선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 또한 창호는 3 ㎜의 단창으로 이루어져 냉난방 에너지 절감을 위해 고효율 창호의 적용이 필요하다고 판단하였다. 대상 건물의 외피 중 창호가 약 40%를 차지하고 있는 만큼 창호의 성능은 건물의 에너지 소비에 많은 영향을 끼치기 때문에 SHGC, VLT, U-value 등을 각각 다르게 설계하여 적절한 대상 건물에 가장 효과적인 창호의 물성치를 도출하고자 하였다. 또한 교실의 외벽 창호는 남향에 위치하여 동절기에는 난방부하 절감에 유리하였지만 하절기 과도한 일사 유입으로 인해 실내가 과열되는 문제가 발생하였다.
- 본 연구는 학교 건물의 에너지 절감을 위한 효율적인 리모델링 방안을 제시하는데 목적이 있다. 이를 위해 노후 중학교 건물을 대상으로 그린 리모델링을 위한 외피 설계 요소를 제안하고 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 성능평가를 실시하였다.
- 본 연구에서는 각 설계안 별 에너지 소요량 분석을 통해 최종적으로 비교우위 항목을 도출하여 사례 건물에 적합한 설계안을 제시하였다. 추후 본 연구에서 적용되지 않은 설계 요소에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
가설 설정
- 시뮬레이션에서 냉난방 설정 온도 및 환기량은 Table 5.와 같으며, 학교 보건법[11]과 에너지절약설계기준[12]에 근거하여 가정치를 사용하였다.
제안 방법
- 학교 시설의 경우 교육청 등에서 권고하는 범위 내에서 수업일수가 정해지기 때문에 상대적으로 명확한 사용 스케줄 설정이 가능하다. 각 실에서 사용되고 있는 기기는 24시간 운영되는 냉장고, 온수기와 스케줄에 따라 작동되는 사무기기로 구분하였다. Table 4.
- 그리고 적절한 리모델링 요소와 최적의 설계 대안 설정을 위해 체계적인 접근 방법을 제시하였다. 건물의 특성 분석, 경제성 분석, 위험 요소 분석, 에너지 절감의 확인 등 다양한 분석이 중요하다고 하였으며, 현재 주요 적용되고 있는 리모델링 요소와 미래의 기술에 대한 분석을 진행했다. Gasparella[6]는 건물의 에너지 성능은 창호의 특성에 따라 달라지기 때문에 효과적인 창호 설계를 위해 성능 요소 별로 민감도를 분석 했다.
- Ma[5]는 기존 건물의 리모델링은 전 세계적으로 에너지 및 탄소 배출 절감을 위한 중요한 요소이며, 또한 저비용으로 지속가능한 건물 달성을 위한 방법 중 하나라고 결론지었다. 그리고 적절한 리모델링 요소와 최적의 설계 대안 설정을 위해 체계적인 접근 방법을 제시하였다. 건물의 특성 분석, 경제성 분석, 위험 요소 분석, 에너지 절감의 확인 등 다양한 분석이 중요하다고 하였으며, 현재 주요 적용되고 있는 리모델링 요소와 미래의 기술에 대한 분석을 진행했다.
- 노후 중학교 건물을 선정하여 건물에서의 에너지 소비 문제점을 파악하고, 현실성 있는 리모델링 요소로서 외피 단열, 창호 성능, 일사 조절 장치를 선정하여 연간 전기 에너지 소요량 절감효과를 확인하였으며, 본 연구의 결론은 다음과 같다.
- Zinzi[3]는 에너지 절감을 위해 기존 학교 건물의 리모델링을 통한 연간 에너지 절감량을 확인하였다. 노후화로 인하여 건물의 에너지 성능이 저하되었다고 판단되는 학교 건물을 선정했고, 건물의 특성을 고려하여 외피 단열의 강화, 창호 교체, 원격 에너지 제어 시스템의 도입, PV 적용 및 기계 환기 설비를 적용했다. 대상 건물은 단열에 매우 취약하였으며 또한 설비의 성능 저하로 인해 연간 에너지 사용량 중 약 90% 이상이 난방을 위해 사용되었다.
- 대상 건물의 에너지 성능평가를 위하여 설계도면을 바탕으로 기존 벽체 및 창호 등 외피설계 요소를 분석하였다. 외벽과 최하층 바닥에는 50 ㎜ 두께의 EPS 단열재가 적용되어 열관류율 값이 각각 0.
- 대상건물의 에너지 성능 분석을 통해 리모델링 요소 기술의 적용 가능성, 중요도 등을 고려하여 리모델링 요소를 선정하였다.
- 따라서 본 연구에서는 실제 사용량과 시뮬레이션 값을 비교하기 위해 전체 건물을 모델링 하였고, 리모델링 요소에 대한 분석은 별관을 제외한 본관을 대상으로 실시하였다. 대상건물의 에너지 소비 특성을 파악하고자 수집한 자료를 근거로 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 모델링을 수행하였다. 기상 데이터는 한국패시브건축협회[10]에서 제공하는 2000년도부터 2009년까지 천안 지역의 10년간 평균 기상데이터를 사용하였다.
- 따라서 대상 학교 건물의 에너지 소비 특성 분석을 바탕으로, 냉난방 에너지 절감을 위해 세 가지의 리모델링 요소를 선정하였다. 즉 외피의 단열 성능 향상, 고효율 창호로 교체, 창호의 외부 블라인드 적용을 통해 에너지성능 시뮬레이션을 수행하였다.
- 이를 위해 지역의 사립학교에 대한 정보를 구축하였다. 또한 규모, 적용 가능 기술, 건물의 특성에 따라 리모델링 계획을 달리 적용하여 각각 경제성 분석을 통해 효율적인 방안을 제시하였다. Ma[5]는 기존 건물의 리모델링은 전 세계적으로 에너지 및 탄소 배출 절감을 위한 중요한 요소이며, 또한 저비용으로 지속가능한 건물 달성을 위한 방법 중 하나라고 결론지었다.
- 본 건물은 2012년도에 단순 외피 도색 및 인테리어 변경, 복도와 교실 사이의 창호 변경이 이루어졌다. 그러나 준공 당시 법규를 만족하는 최소 단열기준으로 설계되었기 때문에 창호 및 벽체등 건물 외피를 통해 다량의 에너지가 손실되고 있는 상황이었다.
- 본 연구에서는 시각적 측면과 일사 차단을 고려하여 Table 9.와 같이 45° 각도의 외부 블라인드를 각 교실의 남측 창에 적용하여 하절기 냉방 에너지 절감량을 분석하였다.
- 시뮬레이션의 침기율 값을 위해, 대상 건물의 기밀성능을 파악하고자 블로어도어 테스트를 진행하였다. Fig.
- Lee[7]는 서로 다른 타입의 창호를 건물에 적용하여 연간 냉난방 및 조명에너지 사용량을 최소화 할 수 있는 창호의 성능을 도출하였다. 열관류율(U-value), 일사획득계수(SHGC;Solar Heat Gain Coefficient), 가시광선 투과율(VLT;Visual Light Transmittance), 창면적비(WWR;Window to Wall Ratio) 등을 통해 아시아 5개국의 기후 차이에 따른 최적의 설계 값을 제안하였다. Hee[8]는 에너지 절약과 빛 환경 측면에서 창호의 설계는 매우 중요하다고 하였다.
- 본 연구는 학교 건물의 에너지 절감을 위한 효율적인 리모델링 방안을 제시하는데 목적이 있다. 이를 위해 노후 중학교 건물을 대상으로 그린 리모델링을 위한 외피 설계 요소를 제안하고 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 성능평가를 실시하였다. EnergyPlus 엔진 기반의 건물에너지 시뮬레이션 툴인 DesignBuilder v3.
- Santoli[4]는 학교 건물의 성능을 향상시킴과 동시에 기회비용을 최소화하기 위한 효과적인 리모델링 전략을 분석하였다. 이를 위해 지역의 사립학교에 대한 정보를 구축하였다. 또한 규모, 적용 가능 기술, 건물의 특성에 따라 리모델링 계획을 달리 적용하여 각각 경제성 분석을 통해 효율적인 방안을 제시하였다.
- 따라서 대상 학교 건물의 에너지 소비 특성 분석을 바탕으로, 냉난방 에너지 절감을 위해 세 가지의 리모델링 요소를 선정하였다. 즉 외피의 단열 성능 향상, 고효율 창호로 교체, 창호의 외부 블라인드 적용을 통해 에너지성능 시뮬레이션을 수행하였다.
- 는 비슷한 열관류율 값을 갖고 SHGC 값에 변화를 주었을 때 연간 냉난방 에너지를 비교한 그래프이다. 창호의 SHGC 값이 건물의 냉난방 에너지 소요량에 미치는 영향을 분석하였다. Win2와 Win4는 SHGC 값이 각각 약 0.
- Hee[8]는 에너지 절약과 빛 환경 측면에서 창호의 설계는 매우 중요하다고 하였다. 창호의 물성치, 방위 및 기후 별로 에너지 절감률 및 경제성 분석을 통해 건물의 특성 과 환경에 적절한 창호의 최적 설계안을 제시하였다. 또한 투광조절형 창호 및 태양광 (PV)창호 등 고효율의 특수 창호에 대해 분석하였고 경제성 등을 고려하여 고성능 건물에 적용하는 것이 효율적이라고 제시하였다.
대상 데이터
- 대상건물의 에너지 소비 특성을 파악하고자 수집한 자료를 근거로 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 모델링을 수행하였다. 기상 데이터는 한국패시브건축협회[10]에서 제공하는 2000년도부터 2009년까지 천안 지역의 10년간 평균 기상데이터를 사용하였다.
- 대상 건물은 연간 에너지 사용량 중 약 절반가량이 냉난방을 위해 소비되는 건물로 앞서 설계된 리모델링에 요소를 적용하여 냉난방 에너지 절감 효과를 분석하였다.
- 대상 건물은 충남 천안에 위치하며, 1995년 4월 5일에 개교한 공립중학교이다. 철근콘크리트 구조형식이고 4층 규모의 연면적은 약 5,776㎡ 이다.
- 또한 재실스케줄은 조명부하, 기기부하, 냉난방기기부하, 인체 발열부하 등 건물의 에너지 소비패턴을 결정짓는 변수 중 하나로 작용된다. 따라서 교사의 야근 또는 방학 중 특별 교실 운영 등 최대한 실제 운영 시간에 대한 정보를 수집하였다. 학교 시설의 경우 교육청 등에서 권고하는 범위 내에서 수업일수가 정해지기 때문에 상대적으로 명확한 사용 스케줄 설정이 가능하다.
- 가스에너지의 경우 주로 본관 건물과 분리되어있는 급식실에서 조리를 위해 사용되고 있다. 따라서 본 연구는 가스에너지를 제외하고 전기에너지 사용량으로 한정하여 분석하였다.
- I-smart에서 제공하는 실시간 전력사용량 데이터는 별관이 포함된 학교 전체의 전력 사용량이다. 따라서 본 연구에서는 실제 사용량과 시뮬레이션 값을 비교하기 위해 전체 건물을 모델링 하였고, 리모델링 요소에 대한 분석은 별관을 제외한 본관을 대상으로 실시하였다. 대상건물의 에너지 소비 특성을 파악하고자 수집한 자료를 근거로 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 모델링을 수행하였다.
데이터처리
- EnergyPlus 엔진 기반의 건물에너지 시뮬레이션 툴인 DesignBuilder v3.4를 이용하여 각 요소별 에너지 소요량에 대해 비교·분석하였다.
성능/효과
- 모델링 결과 실제 에너지 사용량과 다소 차이는 있으나 월별 사용 패턴은 유사한 것을 알 수 있다. 2014년도에 소비된 전기에너지량과 시뮬레이션을 통해 분석된 에너지 소요량을 비교해보면 월별 평균 15%차이로 분석되었으며, 연간 약 10%의 차이가 발생되는 것으로 분석되었다. 시뮬레이션을 통해 분석된 연간 전기 에너지 소요량은 본관의 경우 약 377 MWh, 별관은 약 86.
- 둘째, 유리의 SHGC 값이 감소됨에 따라 난방 에너지 소요량이 증가되고 냉방 에너지 소요량은 감소하였으며, 열관류율 값이 낮아지면 난방 에너지 소요량이 감소되고 냉방 에너지 소요량이 증가 되었다. SHGC 값이 일정 수준 이하로 감소되면 전체 냉난방 에너지가 증가되어 대상 건물에는 약 0.4정도 일 때 가장 효과적이었다.
- 273 W/㎡K 이다. Win4를 Win7로 변경 할 경우 열관류율 값이 감소되면서 연간 난방에너지는 약 13% 감소하지만 냉방에너지는 약 11% 증가 되는 것으로 분석되었다.
- 는 시뮬레이션을 통해 분석된 연간 전기 에너지 소요량 분포를 나타낸 그래프이다. 각 실에서 사용되는 기기 장비에 의한 전력 사용량이 전체 에너지 소요량 중 37%로 가장 많았고, 냉난방 에너지는 각각 24%, 조명 에너지는 15%로 분석되었다.
- 반면 난방에너지는 SHGC 값이 높고 열관류율 값이 낮은 Win5를 적용했을 때 기존 건물 대비 약 46% 감소되어 가장 큰 절감률을 보였다. 그러나 냉난방을 모두 고려했을 때 대상 건물에는 SHGC가 0.468이고 아르곤가스를 주입하여 단열을 강화한 Win6을 적용하는 것이 연간 약 21%의 냉난방 에너지가 절감되어 가장 효과적인 것으로 분석되었다.
- SHGC 값이 낮아질수록 일사획득양이 줄어들기 때문에 냉방부하는 감소되었지만 난방부하가 증가되었다. 그리고 SHGC 값이 0.4에서 일정 수준 이하로 낮아 지게 되면 오히려 난방부하가 크게 상승하여 전체 냉난방 에너지 소요량이 증가되는 것으로 분석되었다. 냉방에너지는 상대적으로 SHGC 값이 낮고 열관류율 값이 높은 Win4를 적용했을 때 약 19% 절감되어 상대적으로 절감률이 가장 높았다.
- 4에서 일정 수준 이하로 낮아 지게 되면 오히려 난방부하가 크게 상승하여 전체 냉난방 에너지 소요량이 증가되는 것으로 분석되었다. 냉방에너지는 상대적으로 SHGC 값이 낮고 열관류율 값이 높은 Win4를 적용했을 때 약 19% 절감되어 상대적으로 절감률이 가장 높았다. 반면 난방에너지는 SHGC 값이 높고 열관류율 값이 낮은 Win5를 적용했을 때 기존 건물 대비 약 46% 감소되어 가장 큰 절감률을 보였다.
- 둘째, 유리의 SHGC 값이 감소됨에 따라 난방 에너지 소요량이 증가되고 냉방 에너지 소요량은 감소하였으며, 열관류율 값이 낮아지면 난방 에너지 소요량이 감소되고 냉방 에너지 소요량이 증가 되었다. SHGC 값이 일정 수준 이하로 감소되면 전체 냉난방 에너지가 증가되어 대상 건물에는 약 0.
- 17kWh/year·㎡ 절감된 것으로 분석되었다. 또한 난방 에너지는 약 8% 절감되었으나 냉방 에너지 절감량은 미미한 것으로 나타났다.
- 창호의 물성치, 방위 및 기후 별로 에너지 절감률 및 경제성 분석을 통해 건물의 특성 과 환경에 적절한 창호의 최적 설계안을 제시하였다. 또한 투광조절형 창호 및 태양광 (PV)창호 등 고효율의 특수 창호에 대해 분석하였고 경제성 등을 고려하여 고성능 건물에 적용하는 것이 효율적이라고 제시하였다.
- 대상 건물은 단열에 매우 취약하였으며 또한 설비의 성능 저하로 인해 연간 에너지 사용량 중 약 90% 이상이 난방을 위해 사용되었다. 리모델링을 통해 연간약 42%의 에너지가 절감 될 것으로 예상했으며, 실제 사용량을 일정 기간 모니터링 한 결과 예상 대비 약 10% 더 절감되는 것으로 분석되 었다. Santoli[4]는 학교 건물의 성능을 향상시킴과 동시에 기회비용을 최소화하기 위한 효과적인 리모델링 전략을 분석하였다.
- 냉방에너지는 상대적으로 SHGC 값이 낮고 열관류율 값이 높은 Win4를 적용했을 때 약 19% 절감되어 상대적으로 절감률이 가장 높았다. 반면 난방에너지는 SHGC 값이 높고 열관류율 값이 낮은 Win5를 적용했을 때 기존 건물 대비 약 46% 감소되어 가장 큰 절감률을 보였다. 그러나 냉난방을 모두 고려했을 때 대상 건물에는 SHGC가 0.
- 셋째, 창호에 외부 블라인드를 적용 하면 하절기의 냉방부하가 감소되었으며 SHGC 값이 높을수록 블라인드에 의한 냉방 에너지 소요량 절감 효과가 큰 것으로 분석되었다.
- 시뮬레이션을 통해 분석된 연간 전기 에너지 소요량은 본관의 경우 약 377 MWh, 별관은 약 86.8 MWh로 나타났으며, 단위 면적당 96.9 kWh/year·㎡, 87.81 kWh/year·㎡ 의 전기 에너지가 소비되는 것으로 분석되었다.
- 연간 냉난방 에너지 소요량이 179.36 MWh에서 171.78 MWh로 약 5% 감소되었으며, 단위 면적당 냉난방 에너지 소비는 약 46.12 kWh/year·㎡에서 약 44.17kWh/year·㎡ 절감된 것으로 분석되었다.
- 6 W/㎡K이다. 창호를 Win2에서 Win4로 변경 했을 때 냉방에너지는 약 26% 절감되지만 난방 에너지가 약 27% 증가되는 것으로 분석되었다.
- 창호의 성능 요소 중 단열, 투과율, 창면적비 및 방위 등을 고려 하여 회귀 분석을 통해 하절기·동절기 기간의 피크부하 절감을 위한 적정 창호 성능 분석이 중요하다고 결론지었다.
- 첫째, 건물의 단열이 강화되면서 실내외 온도차에 의한 열의 이동이 최소화되어 냉난방부하가 절감되었다.
- 는 선정한 리모델링 요소를 단계적으로 적용했을 때 각각 연간 냉난방 에너지 소요량을 나타낸 그래프이다. 최종적으로 단열 강화, 창호 변경, 외부 블라인드를 적용함으로서 연간 약 31%의 냉난방 에너지 절감이 가능할 것으로 예상된다.
- 와 같이 45° 각도의 외부 블라인드를 각 교실의 남측 창에 적용하여 하절기 냉방 에너지 절감량을 분석하였다. 특히 외부블라인드는 열 환경적 측면에서 일사가 창에 도달하기 전에 차단이 가능하므로 내부 블라인드에 비해 효과적일 것으로 판단하였다.
후속연구
- 추후 본 연구에서 적용되지 않은 설계 요소에 대한 추가적인 연구가 필요하다. 또한 보다 적극적인 리모델링 방안에 대한 연구를 통해 학교 건물의 그린리모델링 활성화를 위한 추가적인 분석이 필요할 것으로 판단된다.
- 본 연구에서는 각 설계안 별 에너지 소요량 분석을 통해 최종적으로 비교우위 항목을 도출하여 사례 건물에 적합한 설계안을 제시하였다. 추후 본 연구에서 적용되지 않은 설계 요소에 대한 추가적인 연구가 필요하다. 또한 보다 적극적인 리모델링 방안에 대한 연구를 통해 학교 건물의 그린리모델링 활성화를 위한 추가적인 분석이 필요할 것으로 판단된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.