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문제 정의
- 본 연구는 선행연구에서 도출된 노후학교 에너지효율화 모델링에서 우선시 적용되어야 할 요소기술을 중학교 표준모델에 적용하여 각 요소기술의 기본안 대비 공조면적당 용도별 에너지 성능을 평가하였다. 에너지 해석모델 개발단계에서 시간적, 물리적, 성능적, 운영적 기준에서 타당성 있는 모델을 제시하였으며 해석모델의 기본 입력데이터도 교육통계서비스와 관련법규를 조사하여 객관적으로 설정하였다.
- 본 연구의 범위는 노후화에 따른 리모델링이 필요한 중학교 건물에서 에너지 절감을 위한 요소기술의 여러 대안을 적용하여 각 요소기술의 기본안 대비 절감효과를 평가하였다. 적용요소기술로서는 선행연구에서 우선순위로 나타난 단열, 자연채광, 제어(시스템효율 및 실내설정온도), 창호부문으로 한정하였다.
- 이에 본 연구는 교육시설, 특히 학교건물의 특성을 고려하여 에너지절감을 위한 영향요소기술을 선정하고 신축과는 차별화된 리모델링의 요소기술을 도출한 선행연구의 결과4)를 바탕으로 도출된 요소기술을 에너지시뮬레이션 프로그램을 통해 노후 중학교 건물에 적용하여 각 요소기술의 절감효과를 분석하여 향후 에너지효율화 리모델링시 우선적으로 적용해야 할 요소기술의 우선순위에 대한 기초자료를 제시하는데 그 목적이 있다.
제안 방법
- 「학교교사표준설계도」와 S초등학교의 설계도면을 참고하여 그림 2와 같이 실별 공조조건이 동일한 공간에 대하여 조닝을 계획하였으며 시뮬레이션 해석모델 정의시 비공조실에 대한 에너지사용량 산정도 모델링에 포함시켰다. 또한 공조공간과 비공조공간의 구분에 따른 스케줄, 침기스케줄, 재실스케줄, 각 재료의 물성치, HVAC 시스템변수 등 표준학교 해석모델 수립을 위한 입력자료를 표준학교 설계도 및 S초등학교 건축도면을 바탕으로 설정하였다.
- 적용요소기술로서는 선행연구에서 우선순위로 나타난 단열, 자연채광, 제어(시스템효율 및 실내설정온도), 창호부문으로 한정하였다. 각 요소기술의 에너지 절감성능을 비교하기 위하여 건물에너지 평가도구인 Visual DOE 4.0 프로그램에서 대표성을 가진 표준학교모델에 재실자의 재실밀도, 재실 스케줄에 따른 운영시간 및 운영스케줄 등과 같은 필수자료를 입력하였으며 최종적으로 기본안 대비 각 요소기술 대안의 용도별 연간에너지 사용량을 산정하였다.
- 그러나 물리적 범위의 한 요소인 학교 등급 및 지역분류는 등급에 따른 건축적 변화는 크지 않는 학교 건축물의 특성상 고려하지 않았으며 연구의 효율성과 접근성 측면에서 수도권 소재의 초등학교로 한정하였다. 규모에 따른 분류로서 용지면적, 연면적, 학급수, 학생수 등 다양한 기준을 고려할 수 있으나 다양한 규모 선정기준 중에서 학교 건축물의 에너지소비에 가장 큰 영향을 미칠 것으로 판단되는 학급수를 규모분류의 기준으로 선정하였다. 전국학교 시설통계 분석결과, 평균적인 학급수는 대도시 및 중소도시 기준으로 평균 29.
- 내·외벽 및 지붕단열의 경우 단열등급과 두께별로 나누어서 열관류율(W/m2K)별로 대안을 설정하였다.
- 내·외벽 창호단열의 경우 PVC창틀에 유리종류별로 나누어서 열관류율별로 대안을 설정하였으며 창호부문의 SHGC(Solar Heat Gain Coefficient, 일사획득계수)별 대안 분류 또한 유리종류별로 나누었다.
- 따라서 본 연구에서는 교육통계서비스와 초·중등 교육법 시행령을 조사하여 시뮬레이션시 중학교 건물에 대한 입력변수를 산정하였으며 입력값은 표 7 및 그림 3과 같다.
- 「학교교사표준설계도」와 S초등학교의 설계도면을 참고하여 그림 2와 같이 실별 공조조건이 동일한 공간에 대하여 조닝을 계획하였으며 시뮬레이션 해석모델 정의시 비공조실에 대한 에너지사용량 산정도 모델링에 포함시켰다. 또한 공조공간과 비공조공간의 구분에 따른 스케줄, 침기스케줄, 재실스케줄, 각 재료의 물성치, HVAC 시스템변수 등 표준학교 해석모델 수립을 위한 입력자료를 표준학교 설계도 및 S초등학교 건축도면을 바탕으로 설정하였다.
- 자연채광부문에서 남측루버의 설치는 루버의 깊이에 따라 대안을 분류하였으며 제어부문에서는 시스템효율 변경에 대한 에너지 성능평가를 위해서 EHP(Electric Heat Pump) 시스템효율 등급별로 대안을 분류하여 효율관리기자재 운용규정에 따라서 냉·난방 COP(Coefficient of Performance)를 계산하여 에너지 시뮬레이션에 적용하였다. 또한 실내설정온도의 경우 학교보건법 및 건축물 에너지절약설계기준인 냉방 26〜28℃, 난방 18〜20℃ 규정을 바탕으로 대안을 분류하였다.
- 건물 내 냉·난방방식으로는 학교건물에서 대부분 적용되었던 패키지 에어컨 및 가스 온풍기로 지정하였다. 또한 외벽단열은 T50 단열재, 지붕단열은 T100 단열재, 바닥은 인조석마감, 창호는 이중창으로 설정하였다. 표 6과 그림 1은 본 연구에서 설정된 표준학교모델의 전반적인 개요 및 기준층 평면을 보여준다.
- 학교시설의 운영시간, 수업일수, 학급당 학생수, 실내환경기준 등은 학교별 차이는 있으나 관련법규, 교과부 및 교육청 등에서 권고하는 범위 내에서 결정되기 때문에 타 건물유형에 비해 비교적 명확한 사용스케줄을 가지고 있다. 본 연구에서 중학교시설의 운영적 기준은 학기 및 수업일수, 사용시간, 발열요소의 밀도 및 실내온도조건에 대해 설정하였으며 각 항목별 결과는 표 5와 같다.
- 본 연구에서는 표준학교의 에너지해석을 위한 시뮬레이션 프로그램으로 Visual DOE 4.0 프로그램을 사용하였으며 표준학교 에너지 해석모델의 도출을 위한 시뮬레이션 초기단계에서 표준학교 모델링 작업을 실시하였다.
- 본 연구는 선행연구에서 도출된 노후학교 에너지효율화 모델링에서 우선시 적용되어야 할 요소기술을 중학교 표준모델에 적용하여 각 요소기술의 기본안 대비 공조면적당 용도별 에너지 성능을 평가하였다. 에너지 해석모델 개발단계에서 시간적, 물리적, 성능적, 운영적 기준에서 타당성 있는 모델을 제시하였으며 해석모델의 기본 입력데이터도 교육통계서비스와 관련법규를 조사하여 객관적으로 설정하였다. 적용된 요소기술로서 건축부문의 단열과 창호, 빛환경부문의 남측루버, 제어부문의 시스템효율 및 실내설정온도 중심으로 에너지 평가 도구인 Visual DOE 4.
- 이에 본 연구는 표 8과 9에서 볼 수 있듯이 상기 요소기술을 현실성 있는 여러 대안으로 분류하여 기본안 대비 각 대안별 에너지 시뮬레이션을 실시하였다.
- 자연채광부문에서 남측루버의 설치는 루버의 깊이에 따라 대안을 분류하였으며 제어부문에서는 시스템효율 변경에 대한 에너지 성능평가를 위해서 EHP(Electric Heat Pump) 시스템효율 등급별로 대안을 분류하여 효율관리기자재 운용규정에 따라서 냉·난방 COP(Coefficient of Performance)를 계산하여 에너지 시뮬레이션에 적용하였다.
- 에너지 해석모델 개발단계에서 시간적, 물리적, 성능적, 운영적 기준에서 타당성 있는 모델을 제시하였으며 해석모델의 기본 입력데이터도 교육통계서비스와 관련법규를 조사하여 객관적으로 설정하였다. 적용된 요소기술로서 건축부문의 단열과 창호, 빛환경부문의 남측루버, 제어부문의 시스템효율 및 실내설정온도 중심으로 에너지 평가 도구인 Visual DOE 4.0 프로그램을 이용하여 노후 중학교 에너지 해석모델에서 기본안 대비 절감효과를 분석하였다. 각 요소기술의 용도별 에너지 성능에 대한 비교·분석결과는 다음과 같다.
대상 데이터
- 리모델링의 대상이 되는 노후학교의 에너지 성능평가를 위해서 1980년 「학교교사표준설계도」와 이를 바탕으로 1988년에 건립된 경기도 S초등학교(2장에서 기준학교로 선정)의 설계도면을 이용하여 가상의 표준학교를 모델링하였다. 건축구조는 1980년대에 따랐던 철근콘크리트 구조형식을 적용하였으며 4층 규모의 건축면적 1,333m2로 설정하였다. 건물 내 냉·난방방식으로는 학교건물에서 대부분 적용되었던 패키지 에어컨 및 가스 온풍기로 지정하였다.
- 물리적 범위라 함은 학교 건축물의 에너지성능에 영향을 미치는 요소 중 규모, 형태, 방위, 배치 등 기본적인 건축계획요소를 의미한다. 그러나 물리적 범위의 한 요소인 학교 등급 및 지역분류는 등급에 따른 건축적 변화는 크지 않는 학교 건축물의 특성상 고려하지 않았으며 연구의 효율성과 접근성 측면에서 수도권 소재의 초등학교로 한정하였다. 규모에 따른 분류로서 용지면적, 연면적, 학급수, 학생수 등 다양한 기준을 고려할 수 있으나 다양한 규모 선정기준 중에서 학교 건축물의 에너지소비에 가장 큰 영향을 미칠 것으로 판단되는 학급수를 규모분류의 기준으로 선정하였다.
- 리모델링의 대상이 되는 노후학교의 에너지 성능평가를 위해서 1980년 「학교교사표준설계도」와 이를 바탕으로 1988년에 건립된 경기도 S초등학교(2장에서 기준학교로 선정)의 설계도면을 이용하여 가상의 표준학교를 모델링하였다. 건축구조는 1980년대에 따랐던 철근콘크리트 구조형식을 적용하였으며 4층 규모의 건축면적 1,333m2로 설정하였다.
- 본 연구의 범위는 노후화에 따른 리모델링이 필요한 중학교 건물에서 에너지 절감을 위한 요소기술의 여러 대안을 적용하여 각 요소기술의 기본안 대비 절감효과를 평가하였다. 적용요소기술로서는 선행연구에서 우선순위로 나타난 단열, 자연채광, 제어(시스템효율 및 실내설정온도), 창호부문으로 한정하였다. 각 요소기술의 에너지 절감성능을 비교하기 위하여 건물에너지 평가도구인 Visual DOE 4.
데이터처리
- Visual DOE 4.0 프로그램을 이용하여 중학교 해석모델의 기본안에 대한 에너지 시뮬레이션을 실시하여 용도별 연간에너지 사용량을 산출하였다. 그 결과, 중학교 건물 기본안의 연간 전체 에너지 사용량은 144,080kWh로 나타났으며 이를 용도별로 세분화하면 연간 난방에너지는 32,508kWh, 연간 냉방에너지는 53,257kWh, 연간 전력에너지는 58,315kWh로 나타났다.
성능/효과
- (1) 연간 냉방에너지의 경우 창호 SHGC, 시스템효율, 실내설정온도, 남측루버, 내벽단열, 내벽창호단열, 지붕단열 순으로 절감되는 것으로 나타난 반면 외벽 및 외벽창호단열은 냉방에너지를 증가시키는 것으로 나타났다.
- (2) 연간 난방에너지의 경우 시스템효율, 외벽창호단열, 실내설정온도, 내벽단열, 외벽단열, 지붕단열, 내벽창호단열 순으로 절감되는 것으로 나타난 반면 창호 SHGC는 난방에너지를 증가시키는 것으로 나타났다.
- (3) 공조면적당 연간 전체에너지는 창호 SHGC 및 남측 루버를 제외한 다른 요소기술을 적용시 노후 중학교 건물에서 기본안 대비 에너지가 절감되는 것으로 나타났다.
- 0 프로그램을 이용하여 중학교 해석모델의 기본안에 대한 에너지 시뮬레이션을 실시하여 용도별 연간에너지 사용량을 산출하였다. 그 결과, 중학교 건물 기본안의 연간 전체 에너지 사용량은 144,080kWh로 나타났으며 이를 용도별로 세분화하면 연간 난방에너지는 32,508kWh, 연간 냉방에너지는 53,257kWh, 연간 전력에너지는 58,315kWh로 나타났다. 그림 4와 같이 용도별 에너지사용 비율로 나타내면 난방에너지로 사용되는 비율이 22.
- 전력에너지의 경우 조명기기 및 밀도와 직접적인 관련이 있어서 본 연구에서 적용된 요소기술에서는 기본안 대비 아무런 증감이 없었으며 냉방에너지 또한 기본안 대비 크게 증감이 나타나지 않은 것으로 나타났다. 그러나 중학교 건물에서 냉방에너지는 창호 SHGC, 시스템효율, 실내설정온도, 남측루버깊이, 내벽단열, 내벽창호단열, 지붕단열 순으로 절감되는 것으로 나타났으며 외벽 및 외벽창호단열은 냉방에너지를 증가시키는 것으로 나타났다. 반면 난방에너지의 경우 요소기술을 적용시켰을 경우 기본안과 비교해서 크게 증감을 보여주는 것으로 나타났다.
- 또한 공조면적당 연간 전체 에너지는 45.2kWh/m2, 난방에너지는 10.2kWh/m2, 냉방에너지는 16.7kWh/m2, 전력에너지는 18.3kWh/m2로 나타났으며 이처럼 다른 건물유형과 비교해서 전반적으로 공조면적 단위당 적은 에너지사용량은 동·하계 방학이라는 긴 휴지기를 가지는 학교건물의 사용일정에 의한 것으로 판단되며 방학이 없다고 가정하였을 경우 전체 에너지사용량이 40%정도가 증가되는 것으로 분석되었다.
- 전체 에너지 소비량 측면에서 창호 SHGC 및 남측루버를 제외한 요소기술, 즉 시스템효율, 실내설정온도, 외벽창호단열, 외벽단열, 내벽단열, 지붕단열, 내벽창호단열 순으로 중학교 해석모델에서 절감되는 것으로 나타났다. 또한, 난방에너지의 경우 시스템효율, 외벽창호단열, 실내설정온도, 외벽단열, 내벽단열, 지붕단열, 내벽창호단열 순으로 절감되는 반면에 냉방에너지의 경우 시스템효율, 창호 SHGC, 실내설정온도, 남측루버, 내벽단열, 내벽창호단열, 지붕단열 순으로 절감되는 것으로 나타났다.
- 그러나 중학교 건물에서 냉방에너지는 창호 SHGC, 시스템효율, 실내설정온도, 남측루버깊이, 내벽단열, 내벽창호단열, 지붕단열 순으로 절감되는 것으로 나타났으며 외벽 및 외벽창호단열은 냉방에너지를 증가시키는 것으로 나타났다. 반면 난방에너지의 경우 요소기술을 적용시켰을 경우 기본안과 비교해서 크게 증감을 보여주는 것으로 나타났다. 특히 창호 SHGC는 난방에너지를 크게 증가시키는 것으로 나타났으며 시스템효율, 외벽창호단열, 실내설정온도, 내벽단열, 외벽단열, 지붕단열, 내벽창호단열 순으로 기본안 대비 난방에너지가 절감되는 것으로 나타났다.
- 각 요소기술의 대안을 중학교의 표준모델에 개별적으로 적용한 결과, 용도별 공조면적당 연간 평균에너지 소비량은 그림 5와 같다. 전력에너지의 경우 조명기기 및 밀도와 직접적인 관련이 있어서 본 연구에서 적용된 요소기술에서는 기본안 대비 아무런 증감이 없었으며 냉방에너지 또한 기본안 대비 크게 증감이 나타나지 않은 것으로 나타났다. 그러나 중학교 건물에서 냉방에너지는 창호 SHGC, 시스템효율, 실내설정온도, 남측루버깊이, 내벽단열, 내벽창호단열, 지붕단열 순으로 절감되는 것으로 나타났으며 외벽 및 외벽창호단열은 냉방에너지를 증가시키는 것으로 나타났다.
- 기본안 대비 각 요소기술의 최고대안에 대한 용도별 공조면적당 연간 에너지 성능을 평가한 결과는 표 10과 같다. 전체 에너지 소비량 측면에서 창호 SHGC 및 남측루버를 제외한 요소기술, 즉 시스템효율, 실내설정온도, 외벽창호단열, 외벽단열, 내벽단열, 지붕단열, 내벽창호단열 순으로 중학교 해석모델에서 절감되는 것으로 나타났다. 또한, 난방에너지의 경우 시스템효율, 외벽창호단열, 실내설정온도, 외벽단열, 내벽단열, 지붕단열, 내벽창호단열 순으로 절감되는 반면에 냉방에너지의 경우 시스템효율, 창호 SHGC, 실내설정온도, 남측루버, 내벽단열, 내벽창호단열, 지붕단열 순으로 절감되는 것으로 나타났다.
- 반면 난방에너지의 경우 요소기술을 적용시켰을 경우 기본안과 비교해서 크게 증감을 보여주는 것으로 나타났다. 특히 창호 SHGC는 난방에너지를 크게 증가시키는 것으로 나타났으며 시스템효율, 외벽창호단열, 실내설정온도, 내벽단열, 외벽단열, 지붕단열, 내벽창호단열 순으로 기본안 대비 난방에너지가 절감되는 것으로 나타났다. 따라서 중학교 건물의 전체 에너지 측면에서는 냉방에너지보다 난방에너지에 의해서 기본안 대비 에너지 증감이 영향을 받는 것으로 분석된다.
- 그림 6은 요소기술별 기본안 대비 연간 전체 에너지 소비량의 평균 절감율을 나타내며 창호 SHGC와 남측루버를 제외한 다른 요소기술을 적용시 중학교 건물에서 연간 전체 에너지는 감소하는 것으로 나타났다. 특히, 시스템효율 및 실내설정온도와 같은 제어부문에서 전체 에너지 절감이 크게 이루어지는 반면 지붕 및 내벽창호단열경우 에너지 절감이 상대적으로 낮은 것으로 나타났다.
후속연구
- 특히, 전 세계 에너지사용량의 40%가 건물부문에서 소비된다는 세계지속가능발전협의회 (WBCSD: World Business Council for Sustainable Development)의 발표1) 속에서 국내 전체 에너지소비의 24%를 차지2)하는 건물에너지부문에서도 에너지절약 설계기준 및 시설기준의 강화 등 정책적인 노력을 기울이고 있다. 건물에서의 에너지소비 절감을 위한 방안으로 신축 건물의 경우 각종 에너지 기준 강화와 규제를 통해서 에너지절감형 건물로서 친환경적인 설계를 유도하여 구현 가능한 반면, 에너지절약 설계가 미진한 노후 건물의 경우 에너지효율화 리모델링의 중요성이 보다 크게 부각될 것으로 판단된다. 그러나 직접적인 노후화와 경제, 사회적인 기대요인으로 재건축 및 리모델링이 활발하게 이루어지고 있는 주거건물과는 달리 전체학교의 50%를 차지하고 있는 20년 이상이 되는 노후교육시설의 경우 국가예산 부족과 함께 체계적인 설계기술 및 관련정책의 수립 등의 미비로 인하여 에너지절감형 리모델링이 활발히 이루어지지 못하고 있는 상황에 있다.
- 본 연구에서 도출된 노후 중학교건물에서 에너지 절감을 위한 요소기술의 성능평가결과를 바탕으로 에너지 절감을 위한 학교시설물의 리모델링시 요소기술의 적용우선순위를 제시하는 중요한 기초자료로서 이용될 수 있을 것으로 판단된다. 그러나 향후 연구주제로서 선정된 요소기술의 여러 대안에 대한 공사비 대비 에너지 절감효과를 조사하여 요소기술 대안별 경제성 및 적용 타당성을 검증하는 연구가 필요할 것으로 판단된다. 또한 본 연구에서 적용되지 않은 요소기술인 차양설치, 침기, 자연환기 및 인공조명 등과 같은 기술의 에너지 절감효과를 분석하는 후속연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 그러나 향후 연구주제로서 선정된 요소기술의 여러 대안에 대한 공사비 대비 에너지 절감효과를 조사하여 요소기술 대안별 경제성 및 적용 타당성을 검증하는 연구가 필요할 것으로 판단된다. 또한 본 연구에서 적용되지 않은 요소기술인 차양설치, 침기, 자연환기 및 인공조명 등과 같은 기술의 에너지 절감효과를 분석하는 후속연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 본 연구에서 도출된 노후 중학교건물에서 에너지 절감을 위한 요소기술의 성능평가결과를 바탕으로 에너지 절감을 위한 학교시설물의 리모델링시 요소기술의 적용우선순위를 제시하는 중요한 기초자료로서 이용될 수 있을 것으로 판단된다. 그러나 향후 연구주제로서 선정된 요소기술의 여러 대안에 대한 공사비 대비 에너지 절감효과를 조사하여 요소기술 대안별 경제성 및 적용 타당성을 검증하는 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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