Research Article

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. 30 December 2021. 829-841
https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20210070

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 연구의 방법

  • 용도프로필별 단일 모델의 냉난방 에너지요구량 검토

  •   건물 용도별 용도프로필 분류

  •   단일 모델의 냉난방 에너지요구량 검토

  • 상세 모델 및 단순 모델의 냉난방 에너지요구량 검토

  •   Reference 상세 모델 제시

  •   Case 1-1, Case 1-2 단일 모델 제시

  •   Case 2-1, Case 2-2 단순 모델 제시

  •   상세 모델 및 단순 모델의 냉난방 에너지요구량 비교 검토

  • 결 론

서 론

전 세계적으로 기후변화에 대응하기 위한 움직임이 구체적으로 가시화되고 있으며, 국내에서도 2050 탄소중립 추진전략을 공표하면서 건물에너지 부문의 에너지 절감 효과를 위해 다양한 정책을 기반으로 한 사업이 시행되고 있다. 건축물 에너지효율등급 인증 및 제로에너지건축물 인증사업, 한국토지주택공사에서 시행하는 그린리모델링사업 등에서는 건축 계획 시 건물의 에너지 성능을 평가하기 위한 프로그램을 사용하고 있다. 건물 부문 온실가스 배출량이 약 68%인 서울시에서도 그린뉴딜사업을 통해 노유자시설과 같은 생활형 공공건물을 시작으로 제로에너지건축물로 전환하기 위한 리모델링 사업추진체계를 마련하고 있어 국내 전반의 공공 ·주거 건물로 리모델링 사업이 확산되고 있다. 이에 따라 건물 에너지성능 평가 프로그램의 수요가 증가하고 있으며, 사용자 편의를 위해 단순하게 평가되면서도 적정한 신뢰성을 확보할 수 있는 평가 프로그램이 요구된다.

국내외 여러 국가에서 많이 사용하고 있는 기존 평가 프로그램은 건물 입력정보에 대한 전문 지식의 이해를 요구하므로 건물 에너지 효율화에 관심이 있는 일반 사용자가 활발하게 사용하기에는 어려움이 있다. 이러한 비전문가의 접근성을 높이기 위해 기존 평가 프로그램에서 요구하는 다양한 입력 조건을 단순화하여 입력하는 방법이 필요하다.

건물 에너지 평가 시 입력데이터의 종류는 크게 건물의 일반정보, 형태정보, 사용정보, 향별정보로 분류할 수 있다. 이 중, 형태정보 및 사용정보는 조닝의 방법에 따라 입력데이터 수가 달라진다. 효과적인 조닝을 통해 형태정보 및 사용정보에 대한 입력변수를 최소화한다면 비전문가도 프로그램을 보다 쉽고 효율적으로 사용할 수 있을 것이다.

건물에너지 평가에 적용하기 위한 조닝 연구는 존의 열적 특성을 나타내는 기준에 따라 다양한 관점에서 분석될 수 있다. Rock (2018)은 방위별 조닝을 검토하여 사무실 3개의 소규모 사무용 건물을 대상으로 건물에너지를 계산하였다. 그 결과, 내부 존의 사무실 2개는 결과값이 유사하여 존을 합치는 것을 제안하였으며, 외부 존에 해당하는 사무실 1개는 내부 존의 사무실과 비교하여 냉방 부하의 차이가 상당하여 구분되어야 한다고 설명하였다. Smith (2012)는 ASHRAE guidelines를 기준으로 외주부의 깊이, 바닥 높이를 고려하여 7가지 조닝 방법에 의한 에너지 사용량을 비교하였다. 그 결과, ASHRAE 기준에 부합하지 않을수록 큰 오차가 나타났으나 기준과의 간소한 차이를 가진 경우에는 5% 내외의 오차로 계산되었다. 이렇듯, 조닝의 단순화와 관련한 선행 연구들은 존의 열적 특성을 관점으로 연구되었으며, 용도프로필을 고려한 조닝의 단순화에 대한 연구는 부족하였다.

본 연구는 열교차단재, 열회수환기장치 등 고성능 자재의 에너지 저감 효과 분석을 위한 에너지 성능 평가 프로그램을 개발하는 과정에서 검토 대상 자재 이외의 건물 정보를 비전문가도 쉽게 입력할 수 있도록 간소화하는 것을 목표로 한다. 건물 에너지 평가 입력 변수를 최소화하는 방법으로, 실의 용도프로필을 고려한 조닝의 단순화를 연구하였다. 제안한 조닝방법을 적용한 단순 조닝과 기존의 상세 조닝을 적용한 냉난방 에너지요구량을 비교하여, 조닝의 단순화에 따른 에너지요구량을 검토하였다.

연구의 방법

본 연구는 실의 용도프로필을 고려한 조닝의 단순화에 대한 연구로, 아래와 같이 2가지 단계로 연구를 진행하였다.

(1) 용도프로필별 단일 모델의 냉난방 에너지요구량 검토 : 1개의 존으로 이루어진 단일 모델에 대하여 용도프로필별 냉난방 에너지요구량을 비교 검토해, 단일 모델로의 조닝 단순화에 대한 적정성을 검토하였다.

(2) 상세 모델 및 단순 모델의 냉난방 에너지요구량 검토 : 여러 존으로 이루어진 상세 모델의 냉난방 에너지요구량을 기준으로, 1개의 존으로 이루어진 단일 모델 및 2개의 존으로 이루어진 단순 모델에 대한 냉난방 에너지요구량을 비교 검토하였다. 이를 통해, 적정 조닝 단순화 방법을 검토하였다.

용도프로필별 단일 모델의 냉난방 에너지요구량 검토

건물 용도별 용도프로필 분류

국내의 경우 건축법 시행령에 따라, 이용 목적 및 형태가 유사한 건물별로 묶어 건물의 용도를 제시하고 있다. 이에 따라, 단독주택, 공동주택, 업무시설, 판매시설 등 29개의 용도로 건물의 용도를 구분하고 있다.

2015년 통계청 국가통계에 따르면, 대도시 건물의 약 84%가 주거 및 상업용으로 사용되고 있다. 그 중 주택 및 저층 상가를 제외하면, 대부분의 건물이 2층~5층 규모의 주상복합에 해당하며, 약 52%를 차지한다. 주상복합 건물이란, 하층부는 상업시설로 사용하고, 상층부는 주로 주거 및 업무시설로 사용하는 건물을 의미한다.

이렇듯 대도시 상당수의 건물이 주상복합 건물에 해당하며, 층별로 건물의 용도가 구분된다. 이에, Park (2016)은 존을 통합하여 층별로 용도를 설정하는 방식을 제시하였다. 유사한 용도의 존을 통합함으로써 입력 변수의 개수를 줄이면서도 건물의 층별 운영 특성을 반영한 에너지 평가가 가능할 것으로 판단된다.

그러나, 이러한 방식은 층별 주요 용도프로필만 고려하고 그 외의 용도프로필은 고려하지 않은 방식이다. 예시로써, 상가건물의 경우 주요 용도프로필로 소매점이 적용되며 이외 용도프로필로는 레스토랑, 피트니스 등이 있다.

국내의 경우, DIN V 18599-10 (2018)의 용도프로필을 참조하여, 건축물에너지효율등급인증제도 운영규정(KEA, 2016)을 통해 인증 평가 시 적용하는 용도프로필을 제시하고 있다. DIN V 18599-10 (2018)에서는 주거 용도프로필 1개, 비주거 용도프로필 41개의 총 42개의 용도프로필을 제시하고 있으며, 각 용도프로필에 따라 건물 에너지평가의 주요 변수가 되는 설정온도, 내부발열, 필요환기량 등을 제시하고 있다. 여기서 용도프로필이란 건축물 대장 상의 건물의 주요 용도를 의미하는 것은 아니며, 건물 에너지 평가 시 적용되는 존의 운영 조건을 의미한다.

DIN V 18599-10 (2018)참조하여 건물의 사용 목적에 따른 용도를 10개로 분류하고 건물 용도별로 적용 가능한 건물의 개별 실의 용도프로필을 정리하였다(Table 1).

Table 1.

Usage profile by building use type

NO Building Use Type Usage Profile
1 Residential facilities Residential facilities
2 Commercial Facilities Retail store
Counter
Shop
Fitness/Exercise room
Restaurant
3 Hospital facilities Hospital and Treatment room
General Protection room
4 Business facilities Sole office
Group office
Open plan office
Night-duty room
Meeting room
5 Education & Research Facilities Class room
Auditorium
Cafeteria
Library reading room
6 Exercise facilities Gym (excluding spectator seats)
Shower room
Audience
7 Religious establishment Auditorium
8 Cultural & gathering facilities Concert hall lobby
Theater stage
Audience
9 Accommodation Guest room
Cafeteria
10 Additional facilities Corridor
Non-residential toilet
Warehouse
Reception hall, Lobby
Parking lot

단일 모델의 냉난방 에너지요구량 검토

앞서 언급한 것처럼 대도시 건물의 과반을 차지하고 있는 주상복합건물은 건물의 계획 특성 상 하층부는 상업시설, 상층부는 주거 및 업무시설과 같이 층별로 용도가 뚜렷이 구분된다. 이에, 건물의 용도를 층별로 적용하여 단일 존과 같이 건물 에너지를 검토하는 것은 효율적인 방식이 될 수 있다.

그러나 층별 용도프로필를 세부적으로 살펴보면 업무시설의 경우 회의실, 숙직실과 같이 다양한 용도프로필을 가진 실로 구성된다. 이러한 개별 실들을 일괄적으로 주 용도프로필인 그룹 사무실로 적용한다면 정확한 건물 에너지 평가 결과값과 큰 차이가 발생할 수 있다.

본 연구에서는 단일 존으로 통합하여 건물에너지를 평가하는 경우, 잘못된 결과가 도출될 가능성에 대해, ANOVA(분산 분석)을 통해 검토하였다. ANOVA(분산 분석)란, 두 개 이상의 집단을 서로 다른 평균에서 비교하고자 할 때 적용하는 통계 분석 방식이다.

ANOVA는 단일 존으로 이루어진 형태 및 성능을 다르게 한 10개의 단일 모델에 대한 연간 냉난방 에너지요구량 결과를 바탕으로 진행하였다. 10개의 단일 모델에 대하여, 건물 용도 중 상업시설(용도프로필 5개), 업무시설(용도프로필 5개), 교육연구시설(용도프로필 4개)의 14개의 용도프로필을 적용하여, 상업시설 50개, 업무시설 50개, 교육시설 40개, 총 140개의 연간 냉난방 에너지요구량을 바탕으로 진행하였다. 검토 모델은 하나의 존으로 구성된 단일 모델이며 냉난방 에너지요구량은 DIN V 18599 (2018)를 기반으로 한 상용 프로그램인 독일의 EVEBI프로그램을 사용하여 도출하였다.

ANOVA 결과, 3가지 건물 용도별 냉난방 에너지요구량의 평균값을 기준으로, 평균값과 5% 수준에서 유의미한 차이가 없는 용도프로필을 Group 1로 구분하였고, 5% 범위를 벗어나는 용도프로필은 Group 2로 구분하였다. 이는 곧, Group 1의 용도프로필은 건물 용도별 평균 냉난방 에너지요구량과 유사한 결과를 갖는 용도프로필을 의미하는 것으로, 건물 용도별 주요 용도프로필과 비교적 유사한 용도프로필이라 해석할 수 있다. Group 2의 용도프로필은 주요 용도프로필과 크게 달라 구분이 필요한 그룹으로 해석할 수 있다. ANOVA 결과에 따라 3가지 건물 용도별로 구분된 Group 1 용도프로필 및 Group 2 용도프로필은 Table 2와 같다. Group 1에서 3가지 건물 용도별 평균 냉난방 에너지요구량 결과와 가장 유사한 결과를 갖는 용도프로필을 주요 용도프로필로 보았다.

Table 2.

Classification of Group 1 (similar usage profile less than 5% significant level) and Group 2 (usage profile except Group 1 from same facility type) by ANOVA analysis

Commercial Facilities Business Facilities Education & Research Facilities
Group 1 [Main] Retail store [Main] Group office [Main] Class room
Counter Private office Library reading room
Shop Open plan office Cafeteria
Group 2 Fitness center Meeting room Auditorium
Restaurant Night-duty room

단일 모델에 대한 입력정보는 Table 3과 같다. 10개의 단일 모델 중 1개의 단일 모델에 대한 결과를 제시하면 Table 4와 같다.

Table 3.

Input data for simulating heating and cooling energy demand of a single model

Category Unit East West South North
Wall Area m2 76.8 84.8 231.2 242.2
U-value W/m2K 0.17 0.17 0.17 0.17
Window Area m2 24 16 64 32
U-value W/m2K 1.33 1.33 1.33 1.33
SHGC - 0.6 0.6 0.6 0.6
Door Area m2 7.2
U-value W/m2K 1.5
Floor Area m2 506.3
U-value W/m2K 0.24
Roof Area m2 506.3
U-value W/m2K 0.15
Net Floor Area m2 937.8
Infiltraion h-1 3
Heat Recovery Efficiency % 70
Climate region - Seoul
Table 4.

Usage profile of Group 1 and Group 2 classified by comparing heating and cooling energy demand [kWh/m2a]

Usage Profile Energy Demand
Group 1 Usage Profile
Group 2 Usage Profile kWh/m2a
Commercial Facilities https://static.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2021-015-06/N0280150622/images/Figure_KIAEBS_15_6_22_T4-1.jpg Group 1 [Main]
Retail store
51.4
Counter 31.8
Shop 66.8
Group 2 Fitness center 115.8
Restaurant 117.2
Business Facilities https://static.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2021-015-06/N0280150622/images/Figure_KIAEBS_15_6_22_T4-2.jpg Group 1 [Main]
Group office
47.0
Private office 47.0
Open plan office 53.6
Group 2 Meeting room 81.5
Night-duty room 92.1
Education & Research Facilities https://static.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2021-015-06/N0280150622/images/Figure_KIAEBS_15_6_22_T4-3.jpg Group 1 [Main]
Class room
51.0
Library reading room 62.4
Cafeteria 65.0
Group 2 Auditorium 90.8

상업시설의 주요 용도프로필은 소매점이며, Group 1에는 카운터 및 상점, Group 2에는 휘트니스 센터와 레스토랑로 구분되었다. 즉, 카운터 및 상점의 경우 각각 냉난방 에너지요구량 31.8 kWh/m2a과 66.8 kWh/m2a이 주요 용도프로필인 소매점의 값(51.4 kWh/m2a)과 통계적으로 유사한 결과로 나타났다. 반면, 휘트니스 센터와 레스토랑의 경우, 각각 115.8 kWh/m2a과 117.2 kWh/m2a로 소매점의 결과와는 크게 차이가 나 통계적으로 유사하다고 보기 어렵다.

업무시설의 경우 주요 용도프로필은 그룹사무실이며, Group 1은 개인 사무실 및 오픈 플랜 사무실, Group 2는 회의실 및 숙직실로 구분되었다. 즉, 개인 사무실 및 오픈 플랜 사무실의 경우 각각 냉난방 에너지요구량 47.0 kWh/m2a과 53.6 kWh/m2a로 나타나 업무시설의 주요 용도프로필인 그룹사무실(47.0 kWh/m2a)과 통계적으로 유사한 결과로 나타났다. 반면, 회의실 및 숙직실의 경우, 각각 81.5 kWh/m2a과 92.1 kWh/m2a로 그룹사무실의 결과와는 크게 차이가 나므로 유사한 용도프로필로 보기 어렵다.

교육연구시설의 주요 용도프로필은 교실이며, Group 1은 도서관 열람실 및 구내식당이 구분되었으며, 강당이 Group 2로 구분되었다. 즉, 도서관 열람실 및 구내식당은 각각 62.4 kWh/m2a와 65.0 kWh/m2a으로 교육 연구시설의 주요 용도프로필인 교실(51.0 kWh/m2a)과 비교하였을 때 통계적 유사성을 가지나, 강당의 경우 90.8 kWh/m2a의 결과로 나타나 교실과 에너지 해석적으로 구분되는 것으로 나타났다.

분석 결과, 건물 용도에 따라 하나의 주요 용도프로필만을 적용하기에는 Group 2와 같이 에너지 평가 결과값의 차이가 크게 나는 용도프로필이 존재함을 알 수 있었다. 즉, 건물 주 용도별로 단일한 용도프로필을 단순하게 적용하는 것은 건물 에너지평가 결과의 오차를 발생시킬 수 있다. 따라서, 조닝을 단순화할 때 주요 용도프로필 다음으로 건물에너지 평가 결과에 영향을 미치는 서브 용도프로필의 구분이 필요하다.

상세 모델 및 단순 모델의 냉난방 에너지요구량 검토

상기 분석에서 단일 모델에 대해 검토 결과, 적용 용도프로필이 주요 용도프로필인지 서브 용도프로필인지에 따라 냉난방 에너지요구량의 차이가 있음을 확인하였다. 건물 에너지 평가 시 용도프로필을 하나의 용도프로필로 단순 적용하는 단일 모델 평가법을 보완하기 위해 존의 단순화 방법을 연구하였다.

다중 존으로 평가하는 Reference 상세 모델을 기준으로, 1개의 존으로 평가하는 단일 모델 Case 1-1, Case 1-2와 2개의 존으로 평가하는 단순 모델 Case 2-1, Case 2-2 의 냉난방 에너지요구량을 비교 분석하였다. 냉난방 에너지요구량 평가는 DIN V 18599 (2018)를 기반으로 한 상용 프로그램인 독일의 EVEBI프로그램을 활용하였다. 각 Case별로 적용한 외피 성능 및 기후 정보는 동일하며 Table 5와 같다. 건물의 용도는 단일 모델 검토에서와 같이 상업시설, 업무시설, 교육연구시설의 각 용도프로필을 적용하였다.

Table 5.

Input data for simulating heating and cooling energy demand of models

Category Unit Value
Wall U-value W/m2K 0.17
Window U-value W/m2K 1.33
SHGC - 0.6
Door U-value W/m2K 1.5
Floor U-value W/m2K 0.24
Roof U-value W/m2K 0.15
infiltraion h-1 3
Heat Recovery Efficiency % 70
Climate region - Seoul

Reference 상세 모델 및 단일 모델 Case 1-1, Case 1-2, 단순 모델 Case 2-1, Case 2-2의 조닝은 Figure 1과 같다.

https://static.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2021-015-06/N0280150622/images/Figure_KIAEBS_15_6_22_F1.jpg
Figure 1.

Zoning for reference detailed model, single model[Case 1-1 & Case 1-2] and simple model[Case 2-1 & Case 2-2]

Reference 상세 모델 제시

Reference는 코어를 제외하고, 8개의 다중 존으로 구성된 상세 모델이다. 존을 8개로 구분함에 따라 각 존별로 외피 구분이 필요하며 외피 입력 개수는 총 40개이다. Reference 모델의 존별 용도프로필은 Table 6과 같다.

Table 6.

Usage profile of Detailed model[Reference]

Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Z6 Z7 Z8
 Type1. Commercial Facilities Retail
store
Shop Retail
store
Ware
house
Retail
store
Restau
-rant
Retail
store
Warehouse
Type2. Business Facilities Group
office
Open
plan
office
Sole
office
Ware house
Group
office
Meeting
room
Group
office
Group
office
Type3. Education & Research Facilities Class
room
Class
room
Library reading room Ware
house
Class
room
Audi
-torium
Class
room
Class
room

Case 1-1, Case 1-2 단일 모델 제시

Case 1-1, Case 1-2는 8개의 존을 1개의 존으로 통합한 단일 모델이다. 1개의 존으로 통합하여 외피 구분이 필요 없어 외피의 입력 개수는 Reference 모델의 입력 개수의 절반 이하인 11개이다. 상업시설, 업무시설, 교육연구시설 건물 유형에 대하여 서브 용도프로필을 적용한 Case 1-1와 주요 용도프로필을 적용 Case 1-2로 구분된다(Table 7).

Table 7.

Usage profile of a single model [Case 1-1 & Case 1-2]

Case 1-1 Case 1-2
[Simple model with
sub usage Profile]
[Simple model with
main usage Profile]
 Type1. Commercial Facilities Restaurant Retail store
Type2. Business Facilities Meeting room Group office
Type3. Education & Research Facilities Auditorium Class room

Case 2-1, Case 2-2 단순 모델 제시

Case 2-1, Case 2-2는 8개의 존을 2개의 존으로 통합한 단순 모델이다. 2개의 존으로 구분 후, 1개의 존은 주요 용도프로필, 다른 1개의 존은 서브 용도프로필을 적용하였다.

각 Case에 대해 2개 존의 면적이 반영되는 비율을 다르게 설정하였다. Case 2-1은 전체 면적에 대하여 주요 용도프로필을 50%, 서브 용도프로필을 50%로, 동일한 바닥면적 비율로 구분하여 냉난방 에너지요구량 결과를 검토하였다. Case 2-2는 주요 용도프로필 78%, 서브 용도프로필 22%의 바닥면적 비율로 구분하였다. 22%는 Reference 상세 모델의 8개 존 중에서 서브 용도프로필에 해당하는 존(Zone 6)의 면적 비율이다(Figure 1 참조).

Case 2-1, 2-2 는 외피 입력 개수가 17개가 필요하였다. 이는 1개의 존으로 구성된 Case보다는 6개 많으나, 8개의 존으로 구성된 Reference보다는 크게 적은 수이다. Case 2-1, 2-2의 존별 용도프로필은 Table 8과 같다.

Table 8.

Usage profile of Simple model [Case 2-1 & Case 2-2]

Case 2-1 Case 2-2
Zone 1 (50%) Zone 2 (50%) Zone 1 (78%) Zone 2 (22%)
[Main usage Profile] [Sub usage Profile] [Main usage Profile] [Sub usage Profile]
 Type1. Commercial Facilities Retail store Restaurant Retail store Restaurant
Type2. Business Facilities Group office Meeting room Group office Meeting room
Type3. Education & Research Facilities Class room Auditorium Class room Auditorium

상세 모델 및 단순 모델의 냉난방 에너지요구량 비교 검토

Table 9는 Reference 상세 모델의 냉난방 에너지요구량을 기준으로 Case 1-1, 1-2의 단일 모델 및 Case 2-1, 2-2의 단순 모델에 대한 냉난방 에너지요구량의 오차를 검토한 결과이다. 오차 검토 결과, 3가지 건물 용도 모두 오차의 크기가 Case 1-1 > Case 1-2 > Case 2-1 > Case 2-2 순으로 나타났다.

Table 9.

The errors of the reference and the single or simple model in heating and cooling energy demand

Energy Demand
kWh/m2a %
Commercial Facilities Reference 8 Zones 108.5 -
https://static.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2021-015-06/N0280150622/images/Figure_KIAEBS_15_6_22_T9-1.jpg Case 1-1 1 Zone :
Restaurant (Sub)
155.7 44%
Case 1-2 1 Zone :
Retail Store (Main)
88.2 19%
Case 2-1 2 Zones :
Retail50%&Rest.50%
122.0 13%
Case 2-2 2 Zones :
Retail78%&Rest.22%
105.5 3%
Business Facilities Reference 8 Zones 92.3 -
https://static.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2021-015-06/N0280150622/images/Figure_KIAEBS_15_6_22_T9-2.jpg Case 1-1 1 Zone :
Meeting room (Sub)
112.2 22%
Case 1-2 1 Zone :
Group office (Main)
82.2 11%
Case 2-1 2 Zones :Group50%
&Meeting50%
97.2 5%
Case 2-2 2 Zones :Group78%
&Meeting22%
89.9 3%
Education & Research Facilities Reference 8 Zones 97.8 -
https://static.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2021-015-06/N0280150622/images/Figure_KIAEBS_15_6_22_T9-3.jpg Case 1-1 1 Zone :
Auditorium (Sub)
126.2 29%
Case 1-2 1 Zone :
Classroom (Main)
83.5 15%
Case 2-1 2 Zones :
Class50% &Aud.50%
106.7 7%
Case 2-2 2 Zones :
Class78% &Aud.22%
94.6 3%

모든 건물 용도에 대한 냉난방 에너지요구량 평가에서 가장 큰 오차를 나타낸 것은 서브 용도프로필을 단일 존에 적용한 Case 1-1이다. 상업시설, 업무시설, 교육연구시설의 Case 1-1의 오차를 평균하면 약 31%이다. 8개 존에 대해 개별 실의 용도프로필이 적용되지 않고 1개 존으로 통합하면서, 주요 용도프로필이 아닌 서브 용도프로필로 대표한 것이 가장 큰 오차를 나타낸 원인으로 판단된다. Reference 상세 모델과 비교하면 용도프로필에서 냉난방 에너지요구량 계산에 큰 영향을 미치는 내부발열, 필요환기량 부분이 하나의 값으로 지나치게 단순화되어 적용되었기 때문이다. 건물 용도별 Case 1-1의 오차는 상업시설 44%, 업무시설 22%, 교육연구시설 29%이다. 상업시설의 경우 업무 및 교육연구시설보다 상세모델에 대한 냉난방 에너지요구량 결과값의 차이가 크게 나타났다.

Case 1-2의 경우, 단일 존에 대해 주요 용도프로필이 적용되어 Case 1-1의 오차보다 크게 감소한 약 15%의 오차를 나타냈다. 이를 통해 1개의 단일 존으로 건물 에너지를 평가할 때는 적정 용도프로필을 적용해야 함을 알 수 있다. 건물 용도별 Case 1-2의 오차는 상업시설 19%, 업무시설 11%, 교육 연구시설 15%이다.

Case 2-1의 경우, 주요 용도프로필을 적용하는 Case 1-2보다 낮은 약 8%의 오차를 나타냈으며, 건물 용도별 오차는 상업시설 13%, 업무시설 5%, 교육연구시설 7%로 나타났다. 상업시설의 경우 오차는 상기 Case에서처럼 다른 용도의 건물에 비해 오차가 여전히 크게 나타났다.

Case 2-2의 경우, 3가지 건물 용도에 관계없이 모두 약 3%로 오차가 가장 작게 나타났다. 1개의 존보다는 2개의 존으로 구분하고 주요 용도프로필과 서브 용도프로필에 대한 면적 비율을 적용하면 상세 모델과의 오차가 3%로 크게 감소함을 알 수 있다.

Reference 상세 모델에 대한 오차의 원인을 자세히 분석하기 위해 상업시설의 냉난방 에너지요구량에 대한 세부 항목별 평가 결과를 분석하였다. Table 10, 11은 상업시설의 냉난방 에너지요구량에 대한 상세 평가 결과이다. 난방 에너지요구량은 1월의 일평균 값을 바탕으로 하였고, 냉방 에너지요구량은 8월의 일평균 값을 바탕으로 분석하였다.

Table 10.

The Error of detailed result of daily heating energy demand in January for the simple model of Cases 1 to 4 of commercial facilities

Daily heating energy demand in January Ventilation heat loss Internal heat gain Transmission heat loss Solar heat gain
kWh % kWh % kWh % kWh %
Reference 8 Zones 169 - 84 - 285 - 69 -
Case 1 1 Zone :
Restaurant (Sub)
345 104% 129 53% 286 0% 69 0%
Case 2 1 Zone :
Retail Store (Main)
119 30% 64 24% 284 0% 69 0%
Case 3 2 Zones :
50% applied
232 37% 96 14% 285 0% 69 0%
Case 4 2 Zones :
78% & 22% applied
175 4% 80 5% 285 0% 69 0%
Table 11.

The Error of detailed result of daily Cooling energy demand in August for the simple model of Cases 1 to 4 of commercial facilities

Daily cooling energy demand in August Ventilation heat gain Internal heat gain Transmission heat gain Solar heat gain
kWh % kWh % kWh % kWh %
Reference 8 Zones 55 - 81 - 56 - 37 -
Case 1 1 Zone :
Restaurant (Sub)
128 134% 125 55% 56 0% 37 0%
Case 2 1 Zone :
Retail Store (Main)
34 38% 60 26% 56 0% 37 0%
Case 3 2 Zones :
50% applied
81 48% 92 14% 56 0% 37 0%
Case 4 2 Zones :
78% & 22% applied
57 5% 76 6% 56 0% 37 0%

Reference 상세 모델에 대해 단순 모델을 비교하였을 때 난방 및 냉방 에너지요구량에서 관류 열전달량과 일사 열획득량의 오차는 0%로 나타났다. 이는, 단일 모델 및 단순 모델의 외피 입력 정보가 Reference 상세 모델과 같기 때문이다. 관류 및 일사 열전달의 경우에는 조닝의 단순화에 의한 영향이 없는 것으로 판단된다.

반면, 환기 열전달량 및 내부발열 열획득량은 오차가 크게 나타났으며, 크기는 Case 1-1 > Case 1-2 > Case 2-1 > Case 2-2순서이다. 조닝의 단순화에 따라 적용되는 용도프로필의 표준값 차이가 반영되었기 때문으로 판단된다.

이러한 결과를 통해, 냉난방 에너지요구량 평가 시 면적 비율을 고려하여 적절한 용도프로필을 적용한다면, 단순 평가 방법으로도 상세 모델과 유사한 결과를 도출할 수 있음을 알 수 있다. 용도프로필을 건물 용도에 따라 주요 용도프로필과 함께 서브 용도프로필을 적용한다면, 상세 모델과 약 3% 이내의 오차 범위로 유사한 결과를 도출할 수 있다.

3개 이상의 존으로 조닝할 경우, 상세 모델과의 오차는 줄어드나, 외피 입력 개수가 증가한다. 2개의 존으로 구분하여 주요 용도프로필 존과 서브 용도프로필 존으로만 조닝할 경우에도, 오차율이 3% 이내이므로, 시간 효율적인 조닝 방법이라 판단된다.

결 론

본 연구는 용도프로필에 따른 단순 조닝과 상세 조닝의 냉난방 에너지요구량 비교를 통한 조닝 단순화에 대한 연구로, 2가지 단계로 적정 조닝 단순화 방법을 검토하였다.

(1)용도프로필별 단일 모델의 냉난방 에너지요구량 검토 : 1개의 존으로 이루어진 단일 모델에 대하여 용도프로필별 냉난방 에너지요구량을 비교 검토하였다. 그 결과, 주요 용도프로필 적용 시의 결과와 유사한 결과를 나타내는 용도프로필(Group 1)과 결과의 차이가 크게 나는 용도프로필(Group 2)로 구분하였다.

(2)상세 모델 및 단순 모델의 냉난방 에너지요구량 검토 : 여러 존으로 이루어진 상세 모델의 냉난방 에너지요구량을 기준으로, 1개의 존으로 이루어진 단일 모델(Case 1-1, Case 1-2) 및 2개의 존으로 이루어진 단순 모델(Case 2-1, Case 2-2)에 대한 냉난방 에너지요구량의 오차를 검토하였다. 그 결과, 2개 존에 대해, 주요 용도프로필 및 서브 용도프로필을 면적 비율로 조닝한 Case 2-2에서 오차가 3% 이내로 가장 적은 오차가 나타났다. 이를 통해, 용도프로필을 건물 용도별로 주요 용도프로필만을 적용하는 것이 아닌, 서브 용도프로필까지 고려한다면 상세 모델과 3% 이내로, 유사한 결과를 도출할 수 있음을 알 수 있었다.

전반적으로 개별 실의 용도가 다양하며 차이가 뚜렷한 상업시설의 오차가 크게 나타남에도 불구하고, 주요 및 서브 용도프로필을 적용한 단순 모델 평가 방법을 적용하면 약 3%의 오차로 냉난방 에너지요구량을 평가할 수 있었다. 이에 본 연구에서 제안한 단순 평가 방법은 적정 수준의 결과를 도출하면서도, 외피 입력 개수를 줄일 수 있어 시간 효율적인 평가 방법이라 판단된다.

본 연구에서, 건물 용도별 주요 용도프로필과 서브 용도프로필은 실제 건물과 유사하게 가정하여 진행하였다. 그러나, 용도프로필 적용에 따른 결과 차이가 큰 만큼, 국내 실정에 맞는 용도프로필을 적용해야만 국내 건물 검토 시 적합한 결과를 낼 수 있을 것이다. 이에, 국내 건물의 용도별 용도프로필 조사를 통해 건물 용도별 주요 및 서브 용도프로필에 관한 후속연구가 필요할 것으로 판단된다.

본 연구는 고성능 자재의 에너지 저감 효과 분석을 위한 비전문가용 에너지 성능 평가 프로그램 개발을 위한 선행연구로, 입력데이터를 줄이기 위해 조닝의 단순화에 따른 에너지요구량을 검토하였다. 추후, 조닝의 단순화 방법 외에, 형태와 같은 단순화 가능한 요소를 고려한 건물 에너지 단순 평가 방법에 관한 연구를 진행할 예정이다.

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).

References

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2
Smith, L. (2012). Beyond the Shoebox Thermal Zoning Approaches for Complex Building Shapes. ASHRAE Transactions, 118(2), 14-148.
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Korea Energy Agency (KEA). (2016). Operating Regulations for Building Energy Efficiency Rating Certification.
5
DIN V 18599-10. (2018). Energy Efficiency of Buildings - Calculation of the Net, Final and Primary Energy Demand for Heating, Cooling, Ventilation, Domestic Hot Water and Lighting - Part 10: Boundary Conditions of Use, Climatic Data.
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