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문제 정의
- 환기장치 적용에 따른 에너지소비량 연구 및 새로운 환기 장치 제안에 대한 연구는 활발히 진행되고 있는 반면, 건물에너지효율등급 인증평가기관에서 사용하고 있는 시뮬레이션 프로그램(ECO2)을 활용한 에너지 성능평가와 연계한 환기장치별 에너지 소비량 특성을 분석한 연구는 미미한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 선행연구 결과를 참고하여 공동주택 대상으로 에너지효율등급평가 기준에 따른 환기장치 별 에너지소비량을 평가하고자 한다.
- 본 연구는 공동주택에 적용되고 있는 환기장치를 선정하고 환기장치의 에너지특성 분석과 에너지저감을 목적으로 시뮬레이션 프로그램(ECO2)을 이용하여 환기장치별 에너지성능평가를 수행하였으며, 아래와 같이 결과를 도출하였다.
- 본 연구에서는 자연환기, 바닥환기, 전열교환의 환기방식별 공동주택에 적용 시 에너지성능에 대한 비교를 수행하고 이때 환기장치가 공동주택의 건물에너지효율등급에 미치는 영향을 검토해 보고자 한다.
제안 방법
- 96 ㎡(이하 ‘84 type’이라 한다), 6호, 17개층 총 102세대로 구성된 1개 동을 대상으로 검토하였다. 건물에너지효율등급 평가가 기 이루어진 자료를 활용하여 기본 값으로 설정하였으며, 그림 1은 대상건물의 기준 평면도를 나타내고 있다.
- 또한, 단위세대의 에너지소요량 검증을 위하여 실제 전열교환환기장치가 적용된 공동주택 8개 단지, 바닥환기장치가 적용된 9개 단지를 활용하여 시뮬레이션 결과를 검토 하였다. 검토방법은 실제 적용된 환기방식(전열, 바닥)을 자연환기장치로 변경하여 에너지소요량을 상호 비교하였다.
- 자연환기장치, 바닥환기장치, 전열교환환기장치를 기준으로 84㎡의 아파트를 선정하여 시뮬레이션을 수행하였다. 또한, 단위세대의 에너지소요량 검증을 위하여 실제 전열교환환기장치가 적용된 공동주택 8개 단지, 바닥환기장치가 적용된 9개 단지를 활용하여 시뮬레이션 결과를 검토 하였다. 검토방법은 실제 적용된 환기방식(전열, 바닥)을 자연환기장치로 변경하여 에너지소요량을 상호 비교하였다.
- 본 연구에서는 공동주택을 대상으로 적용하는 환기장치에 대해 에너지성능평가 시뮬레이션 프로그램(ECO2)을 이용하여 각 환기장치별 에너지소요량을 비교 평가하였다. 자연환기장치, 바닥환기장치, 전열교환환기장치를 기준으로 84㎡의 아파트를 선정하여 시뮬레이션을 수행하였다.
- 전열교환형 환기장치의 성능을 보면 세대면적이 다름에도 불구하고 유사한 사양의 환기장치가 들어가며, 유사한 환기 에너지소요량이 계산되는 것은 향후 전열교환형 환기장치 설치 시 최적화에 대한 검토가 필요하다는 것을 보여주고 있다. 에너지소요량의 검토방법은 실제 적용된 환기 방식(전열, 바닥)을 자연환기로 변경하여 에너지소요량을 상호 비교하였다. 단지별 세대타입과 구성, 지역 등은 다른 상태이며, 난방장치는 지역난방으로 동일하였다.
- 이 프로그램은 ISO 13790과 DIN V18599를 기준으로하고 있으며, 월별 평균데이터를 바탕으로 난방, 냉방, 조명, 급탕, 환기시스템의 5가지 항목에 관하여 단위면적당 1차에너지소요량을 산출한다. ECO2 프로그램은 총 10개의 입력부문이
- 단지별 세대타입과 구성, 지역 등은 다른 상태이며, 난방장치는 지역난방으로 동일하였다. 자연환기 및 전열교환환기장치의 에너지소비량을 비교분석하였다. 표 4는 단지별 자연환기장치와 전열교환환기장치의 급탕, 조명, 난방, 환기와 관련한 등급용 1차에너지소요량을 보여주고 있다.
- 환기시스템의 입력 값은 세대도면과 설계사양을 환기시스템별 생산업체에 제시하고 이를 바탕으로 설계 및 제품사양은 제공받았다. 자연환기 방식은 열교환기 및 급배기팬에 대한 에너지 소요량이 없는 것으로 설정하였으며, 바닥환기방식과 전열교환환기방식은 정풍량 공조방식이며, 바닥배관방식에서 급기풍량은 110 CMH와 팬동력 0.0566 kW로 설정하였다. 또한, 전열교환방식의 급배기 풍량은 150 CMH이며, 팬동력은 급배기 모두 0.
- 14W/m2, 침기율은 6회/h로 설정하였다. 환기시스템의 입력 값은 세대도면과 설계사양을 환기시스템별 생산업체에 제시하고 이를 바탕으로 설계 및 제품사양은 제공받았다. 자연환기 방식은 열교환기 및 급배기팬에 대한 에너지 소요량이 없는 것으로 설정하였으며, 바닥환기방식과 전열교환환기방식은 정풍량 공조방식이며, 바닥배관방식에서 급기풍량은 110 CMH와 팬동력 0.
대상 데이터
- 84type의 단위세대를 활용한 환기장치별 에너지소요량 결과에 대한 검토는 실제 전열교환환기장치가 적용된 공동주택 8개 단지와 바닥환기장치가 적용된 9개 단지를 활용하여 실시하였다. 표 3은 전열교환환기장치가 적용된 공동주택의 설비 성능사양을 나타내고 있다.
- 건물에너지 효율등급평가 시 단지 단위로 평가를 수행하고 있으나 평면에 따라 입력값과 에너지성능이 다르기 때문에 환기장치 변화에 따른 결과를 보기 어려워 본 연구에서는 면적 84.96 ㎡(이하 ‘84 type’이라 한다), 6호, 17개층 총 102세대로 구성된 1개 동을 대상으로 검토하였다.
- 본 연구에서의 시뮬레이션 평가건물은 2014년 준공된 중부지역에 위치한 단지를 대상으로 설정하였다. 대상 단지는 84, 74, 46타입 총 900세대로 구성되었다. 건물에너지 효율등급평가 시 단지 단위로 평가를 수행하고 있으나 평면에 따라 입력값과 에너지성능이 다르기 때문에 환기장치 변화에 따른 결과를 보기 어려워 본 연구에서는 면적 84.
- 표 1은 프로그램의 초기입력값을 나타내고 있다. 대상건물은 보일러 용량 23.3kW, 효율 87%의 개별보일러를 사용하여 바닥난방과 급탕을 이용하고 있으며, 조명 에너지부하율은 7.14W/m2, 침기율은 6회/h로 설정하였다. 환기시스템의 입력 값은 세대도면과 설계사양을 환기시스템별 생산업체에 제시하고 이를 바탕으로 설계 및 제품사양은 제공받았다.
- 본 연구에서의 시뮬레이션 평가건물은 2014년 준공된 중부지역에 위치한 단지를 대상으로 설정하였다. 대상 단지는 84, 74, 46타입 총 900세대로 구성되었다.
- 본 연구에서는 공동주택을 대상으로 적용하는 환기장치에 대해 에너지성능평가 시뮬레이션 프로그램(ECO2)을 이용하여 각 환기장치별 에너지소요량을 비교 평가하였다. 자연환기장치, 바닥환기장치, 전열교환환기장치를 기준으로 84㎡의 아파트를 선정하여 시뮬레이션을 수행하였다. 또한, 단위세대의 에너지소요량 검증을 위하여 실제 전열교환환기장치가 적용된 공동주택 8개 단지, 바닥환기장치가 적용된 9개 단지를 활용하여 시뮬레이션 결과를 검토 하였다.
이론/모형
- 구분되어 있으며, 공동주택의 시뮬레이션 평가에서는 냉방에 관한 내용은 입력하지 않는다. ECO2는 ISO13790 기반 Monthly Method를 활용하여 시뮬레이션을 수행한다. 에너지흐름에 대한 개념7)은 그림 2와 같다.
- 본 연구에서는 건축물에너지효율등급 인증평가를 위하여 국토부에서 위임하는 인증평가기관에서 사용하고 있는 시뮬 레이션 프로그램(ECO2)을 활용하였다.
성능/효과
- (1) 남부지역 84type으로 공동주택의 환기장치변화에 따른 건물에너지효율 등급용 1차에너지소요량은 자연환기 장치 159.9 kWh/㎡yr, 전열교환환기장치 161.0 kWh/㎡yr, 바닥환기장치 179.7 kWh/㎡yr로 계산이 되었다.
- (2) 환기장치 변화에 따른 에너지소요량은 난방, 환기항목이 변화하였으며, 난방은 에너지회수 유무 및 회수율, 환기는 팬의 유무 및 팬의 효율에 따라 변화하였다.
- (3) 단위세대별 자연환기, 바닥환기, 전열교환 환기의 에너지소요량비와 비교해볼 때 바닥환기의 전열교환 환기가 자연환기 장치에 비해 약 -1~6% 유사하거나 낮은 에너지소요량을 나타내었으며, 바닥환기장치의 경우 에너지소요량이 자연환기에 비해 10~20% 높은 값을 가지는 것으로 나타났다.
- (4) 기계환기의 적용시 대상 세대에 따른 최적 용량선정, 열교환효율 향상 및 압력손실저감을 위한 배관 설계를 통한 효율화가 필요하며 이를 통해 에너지소비량을 줄일 수 있다.
- 65 W가 사용되었다. 기존시스템 대비 53.72%의 에너지가 저감되는 것으로 나타났다.
- 사용자가 실내 CO2 설정값을 설정하여 각각의 요구 조건이 다른 사용자를 만족시킬 수 있으며, 불필요한 공간에 사용되는 에너지를 저감시킨다. 기존의 자동 창호형 환기시스템 타입과의 비교에서 자동 창호형 환기시스템은 총 환기 및 냉난방에너지는 총 275.85 W가 사용되었고, IT적용 창호형 환기시스템은 127.65 W가 사용되었다. 기존시스템 대비 53.
- 홍승훈과 노상태(2011)5)는 정남향의 공동주택의 운용목적에 맞는 하이브리드 환기방식의 설정 및 실내요구 특성에 적합한 운영방안을 검토하였으며, 기준세대의 거실과 화장실 공간을 대상으로 E-quest 프로그램을 이용하여 제어특성을 분석하였다. 기존환기방식에 비해 하이브리드 환기방식의 난방에너지 소비량이 약 61.3% 크게 나타났으며, 월평균 에너지소비량이 약 3배 증가하는 것으로 나타났다. 하이브리드 환기방식의 자연급기구의 크기와 환기팬 용량의 변수를 적용하였을 때, 자연급기구의 크기에 따른 환기량은 자연급기구 크기가 90%일 때, 환기횟수가 1.
- 전열교환환기장치는 전열교환을 통해 열을 회수하여 난방에너지에 대한 소요량이 가장 낮게 나타났으며, 급기와 배기를 팬으로 가동하는 에너지와, 덕트와 열교환소자를 지나면서 발생하는 정압손실로 인해 환기에 해당하는 에너지소요량이 발생하는 것을 알 수 있다. 또한, 바닥환기장치를 이용한 경우 배기에 대한 열회수가 없으며, 급기를 위해 사용되는 팬의 동력이 발생하여 가장 높은 에너지소요량이 계산되었다. 자연환기장치의 경우 배기되는 공기의 열을 회수하지 못하는 단점이 있음에도 불구하고, 환기장치 가동에 필요한 팬동력을 사용하지 않아 환기관련 에너지소요량이 0을 나타내고 있으며, 이는 총 에너지소요량에서는 오히려 좋은 결과를 보이고 있는 것으로 판단된다.
- 자연환기장치의 에너지소요량이 바닥환기 시스템에 비해 총 등급용 1차 에너지소요량을 기준으로 약 8~19% 낮은 것으로 계산되었다. 앞서 실시한 단일 84type으로 이루어진 한 개동을 기준으로 자연환기, 바닥환기, 전열교환 환기의 등급용 1차에너지 소요량을 비교해볼 때 바닥환기의 에너지소요량이 자연환기에 비해 10~20% 높게 계산되어 실증세대 결과와 비슷한 값을 가지는 것으로 나타났다.
- 환기장치의 에너지소비량에 관련한 기존 선행연구를 살펴보면 조현 등(2010)4)은 실별 환기시스템의 공동주택 적용 전 타당성 검토를 위하여 환기시스템 운전조건에 따른 에너지소비 특성 및 실내 환기성능을 시뮬레이션을 통하여 비교 예측하였다. 연구 결과, 실별 환기시스템이 세대별 환기시스템 대비 전력 소모량이 최대 64~82% 가량 절약되는 것으로 나타났으며, 전기사용량과 가스사용량을 각각 11.4~13.5%와 3.6~9.6% 절감할 수 있는 것으로 나타나 공동주택의 에너지소비량 절감에 도움이 될 수 있음을 밝혔다. 홍승훈과 노상태(2011)5)는 정남향의 공동주택의 운용목적에 맞는 하이브리드 환기방식의 설정 및 실내요구 특성에 적합한 운영방안을 검토하였으며, 기준세대의 거실과 화장실 공간을 대상으로 E-quest 프로그램을 이용하여 제어특성을 분석하였다.
- 74 회/h로 감소하면서 난방에너지 소비량도 감소하였다. 자연급기구의 크기는 난방에너지 소비량에 영양을 주는 것으로 나타났으며, 배기팬 용량에 따른 환기횟수와 에너지소비량의 변화는 난방시 평균 0.05회/h 씩 증가하면서 난방에너지 소비량도 증가하는 것으로 나타났다. 그리고 이은혜 등(2013)6)은 창호형 환기시스템에 IT기술을 적용하여 사용자의 요구에 대응한 정보와 환경제공이 가능한 에너지 저감을 위한 창호형 환기시스템을 제안하여 기존의 창호형 환기시스템과 비교 실험을 통해 냉난방 및 환기에너지 저감 가능성을 확인하고자 하였다.
- 자연환기장치의 등급용 1차에너지소요량은 159.9 kWh/㎡yr, 전열교환환기장치 161.0 kWh/㎡yr, 바닥환기장치 179.7 kWh/㎡yr로 계산되었으며, 자연환기장치에 비해 전열교환장치가약 1%, 바닥환기장치가 약 12.5%더 많이 에너지를 필요로 하는 것으로 나타났다. 신재생에너지, 냉방에너지, 급탕에너지, 조명에너지는 동일한 값을 보이고 있으며, 난방, 환기에 대한 값이 서로 다르게 나타나고 있다.
- 자연환기장치와 바닥환기장치의 에너지소요량을 비교해 볼 난방에너지 값은 동일하며, 환기에 대한 에너지소요량이 바닥환기장치 적용 시 팬동력에 의해 발생한다. 자연환기장치의 에너지소요량이 바닥환기 시스템에 비해 총 등급용 1차 에너지소요량을 기준으로 약 8~19% 낮은 것으로 계산되었다. 앞서 실시한 단일 84type으로 이루어진 한 개동을 기준으로 자연환기, 바닥환기, 전열교환 환기의 등급용 1차에너지 소요량을 비교해볼 때 바닥환기의 에너지소요량이 자연환기에 비해 10~20% 높게 계산되어 실증세대 결과와 비슷한 값을 가지는 것으로 나타났다.
- 신재생에너지, 냉방에너지, 급탕에너지, 조명에너지는 동일한 값을 보이고 있으며, 난방, 환기에 대한 값이 서로 다르게 나타나고 있다. 전열교환환기장치는 전열교환을 통해 열을 회수하여 난방에너지에 대한 소요량이 가장 낮게 나타났으며, 급기와 배기를 팬으로 가동하는 에너지와, 덕트와 열교환소자를 지나면서 발생하는 정압손실로 인해 환기에 해당하는 에너지소요량이 발생하는 것을 알 수 있다. 또한, 바닥환기장치를 이용한 경우 배기에 대한 열회수가 없으며, 급기를 위해 사용되는 팬의 동력이 발생하여 가장 높은 에너지소요량이 계산되었다.
- 표 4는 단지별 자연환기장치와 전열교환환기장치의 급탕, 조명, 난방, 환기와 관련한 등급용 1차에너지소요량을 보여주고 있다. 전열교환환기장치와 자연환기장치와의 등급용 1차에너지소요량은 약 0~10% 작은 것으로 계산되었으나, 실증세대 결과는 전열교환방식 환기장치가 약 0~6% 작은 것으로 계산되어 서로차이를 보이고 있었다. 이는 전열교환환기장치가 성능설계 값에 따라 에너지소요량이 큰 폭으로 변화가 생길 수 있기 때문에 발생하는 것으로 판단되었다.
- 3% 크게 나타났으며, 월평균 에너지소비량이 약 3배 증가하는 것으로 나타났다. 하이브리드 환기방식의 자연급기구의 크기와 환기팬 용량의 변수를 적용하였을 때, 자연급기구의 크기에 따른 환기량은 자연급기구 크기가 90%일 때, 환기횟수가 1.15 회/h였으며 급기구의 크기가 50% 일 때 0.74 회/h로 감소하면서 난방에너지 소비량도 감소하였다. 자연급기구의 크기는 난방에너지 소비량에 영양을 주는 것으로 나타났으며, 배기팬 용량에 따른 환기횟수와 에너지소비량의 변화는 난방시 평균 0.
후속연구
- 급배기팬의 팬동력이 약 2배 차이가 발생하여 효율이 2배로 계산이 되었으며, 이로 인한 최종 환기와 관련한 에너지소요량도 2배 차이가 남을 볼 수 있다. 전열교환형 환기장치의 성능을 보면 세대면적이 다름에도 불구하고 유사한 사양의 환기장치가 들어가며, 유사한 환기 에너지소요량이 계산되는 것은 향후 전열교환형 환기장치 설치 시 최적화에 대한 검토가 필요하다는 것을 보여주고 있다. 에너지소요량의 검토방법은 실제 적용된 환기 방식(전열, 바닥)을 자연환기로 변경하여 에너지소요량을 상호 비교하였다.
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