[논문]건물 에너지 절감조치의 시뮬레이션 모델링 상세수준

김선혜

doi:10.12813/kieae.2015.15.6.069

건물 에너지 절감조치의 시뮬레이션 모델링 상세수준
Level of Detail (LOD) for Building Energy Conservation Measures (ECMs) 원문보기

KIEAE journal = 한국생태환경건축학회논문집, v.15 no.6, 2015년, pp.69 - 80

김선혜 (Architectural Engineering Program, Seoul National University of Science and Technology)

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Purpose: Since most simulation programs take the interface that lists up all the input variables representing all the functionalities, users must know where design variables of an Energy Conservation Measure (ECM) are located and also know what values are appropriate. This is why practitioner designers feel frustrated when they attempt to use simulation. The final objective of this study is to provide a building energy modeling guideline for practitioners in various fields such as architectural design and MEP. Method: As the first step of the modeling guideline, this study provides the Level of Detail (LOD) for simulation modeling of primary ECMs considering the design information available in each design phase. It is prepared by literature review, simulation functionality investigation, and field experts' survey. Result: The proposed simulation LOD offers a milestone at each design phases concerning what design variable and attributes need to be developed with how much of details in order to meet the project goal. Also each design team can set up a simulation usecase considering organizational characteristics based on the proposed LOD.

주제어

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문제 정의

건물 에너지 시뮬레이션은 고성능 단열재, 고효율 냉동기 같은 건물 에너지 절감조치 (Energy Conservation Measure, 이하 ECM)의 연구 개발 시, 실제 건물 조건에 맞추어 시제품의 성능을 평가해야 할 경우 고비용의 물리적 시험을 대체하기 위해 연구용으로 개발되었다. 시뮬레이션의 ECM 라이브러리가 점차 보강되면서 사용자층이 일반 건축과 설비 설계자 레벨로 확산되었고 BIM (Building Information Modeling: 건물정보모델링)이 건물 설계에 도입되고 에너지 모델로 자동적으로 변환시켜주는 BIM 저작도구들이 출시되면서 시뮬레이션의 대중화가 가속되었다.
본 연구는 현재 설계자들이 관심을 많이 가지는 ECM을 먼저 조사하고, 이상적인 통합설계 프로세스와 현행 설계 프로세스를 고려하여 설계단계별로 결정되는 ECM의 설계변수와 속성을 분석하여 BIM의 모델링 상세수준 (LOD: Level of Detail)과 동일한 개념으로 ECM의 시뮬레이션 모델링 상세수준을 제안하고자 한다.
본 연구의 궁극적인 목적은 시뮬레이션의 사용성을 향상시켜 에너지 절약형 건물의 통합설계에서 시뮬레이션 활용을 증진시키는 것이다. 이를 위해 본 연구는 설계단계별로 결정되는 ECM의 에너지 성능 관련 설계변수와 속성, 즉 시뮬레이션 모델링 상세 수준(LOD)을 제안하고자 다음과 같은 과정으로 연구가 진행되었다.

제안 방법

각 전문가의 설계업무에 적합한 시뮬레이션 사용 프로토콜 개발의 초석으로써, 본 연구는 주요 ECM을 중심으로 설계변수와 속성을 정리하고, 국내 설계 프로세스와 이상적인 통합설계 프로세스를 고려하여 설계단계별로 필요한 최소한의 정보량 결정을 위해 단계별 결정되어야 할 에너지 성능 관련 설계변수와 속성을 분석하여 시뮬레이션 LOD를 제시하였다.
넷째, 주요 ECM을 중심으로 설계변수와 속성을 정리하고, 국내 설계 프로세스와 이상적인 통합설계 프로세스를 고려하여 설계단계별로 필요한 최소한의 정보량 결정을 위해 단계별 결정되어야 할 에너지 성능 관련 설계변수와 속성을 분석하였다.
표 1과 2의 ECM 중 최근 국내외에서 관심이 고조되는 주요 ECM을 선택하여 적용되는 건물 요소와 설비 계통을 분석하여 중복되는 건물과 설비 객체를 추출 분류하고, [7-16]와 5절의 시뮬레이션 프로그램을 참조하여 해당 객체의 에너지 성능을 결정하는 설계변수와 속성을 추출하고 표 3에 정리하였다. 또한 국내의 대형 건축설계 사무소 3곳, 기계설비 설계 사무소 4곳, 친환경 컨설팅 사무소 2곳에서 설계 업무를 직접 수행하고 있으며 BIM과 시뮬레이션으로 건물 에너지 성능 해석 경험이 있는 경력 4년차 이상의 20여명의 실무 전문가를 대상으로 각 설계변수와 속성 값이 결정되기 시작하는 설계단계와 고정되는 설계단계에 대한 설문조사를 실시하여 설계변수와 속성 값이 발전하는 과정을 처음으로 논의되기 시작하는 단계에서는 □, 확정되는 단계에서는 ■으로 표기하였다. 설계단계는 기존의 국내 설계 프로세스에 따라 기획 및 매스 설계, 계획 설계, 기본 설계, 실시 설계, 시공 준공 및 유지보수의 5단계와 표준설계조건으로 나누었다.
본 연구에서 제시된 ECM의 설계단계별 시뮬레이션 LOD는 현재 상태에서 향후 어떤 설계변수와 속성 값이 정의되어야 하는지, 얼마나 상세하게 구현되어야 하는지에 대한 마일스톤(Milestone)을 설계자에게 제시한다. 따라서 각 설계조직은 제안된 LOD를 벤치마킹하여 프로젝트와 조직의 특성을 반영한 독자적인 시뮬레이션 Use Case 개발이 가능하다.
특히 이른 설계단계일수록 정해지지 않은 설계변수가 많을수록 시뮬레이션의 예측성은 떨어진다. 본 연구에서 제시된 ECM의 설계단계별 시뮬레이션 LOD는 현재 상태에서 향후 어떤 설계변수와 속성값이 정의되어야 하는지, 얼마나 상세하게 구현되어야 하는지에 대한 마일스톤(Milestone)을 제시한다. 즉 정해지지 않은 정보를 가늠하게 하여 사용자가 리스크를 분산(Risk Hedge)할 수 있는 전략을 구상하여 설계에 반영할 수 있게 해 준다.
또한 국내의 대형 건축설계 사무소 3곳, 기계설비 설계 사무소 4곳, 친환경 컨설팅 사무소 2곳에서 설계 업무를 직접 수행하고 있으며 BIM과 시뮬레이션으로 건물 에너지 성능 해석 경험이 있는 경력 4년차 이상의 20여명의 실무 전문가를 대상으로 각 설계변수와 속성 값이 결정되기 시작하는 설계단계와 고정되는 설계단계에 대한 설문조사를 실시하여 설계변수와 속성 값이 발전하는 과정을 처음으로 논의되기 시작하는 단계에서는 □, 확정되는 단계에서는 ■으로 표기하였다. 설계단계는 기존의 국내 설계 프로세스에 따라 기획 및 매스 설계, 계획 설계, 기본 설계, 실시 설계, 시공 준공 및 유지보수의 5단계와 표준설계조건으로 나누었다. 표준 설계조건(Standard Design Condition)이란 건물과 설비의 일반적인 운영 조건과 기후 조건으로 건축 계획이나 설계 지침에서 제시하는 설계변수와 속성이다.
본 연구의 궁극적인 목적은 시뮬레이션의 사용성을 향상시켜 에너지 절약형 건물의 통합설계에서 시뮬레이션 활용을 증진시키는 것이다. 이를 위해 본 연구는 설계단계별로 결정되는 ECM의 에너지 성능 관련 설계변수와 속성, 즉 시뮬레이션 모델링 상세 수준(LOD)을 제안하고자 다음과 같은 과정으로 연구가 진행되었다.
참고문헌 [7-16]을 분석하여 건물에 흔히 적용되는 ECM을 건물 요소 별 및 설비 계통 별로 정리하고 개별 ECM이 건물 에너지 성능 향상에 기여하는 기능을 표 1과 표 2에 명시하였다. 건물에 적용되는 ECM은 자연에너지를 이용하여 냉각하거나 난방, 조명으로 건물 부하를 감소시키고, 설비에 적용되는 ECM은 설비와 장비의 효율을 증대시켜 Peak 에너지 소모량을 감소시키고 운영 최적화로 부분 부하 운전 효율을 증대시켜 전체 에너지 소모량을 감소시키거나 대체열원을 이용하여 에너지를 생산하는 역할을 한다.
첫째, 국내외의 건물 에너지 성능 해석을 위한 BIM 모델링과 건물 에너지 모델링 기준 및 가이드라인을 조사하였다.
표 1과 2의 ECM 중 최근 국내외에서 관심이 고조되는 주요 ECM을 선택하여 적용되는 건물 요소와 설비 계통을 분석하여 중복되는 건물과 설비 객체를 추출 분류하고, [7-16]와 5절의 시뮬레이션 프로그램을 참조하여 해당 객체의 에너지 성능을 결정하는 설계변수와 속성을 추출하고 표 3에 정리하였다. 또한 국내의 대형 건축설계 사무소 3곳, 기계설비 설계 사무소 4곳, 친환경 컨설팅 사무소 2곳에서 설계 업무를 직접 수행하고 있으며 BIM과 시뮬레이션으로 건물 에너지 성능 해석 경험이 있는 경력 4년차 이상의 20여명의 실무 전문가를 대상으로 각 설계변수와 속성 값이 결정되기 시작하는 설계단계와 고정되는 설계단계에 대한 설문조사를 실시하여 설계변수와 속성 값이 발전하는 과정을 처음으로 논의되기 시작하는 단계에서는 □, 확정되는 단계에서는 ■으로 표기하였다.

성능/효과

둘째, 건축, 기계, 전기, 조경 분야별 ECM의 종류를 조사하여 건물 에너지 성능향상에 기여하는 역할을 정리하였다.
본 연구에서 제시된 ECM의 설계단계별 시뮬레이션 LOD는 현재 상태에서 향후 어떤 설계변수와 속성 값이 정의되어야 하는지, 얼마나 상세하게 구현되어야 하는지에 대한 마일스톤(Milestone)을 설계자에게 제시한다. 따라서 각 설계조직은 제안된 LOD를 벤치마킹하여 프로젝트와 조직의 특성을 반영한 독자적인 시뮬레이션 Use Case 개발이 가능하다.
설문 조사를 분석해 보면 에너지 성능 관련 설계변수 중 건물의 매스, 실 배치, 구조, 주요재료들의 속성 값은 계속 발전하다가 기본 설계단계에 이르러 거의 결정되고, 설비 설계변수와 속성 값은 기본 설계단계에서 위치, 종류, 대략 용량이 발전되기 시작하다 실시 설계단계에 이르러서야 대부분 결정된다. 심지어 시공단계에서 시공상세도가 작성되면서 배관 및 덕트의 관경과 길이가 변경되기도 한다.
셋째, 현재 국내 설계 프로세스에서 많이 사용되는 시뮬레이션 프로그램을 중심으로 어떤 프로그램이 어떤 ECM을 구현할 수 있지 정리하였다.
건물 에너지 시뮬레이션은 고성능 단열재, 고효율 냉동기 같은 건물 에너지 절감조치 (Energy Conservation Measure, 이하 ECM)의 연구 개발 시, 실제 건물 조건에 맞추어 시제품의 성능을 평가해야 할 경우 고비용의 물리적 시험을 대체하기 위해 연구용으로 개발되었다. 시뮬레이션의 ECM 라이브러리가 점차 보강되면서 사용자층이 일반 건축과 설비 설계자 레벨로 확산되었고 BIM (Building Information Modeling: 건물정보모델링)이 건물 설계에 도입되고 에너지 모델로 자동적으로 변환시켜주는 BIM 저작도구들이 출시되면서 시뮬레이션의 대중화가 가속되었다.
신재생 에너지 시스템의 설계변수에 관련하여 설문 응답자의 편차가 발생하였는데 지열 시스템의 열교환기 관련 설계변수는 건물 배치 계획과 동시에 고려되어야 한다는 점은 대부분 설계자가 동의하였다. 프로젝트의 특성과 설계사의 관행에 따라, 설비 관련 설계변수들이 실시 설계단계에서 대부분 결정되기도 하고 빠르면 기본 설계단계에서 결정되기도 하나, 태양이나 지열 에너지를 사용하는 신재생 에너지 시스템은 건물의 배치와 형상, 음영의 정도에 따라 성능 차이가 발생할 수 있으므로 가급적 기획이나 계획 설계단계 같은 이른 설계단계에서부터 형상 및 주요 성능 설계변수와 관련 계통이 결정되는 것이 바람직하다는 의견이 많았다. 열원 설비나 주요 공조 설비의 성능 설계변수도 단위 면적당 용량 같은 간략한 계산보다는 좀 더 구체적으로 계산되어 기본 설계단계에서부터 발전되기 시작해야 한다는 의견도 조사되었다.

후속연구

따라서 모든 건물 에너지 시뮬레이션에 공통적으로 적용할 수 있는 정보 모델의 모델링 상세수준을 먼저 정하는 것이 모델링 가이드라인 개발의 초석이다. BIM 가이드라인에 따라 각 설계단계에서 수행되어야 할 업무의 범위와 항목이 정해지고 어떤 분야의 전문가가 해당 업무를 담당할지 정해지면, 본 연구에서 제시된 ECM의 설계단계별 시뮬레이션 LOD를 벤치마킹하여 프로젝트와 조직의 특성을 반영한 독자적인 시뮬레이션 Use Case 개발이 가능하다.
이 점이 시뮬레이션을 담당하는 모델러와 그 결과를 에너지 성능 관점에서 해석하고 설계 의사결정을 내리는 설계자의 시뮬레이션에 대한 신뢰를 떨어뜨리는 근본 원인이 된다. 이에 대한 해결책으로 설계단계별로 결정되는 ECM의 설계변수와 속성이 우선적으로 정리되어야 할 필요가 있으며, 그 다음 어떤 에너지 정보를 얼마만큼 상세하게 누가 제공해야 하는지에 대한 지침이 프로토콜에 포함되어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	건물 에너지 시뮬레이션이 개발된 이유는?	건물 에너지 시뮬레이션은 고성능 단열재, 고효율 냉동기 같은 건물 에너지 절감조치 (Energy Conservation Measure, 이하 ECM)의 연구 개발 시, 실제 건물 조건에 맞추어 시제품의 성능을 평가해야 할 경우 고비용의 물리적 시험을 대체하기 위해 연구용으로 개발되었다. 시뮬레이션의 ECM 라이브러리가 점차 보강되면서 사용자층이 일반 건축과 설비 설계자 레벨로 확산되었고 BIM (Building Information Modeling: 건물정보모델링)이 건물 설계에 도입되고 에너지 모델로 자동적으로 변환시켜주는 BIM 저작도구들이 출시되면서 시뮬레이션의 대중화가 가속되었다.
	진행 안의 에너지 성능을 평가할 시 결정되지 않은 설계변수와 속성도 입력을 해야 하는데 이러한 결정되지 않은 정보가 시뮬레이션을 수행하는 모델러의 경험에 따라 전적으로 결정되는 이유는?	그러나 시뮬레이션 모델은 해석모델이라 완전한 에너지 정보(Complete Information)를 입력하여야 실행이 가능하다. 즉 진행 안의 에너지 성능을 평가할 시 결정되지 않은 설계변수와 속성도 입력을 해야 하는데 이러한 결정되지 않은 정보는 시뮬레이션을 수행하는 모델러의 경험에 따라 전적으로 결정되고 있는 실정이다.
	시뮬레이션의 대중화가 가속된 이유는?	건물 에너지 시뮬레이션은 고성능 단열재, 고효율 냉동기 같은 건물 에너지 절감조치 (Energy Conservation Measure, 이하 ECM)의 연구 개발 시, 실제 건물 조건에 맞추어 시제품의 성능을 평가해야 할 경우 고비용의 물리적 시험을 대체하기 위해 연구용으로 개발되었다. 시뮬레이션의 ECM 라이브러리가 점차 보강되면서 사용자층이 일반 건축과 설비 설계자 레벨로 확산되었고 BIM (Building Information Modeling: 건물정보모델링)이 건물 설계에 도입되고 에너지 모델로 자동적으로 변환시켜주는 BIM 저작도구들이 출시되면서 시뮬레이션의 대중화가 가속되었다.

참고문헌 (17)

김선혜, "에너지 절약형 건물의 통합설계 확산을 위한 시뮬레이션 사용성 개선 방향", 한국생태환경건축학회지, 제 15권 제 6호, 2015 // (Kim, Sean Hay, "How to improve usability of building energy simulation for the Integrated Design Process", KIEAE Journal, Vol.15, No. 6, 2015)
추승연, 이권형, 박선경 "Green BIM 가이드라인 개발을 위한 모델링 수준 설정에 관한 연구", 대한건축학회논문집, 제 28권 제 6호, 2012 // (Choo, Seung-Yeon, Lee, Kweon-Hyung, Park, Sun-Kyoung, "A Study on LOD for development of Green BIM guidelines", Journal of the AIK, Vol.28, No. 6, 2012)
조현정, 김연수, 마영균, "설계 프로세스를 고려한 BIM 작성기준에 관한 연구", 한국BIM학회논문집, 제 3권 제 1호, 2013 // (Cho, Hyun-Jung, Kim, Yeon-Soo, Ma, Young-Kyun, "A Study of LOD for BIM model applied the design process", Journal of KIBIM, Vol.3, No. 1, 2013)
오민호, 안정환, 이재욱, "국내 BIM 기반 MEP 설계관리를 위한 모델링 상세수준 제시", 한국건설관리학회 학술발표대회 논문집, 2013 // (Oh, Minho, Ahn Junhghwan, Lee, Jaewook, "A proposal of LOD for the Domestic BIM-based MEP Design Management", Proceeding of KICEM, 2011)
박경순, 고정림, "친환경 리모델링을 위한 BIM 기반 환경 및 에너지 성능 분석 통합 프로세스 구축에 관한 연구", 한국건축친환경설비학회논문집, 제 7권 제 2호, 2013 // (Park, Kyung-Soon, Ko, Jung-Lim, "A Study on the integrated process establishment of BIM-based environment and energy performance analysis for sustainable building remodeling", Journal of KIAEBS, Vol.7, No. 2, 2013)

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박경순, 고정림, "기존건축물 에너지 성능 리모델링 사례분석을 통한 BIM 기반 프로세스의 활용에 관한 연구", 한국건축친환경설비학회논문집, 제 8권 제 2호, 2014 // (Park, Kyung-Soon, Ko, Jung-Lim, "A Study on the utilization of BIM-based remodeling process through case study on energy performance analysis of the existing buildings", Journal of KIAEBS, Vol.7, No. 2, 2013)

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김영돈, "BIM기반 MEP 설계프로세스", 하나기연(주), 2011// (Kim, Young-Don, "MEP deisgn process based on BIM", HANA consulting engineers, 2011)
안혜균, "DSM을 통한 실시설계단계 및 시공단계 MEP BIM업무의 개선방안에 관한 연구", 한양대학교 석사논문, 2013// (Ahn, Hye-Gyun, A study on improvement plan of MEP BIM business for 2D design and construction step using DSM, Hanyang University, MS thesis, 2013)
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한국조명전기설비학회, "건축전기설비 설계기준", 2011 // (KIIEE, "Building Electrical Design Standard", 2011
국토교통부, "기존 건축물의 에너지성능 개선기준", 2014 // (MOLIT, "Guideline for improving energy performance of existing buildings", 2011)
국토교통부, "건축물의 에너지 절약 설계 기준", 2015 // (MOLIT, "Guideline for improving building energy performance", 2015)
한국건설기술연구원, "BIM기반 유지관리 정보 모델링 지침-기계설비 분야", 2013 // (KICT, "BIM Guideline for FM-Mechanical", 2013)
한국건설기술연구원, "BIM기반 유지관리 정보 모델링 지침-전기정보 통신분야", 2013 // (KICT, "BIM Guideline for FM-Electrical and Telecommunication", 2014)
한국정보통신기술협회, "능동적 건물 에너지 관리 성능 평가 항목", 2011 // (TTA, "Performance assessment criteria for active building energy management and control", 2011)
오희선, "빌딩에너지운용관리 가이드라인", 메이트플러스, 2013 // (Oh, Hee-sun, "Guideline for energy efficient building operation and management", MatePlus, 2013)
김영돈, "에너지 절약과 친환경 설계를 위한 건물에너지 해석 프로그램 활용", 한국설비기술협회 협회지, 2009.9// (Kim, Young-Don, "Use of building energy simulation program for energy efficient and sustainable building design", KARSE magazine, 2009.9)

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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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