[논문]건물에너지효율등급 평가도구와 상세해석프로그램의 비교 분석

이재혁; 유기형; 조동우

건물에너지효율등급 평가도구와 상세해석프로그램의 비교 분석
An Analysis of Comparison between the Evaluation Tool for Building Energy Efficiency Rating System and Detailed Analysis Programs 원문보기

이재혁 (한국건설기술연구원 건축계획환경연구실) , 유기형 (한국건설기술연구원 건축계획환경연구실) , 조동우 (한국건설기술연구원 건축계획환경연구실)

Since 2001, the Building Energy Efficiency Rating and Certification System have been implemented in Korea. For rating the energy efficiency performance, the evaluation tool for Building Energy Efficiency Rating System has been used. In this study, the evaluation tool was compared with detailed analysis programs(Trnsys 16, ESP-r) through simulations of heating energy needs for apartment, and we checked the character of the evaluation tool.

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문제 정의

본 연구에서는 공동주택 건물에너지효율등급 인증제도의 간이 평가도구와 기존의 상세해석프로그램(Trnsys 16, ESP-r)을 실제 공동주택 단위세대를 대상으로 한 시뮬레이션을 통하여 평가도구의 특성을 알아보았다. 이상의 연구 내용 및 결과를 정리하면 다음과 같다.
본 연구의 목적은 건물 에너지 효율등급 인증제도의 공동주택 부문 에너지 효율등급 평가 방법에 이용되고 있는 간이 평가도구를 기존의 상세해석프로그램(Trnsys 16, ESP-r)과 공동주택 단위세대의 연간 난방 에너지요구량 시뮬레이션을 통해 비교하여 평가도구의 특성을 파악하고자 하는데 있다.

가설 설정

계단실의 면적은 건물에너지효율등급 평가에서 세대수로 나누어 계산하는 조건에 따라 본 연구에서도 공간을 반으로 나누어 시뮬레이션을 진행하였다. 중간층 세대로 가정하여 천장과 바닥은 단열조건으로 하였으며 그 외 옆 세대와 면하는 벽체도 단열조건으로 가정하였다.

제안 방법

2에서와 같이 3개의 방과 거실, 주방은 하나의 난방 존(zone)으로 설정하였다. 계단실의 면적은 건물에너지효율등급 평가에서 세대수로 나누어 계산하는 조건에 따라 본 연구에서도 공간을 반으로 나누어 시뮬레이션을 진행하였다. 중간층 세대로 가정하여 천장과 바닥은 단열조건으로 하였으며 그 외 옆 세대와 면하는 벽체도 단열조건으로 가정하였다.
공동주택의 건물에너지효율등급에서 난방공간의 환기횟수로 정하고 있는 0.7ACH를 기준으로 0.5ACH, 0.3ACH의 세 경우에 대하여 난방 에너지요구량을 확인하였다.
시뮬레이션은 4가지 변수에 대하여 진행하였다. 단위세대의 정면이 향하는 방위와 창문의 열관류율, 세대내 환기횟수, 그리고 벽체의 단열재 두께 변화에 대하여 난방에너지요구량 시뮬레이션을 진행하고 프로그램간 결과를 비교하였다.
시뮬레이션 대상 단위세대에 적용된 단열재의 두께를 기준으로 단열재 두께를 반으로 감소시켰을 경우와 1.5배 증가시켰을 때의 경우에 대하여 시뮬레이션을 진행하고 결과를 비교하였다. Fig.
시뮬레이션은 4가지 변수에 대하여 진행하였다. 단위세대의 정면이 향하는 방위와 창문의 열관류율, 세대내 환기횟수, 그리고 벽체의 단열재 두께 변화에 대하여 난방에너지요구량 시뮬레이션을 진행하고 프로그램간 결과를 비교하였다.

대상 데이터

공동주택 단위세대의 정면이 향하는 방위를 서향, 남서향, 남향, 남동향, 동향으로 5가지 경우를 선정하였다. Fig.
시뮬레이션을 위하여 이용된 기상데이터는 기상청의 2006년 서울지역 데이터를 이용하였으며, 나머지 시뮬레이션을 위하여 필요한 조건⁽⁵⁾들은 Table 4에 나타난 바와 같다.
시뮬레이션을 위한 단위세대는 현재 시공되고 있는 일반적인 수준의 공동주택 단위세대 중에서 선정하였다. 규모는 국민주택 규모인 전용면적 85m² 이하인 세대로 전용면적 84.
2를 이용하여 계산되었다. 창호의 종류는 현재 공동주택에서 주로 많이 이용되는 창호 3가지로 선정하였으며, 5mm 단창은 계단실에 이용되는 창호이다.
현재 공동주택 창호의 유리로서 가장 많이 사용되고 있는 16mm 복층유리, 22mm 복층유리 그리고 22mm Low-E 유리에 대하여 시뮬레이션을 진행하였다. 16mm 복층유리와 22mm 복층유리의 경우 실내창과 발코니창 모두에 대하여 동일하게 적용되었으며, 22mm Low-E의 경우 22mm 복층유리와 조합하여 적용하였다.

성능/효과

(1) 단위세대의 정면이 향하는 방위에 따른 난방 에너지요구량을 각 프로그램을 이용하여 계산할 경우 Trnsys 16은 평가도구 대비 98.0∼114.4%, ESP-r은 69.7∼82.5%의 결과 수준을 확인하였다.
(2) 16mm 복층유리, 22mm 복층유리, 발코니 22mm Low-E 유리와 실내창에 22mm 복층유리, 그리고 발코니창에 22mm 복층유리와 실내창에 22mm Low-E 유리를 적용하였을 때 난방에너지 요구량은 평가도구 대비 Trnsys 16은 88.5∼102.3%, ESP-r은 73.7∼74.8% 수준의 결과를 확인하였다.
(3) 환기횟수의 감소에 따른 에너지요구량의 감소폭은 평가도구와 Trnsys 16은 비슷한 수준의 감소폭을 나타내었고 ESP-r은 두 프로그램에 비하여 상대적으로 높은 감소폭을 보였다.
(4) 벽체의 단열재의 두께 변화에 따른 에너지 요구량 계산 결과는 평가도구 대비 Trnsys 16은 90.2∼108.6%, ESP-r은 69.0∼77.7%인 것으로 확인하였으며, 단열재 두께 감소에 따른 에너지 요구량 증가폭은 평가도구가 가장 크게 나타났다.
3%로 1995년과 동일한 수준을 유지할 것으로 보인다. 가정부문에서의 에너지 소비량의 비중은 인구증가율의 둔화와 주택 및 가전기기 보급률의 포화 수준으로 인하여 1995년 18%에서 2020년에는 16.3%로 줄어들 것으로 예상되지만, 에너지 소비량은 1995년 대비 1.7배 이상 증가할 것으로 보인다.⁽¹⁾
5%의 결과 수준을 확인하였다. 남동과 동향에서 다른 방위에 비하여 간이 평가도구와 상세해석프로그램간의 결과 차이가 더 컸으며 이것은 상세해석프로그램에서 남동과 동향에 대한 일사 유입량이 남서와 서에 비하여 더 크게 입력되어 나타난 결과인 것으로 확인할 수 있었다.
단열재 두께가 감소함에 따른 난방 에너지요구량의 증가폭은 Trnsys 16은 13.1%, ESP-r 20.8%, 건물에너지효율등급 평가도구는 36.1%로 평가도구의 증가폭이 가장 크게 나타났다. 이와 같은 결과는 앞의 시뮬레이션 도구에서 설명한 정적해석법과 동적해석법의 차이에 의한 것으로 사료된다.
벽체 단열재 두께 변화에 따른 프로그램간의 난방 에너지요구량 수준은 건물에너지효율등급 평가도구 대비 Trnsys 16은 90.2∼108.6%, ESP-r은 69.0∼77.7%인 것으로 확인되었다.
이상의 결과에서 확인할 수 있듯이, 평가도구를 이용하여 상세해석프로그램의 계산 결과와 대략적으로 유사한 계산 결과를 얻을 수 있는 것으로 확인되었다. 추후 본 연구에서 확인되지 않은 창의 광학적 특성에 따른 일사투과 부분 등 몇가지에 대하여 좀 더 세밀한 분석을 진행할 예정이다.
7%인 것으로 확인하였으며, 단열재 두께 감소에 따른 에너지 요구량 증가폭은 평가도구가 가장 크게 나타났다. 평가도구에서 축열의 영향을 고려하지 않고 정상 상태로 에너지요구량을 계산하는 것이 원인인 것으로 확인되었다.
5는 환기횟수에 따른 난방 에너지요구량 변화를 보여주는 그래프이다. 환기횟수가 감소함에 따라 에너지요구량의 감소폭은 평가도구 24%, Trnsys 16 29%, ESP-r 41%로 평가도구와 Trnsys 16은 비슷한 수준의 감소폭을 나타내었으며, ESP-r의 경우에는 환기횟수에 따른 감소폭이 다른 두 프로그램에 비하여 상대적으로 크게 나타났다.

후속연구

이상의 결과에서 확인할 수 있듯이, 평가도구를 이용하여 상세해석프로그램의 계산 결과와 대략적으로 유사한 계산 결과를 얻을 수 있는 것으로 확인되었다. 추후 본 연구에서 확인되지 않은 창의 광학적 특성에 따른 일사투과 부분 등 몇가지에 대하여 좀 더 세밀한 분석을 진행할 예정이다.
그러나 편리한 생활에 대한 요구 증가로 인하여 전자제품, 자동차 등의 사용이 지속적으로 증가하고 있는 추세이다. 향후 화석 에너지 사용량의 증가와 함께 이산화탄소 배출량도 증가할 것으로 전망되고 있다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

환경과 에너지와 관련된 신조어에는 어떤 것들이 있는가?

오늘날 우리 사회의 화두는 환경과 에너지이다. 녹색성장, 그린홈, 지속 가능한 발전 등 최근 만들어진 다양한 신조어들이 환경과 에너지에 대한 관심을 반영하고 있다. 그러나 편리한 생활에 대한 요구 증가로 인하여 전자제품, 자동차 등의 사용이 지속적으로 증가하고 있는 추세이다.

건물의 에너지해석방법은 어떻게 구분할 수 있는가?

건물의 에너지해석에는 정적해석법과 동적해석법으로 구분할 수 있다. 정적해석법은 주로 장비 용량산정을 위한 최대부하계산에 많이 적용되며 실내외 조건을 정상상태로 가정하여 건물에서 열 이동을 계산하는 방법으로 냉난방도일법, 확장도 일법, 표준 빈법, 수정 빈법 등이 있다.

건물의 에넞지해석방법으로 정적해석법과 동적해석법이 있는데 각 방법은 무엇이고 어떤 방법들을 포함하는가?

건물의 에너지해석에는 정적해석법과 동적해석법으로 구분할 수 있다. 정적해석법은 주로 장비 용량산정을 위한 최대부하계산에 많이 적용되며 실내외 조건을 정상상태로 가정하여 건물에서 열 이동을 계산하는 방법으로 냉난방도일법, 확장도 일법, 표준 빈법, 수정 빈법 등이 있다. 동적해석 법은 벽체를 통해서 유출입되는 열량을 1차원 열전도방정식에 수시로 변화하는 실내외 경계조건을 반영함으로써 계산하게 된다. 이 방정식의 해법에는 라플라스 변환을 통한 해석적인 방법과 차분 등의 수치적인 방법이 있다.

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