국내 공동주택의 에너지절약 설계기준 강화에 따른 냉난방설비 설계 기준 개선 방안 Improvement of Design Criteria in Heating and Cooling Equipment According to the Consolidation of Design Standard for Energy Saving in Apartment Buildings of Korea원문보기
Recently design standard for energy-saving in apartment buildings has been consolidated gradually on the basis of evaluation and certification standards of energy efficiency of buildings, the energy-saving policy of building at home and abroad. Performance criteria for thennal insulation as well as ...
Recently design standard for energy-saving in apartment buildings has been consolidated gradually on the basis of evaluation and certification standards of energy efficiency of buildings, the energy-saving policy of building at home and abroad. Performance criteria for thennal insulation as well as fenestration has been progressively enhanced, and performance criteria for ventilation and airtightness of the building have also been re-developed. Therefore, heating and cooling load characteristics of the apartment building can be changed. For the design of the upcoming heating and cooling equipment in apartment buildings, it is necessary to evaluate the heating and cooling load characteristics according to the design strategies for energy saving in apartment buildings. As a result, in this study, it is intended to use as a resource for analyzing the impact that the adoption of energy-saving design variables for each of the apartment buildings, to predict the heating and cooling load characteristics in the apartment building.
Recently design standard for energy-saving in apartment buildings has been consolidated gradually on the basis of evaluation and certification standards of energy efficiency of buildings, the energy-saving policy of building at home and abroad. Performance criteria for thennal insulation as well as fenestration has been progressively enhanced, and performance criteria for ventilation and airtightness of the building have also been re-developed. Therefore, heating and cooling load characteristics of the apartment building can be changed. For the design of the upcoming heating and cooling equipment in apartment buildings, it is necessary to evaluate the heating and cooling load characteristics according to the design strategies for energy saving in apartment buildings. As a result, in this study, it is intended to use as a resource for analyzing the impact that the adoption of energy-saving design variables for each of the apartment buildings, to predict the heating and cooling load characteristics in the apartment building.
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문제 정의
본 연구에서는 국내 공동주택에서 에너지절약설계기준 강화에 따른 부하특성을 분석함으로써 공동주택 냉난방설비의 설계 기준을 평가하고자 하였다. 본 연구의 결론은 다음과 같다.
본 연구에서는 패시브하우스 설계기술을 고려하여 공동주택 에너지절약 설계 변수별 냉난방부하 특성을 분석하기 위해서, Fig. 2와 같이 구조체성능(단열)과 창호성능(단열), 폐열회수환기장치의 적용 및 기밀성능을 최고 및 최저수준으로 각각 설정하여 기준 공동주택 모델 대비 냉난방에너지 절감 수준을 평가하였다.
후)용량산정 기준을">용량산정기준을 개선해 나가는 것이 필요하다. 이에 본 연구에서는 패시브 제로에너지 건축물 설계기술을 고려하여 공동주택의 에너지절약 설계변수별 민감도를 분석하고, 공동주택의 에너지절감 수준별로 적정한 냉난방설비의 설계기준을 제시하고자 하였다.
후)냉난방 부하">냉난방부하 특성에 대해 먼저 평가하는 것이 필요하다. 이에 본 연구에서는 패시브하우스 설계기술을 고려하여 공동주택의 에너지절약 설계변수별 적용 수준에 따른 민감도를 동적해석을 통해 분석하고, 공동주택 에너지절감 목표수준별로 냉난방부하특성을 분석함으로써 향후 패시브 제로에너지 공동주택에서의 냉난방부하 기준을 제시하고자 한다.
가설 설정
후)냉난방 부하">냉난방부하 특성을 분석하였다. Table5와 같이 공동주택 30% 절감형 건물 모델은 외벽, 바닥, 지붕의 열관류율을 각각 0.25W/㎡K, 0.23W/㎡K, 0.18W/㎡K로 가정하고, 창호의 열관류율은 1.5W/㎡K, SHGC는 0.60으로 가정하였다. 기계환기는 0.
후)기후 데이터는">기후데이터는 DOE에서 제공하는 서울지역(김포공항)의 자료를 이용하였다. 공동주택의 기준 모델은 내단열 공법을 적용하는 것으로 하였으며, 외벽과 바닥, 지붕의 열관류율은 각각 0.47W/㎡K, 0.35W/㎡K, 0.29W/㎡K로 가정하였고, 창호의 열관류율 3.0W/㎡K, SHGC 0.75, 직달일사 투과율(Direct solar transmission) 0.68, 가시광선 투과율(visible transmittance) 0.82로 가정하였다. 세대 내에 자연환기 0.
82로 가정하였다. 세대 내에 자연환기 0.7 ACH, 침기율은 5ACH(N50)를 가정하였으며, 효율이 80%인 일반 가스보일러와 COP가 2.5인 개별 패키지 에어컨이 설치된 것으로 가정하였다. 인체, 조명, 기기 등 실내 발열량은
5인 개별 패키지 에어컨이 설치된 것으로 가정하였다. 인체, 조명, 기기 등 실내 발열량은 건축물에너지효율 등급인증제도 운영규정과 ASHRAE Standard 90.1-2010을 참고하여 각각 1.48W/㎡, 6.50W/㎡, 2.98W/㎡으로 가정하였다.
제안 방법
공동주택의 에너지절감 목표 수준은 정부의 2) 을 참고하 여,정부정책 기준에 따라 기준모델 대비 냉난 방에너지 절감율 30%,50%,70% 수준으로 설정하였다.
기준 모델에 대하여 난방기간은 11∼3월, 냉방기간 6∼9월로 하여,최대 냉난방부하와 연간 냉난방에너지요구량을 산출하였다.
후)단열 부위를">단열부위를 외기에 직접 면하는 부위와 간접 면하는 부위, 바닥난방인 경우와 바닥난방이 아닌 경우로 구분되어 왔다. 또한 층간바닥에 대한 기준이 신설되고, 창호의 단열성능은 창틀 및 유리를 포함한 전체 열관류율로 적용되었다. 이 시점에서 중부와
본 연구에서는 EnergyPlus를 해석모듈로 두고 있는 DesignBuilder프로그램을 이용하여 Fig. 1과 같이 일반적인 국내 공동주택을 대상으로 모델링하여 연속운전 조건에서 건물의 냉난방부하 특성을 분석하였다.
후)냉난방 에너지">냉난방에너지 절감율 30%, 50%, 70% 수준으로 설정하였다. 본 연구에서는 에너지 설계변수별 민감도 분석을 토대로 에너지성능변수를 조합하여 각각 공동주택 에너지절감모델을 구성하였으며, 각 절감모델에 대한 냉난방부하 특성을 분석하였다. Table5와 같이 공동주택 30% 절감형 건물 모델은 외벽, 바닥, 지붕의 열관류율을 각각 0.
대상 데이터
0m로 모델링하였다. 19층 규모에서 18개층은 층별 2세대로 구성하였으며, 1층의 필로티 1세대를 포함하여 총 37세대로 1개동을 모델링하였다.
각 세대별 난방 및 냉방 설정온도는 각각 20°C,26°C로 하였고,기후데이터는 DOE에서 제공하는 서울지역(김포공항)의 자료를 이용 하였다.
과 를 참고하여 전용면적 84㎡(발코니 확장면적 102㎡)인 계단실형 공동주택을 기준모델로 설정하였으며, 동 단위의 전체 연면적은 4,232.8㎡,전용면적의 합계는 3,738.1㎡,층고는 기준층 2.9m,최 하층/최상층 3.0m로 모델링하였다.
구조체성능과 창호성능의 최저수준은 2009년 [별표 4]의 지역별 건축물 부위의 열관류율표 기준을 적용하였고,최고수준은 패시브하우스 기준을 적용하였다.
성능/효과
(2) 공동주택에서 구조체의 단열성능, 창호성능, 환기성능 및 기밀성능 개선 수준에 따른 에너지절감 특성을 분석한 결과, 환기성능을 개선하는 경우 가장 큰 냉난방에너지 절감효과가 나타나는 것으로 파악되었으며, 냉방에너지에 비해 난방에너지 절감이 크게 나타났다.
(3) 최근 정부의 건물에너지정책에 따라 공동주택 에너지절감 모델을 30%, 50%, 70% 수준으로 가정하여 냉난방에너지 절감 특성을 분석한 결과, 구조체 단열성능 및 창호성능, 기밀성능 수준을 향상함으로써 난방에너지는 크게 절감할 수 있으나, 냉방 에너지는 다소 증가하는 것으로 나타났다.
후)냉난방 에너지가">냉난방에너지가 절감되었고, 성능 수준을 개선함에 따라 난방에너지는 감소하였으나, 냉방에너지 변화량은 미미한 수준이었다. 4가지의 설계변수 중 환기성능에서 전체 냉난방에너지 절감 효과가 가장 크게 나타났다.
후)공동주택">공동 주택 30% 절감모델에서는 최대난방부하와 최대냉방부하가 각각 31W/㎡, 45W/㎡로서, 기준 모델에 비해 각각 40%, 12% 가량 저감되는 것으로 나타났다. 공동주택 50%
후)기준 모델에">기준모델에 비해 약 37% 절감되는 것으로 나타났다. 공동주택 30% 절감모델에서 난방에너지요구량은 38kWh/㎡yr이고,냉방에너지요구량은 29kWh/㎡yr로서 구조체와 창호의 단열성능 수준을 강화하고, 기밀성능을 다소 개선하는 경우, 난방에너지의 절감은 예상되지만, 냉방에너지는 큰 차이를 보이지 않을 것으로 판단된다. 그러나 현재 국내 공동주택에서
공동주택 30% 절감모델에서 냉난방에너지 요구량은 67kWh/㎡yr로서 기준모델에 비해 약 37% 절감되는 것으로 나타났다. 공동주택 30%
후)12%가량">12% 가량 저감되는 것으로 나타났다. 공동주택 50% 절감모델에서 냉난방에너지요구량은 43kWh/㎡yr로서 기준 모델에 비해 약 56% 절감되는 것으로 나타났다.
후)운전제어 방안">운전제어방안 등이 함께 고려되어야 할 것이다. 공동주택 50% 절감모델에서는 최대난방부하와 최대냉방부하는 각각 17W/㎡, 냉방부하량은 41W/㎡로서, 기준모델에 비해 각각 65%, 20% 가량 저감되는 것으로 나타났다. 공동주택 70%
후)20%가량">20% 가량 저감되는 것으로 나타났다. 공동주택 70% 절감모델에서 냉난방에너지요구량은 31kWh/㎡yr로서 기준모델에 비해 68% 절감되는 것으로 나타났다. 난방에너
후)구조체단열성능">구조체 단열성능 향상에 따라서 난방 에너지는 감소하였으나, 냉방에너지의 감소량은 미미한 수준이었다. 이는 냉방에너지의 경우, 구
후)냉방에너지요 구량은">냉방에너지요구량은 7% 증가하는 것으로 나타났다. 그리고 최대난방부하와 최대냉방부하는 각각 2W/㎡, 28W/㎡로서 기준모델 대비 97%, 45% 저감되었다. 최근 공동주택에서의 냉방기기
기밀성능을 개선함으로써 4.4∼ 19.7% 가량 냉난방에너지가 절감되었고,성능 수준을 개선함에 따라 난방에너지는 감소하였 으나,냉방에너지 변화량은 미미한 수준이었다.
후)결과 값에">결과값에 대하여 TAC 1%에 해당하는 값을 도출하였다. 기준 모델에 대한 분석 결과, 연간 난방에너지요구량은 68kWh/㎡yr, 냉방에너지요구량은 29kWh/㎡yr이고, 최대난방부하는 49W/㎡, 최대냉방부하는 51W/㎡로 나타났다.
후)냉난방에너지요 구량을">냉난방에너지요구량을 산출하였다. 기준 모델에서 최대냉난방부하는 전체 시뮬레이션 결과값에 대하여 TAC 1%에 해당하는 값을 도출하였다. 기준 모델에 대한 분석 결과, 연간
후)기준 모델에">기준모델에 비해 68% 절감되는 것으로 나타났다. 난방에너 지요구량은 0.4kWh/㎡yr, 냉방에너지요구량은 31kWh/㎡yr로서, 난방에너지요구량은 99% 절감되었으나, 냉방에너지요구량은 7% 증가하는 것으로 나타났다. 그리고
후)난방에너지요 구량은">난방에너지요구량은 11kWh/㎡yr, 냉방에너지요구량은 33kWh/㎡yr로서 기준모델에 비해 난방에너지요구량은 84% 절감되었으나, 냉방에너지요구량은 14% 가량 증가한 것으로 나타났다. 공동주택 50%
설계 요소별 평가 대안에 대한 분석 결과, Table4와 같이 구조체 단열성능을 강화함에 따라서 냉난방에너지가 7.4∼11.6% 가량 절감되었다.
후)층간 바닥에">층간바닥에 대한 기준이 신설되고, 창호의 단열성능은 창틀 및 유리를 포함한 전체 열관류율로 적용되었다. 이 시점에서 중부와 남부지역의 창호 열관류율 기준이 개정전보다 완화된 것으로 보이나, 실제로 요구되는 창호 단열 성능은 더욱 강화되었다. 2010년
창호성능 개선에 따라서 냉난방에너지가 10.5∼16.2% 가량 절감되었고, 성능 수준이 개선됨에 따라 냉난방에너지는 감소하였으나,냉방에너지는 G값으로 인해 실내에 유입되는 일사의 크기가 달라지기 때문에 약간의 경향 변화는 있었다.
후)최대 난방부하는">최대난방부하는 기존 지식경제부 고시(에너지사용계획 및 협의절차 등에 관한 규정)나 지역난방의 단위난방부하와 비교하여 조금 낮은 수준으로 나타났다. 최대냉방부하는 KS에서 제시하는 값이 비해 다소 낮은 수준으로 나타났다.
환기성능 개선에 따라서는 냉난방에너지가 10.1∼31.9% 가량 절감되었고,폐열회수환기장치 적용에 따라 난방에너지가 현저하게 감소하였으나,냉 방에너지는 크게 감소하지 않았다.
후속연구
후)패시브제로에너지">패시브 제로에너지 건축물에서 요구되는 성능 수준에 비해서 다소 과도하게 산정되는 것으로 판단된다. 그러므로 향후 패시브 제로에너지 공동주택에서 에너지 효율적인 냉난방설비설계를 위해서는 에너지저감기술의 적용에 따른 냉난방부하 특성에 대해 먼저 평가하는 것이 필요하다. 이에 본 연구에서는 패시브하우스
후)냉방 에너지">냉방에너지 저감을 위해서는 적절한 차양 장치의 계획, 축열성능 강화, 야간환기, 제습냉방 등의 친환경건축계획이 추가적으로 고려되어야 할 것이라 판단된다.
후)친환경 건축계획이">친환경건축계획이 추가적으로 고려되어야 할 것이라 판단된다. 이를 위해서는 향후에 국내 에너지절약설계기준에서 관련 기준에 대한 구체적인 설계수준 및 성능평가 방법이 수립되어야 할 것이다.
후)기밀 수준을">기밀수준을 개선하는 경우, 난방에너지는 크게 절감할 수 있지만, 냉방에너지에 대한 요구는 다소 증가할 것으로 판단된다. 향후 공동주택의 단열 및 기밀성능 수준이 개선될수록 여름철 태양 일사의 유입과 내부발열에 의한 영향이 크게 나타나며, 기밀화된 건축물로 인해 실내 거주자들의 환기에 대한 필요성이 커질 수 있을 것이다. 그러나 현재 국내 공동주택에서 여름철 냉방기기 사용이 열대야 기간 등 극히 일부 조건에서만 운전되고 있는 현실을 감안할 때, 실제 냉방에너지 절감을 위해서는 패키지에어컨과 연계된 적절한 환기장치의
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
정부에서 설정한 에너지 성능목표는?
3%,온실 가스 배출량의 약 25% 이상이 건물 분야에서 차지하고 있으며, 건축물 전체 에너지 사용량 중 주거건물이 53%를 차지하고 있다. 이에 정부에서는 ‘녹색건축물 활성화 비전 및 계획’에서 2017년까지 2005년 대비 60% 수준으로 냉난방에너지를 감축하기 위해 패시브하우스 수준의 주거용 건물을 보급하고,2025년까지는 모든 신축주택을 제로에너지화하기로 에너지 성능목표를 설정하였다. 이를 위해 정부에서는 건축물 에너지효율등급 인증기준 등 국내외 건물에너지절감 정책에 따라 건축물 에너지절약 설계기준을 점진적으로 강화하고 있다.
공동주택에서 냉난방부하 계산은 어떻게 활용되는가?
공동주택에서 냉난방부하 계산은 냉난방설 비의 용량을 결정하고,에너지성능평가 및 연간 에너지소요량을 산정하기 위한 기초 자료 로서 활용된다.현재 이용되는 냉난방부하 계산프로그램은 정상상태 계산방법은 물론,동적 열해석 프로그램을 통해서 보다 정밀하게 계산이 가능하다.
공동주택의 냉난방설비 설계를 위해서는 냉난방부하 특성에 따른 냉난방설비의 용량산정기준을 개선해 나가는 것이 필요한 이유는?
현재 국내 에너지소비량의 약 22.3%,온실 가스 배출량의 약 25% 이상이 건물 분야에서 차지하고 있으며, 건축물 전체 에너지 사용량 중 주거건물이 53%를 차지하고 있다. 이에 정부에서는 ‘녹색건축물 활성화 비전 및 계획’에서 2017년까지 2005년 대비 60% 수준으로 냉난방에너지를 감축하기 위해 패시브하우스 수준의 주거용 건물을 보급하고,2025년까지는 모든 신축주택을 제로에너지화하기로 에너지 성능목표를 설정하였다. 이를 위해 정부에서는 건축물 에너지효율등급 인증기준 등 국내외 건물에너지절감 정책에 따라 건축물 에너지절약 설계기준을 점진적으로 강화하고 있다. 이로 인해 건축물에서 단열성능은 물론, 창호성능 기준이 점차 강화되고 있으며, 건물 에서의 기밀성능 및 환기 성능기준도 재정비 되고 있다. 따라서 국내 에너지절약설계기준에 따라 건설된 공동주택의 냉난방부하 특성 은 시대적으로 변하고 있다.그러므로 공동주택의 냉난방설비 설계를 위해서는 냉난방부하 특성에 따른 냉난방설비의 용량산정기준을 개선해 나가는 것이 필요하다.
참고문헌 (4)
Lee, K.N. et al., A Study on the Cooling Load Estimation for the Housing Unit of Apartment Building, Proceeding in architectural institute of Korea, Vol. 23, No. 2, 2003, pp. 873-876.
Shim, Y.H. et al., A study on the estimation of standard heating city gas consumption of apartment housing, Journal of the Korean Solar Energy Society, Vol. 26, No. 3, 2006, pp. 89-97.
Lee, Y.G. and Shin, C.W., The air leakage characteristics and airtightness performance of a newly built apartment, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 25, No. 11, 2013, pp. 606-611.
Kim, J.G. et al., Study about change of insulation standard in apartment and its effect, Journal of Architectural Institute of Korea, Vol. 11, No. 1, 2009, pp. 125-132.
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