Improving the Monthly Energy Demand Algorithm Using ISO 13786 Effective Thermal Capacity

Su-Hyun Lim

doi:10.22696/jkiaebs.20250028

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Research Article

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. 30 December 2025. 319-331
https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20250028

Improving the Monthly Energy Demand Algorithm Using ISO 13786 Effective Thermal Capacity

ISO 13786 기반 축열 특성 고려를 통한 냉난방 에너지요구량 월간법 알고리즘 보완 연구

Su-Hyun Lim¹^*

임 수현¹^*

¹Senior Researcher, Institute for Passive Zero Energy Building, Seoul, Korea

¹패시브제로에너지건축연구소 책임연구원

^{*Corresponding Author}

License (open-access, https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/):

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

ABSTRACT

This study proposes a supplementary algorithm for estimating the effective thermal capacity of building zones based on ISO 13786. Representative material combinations were derived for major building elements such as external walls, ceilings, interior walls, and floor slabs using literature data and field surveys. These were statistically validated and reformulated as effective heat capacity per unit floor area, which can be applied in monthly energy demand calculations. A case study demonstrated that the proposed approach more accurately reflects thermal capacity characteristic compared to the simplified classification of ISO 52016-1, while maintaining practical applicability. The results indicate that the method can enhance the accuracy of monthly heating and cooling demand estimation and contribute to the reliability of building energy performance assessments.

Keywords

ISO 52016-1

ISO 13786

Effective Thermal Capacity

Monthly Method

Heating and Cooling Energy Demand

키워드

ISO 52016-1

ISO 13786

유효 축열량

월간법

냉난방 에너지요구량

MAIN

서 론
연구의 배경 및 필요성
연구의 목적 및 범위
이론적 배경 및 선행연구
기존 에너지 성능 평가 프로그램 내 축열 반영 방식
선행 연구 고찰
ISO 52016-1 기반 월간법 축열 평가 방법
ISO 13786 기반 유효 축열량
축열 보완 알고리즘
대표 축열 유형 도출
천장 대표 축열 유형 도출
바닥 대표 축열 유형 도출
내벽 및 외벽 대표 축열 유형 도출
단위면적당 유효 축열량
사례 분석
결 론

서 론

연구의 배경 및 필요성

건축물의 에너지 성능 평가는 지속가능한 설계와 탄소중립 달성을 위한 핵심 과제로 인식되고 있다. 특히 우리나라를 포함한 다양한 국가에서는 건물부문의 에너지 소비가 전체 에너지 사용량의 20~40% 이상을 차지하고 있으며, 이에 따라 정확하고 신뢰성 있는 냉난방 에너지요구량 예측 기법의 필요성이 꾸준히 제기되어 왔다(Choi and Choi, 2014). 현재 국내 건축물 에너지 평가에서 주로 활용되는 월간법(monthly method)은 계산 절차가 단순하고 법적 인증 및 실무 적용에 적합하다는 장점이 있다. 그러나 실제 건물의 동적 특성을 충분히 반영하지 못한다는 한계가 있다. 특히, 건물 내부의 축열량(heat capacity)은 냉난방 에너지요구량 산정의 핵심 변수임에도 불구하고, 기존 월간법에서는 이를 단순화된 지표나 경험적 보정계수에 의존하는 경우가 많다.

그 결과, 동일한 외피 성능을 가지더라도 내부 축열 특성에 따른 온열응답 차이를 정확히 반영하기 어렵다. 국제 표준인 ISO 13786 (2017)은 부위별 축열 성능을 평가하기 위해 ‘10 cm 법칙’을 포함한 동적 해석 절차를 제시하고 있으며, ISO 52016-1 (2017)에서는 월간법 내에서 유효 축열량을 고려할 수 있는 틀을 제공하고 있다.

그러나 이러한 기준을 국내 실무 프로그램에 직접 적용하기에는 건물 구성의 복잡성과 입력자료의 한계가 존재한다. 즉, 사용자에게 세부 레이어 정보를 모두 입력하도록 요구하는 것은 비현실적이며, 따라서 대표 유형을 통한 통계적 단순화와 존 단위 축열량 산정 방식이 필요하다. 또한, 기존 연구는 대체로 건물 전체 차원의 평균값이나 특정 부위에 대한 실험적 분석에 집중되어 있어, 실제 설계 단계에서 요구되는 존 단위 유효 축열량 산정 방법은 미비한 실정이다.

존별 외벽, 천장, 내벽, 바닥을 분류하고 면적 가중합을 통해 순바닥면적당 유효 축열량을 도출하는 접근은, 설계자와 평가자가 동시에 활용 가능한 합리적인 해석 방법으로 기능할 수 있다. 따라서 본 연구는 ISO 13786 기반의 축열 특성 평가 기법을 참조하여, 존 단위 유효 축열량 산정 알고리즘을 제안하고 이를 월간법 냉난방 에너지요구량 평가에 적용함으로써 기존 방법의 한계를 보완하고자 한다. 이는 향후 건물 에너지 평가의 정밀도 향상과 실무 적용성 확대에 기여할 수 있을 것이다.

연구의 목적 및 범위

본 연구의 목적은 기존 건축물 에너지 성능 평가에서 간과되거나 단순화되어 온 유효 축열량을 ISO 13786 기반으로 재정의하고, 이를 월간법에 적용할 수 있는 보완 알고리즘을 제안하는 데 있다. 기존 월간법은 계산의 단순성과 실무 활용성을 갖추었으나, 축열 특성을 정량적으로 반영하지 못해 실제 냉난방 에너지요구량 예측과 괴리가 발생한다는 한계가 있다. 따라서 본 연구는 ISO 13786의 ‘10 cm 법칙’을 적용하여, 건물 부위별 축열 기여도를 합리적으로 평가하고, 이를 면적 가중합 방식으로 존 단위에 환산함으로써 보다 정밀한 냉난방 에너지요구량 예측이 가능하도록 하는 것을 목표로 한다.

연구 범위는 다음과 같이 한정된다. 첫째, 축열량 산정은 외벽, 천장, 내벽, 바닥의 네 가지 주요 부위를 대상으로 하며, 각 부위별 구성 재료는 문헌, 실태조사, 데이터베이스 등을 활용하여 통계적 조합 유형을 도출한다. 둘째, 유효 축열량은 순바닥면적당 단위 열용량(Wh/m²K)의 형태로 정의하며, 이는 ISO 13786의 유효 두께 산정 규칙을 적용하여 계산한다. 셋째, 제안된 산정식은 존 단위에서 면적 가중합 방식으로 적용되며, 건물 전체 평균값이 아니라 존별 특성을 반영한 유효 축열량 산출에 초점을 둔다. 넷째, 본 연구의 알고리즘 검증은 기존 월간법과의 비교 사례 연구를 통해 수행하며, 동적 시뮬레이션과의 세부 성능 비교는 연구 범위에서 제외한다.

이와 같이 본 연구는 기존 월간법의 단순성을 유지하면서도 ISO 13786 기반 축열 특성을 반영할 수 있는 보완 알고리즘을 제시하여, 국내 건축물 에너지 성능 평가의 정밀도와 신뢰성을 향상시키는 데 기여하고자 한다.

이론적 배경 및 선행연구

기존 에너지 성능 평가 프로그램 내 축열 반영 방식

건축물 에너지 성능 평가 프로그램에서 축열(유효 열용량)의 반영 방식은 크게 ① 동적 시뮬레이션 기반 프로그램과 ② 월간법 기반 프로그램으로 구분할 수 있다. 이 두 접근법은 단순히 계산 방식에서의 차이에 그치지 않고, 사용자가 입력해야 하는 자료의 수준과 형태에서도 뚜렷한 차이를 보인다.

먼저, EnergyPlus 및 TRNSYS와 같은 동적 시뮬레이션 도구는 모든 외피 부위(벽체·바닥·천장 등)의 상세 층별 재료 특성을 사용자가 직접 입력하도록 요구한다. 예를 들어 EnergyPlus에서는 Material 객체에 열전도율(λ), 밀도(ρ), 비열(c), 두께등을 정의하고, 이를 조합하여 Construction 객체를 구성해야 한다. TRNSYS (Type 56) 또한 유사한 방식으로 각 재료의 열물성을 층별로 입력받아, 차분법(Finite Difference Method)에 기반한 동적 해석을 수행한다. 따라서 이들 프로그램에서는 축열 효과가 입력된 모든 층의 물성을 종합적으로 반영하며, 결과의 정밀도는 사용자가 제공하는 재료 정보의 세밀함에 크게 의존한다.

반면, 월간법 기반 프로그램인 PHPP, EVEBI, ECO2 등은 입력 절차를 대폭 단순화하여 실무 적용성을 높이고 있다. PHPP는 사용자가 건물 구조를 경량 또는 중량으로 구분하여 선택하면, 매뉴얼에 사전 정의된 내부 열용량 값이 자동으로 적용되는 방식이다. 즉, 세부 재료 입력 없이 단일 분류 선택만으로 유효 축열량이 결정된다.

EVEBI는 보다 정교한 방식을 채택하고 있으며, 사용자가 벽·바닥·천장의 구성 재료와 두께를 층별로 입력하면 프로그램이 ISO 13786의 ‘10 cm 법칙’을 적용하여 유효 두께(최대 0.1 m)까지만 축열에 기여하는 것으로 간주한다. 또한, 단열재와 같이 열저항이 큰 재료층(λ ＜ 0.1 W/mK, R ≥ 0.25 m²K/W)은 자동으로 축열층에서 제외된다. 이후 산출된 면적당 유효 열용량은 이용계수(utilization factor)에 반영되어 냉난방 에너지요구량 산정에 활용된다.

국내의 ECO2는 가장 단순화된 축열 반영 방식을 채택하고 있으며, 프로그램 내부적으로는 독일 DIN V 18599-2 (2007) 규정을 참조한다. 해당 규정에 따르면 건물이 중간 또는 높은 축열 성능으로 분류되기 위해서는 천장 실링이 부재하고, 외피 부위에 외단열이 선행되어야 한다. 그러나 국내 건축 설계 및 평가 과정에서는 이러한 조건 충족 여부에 대한 검증 절차 없이, 단순히 구조체의 밀도를 기준으로 축열 성능을 평가하는 방식이 일반적으로 적용되고 있다. 이로 인해 실제 건물의 내·외부 마감 조건이나 단열 배치에 따른 축열 성능 차이가 반영되지 못하는 한계가 존재한다.

종합하면, EnergyPlus와 TRNSYS는 상세 재료 물성치와 층별 구조 정보를 기반으로 한 물리적 접근을 통해 축열 효과를 정밀하게 반영하지만, 입력 자료 요구 수준이 높아 실무 적용성이 제한된다. 반대로 PHPP, EVEBI, ECO2와 같은 월간법 기반 프로그램은 사용자 입력 부담을 최소화하기 위해 축열 특성을 카테고리 선택 또는 보정계수 활용 방식으로 단순화하여 반영한다. 이로써 실무 친화성은 확보되지만, 실제 건물의 다양한 축열 특성과 동적 응답을 세밀하게 고려하기에는 본질적인 한계가 존재한다.

선행 연구 고찰

건축물 에너지 성능 평가에서 유효 축열량은 냉난방 에너지요구량 예측의 핵심 변수로 인식되어 왔다. 기존 연구는 주로 건물 전체 차원에서 단순화된 지표를 제시하거나 특정 부위의 축열 특성을 독립적으로 분석하는 방식으로 진행되었으나, 실제 설계 및 시뮬레이션 단계에서는 존별 특성을 반영한 산정이 보다 합리적이다.

Williamson (2011)은 mass-factor 개념을 통해 축열량을 단순화하여 설계에 반영하는 방법을 제안하였고, Reilly and Kinnane (2020)은 transient energy ratio와 effective U-value를 도입하여 열용량의 동적 기여도를 정량화하였다. 그러나 이들 연구는 건물 전체를 대표하는 지표화에 초점이 있어 공간별 특성을 구분하기에는 한계가 있었다.

또한 Saldanha (2013)는 단열 조건과 개구부 비율에 따른 벽·바닥의 축열 영향을 분석하였으며, Staszczuk et al. (2019)은 바닥 축열량 증대가 여름철 과열 억제에 효과적임을 실험적으로 제시하였다.

종합하면 기존 연구는 ① 건물 전체 지표화(Williamson, 2011; Reilly and Kinnane, 2020), ② 공간 단위 성능 평가(Saldanha, 2013; Staszczuk et al., 2019)로 구분된다. 그러나 존 단위로 외벽·천장·내벽·바닥의 대표 유형을 면적 가중합하여 순바닥면적당 유효 축열량을 정의하는 접근은 거의 시도되지 않았다. 따라서 본 연구는 이러한 선행연구를 토대로 존 단위 축열량 산정 알고리즘을 제안하고, 월간법 기반 에너지 요구량 평가를 보완하고자 한다.

ISO 52016-1 기반 월간법 축열 평가 방법

ISO 52016-1 (2017)에서는 건물의 유형(Class)에 따라 유효 열용량을 적용하는 방식을 제시하고 있다. ISO 52016-1 (2017)에서 제시하는 유형별 순 바닥 면적당 유효 열용량은 아래 Table 1과 같다.

Table 1.

Simple method to determine the internal effective heat capacity. A_NF is the useful floor area of the thermal zone

Class		Effective heat capacity
Class		(J/K·m²)·m²	(Wh/m²·K)·m²
Very light	Construction containing no mass components, other than e.g. plastic board and/or wood siding, or equivalent	80,000 × A_NF	22.2 × A_NF
Light	Construction containing no mass components other than 5 to 10 cm lightweight brick or concrete, or equivalent	110,000 × A_NF	30.6 × A_NF
Medium	Construction containing no mass components other than 10 to 20 cm lightweight brick or concrete, or less than 7 cm solid brick or heavy weight concrete, or equivalent	165,000 × A_NF	45.8 × A_NF
Heavy	Construction containing 7 to 12 cm solid brick or heavy weight concrete, or equivalent	260,000 × A_NF	72.2 × A_NF
Very Heavy	Construction containing more than 12 cm solid brick or heavy weight concrete, or equivalent	370,000 × A_NF	102.8 × A_NF

ISO 13786 기반 유효 축열량

국제 표준인 ISO 13786은 부위별 축열 성능을 평가하기 위해 ‘10 cm 법칙’을 포함한 동적 해석 절차를 제시하고 있다. 유효 축열량은 구조체 중, 일정 열전도율 이상을 갖는 재료층의 열용량을 유효 깊이까지만 고려하여 산정한 축열능력(Wh/K)을 의미한다.

이는 실내 환경의 온도 안정화에 기여하는 실질적 열 저장능력을 정적 해석 체계 내에서 정량적으로 반영하기 위한 보정 개념으로, 아래의 식과 같이 축열량 산정방식을 제시하고 있다.

(1)

C_{w i r k} = \sum_{i} (c_{i} ∙ ρ_{i} ∙ d_{i} ∙ A_{i})

여기서, $c_{i}$ 는 재료의 비열(kJ/kgK)이고, $ρ_{i}$ 는 재료의 밀도(kg/m³)이고, $d_{i}$ 는 유효 두께(m)이며, $A_{i}$ 는 구조체의 면적을 의미한다.

또한, 건물 부위별 동적 저장 및 방열을 평가하기 위해 각 구조체의 축열량 계산 방식을 정의하고 있으며, 전체 두께가 아닌 열전도 특성 및 실내 노출 여부에 따라 실질적으로 열축열에 기여하는 층만을 고려하도록 유효 두께를 규정하고 있다. 유효 두께 산정 시 다음과 같은 규칙이 적용된다.

1) 최대 유효 두께 : d_max = 0.1 m

2) 내벽의 유효 두께 : 벽 두께의 절반(최대 0.1 m)

3) 열저항이 큰 단열층(λ ＜ 0.1 W/mK, R ≥ 0.25 m²K/W)은 축열층으로 간주하지 않음

축열 보완 알고리즘

대표 축열 유형 도출

축열량 산정은 외벽, 천장, 내벽, 바닥의 네 가지 주요 부위를 대상으로 하며, 각 부위별 구성 재료는 실태조사 및 기존 문헌 자료(ASHRAE Standard Method of Test for Evaluation of Internal Heat Capacity (ASHRAE, 2021); ASHRAE 2021 IECC 설계 지침 (ICC, 2021))를 토대로 수집된 사례들을 통계적으로 분석하였다.

천장 대표 축열 유형 도출

천장의 경우, 크게 노출 천장과 천장 실링으로 구분하여 대표적인 축열 유형을 제시하였다. 실링 마감된 천장의 경우, 아래 마감재 이후에 플래넘 레이어(plenum space, 공기층)가 존재하는 경우가 대부분으로, 유효 두께는 실링 마감재만을 포함한다(ASHRAE, 2017).

본 연구에서는 수집된 사례을 통계적으로 분석하여, 실링 마감재로서 가장 높은 빈도를 보이는 석고보드와 목재합판을 대표 재료군으로 도출하였다. 이들의 열물성치는 ISO 10456 (2007) 및 DIN 4108-4 (2007)을 근거로 범위를 설정하였으며, Table 2와 같이 유효 두께 범위 내에서 적용 가능한 조합 유형을 정리하였다.

Table 2.

Representative material combinations within the effective thickness range for ceiling finishes

Types of layers within the effective thickness		$c$	𝜌	$d$
Types of layers within the effective thickness		[kJ/kg·K]	[kg/m³]	[mm]
Type 1	Gypsum board	0.85 - 1.1	700 - 950	9.5 - 25
Type 2	Plywood	1.6 - 2.5	400 - 700	12 - 30

본 연구에서 산출된 석고보드 및 목재 합판을 포함한 천장 실링의 평균 유효 축열용량은 4.924 Wh/m²K이며, 표준편차는 2.318 Wh/m²K로 나타났다. 95% 신뢰구간은 4.710~5.138 Wh/m²K로 추정되었다. 한편, 석고보드(c = 1.1 kJ/kgK, ρ = 850 kg/m³, d = 19 mm) 조합의 계산 결과는 4.935 Wh/m²K로, 평균 대비 오차가 0.22% 에 불과하여 전체 데이터 분포의 중심 경향을 적절히 대표하는 값으로 판단된다.

노출천장의 경우, 철근콘크리트 구조체에 대하여 유효 두께(10 cm)만큼 축열량을 산정하는 방식으로 도출하였다. 본 연구에서 적용한 노출천장의 철근콘크리트 열물성치 범위는 아래 Table 3과 같다.

Table 3.

Representative material combinations within the effective thickness range for exposed ceilings

Types of layers within the effective thickness		$c$	𝜌	$d$
Types of layers within the effective thickness		[kJ/kg·K]	[kg/m³]	[mm]
Type 1	Reinforced concrete	0.85 - 1.0	2200 - 2500	100

본 연구에서 산출된 철근콘크리트 노출 실링의 평균 유효 축열용량은 60.382 Wh/m²K이며, 표준편차는 4.800 Wh/m²K로 나타났다. 이에 기반하여 산출된 95% 신뢰구간은 57.82~ 62.94 Wh/m²K로, 데이터 분포의 불확실성을 고려할 수 있다. 한편, c = 0.9 kJ/kgK, ρ = 2400 kg/m³, d = 0.1 m 조합에서 계산된 값은 60.0 Wh/m²K로, 평균 대비 오차가 0.382 (0.6%)에 불과하다. 이 값은 95% 신뢰구간 내에 포함되므로, 해당 조합은 전체 데이터 분포의 중심 경향을 통계적으로 대표할 수 있는 값으로 간주할 수 있다.

바닥 대표 축열 유형 도출

바닥의 경우, 건식 마감 유형과 습식 바닥 유형으로 구분할 수 있다. 건식 바닥의 유형은 합판 마감, OSB 합판, 석고보드, 탄성매트, 단열재, 철근콘크리트로 구성되며, 이 중 유효 축열용량은 열전도율이 0.1 W/mK 미만인 범위까지만 해당하므로 합판 마감, OSB 합판, 석고보드 조합에 대해 검토하였다(Table 4).

Table 4.

Representative material combinations within the effective thickness range for interior walls with dry finishes and an air cavity or insulation layer

Types of layers within the effective thickness		$c$	𝜌	$d$
Types of layers within the effective thickness		[kJ/kg·K]	[kg/m³]	[mm]
Type 1	Plywood flooring	1.6 - 2	700 - 900	8 - 10
	OSB	1.7 - 1.9	600	15
	High density gypsum board	0.9	1000	25 - 30

본 연구에서 산출된 건식 바닥의 평균 유효 축열용량은 14.975 Wh/m²K이며, 표준편차는 0.871 Wh/m²K로 나타났다. 이에 따른 95% 신뢰구간은 14.871~15.079 Wh/m²K로, 합판 마감(c = 2.0 kJ/kgK, ρ = 900 kg/m³, d = 0.009 m), OSB 합판(c = 1.7 kJ/kgK, ρ = 600 kg/m³, d = 0.015 m), 고밀도 석고보드(c = 0.9 kJ/kgK, ρ = 1000 kg/m³, d = 0.025 m) 조합에서 계산된 값인 15.0 Wh/m²K는 평균 대비 오차가 0.025(0.2%)에 불과하다. 이 값은 95% 신뢰구간 내에 포함되므로, 해당 조합은 전체 데이터 분포의 중심 경향을 통계적으로 대표하는 값으로 간주할 수 있다.

습식바닥으로는 섬유바닥, 몰탈, 흡음재, 철근콘크리트로 구성된 조합과 섬유바닥, 몰탈, 무근콘크리트, 흡음재, 철근콘크리트로 구성된 조합에 대하여 검토하였다. 이 중 유효 축열용량은 열전도율이 0.1 W/mK 미만인 범위까지만 해당하므로 이에 따른 10 cm 유효 두께 범위내 재료 범위는 다음 Table 5와 같다.

Table 5.

Representative material combinations within the effective thickness range for interior walls with dry finishes and an air cavity or insulation layer

Types of layers within the effective thickness		$c$	𝜌	$d$
Types of layers within the effective thickness		[kJ/kg·K]	[kg/m³]	[mm]
Type 1	Textile flooring	1.3	200	5 - 8
Type 1	Mortar	0.85 - 1	1800 - 2300	30 - 80
Type 2	Textile flooring	1.3	200	5 - 8
	Mortar	0.85 - 1	1800 - 2300	30 - 40
	Concrete	0.85	2000 - 2300	50 - 55

이를 통해 산출된 습식바닥의 평균 유효 축열용량은 39.566 Wh/m²K이며, 표준편차는 9.469 Wh/m²K로 나타났다. 이에 따른 95% 신뢰구간은 39.135~39.997 Wh/m²K로 추정된다. 한편, 섬유 바닥(c = 1.3 kJ/kgK, ρ = 200 kg/m³, d = 0.008 m), 몰탈(c = 0.85 kJ/kgK, ρ = 2000 kg/m³, d = 0.030 m), 무근콘크리트(c = 0.85 kJ/kgK, ρ = 2100 kg/m³, d = 0.050 m) 조합에서 계산된 값은 39.537 Wh/m²K로, 평균 대비 오차가 0.029(0.07%)에 불과하다. 이 값은 95% 신뢰구간 내에 포함되므로, 해당 조합은 전체 데이터 분포의 중심 경향을 통계적으로 대표할 수 있는 값으로 간주할 수 있다.

내벽 및 외벽 대표 축열 유형 도출

내벽의 경우, 건식 마감재에 의한 경량 축열 구조체와 습식 구조체에 의한 중량 축열 구조체로 구분될 수 있다. 특히 건식 마감재에 공기층 또는 단열재가 포함된 경우, 실태조사 및 문헌 검토 결과 석고보드와 목재 합판이 가장 높은 빈도로 사용되는 대표 재료 군으로 도출되었다. 이에 따라 본 연구에서는 ISO 10456 (2007) 및 DIN 4108-4 (2007)을 근거로 이들의 열물성치 범위를 설정하였으며, Table 6에 유효 두께 범위 내에서 적용 가능한 조합 유형을 정리하였다.

Table 6.

Representative material combinations within the effective thickness range for interior walls with dry finishes and an air cavity or insulation layer

Types of layers within the effective thickness		$c$	𝜌	$d$
Types of layers within the effective thickness		[kJ/kg·K]	[kg/m³]	[mm]
Type 1	Gypsum board	0.85 - 1.1	700 - 950	12.5 - 25
Type 2	Plywood	1.6 - 2.5	400 - 700	12 - 18

본 연구에서 산출된 석고보드 및 목재 합판을 포함한 내벽 마감재의 평균 유효 축열용량은 4.201 Wh/m²K이며(표준편차 1.27 Wh/m²K, 95% 신뢰구간 4.062~4.340 Wh/m²K), 석고보드 (c = 1.05 kJ/kgK, ρ = 900 kg/m³, d = 0.016 m) 조합에서 계산된 값은 4.200 Wh/m²K로, 평균 대비 오차가 0.001 (0.02%)에 불과하다. 이는 95% 신뢰수준(α = 0.05)에서 추정된 신뢰구간 내에 포함되므로, 해당 조합은 전체 데이터 분포의 중심 경향을 통계적으로 대표할 수 있는 값으로 간주할 수 있다.

또한, 습식 구조체로 구성된 내벽은 몰탈과 같은 습식 마감재를 적용한 경우와 석고보드와 같은 건식 마감재를 덧붙인 경우로 구분할 수 있다. 본 연구에서는 이에 따라 각 유형별 열물성치 범위를 설정하고, Table 7에 유효 두께 범위 내에서 적용 가능한 조합 유형을 정리하였다. 특히 해당 조합에 포함되는 콘크리트 구조체는 노출 천장 유형에서 도출된 대표값(비열 c = 0.9 kJ/kgK, 밀도 ρ = 2400 kg/m³)을 고정값으로 적용하였으며, 두께에 대해서만 범위를 설정하여 검토하였다.

Table 7.

Representative material combinations within the effective thickness range for interior walls with wet construction

Types of layers within the effective thickness		$c$	𝜌	$d$
Types of layers within the effective thickness		[kJ/kg·K]	[kg/m³]	[mm]
Type 1	Gypsum board	0.85 - 1.1	700 - 950	12.5 - 15
Type 1	Reinforced concrete	0.9	2400	85 - 87,5
Type 2	Mortar	0.85 - 1.0	1800 - 2100	12.5 - 15
Type 2	Reinforced concrete	0.9	2400	85 - 87,5

본 연구에서 산출된 내벽 표본(총 528개)의 평균 유효 축열용량은 57.281 Wh/m²K이며, 표준편차는 0.908 Wh/m²K, 95% 신뢰구간은 57.203-57.358 Wh/m²K로 추정되었다. 이 중 몰탈(c = 0.85 kJ/kgK, ρ = 2000 kg/m³, d = 0.0125 m)과 철근콘크리트(c = 0.9 kJ/kgK, ρ = 2400 kg/m³, d = 0.0875 m)로 구성된 조합에서 계산된 값은 57.300 Wh/m²K로 산출되었다. 이는 평균 대비 오차가 0.019 (0.03%)에 불과하며, 전체 표본의 95% 신뢰구간 내에 포함된다. 따라서 본 조합은 몰탈+철근콘크리트 유형 중에서도 전체 데이터 분포의 중심 경향을 가장 잘 대표할 수 있는 유형으로 간주할 수 있다.

나아가, 이러한 내벽에 대한 대표 유형 산정 방식은 10 cm 유효 두께 규칙이 적용되는 외벽의 축열량 평가에도 동일하게 확장 적용할 수 있다.

단위면적당 유효 축열량

위 통계 방식을 통해 도출된 구조체 유형별 단위면적당 유효 축열량( $C_{w i r k, i} / A_{i}$ )은 아래 Table 8과 같다. 이를 식 (1)을 활용한 수식인 식 (2)를 적용하면, 존별 단위면적 당 유효 축열량을 구할 수 있다.

여기서, $c_{i}$ 는 구조체 유형별 재료의 비열(kJ/kgK)이고, $ρ_{i}$ 는 밀도(kg/m³)이고, $d_{i}$ 는 유효 두께(m)이다. 이들 값에 따른 $C_{w i r k, i} / A_{i}$ 은 구조체 유형별 단위면적당 유효축열량을 의미하며, $A_{i}$ 는 구조체의 면적을 의미하고, $A_{N F}$ 는 존의 순바닥면적을 의미한다.

과도하게 높은 축열량이 산정되지 않도록, 계산된 존별 단위면적당 유효축열량이 150 Wh/m²·K을 초과할 때, DIN V 18599-2의 최대 유효축열량인 150 Wh/m²·K으로 한정한다.

(2)

\frac{C_{wirk}}{A_{N F}} = \frac{\sum_{i} (c_{i} ∙ ρ_{i} ∙ d_{i} ∙ A_{i})}{A_{N F}} = \frac{\sum_{i} (C_{wirk, i} / A_{i} ∙ A_{i})}{A_{N F}} \leq 150 W h / m^{2} K

Table 8.

Effective thermal capacity per unit area by structural type

Structure type		Materials	$c$	𝜌	$d$	C_wirk / A
Structure type		Materials	[kJ/kg·K]	[kg/m³]	[mm]	[Wh/m²K]
Ceiling	Ceiling finish	Plywood	1.10	850	19	4.935
Ceiling	Exposed ceiling	Reinforced concrete	0.90	2400	100	60.382
Slab	Dry slab	Plywood flooring	2.00	900	9	15.000
		OSB	1.70	600	15
		High density gypsum board	0.9	1000	25
	Wet slab	Textile flooring	1.30	200	8	39.537
		Mortar	0.85	2000	30
		Concrete	0.85	2100	50
Wall	(With air cavity / insulation)+board	Plywood	1.05	900	16	4.200
	(With Concrete / Block)+mortar	Mortar	0.85	2000	12.5	57.300
	(With Concrete / Block)+mortar	Reinfcorced concrete	0.90	2400	87.5	57.300

사례 분석

본 연구의 알고리즘 검증은 기존 월간법과의 비교 사례 연구를 통해 수행하였다. 사례 건물은 아래와 같은 세 개의 존으로 구성된 건물로, 외벽, 내벽, 지붕, 층간바닥, 최하층바닥이 모두 적용될 수 있는 모델로 선정하였다(Table 9).

Table 9.

Geometric characteristics of the case-study building model divided into three thermal zones

	Zone1	Zone2	Zone3
Profile	Office	Lobby	Meeting room
Length	24 m	12 m	18 m
Width	8 m	8 m	12 m
Height	4.25 m	3.5 m	3.5 m
Net Floor Area	153.6 m²	76.8 m²	172.8 m²

사례 건물에 대하여 Table 10의 (실내측 기준) 경량 구조체와 Table 11의 중량 구조체 유형으로 구분 적용하여 검토하였다. 특히, 앞서 도출된 구조체의 단위면적당 유효 축열량을 경량 구조체에 대한 값과 중량 구조체에 대한 값으로 구분하여 적용하였다.

Table 10.

Effective thermal capacity per unit area for lightweight structural types (based on interior-side construction reference)

Structure type		d	λ	Type	C_wirk / A
Structure type		[mm]	[W/mK]	[-]	[Wh/m²K]
External Wall	EPS	200	0.035	(With air cavity / insulation)+board	4.2
	RC Concrete	150	2.3
	Air cavity	30	0.292
	Gypsum board	16	0.18
Roof	Mortar	30	1.6	Ceiling finish	4.935
	PIR	200	0.025
	RC Concrete	180	2.5
	Air cavity	30	0.313
	Gypsum board	19	0.18
Floor	Plywood board	9	0.17	Dry slab	15
	OSB	15	0.13
	High density gypsum board	25	0.18
	Acoustic insulation	20	0.033
	RC Concrete	250	2.5
	XPS	200	0.029
	Concrete	150	1.6
Internal Wall	Gypsum board	16	0.18	(With air cavity / insulation)+board	4.2
	Air cavity	30	0.292
	RC Concrete	150	2.3
	Air cavity	30	0.292
	Gypsum Board	16	0.18
Slab	Plywood board	9	0.17	Dry slab & Ceiling finish	15 & 4.935
	OSB	15	0.13
	High density gypsum board	25	0.18
	RC Concrete	180	2.5
	Air cavity	30	0.313
	Gypsum board	19	19

Table 11.

Effective thermal capacity per unit area for heavyweight structural types (based on interior-side construction reference)

Structure type		d	λ	Type	C_wirk / A
Structure type		[mm]	[W/mK]	[-]	[Wh/m²K]
External Wall	EPS	200	0.035	(With Concrete / Block)+mortar	57.3
	RC Concrete	150	2.3
	Mortar	12.5	1.6
Roof	Mortar	30	1.6	Exposed ceiling	60.382
	PIR	200	0.025
	RC Concrete	180	2.5
Floor	Textile flooring	8	0.17	Wet slab	39.537
	Mortar	30	1.6
	Concrete	50	1.6
	Acoustic insulation	20	0.033
	RC Concrete	250	2.5
	XPS	200	0.029
	Concrete	150	1.6
Internal Wall	Mortar	12.5	1.6	(With Concrete / Block)+mortar	57.3
	RC Concrete	150	2.3
	Mortar	12.5	1.6
Slab	Textile flooring	8	0.17	Wet slab & Exposed ceiling	39.537 & 60.382
	Mortar	30	1.6
	Concrete	50	0.18
	Acoustic insulation	0.033	20
	RC Concrete	250	2.5

위의 구조체는 모두 철근콘크리트 구조체로, ISO 52016-1 Table 1의 Class 중 Heavy (72.2 Wh/m²·K) 유형에 해당한다.

Table 12는 ISO 52016-1의 월간법 단순 방식과 본 연구에서 제안한 대표 유형별 유효 축열량 산정 방식을 비교하여, 존별 단위면적당 유효 축열량(C_wirk/A_NF) 및 해당 값을 적용했을 때의 냉난방 에너지요구량을 함께 제시한 것이다. 냉난방 에너지요구량은 EPB Center의 월간법 Energy Demand Tool을 활용하여 동일 조건에서 계산한 결과이다.

ISO 52016-1 방식에서는 모든 존에 동일한 축열량(72.2 Wh/m²·K)을 적용하기 때문에, 공간별 마감 및 구조체 구성 차이를 반영하지 못한다. 반면, 제안식에서는 Table 10과 Table 11에서 정의한 경량 및 중량 구조체 유형을 각각 적용하여, 실내측 재료 조합에 따라 존별 축열량이 다르게 산출된다.

그 결과, 경량 구조체의 경우 존 1-3에서 각각 29.3, 27.8, 25.5 Wh/m²·K 로 계산되어 ISO 52016-1 기준 대비 평균 62% 감소하였으며, 냉난방 에너지요구량은 평균 148 kWh/m²에서 113 kWh/m²로 약 24% 감소하였다. 반면, 중량 구조체 적용 시 존 1-3의 계산 결과(186.5, 204.8, 174.2 Wh/m²·K)는 실제 건물에서의 열용량 범위를 과도하게 초과하였으므로, 상한값을 150 Wh/m²·K로 제한하였다. 이로 인해 ISO 52016-1 기준(72.2 Wh/m²·K)보다 약 2배 높게 나타났으며, 이에 따라 냉난방 에너지요구량은 평균 149 kWh/m²에서 175 kWh/m²로 증가하였다.

결과적으로, 동일한 철근콘크리트 구조체라 하더라도 내부 마감재 구성에 따라 축열량의 차이가 최대 약 6배까지 발생하였으며, 이는 냉난방 에너지요구량에 직접적인 영향을 미친다.

Table 12에서 제안된 유효 축열량 값(Cₘ,eff/A)은 ISO 13786의 부록 A에서 정의한 유효 두께(0.1 m) 내 재료 조합의 물리적 특성을 그대로 반영하여 산출된 결과이다. 따라서 ISO 52016-1의 단순 분류값(72.2 Wh/m²·K)보다 더 높은 분해능을 가지며, 재료 물성치(ρ, c, d)의 실제 조합을 반영하므로 물리적으로 정합성이 높다. 본 연구에서는 각 존별 대표 조합의 축열량이 전체 표본 분포의 평균 ±95% 신뢰구간 내에 존재함을 확인하였으며, 이를 통해 제안값의 통계적 타당성을 검증하였다.

Table 12.

Effective thermal capacity per unit area for lightweight structural types (based on interior-side construction reference)

	Lightweight structural types				Heavyweight structural types
	ISO 52016-1 Method		Proposal Method		ISO 52016-1 Method		Proposal Method
	C_wirk / A	Energy demand	C_wirk / A	Energy demand	C_wirk / A	Energy demand	C_wirk / A	Energy demand
	Wh/m²·K	kWh/m²	Wh/m²·K	kWh/m²	Wh/m²·K	kWh/m²	Wh/m²·K	kWh/m²
Zone1	72.2	114	29.3	100	72.2	115	(186.5)150	125
Zone2	72.2	84	27.8	82	72.2	85	(204.8)150	88
Zone3	72.2	207	25.5	139.6	72.2	207	(174.2)150	257
AVG	72.2	148	27.5	113	72.2	149	150	175

결 론

본 연구의 알고리즘 검증은 ISO 52016-1의 월간법 산정 결과와의 비교를 통해 수행하였다. 이는 본 연구가 제안하는 알고리즘이 ISO 13786의 부위별 유효 축열량 계산 원리를 기반으로 하고 있으며, 해당 원리가 이미 EN ISO 52016-1 및 DIN V 18599-2의 국제 표준과 EVEBI 등의 상용 프로그램에서 검증된 해석 체계이기 때문이다.

따라서 본 연구의 제안식은 기존 월간법의 단순 평균값(고정값 72.2 Wh/m²·K)을 보완하여, ISO 13786의 10 cm 법칙에 따라 실제 축열 유효 두께 내에서 산출된 대표 재료 조합값을 통계적으로 반영한 것이다. 즉, 계산 절차 자체가 국제 표준식(ISO 13786, 2017)에 근거하기 때문에, 별도의 동적 시뮬레이션을 수행하지 않더라도 물리적으로 타당한 결과를 제공한다고 판단할 수 있다.

제안식의 정확성은 대표 유형 산정 시 통계적 검증을 통해 보완하였다. 즉, 각 부위별 400~800개의 재료 조합 표본으로부터 산출된 유효 축열량 분포에 대해 평균, 표준편차, 95% 신뢰구간을 산정하였으며, 제안된 대표 조합은 항상 이 신뢰구간 내에 포함되는 값으로 도출되었다. 이는 제안식이 데이터 기반의 통계적 대표성을 확보했음을 의미한다.

향후에는 동적 시뮬레이션(EnergyPlus, TRNSYS 등)과의 비교 검증을 통해 제안 알고리즘의 타당성과 일반성을 더욱 강화할 필요가 있다.

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DIN V 18599-2. (2007). Energy efficiency of buildings — Calculation of the energy needs, delivered energy and primary energy for heating, cooling, ventilation, domestic hot water and lighting — Part 2: Energy needs for heating and cooling of building zones.

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ISO 52016-1. (2017). Energy performance of buildings – Energy needs for heating and cooling, internal temperatures and sensible and latent heat loads.

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems ISSN:1976-6483(Print) 2586-0666(Online) 한국건축친환경설비학회논문집

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Improving the Monthly Energy Demand Algorithm Using ISO 13786 Effective Thermal Capacity

ABSTRACT

MAIN

Table 1.

Simple method to determine the internal effective heat capacity. ANF is the useful floor area of the thermal zone

(1)

Table 2.

Representative material combinations within the effective thickness range for ceiling finishes

Table 3.

Representative material combinations within the effective thickness range for exposed ceilings

Table 4.

Representative material combinations within the effective thickness range for interior walls with dry finishes and an air cavity or insulation layer

Table 5.

Representative material combinations within the effective thickness range for interior walls with dry finishes and an air cavity or insulation layer

Table 6.

Representative material combinations within the effective thickness range for interior walls with dry finishes and an air cavity or insulation layer

Table 7.

Representative material combinations within the effective thickness range for interior walls with wet construction

(2)

Table 8.

Effective thermal capacity per unit area by structural type

Table 9.

Geometric characteristics of the case-study building model divided into three thermal zones

Table 10.

Effective thermal capacity per unit area for lightweight structural types (based on interior-side construction reference)

Table 11.

Effective thermal capacity per unit area for heavyweight structural types (based on interior-side construction reference)

Table 12.

Effective thermal capacity per unit area for lightweight structural types (based on interior-side construction reference)

References

Simple method to determine the internal effective heat capacity. A_NF is the useful floor area of the thermal zone