[논문]노후 단독주택의 난방에너지 효율 개선을 위한 대안 선정 방법에 관한 연구

황석호

doi:10.7836/kses.2019.39.2.045

노후 단독주택의 난방에너지 효율 개선을 위한 대안 선정 방법에 관한 연구
Alternative Selection Method for Energy Efficiency Improvement of Old Detached House 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.39 no.2, 2019년, pp.45 - 55

황석호 (경남대학교 건축학부)

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More than 76% of the detached houses in Korea are over 20 years old. These old detached houses have poor energy efficiency. According to the 2017 Housing Census (Statistics Korea), more than 50% of low-income families live in detached houses. Therefore, the improvement of energy efficiency in old detached houses is needed from the viewpoint of energy welfare. The general method of building energy modelling for the verification of energy efficiency is based on the construction year data of "Building Design Criteria for Energy Saving" due to the cost and time involved in collecting the thermal performance data of buildings. There is poor accuracy with the deterioration of long-term aging of building materials. Also, the selection of alternatives for energy performance improvement is based on the items to be applied, not a performance improvement goal. It is difficult to calculate energy performance that reflects variations in various parameters with dynamic energy simulations. In this study, the influence of long-term aging is used to accurately predict the energy performance of old detached houses. The building energy modelling method is called ENERGY#, which is a static analysis method based on ISO13790. Energy performance is evaluated by a combination of input variables including building orientation, insulation of walls and roof, thermal performance of windows and window/wall ratio, and infiltration rate. Finally, this study provides a way to determine alternatives that meet energy performance improvement goals.

주제어

표/그림 (13)

표 Table 1 Dimensions of standard model
표 Table 2 U-value criteria for a residential buildings (central region)
표 Table 3 Thermal properties of window (PVC frame, 12mm gap)
표 Table 4 Infiltration rate with years building is used
표 Table 5 Simulation cases
표 Table 6 Overview of simulation conditions
그림 Fig. 1 Heat gains through windows and heating load by building orientation
그림 Fig. 2 Heating load by performance level of exterior walls and roof
그림 Fig. 3 U-value variate by additional insulation thickness
그림 Fig. 4 Heating load by performance level of windows
그림 Fig. 5 Heating load by variation of window / wall ratio
그림 Fig. 6 Heating load by performance level of infiltration
그림 Fig. 7 Heat gains through windows and building heating load by building orientation

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 노후 단독주택의 난방에너지 효율 개선 목표를 달성하기 위해 필요한 개선수준을 결정하는 방법을 제시하였다. 이를 위해, 해석 대상의 초기 성능 조건에서 건물의 노후화에 의한 영향을 고려하였고, 외벽, 지붕, 창호와 기밀 등 다양한 성능 개선 수준을 복합적으로 분석하기 위해 정적 해석 방식인 에너지샵을 이용하 였다.
이에 본 연구에서는 노후 주택의 표준모델의 열성능 조건을 노후화에 의한 영향을 고려하여 설정하고, 건물 에너지 모델링 방법으로 ISO13790에 기반한 정적 해석 방식의 에너지샵(Energy#)을 이용하여 건물의 에너지 성능에 영향을 미치는 건물의 방위, 외피의 단열수준, 창호의 열성능 및 창면적비, 기밀성능 등을 복합적으로 해석하여 평가하였다. 이를 통해 노후 단독주책의 에너지 성능 개선의 효과를 직관적으로 파악하고 타당성 있는 개선의 범위를 결정할 수 있는 방법을 제시하고자 한다.

가설 설정

본 연구에서는 기밀성능의 개선을 독립적인 요소로 보지 않고 벽체, 지붕, 창호 등의 개보수와 같이 진행하는 것으로 가정하였다. Fig.

제안 방법

노후 단독주택의 에너지 성능 표준은 난방에너지 요구량에 큰 영향을 미치는 외벽, 지붕, 창호, 기밀 성능으로 구분하였다. 외벽과 지붕 등의 구조체의 단열성능은 해석 모델 건물의 도면자료의 부재와 현장실측을 통해 건물의 열성능 자료를 수집하는 것에 따른 비용과 시간의 문제로 인해 간접적인 방법인 ‘건축물의 에너지절약설계기준’의 열관류율의 기준에 따라 건축연도의 열관류율을 기본적으로 적용하였다⁷⁾.
단독주택의 난방에너지 요구량에 영향을 주는 주요 변수는 건물의 방위, 창면적비, 외피의 열관류율, 창호의 열관류율과 태양열취득률, 그리고 침기율이 있다. 본 연구에서는 각각의 변수가 에너지 성능이 미치는 영향을 건물의 방위와 창면적비는 독립적으로, 외피의 열관류율, 창호의 열성능, 그리고 침기율은 복합적으로 계산하여 분석하였다.
본 논문에서는 노후 단독주택의 난방에너지 효율 개선 목표를 달성하기 위해 필요한 개선수준을 결정하는 방법을 제시하였다. 이를 위해, 해석 대상의 초기 성능 조건에서 건물의 노후화에 의한 영향을 고려하였고, 외벽, 지붕, 창호와 기밀 등 다양한 성능 개선 수준을 복합적으로 분석하기 위해 정적 해석 방식인 에너지샵을 이용하 였다. 그 결과는 다음과 같다.
이에 본 연구에서는 노후 주택의 표준모델의 열성능 조건을 노후화에 의한 영향을 고려하여 설정하고, 건물 에너지 모델링 방법으로 ISO13790에 기반한 정적 해석 방식의 에너지샵(Energy#)을 이용하여 건물의 에너지 성능에 영향을 미치는 건물의 방위, 외피의 단열수준, 창호의 열성능 및 창면적비, 기밀성능 등을 복합적으로 해석하여 평가하였다. 이를 통해 노후 단독주책의 에너지 성능 개선의 효과를 직관적으로 파악하고 타당성 있는 개선의 범위를 결정할 수 있는 방법을 제시하고자 한다.

대상 데이터

의 논문을 인용하였다. 이 모델은 2013년 저소득층 에너지효율 개선사업에서 시공지원을 받은 3,061가구 중 단독주택에 해당하는 2,571가구를 대상으로 평면특성을 분석하여 저소득층 가구의 평면형태를 반영하여 결정된 모델이며, Table 1에 건축개요를 보여준다.

데이터처리

건물에너지 해석은 ISO13790을 기반으로 독일의 PHPP의 장점을 받아드려 만든 해석적 평가 툴인 에너지샵 (ENERGY#) 프로그램을 이용하였다. 에너지샵은 엑셀기반의 프로그램으로 중소형건물의 해석에 적합한 단일 존 기반의 정적 해석 방식이며, 현재 한국패시브건축협회에서 패시브하우스 에너지평가 교육에 활용되어지고 있다.

이론/모형

본 논문의 해석대상 건축 모델은 저소득층 주택의 표준모델과 관련한 Kim⁶⁾의 논문을 인용하였다. 이 모델은 2013년 저소득층 에너지효율 개선사업에서 시공지원을 받은 3,061가구 중 단독주택에 해당하는 2,571가구를 대상으로 평면특성을 분석하여 저소득층 가구의 평면형태를 반영하여 결정된 모델이며, Table 1에 건축개요를 보여준다.

성능/효과

(1) 건물의 노후화에 따른 해석 대상의 초기 성능조건으로 단열성능은 법규기준에서 35%의 추가적인 성능 저하를 반영하였다. 건물의 기밀성능도 내구연수, 유지관리와 시공 수준 등을 반영하여 결정하였다.
(2) 건물의 방위에 따른 난방요구량 분석에서는 창면적이 가장 작은 건물의 좌측면이 남향일 경우가 난방 요구량이 가장 높았다. 하지만, 전체적으로 2% 이하의 차이를 보이고 있다.
(3) 외피의 열관류율과 에너지 절감량은 선형적인 정비례 관계를 보인다. 하지만, 열관류율을 결정하는 단열재의 두께와 열관류율과는 비선형적인 관계로 초기 단열 수준이 높은 경우에는 단열재 두께의 증가로 의한 열관류율의 개선효과가 적어진다.
(4) 기존의 단창에서 일반 복층창으로의 개선 효과는 높게 나타났다. 하지만, 일반 복층창에서 아르곤 유리, 로우이 유리, 삼중창 등으로의 성능개선은 높지 않았다.
(5) 벽체와 바닥, 지붕, 창문의 개보수에 따른 각각의 기밀성능 개선효과를 바탕으로 침기량을 산정하여 계산하였으며, 모든 부위를 개보수한 경우 신축 단독주택의 기밀성능과 비교하여 45% 수준으로 기밀성능이 개선됨을 알 수 있다.
(6) 외벽, 지붕, 창호, 그리고 기밀성능의 개선에 따른 에너지 절감 효율을 종합적으로 분석하여 절감 목표을 만족시키기 위한 개선 요소별 적용 수준을 확인할 수 있다.
Fig. 2을 보면 난방에너지 절감량은 열관류율 변화와 선형적인 1차원 비례관계를 가지고 있다는 것을 알 수 있다. Fig.
이는 고성능창호의 낮은 SHGC로 인한 일사 열획득량 감소보다는 낮은 열관류율로 인한 열손실이 적어지는 것이 효과적이라는 것을 알려준다. 기존 창면적의 200%일 경우 약 6%, 300%일 경우 약 10%, 400%일 경우 약 14%의 절감효과가 있음을 알 수 있다.

후속연구

본 논문에서는 에너지 효율을 중심으로 연구를 수행하였으며, 후속 연구를 통해 에너지성능개선에 필요한 시공비용과 개선으로 얻는 에너지 절감비용에 대한 LCC 분석을 수행하여 에너지 절감 목표를 달성하기 위한 최적의 개선 대안을 제시하는 연구를 추가적으로 진행할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	에너지샵의 엑셀 기반 프로그램의 장점은 무엇인가?	에너지샵은 엑셀기반의 프로그램으로 중소형건물의 해석에 적합한 단일 존 기반의 정적 해석 방식이며, 현재 한국패시브건축협회에서 패시브하우스 에너지평가 교육에 활용되어 지고 있다. 에너지샵의 엑셀 기반 프로그램으로의 장점은 계산과정을 확인할 수 있다는 것과 엑셀 메크로 또는 VBA기능을 활용하여 건물의 방위, 외피의 단열수준, 창호의 열성능 및 창면적비, 기밀성능과 같은 다수의 입력 변수를 복합적으로 변화시키며 반복계산을 빠르게 수행할 수 있다는 점이다. 본 연구에서는 Table 5의 독립적인 해석 변수들을 조합하여 분석을 수행하였으며, 시뮬레이션에 사용된 주요 변수는 Table 6과 같다.
	에너지 시뮬레이션을 통해 최종 대안을 결정하는 이유는 무엇인가?	이렇게 선정된 개선 대안들은 에너지 시뮬레이션을 통해 각각의 개선 효율을 상호 비교 하여 최종 대안을 결정하는 방식으로 진행한다. 이러한 이유는 건물에너지 성능해석 방법으로 사용되는 동적시뮬레이션 프로그램들의 복잡한 입력과정과 결과분석 방법으로 인해 성능개선 요소들의 적용 범위에 따른 전체 에너지효율 개선의 영향을 광범위하고 복합적으로 해석하기가 어렵기 때문이다.
	저소득층 에너지 효율 개선사업이란 무엇인가?	또한 국내 단독주택의 거주자 유형을 주택총조사 통계로 확인해 보면 저소득층의 거주 비율이 50%를 넘어 에너지 빈곤의 문제가 제기되고 있다. 이에 정부는 2007년부터 ‘저소득층 에너지 효율 개선사업’을 통해 점진적으로 저소득층 주택의 에너지 성능향상을 유도하는 복지 정책을 진행하고 있다. 아울러, 최근에는 구도심의 활성화 및 무분별한 재개발을 통한 자원의 낭 비 및 사회적 비용의 증가를 막기 위해 도심재생에 관한 관심이 증가하고 있다.

참고문헌 (10)

Statistics Korea, Housing Census 2017(http://kosis.kr).
Seo, S. M., Park, J. C., and Rhee, E. K., An Analysis of Thermal Loads Depending on Korea Building Insulation Standard and the Optimum Insulation Standard, Journal of the Korean Solar Energy Society, Vol. 31, No. 5, pp. 146-155, 2011.

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Kim, M. K. and Kim, S. E., Technical Factors on Energy Performance Improvement and the Effects for the Existing Detached House, Seoul Studies, Vol. 11, No. 3, pp. 29-47, 2010.
Jeong, J. W., Cho, D. W., Mok, S. S., Park, A. R., and Park, G. S., An Analysis of Energy Performance Improvement by Retrofit in Deteriorated Houses, Journal of the Architectural Institute of Korea Planning & Design, Vol. 28, No. 12, pp. 427-434, 2012.
Lee, S. J., Kim, J. H., Jeong, H. G., Yoo, S. H., and Lee, J. H., Heating Energy Efficiency Improvement Analysis of Low-income Houses, Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems, Vol. 11, No. 3, pp. 212-218, 2017.
Kim, J. H., Heating Energy Baseline and Saving Model Development of Detached Houses for Low-income Households, UST, 2015.
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Kim, J. G., Lee, J. H., Jang, C. Y., Song D. S., Yoo, S. H., and Kim, J. H., Heating Energy Saving and Cost Benefit Analysis according to Low-Income Energy Efficiency Treatment Program - Case Study for Low-Income Detached Houses Energy Efficiency Treatment Program, Journal of Korea Institute of Ecological Architecture and Environment, Vol. 16, No. 5, pp. 39-45, 2016.
Kim, G. T., Yoo, J. H., Hwang, H. J., and Kim, K. S., A Study on the Calculation Method of Infiltration for Detached Houses, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 25, No. 9, pp. 493-498. 2013.

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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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