Research Article

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. 30 December 2021. 757-768
https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20210064

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 분석개요

  •   간이 평가법의 정의

  •   연구 절차 및 범위

  •   대상 건물

  • 연구결과

  •   M1의 외피 면적 및 열교 길이 오차범위 결과

  •   M2의 외피 면적 및 열교 길이 오차범위 결과

  •   M3의 외피 면적 및 열교 길이 오차범위 결과 및 보정 계수 산정식 도출

  •   대상 건물과 간이 평가법 적용 외피 면적 및 열교 길이 비교 결과

  • 결 론

서 론

건물 에너지 데이터는 금융, 부동산, 건축산업 전반에서 의사결정 도구로 사용되고 있으며, 향후 건물 에너지 데이터의 활용 범위는 더욱 확대될 것으로 기대된다. 독일에서는 2005년부터 노후주택에 대해서 표준 주택 대비 예상 에너지 절감 정도에 따라 개보수자금을 대출하는 자금지원사업을 시행해왔으며, 국내에서도 여러 차례의 건물 에너지 데이터 기반 금융지원책에 관한 연구(Park and Jung, 2016)와 정책 사업이 진행 중이다. 또한 건물 에너지 효율화를 위한 개보수 사업인 그린 리모델링 사업의 추진 여부 및 실행 범위 등을 결정하기 위해 건물 에너지 해석을 통해 예상되는 에너지 저감량을 근거로 판단하는 계산 도구가 개발되었다(Ju et al., 2018). 그 외에도 친환경건축물 등의 그린부동산의 경제성을 판단하고 건물 에너지 성능을 가격형성요인의 한 부분으로써 건물 가치평가에 반영하기 위해 감정평가 분야에서 에너지 데이터 기반 프롭테크 서비스에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다.

건물 에너지 데이터의 활용 범위가 확대됨에 따라 건물 에너지 분석을 위한 전문적인 인력과 시간에 대한 비용 부담이 함께 커지고 있다. 특히 건물 형태 데이터가 양적으로 가장 큰 비중을 차지하고 있어, 이에 대한 대응으로 3D 프로그램을 통한 데이터 입력지원 방안이 제안되었다(Choi et al., 2016). 건물 데이터 입력의 자동화는 SketchUP, BIM 등 다양한 프로그램과 연계하여 개발 중이며, 계산 부하를 줄이기 위한 건물 3D 모델링의 형상 단순화에 대한 연구가 진행되고 있다(Park et al., 2019). 하지만 3D 프로그램 활용을 위한 전문 인력이 필요하다는 점에서 비전문가의 접근성이 제한된다. 따라서 기존의 복잡한 에너지 시뮬레이션 입력 변수를 최소화하면서 동시에 비전문가의 접근성을 높일 수 있도록 건물 형태에 대해 쉽게 얻을 수 있는 건물 일반 정보를 통한 건물 형태 간이 평가법을 건물 에너지 데이터 활용 범위 확대에 대한 대응책으로써 제시하고자 한다.

측정 등을 통한 상세한 형태 데이터와 연면적, 건축면적 등 건물 일반 정보를 통한 간이 평가법에 의한 에너지 분석 결과는 차이가 있으며, 여러 변수에 따라 그 차이가 벌어질 것으로 예상된다. 동일 체적에서 건물 형태에 따른 에너지 분석 결과를 비교한 선행연구에서는 층수 등에 따라 에너지소비량 패턴이 달라짐을 확인하였다(Choi et al., 2007). 따라서 입력이 간소화하면서 건물 에너지 해석의 정확도를 개선할 수 있도록 건물 일반 정보의 입력 범위에 대한 세심한 설정이 필요하다.

본 연구에서는 건물 일반 정보 입력 범위가 다른 3가지 간이 평가법을 비교한 후 대상 건물을 선정하여 가장 보완된 형태의 간이 평가법과 건물 형태 데이터를 비교하여 건물 형태 간이 평가법의 활용성을 확인하였다. 건물의 형태적 특성은 건물의 규모에 따라 큰 영향을 받으므로, 본 연구에서는 연면적 1,000 m2의 건물을 기준으로 분석을 진행하였다.

분석개요

간이 평가법의 정의

지붕 면적, 바닥 면적, 향별 외벽 면적 및 열교 길이와 같은 건물 형태 정보에 대한 입력 변수를 최소화하는 방법으로 건물 일반 정보를 통해 단순화된 사각형 형태로 치환하여 건물 에너지 분석에 필요한 건물 형태 입력 데이터 정보를 도출하는 계산 방식을 건물 형태 간이 평가법으로 정의하였다. 건물 일반 정보란 건물 측정 및 도면 검토 없이 비전문가도 얻기 쉬운 건물에 관한 정보로, 건축물대장에 나와 있는 연면적, 건축면적, 층수 및 높이와 위성지도를 통해 얻을 수 있는 건물의 장변 길이, 단변 길이 및 건물의 형태의 복잡정도 등이 있다. 건물 형태 정보 중 열교 길이는 대표적인 접합부로 건물의 테두리 길이로 산정하였으며, 각 향별 창문 면적은 입력 변수로 창 면적 비율을 적용하기 때문에 간이 평가법의 외피 면적 산정이 정확하다면 상세 평가법과의 오차가 크지 않아 본 연구에서는 각 향별 외피 면적 산정의 정확성을 중점적으로 고려하였다.

연구 절차 및 범위

본 연구에서는 간이 평가법의 건물 일반 정보의 입력 범위를 3가지로 나누어 각 범위에 따른 간이 평가법과 상세 평가법 간 외피 면적과 열교 길이에 대한 오차 범위를 비교한 후, 보완된 간이 평가법과 실제 건물의 외피 면적 및 열교 길이를 비교 및 검토하였다.

Figure 1은 입력 방법의 간소화 정도에 따라 3가지로 나눈 간이 평가법의 건물 일반 정보의 입력 범위를 나타내었다. 첫 번째 간이 평가법(M1)의 입력 범위는 연면적, 건축면적, 층고, 층수, 장변 길이로 하여 건물 형태를 단순화한다. 이 때 연면적이란, 비냉난방 주차장 면적을 제외한 바닥 면적의 총합을 의미한다. 두 번째 간이 평가법(M2)의 입력 범위는 M1의 입력 범위에 단변 길이를 추가 입력하여 장단변비가 동일한 단순 사각형으로 치환한다. 세 번째 간이 평가법(M3)은 M2와 동일한 입력 범위이나 층수와 장단변비에 따른 보정 계수를 사용해 외피 면적과 열교 길이를 보정한다.

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Figure 1.

Input data for the detailed method and the simplified methods

M1은 연면적을 층수에 따라 배분한 상동 면적을 구하고, 이를 장변 길이로 나눠 단변 길이를 계산한다. 이후 장변 길이와 계산된 단변 길이에 건물 높이를 곱해 향별 외벽 면적을 산정한다. 열교 길이는 장변과 단변 길이 합의 2배로 산정한다. M2는 장변 길이와 단변 길이를 이용해 장단변비를 구한 후 상동 면적을 장단변비로 나눈 후 제곱근을 구해 장변 길이를 다시 산정한다. 이후 장변 길이에 장단변비를 곱해 단변 길이를 구한 후 M1과 동일한 방법으로 외벽 면적 및 열교 길이를 구한다. M3는 M2에서 산정된 외벽 면적 및 열교 길이에 보정 계수를 곱하여 보정된 외벽 면적과 열교 길이를 산정한다. 세 가지 간이 평가법 모두 지붕 면적 및 1층 바닥 면적은 건축면적으로 정의한다. M1, M2 및 M3에 의한 외피 면적 및 열교 길이 계산 방법은 Table 1과 같다.

Table 1.

Calculation according to simplified methods

Factor M1 M2 M3
Wall area G×2×[a+Aeq/a] G×2×(1+r)
×√[Aeq/r]
fc×G×2×(1+r)
×√[Aeq/r]
Length of thermal bridge 2×[a+Aeq/a] 2×(1+r)×√[Aeq/r] fc×2×(1+r)×√[Aeq/r]

G: Floor height

T: Total floor area

N: Number of floors

Aeq: Equivalent floor area (=T/N)

a: Long side length

b: Short side length

r: Ratio of lateral to longitudinal length (=b/a)

fc: Correct factor

M1, M2 및 M3에서 사용되는 건물 일반 정보는 연면적, 건축면적, 층수, 건물 높이, 장변 길이 및 단변 길이이다. 건물의 형태의 복잡정도가 주요 변수인지 판단하기 위해 건물 형태를 L-shape, LL-shape, U-shape으로 나누어 형태에 따른 A/V비 차이의 최솟값과 최댓값을 검토하여 장단변비 기준 건물 형태 간 A/V비 범위를 나타내었다(Figure 2).

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Figure 2.

A/V ratio of each building shape

가장 큰 차이는 장단변비가 0.98일 때 U-shape과 LL-shape의 최댓값 간 차이로 0.032이었으며, 대체로 0.02 이내로 크지 않아 건물 형태의 복잡 정도는 주요 변수 중 제외하였다.

대상 건물

본 연구에서 보완된 간이 평가법과 외피 면적 및 열교 길이를 비교할 대상 건물의 개요는 Table 2Figure 3과 같다. 전북 전주시에 위치한 산부인과 건물로, 지상층만 고려하므로 용적율 산정용 연면적(Total area)을 적용하였으며, 건물의 수평 투영 면적인 건축면적(Building area)은 335.30 m2, 장단변비는 0.62이고 상동 면적은 272.51 m2다.

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Figure 3.

Analyzed building

Table 2.

Introduction of analyzed building

Factor Value Factor Value
Total area 1,362.54 m2 Building area 355.30 m2
Floors
(above/under)
5/1 Long side length 25 m
Height 17.1 m Short side length 15.5 m

연구결과

M1의 외피 면적 및 열교 길이 오차범위 결과

Figure 4는 연면적 1,000 m2인 건물을 대상으로 M1의 입력 변수인 층수, 층고, 장변 길이 및 건축면적이 동일한 건물을 가장 단순한 사각형으로 치환했을 때 대비 외피 면적 및 열교 길이의 오차 범위를 나타낸 것이다. 층고는 3.5 m로 고정하고 장변 길이는 100 m에서 10 m 간격으로 장단변비가 역전되기 전까지 길이에 따라 검토하였다.

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Figure 4.

Envelope area and thermal bridge length according to long side length by using method M1

분석 결과, 대체로 장변 길이가 커지면 외피 면적의 차이는 작아지는 경향을 보였다. 장변 길이가 길어지면 단 변의 길이가 건물 형태 변형을 수용할 수 없을 만큼 짧아져 건물 변형 정도가 상대적으로 작아지기 때문으로 판단된다. 장변 길이가 상대적으로 짧은 50 m일 때 외피 면적은 1.09배 차이가 나며 이는 단층일 경우 가장 큰 오차범위이다. 열교 길이도 마찬가지로 장변 길이가 커질수록 대체로 오차범위가 작아진다. 가장 큰 차이의 경우 실제 열교 길이가 M1으로 계산된 열교 길이 보다 1.52배 긴 것으로 확인되었다. 하지만 장변의 길이가 가장 짧아졌을 경우 갑자기 오차범위가 줄어드는데, 마찬가지로 건물 변형 정도가 제한되기 때문으로 판단된다.

결과적으로, M1을 통해서 형태 단순화를 시도했을 때 외피 면적은 최대 27%까지 과소평가 될 수 있으며, 열교 길이는 최대 52.7%까지 과소평가 될 수 있다. 또한 오차율과 장변 길이가 일관된 상관 관계가 아니라는 한계점이 있어 장변 길이를 이용하여 외피 면적과 열교 길이를 추정하기 어려울 것으로 판단된다.

M2의 외피 면적 및 열교 길이 오차범위 결과

Figure 5는 연면적 1,000 m2인 건물을 대상으로 동일 조건 아래 간이 계산법 대비 상세 계산법을 통한 외피 면적 및 열교 길이의 오차 범위를 건물의 층수 및 장단변비에 따라 나타낸 것이다. M1과 비교했을 때, 건물 일반 정보 중 장단변비가 주어진 M2의 경우 외피 면적의 오차범위는 장단변비가 0.1일 때를 제외하고는 비교적 완만하게 상승하였다. 열교 길이 또한 상승폭이 완만하고 선형에 더 가까운 것으로 판단된다. 이는 M1에서 장변 길이가 짧아질수록 대체로 장단변비가 커지는 것을 고려한다면 비슷하게 장단변비가 외피 면적 및 열교 길이와 같은 형태 정보를 추정하는데 더 연관성이 높은 입력 데이터이기 때문으로 판단된다.

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Figure 5.

Envelope area and thermal bridge length according to the ratio of lateral to longitudinal length by using method M2

단층에서 변형이 가장 심한 경우 간이 평가법을 통한 외피 면적과 최대 1.1배, 열교 길이와 최대 1.55배 차이를 보인다. 이러한 차이는 외피 면적은 최대 10%, 열교 길이는 최대 56%까지 과소 평가될 우려가 있어, 간이 평가법과 상세 평가법 간 건물 에너지 해석 결과가 달라지는 데 상당한 영향을 미칠 것으로 예상되므로 적절한 보정이 필요할 것으로 판단된다.

M3의 외피 면적 및 열교 길이 오차범위 결과 및 보정 계수 산정식 도출

Figure 6은 상세 계산법 대비 M2 간이 평가법에서 단층 및 2층 이상일때 외피 면적 및 열교 길이에 대한 비교 결과로, 2층 이상에서 오차 범위가 더 커진 것을 확인할 수 있다. 원인은 층수가 높아질수록 상동 면적 및 둘레 길이가 작아져 외피 면적과 열교 길이의 오차가 상대적으로 커지기 때문으로 보인다. 하지만 층수가 높아짐에도 불구하고 장단변비 0.2 이상에서는 외피 면적 및 열교 길이와 장단변비의 상관관계는 여전히 선형으로 나타나 보정이 가능할 것으로 판단된다.

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Figure 6.

Envelope area and thermal bridge length according to number of floors by using method M2

Figure 7은 장단변비가 0.2 이상일 때, 각 층별로 장단변비와 간이 평가법으로 산정된 외피 면적 및 열교 길이의 오차 범위를 그래프로 나타낸 것이다. 외피 면적의 경우 층수가 오차 범위에 미치는 영향이 다소 있지만, 열교 길이는 2층 이상에서 층수가 큰 영향을 미치지 않았다. 따라서 보정 계수는 단층일 경우와 2층 이상일 경우로 나누어 설정하였다. 또한 앞의 분석 결과는 최대 오차에 대한 범위이므로 보정 계수 산정식에 건물 변형 정도를 반영하는 이용률(k)을 추가하였다. 이용률은 건물의 장변과 단변으로 형태 단순화된 사각형 면적과 상동 면적(Aeq)의 오차율로 적용한다.

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Figure 7.

Envelope area ratio and thermal bridge length ratio according to number of floors by using method M2

Table 3는 외피 면적과 열교 길이에 대한 보정 계수를 정리한 것이다. 외피 면적의 경우 단층일 경우 외피 면적의 최대 오차 범위가 1.08에서 1.10배로 차이가 작기 때문에, 평균값인 1.09에 이용률을 곱한 값을 보정 계수로 사용한다. 2층 이상일 경우 장단변비와 층수에 따른 다중 회귀식에 이용률을 곱한 보정 계수를 적용한다. 열교 길이는 외피 면적과 다르게 층수에 따른 구분이 단층과 2층 이상일 때 외엔 뚜렷하게 보이지 않으므로 열교 길이의 보정 계수 또한 단층과 2층 이상으로 나누어 장단변비에 대한 회귀식으로 도출하였다.

Table 3.

Summary of the zoning and use profile of the detailed model

Number of floors fc for Envelope area fc for thermal bridge length
1 (1.09 –1)×k+1 (0.30r+1.30–1)×k+1
More than 1 (0.20r+0.06N+1.08–1)×k+1 (0.47r+1.45–1)×k+1

k: Error rate of equivalent floor area to simplified rectangle (=1-Aeq/[a×b])

대상 건물과 간이 평가법 적용 외피 면적 및 열교 길이 비교 결과

Table 4은 대상 건물과 간이 평가법에서 도출된 외피 면적과 열교 길이를 비교한 표다. 대상 건물의 형태 데이터는 도면 검토와 3D 모델링을 통해 도출하였다. M3에서 이용률은 29.7%로 적용하였다. Figure 8에 상세 평가법 대비 각 간이 평가법의 외피 면적을 백분율로 나타내었으며, Figure 8은 열교 길이를 나타내었다.

Table 4.

Summary of the zoning and use profile of the detailed model

Method Measurement M1 M2 M3
Long side length 25.0 m 25.0 m 21.0 m 21.0 m
Short side length 15.5 m 10.9 m 13.0 m 13.0 m
Ratio of lateral to longitudinal length 0.62 0.44 0.62 0.62
Correct factor fc
(area/length)
- - - 1.15/1.22
Roof area 350.25 m2 355.30 m2 355.30 m2 355.30 m2
First floor area 358.64 m2 355.30 m2 355.30 m2 355.30 m2
Wall area 1,451.16 m2 1,227.79 m2 1,161.54 m2 1,335.27 m2
Envelope area 2,160.05 m2 1,938.39 m2 1,872.14 m2 2,045.87 m2
Thermal bridge length 80.86 m 71.80 m 67.93 m 82.87 m

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Figure 8.

Comparison of envelope area and thermal bridge length of simplified methods to analyzed building

분석 결과, M3가 외피 면적의 오차율 5.3%, 열교 길이의 오차율 2.5%로 가장 근접한 결과를 나타내었으며 M1, M2 및 M3 중 가장 보완된 간이 평가법이라 판단되었다. 결과적으로 M3에 제시된 건물 형태 간이 평가법을 적용 시 연면적, 건축면적, 층수, 높이, 장변 길이 및 단변 길이의 6개의 건물 일반 정보를 통해 오차율 10% 이내의 평가가 가능할 것으로 사료된다.

결 론

본 연구에서는 건물 에너지 데이터의 활용 범위가 확대됨에 따라 비전문가의 건물 에너지 해석 평가에 대한 접근성을 높이고 에너지 시뮬레이션 입력 변수를 줄일 수 있도록 건물 일반 정보 이용한 건물 형태 간이 평가법을 제시하는 데에 목적을 두었다. 건물 형태 간이 평가를 위해 필요한 건물 일반 정보는 연면적, 건축면적, 층수, 높이, 장변 길이 및 단변 길이이며, 가장 보완된 건물 형태 간이 평가법과 실제 건물의 외피 면적 및 열교 길이의 오차율은 각각 5.3%, 2.5%로 나타났다. 결과적으로 건물 일반 정보의 입력 범위를 한정하고 오차 범위 내의 외피 면적과 열교 길이를 산정하는 간이 평가법을 통해 건물 형태 데이터 입력을 간소화하는데 기여할 만한 결과를 도출하였다.

다만 본 연구에서는 연면적 1,000 m2인 L-shape, LL-shape, U-shape 건물을 기준으로 분석하였으므로 건물 형태에 따라 A/V비가 급격하게 변하는 소규모 건축물 및 중정형 건물에 대한 적용 여부는 추가적인 분석을 통한 일반화가 필요할 것으로 판단된다. 또한, 비전문가도 사용 가능한 쉬운 에너지 시뮬레이션을 위해 건물 형태뿐만 아니라 건물 용도와 조닝에 대한 단순화가 필요하며, 형태 단순화와의 상호 관계성을 고려한 추후 연구가 필요하다.

Acknowledgements

이 논문은 2021년도 국토교통부의 재원으로 국토교통과학기술진흥원의 지원을 받아 수행된 연구임(No.21CTAP-C152284-03, 제로에너지 건축물 시장 생태계의 확대와 자재산업의 정책연계 인프라 마련을 위한 웹기반 온라인 소통 플랫폼 구축).

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