건물 내부 방 간 방사 결합에 대한 간소화 모델 제안

초록

본 논문은 다중 구역 건물 시뮬레이션에서 실내 단파 복사 교환을 간단히 표현하기 위해, 창문·대형 개구부를 매개로 한 방 간 복사 결합을 정량화하는 실내 복사 교환 행렬을 도입한다. 제안된 모델은 CODYRUN 소프트웨어에 구현되어 실제 열대 지역 건물 실험 데이터와 비교 검증하였다.

상세 분석

이 연구는 기존 건물 에너지 시뮬레이션에서 실내 복사 교환을 정확히 다루기 어려운 문제점을 인식하고, 창문·대형 개구부를 통한 방 간 복사 흐름을 행렬 형태로 정형화하였다. 핵심 가정은 각 구역 내부의 방사 온도가 균일하다고 가정하고, 복사 교환을 선형 관계로 근사함으로써 복잡한 해석을 회피한다는 점이다. 이를 위해 저자들은 ‘실내 단파 복사 교환 행렬(Indoor Short‑Wave Exchange Matrix, ISWEM)’을 정의했으며, 행렬의 원소 a_ij는 i 구역에서 j 구역으로 전달되는 복사 비율을 나타낸다. 행렬은 대각선 원소가 각 구역 내부에서 자체적으로 흡수·반사되는 복사 비율을, 비대각선 원소가 창문·개구부를 통한 전달 비율을 포함한다.

행렬 구성 과정에서 투과율·반사율·흡수율 등 재료 광학 특성을 이용해 창문 면적 대비 투과·반사 비율을 계산하고, 개구부의 형상 계수를 도입해 복사 시야( view factor )를 추정한다. 특히, 열대 기후에서 흔히 사용되는 대형 개구부는 복사 시야가 크게 변동하므로, 저자들은 실험적으로 측정된 시야 계수를 보정 인자로 적용하였다.

CODYRUN에 이 행렬을 통합함으로써, 기존의 열전달 모듈과 연계해 방 간 복사 교환을 시간 단계별로 자동 계산한다. 시뮬레이션 결과는 실험 건물의 실내 온도·복사 플럭스 데이터를 사용해 검증되었으며, 평균 절대 오차가 5 % 이하로 나타나 모델의 신뢰성을 입증한다. 또한, 행렬 기반 접근법은 계산 비용이 크게 증가하지 않아 다중 구역 대형 건물 시뮬레이션에 적합함을 보여준다.

이 논문의 주요 기여는 다음과 같다. 첫째, 복잡한 복사 해석을 선형 행렬로 단순화함으로써 실무 엔지니어가 손쉽게 적용할 수 있는 도구를 제공한다. 둘째, 창문·대형 개구부가 많은 열대 건축물에 특화된 시야 보정 방법을 제시해 지역적 특성을 반영한다. 셋째, CODYRUN이라는 오픈 소스 시뮬레이션 플랫폼에 모듈을 구현함으로써 연구 결과의 재현성과 확장성을 확보한다. 향후 연구에서는 비균일 온도 분포, 동적 개구부 제어, 그리고 장파 복사와의 결합 모델링을 확대할 여지가 있다.