[논문]초고층 주거건물의 에너지 성능 분석에 관한 연구

석호태; 김장한; 정만석

문제 정의

5) 초고층 주거건물에 가장 효과적인 에너지 절약을 위한 개선 방안을 제시한다.
따라서 본 연구에서는 에너지 절약이 절박한 현시대에 건물이 고층화 되어감에 따라 발생하는 에너지 소비 증가를 억제하기 위해 초고층 주거건물에서의 에너지 성능 분석을 실시함으로써, 현재의 초고층 주거에 가장 효과적인 에너지 절약을 위한 개선방안을 제시하고자 한다.
본 절에서는 앞서 도출한 민감도 분석 결과에 따른 에너지 성능 변수의 우선순위와 기존의 자료 조사를 통해 초고층 주거건물의 에너지 절약을 위한 개선 방안을 제시하고자 한다.

가설 설정

또한, 창면적비는 각 방위별로 시뮬레이션을 실시하는 과정에서 나머지 3면을 모두 벽체로 가정하였다.
7 W.인으로 설정하였고, 조명 발열은 고효율 형광등(32W)을 기준으로 각 실(화장실, 드레스룸 등 소규모 실 제외)당 2개씩 사용된 것으로 가정하여 단위면적당 발열량을 이용해 3.1OW/m2로 설정하였다. 기기 발열의 경우 국내 초고층 주거건물의 에너지절약계획서의 내용을 참조하여 조명 발열과 같은 값을 채택하였다.

제안 방법

1) 국내 초고층 주거건물에 대한 사례 조사를 통해 초고층 주거건물의 에너지 해석에 필요한 에너지성능 변수를 도출하였다.
1) 초고층 주거건물에 대한 현황 조사 및 사례를 에너지 성능을 중심으로 조사하여 초고층 주거건물의 에너지 성능 변수를 파악한다.
3) 대상 건물에 대한 민감도 분석을 실시한 후 에너지 성능 변수의 우선순위를 냉방부하, 난방부하, 총부하로 나누어 도출하고, 각 에너지 성능 변수의 냉난방부하에 대한 민감도를 비교하였다.
3) 대상 건물에 대한 에너지 시뮬레이션을 실시한 후 민감도 분석에 필요한 에너지 성능 변수와 변수의 범위를 설정하여 에너지 시뮬레이션을 통한 민감도 분석을 실시한다.
4) 민감도 분석 결과에 따른 에너지 성능 변수의 우선순위와 기존의 자료 조사를 바탕으로 초고층 주거 건물의 에너지 절약을 위한 개선 방안을 제시하였다.
냉난방설정온도의 경우 DOE-2.1E에서 입력 가능한 형태인 냉난방설정온도 각각의 중간 값(대상 건물의 경우 냉방설정온도는 26OC, 난방설정온도는 20℃(20℃므로 DOE-2.1E에서는 23℃를 입력)을 기준으로 변수의 범위를 설정하였다.
에너지 시뮬레이션을 실시하였다. 또한 민감도 분석을 통해 에너지 성능 변수의 우선순위를 도출하여 초고층 주거건물의 에너지 절약을 위한 개선 방안을 제시하였다.
민감도 분석을 위한 에너지 성능 변수는 앞서 살펴본 초고층 주거건물의 에너지 성능 변수와 기존중저층 건물과 다른 초고층 건물의 특징을 바탕으로 설정하였고, 변수의 범위는 관련 법규와 실제 적용가능한 값을 기준으로 설정하였다.[표 10]에서 변수 범위의 기준으로는 대상 건물에서의 값을 채택하였고, 창면적비의 경우 대상 건물의 값을 정수화하여 나타내었다.
본 연구는 초고층 주거건물의 사례 조사를 통해 에너지 성능 변수를 파악하고, 에너지 해석 모델을 작성하여 에너지 시뮬레이션을 실시하였다. 또한 민감도 분석을 통해 에너지 성능 변수의 우선순위를 도출하여 초고층 주거건물의 에너지 절약을 위한 개선 방안을 제시하였다.
본 절에서는 3절의 사례 조사를 통해 도출된 항목들을 바탕으로 에너지 해석 모델 작성에 필요한 초고층 주거건물의 에너지 성능 변수를 건축적인 측면을 중심으로 도출하였다.[표 5 참조]
본 절에서는 민감도 분석 결과를 바탕으로 민감도분석을 위해 설정한 에너지 성능 변수들의 우선순위를 냉방부하, 난방부하, 총부하로 나누어 도출하고, 각 변수들마다 냉난방부하에 미치는 민감도를 비교하여 각각[표 18]과[표 19]에 나타내었다.
조사는 크게 건축적인 측면과 설비적인 측면으로 나누어 실시하였다.<표 1 참조>사례조사 항목은 기존의 문헌에 나와 있는 에너지 절약과 관련된 항목들과 초고층 건물과의 연관성을 바탕으로 선정하였다.[표 2]는 사례 건물 각각의 개요를 나타낸 것이고, [그림 1]은 각 건물의 전경을 나타낸 것이다.
조사하였다. 조사는 크게 건축적인 측면과 설비적인 측면으로 나누어 실시하였다.<표 1 참조>사례조사 항목은 기존의 문헌에 나와 있는 에너지 절약과 관련된 항목들과 초고층 건물과의 연관성을 바탕으로 선정하였다.

대상 데이터

기상데이터는 대상 건물이 위치한 서울지역의 기상데이터 (공기조화냉동공학회, 1984~1993)를 사용하였고, 냉방기간은 6월 11일에서 9월 10일, 난방기간은 1월에서 3월까지와 11월에서 12월까지로 설정하였다.2)
있는 서울에 위치한 건물로서 광진구 자양동에 위치한 P사의, 건물이다. 대상 건물은 4개의 타워형고층 주거부로 이루어져 있고, 코어를 중심으로 각각의 주거공간이 구성되어 있다. 대상 건물의 개요는<표 6>과 같고, 전경 및 기준층 평면은[그림 2]와 같다.
8개의 존으로 나뉜다. 또한, 기준 모델의 층수는 4개 동 중 최고층인 58층으로 설정하였다.[표 7]은 기준 모델의 개요를 나타낸 것이다.
에너지 성능 분석의 대상 건물은 가장 최근에 시공 중이고, 국내에서 초고층 주거건물이 가장 밀집되어 있는 서울에 위치한 건물로서 광진구 자양동에 위치한 P사의, 건물이다. 대상 건물은 4개의 타워형고층 주거부로 이루어져 있고, 코어를 중심으로 각각의 주거공간이 구성되어 있다.
초고층 주거건물의 에너지 성능 변수를 파악하기 위해 국내의 초고층 주거건물 중 4개 사례를 채택하여 조사하였다. 조사는 크게 건축적인 측면과 설비적인 측면으로 나누어 실시하였다.

이론/모형

건물 내부의 설정 온습도는 건축물의 에너지절약설계기준을 참조해 설정하였다. 여름의 경우 건구온도 26℃, 상대습도 50%이고, 겨울은 건구온도 209, 상대습도 40%로 설정하였다.
시뮬레이션 도구로는 건물의 동적 반응이 포함되고 냉난방, 채광 및 전기 등 각종 에너지 시스템의정밀묘사, 정확하고 신뢰성 있는 동적 열부하 계산, 건물 에너지의 분석 등이 가능한 동적 에너지 해석프로그램인 DOE-2.1E와 Visual DOE를 이용한다.
주거공간의 거주인 수의 설정은 ASHRAE Fundamentals Handbook 2001의 내용을 참조하여 4명으로 산정하였다.

성능/효과

2) 대상 건물에 대한 에너지 시뮬레이션 결과, 냉방부하의 부하요소별 비율은 일사에 의한 열획득 (46%), 창을 통한 전도(17%), 침기(13%) 순으로 나타났으며, 난방부하의 경우 창을 통한 전도(45%), 침기(31%), 외벽(20%)의 순으로 나타났다.
필요가 있다.3)본 연구의 민감도 분석에서도 알 수 있듯이 Low-E유리의 경우 복층유리에 비해 최대 약 15.6%까지 난방에너지 비용을 절감할 수 있다.
대상 건물의 연간 냉방부하는 3, 135.174 MWh로 나타났고, 난방부하는 2, 516.994 MWh로 나타나 총부하는 5, 652.168 MWh로 산출되 었다. 단위면적당 부하를 살펴보면, 냉방부하는 35.
본 연구의 민감도 분석에서 살펴보면 창면적비를 각 방위별로 30~60%(단, 북쪽은 20~50%)로 변화시켰을 때의 최소 창면적비와 최대 창면적비 사이의 냉난방 부하 차이는 동쪽과 서쪽의 경우 냉방부하는 약 21%, 난방부하는 약 5% 정도의 차이가 발생했으며, 남쪽의 경우 냉방부하 약 20%, 난방부하 약 5%, 북쪽의 경우 냉방부하 약 17%, 난방부하 약 9%의 차이가 발생하였다. 이를 통해 동쪽과 서쪽의 창 면적 비를 특히 주의 깊게 고려하여 법규 기준을 만족하면서 창을 작게 설계한다면 냉난방에너지 절감에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
커튼월의 건물보다 RC조의 건물이 민감도 분석 결과 에너지 측면에서 약 5.3% 정도 유리한 것으로 나타났다.

후속연구

대상 건물의 에너지 해석 모델을 통한 시뮬레이션과 민감도 분석을 통해 도출한 에너지 성능 변수의 우선순위 및 초고층 주거건물의 에너지 절약을 위한 개선 방안은 차후 초고층 주거건물의 건축계획 시 참고 자료로 활용될 수 있을 것이라 판단된다.
차이가 발생하였다. 이를 통해 동쪽과 서쪽의 창 면적 비를 특히 주의 깊게 고려하여 법규 기준을 만족하면서 창을 작게 설계한다면 냉난방에너지 절감에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

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