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문제 정의
- 에서는 노후학교 리모델링시 에너지 저감을 위한 요소기술의 중요도 및 적용 우선순위를 도출하였다. 따라서 본 연구에서는 노후학교에 대한 여러 기준에 맞는 설정된 가상의 표준학교모델을 가지고 선행연구에서 도출된 에너지저감 요소기술을 노후 고등학교의 운영현황에 적용하여 해당 요소기술의 에너지 저감효과를 동적 에너지 시뮬레이션을 통하여 분석하고 노후 고등학교 건물의 향후 에너지효율화 리모델링에서 우선적으로 적용되어야 할 요소기술의 우선순위에 대한 정보를 제시하는데 그 목적이 있다.
- 선행연구에서 신축과는 차별화된 노후학교 에너지효율화 리모델링을 위한 주요한 요소기술은 단열, 창호, 자연채광, 제어(시스템 효율 및 실내설정온도)부문으로 나타났다. 이에 본 연구는 선행연구의 결과를 바탕으로 상기 요소기술의 여러 대안을 중심으로 표준 고등학교 해석모델에서 에너지 시뮬레이션을 실시하였다. 상기 요소기술의 설정된 기본안 및 대안은 Table 6 및 7과 같다.
제안 방법
- 물리적 범위는 건축물의 에너지 성능에 영향을 미치는 요소 중에서 등급 및 지역 분류, 건립연도, 규모, 형태, 방위, 배치 등과 같은 기본계획요소를 의미하며 본 연구에서는 교육시설이라는 특정된 건물용도에 의해서 학교 등급에 따른 건축적 변화가 크지 않는 학교 건물의 특성과 연구과정에서의 효율성 및 접근성을 고려하여 수도권 소재의 초등학교로 한정하였으며 건립연도는 앞 절에서 설정된 시간적 범위 내에 있는 1980∼1990년에 건립된 학교로 분석 범위를 축소하였다. 규모는 대지면적, 연면적, 학급수, 학생수 등 다양한 기준에 의한 평가가 가능하지만 본 연구에서는 규모 선정 기준 중에서 학교 건물에서 에너지소비에 가장 큰 영향을 미치는 학급수를 분류기준으로 선정하였다. 전국 초·중·고등학교의 시설통계4)를 활용하여 전국 초등학교의 평균적인 학급수를 산정한 결과 학교당 평균 학급수는 21.
- 가상의 표준학교는 건립연도가 1980년대로 설정되었으며 건축구조는 철근콘크리트구조의 형식을 적용하였으며 건축면적은 4층 규모의 1,333m2로 설정하였다. 또한 건물 내 냉방방식은 패키지에어컨, 난방방식은 가스온풍기로 지정하였으며 외벽단열은 T50 단열재, 지붕단열은 T100 단열재, 바닥은 인조석마감, 창호는 이중창으로 설정하였다. Table 4와 Fig.
- 2 및 3에서 보듯이 시뮬레이션 해석모델을 정의시 실별 공조조건이 동일한 실에 대하여 조닝을 실시하였다. 또한 비공조실에 대한 에너지소비량 산정도 모델링에 포함시켰으며 공조공간과 비공조공간의 구분에 따른 스케줄, 침기 스케줄, 재실 스케줄, 각 재료의 물성치, HVAC 시스템의 변수 등 표준학교 에너지해석 모델링을 위한 입력자료를 「학교교사 표준설계도」와 S초등학교의 설계도면을 바탕으로 설정하였다.
- 창호(W/D)부문의 대안은 유리종류별 SHGC(Solar Heat Gain Coefficient)로 구분하였다. 또한 자연채광부문에서 남측루버의 설치는 루버의 깊이에 따라 대안을 분류하였으며 제어부문 시스템효율은 EHP(Electrical Heat Pump) 등급별로 대안을 나누어서 「효율관리기자재 운영규정」에 따라서 냉난방 COP(Coefficient of Performance)를 계산하여 적용하였다. 마지막으로 실내설정온도의 경우 「학교보건법」및 「건축물의 에너지절약설계기준」인 냉방 26∼28℃, 난방 18∼20℃ 규정을 바탕으로 대안을 분류하였다.
- 마지막으로 실내설정온도의 경우 「학교보건법」및 「건축물의 에너지절약설계기준」인 냉방 26∼28℃, 난방 18∼20℃ 규정을 바탕으로 대안을 분류하였다.
- 본 연구에서는 선행연구에서 도출된 노후학교 에너지효율화 리모델링에서 우선적으로 적용되어야 할 요소기술을 노후 고등학교의 표준해석모델에 적용하여 요소기술별 에너지 성능을 비교, 분석하였다. 적용된 요소기술은 건축부문의 단열 및 창호, 빛환경부문의 남측루버 설치, 제어부문의 시스템효율 및 실내설정온도 중심으로 에너지 시뮬레이션 소프트웨어인 Visual DOE 4.
- 본 연구에서는 선행연구에서 도출된 학교건물의 특성을 고려하면서 신축과는 차별화된 에너지효율화 리모델링 요소기술을 가지고 노후화에 따른 리모델링이 필요한 고등학교의 표준건물모델에서 에너지 저감을 위한 각 요소기술별 여러 대안을 가지고 기본안 대비 절감효과를 비교·분석하였다.
- 본 연구에서는 표준모델의 에너지 시뮬레이션시 정확한 입력변수를 결정하기 위해서 교육통계서비스와 초·중등교육법 시행령을 조사하여 고등학교의 입력변수를 Table 5 및 Fig. 4와 같이 정리하였다.
- 상기 요소기술의 설정된 기본안 및 대안은 Table 6 및 7과 같다. 외벽(Ext. W), 내벽(Int. W) 및 지붕(Roof)단열의 대안은 단열등급과 두께별로 나누어서 해당 열관류율로서 설정하였으며 창호단열의 대안은 PVC창틀에 유리종류별로 나누어서 해당 열관류율을 정리하여 설정하였다. 창호(W/D)부문의 대안은 유리종류별 SHGC(Solar Heat Gain Coefficient)로 구분하였다.
- 본 연구에서는 선행연구에서 도출된 학교건물의 특성을 고려하면서 신축과는 차별화된 에너지효율화 리모델링 요소기술을 가지고 노후화에 따른 리모델링이 필요한 고등학교의 표준건물모델에서 에너지 저감을 위한 각 요소기술별 여러 대안을 가지고 기본안 대비 절감효과를 비교·분석하였다. 이를 위하여 시간적, 물리적, 성능적 및 운영적 기준에서 대표성을 가지는 표준학교 모델을 설정하여 재실밀도, 재실스케줄에 따른 운영시간 및 운영스케줄 등과 같은 필수 입력자료를 정리하였으며 동적 에너지 평가도구인 Visual DOE 4.0 프로그램에서 에너지 시뮬레이션을 실시하여 요소기술별 기본안 대비 여러 대안의 에너지 저감효과를 분석하였다. 다만, 본 연구에서 적용한 요소기술은 크게 단열, 자연채광, 제어(시스템 효율 및 실내설정 온도), 창호부문으로만 한정하였다.
- 본 연구에서는 선행연구에서 도출된 노후학교 에너지효율화 리모델링에서 우선적으로 적용되어야 할 요소기술을 노후 고등학교의 표준해석모델에 적용하여 요소기술별 에너지 성능을 비교, 분석하였다. 적용된 요소기술은 건축부문의 단열 및 창호, 빛환경부문의 남측루버 설치, 제어부문의 시스템효율 및 실내설정온도 중심으로 에너지 시뮬레이션 소프트웨어인 Visual DOE 4.0 프로그램을 활용하여 각 요소기술을 적용하였다. 각 요소기술의 용도별 에너지 성능에 대한 평가결과는 다음과 같다.
- W) 및 지붕(Roof)단열의 대안은 단열등급과 두께별로 나누어서 해당 열관류율로서 설정하였으며 창호단열의 대안은 PVC창틀에 유리종류별로 나누어서 해당 열관류율을 정리하여 설정하였다. 창호(W/D)부문의 대안은 유리종류별 SHGC(Solar Heat Gain Coefficient)로 구분하였다. 또한 자연채광부문에서 남측루버의 설치는 루버의 깊이에 따라 대안을 분류하였으며 제어부문 시스템효율은 EHP(Electrical Heat Pump) 등급별로 대안을 나누어서 「효율관리기자재 운영규정」에 따라서 냉난방 COP(Coefficient of Performance)를 계산하여 적용하였다.
- 최종적으로 본 연구에서는 노후학교에 대한 시간적 범위를 모든 판정기준을 만족하는 “건립된 후 20년이 경과된 학교”로 정의하였다.
- 표준학교모델 설정에서 가장 우선시 고려되어야 할 요소는 노후학교에 대한 시간적 범위를 선정하는 것이며 본 연구에서는 관련 법규 및 에너지성능 관련기준의 변화 등을 조사하여 노후학교의 시간적 범위에 대한 객관적인 기준을 선정하였다. 「학교보건법 시행규칙」의 「교사 안에서의 공기의 질에 관한 유지·관리기준」에서는 “노후화된 학교를 10년 이상이 된 학교”로 규정하였으며 「건축법」에서는 노후 공동주택의 리모델링 행위에 대한 규정은 사용승인 후 20년 이상의 노후화 범위를 제시하였다.
- 표준학교모델의 에너지 해석을 위한 동적 시뮬레이션 프로그램으로는 Visual DOE 4.0을 사용하였으며 Fig. 2 및 3에서 보듯이 시뮬레이션 해석모델을 정의시 실별 공조조건이 동일한 실에 대하여 조닝을 실시하였다. 또한 비공조실에 대한 에너지소비량 산정도 모델링에 포함시켰으며 공조공간과 비공조공간의 구분에 따른 스케줄, 침기 스케줄, 재실 스케줄, 각 재료의 물성치, HVAC 시스템의 변수 등 표준학교 에너지해석 모델링을 위한 입력자료를 「학교교사 표준설계도」와 S초등학교의 설계도면을 바탕으로 설정하였다.
대상 데이터
- 2절에서 선정된 기준학교인 S초등학교의 설계도면을 참고하여 가상의 표준 학교를 설정하였다. 가상의 표준학교는 건립연도가 1980년대로 설정되었으며 건축구조는 철근콘크리트구조의 형식을 적용하였으며 건축면적은 4층 규모의 1,333m2로 설정하였다. 또한 건물 내 냉방방식은 패키지에어컨, 난방방식은 가스온풍기로 지정하였으며 외벽단열은 T50 단열재, 지붕단열은 T100 단열재, 바닥은 인조석마감, 창호는 이중창으로 설정하였다.
- 0 프로그램에서 에너지 시뮬레이션을 실시하여 요소기술별 기본안 대비 여러 대안의 에너지 저감효과를 분석하였다. 다만, 본 연구에서 적용한 요소기술은 크게 단열, 자연채광, 제어(시스템 효율 및 실내설정 온도), 창호부문으로만 한정하였다.
- 물리적 범위는 건축물의 에너지 성능에 영향을 미치는 요소 중에서 등급 및 지역 분류, 건립연도, 규모, 형태, 방위, 배치 등과 같은 기본계획요소를 의미하며 본 연구에서는 교육시설이라는 특정된 건물용도에 의해서 학교 등급에 따른 건축적 변화가 크지 않는 학교 건물의 특성과 연구과정에서의 효율성 및 접근성을 고려하여 수도권 소재의 초등학교로 한정하였으며 건립연도는 앞 절에서 설정된 시간적 범위 내에 있는 1980∼1990년에 건립된 학교로 분석 범위를 축소하였다.
- 5개 학급수의 ±5% 오차범위 내에 있는 초등학교를 표준학교의 범위로 한정하였으며 최종적으로 건립연도. 학생수, 리모델링 실시 여부 등을 검토하여 경기도 소재 S초등학교를 표준모델의 물리적 범위인 기준학교로 최종 선정하였다. S초등학교의 전반적인 개요는 Table 1과 같다.
성능/효과
- (1) 노후고등학교 해석모델에서 조명기기 및 밀도와 직접적인 관련이 있는 연간 전기에너지는 요소기술의 적용 시 기본안 대비 아무런 에너지의 증감이 나타나지 않았다.
- (2) 연간 냉방에너지는 창호 SHGC, 시스템효율, 실내설정온도, 남측루버 설치, 내벽단열, 지붕단열, 내벽창호단열 순으로 절감되는 반면 외벽 및 외벽창호단열은 냉방에너지를 증가시키는 것으로 나타났다.
- (3) 연간 난방에너지는 창호 SHGC를 제외한 모든 요소기술에서 절감되는 것으로 나타났으며 시스템효율, 외벽창호단열, 실내설정온도, 내벽단열, 외벽단열, 남측루버설치, 지붕단열, 내벽창호단열 순으로 난방에너지가 절감되는 것으로 나타났다.
- (4) 연간 총에너지 또한 창호 SHGC를 제외한 모든 요소 기술을 적용시 노후 고등학교 건물에서 기본안 대비 총 에너지가 감소하는 것으로 나타났다.
- 전기에너지의 사용은 조명기구 및 밀도와 직접적인 관련이 있어서 본 연구에서 적용된 요소기술에서는 기본안 대비 아무런 증감이 없었으며 냉방에너지의 경우도 요소기술 적용시 기본안 대비 큰 증감이 나타나지 않는 것으로 나타났다. 그러나 노후고등학교 모델에서 창호 SHGC, 시스템효율, 실내설정온도, 남측루버 설치, 내벽단열, 지붕단열, 내벽창호단열 순으로 냉방에너지 절감에 효과적인 요소기술로서 나타난 반면 외벽단열 및 외벽창호단열은 냉방에너지를 증가시키는 것으로 나타났다.
- 기본안 대비 각 요소기술의 최고 대안에 대한 용도별 연간 에너지 소비량을 산출한 결과는 Table 8과 같다. 냉방에너지의 경우 시스템효율, 창호 SHGC, 실내설정온도, 남측루버 설치, 내벽단열, 지붕단열, 내벽창호단열 순으로 에너지가 절감되었으며 난방에너지의 경우 외벽창호단열, 시스템효율, 실내설정온도, 외벽단열, 내벽단열, 지붕단열, 내벽창호단열 순으로 에너지가 절감되는 것으로 나타났다. 총 에너지사용량은 창호 SHGC를 제외한 모든 요소기술, 즉 시스템효율, 실내설정온도, 외벽창호단열, 내벽단열, 외벽단열, 남측루버 설치, 지붕단열, 내벽창호단열 순으로 노후 고등학교 해석모델에서 절감되는 것으로 나타났다.
- 특히, 창호 SHGC의 변경시 난방에너지는 크게 증가하는 것으로 나타났으며 시스템효율, 외벽창호단열, 실내설정온도, 내벽단열, 외벽단열, 남측루버 설치, 지붕단열, 내벽창호단열 순으로 난방에너지 절감에 효과적인 요소기술로서 확인하였다. 따라서 연간 총 에너지 측면에서 냉방에너지보다 난방에너지의 영향에 의해서 노후 고등학교건물의 기본안 대비 에너지 증감의 차이가 나타나는 것으로 분석되었다.
- 또한 「건축법 시행령」에서는 “사용승인 후 15년 이상 경과된 건축물”을 리모델링이 필요한 건축물로 규정하였으며 1996년 제정된 「건축물 에너지절약설계기준」에서 외피 단열 및 설비 시스템의 성능 기준 등을 의무화하기 시작하여 현재까지 강화·적용되고 있으므로 본 설계기준이 적용되기 이전에 건립된 학교건물은 에너지 성능의 확보에 필요한 시설로서 에너지효율화 리모델링의 필요성을 갖는다고 판단할 수 있다.
- 이는 건물의 사용시간이 전기에너지인 조명사용량에 그대로 반영되었고 학교건물의 특성상 재실밀도에 따른 냉방부하의 증가로 판단된다. 또한 다른 건물유형에 비하여 공조면적당 상대적으로 낮은 에너지사용량은 방학이라는 휴지기를 가지는 학교사용일정에 의한 것으로 판단되며 표준 고등학교 해석모델에서 총 연간 에너지사용량은 199,982kWh로 공조면적당 62.7kWh/m2로 나타났다.
- 전국 초·중·고등학교의 시설통계4)를 활용하여 전국 초등학교의 평균적인 학급수를 산정한 결과 학교당 평균 학급수는 21.2학급으로 나타났으며 지역적 특성에 따라서 결정되어지는 경향이 큰 도서벽지 및 군/읍/면 지역의 학교를 제외한 대도시 및 중소도시의 학교당 학급수는 각각 31학급, 28학급으로 유사하게 나타나서 합산 평균인 29.5개 학급수의 ±5% 오차범위 내에 있는 초등학교를 표준학교의 범위로 한정하였으며 최종적으로 건립연도.
- 6과 같다. 전기에너지의 사용은 조명기구 및 밀도와 직접적인 관련이 있어서 본 연구에서 적용된 요소기술에서는 기본안 대비 아무런 증감이 없었으며 냉방에너지의 경우도 요소기술 적용시 기본안 대비 큰 증감이 나타나지 않는 것으로 나타났다. 그러나 노후고등학교 모델에서 창호 SHGC, 시스템효율, 실내설정온도, 남측루버 설치, 내벽단열, 지붕단열, 내벽창호단열 순으로 냉방에너지 절감에 효과적인 요소기술로서 나타난 반면 외벽단열 및 외벽창호단열은 냉방에너지를 증가시키는 것으로 나타났다.
- 냉방에너지의 경우 시스템효율, 창호 SHGC, 실내설정온도, 남측루버 설치, 내벽단열, 지붕단열, 내벽창호단열 순으로 에너지가 절감되었으며 난방에너지의 경우 외벽창호단열, 시스템효율, 실내설정온도, 외벽단열, 내벽단열, 지붕단열, 내벽창호단열 순으로 에너지가 절감되는 것으로 나타났다. 총 에너지사용량은 창호 SHGC를 제외한 모든 요소기술, 즉 시스템효율, 실내설정온도, 외벽창호단열, 내벽단열, 외벽단열, 남측루버 설치, 지붕단열, 내벽창호단열 순으로 노후 고등학교 해석모델에서 절감되는 것으로 나타났다.
- 7은 요소기술별 각 대안들의 기본안 대비 연간 총 에너지사용량의 평균 절감율을 나타내며 창호 SHGC를 제외한 모든 다른 요소기술을 적용시 노후 고등학교 건물에서 연간 총 에너지는 감소하는 것으로 나타났다. 특히, 시스템효율, 외벽창호단열 및 실내설정온도에서 총 에너지 절감이 크게 이루어지는 반면 내벽창호단열, 지붕단열에서는 에너지 절감이 상대적으로 낮은 것으로 나타났다.
- 난방에너지의 경우 개별 요소기술을 적용시 다른 용도의 에너지보다 증감이 크게 나타났다. 특히, 창호 SHGC의 변경시 난방에너지는 크게 증가하는 것으로 나타났으며 시스템효율, 외벽창호단열, 실내설정온도, 내벽단열, 외벽단열, 남측루버 설치, 지붕단열, 내벽창호단열 순으로 난방에너지 절감에 효과적인 요소기술로서 확인하였다. 따라서 연간 총 에너지 측면에서 냉방에너지보다 난방에너지의 영향에 의해서 노후 고등학교건물의 기본안 대비 에너지 증감의 차이가 나타나는 것으로 분석되었다.
후속연구
- 본 연구에 도출된 고등학교 표준해석모델의 요소기술별 에너지 성능결과는 노후 고등학교건물의 에너지효율화 리모델링시 에너지 절감에 영향을 미치는 요소기술의 선택 및 적용우선순위를 제시하는 기초자료로서 사용될 수 있을 것으로 기대된다. 다만 선정된 요소기술에 대한 공사비 대비 에너지 절감비용에 대한 경제성을 분석하여야 하며 본 연구에서 적용되지 않은 침기, 자연환기, 인공조명 및 신재생에너지 적용과 같은 다른 요소기술에 대한 에너지 절감효과를 분석하는 연구가 추가적으로 진행되어야 할 것으로 판단된다.
- 본 연구에 도출된 고등학교 표준해석모델의 요소기술별 에너지 성능결과는 노후 고등학교건물의 에너지효율화 리모델링시 에너지 절감에 영향을 미치는 요소기술의 선택 및 적용우선순위를 제시하는 기초자료로서 사용될 수 있을 것으로 기대된다. 다만 선정된 요소기술에 대한 공사비 대비 에너지 절감비용에 대한 경제성을 분석하여야 하며 본 연구에서 적용되지 않은 침기, 자연환기, 인공조명 및 신재생에너지 적용과 같은 다른 요소기술에 대한 에너지 절감효과를 분석하는 연구가 추가적으로 진행되어야 할 것으로 판단된다.
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