[논문]공공청사 리트로핏 설계 시 외부 수평 차양 장치에 따른 에너지 소비량 절감 방안

어진선; 장지훈; 이승복; 김병선

doi:10.12813/kieae.2017.17.2.029

공공청사 리트로핏 설계 시 외부 수평 차양 장치에 따른 에너지 소비량 절감 방안
The Reduction of Energy Consumption by the Exterior Horizontal Shading Device during Design for the Retrofit of Public Buildings 원문보기

KIEAE journal = 한국생태환경건축학회논문집, v.17 no.2, 2017년, pp.29 - 34

어진선 (Dept. of Architectural Engineering, Yonesi Univ.) , 장지훈 (Dept. of Architectural Engineering, Yonsei Univ.) , 이승복 (Dept. of Architectural Engineering, Yonsei Univ.) , 김병선 (Dept. of Architectural Engineering, Yonsei Univ.)

Abstract ▼ AI-Helper

Purpose: Recently, significant heat loss through the window takes place in buildings. Nevertheless, there exists little literature concerning the exterior horizontal shading devices and the design criteria are not clearly settled yet. Applying the exterior horizontal shading devices is more efficient as compared to the interior shading devices in that solar radiation can be directly blocked before passing through the window or the envelope. The purpose of this study is to reduce the internal load by designing the exterior horizontal shading devices and verify the degree of reduction in energy consumption. Method: This study aims to reduce energy consumption in cooling and heating through proposing proper length and shape of the exterior horizontal shading devices in public buildings. In the process, actual energy data and the Design Builder simulation program are utilized. In addition, economic aspect is considered to figure out the optimal length of the exterior horizontal shading devices that maximizes efficiency. Result: As a result, the proper length and shape of the exterior horizontal shading devices are provided as follows: 1) Energy consumption in cooling and heating is minimized when the exterior horizontal shading devices are designed as 0.5m*2. 2) Electricity bill is the lowest when the exterior horizontal shading devices are designed as 3.3m*2. The gap between maximum and minimum electricity bill is about 7.8~14%.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

4) 건물의 냉난방 에너지 소비량을 분석하고 외부 수평 차양 장치의 적정길이와 형태를 도출하고자 하였다.
우선 리트로핏 설계 계획 시 에너지를 절감할 수 있는 부분은 여러 요소들이 있다. 단열재의 종류와 두께, 창호의 성능, 차양 장치의 설계, 내부 조명설계 등 고려해야 되는 여러 가지 사항들 중 리트로핏을 할 수 있는 한정되어있는 경제적인 부분과 그것을 활용하여 최대한의 리트로핏 효과를 볼 수 있는 방안에 대해 연구하였다.
따라서 본 연구에서는 건물에서 사용하는 냉난방 에너지 소비량 절감을 위한 외부 차양 장치의 적정길이를 도출하고 형태에 대한 연구를 통해 건물에서 사용하는 에너지 소비량을 분석하여 이를 바탕으로 효율적이고 경제적인 에너지 소비가 이루어 질 수 있도록 하고자 한다.
따라서 본 연구에서는 리트로핏을 할 때 다른 요소들을 제외하고 건물의 외벽에 외부 수평 차양 장치만을 설계 하였을 경우의 에너지 소비량을 파악하고 에너지를 절감할 수 있는 외부 수평 차양 장치의 적정길 이와 그 형태에 대한 연구를 진행하였다.
예를 들어, 외부 수평차양 및 수직차양의 돌출비에 따른 하절기 수직창면의 직달일사량 및 전일사량 분석 (송수원 외, 2015),³⁾ 외부차양이 건물의 냉난방부하에 미치는 영향에 관한 연구 (최정민 외, 1993),⁷⁾ 소규모 사무공간 외피 존의 에너지 절감을 위한 투과체 및 차양계획에 관한 연구(박주현 외, 2009),⁵⁾ 창-벽면적비20%인 소규모 건물의 수평 차양 장치의 민감도 분석(최원기 외, 2005),⁶⁾ 국내 초고층 공동주택의 냉방부하 저감을 위한 외부차양 적용성 및 에너지 분석에 대한 연구(조진균 외, 2010)⁴⁾ 등 의 연구가 그러하다. 따라서 본 연구에서는 사무용 건물을 대상으로 하여 리트로핏을 할 경우의 외부 수평 차양 장치에 대한 연구를 진행하였으며, 에너지 소비량의 절감 가능성을 제시하고 이와 더불어 경제성 분석을 진행하였다.
본 연구에서는 대상 건물의 외부 차양 장치의 설계를 위한 리트로핏 방안 연구를 위해 다음과 같은 방법으로 연구를 진행하였다.
본 연구는 공공청사에서 외부 수평 차양 장치를 통한 리트로핏 방안에 대한 연구를 진행하였고 기존 건물에서 외부 차양 장치만을 통해 동지와 하지 때 태양의 고도를 이용하여 차양 장치의 적정길이 및 형태를 도출하였다. 이로써 건물에서 소비하는 에너지를 절감하여 효율적이면서 경제적으로 사용하고자 하였다. Design Builder를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였고 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.

제안 방법

2) 건물의 모델링은 외부 일사에 영향을 가장 많이 받는 남측면을 선정하여 외부 수평 차양 장치 설계를 진행하였다.
3) 하지와 동지 때 태양의 고도를 고려하여 외부 수평 차양 장치를 설계하였다.
이로써 건물에서 소비하는 에너지를 절감하여 효율적이면서 경제적으로 사용하고자 하였다. Design Builder를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였고 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.
대상 건물에서 사용하는 에너지 소비 실측 데이터를 이용하여 시뮬레이션 모델링을 실시하였다. 외부 수평 차양 장치의 최소 길이 0.
본 연구에서는 직달 일사의 영향을 많이 받는 남측 창만을 선정하여 시뮬레이션을 수행하였다. 또한 다른 요소를 배제하고 외부수평 차양 장치만으로 인한 외부에서 실내로 유입되는 일사량을 차단하는 성능에 대해 알아보기 위해 창호의 유리는 맑은 유리 6mm를 선정하였다.²⁾
본 연구는 공공청사에서 외부 수평 차양 장치를 통한 리트로핏 방안에 대한 연구를 진행하였고 기존 건물에서 외부 차양 장치만을 통해 동지와 하지 때 태양의 고도를 이용하여 차양 장치의 적정길이 및 형태를 도출하였다. 이로써 건물에서 소비하는 에너지를 절감하여 효율적이면서 경제적으로 사용하고자 하였다.
본 연구의 대상이 되는 건물의 실측 데이터가 2013년에 사용한 데이터이기 때문에 경제성 분석에서의 전기 요금의 기준을 2013년으로 설정하였다.
우선 시뮬레이션은 실측 데이터를 기반으로 진행이 되었으며 실제 건물의 소비량과 시뮬레이션의 오차율이 충분히 신뢰할 수 있는 범위 안에서 나타나므로 결과 값이 유효하다고 할 수 있다. 시뮬레이션은 Table 2와 같이 하나의 층고를 기준으로 차양 장치가 1개 설계되었을 때와 2개 설계되었을 때로 나누어 실시하였다. 본 연구에서는 외부 수평 차양 장치의 적정길이 뿐만 아니라 설계되는 개수에 따른 형태에 의한 에너지 소비량도 분석하기 위해 Table 3과 같은 방법으로 시뮬레이션을 실시하였다.
외부 수평 차양 장치의 길이는 동지와 하지 때 태양의 고도를 기준으로 계산하였다. 하지 때 태양의 고도가 가장 높은 오후 1시(74.
대상 건물에서 사용하는 에너지 소비 실측 데이터를 이용하여 시뮬레이션 모델링을 실시하였다. 외부 수평 차양 장치의 최소 길이 0.5m부터 최대 길이 3.3m까지 간격을 0.5m로 하여 7가지 경우로 분류하였고, 각 분류마다 외부 수평 차양 장치의 개수를 1개와 2개 설계 할 때로 나누어 다시 소분류를 하였다. 따라서 시뮬레이션은 총 Base model을 포함한 15가지의 경우로 실시하였다.
우선 외부 수평 차양 장치의 길이를 도출하기 위해 하지와 동지의 태양의 고도를 계산하였다. 한국 천문 우주 연구원에서 제공하는 한국 천문 우주 지식 정보에서 태양 고도 계산식을 이용하였다.
하지 때 태양의 고도가 가장 높은 오후 1시(74.48˚)에 외부 일사량을 ‘0’으로 하는 길이를 외부 수평 차양 장치의 최대 길이로 하였으며 동지 때 태양의 고도가 가장 높은 오후 1시(28.37˚)를 기준으로 외부 수평 차양 장치의 최소 길이로 하여 연구를 진행하였다.

대상 데이터

5m로 하여 7가지 경우로 분류하였고, 각 분류마다 외부 수평 차양 장치의 개수를 1개와 2개 설계 할 때로 나누어 다시 소분류를 하였다. 따라서 시뮬레이션은 총 Base model을 포함한 15가지의 경우로 실시하였다.
본 연구에서는 직달 일사의 영향을 많이 받는 남측 창만을 선정하여 시뮬레이션을 수행하였다. 또한 다른 요소를 배제하고 외부수평 차양 장치만으로 인한 외부에서 실내로 유입되는 일사량을 차단하는 성능에 대해 알아보기 위해 창호의 유리는 맑은 유리 6mm를 선정하였다.
본 연구의 대상 건물은 서울시 강동구에 위치하고 있는 1978년에 지어진 건물로 최근 건물의 리트로핏을 계획하고 있다.

이론/모형

7ver.을 이용하였으며 실측 데이터를 사용하여 Base Modeling을 진행하였다.
우선 외부 수평 차양 장치의 길이를 도출하기 위해 하지와 동지의 태양의 고도를 계산하였다. 한국 천문 우주 연구원에서 제공하는 한국 천문 우주 지식 정보에서 태양 고도 계산식을 이용하였다.⁹⁾ 차양 장치의 돌출 길이를 위한 계산은 수평 돌출길이를 산출하는 기본적인 식을 사용하였다.

성능/효과

한국 천문 우주 연구원에서 제공하는 한국 천문 우주 지식 정보에서 태양 고도 계산식을 이용하였다.⁹⁾ 차양 장치의 돌출 길이를 위한 계산은 수평 돌출길이를 산출하는 기본적인 식을 사용하였다.²⁾
난방 에너지 소비량은 3.3m 외부 수평 차양 장치를 2개 설계했을 때 가장 많이 소비하였고, 냉방 에너지 소비량은 외부 수평 차양 장치를 설계하지 않은 Base model에서 가장 많이 소비하는 형태로 나타났다. 그리고 냉난방 에너지 소비량의 경우는 3.
난방 에너지는 미미하게 증가하나 냉방에너지는 난방 에너지 소비량에 비해 상대적으로 크게 감소하는 것을 알 수 있다. 난방 에너지는 약 4,677 kWh의 차이를 보이며 약 3.5%정도 증가하였고, 냉방 에너지는 약 6,505 kWh의 차이로 약 10% 정도 감소하는 것으로 나타났다.
냉난방 에너지 소비량에 있어서 Base model의 난방 에너지 소비량과 0.5m 외부 수평 차양 장치 2개를 사용했을 경우에 난방 에너지 소비량은 거의 일치할 정도로 아주 미미한 차이를 보였으며 난방 에너지 소비량의 차이는 4674.5 kWh이며 약 3.7%가 증가하는 것으로 나타났다. 또한 냉방 에너지 소비량의 차이는 약 6505.
5m 외부 수평 차양 장치를 2개 설계한 경우에 가장 적게 소비하는 것으로 나타났다. 냉난방 에너지 소비량이 가장 많은 Base model과 비교했을 때 난방 에너지보다 냉방 에너지에서 에너지 소비량의 절감이 더 크게 나타났다. 이 때 에너지 소비량의 차이는 약 8189.
넷째, 경제성 분석은 일사량이 가장 적은 3.3m 외부 수평 차양 장치를 2개 설계한 경우에 전기 요금이 가장 적게 책정되었다. 또한 전기 요금은 일사량이 적을수록 적게 책정되는 것을 알 수 있었고 이 때 전기 요금은 약 7.
둘째, 난방 에너지의 경우에는 외부 수평 차양 장치의 길이가 길어질수록 에너지 소비량이 증가했다. 난방 에너지 소비량이 가장 적은 경우는 Base model과 3.
따라서 본 연구의 대상 건물은 냉방 에너지보다 주로 난방 에너지를 많이 소비하지만 난방 에너지 보다 냉방 에너지 소비량에있어 더 많은 절감율을 보였다. 그러므로 에너지 소비량 절감의 측면에서는 더 많은 절감율을 보이는 냉방 에너지를 고려하여 외부 수평 차양 장치를 설계하는 것이 적절하다고 판단된다.
따라서 전기 요금이 가장 많이 책정되는 Base model과 3.3m 외부 수평 차양 장치를 2개 설계 했을 때를 비교하면 금액의 차이는 단위 면적당 약 7,710원 정도 차이가 발생하는 것으로 나타났다.
또한 냉방 에너지 소비량의 경우는 에너지 소비량에서 가장 많은 차이를 보이는 Base model과 3.3m 외부 수평 차양 장치를 2개 설치했을 때가 약 5595.3 kWh의 차이를 보였다. 난방 에너지 소비량의 경우는 에너지 소비량에서 가장 많은 차이를 보이는 3.
3m 외부 수평 차양 장치를 2개 설계한 경우에 전기 요금이 가장 적게 나오는 것을 확인할 수 있었다. 또한 외부 수평 차양 장치가 설계 되지 않은 Base model은 단위 면적당 전기 요금이 약 63,670원정도 측정되었고, 3.3m 외부 수평 차양 장치를 2개 설계 했을 때는 단위 면적당 약 55,970원 정도를 사용하는 것으로 나타났다.
일사량은 외부 수평 차양 장치가 없는 Base model부터 길이와 개수가 늘어날수록 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 또한 일사량은 급격한 감소를 보이다가 외부 수평 차양 장치의 길이가 2m를 넘어가면서 감소량이 상대적으로 미미한 차이를 보였다.
3m 외부 수평 차양 장치를 2개 설계한 경우에 전기 요금이 가장 적게 책정되었다. 또한 전기 요금은 일사량이 적을수록 적게 책정되는 것을 알 수 있었고 이 때 전기 요금은 약 7.8~14% 정도의 차이가 나타났다.
9 kWh의 차이를 보였다. 마지막으로 냉난방 에너지 소비량의 경우는 에너지 소비량에서 가장 많은 차이를 보이는 0.5m 외부 수평차양 장치를 2개 설계했을 때와 3.3m 외부 수평 차양 장치를 2개 설계했을 때가 약 8189.8 kWh의 차이를 보였다.
본 연구에서 외부 수평 차양 장치를 설계 했을 때 냉방에너지의 절감율은 약 10.4% 밖에 나타나지는 않았다. 이는 기존 건물이 설계된 지 오래된 노후 건물로 다른 리트로핏의 요소를 고려하지 않고 외부 수평 차양 장치만을 가지고 평가하였기 때문이라고 판단된다.
셋째, 냉난방 에너지 소비량은 0.5m 외부 수평 차양 장치를 2개 설계한 경우에 가장 적게 소비하는 것으로 나타났다. 냉난방 에너지 소비량이 가장 많은 Base model과 비교했을 때 난방 에너지보다 냉방 에너지에서 에너지 소비량의 절감이 더 크게 나타났다.
상대적으로 큰 절감율을 보인 냉방 에너지 소비량에서의 경제성 분석을 해본 결과는 다음과 같다. 여름철 일사량을 가장 많이 차단하는 3.3m 외부 수평 차양 장치를 2개 설계한 경우에 전기 요금이 가장 적게 나오는 것을 확인할 수 있었다. 또한 외부 수평 차양 장치가 설계 되지 않은 Base model은 단위 면적당 전기 요금이 약 63,670원정도 측정되었고, 3.
우선 난방 에너지의 경우에는 일사량이 가장 많은 Base model 부터 일사량이 가장 적은 3.3m 외부 수평 차양 장치 2개의 경우까지 점차적으로 증가하는 경향을 보였다. 또한 외부 수평 차양 장치가 1개인 경우보다 2개인 경우가 난방 에너지 소비량이 더 많은 것을 확인할 수 있었다.
우선 시뮬레이션은 실측 데이터를 기반으로 진행이 되었으며 실제 건물의 소비량과 시뮬레이션의 오차율이 충분히 신뢰할 수 있는 범위 안에서 나타나므로 결과 값이 유효하다고 할 수 있다. 시뮬레이션은 Table 2와 같이 하나의 층고를 기준으로 차양 장치가 1개 설계되었을 때와 2개 설계되었을 때로 나누어 실시하였다.
일사량과 냉방 에너지 소비량에 따른 전기 요금은 비례 관계로 도출되는 것을 확인하였으며, 일사량이 가장 많을 때와 적은 때를 비교했을 경우에 전기 요금은 약 7.8% ~ 14% 정도의 차이를 보였다.
3m의 차양 장치가 2개 설계 되었을 때이다. 일사량은 외부 수평 차양 장치가 없는 Base model부터 길이와 개수가 늘어날수록 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 또한 일사량은 급격한 감소를 보이다가 외부 수평 차양 장치의 길이가 2m를 넘어가면서 감소량이 상대적으로 미미한 차이를 보였다.
첫째, 냉방 에너지의 경우에는 외부 차양 장치의 길이가 길어질수록 에너지 소비량이 감소했다. 냉방 에너지 소비량이 가장 많은 차이를 보이는 경우는 Base model과 3.

후속연구

이는 기존 건물이 설계된 지 오래된 노후 건물로 다른 리트로핏의 요소를 고려하지 않고 외부 수평 차양 장치만을 가지고 평가하였기 때문이라고 판단된다. 따라서 이후에 다른 리트로핏 요소를 같이 적용시켜 연구를 진행하면 더 높은 에너지 절감율을 보일 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	창호는 건물에 있어서 어떤 부분인가?	창호는 건물에 있어서 일사량의 획득 및 열손실, 그리고 조망과 관련하여 필수적인 부분이다. 하지만 건물에서 발생하는 열손실의 상당부분이 창호를 통해 발생하므로 이를 설계 시 고려해야 한다.
	건물에서 사용하는 냉방, 난방, 조명 에너지와 관련하여 에너지 소비량의 절감의 측면에서의 선행연구에는 무엇이 있는가?	외부 차양 장치의 형태와 적정길이에 대한 연구는 주로 건물에서 사용하는 냉방, 난방, 조명 에너지와 관련하여 에너지 소비량의 절감의 측면에서 주로 연구되었으며, 경제성 분석과 더불어 진행된 연구는 드물다. 예를 들어, 외부 수평차양 및 수직차양의 돌출비에 따른 하절기 수직창면의 직달일사량 및 전일사량 분석 (송수원 외, 2015),3) 외부차양이 건물의 냉난방부하에 미치는 영향에 관한 연구 (최정민 외, 1993),7) 소규모 사무공간 외피 존의 에너지 절감을 위한 투과체 및 차양계획에 관한 연구(박주현 외, 2009),5) 창-벽면적비20%인 소규모 건물의 수평 차양 장치의 민감도 분석(최원기 외, 2005),6) 국내 초고층 공동주택의 냉방부하 저감을 위한 외부차양 적용성 및 에너지 분석에 대한 연구(조진균 외, 2010)4) 등 의 연구가 그러하다. 따라서 본 연구에서는 사무용 건물을 대상으로 하여 리트로핏을 할 경우의 외부 수평 차양 장치에 대한 연구를 진행하였으며, 에너지 소비량의 절감 가능성을 제시하고 이와 더불어 경제성 분석을 진행하였다.
	외부 차양 장치가 내부 차양 장치의 설계보다 훨씬 효과적인 방안인 이유는?	그럼에도 불구하고 현재 외부 차양 장치에 대한 많은 연구가 계속되어져 왔지만 이에 대한 적정길이나 형태에 대한 연구가 부족하며 뚜렷한 기준이 없는 실정이다. 외부 차양 장치를 설계할 경우에 실내로 유입되는 일사량을 일정 부분 차단하여 건물을 통과해서 실내로 유입되기 때문에 냉방 에너지를 절감하는데 있어 내부 차양 장치의 설계보다 훨씬 효과적인 방안이라고 할 수 있다.8)

참고문헌 (9)

윤성환, 송수빈, 김영탁, 염성곤, "공동주택 창호 선정에 따른 에너지절감 효과 및 경제성 평가", 대한건축학회 논문집 : 제 24권 제 8호, 2008 // (Yoon, Seong-Hwan, Song, Su-Bin, Kim, Young-Tag, Yum, Seong-Kon, "Energy Saving Effects according to Window Performance for and Apartment House and the Estimation of the Windoe Economical Efficiency", Journal of Architectural Institute of Korea, Vol.24, No. 8, 2008)
김진아, 윤성환, "사무공간의 냉난방 및 조명부하 저감을 위한 수평루버형 외부차양에 관한 연구", 대한건축학회 논문집 : 제 28권 제 10호, 2012 // (Kim, Jin-Ah, Yoon, Seong-Hwan, "A Study on exterior horizontal Louvers of Offices Space to Reduce Heating, Cooling and Lighting Loads", Journal of Architectural Institute of Korea, Vol.28, No.10, 2012)
송수원, 조동우, "외부 수평차양 및 수직차양의 돌출비에 따른 하절기 수직창면의 직달일사량 및 전일사량 분석", 대한건축학회 논문집 : 제 31권 제 4호, 2015 // (Song, Su won, Cho, Dong-woo, "Analysis of Direct and Global Solar Radiation a Vertical Window According to the Projection Factor of External Horizontal and Vertical Shading in Summer", Journal of Architectural Institute of Korea, Vol.31, No.4, 2015)
조진균, 유창우, "국내 초고층 공동주택의 냉방부하 저감을 위한 외부차양 적용성 및 에너지 분석에 대한 연구", 대한건축학회 논문집 : 제 26권 제 12호, 2010 // (Cho Jin-Kyun, Yoo Chang-Woo, "A Feasibility Study and Energy Analysis os Exterior Shading Device on Cooling Energy Demand for High-rise Residences", ournal of Architectural Institute of Korea, Vol.26, No.12, 2010)
박주현, 김강수, "소규모 사무공간 외피 존의 에너지 절감을 위한 투과체 및 차양계획에 관한 연구", 대한건축학회 논문집 : 제 25권 제 8호, 2009 // (Park, Joo-Hyun, Kim, Kang-Soo, "A Study on the Optimization of Gazing and Shading Devices for Energy Savings in Perimeter Zones of a Small Office Space", Journal of Architectural Institute of Korea, Vol.25, No.8, 2009)
최원기, 김의종, 민성혜, 서승직, "창-면적비 20%인 소규모 건물의 수평 차양장치의 민감도 분석", 대한건축학회 논문집, 제 21권, 제 12호 2005 // (Choi, Won-Ki, Kim, Eui-Jong, Min, Sung-Hye, Suh, Seung-Jik, "Sensitivity Analysis of Overhangs in Small Scale Building with 20% Glasing-Vertical Wall Area Ratio", Journal of Architectural Institute of Korea, Vol.21, No.12. 2005)
최정민, 송승영, 김광우, 김문한, "외부차양이 건물의 냉난방부하에 미치는 영향에 관한 연구", 대한건축학회 논문집, 제 13권, 제1호, 1993 // (Choi, Jeong Min, Song, Seung Young, Kim, Kwang Woo, Kim, Moon Han, "A Study on the Effect External Shading Device on the Building Load", Journal of Architectural Institute of Korea, Vol.13, No.1, 1993)
American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning Engineers, ASHRAE Handbook. Fundamentals. Atlanta, 1997
한국 천문 우주 지식 정보 http://astro.kasi.re.kr

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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