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문제 정의
- 본 연구에서는 건축물에너지효율등급 본인증을 취득한 업무용 건물의 에너지 성능 현황을 파악하기 위하여 건물에너지 해석의 국가공인 인증 프로그램인 ECO2 프로그램에서2) 산출되는 에너지요구량, 에너지소요량의 현황을 분석하였으며 연구방법은 다음과 같다.
- 본 연구에서는 건축물에너지효율등급 인증을 취득한 업무용 건물의 인증 현황을 파악하기 위해 에너지요구량 및 에너지소요량을 연도별, 지역별, 규모별로 분류하여 정량적으로 분석하였다. 이를 통해 업무용 건물의 에너지 절감 요소 및 에너지 절감 방안을 도출하기 위한 기초연구를 수행하였다.
- 본 연구에서는 건축물에너지효율등급 인증을 취득한 업무용 건물의 인증 현황을 파악하기 위해 에너지요구량 및 에너지소요량을 연도별, 지역별, 규모별로 분류하여 정량적으로 분석하였다. 이를 통해 업무용 건물의 에너지 절감 요소 및 에너지 절감 방안을 도출하기 위한 기초연구를 수행하였다.
제안 방법
- (2) 에너지요구량 현황을 연도별로 분석한 후 연도별 패턴에 따른 외피성능 현황을 분석하였다.
- (3) 에너지 요구량에 영향을 미치는 요소별 외피 성능을 통계적으로 분석하였다.
- (4) 에너지소요량 현황을 연도별로 분석한 후 해당 건물에 적용된 규모별 주요 냉·난방시스템 현황 및 설비 시스템 COP(효율)현황을 분석하였다.
- 단위면적당 연간 에너지요구량은 건축물의 난방, 냉방, 급탕, 조명 부분에서 표준설정 조건을 유지하기 위하여 공간에서 필요로 하는 에너지량을 의미하며, 건물형태, 방위, 창 비율 등과 같은 건축 설계적 측면에서 영향을 받는다. 따라서 본 연구에서는 1등급을 취득한 업무용 건물을 대상으로 건축물의 외피 성능 수준을 파악하기 위해 인증 건물의 연간 단위면적당 에너지요구량 평균값을 도출하여 현황을 분석하였으며 에너지절약설계기준에서 제시된 지역별 기후 차이를 고려하여 중부, 남부지역으로 구분하여 분석하였다.
- 일원배치분산분석은 세 개 이상의 집단으로 구성된 하나의 독립변수에 따라 종속변수의 평균이 유의미한 차이가 있는지 검증하는 분석이다. 따라서 본 연구에서는 종속변수를 인증연도, 독립변수를 열관류율로 설정하여 부위별 열관류율에 따라 인증 연도별 열관류율 평균이 유의미한 차이가 있는지 검증하였다. 통계분석 소프트웨어인 SPSS Statistics 22을 이용하여6) 분석을 실시하였으며 그 결과는 Table 2와 같다.
- 본 연구에서 분석대상 건물 유형을 건물의 연면적 기준에 따라 10,000㎡ 미만, 10,000㎡ 이상 30,000㎡ 미만, 30,000㎡ 이상 등 3개로 분류하였다. 이는 건축물에너지효율등급 인증 수수료 10단계를 1/3 지점으로 나눈 연면적에 해당한다.
- 업무용 건물의 에너지절약 설계요소를 어느 수준으로 적용해야 하는지에 대한 구체적인 성능 수준 파악을 위해 먼저 1등급 인증을 취득한 업무용 건물 114개를 대상으로 인증 현황 분석을 진행하였으며 본 연구의 결론은 다음과 같다.
- 첫 번째로 대상 건물들의 외피 성능인 부위별 열관류율 적용현황을 분석하기 위하여 Fig 2와 같이 연도별로 분류하여 평균값을 도출하였다. 분석결과 해당 건축물의 외벽, 바닥, 지붕, 창호 열관류율의 평균값은 2011년도에 중·남부 지역 모두 가장 낮은 외피 성능을 보였으며, 2012년 이후부터 열관류율이 점차 강화되어 적용된 것을 확인하였다.
대상 데이터
- (1) ‘K’기관에서 건축물에너지효율등급 본인증을 취득한 업무용 건물 중 2011년도부터 2014년도까지 1등급 이상을 취득한 건물들을 대상 건물로 선정하여 분석하였다.
- 본 연구에서는 2011년도부터 2014년도까지 건축물에너지효율등급 본인증 1등급을 취득한 업무용건물 114개를 대상으로 건물의 외피성능 및 설비 시스템 적용 현황을 분석하였다. 연도별 분석대상 건물 수는 2011년도 23건, 2012년도 31건, 2013년도 36건, 2014년도 24건이다.
- 본 연구에서는 2011년도부터 2014년도의 업무용건물을 대상으로 분석하였기 때문에 대상건물은 2008년 단열기준8) 혹은 2010년 개정된 단열기준9)이 적용된 건물들이다. 2008년 단열기준이 적용된 업무용건물은 60건이고 2010년 개정된 단열기준이 적용된 업무용 건물은 35건이다.
- 본 연구에서는 2011년도부터 2014년도까지 건축물에너지효율등급 본인증 1등급을 취득한 업무용건물 114개를 대상으로 건물의 외피성능 및 설비 시스템 적용 현황을 분석하였다. 연도별 분석대상 건물 수는 2011년도 23건, 2012년도 31건, 2013년도 36건, 2014년도 24건이다. 대상건물의 지역별 분포 현황은 Table 1과 같다.
데이터처리
- 연도별로 분류했을 때와 마찬가지로 각각 지붕의 연도별 편차가 가장 작게 나타났고 창호의 열관류율 편차가 크게 나타난 것을 확인할 수 있다. 단열기준 개정 전과 개정 후 두 집단 간의 부위별 열관류율 평균 차이를 분석하고자 T 검정을 통하여 평균차이 검정을 실시하였으며 그 내용은 Table 5와 같다. T 검정 결과 남부지역에 해당하는 2008년도와 2010년도 단열기준의 외벽 열관류율 평균 차이는 유의확률이 유의수준(α=0.
- 두 번째로는 대상건물의 부위별 열관류율이 연도별로 분포된 수준을 파악하기 위해 통계적 가시화 기법인 박스플롯을 이용해 분석하였으며 그 결과는 Table 3과 같다.
- 부위별 열관류율 모두 연도별로 평균값을 도출하여 비교하였기 때문에 연도별 열관류율의 평균차이 유의성 검증을 수행하기 위하여 일원배치분산분석을 실시하였다. 일원배치분산분석은 세 개 이상의 집단으로 구성된 하나의 독립변수에 따라 종속변수의 평균이 유의미한 차이가 있는지 검증하는 분석이다.
- 통계분석 소프트웨어인 SPSS Statistics 22을 이용하여6) 분석을 실시하였으며 그 결과는 Table 2와 같다. 부위별 열관류율의 연도별 평균값과 표준편차를 알 수 있으며 유의확률을 통해 유의성 검증을 판단하였다. 외벽, 바닥, 지붕의 유의확률 (P-value)가 모두 유의수준(α=0.
- 따라서 본 연구에서는 종속변수를 인증연도, 독립변수를 열관류율로 설정하여 부위별 열관류율에 따라 인증 연도별 열관류율 평균이 유의미한 차이가 있는지 검증하였다. 통계분석 소프트웨어인 SPSS Statistics 22을 이용하여6) 분석을 실시하였으며 그 결과는 Table 2와 같다. 부위별 열관류율의 연도별 평균값과 표준편차를 알 수 있으며 유의확률을 통해 유의성 검증을 판단하였다.
성능/효과
- 1) 에너지요구량 현황 분석 결과 난방, 냉방, 급탕, 조명 항목에서의 비율을 연도별로 패턴 변화를 알아보았을 때 난방 에너지 요구량은 단열기준의 개정으로 열관류율이 강화되어 적용되었기 때문에 점차 감소한 것을 확인할 수 있었다. 부위별 열관류율의 편차를 연도별로 살펴본 결과 지붕의 열관류율 편차가 작게 나타났고 창호의 열관류율 편차가 크게 나타난 것을 볼 수 있었다.
- 10,000㎡미만 건물의 경우 규모가 작아 적용된 주요 냉·난방시스템으로 EHP(Electric Heat Pump)시스템이 48%로 가장 많이 적용되었으며 지역난방 시스템이 가장 7%로 가장 적게 적용되었다.
- 10,000㎡이상 30,000㎡미만의 건물은 다양한 냉· 난방 시스템이 적용된 것을 확인할 수 있으며 그 중 냉온수기의 비율이 45%로 가장 많이 적용된 것을 볼 수 있다.
- 2) 에너지소요량 현황 분석 결과 건물의 규모와 적용된 설비의 경향으로 인해 에너지소요량에 차이를 보였다. 규모별 주요 냉·난방시스템 적용현황을 살펴본 결과 10,000㎡미만 건물의 경우 EHP시스템이 48%로 가장 많이 적용되었으며 10,000㎡이상 30,000㎡미만의 건물은 다양한 냉·난방 시스템이 적용되었고 그 중 냉온수기의 비율이 45%로 가장 많이 적용된 것을 볼 수 있었다.
- 2008년도 단열기준이 적용된 부위별 열관류율의 평균값은 외벽 0.31W/(㎡·K), 지붕 0.19W/(㎡·K), 바닥 0.32W/(㎡·K), 창호 2.36W/(㎡·K)로 나타났고 2010년도 단열기준이 적용된 부위별 열관류율 값은 외벽 0.26W/(㎡·K), 지붕 0.15W/(㎡·K), 바닥 0.22W/(㎡·K), 창호 2.12W/(㎡·K)로 더 우수하게 적용된 것을 확인하였다.
- 30,000㎡이상 건물의 경우 지역난방 시스템이 62%로 가장 많이 적용된 것을 알 수 있으며 규모가 커질수록 주요 냉·난방 시스템으로 EHP시스템이 적용 비율이 감소한 것을 확인할 수 있다.
- 규모별 주요 냉·난방시스템 적용현황을 살펴본 결과 10,000㎡미만 건물의 경우 EHP시스템이 48%로 가장 많이 적용되었으며 10,000㎡이상 30,000㎡미만의 건물은 다양한 냉·난방 시스템이 적용되었고 그 중 냉온수기의 비율이 45%로 가장 많이 적용된 것을 볼 수 있었다. 30,000㎡이상 건물의 경우 지역난방 시스템이 62%로 가장 많이 적용된 것을 확인할 수 있었다. 2011년도의 경우 규모가 작은 건물이 주로 분포하였기 때문에 주요 냉·난방시스템으로 EHP시스템이 적용되었고 2014년도의 경우 상대적으로 규모가 큰 건물들이 분포하여 주요 냉·난방시스템으로 지역난방이 적용된 것을 확인 할 수 있었다.
- 5) 1차 에너지소요량은 5가지 항목의 에너지소요량에 1차 에너지 환산계수를 곱하여 계산되고 단위면적당 1차 에너지소요량 260kWh/㎡·a 미만인 경우 1등급 이상의 인증을 취득한다.
- 부위별 열관류율 평균값 모두 중간값에서 크게 벗어나지 않는 것을 알 수 있고 박스 크기의 차이로 편차가 달라지는 것을 확인할 수 있다.7) 바닥과 지붕 열관류율의 경우 연도별 편차가 작아지는 것을 볼 수 있지만 창호의 경우 연도별 편차가 점차 커지는 것을 확인할 수 있다. 그 이유는 창호의 경우 2014년도로 갈수록 규모가 큰 인증 건물이 다수 분포함에 따라 건물의 용도 및 창호의 종류가 복층창, 삼중창, 커튼월 등으로 다양하게 적용되어 창호의 열관류율 편차가 크게 나타난 것으로 분석된다.
- T 검정 결과 남부지역에 해당하는 2008년도와 2010년도 단열기준의 외벽 열관류율 평균 차이는 유의확률이 유의수준(α=0.05)보다 크기 때문에 평균 차이가 없는 것으로 나타났다.
- 규모별 주요 냉·난방시스템 적용현황을 살펴본 결과 10,000㎡미만 건물의 경우 EHP시스템이 48%로 가장 많이 적용되었으며 10,000㎡이상 30,000㎡미만의 건물은 다양한 냉·난방 시스템이 적용되었고 그 중 냉온수기의 비율이 45%로 가장 많이 적용된 것을 볼 수 있었다.
- 2011년도의 경우 규모가 작은 건물이 대부분이었고 주요 냉· 난방시스템으로는 EHP시스템과 GSHP(Geothermal Source Heat Pump)시스템이 적용되었다. 그리고 냉방시스템으로 PAC에어컨이나 항온항습기가 부수적으로 적용된 것을 확인하였다. 2012년도부터 2014년도까지는 다양한 기기들이 적용된 것을 볼 수 있다.
- 2012년도부터 2014년도까지는 다양한 기기들이 적용된 것을 볼 수 있다. 기기의 COP현황을 살펴본 결과 GHP(Gas Heat Pump), 냉온수기, 흡수식냉동기의 COP는 점차 향상되는 것을 확인하였지만 EHP시스템 COP의 경우는 연도별 효율이 감소하는 것으로 분석되었다. 이는 2014년도로 갈수록 규모가 큰 건물들이 2011년도에 비해 다수 분포하였기 때문에 EHP시스템보다 지역난방이나 흡수식냉온수기가 주요 열원으로 적용되어 부수적으로 적용되는 기기의 COP가 낮은 시스템이 적용된 것으로 판단된다.
- 부위별 열관류율의 연도별 평균차이 검정결과 외벽, 지붕, 바닥 열관류율의 평균차이는 각각 유의한 것으로 나타났고, 창호 열관류율의 평균차이는 통계적으로 유의하지 않은 것으로 나타났다. 단열기준 개정 전과 후로 나누어 부위별 열관류율의 평균값을 살펴본 결과 2008년도와 2010년도 각각의 단열기준에 모두 부합하는 것을 확인할 수 있었다. 지역별 에너지요구량은 평균 외기온의 차이로 난방 에너지요구량은 중부지역이 상대적으로 높게 나타났고 냉방 에너지요구량은 남부지역이 높게 나타났다.
- 두 번째로 1차 냉방 에너지소요량을 분석해 본 결과 EHP시스템이 주로 적용된 2011년도의 경우 Fig 10의 에너지소요량과 비교하여 볼 때 1차 에너지 환산계수에 의해 1차 냉방 에너지소요량의 비율이 약간 증가하였지만 2012년도부터는 EHP시스템 외에 GHP시스템 같은 다양한 기기들이 적용되어 에너지소요량에 비해 1차 냉방 에너지소요량의 비율이 약간 감소한 것을 확인할 수 있다. 1차 환기 에너지소요량이 증가한 이유는 연도별 규모가 큰 건물들의 분포가 확대됨에 따라 AHU(Air Handling Unit)시스템 적용비율이 증가하여 팬동력이 증가하였기 때문이다.
- 그 이유로는 건물 규모가 작은 건물들이 분포되어 있어 주요 열원 시스템이 전기를 열원으로 사용하는 EHP시스템이 대부분 적용되었다. 따라서 1차 난방 에너지소요량은 1차 에너지 환산계수의 영향으로 다른 연도에 비해 비율차가 크게 나타난 것으로 분석되었다. 반면 2012~2014년도의 경우 건물의 규모가 다양해짐에 따라 여러 종류의 열원 시스템(GHP, 지역난방, 흡수식 냉온수기)이 적용되어 1차 에너지 환산계수의 영향으로 1차 난방 에너지소요량의 비율 차이가 있었다.
- 1차 에너지 환산계수는 Table 9와 같으며 열원별 환산계수가 다르게 적용되는 것을 확인 할 수 있다. 따라서 열원별 주요 설비의 영향으로 1차 에너지소요량의 열원별 환산계수 값에 의해 차이가 발생하는 것을 보여주며 Fig 12와 Fig 13을 통해 연도별로 분류된 항목별 1차 에너지소요량의 경향을 확인할 수 있다. 첫 번째로 1차 난방 에너지소요량을 분석한 결과 2011년도의 비율이 가장 크게 나타났다.
- 그 이유는 지역에 따라 기상데이터가 다르게 적용되어 기후차이로 인해 상대적으로 겨울철 평균 외기온이 낮은 중부지역에서는 난방 에너지 요구량이 높게 나타난 것으로 사료된다. 또한 대상건물의 적용된 창호를 Fig 2를 통해 살펴보면 중부지역이 남부지역에 비해 열관류율이 강화된 창호가 적용된 것을 확인할 수 있다. 대상건물에 적용된 창호의 SHGC(Solar Heat Gain Coefficient)의 경우 지역별 대부분 로이 복층유리가 적용되었기 때문에 차이가 없는 것을 Table 7을 통해 알 수 있다.
- 두 번째로는 대상건물의 부위별 열관류율이 연도별로 분포된 수준을 파악하기 위해 통계적 가시화 기법인 박스플롯을 이용해 분석하였으며 그 결과는 Table 3과 같다. 부위별 열관류율 평균값 모두 중간값에서 크게 벗어나지 않는 것을 알 수 있고 박스 크기의 차이로 편차가 달라지는 것을 확인할 수 있다.7) 바닥과 지붕 열관류율의 경우 연도별 편차가 작아지는 것을 볼 수 있지만 창호의 경우 연도별 편차가 점차 커지는 것을 확인할 수 있다.
- 부위별 열관류율의 편차를 연도별로 살펴본 결과 지붕의 열관류율 편차가 작게 나타났고 창호의 열관류율 편차가 크게 나타난 것을 볼 수 있었다. 부위별 열관류율의 연도별 평균차이 검정결과 외벽, 지붕, 바닥 열관류율의 평균차이는 각각 유의한 것으로 나타났고, 창호 열관류율의 평균차이는 통계적으로 유의하지 않은 것으로 나타났다. 단열기준 개정 전과 후로 나누어 부위별 열관류율의 평균값을 살펴본 결과 2008년도와 2010년도 각각의 단열기준에 모두 부합하는 것을 확인할 수 있었다.
- 1) 에너지요구량 현황 분석 결과 난방, 냉방, 급탕, 조명 항목에서의 비율을 연도별로 패턴 변화를 알아보았을 때 난방 에너지 요구량은 단열기준의 개정으로 열관류율이 강화되어 적용되었기 때문에 점차 감소한 것을 확인할 수 있었다. 부위별 열관류율의 편차를 연도별로 살펴본 결과 지붕의 열관류율 편차가 작게 나타났고 창호의 열관류율 편차가 크게 나타난 것을 볼 수 있었다. 부위별 열관류율의 연도별 평균차이 검정결과 외벽, 지붕, 바닥 열관류율의 평균차이는 각각 유의한 것으로 나타났고, 창호 열관류율의 평균차이는 통계적으로 유의하지 않은 것으로 나타났다.
- 분석결과 해당 건축물의 외벽, 바닥, 지붕, 창호 열관류율의 평균값은 2011년도에 중·남부 지역 모두 가장 낮은 외피 성능을 보였으며, 2012년 이후부터 열관류율이 점차 강화되어 적용된 것을 확인하였다.
- 대상건물의 지역별 분포 현황은 Table 1과 같다. 서울, 인천지역을 포함한 경기지역의 인증건수가 가장 많았고 충북지역의 인증건수가 가장 적게 분포된 것을 확인할 수 있다.
- 연도별 에너지소요량 분석 결과 난방, 냉방, 급탕, 조명, 환기 항목에서 산출된 에너지소요량 비율은 Fig 10과 같으며 건물의 규모와 적용된 설비의 경향으로 인해 에너지소요량에 차이를 보였다. 차이가 나는 이유는 2011년도에 비해 2014년도에 규모가 큰 건물들이 다수 분포함에 따라 주요 냉·난방시스템이 EHP에서 지역난방, 냉온수기 등으로 적용되었고 부수적인 냉·난방기기의 COP는 감소하였기 때문이다.
- Fig 5는 대상 건물의 에너지요구량을 연도별로 분류하여 해당 건축물의 난방, 냉방, 급탕, 조명 항목에서의 에너지요구량 평균값을 비율로 나타내었고 Fig 6은 항목별 에너지요구량을 막대그래프로 나타내었다. 연도별 에너지요구량 분석 결과 난방에너지 요구량의 경우 연도별 비율이 점차 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 반대로 냉방 에너지요구량의 경우 약간 증가하는 것을 확인 할 수 있다.
- 그 이유는 창호의 경우 2014년도로 갈수록 규모가 큰 인증 건물이 다수 분포함에 따라 건물의 용도 및 창호의 종류가 복층창, 삼중창, 커튼월 등으로 다양하게 적용되어 창호의 열관류율 편차가 크게 나타난 것으로 분석된다. 연도별 열관류율 평균값은 부위별 열관류율 모두 2014년도 열관류율이 가장 우수하게 적용된 것을 확인할 수 있으며 대체로 지붕의 연도별 편차가 가장 작게 나타났고 창호의 경우 연도별 열관류율 평균차이가 편차가 크게 나타나 통계적으로 유의하지 않은 것으로 분석되었다.
- 외벽, 바닥, 지붕의 유의확률 (P-value)가 모두 유의수준(α=0.01)보다 작기 때문에 연도별 열관류율의 평균 차이는 각각 매우 유의한 것으로 나타났지만 창호의 경우 유의확률이 유의수준(α=0.05)보다 크기 때문에 연도별 열관류율의 평균 차이는 통계적으로 유의하지 않은 것으로 나타났다.
- 중부지역에 해당하는 2008년도와 2010년도 단열기준의 외벽, 지붕, 창호의 경우 유의확률이 유의수준(α=0.05)보다 크게 나타났기 때문에 각각의 열관류율 평균차이는 없는 것으로 나타났고 바닥 열관류율의 경우 유의확률이 유의수준(α=0.05)보다 작게 나타났기 때문에 평균 차이가 있는 것으로 나타났다.
- 단열기준 개정 전과 후로 나누어 부위별 열관류율의 평균값을 살펴본 결과 2008년도와 2010년도 각각의 단열기준에 모두 부합하는 것을 확인할 수 있었다. 지역별 에너지요구량은 평균 외기온의 차이로 난방 에너지요구량은 중부지역이 상대적으로 높게 나타났고 냉방 에너지요구량은 남부지역이 높게 나타났다.
- 따라서 열원별 주요 설비의 영향으로 1차 에너지소요량의 열원별 환산계수 값에 의해 차이가 발생하는 것을 보여주며 Fig 12와 Fig 13을 통해 연도별로 분류된 항목별 1차 에너지소요량의 경향을 확인할 수 있다. 첫 번째로 1차 난방 에너지소요량을 분석한 결과 2011년도의 비율이 가장 크게 나타났다. 그 이유로는 건물 규모가 작은 건물들이 분포되어 있어 주요 열원 시스템이 전기를 열원으로 사용하는 EHP시스템이 대부분 적용되었다.
후속연구
- 추후 인증 현황 분석을 바탕으로 요소별 에너지 절감량을 분석하여 업무용 건물의 에너지 절감 방안 가이드라인을 제시하고자한다.
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