[논문]남부지역 주거건물의 외피단열변화에 따른 에너지소비량 예측

문진우; 한승훈; 오세규

doi:10.6107/jkha.2011.22.1.115

[국내논문] 남부지역 주거건물의 외피단열변화에 따른 에너지소비량 예측
Prediction of the Amount of Energy Consumption by Variation in Envelope Insulation on a Detached House in Southern Part of Korea 원문보기

한국주거학회 논문집 = Journal of the Korean Housing Association, v.22 no.1, 2011년, pp.115 - 122

문진우 (전남대학교 바이오하우징 연구사업단) , 한승훈 (전남대학교 건축학부) , 오세규 (전남대학교 건축학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This study aimed at quantifying the impact of envelope insulation on energy consumption for thermal controls in residential buildings in southern part of Korea. A series of parametric simulations for a range of R-values of walls, roof, floor, and windows were computationally conducted for a prototypical Korean detached house. Analysis revealed that the total amount of heat gain was larger than that of heat loss, while the amount of energy for cooling was smaller than that for heating due to the difference of system efficiency; the envelope heat transfer was more significant for the heat loss, thus, the increase of the envelope insulation was more effective to reduce heating load; and there were certain levels of envelope insulation after which the energy saving effect was not significant. These findings are expected to be a fundamental database for the decision of proper insulation level in Korean residential buildings.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

63시뮬레이션 툴은 US. Department of Energy(US. DOE)의 지원 하에 Lawrence Berkeley National Laboratory(LBNL)에 개발한 DOE-2.2에 근간하여, 시각적 효과를 강조한 건물에너지 분석을 위한 프로그램이다. 이 프로그램을 통해 다양한 건물 디자인 및 시스템의 적용에 대한 에너지 성능 비교 분석이 가능하며, 현재 건물 에너지 관련 다양한 연구에 적용되어지고 있다(eQUEST 2010).
본 연구의 목적은 변동적인 단열 기준의 근거가 될 수 있도록 건물 외피 단열의 효과를 정량적으로 조사하는 데 있다. 다양한 수준의 외벽, 지붕, 바닥, 그리고 창의 단열 정도 변화와 그에 따른 주거건물 에너지 소비 행태의 분석을 통해 남부지역 단독주거건물에 대한 효과적인 단열정도를 제시하고자 한다.
본 연구는 효과적인 건물외피 단열의 정도를 밝히기 위해 다양한 수준의 외벽, 지붕, 바닥, 그리고 창호의 단열 값과 그에 따른 주거건물 에너지 소비 행태를 분석하였다. 이를 위해 한국의 평균적 형태를 가진 남부지방에 위치한 가상의 단독주거건물 대한 컴퓨터시뮬레이션을 통해 열 취득·손실, 연간에너지사용, 그리고 단열값에 따른 냉난방 에너지 사용량 변화 등을 계산하였다.
본 연구의 목적은 변동적인 단열 기준의 근거가 될 수 있도록 건물 외피 단열의 효과를 정량적으로 조사하는 데 있다. 다양한 수준의 외벽, 지붕, 바닥, 그리고 창의 단열 정도 변화와 그에 따른 주거건물 에너지 소비 행태의 분석을 통해 남부지역 단독주거건물에 대한 효과적인 단열정도를 제시하고자 한다.
연구는 외피 단열값과 냉난방에너지의 관계를 에너지량의 측면에서 분석하기 위하여 가상의 대상건물에 대한 컴퓨터 시뮬레이션을 실시하였다. 냉난방시스템의 온도 설정, 개구부의 개폐 등 재실자의 주관적 주거 행태에 대한 고려가 이루어지지 않았음으로, 결과의 실제 적용을 위해서는 실험 및 실제 건물을 대상으로 한 추후 연구가 요구되어진다.

제안 방법

건물 열 환경 조절을 위하여 냉방(DX Coils)·난방(Hot Water Coils) 시스템을 설치하였으며, 냉난방을 위한 기본 설정온도는 각각 25.6℃와 20℃로 하였고 평일주간의 월~금, 오전 9시~오후 5시는 29.4℃ 냉방과 15.6℃ 난방으로 설정온도가 변경되도록 하였다(ASHRAE 2004a).
그리고 차양 장치를 설치하지 않은 15%의 창면적비, 0.35ACH의 기계 환기, 89 cfm의 침기, 4인 가족 기준 인체발열·조명·실내기기에 의한 실내부하를 고려하였다.
K/W) 변화를 입력변수로 하였다. 기본형은 R1.72(외벽), R6.67(지붕), R5.56(바닥), 그리고 R0.26(창)이며, 한가지 요소의 단열값이 변할 경우 나머지 요소는 기본값으로 고정시킨 후 테스트하였다. 각 요소의 단열값 변화는 <표 3>에 정리되어 있다.
다양한 수준의 외피단열과 에너지 감소 효과의 관계를 도출하기 위해 외벽, 지붕, 바닥, 그리고 창의 단열값(m²K/W) 변화를 입력변수로 하였다. 기본형은 R1.
본 연구에선 시뮬레이션 방법의 적용을 통해 대상건물의 열 취득·손실 및 연간 에너지 사용량을 계산하고, 외벽, 지붕, 바닥, 창 등 건물 외피의 각 요소에 대한 단열량 변화에 따른 냉난방 에너지량을 도출하였다.
수치계산을 실시하여 기본형에 대한 열 취득·손실, 연간에너지 사용, 그리고 외피 단열값 변화에 따른 에너지 소비 변화 관하여 분석하였다.
외벽, 지붕, 바닥, 그리고 창의 적절한 단열값을 도출하기 위해 기본형(R1.72 외벽, R6.67 지붕, R5.56 바닥, R0.26 창)을 기준으로 하여 단열값의 변화 시 연간 냉난방에너지 양의 증감 효과를 분석하였다.
이를 위해 한국의 평균적 형태를 가진 남부지방에 위치한 가상의 단독주거건물 대한 컴퓨터시뮬레이션을 통해 열 취득·손실, 연간에너지사용, 그리고 단열값에 따른 냉난방 에너지 사용량 변화 등을 계산하였다.

대상 데이터

이에 근거하여 한국 주거건물의 형태를 대표할 수 있도록 단순화시킨 가상의 건물을 <그림 1>과 같이 구성하였다. 96 m²의 단층 주거건물이며, 공간구성은 85%의 주거공간, 8%의 수납을 위한 저장공간, 7%의 세탁 등을 위한 다용도실공간으로 구성하였다. 그리고 차양 장치를 설치하지 않은 15%의 창면적비, 0.
기후데이터는 한국태양에너지학회에서 제시한 대한민국 표준기상데이터 중 남부지역인 광주의 것으로 사용하였으며, 이때 eQUEST 툴에 사용하기 위해 제시된 txt 파일을 bin 파일로 변환하여 사용하였다(한국태양에너지학회2010).
시뮬레이션에 사용될 대상건물은 한국 주거건물에 대한 대표성을 띄도록 구성하였다. 국토해양부에서 조사한 건축물 현황 자료에 따르면 주거용 건물은 전체건물의 67.
연간 에너지 사용량(12.5 MWh) 중 실내 열 환경 조절을 위하여 앞서 서론에서 제시한 58.1%와 근사한 값인 53.1%(냉방 16.6%, 난방 36.5%)의 에너지를 사용하였다<;그림 7>.
6℃ 난방으로 설정온도가 변경되도록 하였다(ASHRAE 2004a). 테스트의 기본형으로서 건물외피의 열관류율(W/m²K)은 국토해양부개정안에서 제시한 값으로 설정하였다(남부지역, 외벽: 0.58, 지붕: 0.15, 바닥: 0.18, 창: 3.8). 이를 단열값(m²K/W)으로 환산하면 각각 R1.

이론/모형

외피 단열 효과를 조사하기 위해 eQUEST3.63을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션 방법을 적용하였다. eQUEST3.

성능/효과

1) 냉방기간 중의 열 취득량이 난방기간중의 열 손실량보다 큰 것으로 나타났다. 그에 따라 냉방 부하량이 난방 부하량보다 큰 것으로 나타났으나, 적용된 냉난방시스템의 효율(냉방시스템: 9.
2) 창을 통한 태양복사열 유입은 냉방기간 중 열취득의 중요 요소였으며, 이는 냉방부하의 증가 요인으로 작용하였다. 냉난방부하의 감소를 위해 여름철에는 유입을 방지하고 겨울철에는 허용하는 적절한 형태의 차양 장치 설치가 요구되어진다.
3) 외피를 통한 열전달의 경우, 열 손실은 전체 건물열 손실의 대부분을 차지한 반면 열 취득은 상대적으로 낮은 비율을 차지하였다. 이는 외피의 단열값 증가는 겨울철 난방부하 감소에 보다 효과적일 수 있다는 것을 의미한다.
4) 실내 열 환경 조절을 위하여 연간에너지소비량의 1/2 이상을 사용하는 것으로 나타났으며 이 중 약 2/3를 난방을 위해 사용했다. 외피 단열값 증가에 따른 난방부하 감소를 통해 에너지소비의 가장 큰 부분을 차지하는 난방에너지 절약 효과가 예상된다.
5) 외벽, 지붕, 바닥, 그리고 창의 단열값 변화에 대한 냉난방에너지 변화량 분석에 의하면 외피의 단열값 증가는 공통적으로 난방에너지 사용량의 감소에 효과적이며, 그에 따라 연간 열 환경 조절을 위한 에너지 사용량을 감소시켰다. 하지만, 그 효과는 단열값의 초기 증가(외벽, 지붕, 바닥의 경우 R3~4, 창 R0.
6) 냉방에너지의 경우 단열값 변화에 대하여 민감한 변화를 보여주지 못했으며, 특히 창의 경우 단열값 증가에 따라 오히려 냉방에너지 사용량이 증가됨을 보여주었다. 이는 강화된 창의 단열값이 외기온도가 실내온도보다 낮은 기간 동안 이루어지는 창을 통한 외부로의 열 손실을 감소시킨 것으로 사료된다.
1R)하는 것으로 나타났다<그림 14>. 감소비율은 국토해양부에서 제시한 R0.26 부근까지 효과적인 것으로 분석되었다.
건물 냉난방 총 에너지량은 외피 단열값이 증가함에 따라 감소되어지는 것으로 분석되었다. 난방에너지의 경우 단열값의 증가는 사용량 감소효과를 보여주었으나, 냉방 에너지의 경우에 있어선 그 효과가 미비하거나 오히려 악영향(예, 창)을 끼칠 수 있는 것으로 나타났다.
1) 냉방기간 중의 열 취득량이 난방기간중의 열 손실량보다 큰 것으로 나타났다. 그에 따라 냉방 부하량이 난방 부하량보다 큰 것으로 나타났으나, 적용된 냉난방시스템의 효율(냉방시스템: 9.7SEER, 난방시스템: 80%)에 의하여 실제 냉방에너지는 난방에너지보다 적은 것으로 분석되었다.
건물 냉난방 총 에너지량은 외피 단열값이 증가함에 따라 감소되어지는 것으로 분석되었다. 난방에너지의 경우 단열값의 증가는 사용량 감소효과를 보여주었으나, 냉방 에너지의 경우에 있어선 그 효과가 미비하거나 오히려 악영향(예, 창)을 끼칠 수 있는 것으로 나타났다. 이것은 건물외피를 통한 열취득의 비율(36.
9%)의 순으로 나타났다. 분석에 근거하면, 완벽한 외피단열을 통해 이론적으론 2,710 KWh(총 냉방부하 7,426 KWh의 36.5%)의 냉방부하를 감소시킬 수 있을 것으로 예측된다.
연간 냉난방 에너지량을 건물표면 열 취득·손실과 연계시키면, 이상적인 외피단열을 통해 총에너지사용량의 37.8%(냉방에너지감소 6%=총 에너지사용량 중 냉방에너지의 양 16.6% * 총 열 취득량 중 외피를 통한 열 취득량 36.3%, 난방에너지감소 31.8%=총 에너지사용량 중 난방에너지의 양 36.5% * 총 열 손실량 중 외피를 통한 열 손실량 87.0%)를 절약할 수 있다는 가정을 할 수 있다.
열 취득/손실을 부문별로 분석하면, 열취득의 경우 외벽, 지붕, 바닥, 창, 문 등의 외피를 통한열전도(36.3%)가 가장 주된 요소로 나타났으며, 태양복사(25.5%)와 실내발열(23.3%), 그리고 환기 및 침기(14.9%)의 순으로 나타났다.
건물 전체 외피측면에서 보면, 건물 외피를 통한 열 손실이 87%에 이르고 있다. 이론적으론 완벽한 외피의 단열을 통해, 전체 난방부하의 87%(2,002 KWh)를 감소시킬 수 있을 것으로 예상된다.

후속연구

연구는 외피 단열값과 냉난방에너지의 관계를 에너지량의 측면에서 분석하기 위하여 가상의 대상건물에 대한 컴퓨터 시뮬레이션을 실시하였다. 냉난방시스템의 온도 설정, 개구부의 개폐 등 재실자의 주관적 주거 행태에 대한 고려가 이루어지지 않았음으로, 결과의 실제 적용을 위해서는 실험 및 실제 건물을 대상으로 한 추후 연구가 요구되어진다. 또한 본 연구를 바탕으로 중부, 제주 지역에 대한 적절한 외피조건 및 경제성 분석 등의 심도 있는 연구가 진행될 것이며 공동주택 등의 확대된 주거 형태에 대한 적용이 고려될 것이다.
냉난방시스템의 온도 설정, 개구부의 개폐 등 재실자의 주관적 주거 행태에 대한 고려가 이루어지지 않았음으로, 결과의 실제 적용을 위해서는 실험 및 실제 건물을 대상으로 한 추후 연구가 요구되어진다. 또한 본 연구를 바탕으로 중부, 제주 지역에 대한 적절한 외피조건 및 경제성 분석 등의 심도 있는 연구가 진행될 것이며 공동주택 등의 확대된 주거 형태에 대한 적용이 고려될 것이다. 이러한 일련의 연구 결과는 적정한 외피 단열값의 기준이 변화하고 있는 현 상황에서 구체적 근거자료로 사용될 수 있을 것으로 기대되며, 주거건물의 효율적인 외피계획방법을 위한 기초자료로 사용될 수 있을 것으로 여겨진다.
7 KWh/R의 비율로 감소한다<그림 11>. 이는 외벽의 경우와 동일한 현상으로, 지붕 단열값과 냉방에너지 감소와의 직접적 관련성 여부에 관한 추가 연구의 필요성이 요구된다.
또한 본 연구를 바탕으로 중부, 제주 지역에 대한 적절한 외피조건 및 경제성 분석 등의 심도 있는 연구가 진행될 것이며 공동주택 등의 확대된 주거 형태에 대한 적용이 고려될 것이다. 이러한 일련의 연구 결과는 적정한 외피 단열값의 기준이 변화하고 있는 현 상황에서 구체적 근거자료로 사용될 수 있을 것으로 기대되며, 주거건물의 효율적인 외피계획방법을 위한 기초자료로 사용될 수 있을 것으로 여겨진다.
열 취득량과 냉방부하의 차이에 비해 열손실량과 난방부하의 차이가 큰 이유는 실제 난방부하 계산 시 태양복사열, 실내발 열부하등의 고려에 의해 난방부하가 줄어들었기 때문이다. 특히 본 테스트의 경우, 창을 통한 태양복사열의 유입을 조절하기 위한 차양 장치가 고려되지 않았기 때문에, 실제 건물의 경우 적절한 실내외 차양 장치를 통한 여름철 열 취득량 감소를 적극 고려하여야 할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	우리나라에서 주거건물 냉난방을 위해 사용되는 에너지는 국가 전체 에너지 사용량의 몇 퍼센트를 차지하는가?	1%는 냉난방을 위하여 소비된다(지식경제부 2009, 이의준 2006). 즉, 주거건물 냉난방을 위해 사용되는 에너지는 국가 전체 에너지 사용량의 6.6%를 차지하고 있으며, 이에 따라 냉난방에너지 소비를 절감하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. 특히 적절한 건물 외피의 단열은 냉난방에너지 소비량을 감소시키기 위한 효과적인 방법 중 하나로서.
	주거건물 에너지 사용량은 어떻게 구성되는가?	0%는 주거건물에서 사용된다. 주거건물 에너지 사용량은 단독주택 63.0%와 공동주택 37.0%로 구성되며, 특히 주거건물에서 사용되는 에너지량 중 58.1%는 냉난방을 위하여 소비된다(지식경제부 2009, 이의준 2006).
	건물 외피의 단열은 무엇을 유도하여 이루어질 수 있는가?	특히 적절한 건물 외피의 단열은 냉난방에너지 소비량을 감소시키기 위한 효과적인 방법 중 하나로서. 이는 외벽, 지붕, 바닥, 그리고 창 등 주요 건물요소의 열 취득 및 손실 조절을 통한 냉난방부하의 감소를 유도하여 이루어질 수 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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