[논문]건물 부하계산 프로그램을 이용한 외단열 시공의 에너지 절감 효과 분석

박재중; 명제민; 송두삼

doi:10.6110/kjacr.2017.29.3.097

건물 부하계산 프로그램을 이용한 외단열 시공의 에너지 절감 효과 분석
Analysis of the Energy Saving Effect for the External Insulation Construction by Building Load Calculation Method 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.29 no.3, 2017년, pp.97 - 104

박재중 (성균관대학교 글로벌건설엔지니어링학과) , 명제민 (성균관대학교 건설환경시스템공학과) , 송두삼 (성균관대학교 건축토목공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Reinforcement of insulation in apartment buildings reduces the heating and cooling energy consumption by lowering the heat transfer in the building envelope. There are differences between internal and external insulation methods in heat transmission properties. However, some building load calculation programs cannot analysis the differences between the two. This is because these programs do no account for the timelag or thermal storage effect of the wall according to the location of insulation. In this study, the heat transmission characteristics of internal and external insulation were analyzed by EnergyPlus, and heating and cooling energy demand was compared. The results showed that external insulation system had lower heating and cooling loads than internal insulation system. Also the heat transfer rate of external insulation is steadier than internal insulation. About 13.6% of heating and cooling energy demand decreased when the outdoor wall was finished with external insulation compared to the demand with internal insulation.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 논문에서는 기존 범용적으로 사용되는 냉난방부하 계산프로그램인 RTS⁽⁸⁾와 EnergyPlus⁽⁹⁾에 대해외단열 공법의 축열성능과 열류 시간지연(Time-lag) 효과를 적절하게 표현하고 있는지를 확인하고자 한다. 아울러 공동주택에 외단열 시공 시 냉난방부하 및 에너지 절감효과를 분석하고자 한다.
본 논문에서는 외단열의 벽체 열류 특성을 국내에서 냉/난방 부하계산에 범용적으로 사용하고 있는 RTSSAREK과 EnergyPlus를 통해 검토하였으며 외단열의 내단열 대비 에너지 절감효과를 분석하였다. 그 결과는 다음과 같다.
본 논문에서는 위 4가지 해석 방법 중에서 벽체 내 열유동에 집중하여 CTF와 ConFD Algorithm의 차이를 검토하고자 한다.
본 연구의 목적은 내단열과 외단열 시공의 열적 특성의 차이를 분석하기 위한 것으로 시뮬레이션 조건은 Table 2와 같다. 분석을 위한 기상데이터는 EnergyPlus에서 제공하는 인천 데이터를 사용하였다.
본 절에서는 EnergyPlus를 이용하여 내단열과 외단열로 마감된 공동주택의 열환경, 냉난방부하, 에너지 소비량을 분석하고자 한다. 시뮬레이션 대상건물은 Fig.
에 대해외단열 공법의 축열성능과 열류 시간지연(Time-lag) 효과를 적절하게 표현하고 있는지를 확인하고자 한다. 아울러 공동주택에 외단열 시공 시 냉난방부하 및 에너지 절감효과를 분석하고자 한다.
CTF Algorithm은 벽체 내외부 표면온도와 CTF 계수를 사용하여 Time-serise에 따른 열유동의 변화를 계산한다. 즉 각 부재에 대한 특성값을 계수로 산정하여, 이부재의 시간의 흐름에 따른 내외부 공간의 영향을 고려한 표면온도 변화를 시간 순으로 계산해 나가는 것이다. CTF의 기본식은 식(2)와 같다.

제안 방법

CTF와 ConFD가 시간별 변화(Time-series)의 개념을 사용하여 내외부 열유동을 계산해 나가는 것은 동일하지만 CTF는 각 부재의 특성을 상수로 확정하여 계산을 수행하고 ConFD는 각 부재의 열특성 변화 또한 시간변화에 따라 재설정하여 계산하는 것에 차이가 있다. CTF와 ConFD의 벽체 열유동 해석의 차이를 분석하기 위해 단위공간에 대한 분석을 실시하였다. 시뮬레이션 분석조건은 Table 1, Fig.
9와 같이 기준층 한 세대에 대한 결과값을 추출하여 비교, 분석하였다. 결과는 연간/월간에 대한 부하총량을 비교하여 직관적으로 외단열의 효과를 확인할 수 있도록 하였으며 최대 냉/난방부하일자에 대해서는 시간별 변화를 분석하였다. 그리고 일부 벽체(남측벽)에 대하여 벽체의 열유동 흐름에 대해 산출함으로서 내/외단열의 열유동 특성을 상세히 분석하였다.
결과는 연간/월간에 대한 부하총량을 비교하여 직관적으로 외단열의 효과를 확인할 수 있도록 하였으며 최대 냉/난방부하일자에 대해서는 시간별 변화를 분석하였다. 그리고 일부 벽체(남측벽)에 대하여 벽체의 열유동 흐름에 대해 산출함으로서 내/외단열의 열유동 특성을 상세히 분석하였다.
분석을 위한 기상데이터는 EnergyPlus에서 제공하는 인천 데이터를 사용하였다. 실내 냉방, 난방 설정온도는 각각 24℃, 20℃로 하였다. 이것은 내단열과 외단열 시공에 따른 냉방과 난방부하 특성을 비교하기 위한 목적으로 설정온도에 따른 쾌적성이나 에너지 절감효과를 염두한 것은 아니다.
이것은 내단열과 외단열 시공에 따른 냉방과 난방부하 특성을 비교하기 위한 목적으로 설정온도에 따른 쾌적성이나 에너지 절감효과를 염두한 것은 아니다. 재실, 장비, 냉난방 스케줄은 Table 3과 같이 DOE 데이터⁽¹¹⁾를 바탕으로 설정하여 주거건물의 사용패턴과 유사하도록 설정하였다.
3과 같다. 태양에 의한 전일사량을 계산하고 이것을 직달과 확산일사로 구분하여 벽체 표면에 대한 총 일사량을 산출한다. 이 산출값에 외기온도로 상당외기온도(sol-air temp.

대상 데이터

본 연구의 목적은 내단열과 외단열 시공의 열적 특성의 차이를 분석하기 위한 것으로 시뮬레이션 조건은 Table 2와 같다. 분석을 위한 기상데이터는 EnergyPlus에서 제공하는 인천 데이터를 사용하였다. 실내 냉방, 난방 설정온도는 각각 24℃, 20℃로 하였다.
본 절에서는 EnergyPlus를 이용하여 내단열과 외단열로 마감된 공동주택의 열환경, 냉난방부하, 에너지 소비량을 분석하고자 한다. 시뮬레이션 대상건물은 Fig. 8과 같은 타워형 공동주택으로 층고 2.9 m, 각 세대의 면적은 130 m² 이며 1~2층 3개 세대, 3~20층 4개 세대의 총78세대로 이루어져 있다. 건물의 주방향은 남동향이다.

데이터처리

시뮬레이션 결과 비교를 보다 명확히 하기 위해 시뮬레이션은 전체 세대에 대해 실시하였으나, 결과의 분석은 Fig. 9와 같이 기준층 한 세대에 대한 결과값을 추출하여 비교, 분석하였다. 결과는 연간/월간에 대한 부하총량을 비교하여 직관적으로 외단열의 효과를 확인할 수 있도록 하였으며 최대 냉/난방부하일자에 대해서는 시간별 변화를 분석하였다.

성능/효과

(1) RTS-SAREK은 벽체 열류의 차이를 열관류율만을 적용하여 표현하는 한계점으로 내단열과 외단열 시공에 따른 벽체의 축열, 열류 시간지연 효과 등을 표현하지 못하는 것으로 나타났다.
(2) EnergyPlus는 벽체의 열류해석을 위한 다양한 해석알고리즘을 가지고 있으며, 벽체 내 열류의 시간지연효과를 직접적 계산함으로써 외단열의 열류특성을 효과적으로 표현할 수 있는 것으로 나타났다.
(3) EnergyPlus를 이용한 내단열, 외단열 시공에 따른 벽체 내 열류특성을 분석한 결과, 내단열은 외부온도의 변화에 따른 벽체 내 열류변화가 현저한 반면 외단열은 외부온도 변화에도 일정한 열류를 나타냈다.
(4) 냉난방부하 측면에서도 외단열은 내단열 시공과 비교하여 연간에 걸쳐 약 4.3%의 낮은 부하량을 나타냈다.
(5) 연간 냉난방에너지 소비량도 외단열 시공이 내단열 시공에 비해 약 13.6% 정도 절감되는 결과를 보였다.
결과적으로 외단열 시공 시 내단열 시공에 비해 연간 냉/난방부하는 4.3%를 절감되었지만 에너지 소비량은 약 13.6%의 절감효과를 나타냈다.
6에 나타내고 있다. 그 결과를 보면 ConFD가 CTF 대비 열류특성에서 다소 시간지연을 나타내고 있는 것을 알 수 있다. 즉 ConFD는 시간변화에 따른 변수를 변경 계산하여 CTF 대비 시간에 따른 열류가 지연되어 나타났다.
14는 월별 냉난방에너지 소요량이다. 냉방기의 기기효율이 난방기에 비해 약 4배 정도 높아 부하에 비교하여 외단열의 에너지 절감량은 더욱 증가하는 결과를 나타냈다. 즉 난방부하 절감효과가 큰 외단열이 연간 에너지 소비량 측면에서 보면 그 절감효과 크게 나타나게 된다.
양자 간의 열류의 전체 총 변화량은 큰 차이를 보이지 않았다. 따라서 장기간(Monthly or Annually) 계산결과에는 큰 차이를 보이지 않지만 단기간(Hourly or Daily)의 계산결과에는 ConFD가 CTF보다 더 민감한 결과를 도출할 수 있을 것이라 판단된다. 그러나 각 알고리즘 별 계산시간(cpu time)은 ConFD가 CTF 대비 평균 10배 정도의 계산시간이 소요되기 때문에 자세한 분석이 필요하지 않고 부재가 내의 변화가 급격하게 일어나지 않는다면 CTF Algorithm을 사용하여도 무방할 것으로 판단된다.
ConFD Algorithm은 CTF를 기반으로 각 부재를 차분하여 각 부재부분의 전도율의 변화를 시간별(Time serise)로 갱신하여 계산한다. 또한 차분, 즉 각 부재를 분절하여 분절된 각 부분을 Node로 인식, 각 부재 내부에서의 전도율의 변화를 반영하기 때문에 CTF보다 상변화 부재 또는 전도율이 실시간으로 변화하는 부재의 열유동을 해석하는데 적합한 Algorithm이라 할 수 있다. ConFD의 기본식은 식(3)과 같다.
5는 벽체의 열유동 해석 알고리즘으로 ConFD와 CTF를 적용한 결과이다. 외기온도 변화에 따른 실내온도는 CTF 대비 ConFD가 다소 높게 산출되는 결과를 보였으며 ConFD와 CTF의 온도편차는 평균 약 0.2℃ 정도이었다. 벽체(남측)의 시간별 평균 전도 열유동량을 Fig.

후속연구

(6) 본 연구는 공동주택에서 내단열 시공과 외단열 시공에 따른 열류, 부하, 에너지 소요량을 상대적으로 비교한 것으로 추후 연구로는 실제 공동주택의 에너지 소비량을 조사하여 보다 객관적으로 외단열 시공의 에너지 절감효과를 분석하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열관류율이란?	하지만 현재 범용적으로 사용되는 건물 냉난방부하 해석 툴 중에는 벽체의 열유동를 단순히 열관류율만을 반영하여 해석을 하고 있어 내/외단열 시의 열유동 차이를 제대로 반영하지 못하는 경우도 있다. 열관류율(W/m2․℃)은 벽이나 창 구조체 내의 여러 재료들의 열전달인 전도, 대류, 복사의 요인들을 하나의 값으로 나타낸 것으로서 표면적이 1 m2인 구조체를 사이 에 두고 온도차가 1℃일 때 구조체를 통한 열유동량을 말한다. 이 열관류율만을 반영하여 건물부하를 산출할 경우, 외단열과 내단열의 위치에 따른 축열성능, 열류의시간차이 등을 표현하지 못한다.
	시간지연측면에서 EnergyPlus와 RTS-SAREK의 차이점은?	EnergyPlus가 Decay curve를 이용하여 복사의 시간지연을 표현한다는 것은 RTS와 유사하지만 각 부재에 대해 직접 계산을 통해 지연 계수를 산출함으로써 RTS보다 더욱 정확한 시간지연을 표현할 수 있다.
	제1차 녹색건축물 기본계획의 목표는?	최근 건축물의 에너지 사용량의 절감과 실내 재실자의 쾌적성에 대한 관심이 높아지면서 건물의 기밀성과 단열성능이 강화되고 있다. 정부는 건물에너지 절감을 위해 “제1차 녹색건축물 기본계획”을 작성하고 이를 통해 건물에너지 성능을 강화하여 2017년까지 신축건물의 에너지 소비량을 기존건물 대비 주거용은 60%, 비주거용은 30% 절감을 목표로 하고 있다. 아울러 2025년까지 모든 신축건물에 대하여 제로에너지 의무화를 목표하고 있다.

참고문헌 (18)

MOLIT, 1st basic planning of green building.
iPHA, http://www.passivehouse-international.org.
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I-SH, Study of a apartment house application of thermal insulation and performance assessment.
Kolaitis, D., 2013, Comparative assessment of initial and external thermal insulation systems for energy efficient retrofitting of residential buildings, Energy and buildings, Vol. 64, pp. 123-131.

상세보기
Ki, H. Y., 2013, An analysis on the effects of applying interior insulation and external insulation in buildings.
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Cui, J. L., 2014, A Preliminary Study to Develop the Construction Method for Working Exterior Simultaneously with Vertical Structural work, Journal of KIC, Vol. 14, No. 2, pp. 73-74.

저자의 다른 논문 :

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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