS (Radiant Time Series, 복사 시계열) 법과 열평형법을 비교하여 설명하겠습니다.

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1. RTS (Radiant Time Series, 복사 시계열) 법

 

1) 개요:

RTS 법은 비정상 상태의 열전달 현상을 고려하는 상세 계산법입니다. 건축물의 축열 효과와 시간 지연을 반영하여 시간 변화에 따른 열부하 변동을 비교적 정확하게 예측합니다. 특히 일사, 외기온도 등 시간에 따라 변하는 외부 조건의 영향을 정밀하게 반영하는 데 강점이 있습니다.

RTS 법은 **미리 계산된 복사 시계열 계수 (RTS 계수)**를 활용합니다. 이 계수는 특정 건축 부재 (벽, 지붕, 창문 등)와 방향에 대해 단위 복사 열량 (일사, 외기 온도 변화 등)이 가해졌을 때, 실내에 전달되는 열량의 시간별 변화를 나타냅니다. 이 계수를 활용하여 복잡한 열전달 계산을 간소화하고, 계산 효율성을 높입니다.

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2) 계산 과정:

RTS 법의 기본적인 계산 과정은 다음과 같습니다.

• 건축물 부하 요소별 RTS 계수 선정: 벽체, 지붕, 창문, 문 등 각 건축 부재의 재료, 구조, 방향에 따라 해당되는 RTS 계수를 데이터베이스에서 선정합니다. 이 계수는 일반적으로 표준적인 조건에 대해 미리 계산되어 제공됩니다.
• 열원별 열획득 계산: 일사, 외기온도, 내부 발열 등 각 열원별로 RTS 계수를 적용하여 시간별 열획득량을 계산합니다.
• 외벽 및 지붕: 외기온도 변화와 RTS 계수를 곱하여 전도 열획득량 계산.
• 창문: 일사량, 차폐 계수 (SHGC), RTS 계수를 곱하여 일사 열획득량 계산.
• 내부 발열: 인체 발열, 조명 발열, 기기 발열 등을 시간별로 고려하여 열획득량 계산 (RTS 계수 적용은 선택적).
• 환기: 환기량을 통해 실내로 유입되는 현열 및 잠열 계산.
• 총 열부하 계산: 각 부하 요소별로 계산된 시간별 열획득량을 모두 합산하여 시간별 총 열부하를 산출합니다. 이 중 최대값을 최대 냉방/난방 부하로 결정합니다.

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3) 장점:

• 높은 정확도: 비정상 상태 열전달, 축열 효과, 시간 지연을 고려하여 열부하를 보다 정확하게 예측합니다. 특히 시간에 따라 변하는 외부 조건 (일사, 외기온도)에 대한 정밀한 분석이 가능합니다.
• 상세 설계 및 에너지 해석에 적합: 건물의 상세 설계 단계에서 에너지 성능 평가 및 설비 용량 산정에 유용합니다. 다양한 설계 변수의 영향을 분석하고 최적화하는 데 효과적입니다.
• 계산 효율성: 미리 계산된 RTS 계수를 활용하여 복잡한 열전달 계산 과정을 간소화하고, 계산 시간을 단축합니다. 컴퓨터 프로그램 기반 계산에 용이합니다.

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4) 단점:

• 복잡한 이론: RTS 법의 이론적 배경은 열평형법에 비해 복잡하며, RTS 계수에 대한 이해가 필요합니다.
• RTS 계수 데이터베이스 의존: 정확한 RTS 계수 데이터베이스 확보가 필수적이며, 건축 부재의 특성이 데이터베이스와 다를 경우 오차가 발생할 수 있습니다.
• 초기 데이터 준비 부담: RTS 계수 선정 및 입력, 시간별 외부 조건 데이터 (일사량, 외기온도 등) 준비에 초기 노력이 필요합니다.

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2. 열평형법 (Heat Balance Method)

 

1) 개요:

열평형법은 정상 상태의 열전달을 가정하는 간이 계산법입니다. 건축물 내부로 유입되는 모든 열획득과 외부로 방출되는 모든 열손실이 평형을 이룬다는 개념을 기반으로 합니다. 계산 과정이 비교적 단순하며, 개략적인 열부하를 산정하는 데 적합합니다.

열평형법은 건축 부재의 열관류율 (U-value), 일사열 취득 계수 (SHGC) 등 정상 상태 열전달 특성값을 활용합니다. 시간 변화에 따른 축열 효과나 시간 지연은 직접적으로 고려하지 않지만, 보정 계수 등을 통해 간접적으로 반영하기도 합니다.

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2) 계산 과정:

열평형법의 기본적인 계산 과정은 다음과 같습니다.

• 건축물 부하 요소별 열획득/열손실 계산: 벽체, 지붕, 창문, 바닥, 문 등 각 건축 부재를 통해 유입/유출되는 열량을 계산합니다.
• 외벽 및 지붕: 열관류율 (U-value), 면적, 실내외 온도차를 이용하여 전도 열획득/열손실 계산.
• 창문: 일사열 취득 계수 (SHGC), 면적, 일사량을 이용하여 일사 열획득량 계산.
• 바닥: 바닥 면적, 지중 온도, 바닥 열관류율 등을 이용하여 지중 열손실 (겨울철) 또는 열획득 (여름철) 계산.
• 문: 열관류율 (U-value), 면적, 실내외 온도차를 이용하여 전도 열획득/열손실 계산.
• 틈새바람: 틈새 면적, 온도차, 비열 등을 이용하여 틈새바람으로 인한 열손실/열획득 계산.
• 내부 발열: 인체 발열, 조명 발열, 기기 발열 등을 합산하여 내부 발열량 계산.
• 환기: 환기량을 통해 실내로 유입되는 현열 및 잠열 계산.
• 총 열부하 계산: 각 부하 요소별로 계산된 열획득량을 모두 합산하고, 열손실량을 차감하여 총 열부하를 산출합니다. 최대 냉방/난방 부하를 결정하기 위해 설계 외기 조건 (최고/최저 온도) 및 최대 내부 발열 조건을 적용합니다.

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3) 장점:

• 단순하고 직관적인 계산: 열전달 원리에 기반한 비교적 간단한 계산 과정으로, 건축 및 설비 지식이 있다면 쉽게 이해하고 적용할 수 있습니다.
• 계산 용이성: 복잡한 계수나 데이터베이스 없이 열관류율, 면적, 온도차 등 기본적인 설계 변수만으로 계산이 가능하며, 수계산 또는 간단한 스프레드시트 프로그램으로도 충분히 수행할 수 있습니다.
• 빠른 개략 계산: 초기 설계 단계에서 건물 전체의 대략적인 열부하를 신속하게 파악하는 데 유용합니다. 다양한 설계 대안의 성능을 빠르게 비교 분석할 수 있습니다.

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4) 단점:

• 낮은 정확도: 정상 상태를 가정하고 축열 효과, 시간 지연 등을 직접적으로 고려하지 않으므로, 실제 열부하와 차이가 발생할 수 있습니다. 특히 시간에 따라 변하는 외부 조건의 영향을 정확하게 반영하기 어렵습니다.
• 상세 설계 및 에너지 해석에 부적합: 건물의 상세 설계, 에너지 성능 평가, 정밀한 설비 용량 산정에는 한계가 있습니다. 간이 계산 결과는 참고 자료로 활용하고, 상세 설계 시에는 RTS 법 등 보다 정밀한 방법을 사용하는 것이 바람직합니다.
• 보정 계수 의존: 축열 효과 등을 간접적으로 반영하기 위해 보정 계수를 사용하지만, 보정 계수 선정에 주관이 개입될 수 있으며, 정확도를 보장하기 어렵습니다.

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3. RTS 법과 열평형법 비교 요약

구분	RTS (복사 시계열) 법	열평형법 (Heat Balance Method)
열전달 상태 가정	비정상 상태 (Transient State)	정상 상태 (Steady State)
축열 효과 고려	O (정확하게 고려)	X (직접 고려 X, 보정 계수로 간접적 고려 가능)
시간 지연 고려	O (정확하게 고려)	X (고려 X)
계산 복잡성	높음 (이론 복잡, RTS 계수 활용으로 계산 자체는 비교적 효율적)	낮음 (단순하고 직관적인 계산)
필요 데이터	RTS 계수, 시간별 외부 조건 데이터 (일사량, 외기온도 등)	열관류율 (U-value), SHGC, 면적, 온도차 등 기본 설계 변수
정확도	높음 (비정상 상태, 축열 효과 고려)	낮음 (정상 상태 가정, 축열 효과 미고려)
활용 분야	상세 설계, 에너지 해석, 정밀한 설비 용량 산정	개략 설계, 초기 단계 열부하 파악, 빠른 비교 분석
장점	높은 정확도, 상세 설계/에너지 해석에 적합, 계산 효율성	단순하고 직관적인 계산, 계산 용이성, 빠른 개략 계산
단점	복잡한 이론, RTS 계수 데이터베이스 의존, 초기 데이터 준비 부담	낮은 정확도, 상세 설계/에너지 해석에 부적합, 보정 계수 의존

 

4. 결론 및 활용 제언

RTS 법과 열평형법은 각각 장단점을 가지고 있으며, 목적과 상황에 따라 적절한 방법을 선택해야 합니다.

• 개략적인 열부하 파악 또는 초기 설계 단계에서는 열평형법으로 충분합니다. 간단하고 빠르게 결과를 얻어 설계 방향을 설정하고, 다양한 설계 대안을 비교 분석하는 데 유용합니다.
• 상세 설계, 에너지 성능 평가, 정밀한 설비 용량 산정이 필요한 경우에는 RTS 법을 사용하는 것이 바람직합니다. 비정상 상태 열전달 및 축열 효과를 고려하여 보다 정확한 결과를 얻을 수 있으며, 에너지 효율적인 설계를 위한 중요한 정보를 제공합니다.

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최근에는 컴퓨터 성능 향상 및 다양한 열해석 소프트웨어 개발로 인해 RTS 법과 같은 상세 계산법의 활용이 점차 증가하고 있습니다. 정확하고 신뢰성 있는 열부하 계산을 통해 건물 에너지 성능을 최적화하고, 쾌적하고 효율적인 건축 환경을 조성하는 것이 중요합니다.