[논문]도심 오피스건물의 옥상녹화 조성 유형별 건물에너지 절감 비교 연구

김정호; 권기욱; 주창훈; 윤용한

doi:10.5322/jesi.2014.23.8.1437

도심 오피스건물의 옥상녹화 조성 유형별 건물에너지 절감 비교 연구
Comparative of Energy-Saving by Green Roof Type on Urban Office Building 원문보기

Journal of environmental science international = 한국환경과학회지, v.23 no.8, 2014년, pp.1437 - 1446

김정호 (건국대학교 녹색기술융합학과) , 권기욱 (건국대학교 녹색기술융합학과) , 주창훈 (산림조합중앙회) , 윤용한 (건국대학교 녹색기술융합학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This study, the urban energy used office building green roof type composition of the target by analyze building energy reductions. Green roof is total 6 types(type A~F) were selected, EnergyPlus the energy simulation programs were used. Top floor of green roof types evaluation, the reduction of the cooling peak load type E(1.26%), type D(1.30%), type C(1.37%), type B(1.45%), type F(1.49%), and heating peak load is type D(1.32%), type E(1.40%), type C(1.47%), type F(1.69%), type B(2.13%) order. Annual cooling load of heating load is reduced more than about 1% effect. The heating load reduction ratio for a maximum of 9% respectively. Cooling peak load of the building energy performance evaluation of type F > type B > type C > type D > type E in the order and in the case of peak loads heating type B > type F > type D > type E>type C order. Annual total energy use reduction of 1.07 to 1.22% and earn, type B in the best good. In primary energy use reductions in the presence of a green roof were in the 4249~4876 kWh/yr. Annual $CO_2$ emissions reductions of unapplied type A were analyzed on average 469.78 kg.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 국내 에너지 소비패턴이 가장 많은 오피스 건물을 대상으로 옥상녹화시스템 조성 유형에 따른 건물에너지 절감 실태를 비교·분석하여 저에너지 녹색건축물 계획 수립시 최적의 옥상녹화시스템 활용을 위한 기초자료로 제시하고자 하였다.
본 연구는 옥산녹화 조성유형이 건물에너지 절감에 미치는 영향을 분석하여 최적의 옥상녹화시스템 개발 연구의 기초자료 제공을 목적으로 하였다. 옥상녹화 조성유형은 총 6개 유형으로 설정하였으며 도심 오피스 건물을 대상으로 EnergyPlus 프로그램을 활용하여 분석하였다.

제안 방법

type B 구조는 식재층 + 그린블록(우수저류 성능형 단열판) + 방근시트+단열배수판, type C 구조는 식재층+펄라이트(70 mm) + 부직포+ 화산석+ 세덤블록, type D 구조는 식재층+펄라이트(115 mm) + 부직포+ 배수판, type E 구조는 식재층+마사토(85 mm) + 펄라이트(30 mm) + 부직포+ 배수판, type F 구조는 식재층+ 마사토(300 mm) + 펄라이트(30 mm) + 부직포+ 배수판으로 설정하였다(Table 1).
냉·난방 설정 온도는 냉방 24 ℃, 난방 22 ℃, 난방조명설계는 사무공간으로 목표조도 400 lux, 조명부하 5 W/m2·100 lux, 재실인원 0.11 people/m2, 인체발열 123 W/person, 환기량 10 l/s·person, 급탕 0.2 l/m2·day, 건물운용 24시간 중 근무시간 8:00~18:00로 설정하였다.
또한 건물모델링은 3층으로 하였으며, 냉·난방 설비시스템을 산정하였다.
본 연구의 해석프로세스는 3단계로 구분할 수 있으며, 1단계로 옥상녹화시스템의 유형별 에너지절감 성능을 분석하기 위해 미적용인 type A와 옥상녹화유형인 type B~F로 설정하였다. 2단계는 시뮬레이션 설정조건을 입력하는 과정으로 기간분석을 위한 기상데이터는 한국태양에너지학회에서 제공하는 대한민국 표준 기상데이터 중 중부지역에 속하는 인천기상데이터를 사용하였다.
옥상녹화시스템의 유형은 식재층 재료, 토양층 재료, 배수판 재료 등을 고려하여 5개 type으로 구분되며 미적용된 type까지 포함하여 총 6개 type으로 시뮬레이션을 실시하였다. 옥상녹화 시스템유형은 저관리경량형으로 type B, C, D, E를, 관리중량형으로 type F를 설정하였다. 본 연구 시뮬레이션에 적용된 type별 옥상녹화가 미적용된 type A는 콘크리트 210 mm, 단열재 110 mm이고, 이외 5개 type에서도 건물구조는 type A와 동일하게 구성하였다.
옥상녹화 유형별 건물 전체 에너지성능평가 중 냉·난방피크부하의 저감효과를 분석하였다.
본 연구는 옥산녹화 조성유형이 건물에너지 절감에 미치는 영향을 분석하여 최적의 옥상녹화시스템 개발 연구의 기초자료 제공을 목적으로 하였다. 옥상녹화 조성유형은 총 6개 유형으로 설정하였으며 도심 오피스 건물을 대상으로 EnergyPlus 프로그램을 활용하여 분석하였다.
옥상녹화시스템의 차이가 건물에너지 절감 및 환경부하에 미치는 영향을 파악하고자 국내의 대표적 옥상녹화 시스템을 5개 유형으로 구분하여 단위면적당 에너지절감율을 제시한 Kim과 Yoon(2011)의 연구를 참조하였다. 옥상녹화시스템의 유형은 식재층 재료, 토양층 재료, 배수판 재료 등을 고려하여 5개 type으로 구분되며 미적용된 type까지 포함하여 총 6개 type으로 시뮬레이션을 실시하였다. 옥상녹화 시스템유형은 저관리경량형으로 type B, C, D, E를, 관리중량형으로 type F를 설정하였다.
우리나라 또한 국가 인벤토리 산정시 1996 IPCC 가이드라인에 의거하여 작성되고 있으며, 2006 IPCC 가이드라인에서 제시하는 대상 온실가스로는 이산화탄소, 메탄, 아산화질소, 수소불화 탄소, 과불화탄소, 육불화황 6가지 종류를 대상으로 한다. 이중 기후변화에 가장 큰 영향을 미치는 것은 이산화탄소이므로(Sin, 2014), 본 연구에서는 시뮬레이션을 통해 옥상녹화유형에 따른 연간 이산화탄소 배출량을 산정 하였다. 연간 이산화탄소 배출량의 경우(Fig.

대상 데이터

본 연구의 해석프로세스는 3단계로 구분할 수 있으며, 1단계로 옥상녹화시스템의 유형별 에너지절감 성능을 분석하기 위해 미적용인 type A와 옥상녹화유형인 type B~F로 설정하였다. 2단계는 시뮬레이션 설정조건을 입력하는 과정으로 기간분석을 위한 기상데이터는 한국태양에너지학회에서 제공하는 대한민국 표준 기상데이터 중 중부지역에 속하는 인천기상데이터를 사용하였다. 또한 건물모델링은 3층으로 하였으며, 냉·난방 설비시스템을 산정하였다.
옥상녹화 시스템유형은 저관리경량형으로 type B, C, D, E를, 관리중량형으로 type F를 설정하였다. 본 연구 시뮬레이션에 적용된 type별 옥상녹화가 미적용된 type A는 콘크리트 210 mm, 단열재 110 mm이고, 이외 5개 type에서도 건물구조는 type A와 동일하게 구성하였다. type B 구조는 식재층 + 그린블록(우수저류 성능형 단열판) + 방근시트+단열배수판, type C 구조는 식재층+펄라이트(70 mm) + 부직포+ 화산석+ 세덤블록, type D 구조는 식재층+펄라이트(115 mm) + 부직포+ 배수판, type E 구조는 식재층+마사토(85 mm) + 펄라이트(30 mm) + 부직포+ 배수판, type F 구조는 식재층+ 마사토(300 mm) + 펄라이트(30 mm) + 부직포+ 배수판으로 설정하였다(Table 1).
본 연구에서는 옥상녹화 조성 유형에 따른 오피스건물의 에너지사용량을 분석하기 위하여, 건물은 3층 규모로 설정하였으며, 건물면적 2,500 m2(50 m × 50 m), 연면적 7,500 m2으로 설정하였다.

이론/모형

본 연구의 건물에너지성능 시뮬레이션 프로그램은 EnergyPlus7.2를 사용하였다. EnergyPlus는 미국 DOE(Department Of Energy)에서 개발된 프로그램으로 에너지사용량 평가에 유용한 툴로서 국내 · 외에서 타당성이 검증된 시뮬레이션 프로그램이다(Yoon 등, 2011).
옥상녹화시스템의 차이가 건물에너지 절감 및 환경부하에 미치는 영향을 파악하고자 국내의 대표적 옥상녹화 시스템을 5개 유형으로 구분하여 단위면적당 에너지절감율을 제시한 Kim과 Yoon(2011)의 연구를 참조하였다. 옥상녹화시스템의 유형은 식재층 재료, 토양층 재료, 배수판 재료 등을 고려하여 5개 type으로 구분되며 미적용된 type까지 포함하여 총 6개 type으로 시뮬레이션을 실시하였다.

성능/효과

1차 에너지사용량으로 환산한 결과, 옥상녹화 미적용 type A 대비 0.58~0.67의 저감율을 나타내는 것으로 분석되었다. 연간 이산화탄소배출량 분석결과, 옥상녹화 미적용 type A 보다 다른 유형에서 평균 469.
46% 수준이었다. 겨울철 난방부하의 경우에는 type A 1,619.36 kW, type B 1,462.02 kW, type C 1,502.53 kW, type D 1,511.57 kW, type E 1,508.31 kW, type F 1,486.97 kW로 분석되어 옥상녹화 미적용 유형인 type A 대비 연간 난방기간 동안의 평균 부하 저감율은 type B가 9.72%로 가장 양호하였으며 type F(8.18%), type C(7.21%), type E(6.86%), type D(6.66%) 등의 순이었다. 향후 에너지 절감을 고려한 옥상녹화시스템 도입시 단열배수판을 적용하거나, 일반토양의 토심을 300 mm이상으로 조성해야 할 것이다.
26%) 등의 순이었다. 난방피크부하의 경우 type A 40,690 W, type B 39,820 W, type C 40,090 W, type D 40,150 W, type E 40,120 W, type F 40,000 W로 분석되어 옥상녹화를 미적용한 type A 대비 옥상녹화를 적용한 type B~F는 약 540~870 W의 저감량을 보였으며, 저감율은 type B가 2.13%로 가장 양호하였다.
본 연구에서도 피크부하 저감효과는 냉방부하 저감효과보다 난방부하 저감효과가 더 우수한 것으로 분석되어 기존 연구와 유사한 결과를 보였다. 또한 냉난방피크부하 결과 냉방피크부하는 type F에서 최대 저감율을 보였으나, 난방피크부하는 type B에서 최대 절감율을 보였다. 냉·난방피크부하의 최대 절감율을 보이는 유형이 동일하지 않은 것은 type B에서 단열성이 높아 내부의 열을 외부로 방출하지 못해 냉방부하량이 높게 분석된 결과로 사료되었다.
67로 예측되었다. 또한 연간난방부하 저감량은 옥상녹화 미적용 유형인 type A 보다 약 926~1502 kWh 저감량을 나타냈으며, 최대 3.18%의 저감율이 예측되었다. 연간총에너지사용량은 옥상녹화 미적용인 type A 대비 type B > type F > type C > type E > type D 순으로 분석되었다.
난방피크부하의 경우 미적용 유형인 type A는 118,080 W이었으며, 옥상녹화를 적용한 type B는 116,940 W, type C는 117,300 W, type D는 117,370 W, type E는 117,330 W, type F는 117,170 W이었다. 미적용 대비 옥상녹화를 적용한 유형의 난방피크부하 저감율은 단열배수판을 적용한 type B(0.97%)가 가장 양호하였고, 이외 type F(0.77%), type D(0.60%), type E(0.64%), type C(0.66%)의 순으로 감소하는 것으로 해석되었다. 최상층에 비해 냉·난방피크부하 저감율이 낮게 분석된 것은 최상층부의 열적불균형에 의한 것으로(An, 2003) 사료되며, 건물의 최상층일수록 인공배열에 의한 영향이 큰 것으로 판단되었다(Kim과 Yoon, 2010).
본 연구에서 제시한 건물의 최상층의 유형별 냉방피크부하는 type A 48,180 W, type B 47,480 W, type C 47,520 W, type D 47,550 W, type E 47,570 W, type F 47,460 W으로 분석되어 옥상녹화를 적용한 유형(type B~F)이 적용하지 않은 유형(type A)보다 610~720 W 정도 절감되는 것으로 분석되었으며, 저감율은 type F가 1.49%로 가장 양호하였고 이외 type B(1.45%), type C(1.37%), type D(1.30%), type E(1.26%) 등의 순이었다. 난방피크부하의 경우 type A 40,690 W, type B 39,820 W, type C 40,090 W, type D 40,150 W, type E 40,120 W, type F 40,000 W로 분석되어 옥상녹화를 미적용한 type A 대비 옥상녹화를 적용한 type B~F는 약 540~870 W의 저감량을 보였으며, 저감율은 type B가 2.
95%로 보고하였으며, 녹화적용에 따른 피크부하 저감효과는 냉방부하보다 난방부하 저감효과에 우수한 것으로 보고하였다. 본 연구에서도 피크부하 저감효과는 냉방부하 저감효과보다 난방부하 저감효과가 더 우수한 것으로 분석되어 기존 연구와 유사한 결과를 보였다. 또한 냉난방피크부하 결과 냉방피크부하는 type F에서 최대 저감율을 보였으나, 난방피크부하는 type B에서 최대 절감율을 보였다.
분석결과, 최상층의 피크부하 저감효과는 미적용대비 냉방 1.26~1.49%, 난방 1.32~2.13% 정도 절감되는 것으로 분석되었으며, 냉방시에는 type F, 난방시에는 type B가 옥상녹화 유형중 가장 높은 저감율을 보였다. 연간 냉방부하는 여름철 냉방기간 동안 옥상녹화 미적용 대비 약 1%이상의 저감효과를 보였다.
이중 기후변화에 가장 큰 영향을 미치는 것은 이산화탄소이므로(Sin, 2014), 본 연구에서는 시뮬레이션을 통해 옥상녹화유형에 따른 연간 이산화탄소 배출량을 산정 하였다. 연간 이산화탄소 배출량의 경우(Fig. 8.), 옥상녹화 미적용인 type A는 134,946.49 kg/y, type B 134,482.41 kg/y, type C 134,475.93 kg/y, type D 134,475.02 kg/y, type E 134,478.29 kg/y, type F 134,471.90 kg/y로 분석되어 옥상녹화시스템을 적용한 유형은 미적용 대비 평균 469.78 /y이 적게 배출되는 것으로 산정되었다. 아울러 냉방시기인 8월에 가장 높은 이산화탄소 배출량을 보여 냉방에너지 절감을 위한 다양한 노력이 필요할 것으로 사료되었다.
67의 저감율을 나타내는 것으로 분석되었다. 연간 이산화탄소배출량 분석결과, 옥상녹화 미적용 type A 보다 다른 유형에서 평균 469.78 kg의 저감량이 있을 것으로 예측되었다. 옥상녹화의 에너지저감 성능을 향상시키기 위해서 마사토의 토심을 300 mm 이상으로 하거나, type B 유형처럼 고단열 배수판을 고려해야 할 것이다.
연간 냉방부하는 여름철 냉방기간 동안 옥상녹화 미적용 대비 약 1%이상의 저감효과를 보였다. 연간난방부하는 미적용 대비 6.66~9.72%의 저감율 보였으며, 단열배수판이 적용된 type B에서 가장 높은 에너지절감율을 보였다. 총 건물에너지성능평가 중 냉·난방피크부하의 경우 냉방 시기 저감율은 type F > type B > type C > type D > type E순이다.
68%로 분석되었으며, type B에 가장 높은 저감율을 보였다. 연간냉방 부하 저감량은 옥상녹화 미적용 type A 보다 약 270~618 kWh의 저감량을 보이며, 저감율은 0.26~0.67로 예측되었다. 또한 연간난방부하 저감량은 옥상녹화 미적용 유형인 type A 보다 약 926~1502 kWh 저감량을 나타냈으며, 최대 3.
연간냉방부하량 계산결과, 옥상녹화 미적용인 type A는 92,409 kWh, type B 92,138 kWh, type C 91,847 kWh, type D 91,791 kWh, type E 91,825 kWh, type F 91,933 kWh로 분석되었다. 옥상녹화 미적용 대비 적용하였을 경우 약 270~618 kWh의 절감량을 보였으며, 절감율은 0.
연간 냉 · 난방에너지사용량의 경우 type A는 145,086 kWh, type B 143,313 kWh, type C 143,503 kWh, type D 143,541 kWh, type E 143,529 kWh, type F 143,421 kWh로 분석되었다. 옥상녹화 미적용 type A 대비 1.07~1.22%의 절감율을 보이며, type B에서 가장 양호한 절감율을 보였다.
옥상녹화 미적용인 type A에서는 264,205 kWh, type B 262,432 kWh, type C 262,622 kWh, type D 262,660 kWh, type E 262,648 kWh, type F 262,540 kWh로 예측되었다. 옥상녹화 미적용인 type A 대비 에너지사용량 절감율을 살펴보면, type B가 0.67%로 가장 높은 절감율을 보였고, type F 0.63%, type C 0.60%, type E 0.59%, type D 0.58%의 순이었다.
87 kWh/yr으로 분석되었다. 옥상녹화 유무에 따른 절감량은 4,249~4,876 kWh/yr이며, 절감율은 0.58~0.67%로 예측되었다.
총 건물 냉방피크 부하의 경우 type A는 141,210 W, type B 139,430 W, type C 139,500 W, type D 139,550 W, type E 139,570 W, type F 139,410 W로 산정되었다. 옥상녹화 적용 유형이 적용하지 않은 유형보다 약 1,640~1,800 W의 저감량을 보였으며, 옥상녹화유형별 저감율은 type E(1.16%), type D(1.18%), type C(1.21%), type B(1.26%), type F(1.27%) 순이었다.
일간 냉·난방 부하 저감효과의 경우 냉방피크부하시간은 15시로 분석되었으며, 옥상녹화 미적용 대비 약 1.2% 이상의 저감율을 보였으며, 관리중량형인 type F에서 가장 높은 저감율을 보였다.
난방시기 저감율은 type B > type F > type D > type E > type C의 순으로 분석되었다. 즉 냉방 시에는 마사토로 토심이 가장 깊은 유형인 type F가 저감율이 높았으며, 난방시에는 고단열배수판이 적용된 type B 유형이 양호한 것으로 분석되었다. 일간 냉·난방 부하 저감효과의 경우 냉방피크부하시간은 15시로 분석되었으며, 옥상녹화 미적용 대비 약 1.
연간난방부하의 경우 type A 47,300 kWh, type B 45,798 kWh, type C 46,279 kWh, type D 46,373 kWh, type E 46,328 kWh, type F 46,111 kWh로 산정되었다. 즉 옥상녹화 미적용 type A 대비 난방기간 동안 절감량은 약 926~1502 kWh이며, 절감율은 1.96~3.18%를 보였다. 바닥면적 당 냉·난방부하량의 경우 옥상녹화 미적용 type A 대비 저감량 1.

후속연구

옥상녹화의 에너지저감 성능을 향상시키기 위해서 마사토의 토심을 300 mm 이상으로 하거나, type B 유형처럼 고단열 배수판을 고려해야 할 것이다. 본 연구는 시뮬레이션을 활용한 옥상녹화 유형이 오피스건물의 에너지절감에 미치는 영향을 분석한 연구로 향후 실제 옥상녹화시스템과 시뮬레이션의 비교·검증이 이루어져야 할 것이며 아울러 옥상녹화 식재 유형 및 디자인에 따른 에너지절감성능평가가 함께 고려된 연구가 진행되어야 할 것이다.
본 연구는 식재식물에 의한 이산화탄소 흡수율을 고려하지 않고 에너지사용량을 통한 이산화탄소 배출량을 산정한 연구로서 향후 옥상녹화 식재 식물의 이산화탄소 흡수량이 계산되는 시뮬레이션값이 적용된다면 실제 이산화탄소 절감량이 다소 향상될 것이나, 그 영향은 미미할 것으로 판단되었다.
실제 옥상녹화가 건물에너지 전체부하에 미치는 에너지 절감량은 기존 연구결과에서, 연간 냉·난방부하 저감량 2~3%(Kim과 Jang, 2007)로 보고하고 있으며, 본 연구 결과에서도 냉·난방시기에 따라 우수한 효과를 보이는 유형의 차이는 있으나, 종합적인 관점에서 평가하였을 경우 고단열 배수판을 적용한 type B와 마사토 300 mm가 적용된 type F에서 우수한 성능을 보였으며, 향후 건물에너지 단열성 및 생태적 증진을 위해 type B, F 유형의 요소를 사용하는 것이 타당할 것이다.
78 /y이 적게 배출되는 것으로 산정되었다. 아울러 냉방시기인 8월에 가장 높은 이산화탄소 배출량을 보여 냉방에너지 절감을 위한 다양한 노력이 필요할 것으로 사료되었다.
66%) 등의 순이었다. 향후 에너지 절감을 고려한 옥상녹화시스템 도입시 단열배수판을 적용하거나, 일반토양의 토심을 300 mm이상으로 조성해야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	EnergyPlus가 열부하를 계산하는데 사용되는 열전달 경로는 무엇인가?	EnergyPlus는 상세 에너지 해석이 가능하며 해석기간 동안 수시로 변화하는 건물의 실내외 조건, 벽체의 축열 부하를 고려하여 매 시간당 에너지균형(Energy Balance)을 계산하기 위해 유한차분법, 응답계수법 등과 같은 수치해석 방법을 채택하고 있다. 일정 시간 간격으로 외벽을 통한 관류열, 시간에 따른 실내 현열 및 잠열, 발열, 환기 및 침기에 의한 열손실/취득, 일사, 천공복사, 내벽체간 복사, 주위건물 음영, 건물 내·외부 대류 열전달 등, 여러 가지 열전달 경로를 통하여 동시에 발생되는 열부하를 통합하여 계산한다(No와 Jeong, 2011).
	EnergyPlus는 무엇인가?	2를 사용하였다. EnergyPlus는 미국 DOE(Department Of Energy)에서 개발된 프로그램으로 에너지사용량 평가에 유용한 툴로서 국내 외에서 타당성이 검증된 시뮬레이션 프로그램이다(Yoon 등, 2011). EnergyPlus는 기존 해석 도구인 DOE-2, BLAST, COMIS 의 장점을 통하여 개발된 도구로서 CTF(Conduction Transfer Function)과 CFD(Conduction Finite Difference), HAMT(Combined Heat and Moisture Transfer) 등과 같은 벽체 열전달 계산 알고리즘을 이용하여 기존 해석도구에서 불완전했던 실내 온도 예측과 같은 점이 보완 되었다(No와 Jeong, 2011).
	국내의 화석연료 의존도는 얼마인가?	세계 각국은 온실가스 감축정책을 최우선 과제로 추진중이며, 포스트 교토의정서에 대응하기 위한 방안을 마련하고 있다. 국내의 화석연료 의존도는 약 83% 수준이며, 에너지 소비패턴은 산업 55%, 건물 25%, 수송 21% 등으로 최근 건축물의 에너지 소비량은 큰 폭으로 상승하는 추세에 있다(Kang 등, 2010). 이에 대한 대응으로 우리나라에서는 2025년까지 모든 신축건물에 대한 제로에너지하우스 수준을 의무화 할 것을 발표한 후(Yoon 등, 2011), 실천방안으로 2012년 수준 대비 건축물의 에너지 절약 설계기준을 대폭 강화할 수 있는 에너지 소비 총량제도 등을 도입하고 있다(Lee 등, 2012).

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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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