Purpose: In 2008, As the green growth policy was presented, Green Building is made any effort to propagation. In this paper, the respective technologies that are able to considerably reduce the energy demands for heating, cooling, hot-water, lighting and ventilation among the variety of technologies...
Purpose: In 2008, As the green growth policy was presented, Green Building is made any effort to propagation. In this paper, the respective technologies that are able to considerably reduce the energy demands for heating, cooling, hot-water, lighting and ventilation among the variety of technologies were selected. Method: Design factors such as (1) External insulation, (2) Triple glazing window, (3) LED lighting, (4) External venetian blind, (5) Geothermal and (6) Heat recovery ventilator were derived. In addition, energy saving effects in terms of energy demand, energy consumption and energy cost were investigated using EnergyPlus, building energy analysis tool. Result : The results were as follows. (1) It can be seen that high insulated triple glazing window, heat recovery ventilator and external insulation technology is excellent for energy demand. (2) Unlike energy demand, saving effect of energy consumption and energy cost was shown in order of Geothermal > Triple Window > Heat recovery Ventilation> Insulation> LED Lighting > EVB Blind.
Purpose: In 2008, As the green growth policy was presented, Green Building is made any effort to propagation. In this paper, the respective technologies that are able to considerably reduce the energy demands for heating, cooling, hot-water, lighting and ventilation among the variety of technologies were selected. Method: Design factors such as (1) External insulation, (2) Triple glazing window, (3) LED lighting, (4) External venetian blind, (5) Geothermal and (6) Heat recovery ventilator were derived. In addition, energy saving effects in terms of energy demand, energy consumption and energy cost were investigated using EnergyPlus, building energy analysis tool. Result : The results were as follows. (1) It can be seen that high insulated triple glazing window, heat recovery ventilator and external insulation technology is excellent for energy demand. (2) Unlike energy demand, saving effect of energy consumption and energy cost was shown in order of Geothermal > Triple Window > Heat recovery Ventilation> Insulation> LED Lighting > EVB Blind.
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문제 정의
따라서 본 연구는 분석 모델 선정에서부터 공통 요소기술 도출 및 평가 전반에 걸쳐 기준 모델에 대한 절감 효과에 초점을 맞추어 연구를 진행하였다.
이상의 연구를 통해 주택에 적용될 수 있는 요소기술의 조합에 따른 에너지 소비량 및 에너지비용 분석을 실시하였으며, 정량적인 데이터를 통해 건축물 계획시 활용가능한 자료이다. 요구량 분석을 통해 고성능 창호, 외단열 등과 같은 건축요소들 또한 건축물 에너지 절감량의 큰 효과를 보이는 것을 알 수 있으며, 제로에너지 하우스 보급에 앞서 패시브 주택의 보급을 위해 건축적 요소의 연구와 개발이 지속적으로 이루어져야 할 것이다.
이에 본 연구에서는 제로에너지 주택을 구현하기 위한 핵심 에너지요구량 요소기술 7가지를 선정하고, 에너지 절감요소, 신재생에너지 냉난방 및 발전기술의 조합에 따른 에너지 요구량, 소비량 및 에너지 비용을 정량적으로 분석하였다.
이에 본 연구에서는 제로에너지 주택을 구현하기 위한 핵심 요소기술 7가지를 선정하고, 에너지 절감요소, 신재생에너지 냉난방 및 발전기술의 조합에 따른 에너지 요구량, 소비량 및 에너지 비용을 정량적으로 분석함으로써, 건축물의 초기 계획단계에서 활용을 목적으로 한다.
가설 설정
④ LED 조명은 기본안(형광등) 대비 2.26W/㎡ (약 33%)의 에너지가 절약된다고 가정하였으며, 외부 전동블라인드(External Venetian Blind : 이하 EVB라 칭함)는 Slate 각도를 90°(수평 방향)로 고정하고 여름철 4개월만 사용되고 나머지 월은 사용되지 않도록 스케줄을 조절하였다.
태양광 발전은 발전 용량은 1 kWp 급, 2 kWp 급, 3 kWp 급으로 하였고, 각각에 대한 경사각도는 0°, 15°, 30°, 45°로 12가지 분석 케이스로 가정하여 발전량을 산출하였으며, 표 15와 같다.
제안 방법
건물에너지 분석의 범위는 내부기기를 제외한 난방, 냉방, 조명, 환기, 급탕에너지의 2차 에너지요구량 및 소비량으로 한정하였다. 2차 에너지소비량은 2차 에너지요구량과 표 5, 6의 각 에너지에 따른 환산 계수(설비의 성능과 운전효율을 적용)로 나누어 산출하였으며, 1차 에너지소비량은 2차 에너지소비량에 표 7의 1차 에너지환산계수를 곱하여 산출하였다. 또한 가스 및 전기 요금은 2차 에너지소비량에 표 8의 평균단가를 곱하여 산출하였다.
26W/㎡ (약 33%)의 에너지가 절약된다고 가정하였으며, 외부 전동블라인드(External Venetian Blind : 이하 EVB라 칭함)는 Slate 각도를 90°(수평 방향)로 고정하고 여름철 4개월만 사용되고 나머지 월은 사용되지 않도록 스케줄을 조절하였다. ⑤ 냉난방 및 급탕의 경우 일반 보일러 및 에어컨 대비 난방 COP 4.5(급탕열공급비율 8%), 냉방 COP 3.5의 Water to Air 타입의 지열히트펌프를 개선안으로 적용시켜 분석하였다. ⑥ 기본안의 강제환기장치는 2013년 개정된 ‘건축물의 설비기준 등에 관한 규칙’의 0.
⑥ 기본안의 강제환기장치는 2013년 개정된 ‘건축물의 설비기준 등에 관한 규칙’의 0.5 ACH보다 충분한 환기량 확보를 통한 공기질 개선을 위하여 개정 이전 기준인 0.7 ACH로 적용하였으며, 폐열회수 환기 장치는 효율 80%로 적용시켰다.
도출된 설계 변수들로 적용 가능한 조합들을 선정하고, 기존의 건물 에너지 절약 설계기준에 입각한 주택과 각 기술들이 복합적으로 적용될 Case의 향별, 요소기술 적용별, 태양광 발전으로 구분하여 에너지 요구량, 소비량 및 에너지 비용을 정량적으로 분석함으로써, 에너지 절감 효과를 정량적으로 산정하였다.
2차 에너지소비량은 2차 에너지요구량과 표 5, 6의 각 에너지에 따른 환산 계수(설비의 성능과 운전효율을 적용)로 나누어 산출하였으며, 1차 에너지소비량은 2차 에너지소비량에 표 7의 1차 에너지환산계수를 곱하여 산출하였다. 또한 가스 및 전기 요금은 2차 에너지소비량에 표 8의 평균단가를 곱하여 산출하였다.
시뮬레이션은 표 4와 같으며, 먼저 향별 분석은 기본안(남향)을 포함하여 4가지 케이스로 구성하였고, 적용 요소 기술 조합에 따른 2차에너지 요구량 비교가 가능하며, 지열시스템은 냉난방 설비 시스템의 변화로 2차에너지 소비량으로 판단하여야한다. 또한 태양광 발전은 각 용량과 설치경사각도를 조합하여 발전량을 산출하였다.
본 연구는 국내외 그린홈 사례 분석을 통하여 일반 주택의 에너지 절감을 위한 다양한 기술들 가운데 냉·난방, 급탕, 조명 및 환기 에너지 요구량을 크게 줄일 수 있는 대표적인 기술로 ①외단열, ②3중창, ③LED 조명, ④EVB 블라인드, ⑤폐열회수 환기 장치, ⑥지열 시스템을 선정하고, 그린홈의 요소기술별 에너지 소비량 및 소비비용을 정량적으로 분석하였다.
본 연구는 단독 주택의 에너지 절감을 위한 다양한 기술들 가운데 2000년 중반부터 지어진 대표적인 ‘그린홈(Green Home)’을 대상으로 표 1과 같이 건축적, 설비적, 신재생에너지 요소기술로 분류하였다.
본 연구는 단독 주택의 에너지 절감을 위한 다양한 기술들 가운데 2000년 중반부터 지어진 대표적인 ‘그린홈(Green Home)’을 대상으로 표 1과 같이 건축적, 설비적, 신재생에너지 요소기술로 분류하였다. 이를 바탕으로 공통적으로 적용되고 냉난방, 급탕, 조명 및 환기 에너지요구량을 크게 절감할 수 있는 민감도가 큰 적용 기술들을 분석하여 설계 변수들을 도출하였다.
대상 데이터
건물에너지 분석의 범위는 내부기기를 제외한 난방, 냉방, 조명, 환기, 급탕에너지의 2차 에너지요구량 및 소비량으로 한정하였다. 2차 에너지소비량은 2차 에너지요구량과 표 5, 6의 각 에너지에 따른 환산 계수(설비의 성능과 운전효율을 적용)로 나누어 산출하였으며, 1차 에너지소비량은 2차 에너지소비량에 표 7의 1차 에너지환산계수를 곱하여 산출하였다.
시뮬레이션 모델은 ‘강원도 보급형 저탄소 주택모형 개발’ 이라는 보급형 주택 설계 및 설계도서 개발 연구를 통하여 우리나라 기후에 적합하고 에너지절감에 유리하도록 계획·검증된 주택이다.
시뮬레이션을 위해 공통으로 적용된 입력조건은 표 3과 같으며, 기상데이터는 IWEC에서 제공하는 인천지역 기상데이터 자료를 사용하였다.
이론/모형
① 대상 주택의 기본안을 구성하기 위하여 사용된 벽체 및 창호 구성은 「‘건축물의 에너지절약설계기준’의 [별표 2] 단열재 두께와 [별표 3] 창 및 문의 단열성능」을 참고하였다.
본 연구는 시뮬레이션을 통한 분석 연구로 미국 DOE-2와 BLAST의 장점을 통합하여 개발한 EnergyPlus 엔진을 기반으로 하는 DesignBuilder v.3.0을 이용하여 수행되었다. DesignBuilder는 EnergyPlus의 대표적인 3rd Party 인터페이스 프로그램이다.
성능/효과
(1) 주어진 대상 건물의 경우, 방위에 따른 건물에너지의 영향도를 분석한 결과 2차 에너지 요구량은 남향>서향>동향>북향의 순서로 나타났으며, 2차 에너지 소비량은 COP 및 운전효율의 영향에 따라서 남향>서향>북향>동향의 순서로 우수한 것으로 2차 에너지 요구량과는 다소 차이가 있는 것으로 나타났다.
(2) 요소기술 조합에 따른 분석 결과, 에너지 요구량 측면에서는 고기밀 3중창호를 적용한 경우 단열성능과 기밀성능의 향상으로 가장 큰 절감율인 21.8%를 나타냈다. 다음으로 폐열회수 환기 장치와 외단열 기술이 효과가 높은 것으로 분석되었다.
(3) 에너지 소비비용의 경우, 에너지 소비량과 유사한 분포를 나타냈으며, 운전비용 절감 효과는 에너지 요구량과는 달리 지열>3중창>폐열회수 환기장치>외단열>LED 조명기구>전동 외부차양장치의 순으로 나타났다.
에너지 소비량을 분석한 결과, 에너지 요구량과는 달리 지열 시스템이 가장 큰 절감효과를 나타내고 있다. 2가지 요소기술을 적용하였을 경우 외단열+3중창을 적용하였을 경우와 3중창+폐열회수 환기시스템을 적용하였을 경우 기준안 대비 절감율이 각각 31.3%, 36.9%로 가장 높게 나타났다.
8%를 나타냈다. 다음으로 폐열회수 환기 장치와 외단열 기술이 효과가 높은 것으로 분석되었다. 에너지 소비량을 분석한 결과, 에너지 요구량과는 달리 지열 시스템이 가장 큰 절감효과를 나타내고 있다.
이는 단열성능과 기밀성능이 동시에 향상되어 난방 및 냉방부하를 동시에 감소시키기 때문이다. 다음으로 폐열회수 환기 장치와 외단열을 이용한 슈퍼 단열 기술이 효과가 높은 것으로 분석되었다. LED 조명기구의 경우에는 조명부하를 약 30% 절감시키는 동시에 냉방 부하도 절감시키지만, 내부발열이 줄어 난방부하는 오히려 상승시키는 작용을 하게 되는 것을 알 수 있다.
따라서, 패시브 주택을 구현함에 있어 가장 먼저 고려해야 할 대상은 고성능, 고기밀성 창호>고효율 폐열회수 환기장치>외단열 순서인 것으로 분석되었다.
분석결과 발전용량이 증가할수록 절감비용이 큰 것으로 나타났으며, 여름철 태양고도의 영향으로 설치각도 30°에서 발전용량 및 절감비용이 가장 크며, 각도 증가하면서 다시 줄어드는 것으로 나타났다. 또한 설치각도의 변화에 따라서 최대 약 11.73% 증가하는 것으로 분석되었다.
또한 외단열과 3중창이 적용된 Case에서 에너지소비량이 낮게 나타나는 경향을 보였다. 이러한 에너지 소비량은 에너지 비용과 직접적으로 연결이 되는 것이다.
전체적으로 건물이 서향으로 향했을 경우 일사에 따른 영향으로 냉방부하가 가장 높게 나타나지만, 상대적으로 난방부하는 적게 나타나는 것을 알 수 있다. 또한 주어진 대상 모델에서는 건물이 동향으로 향할 때 가장 높은 에너지 소비량을 나타내는 것을 알 수 있다. 따라서 건물은 가능한 한 남향을 향하도록 배치시키는 것이 에너지적으로 가장 우수함을 다시 한 번 확인할 수 있었다.
분석결과 발전용량이 증가할수록 절감비용이 큰 것으로 나타났으며, 여름철 태양고도의 영향으로 설치각도 30°에서 발전용량 및 절감비용이 가장 크며, 각도 증가하면서 다시 줄어드는 것으로 나타났다.
다음으로 폐열회수 환기 장치와 외단열 기술이 효과가 높은 것으로 분석되었다. 에너지 소비량을 분석한 결과, 에너지 요구량과는 달리 지열 시스템이 가장 큰 절감효과를 나타내고 있다. 2가지 요소기술을 적용하였을 경우 외단열+3중창을 적용하였을 경우와 3중창+폐열회수 환기시스템을 적용하였을 경우 기준안 대비 절감율이 각각 31.
에너지 소비비용 측면에서는 2차 에너지 소비량과 유사한 분포를 나타내고 있으며, 운전비용 절감 효과 역시 지열 요소기술을 포함하여 적용하였을 경우 에너지 비용 절감효과가 큰 것으로 나타났으며, 지열 > 3중창 > 폐열회수 환기장치 > 외단열 > LED 조명기구 > 외부 전동차양장치의 순으로 나타났다.
표 9에서 알 수 있듯이 종합적인 향별 에너지요구량은 일사에 따른 건물의 평면과 창호의 분포 특성에 의하여 남향>북향>서향>동향의 순서로 에너지 성능이 우수한 것으로 나타났다.
후속연구
표 12와 그림 2는 요소기술 조합별 2차 에너지요구량을 나타낸 것이다. 2차 에너지 요구량 분석을 통하여 설비 용량을 산정할 수 있는 근거 자료로 활용될 수 있고, 각 요소기술들이 건물에너지에 미치는 영향을 파악할 수 있다. 그리고 에너지 요구량이 높다는 것은 설비 시스템이 없을 경우 재실자의 쾌적감이 낮아지게 됨을 의미한다.
이상의 연구를 통해 주택에 적용될 수 있는 요소기술의 조합에 따른 에너지 소비량 및 에너지비용 분석을 실시하였으며, 정량적인 데이터를 통해 건축물 계획시 활용가능한 자료이다. 요구량 분석을 통해 고성능 창호, 외단열 등과 같은 건축요소들 또한 건축물 에너지 절감량의 큰 효과를 보이는 것을 알 수 있으며, 제로에너지 하우스 보급에 앞서 패시브 주택의 보급을 위해 건축적 요소의 연구와 개발이 지속적으로 이루어져야 할 것이다. 또한 현재 국내에서는 2025년까지 건축물 제로에너지 의무화를 목표로 정책이 추진되고, 그린홈 및 패시브주택 등 다양한 시범주택들이 건축되고 있지만, 일반적으로 건설되고 있는 주택의 경우 공동주택에 비해 에너지를 다소비하는 것이 현실이다.
이에 추후 연구에서는 요소기술의 조합에 따른 에너지비용 분석을 통해 설계단계에서 이용할 수 있도록 각 요소기술의 조합에 따른 LCC 분석을 통하여 최적 조합 방법에 관한 후속 연구가 수행될 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
본 연구에서 분석한 건물에너지 범위는?
건물에너지 분석의 범위는 내부기기를 제외한 난방, 냉방, 조명, 환기, 급탕에너지의 2차 에너지요구량 및 소비량으로 한정하였다. 2차 에너지소비량은 2차 에너지요구량과 표 5, 6의 각 에너지에 따른 환산 계수(설비의 성능과 운전효율을 적용)로 나누어 산출하였으며, 1차 에너지소비량은 2차 에너지소비량에 표 7의 1차 에너지환산계수를 곱하여 산출하였다.
국내에서 건축물 부문에서 에너지소비량의 비중은?
전 세계적으로 기후변화에 대응해 에너지 소비를 줄이기 위한 다양한 노력이 시도되고 있지만 그 효과는 아직 미흡하며, 온실가스 감축 및 저탄소 녹색성장 구현을 위하여 건축물 분야의 역할이 매우 중요하다. 국내의 경우 건축물 부문의 에너지소비량은 국가 전체 에너지소비량의 약 25%를 차지하고 있으며, 그중 가정에서 소비되는 에너지가 53%를 차지하고 있다.
고기밀 3중창호를 적용한 경우 2차 에너지 요구량이 큰 절감율을 나타낸 이유는?
8%를 나타내고 있다. 이는 단열성능과 기밀성능이 동시에 향상되어 난방 및 냉방부하를 동시에 감소시키기 때문이다. 다음으로 폐열회수 환기 장치와 외단열을 이용한 슈퍼 단열 기술이 효과가 높은 것으로 분석되었다.
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