[논문]High-Performance Buildings 구현을 위한 신기술 연구 동향 및 에너지 절감 효과 평가

김철호; 양자강; 이승언; 유기형; 김강수

doi:10.12813/kieae.2016.16.1.057

High-Performance Buildings 구현을 위한 신기술 연구 동향 및 에너지 절감 효과 평가
Review of New Technologies' Energy Conservation Rate in High-Performance Buildings 원문보기

KIEAE journal = 한국생태환경건축학회논문집, v.16 no.1, 2016년, pp.57 - 65

김철호 (Department of Architecture, Korea University) , 양자강 (Department of Architecture, Korea University) , 이승언 (Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology) , 유기형 (Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology) , 김강수 (Department of Architecture, Korea University)

Abstract ▼ AI-Helper

Purpose: The purpose of this study is to analyze the energy performance by applying new technologies for passive and active control. Method: We selected new technologies for passive and active control which are based on formal study by analyzing technology applied to the High-Performance Buildings in various countries. Also, we analyzed energy saving potential for each technologies by breakdown the result of the energy saving rates in detail. Result: For the wall and roof insulating methods, preceding studies showed that up to 21% energy could be saved by improving roof insulation and applying proper outside insulation compared to non-insulation. For the windows and glazing system, preceding studies showed that Low-E glazing system could save up to 11% energy compared to single glazing system. Studies about solar and daylighting controls revealed that effective daylighting dimming control could save 13% of energy compared to uncontrolled situation. Studies on DOAS (Dedicated Outdoor Air System) showed that about 23% energy could be saved compared to standard VAV system. Studies on the active chilled beam showed that about 25% energy could be saved compared to standard VAV system and studies of applying UFAD (Under Floor Air Distribution) could consume 31% less energy than applying overhead system.

주제어

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문제 정의

따라서 국내의 High-Performance Building을 구현하기 위해 본 연구에서는 최근 주목 받고 실제 건축물에 적용되고 있는 건축 부문(Passive Control)과 설비 부문(Active Control)의 신기술을 선정하여 기술별 선행연구를 검토하고, 신기술 적용 시 개략적인 에너지 절감 효과 및 절감 원리를 평가하고자 한다.
따라서 본 연구에서는 High–Performance Building의 구현을 위한 건축 부문(Passive Control)과 설비 부문(Active Control)의 신기술을 선정하고 신기술 적용 시 개략적인 에너지 절감 효과를 검토하며, 각 기술별 에너지 절감원리를 분석하고자 한다.
본 연구에서는 High-Performance Building의 구현을 위해 최근 주목을 받고, 또한 실제 건축물에 적용되고 있는 건축 부문 (Passive Control)과 설비 부문(Active Control)의 신기술을 선정하고 이에 따른 선행연구들을 검토하였다. 각 신기술 적용 시 에너지 절감 효과 및 절감 전략을 평가하였으며 결론은 다음과 같다.
본 연구에서는 첫 번째 단계로 선행연구[1]에서와 같이 건축 부문(Passive Control)과 설비 부문(Active Control)에서의 대표적인 6가지 신기술을 선정하고, 각 기술별 선행 연구들의 리뷰를 통해 에너지 절감률을 검토하였다. 두 번째 단계로 각 기술 적용시 에너지 절감률을 Breakdown하여 세부적으로 기술별 에너지 절감 원리를 평가하였다.

제안 방법

Table 1에서는 본 연구에서 선정한 건축 부문(Passive Control) 기술인 Wall and Roof Insulating Method, Window and Glazing System, Solar and Daylighting Control 기술의 연구를 평가했으며, Table 2는 설비 부문(Active Control)의 주요 Air-Side 기술인 DOAS(Dedicated Outdoor Air System), Active Chilled Beam System, UFAD(Under Floor Air Distribution)의 기술별로 비슷한 기후의 전형적인 에너지 절감률을 보이는 선행 연구들을 평가하였다.
본 연구에서는 첫 번째 단계로 선행연구[1]에서와 같이 건축 부문(Passive Control)과 설비 부문(Active Control)에서의 대표적인 6가지 신기술을 선정하고, 각 기술별 선행 연구들의 리뷰를 통해 에너지 절감률을 검토하였다. 두 번째 단계로 각 기술 적용시 에너지 절감률을 Breakdown하여 세부적으로 기술별 에너지 절감 원리를 평가하였다. 본 연구 흐름도는 Fig.
따라서 선행 연구에서의 연구 방법, 기술 적용 건물의 용도와 면적, 기후, 지역, 기술 적용 시 분석된 에너지 절감률을 평가했으며 각 기술별로 에너지 절감률의 평균값들을 분석하였다.
또한 각 건축물의 연간에너지소비량을 파악하고 이를 ASHRAE 90.1의 연간 에너지 소비량 기준치(146.6kWh/m²a) 와 비교하여 에너지 성능 수준을 분석하였다.
국외의 경우 Edwin Rodriguez-Ubinas 외 연구[3]에서는 패시브 하우스 건축물의 기술전략 및 에너지 성능을 분석하였다. 분석한 기술전략에는 건물외피의 열적 성능, 빙축열, 증발 냉각, 야간 환기 전략 등이 있으며 이러한 기술들이 패시브 하우스의 쾌적 및 에너지 성능 절감에 미치는 영향을 살펴보았다.

성능/효과

(1) 건축 부문(Passive Control)의 Wall and Roof Insulating Method, Window and Glazing System, Solar and Daylighting Control의 기술 적용 시 에너지 절감률은 각각 21%,11%, 13%로 평가되었고 이들의 평균값은 약 15%이다.
(2) 설비 부문(Active Control)의 DOAS, Active Chilled Beam System, UFAD의 기술 적용 시 각각 23%, 25%, 31%의 에너지 절감률을 나타냈으며 이들의 평균값은 약 26%이다.
(3) 건축 부문(Passive Control)에서 평균 21% 에너지 절감률로 평가된 Wall and Roof Insulating Method는 최소 5%부터 최대 30%까지의 에너지 절감률 분포를 보이는 것으로 평가되었다. 세부적으로 난방에너지는 약 18%의 절감효과를 나타내며, 냉방에너지 절감효과는 약 3%이다.
(4) 평균 11% 에너지 절감률로 평가된 Window and Glazing System은 최소 5%부터 최대 17%의 에너지 절감률 분포를 보인다. 외부 기후에 따른 적합한 성능(U-Value, SHGC, VLT)의 창호는 난방에너지에서 약 5%의 절감효과가 있으며, 냉방에너지 절감효과는 약 23%이다.
(5) 평균 13% 에너지 절감률로 분석된 Solar and Daylighting Control은 최소 7%에서 최대 16%의 에너지 절감률 분포를 보이는 것으로 평가되었다. 이는 Dimming 제어 등 주광을 적절히 활용하여 인공조명을 자동적으로 점등을 제어하여 조명에너지가 절감되는 것으로 판단된다.
(6) 설비 부문(Active Control)에서 평균 23% 에너지 절감률로 평가된 DOAS는 최소 14%부터 최대 33%까지의 에너지 절감률 분포를 보인다. DOAS 적용 시 난방에너지 절감효과는 약 8~12%, 냉방에너지는 약 15~20%, 팬 에너지의 절감효과는 약 20%이다.
(7) 평균 25% 에너지 절감률로 분석된 Active Chilled Beam 은 최소 15%부터 최대 33%까지의 에너지 절감률 분포를 보인다. 난방에너지 절감효과는 약 8~12%, 냉방에너지는 약 15~20%, 팬 에너지의 절감효과는 약 20~30%이다.
도입 외기의 3~4배 가량이 실내 공기로 유인되어 냉각되기 때문에 공조기 측에서는 환기에 필요한 최소 외기 풍량으로도 냉방이 가능하며, 줄어든 풍량 만큼 코일에서 처리해야 하는 현열부하도 함께 감소한다. (8) 평균 31% 에너지 절감률로 분석된 UFAD는 최소 11%부터 최대 37%까지의 에너지 절감률 분포를 보인다. 난방에너지 절감효과는 약 30~35%, 냉방에너지는 약 30~35%, 팬 에너지의 절감효과는 약 30%이다.
(9) Passive 요소 기술 적용 시의 에너지 절감률 보다는 주요 Air–side Active 요소 기술 적용 시 절감률이 약 11%정도 높았다.
(6) 설비 부문(Active Control)에서 평균 23% 에너지 절감률로 평가된 DOAS는 최소 14%부터 최대 33%까지의 에너지 절감률 분포를 보인다. DOAS 적용 시 난방에너지 절감효과는 약 8~12%, 냉방에너지는 약 15~20%, 팬 에너지의 절감효과는 약 20%이다. 이는 DOAS 유닛안의 현열‧전열 교환기 사용으로 냉각/제습부 하를 줄여주며, 잠열부하를 제거하기 위한 필요 환기량 만큼 외기를 실내로 공급하여 소량의 외기를 도입하기 때문이다.
Solar and Daylighting Controls과 관련된 연구들을 검토했을 때 Dimming Control 기술 등 건축물에 주광을 효과적으로 활용한 결과 평균 약 13%의 에너지가 절감되는 것으로 분석되었다.
UFAD의 에너지 절감률은 평균(Avg.) 31%, 표준편차(S.D) ±3.5%, 최대‧최솟값(Max.,Min.) 은 각각 11%, 37%의 분포를 보였다.
Table 1에서의 기술별 평균 에너지 절감률은 다음과 같다. Wall and Roof Insulating Methods의 선행 연구들에서 벽체의 적절한 외단열과 최상층 지붕 등의 단열 성능 개선은 평균 약 21%의 에너지 절감률을 나타내는 것으로 분석되었다.
또한 바닥공조시스템(UFAD)과 관련된 선행 연구들을 검토했을때 UFAD 적용 시 일반 천장공조시스템(CBAD) 대비 평균 약 31%의 에너지가 절감되는 것으로 분석되었다.
설비 부문에서 DOAS와 Active Chilled Beam 연구들에서의 평균(Avg.)에너지 절감률은 각각 23%, 25%로 비슷했으며 표준편차(S.D) 또한 ±6%, ±5%의 분포를 보여 평균과의 편차 또한 비슷한 것으로 분석되었다.
Table 2에서의 기술별 평균 에너지 절감률은 다음과 같다. 외기전담 공조시스템(DOAS) 관련된 선행 연구들에서 DOAS를 적용했을 때 Standard VAV System 대비 평균 약 23% 에너지 절감 효과가 있는 것으로 분석되었다.
(4) 평균 11% 에너지 절감률로 평가된 Window and Glazing System은 최소 5%부터 최대 17%의 에너지 절감률 분포를 보인다. 외부 기후에 따른 적합한 성능(U-Value, SHGC, VLT)의 창호는 난방에너지에서 약 5%의 절감효과가 있으며, 냉방에너지 절감효과는 약 23%이다. 여름철 태양열 차단으로 실내 온도 상승을 억제하여 냉방에너지 절감시키고, 겨울철 야간 실내에서 손실되는 열량을 감소시켜 난방에너지를 절감시킨다.
또한 UFAD를 적용시켜 실측과 시뮬레이션을 비교한 연구 [39], [40]에서의 에너지 절감률은 각각 CBAD 대비 20~35%, 22~37%까지 나타난 것으로 평가되었다. 종합하면, 건축적 요소기술 적용 시 약 15%, 설비적 요소기술 적용시 약 26%의 에너지가 절감되는 것으로 평가되었다.
즉, 건축 부문에서 에너지 절감률이 21%로 가장 컸던 Wall and Roof Insulating Method의 에너지 절감률 표준 편차(S.D)는 ±8%, 최대‧최솟값(Max., Min.)은 각각 5%, 30%의 분포를 보여 평균과의 편차가 가장 컸다.
평균 13%의 에너지 절감률로 분석된 Solar and Daylighting Control은 표준편차(S.D) ±2%, 최대‧최솟값(Max., Min.)은 각각 7%, 16%의 분포를 보여 평균과의 편차가 제일 적었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	건축물에서 소비되는 에너지가 국가에서 소비되는 에너지에서 차지하는 비중은?	지구온난화와 고유가로 인해 전 세계적인 건축물의 화두는 탄소중립과 저에너지 건축분야로 관심이 집중되고 있다. 건축물에서 소비되는 에너지는 한 국가에서 소비되는 에너지 총량의 약 25~40%를 차지하여 국가 경제와 지구온난화에 큰 영향을 미친다. 특히, 최근 건물 수의 증가 및 생활수준의 향상과 더불어 쾌적에 대한 요구가 높아짐에 따라 냉난방에 대한 수요가 급증하고 있으며 이에 따른 지속적인 건물 에너지 소비 증가가 예상되는 상황이다.
	우리나라의 저탄소 녹색성장 선언 후 실례로 무엇이 제시되고 있나?	이에 따라 우리나라는 ‘저탄소 녹색성장’을 선언하고 건물에 너지 효율화 정책을 수립하기 위한 노력을 지속적으로 하고 있다. 실례로 건물에서 사용되는 에너지를 줄이기 위해 ‘건물에너지 효율등급’과 ‘건축물 에너지 절약 설계 기준’ 등 여러 가지 로드맵을 제시하고 있는 상황이다.
	High-Performance Building이란?	이를 위해 여러 제도적 장치를 기반으로 한 High-Performance Building의 구현과 에너지 절약적 신기술의 검토 및 적용이 무엇보다 중요한 상황이다. 미국 NIBS(National Institute of building Sciences)의 The Energy Policy Act of 2005[41]에서는 ‘고성능 요소기술, 에너지 효율성, Durability, Life-cycle, 쾌적과 관련된 재실자의 생산성 등을 통합, 최적화하는 건물’을 High-Performance Building 이라 정의하고 있다. 현재 미국이나 유럽 등의 국외에서는 건물에너지 효율화를 위한 고성능 요소기술의 개발이 급속도로 이루어지고 있으며 그 양도 지속적으로 증가하고 있는 상황이다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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