[논문]권역별 난방에너지 요구량 분석을 통한 단열기준 개선방안

김정국; 안병립; 장철용; 정학근; 한찬훈

doi:10.12813/kieae.2013.13.4.043

[국내논문] 권역별 난방에너지 요구량 분석을 통한 단열기준 개선방안
Improvement Method of Regional Insulation Standard through the Regional Heating Energy Demand Analysis 원문보기

生態環境建築 = Journal of the Korea Institute of Ecological Architecture and Environment, v.13 no.4, 2013년, pp.43 - 48

김정국 (Dept. of Architecture Chungbuk UNIV.) , 안병립 (Dept. of Architecture Yonsei UNIV.) , 장철용 (Korea Institute of Energy Research) , 정학근 (Korea Institute of Energy Research) , 한찬훈 (Dept. of Architecture Chungbuk UNIV.)

Abstract ▼ AI-Helper

The effect of climate change has influenced humanity and ecosystem with tremendous changes in temperature. For the past 150 years, the national annual average temperature is 0.6 degree increased and the heating degree day reduced from April to November. However, December to January, the climate change was generated and the heating degree day increased. The blackout occured in 2011 and 2012 by increasing electricity consumption of heating and cooling equipment to the effects of climate change. That is because heating load accounted for 20% of building electric use. In this study, strengthening measures to reduce heating energy consumption is presented due to climate change in winter since 1980 to prevent blackout and reliable power supply for the building energy-saving design standards by Meteorological data provided by the National Weather Service were calculated using the heating degree days in order to present eighteen cities from 1980 to 2012. Insulation standards are presented to prevent black-out by the heating degree days. the heating energy demand was reduced almost 6% including 10% in Central, 5% in South and Jeju area based on strengthening of the insulation. It is applied to the entire country an annual economic effect of 250 billion won, and black-out can be prevented.

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문제 정의

본 연구에서는 1980년부터 2012년까지 겨울철 기후변화로 인한 블랙아웃을 예방하고 안정적인 전력 공급을 위해 건축물 에너지절약 설계기준을 강화하여 난방에너지 소비량을 절감하는 방안을 제시하고자 한다.
하지만 중부지방과 비슷한 기후를 나타내는 대전의 경우는 상대적으로 단열기준이 약하기 때문에 난방에너지 소요열량이 높다. 위와 같이 지역적으로 차이가 발생하는 원인을 해결하기 위해 다음 연구 진행시 지역구분 세분화 및 기후에 맞는 단열 기준을 제시하는 연구를 진행하도록 하겠다.
본 연구에서는 기상청에서 제공하는 18개 지역의 평균 기온을 이용하여 이상기후가 빈번히 발생된 최근 7년간의 기상 데이터와 발생빈도가 적은 과거 26년간의 기상 데이터를 이용하여 난방도일과 난방에너지 소요열량을 계산하였다. 난방에너지 소요열량을 이용하여 이상기후 발생 후 증가된 난방에너지 소요열량을 이상기후 발생 전의 사용량만큼 줄이기 위하여 지역별 단열기준을 강화하였고, 본 연구를 통해 밝혀진 사실은 다음과 같다.
본 연구에서는 기상청에서 제공하는 18개 지역의 평균 기온을 이용하여 이상기후가 빈번히 발생된 최근 7년간의 기상 데이터와 발생빈도가 적은 과거 26년간의 기상 데이터를 이용하여 난방도일과 난방에너지 소요열량을 계산하였다. 난방에너지 소요열량을 이용하여 이상기후 발생 후 증가된 난방에너지 소요열량을 이상기후 발생 전의 사용량만큼 줄이기 위하여 지역별 단열기준을 강화하였고, 본 연구를 통해 밝혀진 사실은 다음과 같다.

제안 방법

기후변화 발생 전·후의 지역별 난방에너지 소요열량 분석결과를 통한 난방에너지 사용량 증가 추이를 확인한 후, 현재의 난방에너지 사용량을 기후변화 발생 전의 난방에너지 사용량으로 감소시키기 위하여 건축물 에너지 절약 설계기준을 각 지역의 기후특성에 맞도록 강화하여 제시하였다.
기후변화로 인한 기온변화가 가장 많은 12월의 일일평균기온을 이용하여 국내 18개 지역의 겨울철 난방에너지 소요열량을 분석하였고, 기후변화 발생 전·후에 의해 구획된 기간별 난방에너지 소요열량을 분석하였다.
1) 연구의 선행 단계로 국내 기온측정 자료와 난방도일 재정립, 이상기후 보고서 등을 문헌 조사하였다.
2) 기후변화 발생 전(1980년도부터 2005년도)의 장기측정 기상데이터와 기후변화 발생 후(2006년도부터 2012년도)의 기상데이터를 이용하여 겨울철 일일평균 기온을 분석하고 지역별 난방도일을 산출하였다.
3) 지역별 난방도일 이용한 기간별 난방에너지 소요열량 분석을 통한 기후변화 발생 전과 기후변화 발생 후의 난방에너지 소요열량을 비교하였다.
2001년 14℃에서 22℃까지 5개의 다양한 무부하 온도를 기준으로 도일 법을 적용하여 터키의 주요지역에서의 냉방 및 난방 도일을 1983년부터 1998년도까지의 15년 장기측정 기상데이터를 통해서 산정하고 분석하였다.⁴⁾
난방도일 산정을 위한 기간 설정 범위에 따라 지역별 온도 변화가 심한 경우 난방도일 산정 결과가 큰 차이를 나타낼 수 있으므로, 본 연구에서는 기후변화 발생빈도가 적은 1980년도부터 2005년도까지의 온도와 기후변화 발생빈도가 높은 2006년도부터 2012년도까지의 장기측정 기상데이터를 활용하여 계산된 난방도일 결과를 비교하였다.
1980년부터 2012년까지의 1월, 2월, 12월의 전력판매량 분석결과 가장 많은 전력판매량을 기록한 달은 12월로써 1980년부터 2010년까지 1월 대비 약 7%, 2월 대비 약 9%가 많은 전력을 사용한 것으로 나타났다. 전력사용량을 감소시켜 블랙아웃을 예방하는 방안을 제시하기 위해 12월의 소요난방열량을 분석하였다.¹³⁾
따라서 본 연구에서는 난방에너지 소요열량을 감소시키고 전력사용량을 저감하여 블랙아웃을 예방하는 적절한 단열기준을 Table 4와 같이 제시하였다.
지역별 강화기준은 중부지역 13%, 남부, 제주지역 18%강화하여 난방에너지 소요열량을 감소시키고자 하였고, 부위별 강화기준은 외부벽체 25%, 천정 17%, 바닥 8%, 창호 18% 강화하여 난방에너지 소요열량을 감소하고자 하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용한 자료는 기상청(www.kam.go.kr)에서 제공하는 관측자료 중 18개 지역(서울, 속초, 춘천, 강릉, 인천, 수원, 서산, 청주, 대전, 포항, 대구, 전주, 울산, 광주, 부산, 목포, 진주, 제주)의 1980년도부터 2012년도까지의 겨울철 일일평균기온을 이용하여 기후변화 발생 전인 1980년도부터 2005년도까지의 기온과 기후변화 발생 중인 2006년도부터 2012년도까지의 온도차를 확인하고 기후변화 발생 전·후의 난방도일을 분석하였다.
본 연구의 건물은 단독주거건물이므로 국토해양부의 기준주택에서의 계단실, 엘리베이터, 대피공간은 제외되었으며, 이웃한 가호에 닿아 있는 내벽의 경우 외기에 접한 외벽으로 변화하여 바닥면적은 84m²이고, 벽체의 총면적은 창호면적을 제외한 56m²이며 총괄열전달계수는 각 지역의 단열기준에 준한 값을 Table 2와 같이 입력하였다. 국내에서는 건축물의 열손실방지를 위해 1978년도에 건축물의 열손실방지 조항을 시행하였고 1979년도에는 단열재 두께를 규정하였다.
Fig 1의 기후변화 발생 전·후의 난방도일 계산결과와 위의 식(2)을 이용하여 지역별 소요난방열량을 계산하였다. 소요난방열량은 건축물 에너지절약 설계기준에 제시되어 있는 중부지역, 남부지역, 제주지역의 3개 지역 중 대표도시 5개 도시를 선정하였다.
Table 1에서 18개 지역 중 5개 지역을 선정하여 구분하였고 공동주택 평가대상 기준주택의 평면도를 Fig 2와 같이 제시하였다.

이론/모형

그 이후 6차례의 개정을 거쳐 2010년 11월에 현재와 같은 지역별 건축물 부위의 열관류율표가 완성이 되었다. 이번 연구는 2010년 12월에 개정된 단열기준을 기준으로 하였다.¹²⁾

성능/효과

4) 기후변화 발생 후 난방에너지 소요열량을 기후변화 발생 전의 난방에너지 소요열량으로 감소시킬 수 있는 건축물 에너지절약 설계기준을 강화하여 제시하고, 난방에너지 소요열량을 재산정 하였다.
9) 기후변화 기록을 보면 2010년 12월 23일부터 1월 말까지 한파가 23일간 지속되었고, 2012년 1월 하순 이후 북극의 찬 공기가 남하하여 2월에 기록적인 한파가 나타났고 4월 2~3일 저기압이 강하게 발달하여 강풍과 함께 눈과 비가 내려 전력공급의 어려움을 겪었다. 위와 같은 한파로 전국적으로 농업, 교통, 방재, 산림, 건강 등 다양한 분야에서 재산 및 인명피해가 발생되어 정부의 종합적인 평가와 대응이 필요하다.
중부지역에 속하는 서울, 속초, 춘천, 강릉, 인천, 수원 중 기후변화에 의한 영향을 가장 많이 받은 지역은 춘천으로서 약 4.0% 상승하였고 가장 적은 영향을 받은 지역은 인천으로 약 0.4% 상승하였다. 중부지역의 평균 상승률은 2.
7%이다. 남부지역에 속하는 서산, 청주, 대전, 포항, 대구, 전주, 울산, 광주, 부산, 목포, 진주 중 기후변화에 의한 영향을 가장 많이 받은 지역은 목포로 약 4.6%상승하였고, 가장 적은 영향을 받은 지역은 대구로서 약 0.9% 상승하였다. 남부지역의 평균 상승률은 약 1.
18개 지역의 기후변화 발생 전·후의 난방도일 비교결과 평균 2.5% 증가한 것을 확인하였다.
난방도일 분석을 통하여 중부지역과 남부지역 중 서산, 청주, 대전의 결과값이 차이가 크지 않고, 중부지역의 속초, 강릉에 비해 난방도일이 많다는 것을 확인하였다. 남부지역의 경우 지역별로 기후변화에 의한 영향이 없는 지역도 존재하는 것으로 확인되었다.
kr)에서 제공하는 월별 판매전력량이다. 1980년부터 2012년까지의 1월, 2월, 12월의 전력판매량 분석결과 가장 많은 전력판매량을 기록한 달은 12월로써 1980년부터 2010년까지 1월 대비 약 7%, 2월 대비 약 9%가 많은 전력을 사용한 것으로 나타났다. 전력사용량을 감소시켜 블랙아웃을 예방하는 방안을 제시하기 위해 12월의 소요난방열량을 분석하였다.
Fig 2의 지역별 소요난방열량 분석결과 기후변화에 의해 지역별 소요난방열량이 중부지역(서울, 춘천) 약 4%, 남부지역(대전, 부산) 약 2%, 제주지역 약1.5% 증가하였다.
기후변화로 인한 전력사용량이 증가할 경우 3절에서 언급한 바와 같이 블랙아웃이 발생하므로 중부지역은 소요난방열량을 약 10% 저감할 수 있는 단열기준을 강화하고, 남부지역, 제주지역 약 18%의 소요난방열량을 저감할수 있는 단열기준을 강화하여 블랙아웃으로 인한 피해를 예방하고 최소화 하여야 한다.
본문 내용 4.2절의 지역별 난방에너지 소요열량 분석결과 중부지역의 서울에 대비 남부지역의 대전의 난방에너지 소요열량이 높다는 것을 알았다. 이는 현재 국내 신축 건축물에 적용되어 지고 있는 건축물 에너지절약 설계기준의 지역별, 부위별 열관류율이 과거의 기후데이터를 이용한 기준이므로 기후변화가 발생하는 현재의 기후데이트를 이용하여 지역별, 부위별 열관류율이 재정립 되어야 한다고 사료된다.
개선된 기준의 난방에너지 소요열량 분석결과 중부지역의 서울, 춘천은 약 10% 감소, 남부지역의 대전, 부산은 약 12% 감소, 제주지역의 제주는 약 14% 감소하였다. 5개 지역 평균 12%의 난방에너지 소요열량이 감소하였다.
동계기간 부문별 수요패턴 분석결과 산업용, 일반용, 주택용 등 부문별 부하 중 난방부하가 약20%를 사용하고 있는 상황에서 전력수요에 큰 도움이 될 것으로 사료된다. 전체 30년간 주택을 운영할 경우, 중부지역 18,900 kWh, 남부지역 18,900kWh, 제주도 15,300kWh 전력소비의 감소로 블랙아웃을 예방할 수 있다.
(2) 기후변화 발생 전·후의 지역별 난방도일 분석결과 중부지역 2.7%, 남부지역 1.1%, 제주지역 1.5% 증가하였다.
(3) 기후변화 발생 전·후의 난방에너지 소요열량 분석결과 중부지역 4%, 남부지역 2%, 제주지역 1.5% 증가하였다.
(1) 1980년도부터 2012년도까지의 일일 평균기온 분석결과 1980년도부터 2005년도까지, 2006년도부터 2012년도까지의 12월 일일 평균기온이 기후변화로 인하여 차이가 발생한 것을 확인하였다.
5% 증가하였다. 18개 지역 중 춘천 4.0% 증가하여 가장 높은 상승률을 보였고, 목포 0.9% 증가하여 가장 낮은 상승률을 보였다.
(4) 지역별 난방에너지 소요열량을 저감하기 위해 단열기준을 중부지역 13%, 남부, 제주지역 18% 강화한 결과 난방에너지 소요열량이 중부지역 10%, 남부지역 12%, 제주지역 14% 감소하였다. 전력량 환산시 평균 약 600kWh 전력을 저감할 수 있어 피크부하를 낮출 수 있는 것으로 나타났다.
(4) 지역별 난방에너지 소요열량을 저감하기 위해 단열기준을 중부지역 13%, 남부, 제주지역 18% 강화한 결과 난방에너지 소요열량이 중부지역 10%, 남부지역 12%, 제주지역 14% 감소하였다. 전력량 환산시 평균 약 600kWh 전력을 저감할 수 있어 피크부하를 낮출 수 있는 것으로 나타났다.

후속연구

남부지역의 경우 지역별로 기후변화에 의한 영향이 없는 지역도 존재하는 것으로 확인되었다. 다음 연구진행시 기후변화로 인한 여름철 기온을 분석하여 원인을 분석할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기후변화 현상은 어떤 영향이 있는가?	기후변화 현상은 평균기온의 변화에 의해 인류와 자연생태계에 미치는 영향이 크다. 인간 활동을 포함한 생태계는 기상재해에 일정 한계까지는 적응하고 있으나 점차 극한 기온의 출현 빈도가 증가하면 적응 능력이 감소하여 각종 스트레스와 피해를 입는다.
	도일 개념에 근거한 난방부하의 예측방법의 특징은 무엇인가?	현재 세계적으로 기상변화에 따른 난방도일 재산정에 대한 연구가 지속적으로 이루어지고 있고, 국내에서도 난방도일에 대한 지속적인 연구가 이루어지고 있다. 도일 (degree-days)개념에 근거한 난방부하의 예측방법은 약간의 오차를 가질 수 있지만, 실내온도와 내부 발열이 일정하다는 가정 하에서는 매우 효과적이고 유용한 방법이다.
	세계적으로 기후변화로 인한 피해는 어떤 영향을 끼치는가?	국내에서 뿐만 아니라 세계적으로 기후변화로 인한 피해는 지속적으로 증가하고 있는 추세이다. 기후변화로 인한 피해는 여름철, 겨울철의 기온 변화뿐만 아니라 농업, 국토해양, 산업, 방재, 산림 등 다양한 분야에 영향을 끼치고 있다.

참고문헌 (9)

Cheol-Yong Jang, The Building Energy Efficiency Rating Evaluation Depending on Law Standard Associating with Building energy, Korean institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems, 2010, pp 159-162.
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Orhan Buyukalaca, Analysis of variable-base heating and cooling degree-days for Turkey, Applied Energy 69, 2001, 269-283.

상세보기
K. Papakostas, Heating and cooling degree-hours for Athens and Thessaloniki, Greece, Renewable Energy 30, 2005, 1873-1880.

상세보기
M. Christension, Climate warming impact on degree-days and building energy demand in Switzerland Energy Conversion and Management 47, 2006, 671-686.

상세보기
Sung-Hwan Cho, Study on the Revision of HDD for 15 Main Cities of Korea, The Society of Air-Conditioning and Refrigerating Engineers of Korea, 2010, pp436-441.
Korea Institute of Energy and Resources, 1981, Study on Utility and Technology Standard of Thermal supply Utility, pp. 112-117
Sung-Rag Lee, Life Cycle Cost Analysis of Energy Saving Performance for Apartment, The Society of Air-Conditioning and Refrigerating Engineers of Korea, 2010, pp254-259
Hwan-Yong Kim, Preparation the Standard Weather Data and TAC Map for Heating and Cooling Load Calculation in the 17-provinces of Korea, Architectural Institute of Korea, 2007. 9, pp197-204

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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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