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문제 정의
- 본 연구에서는 국내 태양열 주택의 새로운 가능 성 및 방향성 제시를 목적으로 그동안 단독주택을 주 대상으로 했던 현재까지의 성공적 연구 경험을 토대로 개념을 확대하여 고층 아파트 건물을 제로 에너지화 하기 위해 아파트 건물에 적용할 수 있는 핵심기술들을 분류하고 각각의 기술들에 대한 에너지 절감효과를 정량적으로 분석하여 아파트에 적용할 수 있는 최적의 제로에너지화 기술을 도출 하는데 연구의 목적이 있다
- 본 연구에서는 제로에너지 태양열 주택개발과 관련하여 건축 실무진에 의해 도출된 건축설계 계 획안을 대상으로 각종 요소기술에 대한 종합적 에너지 성능평가를 수행하여, 각 설계변수의 최적화 를 도모하였으며, 궁극적으로 계획된 설계안을 통해 도출할 수 있는 에너지 자립도을 예측하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 에너지 절감량을 예측하기 위한 공동주택의 기준모델은 30평 규모의 판상형으로 선정하였으며, 최상층, 중간층, 최하층으로 구분하고 중간층을 13개층으로 하여 총 15층으로 하였다. 건물의 방위는 정남향을 기준으로 하였으며, 선행 연구를 참고로 하여 침기량은 0.7회/h, 난방온도 24℃로 설정하였다. 인체발열 및 기기의 발열량은 한국에너지기술연구원의 건물에너지 성능평가에 따른 에너지 인증기준 설정연구에서 제시한 식에서 각각 135W, 3W/m2의 값을 적용하였다.
- 단열재의 설치위치는 선행연구의 결과$ 내단열 보다는 외단열이 열적 성능이 우수하지만 본 연구에서는 아파트에 일반적으로 시공되는 형태인 중 단열을 적용하였으며, 칸막이벽과 층별 바닥의 단 열재의 두께는 상하 난방을 고려하여 .슈퍼단열을 적용하지 않았다.
- 발코니의 확장이 에너지 성능에 미치는 영향을 분석하기 위해 발코니 확장전후의 난방에너지를 비교하였으며, 발코니 확장시 외기와 면하는 창의 종류를 2중유리와 3중유리로 변경하여 그 효과에 대해서 분석하였다.
- 15W/ meC이하인 것을 의미한다. 본 연구에서는 수퍼 단열의 효과를 분석하기 위해 기준모델의 단열재 인 50mm부터 100mm, 200mm, 250 mm로 증가시켜 단열재의 두께에 따른 난방에너지를 분석하였다.
- 본 연구에서는 시뮬레이션 해석모델의 침기량을 실내공기질의 권장값인 0.7회/h로 정하였으며, 거주자의 최소외기량인 0.3회/h로 변경한 후 난방에너지 소비량을 비교분석하였다.
- 본 절에서는 단독주택의 슈퍼단열의 에너지 성능분석의 결과를 바탕으로 공동주택의 외벽에 슈 퍼단열을 적용하여 분석하였다. 슈퍼단열이란 현재 시공되는 단열재의 두께인 50mm보다 200 mm이상 대폭 개선된 것으로 열관류율이 0.
- 외벽의 단열재 두께를 250mm, 지붕의 단열재 두께를 400mm로 한 후, 침기량을 0.3회를 적용하여 분석한 결과는 다음과 같다.
- 7회/h, 난방온도 24℃로 설정하였다. 인체발열 및 기기의 발열량은 한국에너지기술연구원의 건물에너지 성능평가에 따른 에너지 인증기준 설정연구에서 제시한 식에서 각각 135W, 3W/m2의 값을 적용하였다.
- 최종 제시된 설계안에 대한 각종 성능평가 결과를 요약하면 표 3와 같다. 표에 정리된 바와 같이 일반공동주택을 기준모델로 하여, 핵심 요소기술을 개별적으로 적용한 경우 난방 에너지 절감량 평가 결과와, 이들 요소기술을 조합하여 적용한 통합 적용 해석결과를 절감량 및 절감비율 형태로 예시하였다.
대상 데이터
- 분석 프로그램은 동적열해석 프로그램인 Esp-r 10을 이용하였으며, 이 프로그램에 대한 정확성 분석은 이미 국내의 연구논문을 통해 발표된 바 있다. 기상데이터는 서울 30년 평균기상 데이터를 이용하였다.
- 본 연구에서는 에너지 절감량을 예측하기 위한 공동주택의 기준모델은 30평 규모의 판상형으로 선정하였으며, 최상층, 중간층, 최하층으로 구분하고 중간층을 13개층으로 하여 총 15층으로 하였다. 건물의 방위는 정남향을 기준으로 하였으며, 선행 연구를 참고로 하여 침기량은 0.
데이터처리
- 분석 프로그램은 동적열해석 프로그램인 Esp-r 10을 이용하였으며, 이 프로그램에 대한 정확성 분석은 이미 국내의 연구논문을 통해 발표된 바 있다. 기상데이터는 서울 30년 평균기상 데이터를 이용하였다.
성능/효과
- 2%의 난방에너지 절감이 있는 것으로 나타났다. 그러나 외피면적에 따라 분석을 달리할 때 외피면적이 가장 큰 경우(15-E) 단열재의 두께를 50mm에서 250mm로 변경할 경우, 난방에너지는 약 32%정도 감소하는 것으로 나타났다. 외피의 면적변화가 없는 2-E의 경우 단열재의 두께가 50mm에서 250mm로 변할 경우 약 8%의 난방에너지 절감이 있는 것으로 나타났다.
- 기준모델의 분석결과 세대별 평균 단위면적당 111.84kWh/m2yr로 선행연구 결과인 146kWh /meyr과 약 14%의 오차가 있지만 열원기기의 에너지 변환효율과 하절기(6,7,8,9월) 부하패턴을 고려할 때 14%의 오차는 유의성이 있는 결과로 사료된다.
- 28 kWh/mQr)로 나타났다. 기준모델의 침기량인 0.7 회/h와 비교할 때, 0.3회/h의 경우 절대난방에너지 절감량은 3211.95kWh(30.13kWh/m2yr)1^, 약 29.6%정도 에너지가 절감되는 것으로 분석되었으며, L0회/h의 경우 2497.64kWh(23.43kWh/i/yr)로 20.9%의 난방에너지가 증가하는 것으로 공동주택의 침기량 변화에 따라 20%이상의 난방에너지 변화가 있는 것을 고려할 때, 가능한 침기량을 최소화하는 것이 바람직한 것으로 나타났다. 하지만 최근 공동주택의 실내공기질에 관한 규정에 의해 권장 침기량이 0.
- 따라서 공동주택의 경우 외피면적이 큰 최상층 이나 측벽에 면한 세대의 경우 단열재의 두께가 50mm에서 250mm로 증가할수록 난방에너지 절감효과는 큰 것으로 나타났으며, 최상층의 경우 최대 32%까지 난방에너지 절감효과가 있는 것으로 나타났다.
- 발코니의 확장 시 난방에너지는 발코니가 있는 기준모델과 비교할 때 발코니가 없을 경우 난방에너지 증가는 22kWli/m2yr이며, 이것은 20% 에 해당한다. 또한 발코니가 없는 경우 발코니창으로 3중로이유리를 설치할 경우 태양복사 투과율이 45%이하로 감소기 때문에 단열성능이 2중유리보다 우수하지만 유입일사량이 낮기 때문에 난방에너지 소비량이 크게 나타났다. 하지만 본 연구에서는 3중Low*유리의 광학데이터로 SHGC 45%이하(Low Solar Gain)인 창호를 선택하였기 때문에 나타나는 현상이므로 추후 광학데이터 와 열관류율 성능변화에 따른 종합적인 분석 이루어져야 할 것으로 사료된다.
- 3회/h로 줄일 경우 기존부하대비 약 30%의 절감효과를 기대할 수 있는 것으로 나타났다. 또한 슈퍼단열을 적용할 경우 약 17%의 절감 효과를 기대할 수 있는 것으로 나타났다.
- 분석결과 단열재의 두께가 50mm일 때 공동주택 단위면적당 평균난방에너지는 111.86kMh/m2yr 이었으며, 단열재를 100mm, 200mm, 250mm로 할 경우 15층의 전체의 단위면적당 평균난방에너지는 각각 10L52kWh/m2yr, 94.35kWh/m2yr,92.67kWh/m2yr으로 나타났으며, 50mm 대비 10%, 15.7%, 17.2%의 난방에너지 절감이 있는 것으로 나타났다. 그러나 외피면적에 따라 분석을 달리할 때 외피면적이 가장 큰 경우(15-E) 단열재의 두께를 50mm에서 250mm로 변경할 경우, 난방에너지는 약 32%정도 감소하는 것으로 나타났다.
- 분석결과에 나타난 바와 같이 여러 요소기술 중 절감폭이 가장 큰 것은 침기량으로 나타났으며 침기량을 0.3회/h로 줄일 경우 기존부하대비 약 30%의 절감효과를 기대할 수 있는 것으로 나타났다. 또한 슈퍼단열을 적용할 경우 약 17%의 절감 효과를 기대할 수 있는 것으로 나타났다.
- 세대별 연간 에너지 소비량을 비교해보면, 지붕과 측벽에 면한 세대(15-E, 그림 2참조)가 난방 에너지가 연간 13949kWh(130.85kWh/m2yr)로 가장 크게 나타났으며, 중간세대 (15-E)는 931 lkWh(97.34kWh/m2yr)S 가장 적게 나타났다. 이것은 외기에 면한 외피면적의 크기와 관련이 있는 결과로 분석되었으며, 세대별 최대와 최소난방 부하의 비율은 약 33%정도로 부하의 차이가 큰 것으로 나타났다.
- 핵심기술의 통합적용결과 외벽에 250mm 슈퍼 단열과 400mm 지붕의 단열 그리고 침기량을 0.3회로 적용했을때 약 52%의 절감효과가 있는 것으로 나타났다.
후속연구
- 이상의 연구를 통해 공동주택에서도 에너지 절감을 위한 핵심기술을 적용했을 때 50%이상의 에너지 절감이 예측되었으며 이 결과를 바탕으로 보급형 제로에너지 공동주택을 위해 적용가능한 시스템들의 경제성, 시공성에 대한 연구결과를 제시할 예정이다.
- 또한 발코니가 없는 경우 발코니창으로 3중로이유리를 설치할 경우 태양복사 투과율이 45%이하로 감소기 때문에 단열성능이 2중유리보다 우수하지만 유입일사량이 낮기 때문에 난방에너지 소비량이 크게 나타났다. 하지만 본 연구에서는 3중Low*유리의 광학데이터로 SHGC 45%이하(Low Solar Gain)인 창호를 선택하였기 때문에 나타나는 현상이므로 추후 광학데이터 와 열관류율 성능변화에 따른 종합적인 분석 이루어져야 할 것으로 사료된다.
- 9%의 난방에너지가 증가하는 것으로 공동주택의 침기량 변화에 따라 20%이상의 난방에너지 변화가 있는 것을 고려할 때, 가능한 침기량을 최소화하는 것이 바람직한 것으로 나타났다. 하지만 최근 공동주택의 실내공기질에 관한 규정에 의해 권장 침기량이 0.7회/h와 최소외기량 0.3회/h를 고려할 때 침기량 증가량인 0.4회/h에 해당하는 난방에너지 절감량은 추후 진행될 배열회수 시스템으로 해결해 나가야 할 것으로 사 료된다.
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