RTS법 (냉난방 부하계산법)

1. RTS법 배경   현재 건물의 냉난방 열부하 계산법으로는 LCC 분석 등의 총량적인 에너지 사용량 분석을 위해 사용되는 연간부하 계산법과 건물 설계시 장비의 용량 선정을 위해 사용되는 최대부하 계산법이 있다. 최대부하를 계산하기 위한 방법으로는 미국 ASHRAE를 중심으로 1967년에 TETD/TA법이 처음으로 열취득을 정밀하게 계산하기 위해 제시되었고, 1972년에는 부하거동을 전도전달함수(Conduction Transfer Function)와 룸전달함수(Room Transfer Function)로 표현한 TFM(Transfer Function Method)이 제시되었다. 1977년에 TFM의 복잡한 함수 계산 대신 그 값을 표로 간략화하여 실무적으로 간단히 사용될 수 있는 일반 실무용으로 CLTD/CLF법이 개발되었고, 1992년에는 CLTD/CLF법이 변화된 CLTD/SCL/CLFC법이 제시되어 현재까지 사용되어 오고 있다. 지금까지의 방법들은 열평형법의 원리를 적용한 단순화된 형태이며, 이를 사용하기 위해서는 불규칙적이고 일반적이지 않은 상황들을 다루어 본 경험을 필요로 한다. 사실, 어떤 냉난방부하 계산방법일지라도 다양한 외벽체의 물리적 구성, 주거와 용도의 조건, 그리고 주위의 기후 같은 조건과 변수들을 정하는데 적용된 가정들을 전제로 하며, 따라서 전문가의 경험은 절대로 무시될 수가 없다. TETD/TA는 주관적이지만 1967년 ASHRAE Handbook Fundamentals 에 처음 소개된 이래로 높은 정확성을 가진 부하계산방법이었으며 원래 수계산법으로 고안된 방법이다. TETD법은 건물의 총체적인 질량을 나타내기 위하여 인지된 시간에 대해서 복사계수들의 평균치를 내는데 이용되는 시간별 열취득 값의 확장된 프로파일을 계산하는데 필요하기 때문에 컴퓨터의 적용에만 적합하다고 할 수 있지만 사용자가 변수판단에 대한 정보가 거의 없는 채로 주어진 건물의 열저장 특성을 파악하는 것에는 거의 주관적이므로, 경험있는 엔지니어가 있어야 TETD/TA를 유용하게 쓸 수 있었다. CLTD/CLF방법은 2단계의 TFM과 TETD/TA 방법을 복사열 취득의 중간 변환 없이 미가공 데이터로부터 냉방부하를 구하는 1단계의 기술로 간단하게 하는 시도였으며, 냉방부하 온도와 냉방부하 요소 같은 일련의 요소는 냉방 부하계산 결과(정교한 방법에 의해 진행되는)로 얻어지고 전통적인 전도식 (q=UA△t)을 사용한다. 그러나, 그 결과는 단순한 열취득 값이 아닌 개략적인 냉방부하 값이다. 이런 요소들을 구하는데 사용되는 단순화와 가정들은 이 방법의 적용성을 CLTD/CLF요소들이 얻어진 건물종류와 조건들로 제한한다. 이 방법은 이런 적용의 범위를 넘어서 사용될 수는 없다. 그러나 TFM, TETD/TA, 그리고 CLTD/CLF 방법들이 효용성이 없거나 신용이 떨어졌거나 한 것은 아니다. 숙련된 엔지니어들이 전세계 수백만개의 건물에 이 방법들을 사용해 왔다. 실제 냉방부하 계산의 정확성은 주로 정확한 정보의 이용 가능성과 이용 가능한 정보를 다루는데 사용된 가정에 대한 설계 엔지니어의 판단에 의존한다. 어떠한 프로젝트의 성공에는 특정한 냉방부하 계산 방법의 선택보다 이런 입력요소들의 정확성이 훨씬 더 많은 영향을 미치게 된다. 지금까지 국내에서는 설계 현장에서 건물의 최대부하 계산을 위하여 기존의 CLTD/CLF법을 기초로 하여 국내에서 개발한 "LOADSYS", "HCL" 등이 사용되어 왔고, 또한 CLTD/SCL/CLF법을 기초로 한 "미래98"이 개발 판매되어 설계사 마다 실정에 따라 임의로 선택하여 사용하고 있다. 그러나 이러한 프로그램들은 계산의 정확성과 실용성에 대한 객관적인 검증과정을 거치지 않았고, 또한 여러 가지 요소들로 인하여 그 사용이 제한되고 있는 실정이다. 2001 ASHRAE Handbook-Fundamentals 에 처음으로 소개된 RTS(Radiant Time Series)법은 열평형방법인 HB(Heat Balance)법을 간소화하여 설계 냉난방부하를 단순하게 계산하기 위한 방법이다. RTS 법은 기본적으로 TFM, CLTD/CLF 법, TETD/TA 법과 같은 또 다른 모든 단순화된 방법으로 HB 법을 효과적으로 대체한다. 이 방법은 기본적으로 열취득 계산을 위해서 TFM의 전도전달함수와 유사하게 전도시계열(Conduction Time Series)를 사용하고 TFM의 룸전달함수는 복사시계열 (Radiant Time Series)을 사용하여 정밀하면서도 반복적인 계산을 요구하지 않고, 또한 각 구성요소가 전체 냉방 부하에 미치는 영향을 정량화하기 위하여 개발되었다. 또한, 이 방법은 사용자가 다른 구조 및 죤 형식에 대한 계수를, 결과에 대한 그들의 상대적 영향을 설명하는 형식으로 검사하고 비교할 수 있기 위해 필요하며 냉방부하 계산 과정 동안 사용자의 기술적인 판단을 돕는다. 열평형법 및 RTS법과 예전 방법들 사이의 근본적인 차이점으로서는 전에 이용 가능한 컴퓨터의 제한된 능력으로 인하여 단순화 시키는 기술들이 필요했던 것과는 달리 보다 새로운 방법으로 직접적인 접근이 가능하다는 것이다. 예를 들면, TFM법은 많은 계산 단계가 필요하며, 이 방법은 일별, 월별 및 연간 에너지 이용에 비중을 두고 에너지 분석을 위해 설계되었고, 그리고 설계 최대부하보다 시간대별 평균냉방부하값을 지향하도록 설계되어있다. 2005년 ASHRAE Handbook에 나와 있는 RTS 방법은 2001년 ASHRAE Handbook Fundamentals 에 처음으로 소개된 것과 동일하며, 주어진 건물공간에 대한 냉난방부하를 산출하는 방법 중 가장 최신의 내용으로 열평형법에 근거한 과학적인 방법이다. 그러나 ASHRAE Handbook 의 이전 판에 소개된 기존의 방법들도 여러 경우에 유용하게 적용될 수 있다. 열평형법과 RTS법 계산의 주된 장점은 주관적인 입력, 예를 들어, TETD/TA를 사용할 때 시간에 대한 평균을 내기 위한 적당한 기간을 정하는 것과 반올림된 TFM결과에 더할 적당한 안전계수의 확정, CLTD/CLF계수가 특별하고 고유한 곳에 적용이 가능한지 결정하는 것에 대한 의존성을 어느 정도 줄였다는 것이다. 그러나 실제 설계에 가장 최신의 기술을 사용하는 것이긴 하지만 아직도 전산 입력을 위해 설계 기술자의 경험과 판단이 필요하고 조심스럽게 적절한 가정을 선행해야 한다. 따라서, 본 학회의 "공조부하계산 특별 위원회"에서는 국내 표준화 최대 냉방부하 계산 방법으로 2002년 ASHRAE에서 제시한 RTS 법을 기본으로 하여 학회에서 공인할 수 있는 실용 프로그램 RTS-SAREK를 개발하였고, 각 설계사에 적극적으로 보급하여 학회 공인 최대부하 계산 표준화 프로그램으로 활용하는 것을 목표로 하고 있다. 2. RTS법 프로그램 개요 RTS법은 앞서 기술한 바와 같이 HB법에서 파생된 설계 냉난방 부하계산을 실행하기 위한 새로운 간단한 방법이다. RTS법은 TFM법, CLTD/CLF법, TETD/TA법과 같은 모든 다른 간단한 방법을 효과적으로 대체할 수 있다. RTS법은 최대 냉난방부하 계산을 위해 적합하나 그것의 고유한 제한적인 가정에 따라 연간 에너지 시뮬레이션에는 사용될 수 없다. RTS법의 개념은 간단하여 전산화한 스프레드시트 상에 쉽게 실행될 수 있어도 수동적으로 사용되기에는 너무 많은 계산을 포함한다. 간단한 수계산 냉방부하계산 방법은 1997년 ASHRAE Handbook?Fundamentals 에 포함되는 CLTD/CLF법이 적합하다. RTS법은 태양복사, 창문을 통한 전달 태양 열취득, 상당외기 온도차, 그리고 침입공기의 계산을 하는데 있어서 이전의 방법인 TFM법과 TETD/TA법과 동일하다, 이전의 단순화된 방법과 다른 중요한 부분들은 다음과 같다. - 전도 열취득의 계산 - 모든 열취득의 복사와 전도 부분으로의 분할 - 복사 열취득의 냉방부하로의 변환 RTS법은 시간별 열취득에 24시간 시계열을 곱해서, 전도 시간 지연과 복사 시간 지연 영향을 나타낸다. 시계열을 곱하는 것은 사실상 열취득을 시간에 대해 분배하는 것이다. 복사 시간 요소와 전도 시간 요소라고 불리는 시계열계수(series coefficient)는 열평형 방법을 사용하여 구한다. 복사 시간 요소는 총 복사 열취득 대비 현재 시간 동안 냉방 부하가 되는 복사 열취득의 백분율을 반영한다. 마찬가지로, 전도 시간 요소는 벽이나 지붕 외면의 열취득 대비 현재 시간 동안 냉방부하가 되는 열취득의 백분율을 반영한다. 정의에 의해 각각의 복사 또는 전도 시계열의 총합은 100% 가 되어야 한다. 이러한 시계열(series)은 서로 다른 구조에서 발생하는 시간 지연의 효과를 쉽게 비교할 수 있게 해준다. 구조의 모든 세부사항들이 결정되지 않았을 때, 선택하는 사항들을 비교할 수 있는 능력은 설계 과정에 특별한 혜택을 준다. 이런 비교는 선택하는 사항들이 부하에 미치는 양적 차이를 설명할 수 있어서, 엔지니어가 부하를 추정하는데 판단을 적용하고 더 많은 정보가 포함된 가정을 할 수 있게 한다.