Research Article

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. 30 December 2022. 531-546
https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20220045

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 그린 리트로핏 프로그램 개발

  •   프로그램 기획 및 개발과정

  •   프로그램 개발 결과

  • 그린 리모델링 대상 건물과 적용 기술

  •   그린 리모델링 대상 건물 개요

  •   그린 리모델링 적용 기술

  • EnergyPlus와 그린 리트로핏 프로그램 시뮬레이션

  •   EnergyPlus

  •   그린 리트로핏 프로그램

  •   프로그램 별 대상 건물 모델링 결과

  • 리모델링 전후 에너지 해석 결과 비교분석

  •   그린 리모델링 전후 에너지 성능 비교

  •   요소별 에너지 성능 비교

  • 결 론

서 론

2050 탄소중립을 위한 이행 방안으로 세계 각국은 국가 온실가스 감축목표 NDC (National Determined Contribution)를 선정하였으며, 우리나라는 2030년의 NDC를 2018년 배출량 대비 40% 감축하는 것을 목표로 하고 있다(Shin and Choi, 2022). 건물 부문의 온실가스 감축을 위한 방안은 신축 건축물에서 제로에너지 건축 의무화를 통한 건물 에너지 성능 강화와 기존 건축물의 그린 리모델링을 통한 에너지 성능개선이 있다. 현재 국내의 노후 건축물은 준공 후 20년 이상 지난 건축물이 전체 건축물의 58.2%로 과반 이상을 차지하고 있고, 30년 이상 건물도 37%를 차지하여 건물 부문 에너지 사용량에 큰 영향을 미치고 있다. 노후화된 건물은 외벽의 단열 성능 저하와 창호의 단열 및 기밀성능 저하, 냉난방 설비의 낮은 효율로 인한 손실 등으로 에너지 소비가 증가하여 건축물의 성능개선이 매우 중요하며, 이러한 이유로 온실가스 감축 로드맵 이행계획에 따른 기존 건축물 감축 목표량도 신축 건물 대비 매우 큰 실정이다(Kim et al., 2022).

국내의 그린 리모델링 사업은 2013년 국토교통부가 건축물 에너지 수요절감을 위한 그린 리모델링 활성화 방안을 경제계 장관회의에 상정하여 최종적으로 확정하면서 본격화되었으며, 2020년부터는 어린이, 노인등의 취약계층이 이용하는 노후 공공건축물을 대상으로 그린 리모델링 사업을 추진 중이다(Lee and Choi, 2022). 2021년과 2022년에 그린 리모델링 지역거점 플랫폼이 구축되어 전국적으로 노후 공공건축물의 그린 리모델링 사업이 확대될 것으로 예상된다. 국외에서는 그린 리모델링을 Green Remodeling, Energy Efficiency Retrofit, Green Retrofit, Deep Energy Retrofit 등의 용어로 사용하고 있으며, 노후 건축물의 에너지 성능을 향상과 온실가스를 감축은 물론, 거주자의 건강을 개선 분야로 인식하고 있으며, 국외의 연구사례(Jacobs et al., 2017)에서 500여 개의 주거 건물을 그린 리모델링하여 실내공기질의 개선 등을 밝힌 연구를 통해서도 알 수 있다.

그린 리모델링의 성공적인 수행을 위해서는 사전 에너지 성능 확인과 리모델링 후 에너지 성능평가가 중요하며, 이를 위해 분석 도구(Tool) 및 프로그램을 이용하여 성능평가를 실시하고 있다. 그린 리모델링이 정착된 국외에서는 소규모 업무용 건물에 대한 리트로핏 수요가 가장 많은데(Sherman et al., 2021), 이러한 소규모 업무용 건물의 그린 리모델링에 적용하기 위한 에너지 해석을 위한 분석 도구를 개발하여 그린 리모델링 사업에 활용하고 있다. 유럽에서는 엑셀 기반으로 작성하여 웹에서 제공하는 방식으로 사용자의 접근이 쉽게 개발하였고(Building Typology, 2022; Inspire Tool, 2022), 미국에서는 일찍이 중소규모의 업무용 건물 리트로핏 분석을 위해 동적 에너지 해석 프로그램인 EnergyPlus를 기반으로 하는 분석 도구들이 개발되어(Hong et al., 2015) 데이터베이스를 활용하여 고성능의 시뮬레이션을 쉽게 활용하는 연구(Lee et al., 2015)와 시뮬레이션 결과의 보정에 관한 연구(Sun et al., 2016)도 진행되었다.

국내에서는 주로 건축물 에너지 효율 등급 인증 평가 프로그램인 ECO2를 사용하여 에너지 성능개선 분석을 수행하고 있으며 최근의 연구(Lee et al., 2021)에서도 확인할 수 있다. 그린 리모델링 에너지 저감 효과 예측 Tool 구축을 위해 국내외 건물에너지 평가 툴을 비교한 후 EnergyPlus를 기반으로 하는 Design Builder를 이용하여 성능을 평가하거나(Ju et al., 2018) ECO2와 Design Builder의 해석 성능을 비교(Kim et al., 2022)하기도 하였다. 에너지 성능 해석 도구는 대부분 비전문가의 접근이 어렵기 때문에 비전문가를 위한 프로그램이 개발되기도 하였는데(Bang et al., 2018)주거용 건물만을 대상으로 하는 한계가 있었다.

따라서 본 연구는 전문지식이 없는 사용자가 접근할 수 있고, 비주거 건물에도 적용 가능하며, 그린 리모델링 시에 에너지 정확한 성능해석과 의사결정을 지원할 수 있는 프로그램의 개발과 성능 검증을 목적으로 한다. 정확한 성능해석을 위해서 검증된 동적열부하 해석 프로그램인 EnergyPlus를 해석 엔진으로 프로그램 내부에 탑재하였으며, 실제 리모델링이 완료된 건물을 대상으로 개발된 프로그램의 결과와 EnergyPlus의 시뮬레이션 결과를 비교하여 에너지 해석 성능을 검증하였다.

그린 리트로핏 프로그램 개발

프로그램 기획 및 개발과정

비주거 건축물의 리트로핏 의사결정을 위한 그린 리트로핏 프로그램은 사용자모드의 구분이 가능하고 EnergyPlus의 해석엔진을 사용하며, 데이터베이스(Database)를 활용하여 입력방식의 최적화가 가능하도록 기획 및 개발하였다.

사용자모드는 일반 사용자모드와 전문 사용자모드를 지원하도록 개발하였다. 일반 사용자모드는 건물 에너지, 건축설비 및 환경 그 외 전문적인 지식이 없는 사람도 건물의 준공년도, 건물의 외형, 냉난방 설비의 종류와 같은 최소한의 정보만으로도 에너지 성능 시뮬레이션 결과와 리트로핏 대안에 대한 비용분석 결과를 얻을 수 있도록 개발하였다. 이와 같은 절차를 프로그램에서 구현하기 위해 EnergyPlus에서 필요한 여러 입력 변수들은 대부분 모듈 처리하였고 데이터베이스화 하여 프로그램 내부에서 자동으로 불러올 수 있도록 개발하였다. 전문 사용자모드는 일반 사용자모드에서 추가적인 수정화면을 제공하여 사용자가 실제 건물에 해당되는 입력값들을 확인할 수 있고 좀 더 상세하게 구성하여 수정할 수 있게 개발하였다. 두 개의 모드 둘 다 기존의 EnergyPlus의 정밀 시뮬레이션을 위한 입력과 절차가 단순화되는 장점이 있다.

EnergyPlus를 해석엔진으로 사용하기 위해서 idf (Input Data File)의 생성과 쓰기, 읽기 기능이 필요하다. EnergyPlus에서 사용되는 idf 파일은 건물과 건물 내에 포함된 시스템을 설명하는 데이터가 포함된 ASCII 형태의 파일로 EnergyPlus를 시뮬레이션 엔진으로 구동하기 위한 정보를 담고 있으므로 반드시 이 파일이 만들어져야 한다. 따라서 그린 리트로핏 프로그램 내에서 idf 파일을 불러오거나 프로그램에 입력된 정보 또는 구축된 데이터베이스를 idf 파일로 변환하기 위해서 idf Reader 및 Writer를 개발하여 프로그램에 탑재하였다. 작성된 idf 파일은 idf Parser를 사용하여 값을 읽어드리는 것이 가능하며 idf Parser를 통해 자료구조에 적재도 가능하게 하였다.

EnergyPlus는 기본적으로 타 프로그램에서 실행할 수 있도록 배치파일(batch file)을 제공한다. 본 프로그램에서는 배치파일을 사용하여 프로그램 내부에서 실행 명령을 내리면 외부 EnergyPlus가 실행되도록 구성하였다. 프로그램 내부에서 ‘RunEPlus.bat’ 파일을 실행시키면 ‘RunEPlus.bat’ 파일은 에너지 분석을 위한 프로세스를 정리한 스크립트로 idf 파일을 읽어 들여 분석 대상 모델, 위치, 시뮬레이션 정보 등을 편집하여 각각의 해석 프로그램에 맞는 형태로 변환한다. 변환된 데이터를 idf 파일에서 지정한 알고리즘 및 해석방식대로 프로그램을 실행시켜 결과를 도출하도록 프로그램이 실행된다. 외부에서 실행된 EnergyPlus에서 결과를 출력하면 해당 결과를 분석하여 결과를 출력하며, 출력된 결과는 스프레드시트(Spreed Sheet) 형태의 파일로 저장할 수 있다.

idf 파일을 읽고 쓰는 것이 가능한 상태에서 건물 외형 형상을 확인하고 각 부재의 정보를 설정하기 위해 3-D Viewer를 개발하여 탑재하였다. 개발하는 프로그램의 주목적은 에너지 분석이므로 3-D Viewer는 오픈소스(Open Source)로 배포된 VTK (The Visualization ToolKit)라이브러리를 사용하였다. 개발된 지 오래되어 일부 상용화가 될 정도로 완성도가 있으며 사용자 커뮤니티도 활성화가 되어 있으므로 국내 및 국외의 분석 도구 개발에 많이 사용되고 있다. VTK 3D 뷰어의 시각화 Pipeline은 형상 데이터를 로드하여 VTK filter, mapper, actor 등을 거쳐 화면에 보이게 되며, 사용자는 화면을 조작함으로써 내부 프로그램의 입력 상태를 확인할 수 있도록 개발하였다.

그 외의 기술적인 상세한 내용은 앞서 개발과정 전체를 소개한 연구(Seong and Hong, 2022)에 수록되어있기 때문에 본 연구에서는 지면상 생략한다. Figure 1은 위에서 설명한 그린 리트로핏 프로그램의 주요 기능과 프로그램의 해석 절차를 도식화 한 것이다. 사용자모드에 따른 입력 및 출력과 관련된 절차, 데이터베이스의 연동 과정 그리고 프로그램 내부에 자체적으로 개발하여 탑재된 기능을 확인할 수 있다.

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Figure 1.

Key features and program execution procedures of the green retrofit program

프로그램 개발 결과

개발된 그린 리트로핏 프로그램의 각 화면구성은 Figure 2와 같다. Figure 2(a)은 프로그램 시작 시 사용자모드 선택 화면으로 일반 사용자모드와 전문 사용자모드를 선택할 수 있도록 개발한 결과이다. 다음은 Figure 2(b)와 같이 건물의 건축 정보를 입력하고 Figure 2(c)와 같이 건물의 설비정보를 입력하도록 개발하였다. 건축 정보 입력 시 건물의 가로 길이, 세로 길이, 층고, 층수, 창면적비를 입력하면 건물의 외형이 자동으로 생성된다. 정보 입력 시에 건물이 위치하는 지역을 선택한 후 준공연도를 입력하면 각 연도에 해당하는 설계기준에 맞는 열관류율과 같은 물성값을 개발과정에서 구축한 데이터베이스로부터 불러와 자동으로 프로그램 내부에서 idf 파일로 생성된다. 건물 부재의 물성값의 데이터베이스는 연도별 ‘에너지절약설계기준’을 참고하여 열관류율 값을 달리하도록 구축하였다. 설비정보의 입력은 냉난방 설정온도, 공조방식, 냉방설비, 난방설비를 입력할 수 있도록 개발하였다. 입력가능한 설비의 종류는 공조방식은 공기조화기(AHU), 팬코일유니트(FCU), VRF시스템이며, 각 공조방식에 따라서 냉동기와 보일러를 선택할 수 있다.

전문 사용자모드에서는 Figure 2(d)와 같은 3-D Viewer 화면을 제공하도록 개발되었다. 뷰어의 좌측 리스트에는 벽, 창호와 같은 건축 부재와 실(Zone)의 항목을 계층구조(Hierarchy)로 표시하여 사용자가 건물의 구조를 파악할 수 있도록 하였으며 선택하여 수정도 가능하도록 개발되었다. 우측의 형상화면은 사용자가 마우스로 선택하거나 회전, 이동 등을 할 수 있도록 하였다. 선택된 건물의 벽, 창호와 같은 부재와 존의 해당하는 입력값들은 Figure 2(e)와 같이 수정과 변경이 가능하도록 개발하였다.

Figure 2(f)는 그린 리트로핏 프로그램에 탑재된 EnergyPlus의 실행과정을 보여주는 화면의 결과이며 Figure 2(g)은 건물의 에너지 해석 결과의 출력을 나타낸다. 전문 사용자모드와 달리 일반 사용자모드는 건축 정보와 설비정보만 입력하면 바로 EnergyPlus로 시뮬레이션 된 결과를 얻을 수 있다.

본 연구에서 개발한 프로그램은 리트로핏 의사결정을 지원하는 기능도 구현하였는데, Figure 2(h)와 같이 외벽, 창호, 설비를 각각 3수준으로 구분하여 설정할 수 있으며, 일반 사용자모드에서는 자동 설정도 가능하도록 개발하였다. 외벽과 창호의 리트로핏 1수준은 노후화된 기존 건물의 열관류율에서 현재 열관류율 기준(Korea Energy Agency, 2018)으로 변경하는 것으로 하였으며, 2수준은 현재 기준대비 10%의 단열성능 향상, 3수준은 20%의 단열성능 향상으로 설정되도록 하였다. 설비의 리트로핏 1수준은 최근 리트로핏 사례에서 알수 있듯이 VRF시스템으로 설비교체가 된다는 가정하에 VRF 시스템의 제품 사양서를 조사하여 일반효율 하위 30%의 제품의 COP 평균값인 냉방 3.3 난방 4.0의 값을 가지는 장비로 교체하는 것으로 설정하였고, 2수준은 일반효율 제품의 평균 냉난방 COP(냉방 4.4, 난방 4.6), 3수준은 고효율 제품의 평균 냉난방 COP(냉방 5.5, 난방 6.4)를 각각 적용하였다.

건물의 리트로핏 설정에 따른 절감률과 리트로핏 비용은 Figure 2(i)와 같이 출력되며 Figure 2(j) 과같이 사용자가 지정한 리트로핏 수준에 대해 비용 대비 절감률에 대한 리트로핏 지수인 RI (Retrofit Index)도 출력되어 쉽게 여러 리트로핏 대안들에 대한 비교가 가능하게 하였다. 다만 본 연구에서는 프로그램의 에너지 해석 성능만을 비교 검증하였다.

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Figure 2.

Screenshot of the green retrofit program

그린 리모델링 대상 건물과 적용 기술

그린 리모델링 대상 건물 개요

리모델링은 강원도 정선군 소재의 공공 건축물을 대상으로 하였다. 대상 건축물은 보건소 건물이며 1종 근린생활시설로 철근콘크리트조의 지하 1층 지상 2층으로 건축면적은 266.06 ㎡이다. 2001년 준공된 이후 20년 이상 사용된 건축물로 에너지 성능과 효율 저하로 그린 리모델링을 추진하였다. 대상 건축물의 개요는 Table 1과 같으며 각 층의 평면은 Figure 3과 같다.

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Figure 3.

Floor plans of the target building

Table 1.

Overview of target building

Section Contents
Location Jeongseon-gun, Gangwon-do
Purpose Area A class 2 Exclusive residential area
Site Area 1,184 [㎡]
Floor Area Basement floor 26.07 [㎡]
First floor 257.66 [㎡]
Second floor 135.66 [㎡]
Total 419.39 [㎡]
Building coverage 266.06 ㎡ / 1,184 ㎡ x100 = 22.47[%] (Standard: 60%)
Floor Area Ratio 355.7 ㎡ / 1,184 ㎡ x100 = 30.04[%] (Standard: 250%)
Principal Use A class 1 Neighborhood living facilities
Number of Stories 2
Structure Reinforced Concrete
Building height 10.85 [m]

그린 리모델링 적용 기술

그린 리모델링을 위한 적용 기술은 패시브 설계기법, 액티브 설계기법 등 매우 다양하며, 건축물에 필요한 에너지 부하의 최소화는 물론 신에너지 및 재생에너지를 이용한 실제 에너지 소비량을 최소화할 수도 있다(Choi et al., 2021). 본 연구에서는 그린 리모델링과 관련된 다수의 기술을 검토한 후 대상 건축물에 적용 가능한 그린 리모델링 기술을 적용하였다. 적용된 그린 리모델링 기술은 그린 리모델링 사업의 필수요소 중 지붕의 단열성능 강화, 외벽의 단열성능 강화, 창호 교체, 조명 교체, 냉난방 시스템 교체의 다섯 가지다.

기존의 지붕은 Figure 4(a)와 같이 비드법 보온판 80 mm를 사용한 내단열로 구성되어 있었으나, Figure 4(b)와 같이 135 mm 경질 우레탄폼으로 단열을 강화하고 환기 이격재를 포함한 징크패널로 마감하였다. 지붕의 열관류율은 0.483 W/㎡·K에서 그린 리모델링 기술 적용 후 0.181 W/㎡·K로 단열성능이 향상되었다.

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Figure 4.

Section of roof before and after Green remodeling

기존의 외벽은 Figure 5(a)와 같이 비드법 보온판 50 mm를 사용한 내단열로 구성되어 있었으나, Figure 5(b)와 같이 기존 구조체에 120 mm PF 보드를 보강하여 단열을 강화하였다. 외벽의 열관류율은 0.642 W/㎡·K에서 그린 리모델링 기술 적용 후 0.218 W/㎡·K로 단열성능이 향상되었다.

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Figure 5.

Section of exterior wall before and after Green remodeling

기존의 창호는 Figure 6(a)와 같이 16 mm 복층유리가 설치되어 있었으나, 그린 리모델링 후 Figure 6(b)와 같이 31 mm 로이 3중창으로 변경하여 창호의 성능을 강화하였다. 창호의 열관류율은 2.1 W/㎡·K에서 1.3 W/㎡·K로 단열성능이 향상되었고 SHGC (Solar Heating Gain Coefficient)는 0.717에서 0.645로 변경되었다.

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Figure 6.

Section of window before and after Green remodeling

내부 조명은 기존의 LED를 철거하고 저전력 조명으로 설치하였다. 도면의 전기공사 냉난방 설비 시스템은 고효율 장비로 변경하였으며 난방 시 COP은 3.29에서 3.98로, 냉방 시 COP은 2.99에서 3.87로 각각 변경되었다. 그린 리모델링 기술 적용 전후의 건물 전경의 변화는 Figure 7과 같으며, 주요 변경된 내용을 요약하여 정리하면 다음 Table 2와 같다.

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Figure 7.

Front view of target building before and after green remodeling

Table 2.

Changes in values before and after Green remodeling

Items Before After
Roof U-Value [W/㎡·K] 0.483 0.181
Exterior wall 0.642 0.218
Floor 0.469 0.469
Window U-Value [W/㎡·K] 2.1 1.3
SHGC 0.717 0.645
Interior Light Lighting Power Density [W/㎡] 4.5 3.85
Heating & cooling system Heating COP 3.29 3.98
Cooling COP 2.99 3.87

EnergyPlus와 그린 리트로핏 프로그램 시뮬레이션

EnergyPlus와 개발된 그린 리트로핏 프로그램을 이용하여 리모델링 전후 대상 건물의 에너지 성능을 비교하였으며, 개발된 프로그램의 성능을 검증하였다. 각 프로그램의 시뮬레이션을 위한 방법은 다음과 같다.

EnergyPlus

EneryPlus 시뮬레이션은 9.3.0 version을 사용하였다. Openstudio를 사용하여 모델링 하였으며 건물의 외벽, 지붕, 창호, 조명밀도, 냉난방 설비는 앞서 기술한 그린 리모델링 적용 기술 전후의 값을 입력하였다. Figure 8은 Openstudio를 사용하여 대상 건물을 모델링한 결과이고, Table 3은 EneryPlus의 시뮬레이션을 위한 주요 입력값과 입력 조건을 요약하여 정리한 것이다. 해당 지역의 기상 데이터는 주요 지역별 기상 데이터를 *.epw 파일로 제공하고 있는 웹페이지(Climate.OneBuilding.Org, 2022)를 참고하여 정선군과 가장 가까운 영월지역의 기상 데이터를 사용하였다.

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Figure 8.

Target Building modelling Using Openstudio for simulation

Table 3.

Simulation Condition and Basic Input

Component Features
Site Location Yeongwol
Latitude: 37.18°N, Longitude: 128.46°E
Elevation 241.9 m
Hours Simulated [hour] 8760
HVAC System Sizing Autosize
Heating & cooling system VRF system
Building Operation Schedule 9:00~18:00
SetPoint [℃] Cooling 26, Heating 20
Output Timestep 1 Hour
Weather Data Yeongwol *epw

그린 리트로핏 프로그램

그린 리트로핏 프로그램은 전문 사용자모드를 이용하여 시뮬레이션하였다. 건물의 도서를 참고하여 건물의 가로 길이, 세로 길이, 높이, 층수를 입력하였다. 건물의 외벽, 지붕, 창호, 조명밀도, 냉난방 설비는 건물의 준공년도를 입력하면 데이터베이스로부터 해당 값을 자동으로 불러오지만 본 연구에서는 자동 입력이 아닌 앞서 기술한 그린 리모델링 적용 기술 전후의 값을 입력하였다. 프로그램에 탑재된 기능인 3-D Viewer를 통해 건물을 모델링하고 입력값을 수정하는 과정 및 모델링 결과는 Figure 9와 같다. 프로그램 자체에서 난방, 냉방, 조명 등의 상세 결과 화면이 출력되지만, 출력의 상세한 내용은 출력 파일이 저장되는 경로의 폴더내의 출력 파일 포맷 (*.svc, *.html)을 이용하였다. 입력과 출력 방법 외의 나머지 실행 조건인 건물의 운전 스케줄과, 위치, 기상 데이터는 EnergyPlus와 동일하게 설정하였다. 그린 리트로핏 프로그램의 주요 입력을 정리하면 Table 4와 같다.

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Figure 9.

Target building modelling using green retrofit program

Table 4.

Input value of the green retrofit program

Component Features
Width × Length × Hight [m] 23 × 11 × 3
Stories 2
Window Wall Ratio (WWR) [%] 30
Site Location Yeongwol
HVAC System Sizing Autosize
Heating & cooling system VRF system
Building Operation Schedule 9:00~18:00
SetPoint [℃] Cooling 26, Heating 20

프로그램 별 대상 건물 모델링 결과

프로그램 별 대상건물의 모델링 결과는 Table 5와 같다. 공조 면적(Conditioned Area)은 EnergyPlus가 518.76 ㎡, 그린 리트로핏 프로그램이 506.00 ㎡로 출력되었다. 건물의 체적은 EnergyPlus가 1,520.19 ㎥, 그린 리트로핏 프로그램이 2,024.00 ㎥로 출력되었다. 창면적비(WWR, Window Wall Ratio)는 EnergyPlus가 28.66%, 그린 리트로핏 프로그램은 44.12%로 출력되었다. 창면적비는 그린 리트로핏 프로그램의 입력 시 10% 단위로 입력할 수 있기 때문에 EnergyPlus의 모델링 결과인 28.66%의 근사값인 30%로 입력하였으나, 프로그램 내부의 건물의 자동 모델링 과정에서 약 14%의 오류가 발생하였다.

대상 건물을 모델링한 결과를 살펴보면 EnergyPlus는 Openstudio를 이용하여 대상 건물의 도면과 같이 각 실과 건물 외관의 형상을 상세하게 모델링 할 수 있는 반면, 그린 리트로핏 프로그램은 건물 외형의 입력 방법의 한계 때문에 건물 형상이 단순하게 방형으로 모델링 되는 한계점을 가지고 있다. 따라서 공조 면적, 체적 그리고 창면적비가 상대적으로 차이가 나는 것을 확인할 수 있다.

Table 5.

Modelling results of target buildings by program

Item EnergyPlus Green retrofit program
Conditioned Area [㎡] 518.76 506.00
Total Building volume [㎥] 1,520.19 2,024.00
Window Wall Ratio (WWR) [%] 28.66 44.12

리모델링 전후 에너지 해석 결과 비교분석

그린 리모델링 전후 에너지 성능 비교

Figure 10은 그린 리모델링 전후의 건물 전체의 에너지 사용량 결과를 비교한 그래프이다. 그린 리모델링 전의 전체 에너지 사용량은 EnergyPlus가 52.02 kWh/㎡·yr로 산출되었으며, 그린 리트로핏 프로그램이 54.58 kWh/㎡·yr로 산출되었다. 그린 리모델링 후의 전체 에너지 사용량은 EnergyPlus가 46.77 kWh/㎡·yr로 산출되었으며, 그린 리트로핏 프로그램이 51.33 kWh/㎡·yr로 산출되었다.

앞서 설명한 그린 리모델링 요소기술을 대상건물에 적용한 결과 EnergyPlus는 그린 리모델링 전후 약 10.1%의 에너지 성능이 개선되는 것으로 해석되었으며, 그린 리트로핏 프로그램은 6.0%의 에너지 성능이 개선되는 것으로 나타났다. 두 프로그램 간의 에너지 사용량 평가 결과 오차는 리모델링 전 에너지 성능해석 시에는 4.9%, 리모델링 후 에너지 성능해석 시 9.7% 로 10% 이내의 오차율을 보였으나 리모델링 후의 오차가 더 크게 나타났다. 두 프로그램의 에너지 성능평가 결과는 크게 차이 나지 않았으나 요소별 사용량 분석을 통해 원인을 분석할 필요가 있다.

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Figure 10.

Comparison results of total energy changes before and after green remodeling

요소별 에너지 성능 비교

Figure 11은 그린 리모델링 전후의 건물 요소별 에너지 사용량 결과를 비교한 그래프이다. 그린 리모델링 전의 난방에너지 사용량은 EnergyPlus가 3.22 kWh/㎡·yr로 산출되었으며, 그린 리트로핏 프로그램이 3.74 kWh/㎡·yr로 산출되었다. 그린 리모델링 후의 난방에너지 사용량은 EnergyPlus가 0.96 kWh/㎡·yr로 산출되었으며, 그린 리트로핏 프로그램이 1.56 kWh/㎡·yr로 산출되었다. 그린 리모델링 전후의 난방에너지 변화는 EnergyPlus로 평가하였을 때 70.3%가 감소하는 것으로 나타났으며, 그린 리트로핏 프로그램으로 평가하였을 때 58.4%가 감소하는 것으로 나타났다. 같은 해석방식에도 불구하고 EnergyPlus보다 그린 리트로핏 프로그램의 난방에너지 절감률이 더 낮게 나온 것은 앞서 기술한 프로그램별 대상 건물 모델링 결과에서 확인할 수 있듯이 실의 체적과 공조 면적 그리고 창면적비의 차이가 나기 때문으로 판단된다.

그린 리모델링 전의 냉방 에너지 사용량은 EnergyPlus가 9.6 kWh/㎡·yr로 산출되었으며, 그린 리트로핏 프로그램이 10.1 kWh/㎡·yr로 산출되었다. 그린 리모델링 후의 냉방 에너지 사용량은 EnergyPlus가 8.0 kWh/㎡·yr로 산출되었으며, 그린 리트로핏 프로그램이 10.3 kWh/㎡·yr로 산출되었다. 그린 리모델링 전후의 냉방 에너지 변화는 EnergyPlus로 평가하였을 때 16.1%가 감소하는 것으로 나타났으며, 그린 리트로핏 프로그램으로 평가하였을 때 2.1%가 증가하는 것으로 나타났다. 그린 리트로핏 프로그램의 연간 냉방 에너지가 더 증가한 것은 건물의 창 면적이 큰 경우에 창을 통한 열의 손실보다 일사에 의한 열의 취득이 많아져 냉방부하가 상승하여 냉방 에너지가 더 증가한 것으로 판단된다.

그린 리모델링 전 조명에너지 사용량은 EnergyPlus와 그린 리트로핏 프로그램이 같은 결과를 출력하였고, 값은 11.70 kWh/㎡·yr였으며, 그린 리모델링 후 조명에너지 사용량도 EnergyPlus는 10.27 kWh/㎡·yr 그린 리트로핏 프로그램이 10.28 kWh/㎡·yr로 비슷한 결과를 출력하였다. 리모델링 전후의 절감률은 12.2%였다. 건물의 형상을 모델링하는 과정에서 공조 면적의 차이는 다소 발생하지만 리모델링 시 변화된 조명밀도를 정확하게 반영하여 계산하는 것으로 나타났다.

그 외의 에너지 사용량은 VRF 시스템의 송풍기(Fan) 에너지 사용량인데 그린 리모델링 전의 기타 에너지 사용량은 EnergyPlus가 0.24 kWh/㎡·yr로 산출되었으며, 그린 리트로핏 프로그램이 1.73 kWh/㎡·yr로 산출되었다. 그린 리모델링 후의 기타 에너지 사용량은 EnergyPlus가 0.23 kWh/㎡·yr로 산출되었으며, 그린 리트로핏 프로그램이 1.87 kWh/㎡·yr로 산출되었다. 그린 리모델링 전후의 기타 에너지 변화는 EnergyPlus로 평가하였을 때는 0.01 kWh/㎡·yr 차로 큰 변동이 없었고, 그린 리트로핏 프로그램으로 평가하였을 때 8.3%가 증가하는 것으로 나타났다. 마찬가지로 그린 리트로핏 프로그램의 모델링 과정에서 건물 형상에 따른 공조 면적과 체적의 차이 그리고 냉방부하의 차이에 의한 결과로 판단된다.

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Figure 11.

Comparison of energy changes by type before and after Green Remodeling

결 론

본 연구에서는 소규모 비주거 건축물의 그린 리모델링을 위해 EnergyPlus를 기반으로 하는 그린 리트로핏 프로그램을 개발하였고 개발과정을 서술하였다. 실제 건물에 적용된 그린 리모델링 기술들을 EnergyPlus와 그린 리트로핏 프로그램을 이용하여 시뮬레이션한 후 그린 리모델링의 전후의 효과를 분석함과 동시에 연간 에너지 사용량을 비교하여 개발된 프로그램을 검증하였다.

EnergyPlus와 그린 리트로핏 프로그램의 에너지 성능평가 결과를 살펴보면, 그린 리모델링 전의 연간 에너지 사용량은 4.9%, 그린 리모델링 후 연간 에너지 사용량은 9.7%정도 차이가 나는 것으로 나타났다. 난방, 냉방, 조명, 기타 에너지 사용량을 요소별로 분석한 결과를 살펴보면 조명에너지를 제외하고 에너지 사용량 해석의 오차가 발생하였는데 이는 건물을 상세하게 모델링한 결과와 그린 리트로핏 프로그램을 이용하여 모델링한 결과의 형상 차이에서 발생한 공조 면적, 체적, 창면적비의 차이 때문으로 판단된다.

본 연구에서 개발한 그린 리트로핏 프로그램과 EnergyPlus의 전체 연간 에너지 사용량만을 비교하였을 때 10% 이내의 오차로 실제 그린 리모델링 전후의 에너지 사용량을 평가하는 데에는 큰 문제는 없지만, 건물 형상을 자동으로 모델링하는 과정에서 발생하는 차이로 인해 에너지 성능해석에 오차가 발생하는 것을 확인하였다. 따라서 추후 다양한 크기와 형상의 건물을 대상으로 검증을 실시하여 프로그램의 보완 및 개선이 필요하다.

또한 EnergyPlus가 비교적 건물의 실제 에너지 성능을 정확하게 평가할 수 있는 검증된 프로그램이긴 하나 프로그램 사용자의 주관에 따른 여러 입력 조건이 변경되는 경우 실제 사용량과의 차이가 발생할 수 있으므로 건물의 실제 사용량을 수집하여 비교하는 연구도 필요하다.

개발된 프로그램의 기능 중 리트로핏 대안 수준에 따른 비용분석 기능과 적정성은 검증하지 못하였는데, 앞으로 진행되는 연구에서는 리트로핏 대안 제시의 적정성, 비용분석의 타당성과 관련된 연구를 진행할 예정이다.

Acknowledgements

본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원의 지원으로 수행되었음(22CTAP-C164003-02).

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