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가설 설정
- 국⋅내외 신뢰성이 확보된 기준이 없는 주거용 건물의 재실 밀도 및 스케줄은 국내 선행 연구 및 법 기준을 참조하여 입력하였다. 환기 및 조명 발열은 재실스케줄과 동일하게 입력하였으며, 침기와 기기발열은 시간대별로 변동 없이 일정한 것으로 가정하였으며, EnergyPlus에서 따르는 ASHRAE Standard 140-2007의 기준으로 입력하였다. 단열재와 각재가 혼합된 목구조 건물의 정확한 열전도율을 입력하기 위해 상당열관류율 계산 프로그램을 활용하여 해당층의 열전도율을 계산하였다.
제안 방법
- 시뮬레이션 결과값의 비교를 위해, 적용 부위별로 16 Case를 선정하였으며, Table 5에 나타내었다. 구조재, 실내마감재, 실외마감재, 및 창호를 목질제품과 비목질제품으로 적용하였을 때의 연간 에너지 요구량에 대한 분석을 실시하였으며, 이때 목구조의 벽체 구성은 일반적으로 많이 사용되는 목구조 벽체로 구성하였다. 자세한 벽체 구성 및 물성값은 Table 4에 제시하였다.
- 남부지방의 경우에도 중부지방과 동일하게 ‘친환경 주택의 건설기준 및 성능’의 평가기준 주택의 부위별 열관류율을 적용한 비목질 구조재(콘크리트)+비목질 마감재인 기준 모델(Case 1)에 목재의 적용범위를 실내마감재, 실외마감재, 창호, 목구조로 단계적으로 변경해 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과는 다음 Table 5, Fig.
- 또한, 타 재료와 비교하여 화석연료 저감과 대기 중 온실 가스 안정화에 기여할 수 있다. 따라서 건축물의 에너지 절약 성능을 살펴보기 위하여 건축물 에너지 시뮬레이션 프로그램인 EnergyPlus를 이용하여 목질 건축자재를 건물의 내장재, 외장재, 창호, 현관문, 구조재에 적용하였을 때의 에너지 절감성능을 분석하였다.
- 목재를 건물 부위별로 적용 시 절감되는 에너지절감량을 비교하기 위해 비목질 구조재(콘크리트) + 비목질 마감재가 적용된 기준 모델(Case 1)에 실내마감재, 실외마감재, 창호, 구조재를 목재의 적용 범위별로 변경해 시뮬레이션을 수행하였다. 총 16 Case에 대해 시뮬레이션을 수행했으며, 그 결과는 다음 Table 5, Fig.
- 목질기반 고단열 실내마감재의 실내 적용 시 에너지 절감 효과의 비교를 위해 목재 마감재의 사용이 많은 주거용 건물(단독주택)을 대상으로 건물 에너지 동적 해석 시뮬레이션을 수행해, 마감재의 종류에 따른 냉⋅난방 및 총에너지 요구량을 분석하였다. 시뮬레이션 도구는 미국 에너지부(Department of Energy)가 BLAST와 DOE-2의 장점을 결합해 만든 동적 에너지 해석 엔진인 EnergyPlus를 이용하였다.
- 현재 국내의 경우 건물 에너지 시뮬레이션을 위한 표준 건물에 대한 기준이 없어, 국내 주거문화의 변화를 반영해 다양한 단독주택의 설계도를 지속적으로 갱신하고 있는 농어촌주택 표준설계도서의 유형 중 하나를 선정하여 에너지 시뮬레이션을 수행하였다. 해석 대상 모델은 한국농어촌공사에서 제시한 2012년 농⋅어촌주택 표준설계도면 중 ‘농림-12-26-가’ 유형을 이용하였으며 총 10개의 실로 구성된 84.
대상 데이터
- 에너지절약 정책에 따라, 건물에너지 절감에 기여하기 위한 다양한 연구가 수행되고 있다. 본 논문에서는 건축물 에너지 절감에 효과적으로 기여하는 재료 중 하나인 목재를 이용하였다. 목재는 인류 역사와 함께 사용되어 왔으며 인간생활을 위한 필수적인 건축재료로써 초고층 건물의 건축이 가능한 현대까지 폭넓고 다양한 구조재 및 실내⋅외 마감재로 사용되고 있다(Chang,2003).
- 시뮬레이션을 위한 기상데이터는 EnergyPlus에서 제공하는 IWEC 인천 지역과 광주 지역의 epw 형식 기상데이터를 이용하였으며 각 데이터의 기온, 노점 온도, 직달 일사량의 월 평균값을 Fig. 2와 3에 나타내었다.
- 현재 국내의 경우 건물 에너지 시뮬레이션을 위한 표준 건물에 대한 기준이 없어, 국내 주거문화의 변화를 반영해 다양한 단독주택의 설계도를 지속적으로 갱신하고 있는 농어촌주택 표준설계도서의 유형 중 하나를 선정하여 에너지 시뮬레이션을 수행하였다. 해석 대상 모델은 한국농어촌공사에서 제시한 2012년 농⋅어촌주택 표준설계도면 중 ‘농림-12-26-가’ 유형을 이용하였으며 총 10개의 실로 구성된 84.64m2 (25평형)인 단층 주택으로 실 구성 및 면적은 Table 3과 같다. Fig.
데이터처리
- 환기 및 조명 발열은 재실스케줄과 동일하게 입력하였으며, 침기와 기기발열은 시간대별로 변동 없이 일정한 것으로 가정하였으며, EnergyPlus에서 따르는 ASHRAE Standard 140-2007의 기준으로 입력하였다. 단열재와 각재가 혼합된 목구조 건물의 정확한 열전도율을 입력하기 위해 상당열관류율 계산 프로그램을 활용하여 해당층의 열전도율을 계산하였다. 벽체 전체의 상당열관류율을 계산한 후 역산하여 단열재+각재 혼합층의 열전도율을 계산하여 시뮬레이션 프로그램에 입력하였다.
이론/모형
- ‘Ideal Load Air System’은 존에서 요구된 냉⋅난방 부하가 무한 용량의 가상 공조 시스템(시스템 효율 100%)에 의해 처리되는 것으로 가정하며, 지정된 공급 공기와 혼합(환기 + 외기)공기의 엔탈피 차에 의해서만 부하 계산을 수행한다. 대상 건물의 설정 온⋅습도는 에너지절약설계기준에 따라 설정하였으며, 내부 열취득은 ASHRAE Handbook Fundamentals (2009)의 기준을 참조하였다. 국⋅내외 신뢰성이 확보된 기준이 없는 주거용 건물의 재실 밀도 및 스케줄은 국내 선행 연구 및 법 기준을 참조하여 입력하였다.
- 목질기반 고단열 실내마감재의 실내 적용 시 에너지 절감 효과의 비교를 위해 목재 마감재의 사용이 많은 주거용 건물(단독주택)을 대상으로 건물 에너지 동적 해석 시뮬레이션을 수행해, 마감재의 종류에 따른 냉⋅난방 및 총에너지 요구량을 분석하였다. 시뮬레이션 도구는 미국 에너지부(Department of Energy)가 BLAST와 DOE-2의 장점을 결합해 만든 동적 에너지 해석 엔진인 EnergyPlus를 이용하였다. EnergyPlus는 다양한 건물 및 HVAC 시스템 구성 요소(Object)에 대한 입력항목(Field)을 가지고 있으며, 특히 건물, 공조시스템, 열원기기 사이의 피드백을 통해 통합된 동시계산을 수행하며, ASHRAE Standard 140-2007 표준에 따라 상용 프로그램 간의 비교를 통해 검증된 프로그램이다.
성능/효과
- 7%의 냉난방에너지 요구량의 절감을 확인할 수 있었으며 더불어 목구조를 사용함에 따라 벽체두께의 감소 또한 확인할 수 있었다. 건축물 에너지사용량에 큰 비중을 차지하는 난방에너지 사용량의 절감은 건축물 에너지 절감에 큰 기여를 할 것으로 판단되며, 궁극적으로 건물 에너지 사용량에서 큰 절감효과를 기대할 수 있을 것이다. 또한, 목재를 이용한 에너지 절감 방안에 대한 연구가 더욱 더 활발히 이루어져야 할 것으로 판단된다.
- 6과 같다. 남부지방의 경우도 중부지방과 유사하게, 콘크리트 구조에 실내 목재 마감재를 적용 시에는 1.5% 난방에너지가 절감되었으며, 실외 마감재를 적용 시에는 4.7%, 내⋅외부 동시적용 시에는 6.0%의 난방에너지가 절감되는 것으로 나타났다. 목재 창호의 적용 시에는 9.
- 3% 난방에너지가 절감되었다. 남부지방의 경우도 중부지방과 유사하게, 콘크리트 구조에 실내 목재 마감재를 적용 시에는 1.5% 난방에너지가 절감되었으며, 실외마감재 적용 시에는 4.7%, 내⋅외부 동시 적용 시에는 6.0%의 난방에너지가 절감되는 것으로 나타났다. 목재 창호의 적용 시에는 9.
- 7%의 난방에너지가 절감되었으며 벽체의 두께 또한 콘크리트 구조에 비해 얇아질 수 있었다. 목구조에 실내 마감재까지 적용 시에는 15.4%, 외부 마감재까지 적용했을 시에는 16.6%의 난방에너지가 절감되었다. 실내⋅외 마감재, 창호, 구조재를 전부 교체했을 경우에는 26.
- 5%의 난방에너지가 절감되는 것으로 나타났다. 목재 창호 적용 시에는 9.0% 난방에너지 절감이 가능했으며, 실내 마감재와 창호를 같이 적용할 경우 10.2% 에너지가 절감되었고, 외부마감재와 창호를 같이 적용한 경우에는 12.3% 난방에너지가 절감되었다. 목구조를 적용했을 경우 14.
- 5%의 난방에너지가 절감되는 것으로 나타났다. 목재 창호 적용 시에는 9.0% 난방에너지 절감이 가능했으며, 실내 마감재와 창호를 같이 적용할 경우 10.2% 에너지가 절감되었고, 외부마감재와 창호를 같이 적용한 경우에는 12.3% 난방에너지가 절감되었다. 목구조를 적용했을 경우 14.
- 0%의 난방에너지가 절감되는 것으로 나타났다. 목재 창호의 적용 시에는 9.1%의 난방에너지 절감이 가능했으며, 실내 마감재와 창호를 같이 적용 할 경우에는 약 10.6% 에너지가 절감되었고, 외부마감재와 창호를 같이 적용한 경우에는 13.7% 난방에너지가 절감되었다. 목구조를 적용했을 경우 13.
- 0%의 난방에너지가 절감되는 것으로 나타났다. 목재 창호의 적용 시에는 9.1%의 난방에너지 절감이 가능했으며, 실내 마감재와 창호를 같이 적용 할 경우에는 약 10.6% 에너지가 절감되었고, 외부마감재와 창호를 같이 적용한 경우에는 13.7% 난방에너지가 절감되었다. 목구조를 적용했을 경우 13.
- 시뮬레이션 모델의 중부지방과 남부지방별 목재의 적용 범위를 실내마감재, 실외마감재, 창호, 목구조로 단계적으로 변경해 지역에 따라 각각 16 Case의 시뮬레이션을 수행한 결과 실내외의 마감재로 목재를 사용한 것만으로도 에너지 성능이 향상된 것을 확인할 수 있었다. 중부지방의 경우, 콘크리트 구조에 실내 목재 마감재를 적용 시에는 1.
- 8%의 난방 에너지 절감이 가능했으며, 냉방에너지는 다소 상승하는 것으로 분석되었다. 총 에너지 요구량은 냉방 에너지 요구량 증가폭에 비해 난방 에너지 요구량의 감소폭이 커 13.7% 정도 감소하는 것으로 나타났다.
- 3%의 난방 에너지 절감이 가능했으나, 냉방에너지는 다소 상승하는 것으로 분석되었다. 총 에너지 요구량은 냉방 에너지 요구량 증가폭에 비해 난방 에너지 요구량의 감소폭이 커 16.8% 감소하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 건축물 에너지사용량에 큰 비중을 차지하는 난방에너지 사용량의 절감은 건축물 에너지 절감에 큰 기여를 할 것으로 판단되며, 궁극적으로 건물 에너지 사용량에서 큰 절감효과를 기대할 수 있을 것이다. 또한, 목재를 이용한 에너지 절감 방안에 대한 연구가 더욱 더 활발히 이루어져야 할 것으로 판단된다.
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