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문제 정의
- 본 연구에서는 주거건물의 유형별로 프로토타입을 선정하여 각각의 부하특성 및 유형에 따른 환경조절요구에 대해 분석하였다.
가설 설정
- 시스템의 작동은 실외공기의 엔탈피가 실내공기의 엔탈피보다 낮을 경우, 난방모드로 현열교환기가 작동하도록 하였다. 난방기를 제외한 기간에는 자연환기를 도입하여 부하를 제거하도록 하였으며, 현열교환기의 효율은 일반적으로 적용되고 있는 75%로 가정하였다.
- 또한, 기밀성을 확보한 건물에 있어서 난방부하를 줄이는 방안으로 현열교환기(HRV)를 적용하여 부하에 대한 영향을 살펴보았으며, 이때 단독주택은 침기가 0.5ACH라고 가정하였다.
제안 방법
- 또한, 난방부하에 영향을 미치는 요인 중의 하나는 구조체를 통한 열손실이므로, 단열재 두께에 따른 건물 냉 . 난방부하의 민감도를 살펴 보았다. 사례주택은 외벽과 천정에 50mm, 바닥에는 75mm의 단열재가 사용되었다.
- 따라서, 거실과 발코니 사이의 유리종류는 동일하게 하고 완충공간의 외부유리창의 종류를 변화시켜 가면서 겨울철 월평균 온도를 살펴보았다 (Fig. 8 참조). 그 결과, 완충공간의 외부유리를 이중창으로 적용할 경우 단창을 사용할 때보다 겨울철 5℃ 이상의 온도상승효과를 보였다.
- 일반적으로 단독주택은 다른 주거유형에 비해 기밀성이 떨어지는 시공으로 겨울철 침기에 의한 난방부하가 크게 발생한다. 따라서, 냉방시 침기율을 0.1 ~1회까지 0.1 회씩 증가시켜 가면서 부하의 변화를 살펴 보았다(Fig. 4 참조).
- 따라서, 본 연구에서는 주거건물을 단독주택, 공동주택, 초고층 주상복합의 세 가지 유형으로 분류하고 프로토타입을 선정하여 각각의 에너지 성능을 트랜시스(TRNSYS)를 이용하여 분석한 후, 주거유형에 따른 환경조절요구를 분석하였다.
- 따라서 단독주택에서는 난방부하를, 공동주택 및 주상복합건물에서는 냉방부하 를 줄이기 위한 환경조절방법이 요구되며, 단독주택에서 발생된 난방부하는 단열 및 침기 차단에 의해 조절이 가능한 것으로 나타났고, 공동주택 및 주상복합건물에서는 냉방부하에 대해 통풍 및 환기를 통해 절감이 가능할 것으로 분석되었다. 따라서, 주거유형별 주요 환경조절인자들을 대상으로 만감도분석을 실시하였다.
- 또한, 초고층 주상복합의 경우 기계식 환기시스템의 도입이 요구되므로 전열교환기(ERV)의 적용성을 살펴보았으며, 전열교환기는 현열효율 75 %, 잠열효율 44%를 적용하였다.
- 시스템의 작동은 실외공기의 엔탈피가 실내공기의 엔탈피보다 낮을 경우, 난방모드로 현열교환기가 작동하도록 하였다. 난방기를 제외한 기간에는 자연환기를 도입하여 부하를 제거하도록 하였으며, 현열교환기의 효율은 일반적으로 적용되고 있는 75%로 가정하였다.
- 평가대상 공동주택의 자연환기 가능성을 살펴 보기 위해 거실과 외기를 기준으로 자연환기 가능기간을 설정하였다. 최대자연환기(15~20ACH) 를 실시할 경우 쾌적조건을 만족하는 기간은 전체기간 중 42.
대상 데이터
- 단독주택 시뮬레이션은 지상 1층을 대상으로 하였으며, 각 실은 침실1, 침실2, 거실 및 주방으로 구성되고 비공조실은 욕실, 드레스룸, 다용도실, 현관으로 이루어져 있으며, 층고는 2.4m로 설정 하였다.
- 본 연구에서는 30층 이상의 주상복합건물을 대상으로 평면형태를 살펴보았으며, 판상형 또는 정방형 형상이 가장 많이 보급되어 있었다.
- 난방부하의 민감도를 살펴 보았다. 사례주택은 외벽과 천정에 50mm, 바닥에는 75mm의 단열재가 사용되었다. 단열재 두께에 따른 난방부하의 변화는 Fig.
- 주거유형별 프로토타입으로 선정된 건물은 서울에 위치한 정남향 건물로 단독주택은 지상 2층 규모의 전용면적 110m221 조적조 건물을 선정하였으며 , 공동주택은 계단실형의 철근콘크리트조로 10층의 전용면적 125n?인 세대를 선정하였고, 주상복합건물은 타워형의 철골철근콘크리트조로 35 층의 전용면적 130m2인 세대를 선정하였다. 유형 별 단위평면은 Table 2와 같다.
- 주거유형별 프로토타입으로 선정된 건물은 서울에 위치한 정남향 건물로 단독주택은 지상 2층 규모의 전용면적 110m221 조적조 건물을 선정하였으며 , 공동주택은 계단실형의 철근콘크리트조로 10층의 전용면적 125n?인 세대를 선정하였고, 주상복합건물은 타워형의 철골철근콘크리트조로 35 층의 전용면적 130m2인 세대를 선정하였다. 유형 별 단위평면은 Table 2와 같다.
- 초고층 주상복합건물은 침실1, 2, 3, 가족실 맟 거실+주방 + 식당으로 구성된 공조 존과 욕실1, 2, 다용도실, 창고, 현관의 비공조실로 구성하였으며, 각 실의 천장고는 2.3m로 설정하였다. 구체적인 시뮬레이션 입력조건은 Table 3과 같다.
성능/효과
- K(거실+ 식 당 +부엌) 방식의 평면이 등장하였으며, 60년대 주택이나 아파트에 적용되지 못했던 부엌의 노출과 입식화가 정착되기 시작하였다.(3) 난방방식도 중앙공급식 난방이 중산층 아파트에서 자리잡게 되면서 연탄 위주의 개별난방방식에 변화를 가져오게 되었다. 내부구조를 보면 70년대 초기 아파트들에서 나타난 라디에이터 난방방식의 입식구조가 자연스럽게 바닥 복사난방으로 변화하면서 오랜 전통인 온돌의 좌식구조로 정착하였다.
- 1), 단독주택의 부하가 85, 077kcal/m2・yr로 가장 크게 나타났으며, 그 중에서도 난방부하가 56, 884 kcal/m2 · yr로 큰 비중을 차지하였다. 공동주택 및 주상복합건물 경우에는 난방부하(8, 992kcal/m2・yr, 3, 991kcal/m2・yr)보다 냉방부하가 각각 38, 098 kcal/ m2・yr와 42, 118kcal/m2・yr로 단독주택에 비해 크게 나타났으며, 주상복합의 경우 외피면적에 따른 열손실은 적지만 내부발열에 의해 발생된 열이 외부로 방출되지 못함에 따라 냉방부하가 크게 발생하는 것으로 나타났다.
- 그 결과, 공동주택수준(0.3~0.35회/h)의 기밀성 확보가 가능하다면 단위면적당 연간 약 30Meal 의 난방부하를 절감할 수 있는 것으로 나타났다.
- 8 참조). 그 결과, 완충공간의 외부유리를 이중창으로 적용할 경우 단창을 사용할 때보다 겨울철 5℃ 이상의 온도상승효과를 보였다.
- 각 주거 유형별로 시뮬레이션을 통한 연간 냉 . 난방 부하를 비교해 보았으며, 그 결과(Fig. 1), 단독주택의 부하가 85, 077kcal/m2・yr로 가장 크게 나타났으며, 그 중에서도 난방부하가 56, 884 kcal/m2 · yr로 큰 비중을 차지하였다. 공동주택 및 주상복합건물 경우에는 난방부하(8, 992kcal/m2・yr, 3, 991kcal/m2・yr)보다 냉방부하가 각각 38, 098 kcal/ m2・yr와 42, 118kcal/m2・yr로 단독주택에 비해 크게 나타났으며, 주상복합의 경우 외피면적에 따른 열손실은 적지만 내부발열에 의해 발생된 열이 외부로 방출되지 못함에 따라 냉방부하가 크게 발생하는 것으로 나타났다.
- 난방부하 감소방안으로는 HRV의 적용성을 살펴보았고, 그 결과 약 34%의 난방부하절감이 가능한 것으로 나타났다.
- 시뮬레이션 결과 남향, 북향, 동향의 경우는 냉.난방부하가 다소 차이는 있으나 부하의 합이 거의 비슷한 수준을 보였으며, 동향이 남향의 세대에 비해 냉방부하가 적게 발생하는 것으로 나타났다.
- 냉방기간 동안 외기엔탈피가 내부엔탈피보다 높은 경우에는 전열교환기가 작동하고 그렇지 않은 경우는 최소환기인 0.5ACH를 실내로 도입하도록 하여 부하의 변동을 살펴보았으며 전열교환기 적용시 5.16%의 냉방에너지 절감효과를 보였다. 연구결과를 종합하면 Table 5와 같다.
- 난방요구를 보였다. 단독주택의 경우에는 난방을 필요로 하는 기간이 전체의 44%, 공동주택 및 주상복합 건물은 냉방을 필요로 하는 기간이 각각 60%, 65%로 나타났다. 따라서 단독주택에서는 난방부하를, 공동주택 및 주상복합건물에서는 냉방부하 를 줄이기 위한 환경조절방법이 요구되며, 단독주택에서 발생된 난방부하는 단열 및 침기 차단에 의해 조절이 가능한 것으로 나타났고, 공동주택 및 주상복합건물에서는 냉방부하에 대해 통풍 및 환기를 통해 절감이 가능할 것으로 분석되었다.
- 사례주택은 외벽과 천정에 50mm, 바닥에는 75mm의 단열재가 사용되었다. 단열재 두께에 따른 난방부하의 변화는 Fig. 2와 같으며, 외벽과 바닥의 경우, 단열재 두께에 따른 부하의 감소비율을 고려하여 볼 때 50~70mm 정도의 단열이 적절한 것으로 나타났다.
- 단독주택의 경우에는 난방을 필요로 하는 기간이 전체의 44%, 공동주택 및 주상복합 건물은 냉방을 필요로 하는 기간이 각각 60%, 65%로 나타났다. 따라서 단독주택에서는 난방부하를, 공동주택 및 주상복합건물에서는 냉방부하 를 줄이기 위한 환경조절방법이 요구되며, 단독주택에서 발생된 난방부하는 단열 및 침기 차단에 의해 조절이 가능한 것으로 나타났고, 공동주택 및 주상복합건물에서는 냉방부하에 대해 통풍 및 환기를 통해 절감이 가능할 것으로 분석되었다. 따라서, 주거유형별 주요 환경조절인자들을 대상으로 만감도분석을 실시하였다.
- 따라서, 기존의 발코니와 확장형 발코니에 대한 실내부하의 차이를 비교해 보았으며, 그 결과 확장형 발코니의 경우 일사영향에 의해 거실의 냉방부하가 24.16% 증가하였으며 완충공간의 부 재로 인해 난방부하도 증가하였다. 따라서, 실내.
- 따라서, 이중외피 등의 대안을 이용하여 자연환기를 도입할 경우 자연환기 가능기간을 산출해 보면 전체기간 중 36.23%의 기간이 자연환기에 의한 냉방 가능기간으로 나타났다.
- 따라서, 환기만으로 냉방이 가능한 여름철 특정일을 대상으로 환기율변화에 따른 실온변화를 살펴 보았으며 (Fig. 9 참조), 본 기간 동안 20-26℃ 정도의 쾌적범위를 만족시키기 위해서는 4~8 ACH 정도의 환기율이 필요한 것으로 나타났다.
- 또한, 각 향별 일사홉수량을 살펴보면, 연간 냉방부하와 유사한 형태를 보였으며, 일사의 영향이 주상복합건물의 냉방부하에 가장 큰 영향을 미치므로 일사를 차단하기 위한 적절한 대안이 필요한 것으로 나타났다.
- 32%로 이 중 외피 등의 대안을 이용하여 자연환기를 도입할 경우 환기에 의한 냉방의 가능성이 클 것으로 나타났다. 또한, 냉방부하 감소방안으로 전열교환기를 적용시킬 경우 약 5.16%의 냉방에너지 절감효과를 보였다.
- 민감도 분석결과, 외벽 및 바닥의 단열재는 두께가 증가함에 따라 난방부하가 감소하나 경제성 등을 고려할 때 50 - 70mm 정도의 단열이 적절한 것으로 나타났다. 또한, 유리의 종류와 창면적 비에 따라 남측과 북측에 면한 실을 대상으로 냉난방부하를 살펴보았으며, 그 결과 방위에 따라 부하의 차이가 상당히 크므로 적절한 창면적비 계획에 의해 실 간의 온도차이를 최소화하면서 부하를 줄이는 것이 요구되었다.
- 완충공간의 유무에 따른 온열환경을 살펴보면, 발코니에 샤시를 설치할 경우 1월의 발코니 평균 온도가 4월의 평균 외기온도와 상응하는 것으로 나타났으며, 실내와 발코니 사이 벽체의 유리종 류는 부하에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 또한, 자연환기를 이용한 냉방의 경우 최대 환기 적용시 쾌적범위를 만족하는 기간은 전체 기간 중 42.56%로 자연환기에 의한 냉방의 가능성이 큰 것으로 나타났으며 쾌적범위(20~26℃) 를 만족하기 위해서는 4-8ACH 정도의 환기율이 적절한 것으로 나타났다.
- 또한, 창면적비에 대한 부하의 민감도에서 단창의 경우 크게 영향을 받는 것으로 나타났으나, 이중창이나 Low-e 유리의 경우 상대적으로 영향이 적어 부하변동이 거의 없었다.
- 따라서, 완충공간 유.무에 따른 부하를 비교해 보았으며, 발코니에 샤시 를 설치할 경우, 단위면적당 연간 약 IQOOOkcal의 난방에너지 절감효과를 나타냈다(Fig. 6 참조).
- 민감도 분석결과, 외벽 및 바닥의 단열재는 두께가 증가함에 따라 난방부하가 감소하나 경제성 등을 고려할 때 50 - 70mm 정도의 단열이 적절한 것으로 나타났다. 또한, 유리의 종류와 창면적 비에 따라 남측과 북측에 면한 실을 대상으로 냉난방부하를 살펴보았으며, 그 결과 방위에 따라 부하의 차이가 상당히 크므로 적절한 창면적비 계획에 의해 실 간의 온도차이를 최소화하면서 부하를 줄이는 것이 요구되었다.
- 시뮬레이션 결과, 난방부하는 일반기계환기시 49,578kcal/m2・yr로 나타났으며, 현열교환기를 적 용할 경우 32,538kcM/m2・yr로 연간 17, 040 kcal/m2(34.36%)의 난방에너지가 절감되는 것으로 나타났다.
- 70년대부터 90년대까지 건설된 단독주택의 평 면유형은 가로방향 장방형, r자형, ㄷ자형 등이 주류를 이루고 있으며, 이러한 경향은 우리나라 의 주택에서 보이는 전통적인 성향, 즉 주택 전면부에 충분한 공간을 확보하면서 주요한 공간은 남쪽을 향하게 한다는 개념이 반영된 것으로 보인다. 실제 거주하고 있는 주택의 평균 규모와 살기 원하는 주택의 규모를 분석해보면 평수는 20 ~35평, 방의 개수는 3~4실로 나타났으며, 현재 가장 많이 보급되어 있는 단독주택의 장단변비는 1 : 1~1 : 1.5, 창면적비는 20~30%로 나타났다.(2)
- 완충공간 설치시 실내와 발코니 사이에 있는 벽체의 창면적비와 유리의 종류에 따른 부하변화를 살펴보았으며, 시뮬레이션 결과 거실과 발코니 사이의 유리종류는 부하에 큰 영향을 주지 않는 것으로 나타났다.
- 완충공간의 유무에 따른 온열환경을 살펴보면, 발코니에 샤시를 설치할 경우 1월의 발코니 평균 온도가 4월의 평균 외기온도와 상응하는 것으로 나타났으며, 실내와 발코니 사이 벽체의 유리종 류는 부하에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 또한, 자연환기를 이용한 냉방의 경우 최대 환기 적용시 쾌적범위를 만족하는 기간은 전체 기간 중 42.
- 평가대상 공동주택의 자연환기 가능성을 살펴 보기 위해 거실과 외기를 기준으로 자연환기 가능기간을 설정하였다. 최대자연환기(15~20ACH) 를 실시할 경우 쾌적조건을 만족하는 기간은 전체기간 중 42.56%로, 자연환기에 의한 냉방의 가능성이 큰 것으로 나타났다.
- 특히, 서향의 경우에는 일사에 의한 영향으로 냉방부하가 상당히 크게 발생하므로 일사량 조절을 위한 장치(sun break)를 설치하고 이것을 의장적으로 활용하는 방안이 요구되며, 타워형보다는 판상형의 평면유형을 적용하는 것이 에너지 절약 측면에서 유리한 것으로 나타났다.
- 평가대상 단독주택의 남측에 면한 거실 창면적비는 70%, 북측에 면한 침실 창면적비는 30%로 계획되었으며, 민감도 분석결과 냉방부하의 경우 유리의 종류 따른 영향은 적게 나타났으나, 난방 부하의 경우에는 상당히 크게 나타났다. 특히, 남측면 단창의 경우 단위면적당 연간 9, 000kcal3] 난방부하가 발생하였으며, 이중창이나 Low-e 창 의 경우 약 4, 500 -5,000kcalS.
- 외 차양의 적용과 같은 적절한 대안이 요구되었다. 환기방식에 있어서는 자연환기에 의한 냉방기간이 전체 기간의 36.32%로 이 중 외피 등의 대안을 이용하여 자연환기를 도입할 경우 환기에 의한 냉방의 가능성이 클 것으로 나타났다. 또한, 냉방부하 감소방안으로 전열교환기를 적용시킬 경우 약 5.
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