서 론

연구배경 및 목적

우리나라의 경우 국내 부분별 에너지소비량 중 가정, 상업부분이 차지하는 비율이 2016년 16.8%를 차지한다고 보고된 바 있다(에너지통계월보, 2017). 정부에서는 기존의 건물에너지절약설계기준을 단순한 열관류율 기준에서 건축물 에너지소비총량 기준으로 전환하는 정책을 개발하고 있다. 서울지역의 경우 2011년 07월부터 100세대 이상 공동주택과 연면적 3,000m²이상 업무용 등 에너지 다소비형 건축물에 한하여 건축물 에너지소비 총량제를 시행하고 있다(2030 그린디자인 서울, 2011). 건축물 에너지소비 총량기준 제도가 확대될 것으로 예상됨에 따라 환경에서 에너지 소비특성을 정밀하게 해석할 수 있는 건물에너지 시뮬레이션에 대한 관심과 중요도가 부각되고 있다. 건물의 설계단계에서부터 건물의 유지관리 단계에 이르기까지 다양한 정밀도를 가진 모델을 적용하여 에너지 해석을 수행하고 있지만, 국내 건물에너지 시뮬레이션 모델링의 정밀도(Level-Of-Detail, 이하 LOD) 지표 연구가 부족하며, LOD에 따른 단계별 냉난방부하 등의 영향정도에 대한 연구가 부족한 실정으로 건물이 설계되고 건축되는 과정 중에 효과적인 에너지시뮬레이션모델을 탐색하기 어렵다.

따라서 본 연구에서는 정밀 건물에너지 해석프로그램인 EnergyPlus를 사용하여 해석대상의 에너지 모델의 LOD에 따른 건물의 냉난방부하 응답특성을 제시하여, 건물에너지모델의 구성과 해석에 있어서 보다 효과적인 LOD 수준을 선택하여 활용하는데 필요한 자료를 제시하고자 한다.

선행연구 고찰

김선혜¹⁾는 건축 설계 및 MEP와 같은 다양한 분야에서 실무자를 위한 건축 에너지 모델링의 지침을 제공하기 위하여 설계 단계에서 사용 가능한 설계 정보를 고려한 주 ECM (Energy Conservation Measure)의 LOD를 제공하였다. 조현정²⁾은 국내 설계 과정을 고려한 LOD 분류를 기반으로 BIM의 모델링 표준을 확보하는 것을 목적으로 국내외 BIM의 표준 사례를 분석하여 LOD의 각 정의를 비교하였으며 최종적으로 설계 프로세스별로 BIM의 모델링 표준을 수립하였다. 이상과 같이 현재 BIM에서의 도시계획이나 건축설계 측면에서의 LOD에 관한 연구는 활발히 진행되고 있으나 BEM (Building Energy Modeling, 이하 BEM)단위의 건물에너지시뮬레이션 내에서의 LOD에 관한 연구는 초기단계에 있다.

건물에너지 시뮬레이션 방법

모델링 대상 선정

건물에너지 시뮬레이션 모델링 대상은 Figure 2의 평면도인 인천지역에 위치한 바닥면적 129 m²인 공동주택 아파트 기본모델로 선정하여 사람부하와 조명부하, 기기발열부하는ASHRAE building code를 적용하였고 공조 시스템은 DOE benchmark model을 적용하여 Cooling coil type은 Single speed DX로 설정하였고 Heating coil type은 Electric으로 설정하여 Table 2와 같이 모델링을 진행하였다. 냉방설정온도는 24°C, 난방설정온도는 21°C로 설정하였다. 재실시간과 비재실시간의 스케쥴은 Figure 1과 같다.

Figure 1.

Building occupancy schedule

Figure 2.

Floor plan of modeling object

모델링의 기하학적 형상 간략화

건물에너지 시뮬레이션 프로그램을 사용하여 기하학적 형상 간략화를 통한 연간에너지 소비 특성을 분석하기 위해 정밀도를 Table 1과 같이 총 5단계로 나누어 모델링하여 시뮬레이션을 실행하였으며 자세한 설명은 다음과 같다.

Table 1. Conditions with simulation set value

①LOD500 : 공조공간과 비공조공간을 상세히 모델링하였고 내벽과 외벽, 창과 같은 구조체를 상세히 모델링하였다.

②LOD400 : 공조공간은 간략화하여 1개의 zone으로 모델링하였고 비공조공간과 내벽, 외벽, 창과 같은 구조체를 상세히 모델링하였다.

③LOD300 : 공조공간은 간략화하여 1개의 zone으로 모델링하였고 비공조공간과 내벽, 외벽 구조체는 상세히 모델링하였으나 창 모델링의 경우 외벽의 단위면적당 창 면적비(Window Wall Ratio, 이하 WWR)를 적용하였다.

④LOD200 : 장단비로 공조공간을 1개의 zone으로 모델링하였고 비공조공간은 외기에 직접적으로 영향을 받는 부분으로 나누어 3개의 zone으로 간략화하여 모델링하였다. 내벽, 외벽 구조체는 상세히 모델링하였으나 창 모델링의 경우 WWR을 적용하였다.

⑤LOD100 : 공조공간 바닥면적의 장단변비를 1:1로 하여 모델링하였고 비공조공간은 제외하였다. 내벽과 외벽 구조체는 상세히 모델링하였으나 창 모델링의 경우 WWR을 적용하였다.

Table 2. Schematic design of geometry plan

1)Window Wall Ratio Non air conditioning space

모델링의 재료의 특성 간략화

앞서 단위세대의 기하학적 형상 간략화시 외벽 구조체 모델링은 Figure 3의 (a)와 같이 상세 설정하여 LOD500부터 LOD100까지 총 5단계로 나누어 시뮬레이션을 진행하였으며, 외벽 구조체의 재료 특성 간략화 방안으로는 LOD500부터 LOD100까지 총 5단계의 구조체를 Figure 3의 (b)와 같이 설정하여 시뮬레이션을 진행하였다. Figure 3의 (a)와 (b) 열관류율을 모두 0.107 (W/m²k)로 설정하였다. 외벽 구조체의 상세 조건은 Table 3과 같다. 벽체의 경우 유리창과 달리 축열을 충실히 반영하기 위해 주요 구조체는 상세 모델링을 활용하고 기타 부재는 간략 물리변수로 처리하였다. 단위세대의 기하학적 형상 간략화시 창 모델링은 Figure 4의 (a)와 같이 상세히 설정하였고 재료의 특성 간략화시 창 모델링에는 Figure 4의 (b)와 같이 설정하여 시뮬레이션을 진행하였다. Figure 4의 (a)와 (b) 열관류율을 모두1.0 (W/m²k)로 설정하였다. 유리창 구조체의 상세 조건은 Table 4와 같다.

Figure 3.

Simplification of exterior wall material

Table 3. Configuration of exterior wall material properties

Figure 4.

Simplification of window material

Table 4. Configuration of window material properties

시뮬레이션을 통한 건물에너지 해석

기하학적 형상 간략화에 따른 건물에너지 해석

최대 부하 발생일의 냉난방부하 특성

단위세대의 기하학적 형상 간략화시 건물에너지시뮬레이션 진행 결과 최대 난방부하 발생일(12월16일)과 냉방부하발생일(9월18일)의 시간별 냉난방부하 특성을 분석하였다.

최대부하일의 시간별 난방부하 특성은 Figure 5와 같이 나타냈으며, 재실시간의 정밀도 단계별 LOD500 대비 LOD400과 LOD300은 8%의 오차율을 나타냈으며 LOD200은 11%, LOD100은 1%미만의 오차율을 나타냈다. 반면에 비재실시간의 정밀도 단계별 LOD500대비 LOD400과 LOD300은 21%의 오차율을 나타냈으며 LOD200은 1%미만의 오차율을 나타냈고 LOD100은 50%의 오차율을 나타냈다. LOD500의 경우 기하학적 형상이 상세히 모델링 되어 있어 외기에 직접 면하지 않는 공조공간의 경우 일사의 영향을 받기 어렵다. 따라서 공동주택의 재실수가 가장 적은 비재실시간 중 오전 10시부터 오후 15시까지 난방부하가 타 LOD에 비해 비교적 높은 패턴을 나타냈다. 반면 LOD400과 LOD300은 기하학적 형상이 같기 때문에 LOD400과 LOD300의 난방부하가 유사한 패턴을 나타냈다. 또한, 오후 재실시간대에는 건물 외벽 구조체의 축열 발생으로 인해 오전시간보다 적은 난방부하가 나타났다.

Figure 5.

Properties of heating loads on peak day (December 16) as schematic design of geometry

최대부하일의 시간별 냉방부하 특성은 Figure 6과 같이 나타냈으며, 재실시간의 정밀도 단계별 LOD500대비 LOD400과 LOD300은 17%의 오차율을 나타냈으며 LOD200은 7%, LOD100은 10%오차율을 나타냈다. 반면에 비재실시간의 정밀도 단계별 LOD500대비 LOD400과 LOD300은 1%의 오차율을 나타냈으며, LOD200은 3%, LOD100은 20%의 오차율을 나타냈다. 오전1시부터 오전7시까지는 냉방부하가 발생하지 않지만 비재실시간 이후부터 24시까지는 냉방부하가 발생하는데, 이는 건물 외벽 구조체의 축열발생으로 인한 것으로 판단된다. 건물의 장방비와 창면적비가 실제와 유사한 LOD500에서 LOD200까지는 냉방부하가 7% 이내의 오차를 보이고 있으나 LOD100은 공조공간이 외기에 직접 면해 있어 외기의 영향이 그대로 공조공간에 반영되기 때문에 타 LOD에 비해 비교적 큰 냉방부하 소비패턴을 나타내는 것으로 판단된다.

Figure 6.

Properties of cooling loads on peak day (September 18) as schematic design of geometry

월별 냉난방부하 특성

단위세대의 기하학적 형상 간략화시 건물에너지 시뮬레이션 진행 결과 월별 난방부하 특성은 아래와 같이 Figure 7로, 월별 냉방부하 특성은 Figure 8로 나타내었으며, LOD500대비 각 부하의 오차율을 식 (1)을 사용하여 Table 5에 정리하였다.

Table 5. CV (RMSE) of heating and cooling loads on monthly as schematic design of geometry (%)

Figure 7.

Properties of heating loads on monthly as schematic design of geometry

Figure 8.

Properties of cooling loads on monthly as schematic design of geometry

기하학적 형상 특성상 공조공간이 외기에 직접 면해있고 창 모델링 과정에서 WWR을 적용하였으므로 외벽의 상당 부분을 창이 차지하고 있기 때문에 일사취득이 용이하여 LOD500대비 LOD100이 가장 큰 오차율을 나타내는 것으로 파악된다.

연간 냉난방부하 특성

단위세대의 기하학적 형상 간략화에 따른 LOD별 연간 냉난방부하를 Table 6와 같이 나타냈다. 연간 난방부하의 LOD500대비 LOD400과 LOD300은 8%의 오차율을 나타냈으며, LOD200은 15%, LOD100은 20%의 오차율을 나타냈다. 연간 냉방부하의 LOD500대비 LOD400과 LOD300은 1%미만의 오차율을 나타냈으며, LOD200은 10%, LOD100은 28%의 오차율을 나타냈다.

Table 6. Heating and cooling loads on annual as schematic design of geometry (kWh)

재료의 특성 간략화에 따른 건물에너지 해석

최대부하일의 냉난방부하 특성

기하학적 특성 간략화시 진행한 건물에너지 시뮬레이션을 통한 재료의 특성 간략화를 LOD500부터 LOD100까지 적용하여 최대 난방부하 발생일(12월16일)과 최대 냉방부하 발생일(9월18일)의 시간별 냉난방부하 특성을 분석하였다. 최대부하일의 시간별 난방부하 특성은 Figure 9와 같이 나타냈으며 재실시간의 정밀도 단계별 LOD500대비 LOD400과 LOD300은 9%의 오차율을 나타냈고 LOD200은 14%, LOD100은 8%의 오차율을 나타냈다. 반면에 비재실시간의 정밀도 단계별 LOD500대비 LOD400과 LOD300은 29%의 오차율을 나타냈고 LOD200은 21%, LOD100은 27%의 오차율을 나타냈다. 건물 구조체 재료의 특성 간략화를 진행할 때 난방부하가 기하학적 형상 간략화 보다 높아진 것을 볼 수 있다. 이는 재료의 특성 간략화에 따라 각 구조체의 물성치만 입력된 값으로는 구조체 두께, 재질 등의 특성을 정확하게 파악하기 어려운 조건으로 이러한 부하 특성을 나타내는 것으로 판단된다.

Figure 9.

Properties of heating loads on peak day (December 16.)as simplification of material

최대부하일의 시간별 냉방부하 특성은 Figure 10과 같이 나타냈으며, 재실시간의 정밀도 단계별 LOD500대비 LOD400과 LOD300은 20%의 오차율을 나타냈으며, LOD200은 14%, LOD100은 39%의 오차율을 나타내고 있다. 반면에 비재실시간의 정밀도 단계별 LOD500대비 LOD400과 LOD300은 20%의 오차율을 나타냈으며, LOD200은 30%, LOD100은 39%의 오차율을 나타내고 있다. LOD500에서 LOD100으로 갈수록 LOD500대비 비재실시간의 시간별 냉방부하 발생 오차율이 증가하는 것으로 볼 수 있는데 이는 기하학적 형상이 간략화 될수록 재료의 특성 간략화가 미치는 영향이 커지는 것으로 판단된다.

Figure 10.

Properties of cooling loads on peak day (August 9.)as simplification of material

월별 냉난방부하 특성

단위세대의 외벽 구조체 재료의 특성 간략화시 건물에너지시뮬레이션 진행 결과 월별 난방부하 특성은 Figure 11로, 월별 냉방부하 특성은 Figure 12로 나타냈으며, LOD500대비 각 부하의 오차율을 앞서 언급한 식 (1)을 사용하여 Table 7로 나타냈다.

Table 7. CV (RMSE) of heating and cooling loads on monthly as simplification of construction material (%)

Figure 11.

Properties of heating loads on monthly as simplification of material

Figure 12.

Properties of cooling loads on monthly as simplification of material

기하학적 형상 간략화의 단계별 LOD에 추가적으로 재료의 특성 간략화가 진행됨에 따라 각 구조체의 단순 열관류율 만으로는 구조체의 열적 특성을 정확하게 반영하기 어렵기 때문에 기하학적 형상 간략화 보다 난방부하는 증가하고 냉방부하는 감소하는 특성을 나타내는 것으로 판단된다. 또한, LOD400 과 LOD300이 유사한 부하 패턴을 나타내는데 이는 LOD400과 LOD300의 기하학적 형상 특성이 비슷하기 때문에 재료의 특성 간략화 시에도 이러한 부하 패턴을 나타내는 것으로 판단된다.

연간 냉난방부하 특성

단위세대의 재료의 특성 간략화에 따른 연간 냉난방부하는 Table 8과 같이 나타냈다. 연간 난방부하의 LOD500대비 LOD400과 LOD300은 13%의 오차율을 나타냈으며, LOD200은 25%, LOD100은 20%의 오차율을 나타냈다. 연간 냉방부하의 LOD500대비LOD400과 LOD300은 10%의 오차율을 나타냈으며, LOD200은 23%, LOD100은 39%의 오차율을 나타냈다.

Table 8. Heating and cooling loads on annual as simplification of construction material (kWh)

결 론

본 연구에서는 기하학적 형상 정밀도 단계별 연간에너지 소비특성과 재료의 간략화를 진행하였을 때 연간에너지 소비특성을 비교 분석하였다.

(1)단위세대의 기하학적 형상 간략화시 최대부하의 시간별 냉난방부하와 월별 냉난방부하, 연간 냉난방부하의 오차율을 분석했을 때 앞의 결론 (1)에서 언급한 경우를 제외한 LOD500대비 LOD400과 LOD300의 오차율은 10%이하로 나타났다. 따라서 건물에너지 시뮬레이션 모델링 과정에서의 번거로움을 줄이기 위하여 기하학적 형상 간략화시 공조공간과 비공조공간은 분리하되 장단변비를 기존과 유사하게 하는 것이 유리하다.

(2)단위세대의 재료의 특성 간략화시 최대부하 발생일의 시간별 냉난방부하와 월별 냉난방부하, 연간 냉난방부하의 LOD500대비 오차율이 기하학적 형상 간략화를 진행했을 경우 LOD500대비 오차율 보다 전체적으로 높아지는 것을 볼 수 있다. 따라서 건물 구조체의 두께, 재질 등의 특성을 간략화 하여 물성치만 입력할 경우 재료의 정확한 특성을 파악하기 어려워 부하특성에 직접적인 영향을 미치므로 재료의 특성은 상세히 설정하는 것이 유리하다.