서 론
연구의 배경
ECO2 입력데이터 특성 및 연구범위와 방법
대상건물 현장조사 및 ECO2 시뮬레이션
대상건물 선정 및 현장 조사 방법
실 용도별 실제 운영프로파일 조사
실용도 변경 사례 조사
EOO2 입력 값 수정 시뮬레이션
현장조사 및 시뮬레이션 결과
용도별 운영 프로파일 비교
실용도 변경 사례 조사
본 인증 에너지 소요량과 측정 사용량 비교
현장조사 운영프로파일 적용 ECO2 에너지 소요량
결 론
서 론
연구의 배경
에너지 경제 연구원 통계 정보 시스템에 따르면 건물에서 사용하는 에너지는 국가 전체 에너지 소요량의 20% 이상을 차지하고 있으며 에너지 공급의 상당수가 화석연료 기반으로 제공되고 있어, 건물은 국가 온실가스 저감 계획 상 주요 대상 분야이다. 세계 각국에서도 에너지 효율 등급 인증 제도를 시행하여 절감율에 따라 인센티브를 주어 건물분야에서 합리적인 에너지 절약을 유도하고 있다(미국 - HERS, 영국 - SAP, 캐나다 - CBIP 등). 우리나라에서도 국토부에서 고시한 에너지 효율등급 인증 기준에 따라 2011년 업무용 건축물을 통해 시범 운영 되었으며, 그 범위를 점차 확대하여 2020년에는 모든 건축물에 에너지효율등급 인증을 받는 것을 의무로 규정하고 있다.
인증 평가는 에너지해석프로그램인 ECO2를 활용하며 프로그램 결과인 1차 에너지 소요량을 기준으로 등급이 평가된다. ECO2는 ISO13790에 따른 월간계산법을 바탕으로 에너지 소요량을 계산하기 때문에 상세해석프로그램과 비교하였을 때 계산 시간 단축된다는 장점은 있으나 입력데이터 단순화로 인해 발생하는 오차에 대한 연구도 지속적으로 필요한 실정이다.
권장혁 외(2012)의 연구에 따르면 건물에너지 모델에서 에너지 소요량을 예측하기 위해서는 다양한 입력 변수가 필요하지만 실제 건물과 유사한 입력 데이터 적용이 제한적인 ECO2 프로그램 특성으로 인해 정상 해석도구인 Energy Plus와 비교 시 해석결과가 상이하다고 밝힌 바 있다. 김창성(2015)은 ECO2 시뮬레이션을 통해 에너지 절감효과를 분석하였는데 한정적인 데이터 입력 방법을 분석 제한사항으로 언급하였다. 이 외에도 손원득과 최영식(2012) 등 다수의 연구자들에 의해서도 제한적 데이터입력 방법을 시뮬레이션 오차의 원인으로 지적하였다.
특히 ECO2 입력데이터 중 건물 운영프로파일은 대상건물 실 용도에 따라 사용시간, 조명 시간, 실내 발열 등 프로파일에 대한 설정 값이 정해져 있어 상세한 운영프로파일 적용이 불가능하다. Elie and Menassa (2012)는 민감도 분석을 통해 재실 파라미터가 건물 에너지 시뮬레이션에 있어 매우 중요한 요소임을 밝힌 바 있다. 운영프로파일처럼 불확실성이 큰 변수는 결정론적 접근보다는 변수들의 특성을 고려한 확률적 시뮬레이션이 진행되어야 하나(김영진, 2008) ECO2를 이용하여 운영프로파일 영향을 분석하기에는 어려움이 따른다.
이와 같은 이유로, 최근 ECO2 프로그램 개선을 위한 선행연구가 다수 진행되었다. 이명주와 김정운(2015)은 국가별 에너지효율 평가 도구를 비교 분석해 ECO2 프로그램의 개선 방향을 제시하긴 하였다. 그러나 프로그램 전반에 걸친 한계점을 분석하여 향후 개선 방향을 제시하는 기초 자료로는 활용이 가능하나 한계점을 모두 고려하여 개선 방안으로 적용하기에는 현실적으로 어려움이 따른다. 이아람 외(2016)는 ECO2와 실제 난방에너지 사용량을 비교해 지역별 난방 보정계수를 산출하였는데, 평가 프로그램 개선을 위해 고려한 용도별 에너지가 난방에만 국한되어 있으며 해당 연구에서는 보정계수 이외의 운전시간 등 운영프로파일의 개선은 연구 범위에 포함되지 않았다. 최현웅 외(2013)는 월간에너지 부하 계산을 기반으로 하는 ECO2 로직에 국내 환경 조건에 맞는 유효계수를 적용 하면 오차가 개선 될 것 이라고 주장하였다. 환경 조건에 맞는 유효계수를 수정하여 시뮬레이션 오차를 개선하는 과정은 Corrado et al. (2007)과 Kokogiannakis (2008) 등 여러 선행 연구에 의해서 검증된 오차 개선 방법론이다. 다만, 해당 연구에서는 유효계수에 따른 냉난방 부하 변동 결과를 비교하는데 연구의 초점을 두고 실질적인 운영프로파일 등을 고려한 Energy Plus 결과를 기준으로 연구를 진행하였으며 때문에 입력 조건 수정이 제한적인 ECO2에서는 실제 사용량 기준 오차 개선에 대한 확인이 요구된다.
선행연구에서 살펴보았듯이 대부분의 ECO2 프로그램의 비교 분석 연구들은 프로그램의 상세나 내부 알고리즘 차이에 따른 오차율 개선에 초점이 맞추어져 있다. 현장 답사를 통해 운영 중인 건물에서 측정된 실제 에너지 사용량과 비교를 통해 프로그램 성능을 평가한 연구는 드물다. 특히 현재 에너지 등급평가의 기준이 되는 본 인증 시 ECO2 시뮬레이션 결과와 실제 건물의 에너지 사용량 비교를 통한 프로그램 성능 평가는 이루어지지 않았다. 더 나아가 프로그램 사용자 권한의 한계로 건물 에너지 시뮬레이션에 주요한 영향을 미치는 현장 조사된 운영프로파일을 ECO2에 적용하여 프로그램의 개선 정도를 분석한 연구는 전무하다.
이에 본 연구에서는 현장 측정을 통해 운영 중인 건물의 연간 용도별 에너지 사용량 및 건물 운영 정보를 확보하고 본 인증 시 ECO2의 결과와 비교를 진행하고, 관련기관의 도움을 받아 ECO2의 설정 입력 값을 수정하여 조사된 실제 건물 운영프로파일을 적용하여 본 인증 평가 대비 오차 개선 효과를 분석하고자 한다.
ECO2 입력데이터 특성 및 연구범위와 방법
앞서 언급 했듯이 본 연구의 목적은 본 인증 평가 결과와 실제 건물 에너지 사용량의 오차를 분석하고, 입력데이터 수정을 통해 오차 개선 정도를 분석하는데 있다. ECO2에서 수정하거나 고려하기 어려운 입력데이터 항목은 선행 연구(손원득과 최영식, 2012)에 의해 다음 5가지 항목으로 분류할 수 있다 : i) 공조스케줄 및 냉동기 구현, ii) 환산계수, iii) 사용프로필, iv) 기상데이터, v) 신재생에너지.
이 중 첫 번째 항목인 공조 스케줄 및 냉동기 구현은 ECO2에서 지원하는 공조용 열원장치 입력 및 공조방식 설정 제한에 따른 내용이며, 그 예로 ECO2에서는 빙축열 시스템이나 바닥 복사냉난방 시스템 등은 구현 할 수 없다. 신재생 에너지의 역시 에너지원 선택이 지열, 태양광, 태양열, 열병합발전 4가지로 제한적임을 지적하였으나 두 항목 모두 현장 조사 및 측정을 통해 수정이 가능한 요소가 아닌 알고리즘 및 프로그램 인터페이스 전반에 걸친 변경이 이루어 져야 하므로 해당 입력데이터 수정에는 현실적 어려움이 따른다. 두 번째 항목인 환산계수는 1차 에너지로부터 2차 에너지 소요량을 환산 시 사용되는 계수이다. 환산계수는 건축물에너지효율등급 인증제도 운영규정에 따라 결정 되는 것으로 본 연구의 목적과는 거리가 있다. 기상데이터의 경우 ECO2는 기상데이터로 월별 평균 값을 사용하고 있으며, 서울, 부산, 대구, 광주 등 13지역의 주요도시에 대한 기준 데이터를 이용하고 이외의 지역은 건물 소재지와 가장 인접한 도시의 기상데이터를 사용하는 방식을 택하고 있고 있다. 실측 기간에 해당하는 기상데이터를 기상청 홈페이지를 통해 확인한 결과 ECO2 설정 값과 월평균 1.04℃ 정도만의 오차만을 보여, 본 연구의 범위는 건물 운영프로파일에 한정한다.
연구는 최근 건축물 에너지 효율등급을 받은 두 대상건물을 선정해 현장 답사를 실시하고 건물 운영 프로파일 및 부문별 에너지 사용량을 조사하였다. 여기서 운영프로파일 조사는 본 인증 평가 시 적용되었던 용도가 실제로 사용되고 있는 지 등을 파악하는 내용도 포함된다. 조사된 건물에너지 사용량과 본 인증 시 계산된 에너지 소요량의 편차를 확인하기 위해 본 연구범위에 해당하는 입력데이터인 운영프로파일을 ECO2 제공데이터와 비교하였다. 이어서 입력데이터 수정을 통해 오차 개선 가능성과 정도를 분석하였다.
대상건물 현장조사 및 ECO2 시뮬레이션
대상건물 선정 및 현장 조사 방법
분석 대상 건물은 전라남도 나주에 소재한 2개의 업무시설을 선정하였으며 각각 2013과 2014년에 본 인증 시 1등급을 받은 건축물로 건물 개요는 Table 1과 같다. 대상 건물의 선정을 위해 전국의 40개의 인증 건물을 대상으로 현장 답사를 실시하였으며, 그 중 비교적 측정 이력이 상세한 두 건물을 선정하였다.
현장답사는 대상건물의 에너지 사용량 및 운영 프로파일 조사를 주된 목적으로 진행 하였다. 에너지 사용량 데이터 근거가 된 자료는 Building I의 경우 2016년 12월부터 2017년 11월까지 1년 동안 열원별 고지서 정보를 활용 하였으며, Building II는 2017년 1월부터 12월까지 열원별 고지서와 설치된 BEMS (Building Energy Management System)에 기록된 정보를 활용하였다. 조사된 에너지 사용량 데이터는 주요 사용 시스템을 근거로 사용처를 확인하여 냉방, 난방, 급탕, 조명, 환기로 재분류 하여 부문별 단위면적당 연간 1차 에너지 소요량을 산출하였다. 운영프로파일은 설비 운영일지 수집 , 운영/관리자 인터뷰, 대표실 점검을 통해 조사한 데이터를 종합적으로 고려해 운영현황을 파악하였다.
실 용도별 실제 운영프로파일 조사
ECO2에서는 건축 내의 실 용도를 주거 공간, 대규모 사무실, 회의실 및 세미나 실 등 20가지로 나누고 각 실에 대한 운영 프로파일을 고정된 값으로 설정하고 있으며 세부 항목은 다음과 같이 정리 할 수 있다 : i) 사용시간과 운전시간 – 사용 시작(종료)시간 , 운전 시작(종료)시간, ii) 설정 요구량 – 최소도입 외기량 , 급탕 요구량 , 조명 시간, iii) 발열원 – 사람, 작업보조기기, iv) 실내공기온도 – 냉(난)방 설정온도, v) 월간 사용일수 – 월별 사용일수.
이 중 운전 시간 및 설정온도 등 정량적 요소는 비교적 조사가 용이하나 요구량과 발열원별 발열량, 월간 사용일수 등은 단기간 현장 측정만으로 데이터를 확보하기 어려움이 따른다. 이에 최소도입 외기량과 월간 사용일수는 ECO2 제공 실별 운영프로파일 기본 값을 적용하였으며, 인체 발열의 경우 재실자 수에 따른 인당 발열량을 ISO 7730의 인체발열량에 기준하여 계산하였다.
실용도 변경 사례 조사
앞선 조사에서 알 수 있듯이 ECO2에서 건물 운영 프로파일은 해당 실의 용도 설정에 따라 결정되어진다. 따라서 정확한 실용도 구분은 ECO2 에너지 시뮬레이션에서 매우 중요한 요소이다. 따라서 ECO2 tpl 파일 분석을 통해 본 인증 시 적용된 실 용도대로 준공 후 실제 운영되는지를 확인하는 등 대상건물의 용도변경 사례를 조사하였다.
EOO2 입력 값 수정 시뮬레이션
본 연구의 목적에 따라 실 용도별로 설정된 운영 프로파일 내용을 실제 운영프로파일 정보로 수정하여 ECO2 시뮬레이션 결과를 확인하고자 한다. 다만 본문에 언급되었듯이 ECO2는 일반 사용자가 임의로 운영프로파일을 수정할 수 없으므로 관련기관에 수정된 내용으로 에너지 시뮬레이션을 요청하여 결과를 확인하는 방식으로 연구가 진행되었다. 프로파일 변경 항목은 대상건물의 실용도별 운전시간, 조명시간, 기기 및 인체발열량 그리고 냉난방설정온도 등이며 대상 건물에 여러 실이 용도가 중복 될 경우 조사된 실 용도 데이터의 평균값을 적용하였다.
또한 용도프로필 수정을 통한 개선 효과를 확인하기 위해선 대상 건물의 용도프로필을 구성하고 있는 모든 인자에 대한 변경이 동시에 이루어져야 하나 개별 인자의 변경에 따라 계산된 에너지소요량 결과만을 산정할 수 있었다. 용도프로필을 구성하고 있는 개별 인자가 서로 간의 간섭이 없는 인자인 점을 감안하면 , 에너지시뮬레이션의 특성상 개별 인자를 변경하였을 때 발생한 결과의 편차가 온전히 변경된 인자에 기인한 것으로 판단할 수 있다. 따라서 용도프로필의 개별 인자의 수정이 본 인증 시 에너지 사용량을 기준으로 결과에 미치는 영향을 조합하여 전체 운영프로파일 변동 효과를 묘사하였다.
현장조사 및 시뮬레이션 결과
용도별 운영 프로파일 비교
현장 운영프로파일 조사결과와 ECO2 제공 운영프로파일을 비교한 결과는 Table 2와 같으며, 현장 조사는 건물의 모든 실을 대상으로 이루어 졌지만 해당 표에서는 업무시설 건물의 주용도 결과만을 정리하였다.
현장조사 결과 ECO2와 동일한 냉난방 설정온도를 적용하고 있었다. 사무실의 경우 두 건물 모두 운전시간이 ECO2에서 정의된 값에 비해 3시간 적었으며, 조명시간은 건물별, 용도별로 상이한 값을 보였다. 작업보조기기, 인체발열과 같은 발열 항목은 실용도 전체에 걸쳐 비교적 큰 오차를 보이고 있다. 다만 조사 결과는 현장조사의 한계로 재실자의 부재율 등을 고려한 평균 수치를 완벽히 산출하지는 못하였다. 본 비교 결과는 실제 건물 운영프로파일 적용을 통한 ECO2 에너지 소요량 오차 개선 효과를 확인하기 위한 과정으로 ECO2에서 제공된 운전 프로파일의 정확도 평가를 의미하진 않는다.
실용도 변경 사례 조사
앞서 언급했듯이 ECO2의 운영프로파일은 해당 실의 용도 설정만으로 결정되기 때문에 인증 시 적절한 실 용도를 적용하는 것이 에너지 소요량 계산의 정확도 측면에서 매우 중요하다. 하지만 현장 조사 결과 실제로는 일부 실용도가 변경된 상태로 사용 중인 것으로 조사되었다. 본 인증 대비 건물별 용도 변경 내용은 각각 Table 3과 4에 정리하였다.
조사 결과 Building I의 경우 본 인증 시 평가에 적용되지 않았던 2개의 미사용 실이 ECO2 실 용도 기준 그 외 체류공간으로 활용 되고 있었으며 Building II의 경우 총 10개실이 인증 때 와 전혀 다른 용도로 활용 되고 있었다(Table 4의 괄호는 실의 개수를 말함). 대규모 사무실로 평가 받았던 대부분의 실이 현장 조사 결과 전산실로 사용되고 있었으며 ECO2에서 정의된 전산실과 대규모 사무실의 운영프로파일은 Table 2에서 확인 할 수 있듯이 실간의 사용 기기 특성 차이로 조명 시간 및 발열량에서 큰 차이를 보인다.
본 인증 에너지 소요량과 측정 사용량 비교
ECO2 프로그램의 성능 평가를 위해 대상 건물의 본 인증 시 계산되었던 1차 에너지 소요량과 실제 건물에서 사용한 1차 에너지 소요량을 비교 분석하였다. Table 5와 6은 대상건물의 용도별 에너지 사용량과 ECO2 본 인증 당시 계산된 에너지 소요량을 비교한 결과이며 오차의 경우 절대 오차를 사용하였다.
현장 조사 대상 건물 모두 냉난방 에너지 사용량이 전체 에너지 사용량의 높은 비율(Building I – 49% , II – 69%)을 차지하고 있으며, Building I의 경우 난방에너지는 상대적으로 비슷하였으나 냉방에너지는 실제 사용량 대비 50%수준으로 현저하게 과소평가 하였다. 실제로 해당 건물에서는 항온 항습기를 연중 가동해 냉방 에너지 사용량이 높은 것으로 확인 되었다. 다만, 급탕 및 조명 이외의 용도 에너지 사용량에서 실제보다 조금 높게 계산하면서 전체 에너지 소요량은 사용량 대비 12% 수준의 오차만 보였다.
Builidng II는 급탕 및 조명에너지 소요량은 사용량과 비슷한 수준의 오차를 보였으나 냉난방 모두 오차율에서는 큰 차이를 보였으나, 에너지사용량 비교에서 가장 큰 편차를 보인 부문은 Building I 과 같이 냉방인 것으로 조사되었다. 앞선 용도별 운영 프로파일 조사에서 알 수 있듯이 대규모 사무실로 분류되었던 실들이 실제로는 전산실로 운영 되고 있었으며 전산실은 실 특성상 다른 실에 비해 냉방부하가 많이 발생하게 된다. 전체 에너지 소요량은 18% 정도의 오차를 보였으며 해당 건물 역시 각 용도별 에너지 소요량의 편차가 기준 값의 위아래로 분포하면서 전체 에너지 소요량의 오차가 상쇄되었다.
Table 5. Comparison of primary energy consumptions between the measured and ECO2 results (Building I)  |
Table 6. Comparison of primary energy consumptions between the measured and ECO2 results (Building II)  |
현장조사 운영프로파일 적용 ECO2 에너지 소요량
본 인증 시 ECO2 입력데이터는 실제 건물에서 사용되고 있는 실의 용도와 운영프로파 일과차이를 보였으며 결과적으로 실제 에너지 사용량과 ECO2 계산 에너지 소요량에서 각각 12%, 18% 수준의 오차를 보였다.
이에 운영 프로파일 수정을 통한 에너지 사용량과 소요량 편차 개선 가능성을 확인하기 위해 사용 중인 실 용도와 실제 운영되고 있는 프로파일을 ECO2에 적용하여 1차 에너지 소요량을 계산하였으며 이는 Table 7과 8과 Fig 1과 2에 각각 정리하였다.
Table 7. Comparison of primary energy consumptions between the measured, initial, and modified ECO2 results (Building I)  |
Building I 의 경우 냉방에너지 소요량 부분에서 사용량과 56.3 kWh/m² 큰 차이를 보였었는데, 실제 운영프로파일을 적용하였을 때 0.6 kWh/m²의 편차만 보이며 뚜렷한 개선 효과를 확인 할 수 있었다. 반면 난방 급탕 환기에서는 오차가 조금 상승하였으나 전체 에너지 사용량에 대비해 그 정도는 미소한 것으로 판단된다. 최종적으로 Building I에서 현장 운영프로파일을 적용하였을 때 기존 - 12%였던 오차를 + 4% 정도로 개선할 수 있었다.
Building II 는 실제 건물 운영프로파일을 적용하였을 때 조명부문을 제외한 모든 용도별 에너지 소요량이 개선되었다. 특히 본 인증 시 에너지 사용량 대비 약 60% 수준의 오차를 보였던 냉방 부문은 13.3%로 오차가 개선되었다. 총 에너지 소요량은 본 인증 시 -18%였던 오차를 +14%로 개선되었음을 확인 할 수 있었다.
두 대상 건물 모두 실제 운전프로파일을 적용하였을 때 전체적으로 각각 8%, 4% 정도 오차가 줄어들었으나, 오차율 변화에 있어서는 각각 16% (-12.4→ +4.3%), 33% (-18.7→ +14.8%)로 상당한 변화를 확인할 수 있었다. 각 용도별 에너지 사용량에서의 오차 개선 효과는 더욱 뚜렷이 나타났다.
결 론
본 연구에서는 건물에너지효율등급 평가 프로그램인 ECO2의 성능 평가를 위해 프로그램에서 제공하는 입력데이터 및 시뮬레이션 결과를 현장답사를 통해 조사한 건물의 운영정보 및 에너지 계측 값과 비교 분석하는 연구를 진행하였다. 대상건물은 전라남도 나주에 위치한 2개의 업무시설 건물을 선정하였으며 현장 조사 결과 두 건물 모두 실의 사용 용도가 본 인증 시와 다르게 운영됨을 확인하였다. 운영프로파일 역시 작업보조기기, 인체 발열량 등의 항목에서 실제 건물 운영 정보와 큰 차이를 보였다. ECO2 계산 1차 에너지 소요량과 건물 1차 에너지 소요량은 Building I – 12% , Building II – 18% 수준이었으나, 냉방 1차 에너지 소요량 오차는 50% 내외로 분석되었다. 현장답사를 통해 조사된 건물 운영프로파일을 적용 하였을 때 ECO2의 오차는 실제 에너지 사용량 대비 10%내외였으며(Building1 – 4%, Building2 – 14%) 이는 본 인증 시 계산된 에너지 소요량보다 개선된 수치이다. 특히, Building I – 48%, Building II – 60% 수준의 큰 오차를 보였던 냉방에너지소요량은 실제 건물 운영프로파일을 적용하였을 때 Building I- 0.53%, Building II – 13%로 명확한 개선 효과를 보였다. 실제로 운전된 냉방 방식은 ECO2에서 정의된 해당 온도 운영 프로파일과 차이가 있었다.
본 연구에서는 건물에너지효율등급 인증프로그램인 ECO2의 성능을 실제 운영 중인 건물과 비교해 평가하였으며, 관련해서 프로그램에서 기준으로 제공하는 입력데이터가 오차에 미치는 영향을 분석하였다. 에너지 사용량과 ECO2 시뮬레이션 오차는 적절한 실용도와 운영프로파일을 수정하였을 때 성능 개선 가능성을 확인하였으며, 해당 연구 결과는 향후 건물에너지효율등급 평가에서 의미 있는 참고자료로 활용 될 수 있을 것으로 사료된다. 또한 현장 측정된 운영프로파일을 ECO2 사용자가 쉽게 입력할 수 있도록 인증 프로그램 개방성에 대한 논의가 필요할 것으로 보인다.
