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문제 정의
- 본 연구에서는 판상형 공동주택에서 에너지 부하량이 가장 적은 기준세대와 비교하여 열적으로 불리한 세대와의 연간 냉·난방에너지 부하를 검토하여 동일한 열환경 조건을 만들 수 있는 방안을 Energy Plus 프로그램을 통해 제시하고자 한다.
- 본 연구는 판상형 공동주택을 대상으로 세대별 연간 냉·난방 에너지 부하량을 검토하여 세대 위치별 에너지 부하량 차이와 불균등한 에너지 부하량을 해소하기 위해 EnergyPlus 프로그램을 활용하여 제시하고자 하였으며, 그 결과 다음과 같다.
제안 방법
- 본 연구는 시각적인 표현이 가능한 Design Builder(V.3.40)프로그램을 활용하여 Modeling하였으며, 부하계산은 Energy Plus(V.7.0) 프로그램을 활용하여 공동주택의 세대 위치별 냉·난방 에너지 부하량을 검토하였다.
- 또한, 실내 설정온도는 에너지관리공단의 건축물의 에너지절약 설계기준을 따라 난방 20℃, 냉방 26℃로 설정하였으며, 재실자 인수는 4인, 기기 및 조명의 발열량은 각각 8.48W/㎡, 7.68W/㎡으로 설정하였다. 또한, 환기는 시간당 0.
- 현재 패시브건축의 열관류율 기준은 국내의 기준은 재정되지 않아 독일의 기준을 따르고 있어 독일의 패시브건축 열관류율 기준을 만족하는 열관류율 값을 적용하였으며, Table 4와 같다.
- 기준세대 만큼 에너지 부하량을 저감시키기 위해 단열재의 두께 증가보다는 창의 열관류율을 향상시키는 방안을 채택하여 검토하였으며, 그 기준은 Table 5와 같다(D, F세대의 경우, 측벽의 단열재 두께만을 100mm 증가시켰을 때, 기준세대만큼 에너지 부하량이 저감되는 것으로 확인되어 개선방안인 창의 열관류율 향상에서 제외하였다.).
대상 데이터
- 시뮬레이션 스케쥴은 주중(08:00 – 18:00: 1인, 그 외 4인 재실) 주말(토 : 09:00 – 17:00 1인, 그 외 4인 재실, 일 : 4인 재실)로 설정하여 시뮬레이션하였다.
- 본 연구에서는 시뮬레이션 검토를 위한 기상데이터는 한국 패시브 건축협회에서 제공하는 부산 지역 10년(2001년~2010년) 평균 기상데이터를 적용하였다. 냉·난방기간 설정 중 냉방은 6월~9월, 난방은 12월~3월로 설정하였다.
- 공동주택은 크게 판상형과 탑상형으로 구분할 수 있으며, 본 연구에서는 전 세대가 균일한 일조를 받을 것으로 예상되는 남향의 판상형(一)공동주택(세대 바닥면적 : 85㎡, 창면적비 : 43%)을 해석모델로 선정하였다. 해석을 위한 세대의 위치는 Fig.
- 공동주택은 크게 판상형과 탑상형으로 구분할 수 있으며, 본 연구에서는 전 세대가 균일한 일조를 받을 것으로 예상되는 남향의 판상형(一)공동주택(세대 바닥면적 : 85㎡, 창면적비 : 43%)을 해석모델로 선정하였다. 해석을 위한 세대의 위치는 Fig. 1 - 2와 같이 최상층 및 중간층, 최하층으로 구분하고, 각 층별 3개의 지점을 선별하여 총 9개 지점으로 설정하였다.
- 기본해석모델의 에너지 부하량 검토 결과를 바탕으로 에너지 부하량이 가장 적은 중간층의 가운데 세대인 E세대를 기준세대로 선정하였다.
이론/모형
- 국내의 부위별 열관류율을 기준은 Table 1과 같고[8], 패시브건축의 부위별 열관류율 기준은 Table 2와 같다[9]. 본 연구에서는 남부지역 부위별 열관류율 기준을 적용하였다.
- 공동주택의 세대 위치별 에너지 부하량 검토를 위해 남부지역 부위별 열관류율 기준을 만족하는 열관류율을 적용하였으며, Table 3과 같다.
성능/효과
- 패시브 건축의 난방 에너지 부하량은 기본해석모델 보다, A세대는 약 1700kWh(42%), B세대는 약 1600kWh(44%), C세대는 약 1700kWh(45%), G세대는 약 1700kWh(46%), H세대는 약 1600kWh (46%), I세대는 약 1700kWh(46%) 저감되는 것으로 나타났고, 냉방 에너지 부하량은 A세대는 40kWh(3%), B세대는 약 60kWh(4%), C세대는 약 30kWh(2%), G세대는 약 92kWh(6%), H세대는 약 100kWh(7%), I세대는 약 82kWh(5%) 증가하는 것으로 나타났다.
- 냉방 에너지 부하량은 세대 위치에 따라 큰 차이를 나타내지 않는 것으로 확인되었고, 난방 에너지 부하량은 E세대는 2568kWh로 가장 적고, A세대에서 4024kWh로 가장 많은 것으로 나타났다. E세대와 A세대의 난방 에너지 부하량 차이가 약 1456kWh로 세대 위치에 따라 상대적으로 큰 차이를 나타내는 것으로 확인되었다.
- 냉방 에너지 부하량은 세대 위치에 따라 큰 차이를 나타내지 않는 것으로 확인되었고, 난방 에너지 부하량은 E세대는 2568kWh로 가장 적고, A세대에서 4024kWh로 가장 많은 것으로 나타났다. E세대와 A세대의 난방 에너지 부하량 차이가 약 1456kWh로 세대 위치에 따라 상대적으로 큰 차이를 나타내는 것으로 확인되었다. 층별 에너지 부하량 차이를 비교하였을 때, 최상층 〉 최하층 〉 중간층 순으로 난방에너지 부하량이 많은 것으로 확인되었고, 위치별 에너지 부하량 차이는 서측 〉동측 〉 중간 순으로 많은 것으로 나타나 중간층의 중간에 위치한 세대가 난방에너지 부하량이 가장 적은 것으로 나타났으며, 다른 세대보다 최소 100kWh 적은 것으로 확인되었다.
- E세대와 A세대의 난방 에너지 부하량 차이가 약 1456kWh로 세대 위치에 따라 상대적으로 큰 차이를 나타내는 것으로 확인되었다. 층별 에너지 부하량 차이를 비교하였을 때, 최상층 〉 최하층 〉 중간층 순으로 난방에너지 부하량이 많은 것으로 확인되었고, 위치별 에너지 부하량 차이는 서측 〉동측 〉 중간 순으로 많은 것으로 나타나 중간층의 중간에 위치한 세대가 난방에너지 부하량이 가장 적은 것으로 나타났으며, 다른 세대보다 최소 100kWh 적은 것으로 확인되었다.
- 전체적으로 난방 에너지 부하량은 약 1700kWh(44%) 저감되는 것으로 확인되었고, 냉방 에너지 부하량은 약 67kWh(5%) 증가하는 하는 것으로 확인되었다.
- 단열성능의 고 기밀 및 창의 열관류율 향상은 겨울철에는 난방 에너지 부하량을 효과적으로 저감시키는 것으로 판단되나, 여름철에는 냉방 에너지 부하량을 미량이지만 증가시키는 것으로 확인되어 과도한 단열성능의 고 기밀 및 창의 열관류율 향상은 냉방 에너지 부하량 저감에 불리한 것으로 판단된다.
- 공동주택의 최상층의 서측(A세대)과 동측(C세대)에 위치한 세대는 냉·난방 에너지 부하량을 저감시키기 위한 창의 열관류율 향상은 동일 층의 B세대 보다 0.250 더 필요한 것으로 확인되어 공동주택의 세대 중 가장 불리한 세대인 것으로 판단된다.
- 건축물의 각 부위별 열관류율이 패시브건축의 기준을 만족하는 경우인 Table 3과 Table 4를 비교해 보면, 패시브건축의 모델의 단열재 두께는 기본해석 모델의 각 부위별 단열재의 두께보다 최대 300mm 증가하는 것으로 확인되어 과도한 단열재의 두께 증가는 시공성 및 경제성에 있어 불리하다고 판단되며, 이를 개선할 방안이 필요로 하는 것으로 사료된다.
- Table 5를 기준으로 각 세대별 에너지 부하량을 검토한 결과, A, C 세대의 난방 에너지 부하량은 Fig. 5와 같고, 기준세대보다 저감되는 것으로 확인되었으며, 냉방 에너지 부하량은 미량이지만 증가하는 것으로 나타나 창의 열관류율 향상은 냉방 에너지 부하량을 증가시키는 것으로 확인되었다. B, C, H 및 I세대 또한 기준세대보다 난방 에너지 부하량은 저감되는 것으로 확인되었다(Fig.
- 5와 같고, 기준세대보다 저감되는 것으로 확인되었으며, 냉방 에너지 부하량은 미량이지만 증가하는 것으로 나타나 창의 열관류율 향상은 냉방 에너지 부하량을 증가시키는 것으로 확인되었다. B, C, H 및 I세대 또한 기준세대보다 난방 에너지 부하량은 저감되는 것으로 확인되었다(Fig. 6).
- 1) 남부지역의 건축물부위별 열관류율 기준을 만족하는 기본해석모델의 냉·난방 에너지 부하량을 검토한 결과, 중간층의 가운데 세대인 E세대가 4050kWh로 다른 세대에 비해 최소 300kWh (6.8%), 최대 1500kWh(26%) 적은 것으로 확인되었으며, 최상층의 A 및 C세대의 에너지 부하량은 가장 많은 것으로 확인되었다.
- 2) 패시브건축에서 기준세대인 E세대까지 에너지 부하량 저감 방안을 검토한 결과, 최상층의 A, C세대는 지붕 및 측벽의 단열재 두께를 기본해석 모델보다 100mm 증가시킨 후 창의 열관류율을 0.50으로 향상시켰을 때 기준세대(E세대)만큼 저감되는 것으로 확인되었으며, 중간층의 D, F세대는 측벽의 단열재를 기본해석모델에서 100mm만증가시켰을 때 기준세대만큼 에너지 부하량이 저감되는 것으로 확인되었다. 최상층의 B세대와 최하층의 G, H, 및 I세대는 단열재의 두께(B세대 : 지붕 100mm, 최하층 전세대 : 바닥 100mm)를 100mm 증가시킨 후 창의 열관류율을 0.
- 50으로 향상시켰을 때 기준세대(E세대)만큼 저감되는 것으로 확인되었으며, 중간층의 D, F세대는 측벽의 단열재를 기본해석모델에서 100mm만증가시켰을 때 기준세대만큼 에너지 부하량이 저감되는 것으로 확인되었다. 최상층의 B세대와 최하층의 G, H, 및 I세대는 단열재의 두께(B세대 : 지붕 100mm, 최하층 전세대 : 바닥 100mm)를 100mm 증가시킨 후 창의 열관류율을 0.75로 향상시켰을 때 기준세대만큼 에너지 부하량이 저감되는 것으로 확인되었다.
후속연구
- 공동주택의 세대 위치별 불균등한 열 환경을 개선하기 위한 방안으로 단열재의 두께 증가와 창의 열관류율 향상 중 단열재의 두께 증가보다 창의 열관류율 향상이 공동주택의 에너지 부하량 저감에 시공성 및 경제성에 있어 효율적인 방안으로 확인되었으며, 창의 열관류율 향상은 미세하지만 냉방에너지 부하량을 증가시키는 것으로 확인되어 추후 연구를 통한 확인이 필요할 것으로 사료된다.
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