[논문]유리성능에 따른 커튼월건물의 에너지절약효과에 대한 연구 -표준건물 에너지소비와의 비교분석을 중심으로-

이용준; 정광섭; 오보환; 강재식; 최경석; 이득호

[국내논문] 유리성능에 따른 커튼월건물의 에너지절약효과에 대한 연구 -표준건물 에너지소비와의 비교분석을 중심으로-
A Study on a Efficiency of Glazing for Energy Reduction of Curtain Wall Buildings 원문보기

이용준 ((주)EAN테크놀로지) , 정광섭 (서울산업대학교) , 오보환 (대우건설 기술연구원) , 강재식 (건설기술연구원) , 최경석 (건설기술연구원) , 이득호 (서울산업대학교)

This study has been conducted to describe the establishment of national measures to reduce world energy consumption and $CO_2$ Emission. Particularly, Reductions in energy consumption from building operation is the most important part to achieve these national objectives. Element to evaluate the quantitative effects of these systems by having rationalized regulation and operation is essential, when planning for building energy reduction design. USGBC(US Green Building Council) have operated sustainable assessment method called LEED, which introduces baseline performance and evaluation direction for building simulation techniques. This research analyzed Quantitative assessments of the building energy consumption and analyzed baseline figures to provide comparative analysis with standard building settings.

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문제 정의

본 연구의 목적은 이러한 국내 평가 방법 정립의 기초 자료를 제공하기 위하여 기존 연구에서 제시되었던 표준건물의 사례를 대상으로 외피의 유리성능 향상에 따른 건물의 에너지 절약 효과를 비교 분석하고자 하였다.
본 연구에서는 건물의 기본조건(건물 규모, 형태, 내부 발열, 침기 또는 외기 도입 조건 등)은 동일하게 적용하고 에너지 소비 저감 대안인 외피 종류만을 변경하여 에너지 소비 저감 대안의 효과를 확인할 수 있도록 하였다.

제안 방법

설정된 표준 건물의 창호는 칼라복층유리로 계획되어 있으며 단열재는 대전지역 기준으로 설정되어 있다. 본 연구에서는 단열재의 사양을 서울지역 기준 두께로 변경하여 설정하였다.
본 연구에서 에너지 소비 저감 대안은 유리 성능의 강화로 설정하였으며, 이에 따라 다음과 같이 유리 물성을 설정하였다.
16으로 이전 버전과 달리 보다 정확한 해석을 위하여 LBNL에서 제공하는 Window Property Liblary를 요구하며, 분석 대상 대안과 동일한 spec.의 유리는 라이브러리로 제공되지 않기 때문에 본 해석에서는 LBNL에서 제공하는 WINDOW 프로그램을 이용하여 적용 예정인 유리 제품과 가장 근사한 성능의 유리 라이브러리를 생성하여 이를 해석에 적용하였다.
상기의 시뮬레이션 결과 도출된 냉난방 부하를 기준으로 각 대안별 연간 CO₂ 발생량을 약산하여 비교 하였다. 본 연구에서 적용한 CO₂발생량 약산법은 에너지관리공단에서 제공하는 탄소중립 프로그램을 이용한 것이다.
(1) 건물의 투명 외피 성능에 따른 건물의 에너지 소비 및 CO₂ 발생량을 정량적으로 평가하기 위하여 표준건물 대비 냉난방 부하를 해석하여 비교 분석하였다.

대상 데이터

본 연구의 분석 대상 표준 건물은 업무용 건물로서 행정중심복합도시 에너지 사용계획 최적화를 위해 한국에너지기술연구원 건물에너지연구센터에서 설정한 건물에너지 수요예측을 위한 비주거용 건물 중 사무소 및 공공청사용 표준건물 데이터를 기반으로 설정하였다.
본 연구에서 적용한 표준 건물은 지하 2층 지상 7층 규모의 건물로서 설정 조건은 정리하면 다음과 같다.
이에 따라 적용된 기상데이터는 해석 프로그램으로 사용한 TRNSYS에서 제공하는 서울지역 기상데이터를 사용하였다.
설정된 표준 건물의 창호는 칼라복층유리로 계획되어 있으며 단열재는 대전지역 기준으로 설정되어 있다. 본 연구에서는 단열재의 사양을 서울지역 기준 두께로 변경하여 설정하였다.
본 연구에서 적용한 표준 건물은 지상 1층 근린 생활 시설의 6개 서비스 존과 복도, 2층 이상의 업무공간과 코어 및 화장실로 구성되어 있으며, 1층과 2층 이상은 냉방과 난방 설정온도 조건은 같으나, 내부발열과 이에 대한 스케줄은 각기 설정되어있으며 다음과 같다.
재실밀도가 25㎡당 1인으로서 본 표준건물의 바닥 면적을 고려하여 한 개 층에 재실율이 100%일 경우 36명이 근무하는 것으로 간주하였으며, 서비스시설은 각기 면적에 따라 3-7명으로 재실밀도에 따라 설정되었다.
설정된 유리대안은 현재 국내에서 생산되고 있는 고성능 유리를 로이 코팅 종류와 중공층 충진 가스 종류에 따라 4가지로 설정하였으며, 표준 건물의 유리 물성은 현재 생산되는 칼라복층유리의 성능 중 중간 정도의 성능 사양으로 선정하였다. 설정된 유리 대안은 다음과 같다.

이론/모형

다음은 표준건물과 외피 대안에 대한 냉난방 부하 시뮬레이션 결과이다. 본 연구에서는 시뮬 레이션 도구로서 TRNSYS Ver.16을 사용하였다.
발생량을 약산하여 비교 하였다. 본 연구에서 적용한 CO₂발생량 약산법은 에너지관리공단에서 제공하는 탄소중립 프로그램을 이용한 것이다. 비교한 결과는 다음의 그래프와 같다.

성능/효과

표준건물의 전체 냉난방 부하는 냉방의 경우 262.03 MWh, 난방 185.78 MWh로서 연간 부하 중 냉방부하가 약 58%, 난방 부하는 약 42%를 차지하고 있는 것으로 나타났다.
해석결과 가장 적은 연간부하를 나타낸 유리대안은 소프트 코팅 로이유리 대안인(G2-A)으로 가장 큰 연간부하를 나타낸 표준건물 대안 대비 연간 약 20%의 부하저감 효과를 보이며, G1 계열 대안의 경우 약 9～11%의 부하저감 효과가 있는 것으로 나타났다.
GS>G2-A>G2-Ar>G1-A>G1-Ar 의 순으로 나타났으며 특히 난방 시 열원을 지역난방으로 설정할 경우 부하 분석에서 가장 적은 연간부하량을 나타내었던 대안의 CO2 발생량이 상대적으로 많은 부하량을 나타내는 대안보다 큰 것으로 나타났다.
(2) 해석 결과 투명외피의 성능은 건물의 냉난방 부하에 매우 복합적으로 영향을 미치게 됨을 확인하였으며, 투명 외피의 성능 향상에 따라 에너지 소비 및 CO₂ 발생량 저감에도 복합적인 영향을 미치게 됨을 확인할 수 있었다.

후속연구

(4) 이를 위해서는 각 건물의 유형 및 지역 등에 따른 합리적인 표준건물의 설정이 선행되어야 할 것으로 판단된다.
(5) 또한 보다 정확한 평가를 위해서는 건물의 부하해석뿐 아니라 실질적인 에너지 소비량 해석을 위한 설비 시스템 및 열원에 대한 고려가 필수적인 것으로 판단된다.
(6) 이를 통하여 소비되는 에너지원에 따른 경제성 평가 및 에너지 소비와 CO₂발생량의 저감 효과를 보다 정확히 평가할 수 있을 것으로 판단된다.
(7) 이러한 평가기법의 정립 및 적용성 확보가 선행될 시 에너지 소비 및 CO₂ 저감 제도가 보다 합리적으로 운영될 수 있을 것으로 사료된다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

에너지 사용 및 CO₂배출 감소를 위한 구체적인 대책중 하나는 무엇인가?

이를 위하여 각국에서는 에너지 사용 및 CO₂배출 감소를 위한 구체적인 대책을 수립하고 있다. 그 중 한 가지는 전체 CO₂배출량의 약 25%를 차지하는 건물부문에서의 감축이다. 건축부문에서의 CO₂배출량을 줄이기 위해서는 건축운영단계에서 소비되는 에너지를 감소시키는 것이 중요하며, 이는 지속적인 효과 측면에서도 매우 바람직할 것으로 예상된다.

LEED 인증은 무엇을 평가하는가?

미국 USGBC에서 시행하는 LEED 인증의 경우 건물의 에너지 저감 효과를 평가하기 위하여 이미 정밀 시뮬레이션 기법을 도입하고 있으며, 특히 표준 건물(Baseline Design)과 평가대상 건물(Advanced Design)에 대한 에너지 소비량을 시뮬레이션 기법을 통하여 비교하여 건물 계획의에너지 소비 저감 효과를 평가하고 있다.

넓은 커튼월 외피를 가진 건물의 경우 차폐계수가 낮은 유리의 적용해야하는 이유는 무엇인가?

이는 차폐계수가 연간부하에 미치는 영향을 나타내는 것으로 특히 넓은 커튼월 외피를 가진 건물의 경우 냉방부하의 저감을 위해서는 차폐계수가 낮은 유리의 적용이 반드시 필요한 것으로 나타났다.

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