A Study on the Propriety of a Small Building Cooling and Heating Load Evaluation Program according to the Area Addition Method

Min-Seok Jeon; Su-Hyun Lim; Sung-Jung Park

doi:10.22696/jkiaebs.20210058

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Research Article

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. 30 December 2021. 696-707
https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20210058

A Study on the Propriety of a Small Building Cooling and Heating Load Evaluation Program according to the Area Addition Method

설비영역 방법에 따른 소규모 건축물 냉난방부하평가 프로그램의 적정성 검토

Min-Seok Jeon¹

Su-Hyun Lim²

Sung-Jung Park³^*

전 민석¹

임 수현²

박 성중³^*

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

²Senior Researcher, Institute for Passive Zero Energy Building, Seoul, Korea

³Principal Researcher, Institute for Passive Zero Energy Building, Seoul, Korea

¹패시브제로에너지건축연구소 연구원

²패시브제로에너지건축연구소 선임연구원

³패시브제로에너지건축연구소 부소장

^{*Corresponding Author}

ABSTRACT

Reducing the energy required for heating, cooling and air conditioning is a very important factor in reducing overall building energy. Efficient design of building energy, such as estimating the capacity of equipment suitable for the size and purpose of the building, is an important factor to reducing building energy. Accordingly, it is necessary to accurately calculate the heating and cooling load suitable for appropriate size in order to save energy for heating and cooling. However, in the case of small buildings, most of the equipment is selected by converting it into the capacity of the air conditioning equipment per unit area. As mentioned above, equipments are being installed without considering building characteristics such as location, orientation, window area ratio, and thermal transmittance. Therefore, it takes a lot of time to calculate the load, and it takes a lot of time to change the design. For these reasons, this study developed a Heating and Cooling load evaluation program that non-experts can use easily. To verify reliability, this document tried to review the adequacy of the heating and cooling load evaluation by comparing the error with the existing program and examining the error according to the difference in the heating and cooling load evaluation unit. Through the results of this study, it was confirmed that it is possible to induce the appropriate heating and cooling load calculation through developed program that reduces the input items of the building’s envelope.

Keywords

Heating and Cooling Load

Small Scale Building

Load Calculation Algorithm

Appropriate amount

키워드

냉난방부하

소규모건축물

부하계산 알고리즘

적정 용량산정

MAIN

서 론
소규모 건축물 냉난방 부하 평가 프로그램 개발
설비영역별 냉난방 부하 평가
설비영역별 냉난방 부하 알고리즘
프로그램 비교 분석
비교 분석 모델 제시
Case 1[단순 모델(단일 용도프로필)] 오차 분석
Case 2[단순 모델(면적가중 용도프로필)] 오차 분석
결 론

서 론

국가 온실가스 배출량을 감축하고자 하는 흐름에 따라 전체 온실가스 배출량의 가장 큰 부분을 차지하고 있는 건축물의 에너지 절감이 나날이 중요해지고 있다. 2020년도 통계청 자료에 의하면 국내 전체 건물 재고량에서 500 m² 미만의 소규모 건물들은 건축물의 85%를 차지하게 되어 총 건물에너지 사용량의 46%를 차지하고 있어 전체 건물에너지 소비에 상당한 영향을 주고 있다. 따라서 냉난방 공조에 소요되는 에너지를 절감하는 것은 전체 건물에너지 절감에 매우 중요한 요소이다.

냉난방 공조 에너지 절감을 위한 방법 중 주요 요소로서 건물의 규모와 용도에 적합한 설비기기의 용량 산정 등 설비의 효율적 설계가 중요하다. 그에 따라 냉난방 공조 에너지 절감을 위해, 규모에 알맞은 정확한 냉난방 부하계산이 필요하다(Choi et al., 2016).

하지만 소규모 건축물의 경우 대부분 단위 면적당 공조기기의 용량으로 환산하여 공조기기를 선정하고 있다. 그로 인해 건물의 위치, 방위, 창면적비, 열관류율 등의 건물 특성의 고려하지 않은 설계 용량산정이 이루어지고 있다(Lim et al., 2014).

반면에 건축물 냉난방 부하의 상세계산 프로그램을 활용한 부하계산 시 조건 및 대상건물의 정보 등 많은 데이터의 입력이 필요하며, 이 과정에서 많은 시간이 소요된다. 게다가 입력데이터에 대한 정의가 명확하지 않아 사용자의 경험치에 따른 오류 발생 가능성이 높아 결과의 신뢰성 확인이 필요하며, 설계변경에 따른 입력 변화에 신속하게 대응하기가 어렵다.

따라서, 소규모 건축물의 특성을 반영하여 부하계산에 전문지식이 없는 설계자 및 비전문가들도 신축 소규모 건물의 설계 초기 단계에서부터 다양한 설계안의 에너지 성능 비교가 가능하도록 소규모 건축용 냉난방 부하계산 프로그램을 개발하였다.

본 논문은 소규모 건축물 시장에서의 적정설비 용량산정 유도를 위해 개발된 설비영역별 냉난방 부하계산 프로그램의 적정성을 검토하는 것에 있다. 이를 위하여, 기존 냉난방 부하평가 프로그램을 활용한 존별 상세 냉난방 부하평가 결과와 개발 프로그램을 활용한 설비영역별 냉난방 부하평가 결과를 비교 분석하였다. 냉난방 부하평가 단위(존별 평가 및 설비영역별 평가)의 차이에 따라 오차가 발생하는지를 검토하여 설비영역별 냉난방 부하평가의 적정성을 검토하고자 하였다.

소규모 건축물 냉난방 부하 평가 프로그램 개발

설비영역별 냉난방 부하 평가

건물 에너지 평가는 일반적으로 존 단위로 평가가 이루어진다. 존이란 건물 에너지밸런스 계산을 위한 기본 단위로, 동일한 용도프로필을 가진 공간들의 결합을 의미한다. 기존 냉난방 부하평가 프로그램들은 존 단위로 냉난방 부하를 평가한다. 이에 따라 기존 냉난방 부하 평가 프로그램의 경우, 하나의 건물에 대한 냉난방 부하 평가 시 여러 존으로 구분하여 평가한다. 이때 각 존은 각각의 용도프로필이 적용되며, 용도프로필에 따라 내부발열, 필요환기량 등이 적용된다.

반면, 개발 프로그램은 기존 프로그램들과 달리 설비영역을 단위로 냉난방 부하 평가가 이루어지도록 개발되었다. 설비영역이란 DIN V 18599-2:2018에서 차용된 개념으로, 동일한 설비기기에 의해 공급되는 범위를 의미한다.

냉난방 부하의 평가는 적절한 냉난방 설비기기 선정에 목적이 있으므로, 설비영역별로 냉난방 부하평가가 이루어지도록 개발되었다. 설비영역을 단위로 냉난방 부하를 평가하여, 기존의 존별 입력보다 외피 입력 개수를 줄여 시간 효율적이면서도 건물의 성능에 따른 적정 수준의 냉난방 부하가 계산되도록 개발하였다.

설비영역별 냉난방 부하 알고리즘

개발 프로그램은 DIN V 18599-2:2018의 존별 냉난방 부하 평가 알고리즘을 일부 변형하여, 설비영역별 냉난방 부하 평가 알고리즘으로 개발하였다. 개발 프로그램에 반영된 냉난방 부하 알고리즘은 다음과 같다. 먼저, 최대 난방 부하인 $Q_{h, m a x}$ 는 식 (1)을 통해 산출할 수 있다.

(1)

Q_{h, \max} = \sum_{k}^{} Q_{h, \max, k} = Q_{T, \max, k} + 0.5 Q_{V, \max, k}

여기서, $Q_{T, \max}$ 는 최대 관류 열전달, $Q_{V, \max}$ 는 최대 환기 열전달을 의미한다. $Q_{T, \max}$ 는 외피를 기준으로 온도차이가 발생할 때, 온도차에 의한 최대 관류 열전달을 의미한다. $Q_{V, \max}$ 는 침기 및 자연환기에 의해 기류 발생 시 기류에 의한 최대 환기 열전달을 의미한다.

최대 냉방 부하인 $Q_{c, \max}$ 는 식 (2)를 통해 산출할 수 있다. 냉방 해석조건에 대하여, 최대 열획득과 최대 열손실의 밸런스 평가로부터 산출되며 축열 $C_{w i r k}$ 수준이 고려된다.

(2)

Q_{C, \max} = \sum_{k}^{} Q_{C, \max, k} = 0.8 (Q_{s o u r c e, \max, k} - Q_{\sin k, \max, k}) (1 + 0.3 e^{- \frac{γ_{k}}{120 h}}) - \frac{C_{w i r k, k}}{60 h} (∆ θ - 2 K) + \frac{C_{w i r k, k}}{40 h / K} (\frac{12 h}{t_{c, o p, d, k}} - 1)

여기서, $Q_{s o u r c e, \max}$ 는 최대 열획득, $Q_{\sin k, \max}$ 는 최대 열손실, $C_{w i r k}$ 는 축열량, $t_{c, o p, d, k}$ 는 냉방 기기 운전시간을 의미한다. 최대 냉방 부하의 밸런스 평가를 위한 최대 열획득과 최대 열손실은 계산 알고리즘은 식 (3), (4)와 같다.

(3)

Q_{s o u r c e, \max, k} = Q_{S, k} + Q_{T, k} + Q_{V, k} + Q_{I, s o u r c e, k}

(4)

Q_{\sin k, \max, k} = Q_{T, k} + Q_{V, k} + Q_{I, \sin k, k}

여기서, $Q_{S, k}$ 는 일사 열획득, $Q_{T, k}$ 는 관류 열전달, $Q_{V, k}$ 는 환기 열전달, $Q_{I, s o u r c e, k}$ 는 내부 발열 열획득, $Q_{I, \sin k, k}$ 는 내부 발열 열손실을 의미한다. 최대 열획득 $Q_{s o u r c e, \max}$ 및 최대 열손실 $Q_{\sin k, \max}$ 는 각 부하 요소별 최대 열획득과 최대 열손실의 합산 값을 의미한다.

$k$ 는 냉난방부하 평가의 단위가 되는 설비영역을 의미하는 것으로, 각 설비영역별로 관류 열전달 $Q_{T}$ , 환기 열전달 $Q_{V}$ , 일사 열획득 $Q_{S}$ , 내부 발열 $Q_{I}$ 을 계산하여 냉난방 부하가 평가되도록 개발되었다. 각 부하 요소별 상세 계산 식은 Table 1과 같다.

Table 1.

Energy algorithms for cooling and heating loads

	Element	$Q_{h, \max}$	$Q_{c, \max}$
①	$Q_{T}$	$Q_{T, \sin k} = \sum_{j} (H_{T, j} + H_{T, W B}) ∙ (θ_{i, h, \min, k} - θ_{j, h, \min})$	$Q_{T, \sin k} = \sum_{j} (H_{T, j} + H_{T, W B}) ∙ (θ_{i, h, \max, k} - θ_{j, h, \max})$
			$Q_{T, s o u r c e} = \sum_{j} (H_{T, j} + H_{T, W B}) ∙ (θ_{j, h, \max, k} - θ_{i, h, \max})$
②	$Q_{V}$	$Q_{V, \sin k} = \sum_{j} (H_{V, k} (θ_{i, h, \min, k} - θ_{j, h, \min})$	$Q_{V, \sin k} = \sum_{j} (H_{V, k} (θ_{i, h, \max, k} - θ_{j, h, \max})$
			$Q_{V, s o u r c e} = \sum_{j} (H_{V, k} (θ_{j, h, \max} - θ_{i, h, \max, k})$
③	$Q_{S}$	-	$Q_{S} = \sum_{j} Q_{S, t r} + \sum_{j} Q_{S, o p a k}$
④	$Q_{I}$	-	$Q_{I, S o u r c e} = Q_{I, s o u r c e, p e r s o n, k} + Q_{I, s o u r c e, l i g h t, k} + Q_{I, s o u c e, f a c}$
			$Q_{I, \sin k} = Q_{I, \sin k, c} + Q_{I, \sin k, f a c} + Q_{I, \sin k, g o o d s}$
⑤	C_wirk	-	$C_{w i r k} = 50 W h / (m^{2} ∙ K) A_{N G F}$
			$C_{w i r k} = 90 W h / (m^{2} ∙ K) A_{N G F}$
			$C_{w i r k} = 130 W h / (m^{2} ∙ K) A_{N G F}$

Figure 1 및 Figure 2는 개발 프로그램 및 기존 프로그램의 냉난방 부하 평가 단위(존별 평가 및 설비영역별 평가)를 나타낸다. 앞서 언급한 것과 같이 개발 프로그램의 평가 단위는 설비영역으로 하였다. 그러나, 이러한 방식은 각 실별 운영 특성을 반영하진 못하므로, 용도프로필은 설비영역 내 각 실별로 입력하여, 실의 바닥면적에 대해 면적 가중한 값을 반영하였다.

https://static.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2021-015-06/N0280150610/images/Figure_KIAEBS_15_6_10_F1.jpg

Figure 1.

Evaluation unit for heating load : Developed program (Serviced Area) and Existing program (Zone)

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Figure 2.

Evaluation unit for Cooling load : Developed program (Serviced Area) and Existing program (Zone)

Table 2와 같이 난방 부하부터 살펴보면, ① 관류 열손실 $Q_{T, \max}$ 에 대하여, 기존 프로그램은 존별로 외피의 면적과 열관류율을 입력하여 평가하고, 개발 프로그램은 설비영역별의 외피 면적과 열관류율을 입력하여 관류 열손실을 평가한다. 그러나, 입력되는 전체 존의 외피와 전체 설비영역의 외피가 일치하므로, 관류에 의한 오차는 발생하지 않을 것으로 판단된다.

Table 2.

Error Causes and Reasons Assumptions

				Error Occurrence	Reason
$Q_{h, \max} / Q_{c, \max}$	①	$Q_{T}$	-	X
	②	$Q_{V}$	H_V,win	O	Value of the Usage Profile
			H_V,inf
			H_V,mech
$Q_{c, \max}$	③	$Q_{S}$	-	X
	④	$Q_{I}$	Q_I,p	O	Value of the Usage Profile
			Q_I,fac
			Q_I,L
	⑤	C_wirk	-	-

② 환기 열손실 $Q_{V, \max}$ 은 용도프로필별 필요환기량에 따라 계산된다. 기존 프로그램의 경우 각 존별 용도프로필에 따라 적용된다. 반면, 개발 프로그램은 실별 필요환기량에 실별 면적을 면적가중하여 적용하였다. 이에 따라, 용도프로필 적용 차이에 따른 오차가 감소했을 것으로 판단된다.

다음 냉방 부하의 ① 관류 열전달 $Q_{T}$ , 및 ③ 일사 열획득 $Q_{S}$ 에 대해 살펴보면, 외피의 성능값 및 면적들을 기존 프로그램은 존별로 입력하고, 개발 프로그램은 설비영역별로 입력하여 평가한다. 그러나, 입력되는 전체 존의 외피와 전체 설비영역의 외피가 일치하므로, 일사 및 관류에 의한 오차는 발생하지 않을 것으로 판단된다.

② 환기 열전달 $Q_{V}$ 및 ④ 내부 발열 $Q_{I}$ 은 용도프로필별 필요환기량 및 내부발열에 따라 계산된다. 이와 관련하여 기존 프로그램은 존별로 용도프로필을 적용하나, 개발 프로그램은 실별 필요환기량과 내부발열에 실별 면적을 면적가중하여 적용하였다. 이에 따라, 환기 열전달 및 내부발열에 대한 오차가 감소했을 것으로 판단된다.

⑤ $C_{w i r k}$ 축열 관련하여, 기존 프로그램은 존별로 유효 축열량을 입력하는 반면, 개발 프로그램은 설비영역별로 유효 축열량을 입력하여 평가한다. 이에 따라, 존별 축열 특성이 크게 다르다면, 축열량에 대하여 기존 프로그램과 개발 프로그램에서 오차가 발생할 수 있을 것으로 판단된다.

프로그램 비교 분석

앞서 언급한 것과 같이 기존 냉난방 부하 평가 프로그램의 경우 존별로 냉난방 부하를 평가하는 반면, 개발 프로그램은 설비영역별로 냉난방 부하를 평가한다.

이에 본 연구에서는 냉난방 부하 평가 단위(존별 평가 및 설비영역별 평가)의 차이에 따라 오차가 발생하는지를 검토하여 설비영역별 냉난방 부하 평가의 적정성을 검토하고자 하였다.

500 m² 미만의 실제 소규모 건축물을 대상으로 냉난방 부하 평가를 진행하였다. 냉난방 부하계산을 위한 건물 입력 조건은 Table 3과 같다.

냉난방 부하평가를 위한 해석설계 외기온도, 전일사량 및 방위별 일사량은 Table 4와 같다. 최고 외기온도와 최대 전일사량은 연중 다른 시기에 발생한다. 이에 따라 냉방 부하는 최고 외기온도를 기준으로 할 경우와 최대 전일사량을 기준으로 할 경우에 대해 각각 계산한 후, 두 값 중 큰 값을 최대 냉방 부하를 산출한다.

Table 3.

Building Information

Building Information	Condition		Value
	Floor Area		269.8 m²
	Ceiling Height		2.5 m
	Volume		674.5 m³
	$∆ U_{T B}$		0.05 W/mK
	Thermal energy storage		90 Wh/(m²K)
	Mechanical Ventilation		1408 m³/h
	Envelope	Roof	217 m²
		Wall	445 m²
		Floor	188 m²
		Window	33 m²
	Thermal	Roof U-Value	0.15 W/m²K
		Wall U-Value	0.15 W/m²K
		Floor U-Value	0.15 W/m²K
		Window U-Value	1.50 W/m²K
		SHGC	0.6

Table 4.

Climate Input Data

$Q_{c, \max}$			Solar Radiation [W/m²]
	Direction	Degree	Based on max temperature	Based on max solar radiation
	Horizontal	0°	927	709
	South	90°	605	789
	South East	90°	690	75
	South West	90°	690	79
	East	90°	739	645
	West	90°	739	651
	North West	90°	533	321
	North East	90°	533	306
	North	90°	164	132
	Outside Temperature		25°C	20.3°C
$Q_{h, \max}$	Outside Temperature		-12°C

비교 분석 모델 제시

앞서 분석한 바와 같이 냉난방 부하 평가 알고리즘에 따라 ① 관류 열전달 $Q_{T}$ , ③ 일사 열획득 $Q_{S}$ 는 전체 존의 외피와 전체 설비영역의 외피가 일치하므로, 냉난방 부하 평가 단위(존별 평가 및 설비영역별 평가)가 다를 경우에도 동일한 결과가 산출된다. 반면, ② 환기 열전달 $Q_{V}$ 및 ④ 내부 발열 $Q_{I}$ 은 용도프로필별 필요환기량 및 내부발열에 따라 계산되기 때문에 냉난방 부하 평가 단위에 따라 용도프로필 적용 방식이 다르므로 오차가 발생한다.

이에 본 연구에서는 용도프로필 적용방식에 대한 오차를 확인하기 위해, 기존 냉난방 부하 평가 프로그램 방식인 존별 상세 평가 방법을 Reference로 설정하여 비교 분석을 진행하였다. 용도프로필 적용방식에 따른 비교 분석 모델로서 단일 용도프로필을 적용하여 냉난방 부하 평가를 하는 Case1과 용도프로필을 바닥면적에 대해 면적가중하여 냉난방 부하 평가를 하는 Case2를 통해 비교 분석을 진행한다. 이에 따른 비교 분석 모델 설정은 Table 5와 같다.

Table 5.

Calculation method and usage profile by Case

	Reference	Case 1	Case 2
Calc. Method	Detailed Model [Zone]	Simplified Model [Serviced Area]	Simplified Model [Serviced Area: Area weighting method according to zone]
Usage Profile	Table 4’s Usage Profile	Group Office	Table 4’s Usage Profile property addition

존별 상세 평가결과인 Reference (Figure 3)를 기준으로 Case 1과 Case 2 (Figure 3, 4)에 대한 오차를 검토하였다. Reference는 기존 부하평가 프로그램인 ENVISYS사의 EVEBI 프로그램을 통해 냉난방 부하를 도출한 것으로, 11개의 존으로 구분하여 평가하였다. EVEBI 프로그램은 DIN V 18599-2:2018 냉난방 부하 알고리즘을 기반으로 개발되어, 존별 상세 부하 평가가 가능한 프로그램이다.

https://static.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2021-015-06/N0280150610/images/Figure_KIAEBS_15_6_10_F3.jpg

Figure 3.

Reference (Detail Model[Zone]) Analysis Model

https://static.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2021-015-06/N0280150610/images/Figure_KIAEBS_15_6_10_F4.jpg

Figure 4.

Case 1(Simplified Model[Serviced Area]) & Case 2(Simplified Model[Serviced Area : Area weighting method according to zone]) Analysis Model

Case 1은 개발 프로그램을 통해 도출한 결과로, Reference의 11개 실을 하나의 설비영역으로 통합하여 검토하였다. 이 때, 용도프로필은 11개의 실 중 면적이 가장 큰실의 용도프로필(그룹사무실)을 적용하였다.

Case 2는 Case 1과 동일하게 하나의 설비영역으로 냉난방 부하를 검토한 결과이나, 용도프로필의 경우 11개의 용도프로필을 바닥면적에 대해 면적가중하여 적용하였다. 각 Case별 적용 용도프로필은 Table 6과 같다.

Table 6.

Usage Profile

No.	Area		Usage Profile
No.	(m²)	(%)	Reference		Case 1		Case 2
#1	19.8	6.0	Zone1	Meeting Room	Serviced Area 1	Group Office	Serviced Area 1	Meeting Room
#2	24.6	7.4	Zone2	W/C				W/C
#3	18.0	5.4	Zone3	Stair Room				Stair Room
#4	29.4	8.9	Zone4	Hall				Hall
#5	6.0	1.8	Zone5	Vestibule				Vestibule
#6	72.0	21.7	Zone6	Group Office				Group Office
#7	18.0	5.4	Zone7	Private Office				Private Office
#8	24.6	7.4	Zone8	W/C				W/C
#9	52.2	15.7	Zone9	Hall				Hall
#10	18.0	5.4	Zone10	Stair Room				Stair Room
#11	49.2	14.8	Zone11	Group Office				Group Office
Total	331.8	100	-		-		-

Table 7과 같이 존별 상세 평가결과인 Reference의 경우 존별로 외피를 입력하므로, 65개의 외피가 입력되어야 한다. 반면, 설비영역으로 냉난방 부하를 검토(Case 1, Case 2)할 경우, 설비영역별로 외피를 입력하므로, 13개만으로 외피 입력이 가능하다. 즉, 외피 입력 수를 80% 줄여 시간 효율적인 냉난방 부하평가가 가능하다.

Table 7.

Number of the input data about envelope

	Reference		Case 1 & Case 2
Number of the input data about envelope	Zone1	8 EA	Serviced Area 1	13 EA
	Zone2	8 EA
	Zone3	3 EA
	Zone4	4 EA
	Zone5	2 EA
	Zone6	5 EA
	Zone7	7 EA
	Zone8	7 EA
	Zone9	5 EA
	Zone10	11 EA
	Zone11	5 EA
Total		65 EA		13 EA

Case 1[단순 모델(단일 용도프로필)] 오차 분석

Reference의 존별 냉난방 부하 합산 값과 Case 1[단순 모델(단일 용도프로필)] 냉난방 부하를 비교 검토하였다. 또한 냉난방 부하의 세부 요소인 ① 관류 $Q_{T}$ , ② 환기 $Q_{V}$ , ③ 일사 $Q_{S}$ , ④ 내부발열 $Q_{I}$ , ⑤ 축열 $C_{w i r k}$ 을 비교하여 오차에 대한 원인을 분석한다.

Case 1의 경우 Table 8과 같이 Reference 대비 난방 부하는 4.51% 냉방부하는 15.02%의 오차율을 확인하였다.

Table 8.

Comparison of the results of Case 1

		Reference	Case 1	Error Rate
$Q_{h, \max}$		7680 W	8042.3 W	4.51%
$Q_{c, \max}$		8800 W	10297 W	14.56
①	$Q_{T} (H_{T})$	244.3 W/K	224.5 W/K	0.00%
②	$Q_{V} (H_{V})$	37.5 W/K	47.9 W/K	27.63%
③	$Q_{S}$	7960.0 W	7964.22 W	0.00%
④	$Q_{I}$	2760.0 W	3913.05 W	29.64%
⑤	$C_{w i r k}$	13760 Wh/K	13736.52 Wh/K	0.00%

난방 부하부터 살펴보면, ① 관류 열손실 $Q_{T, \max}$ 에 대하여, 입력되는 전체 존의 외피와 전체 설비영역의 외피가 동일하므로, ① 관류 열전달 $Q_{T, \max}$ 관련하여 관류 열전달 계수 $H_{T}$ 의 경우 0.00%의 오차율로 나타났다.

② 환기 열손실 $Q_{V, \max}$ 은 용도프로필별 필요환기량에 따라 계산된다. Reference의 경우 각 존별 용도프로필에 따라 필요환기량이 적용된 반면, Case 1의 경우 그룹사무실 단일 용도프로필에 따른 필요환기량이 적용되었다. 이에 따라, 환기 열전달계수 $H_{V}$ 에서 27.63%의 오차가 발생한 것을 확인하였다. 이러한 환기 열전달계수의 오차는 곧, 난방 부하의 오차로 작용하여 Reference 대비 난방 부하가 4.51%의 오차를 갖는 것으로 나타났다.

다음 냉방 부하의 ①관류 열전달 $Q_{T}$ , 및 ③ 일사 열획득 $Q_{S}$ ,⑤ $C_{w i r k}$ 에 대해 살펴보면, 외피의 성능값 및 면적들을 기존 프로그램은 존별로 입력하고, 개발 프로그램은 설비영역별로 입력하여 평가한다. 그러나, 입력되는 전체 존의 외피와 전체 설비영역의 외피가 동일하므로, 일사, 관류 및 축열 성능에 의한 오차가 0%로 나타났다.

② 환기 열전달 $Q_{V}$ 및 ④ 내부 발열 $Q_{I}$ 은 용도프로필별 필요환기량 및 내부발열에 따라 계산된다. 앞선 난방 부하 검토 결과와 마찬가지로, Reference의 경우 각 존별 용도프로필이 적용된 반면, Case 1의 경우 그룹사무실 단일 용도프로필이 적용되었다. 이에 따라, 환기 열전달계수 $H_{V}$ 에서 27.63%의 오차가 발생하였고, 내부발열 $Q_{I}$ 에서 29.64%의 오차가 나타났다. 이러한 환기 및 내부발열에 의한 오차는 곧, 냉방 부하의 오차로 작용하여 Reference 대비 냉방 부하가 14.56%의 오차를 갖는 것으로 나타났다.

Case 2[단순 모델(면적가중 용도프로필)] 오차 분석

Table 9와 같이 Reference의 존별 냉난방 부하 합산 값과 Case 2[단순 모델(면적가중 용도프로필)] 냉난방 부하를 비교 검토하였다. Reference 대비 Case 2의 경우 난방 부하는 0.85%, 냉방 부하는 0.14%의 오차율을 확인하였다.

Table 9.

Comparison of the results of Case 2

	Reference	Case2	Error Rate
$Q_{h, \max}$	7680.0 W	7746.1 W	0.85%
$Q_{c, \max}$	8800.0 W	8812.0 W	0.14%
① $Q_{T} (H_{T})$	244.3 W/K	224.48 W/K	0.00%
② $Q_{V} (H_{V})$	37.5 W/K	37.2 W/K	0.08%
③ $Q_{S}$	7960.0 W	7964.22 W	0.00%
④ $Q_{I}$	2760.0 W	2764.9 W	0.00%
⑤ $C_{w i r k}$	13760 Wh/K	13736.52 Wh/K	0.00%

난방 부하 및 냉방 부하의 세부 요소인, ① 관류 열전달 $Q_{T}$ 부터 살펴보면, 입력되는 전체 존의 외피와 전체 설비영역의 외피가 동일하므로, 관류 열전달 계수 $H_{T}$ 의 경우 0.00%의 오차율로 나타났다.

② 환기 열전달 $Q_{V}$ 에 대하여, Reference의 경우 각 존별 용도프로필에 따라 필요환기량이 적용된 반면, Case 2의 경우 11개의 용도프로필에 따른 필요환기량을 면적가중한 필요환기량이 적용되었다. 이에 따라, 환기 열전달계수 $H_{V}$ 에서 0.08%의 오차가 발생한 것을 확인하였다.

다음 냉방 부하의 ③ 일사 열획득 $Q_{S}$ 에 대해 살펴보면, 입력되는 전체 존의 창호와 전체 설비영역의 창호가 동일하므로, 일사에 의한 오차가 0.00%로 나타났다.

④ 내부 발열 $Q_{I}$ 은 용도프로필별 환기 열전달과 마찬가지로, Reference의 경우 각 존별 용도프로필에 따른 내부발열이 적용된 반면, Case 2의 경우 면적가중 내부발열이 적용되었다. 이에 따라, 내부발열 $Q_{I}$ 에서 0.00%의 오차가 나타났다.

⑤ $C_{w i r k}$ 은 순바닥 면적과 축열성능이 동일하기 때문에 0.00%의 오차가 발생함을 확인하였다.

Reference 대비 Case 2의 오차 분석 결과, 난방 부하의 경우 0.85%, 냉방 부하의 경우 0.14%로 오차가 거의 없는 것을 확인하였다.

상기 분석 결과를 그래프로 나타내면 Figure 5, 6과 같다. 그래프를 통해 알 수 있듯이, 단일 용도프로필을 적용할 경우에는 단순 모델(단일 용도프로필)과 상세 모델(존별)의 차이가 크게 나타나나, 용도프로필을 바닥면적에 대해 면적가중할 경우 단순 모델(면적가중 용도프로필)과 상세 모델(존별)의 냉난방 부하 결과가 크게 차이나지 않는 것을 확인하였다.

https://static.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2021-015-06/N0280150610/images/Figure_KIAEBS_15_6_10_F5.jpg

Figure 5.

Comparison graph of error rate of influence factor according to Case 1 and 2

https://static.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2021-015-06/N0280150610/images/Figure_KIAEBS_15_6_10_F6.jpg

Figure 6.

Comparison graph of heating and cooling load results according to Case 1 and 2

위 같은 결과를 통해, 입력 항목을 줄인 단순 냉난방 부하 평가(설비영역별)일지라도 용도프로필을 면적가중하여 적용할 경우 적정 수준의 냉난방 부하가 평가될 수 있음을 확인하였다.

결 론

본 연구는 개발한 소규모 건축물용 설비영역별 냉난방 부하 평가프로그램의 적정성 검토를 목적으로 하였다. 개발 냉난방 부하 평가프로그램은 설비영역을 단위로 냉난방 부하를 평가한다. 이에 따라, 기존의 존별 입력보다 외피 입력 개수를 줄여 시간 효율적이면서도 건물의 성능에 따른 적정 수준의 냉난방 부하가 계산되도록 개발하였다.

기존 존별 냉난방 부하 평가 프로그램과의 오차 비교를 통해 냉난방 부하 평가 단위의 차이에 따른 오차를 검토하여 설비영역별 냉난방 부하 평가의 적정성을 검토하고자 하였다.

냉난방 부하 평가 알고리즘을 살펴보면, 냉난방 부하 평가 단위의 차이에 따라 관류, 일사 등에 대해서는 크게 차이 나지 않으나, 용도프로필 적용방식에 따라 오차가 발생할 수 있다.

이에 본 연구에서는 용도프로필 적용 방식에 대한 오차를 확인하기 위해, 기존 냉난방 부하평가 프로그램 방식인 존별 상세 평가방법을 Reference로 설정하여 비교 분석을 진행하였다. 비교 분석 모델로서 단일 용도프로필을 적용하여 냉난방 부하평가를 하는 Case 1과 용도프로필을 바닥면적에 대해 면적가중하여 냉난방 부하평가를 하는 Case 2를 비교 분석하였다.

그 결과, Case 1[단순 모델(단일 용도프로필)]의 경우 Reference[상세 모델] 대비 난방 부하는 4.51% 냉방 부하는 14.56%의 오차율로 나타났고, Case 2[단순 모델(면적가중 용도프로필)]의 경우 Reference[상세 모델] 대비 난방 부하는 0.85%, 냉방 부하는 0.14%의 오차율로 나타났다.

단순 냉난방 부하 평가(설비영역별)일지라도 용도프로필을 면적가중하여 적용할 경우 적정 수준의 냉난방 부하평가가 될 수 있음을 확인하였다. 존별 평가(Reference) 보다 설비영역별 평가(Case 1, Case 2)할 경우, 외피 입력 개수를 80% 줄여 시간 효율적인 냉난방 부하평가도 가능함을 확인하였다.

본 연구는 냉난방 부하평가 단위(존별 및 설비영역별)의 차이에 따라 발생할 수 있는 오차 중 가장 큰 원인이 되는 용도프로필의 적용 방식에 대해 중점으로 검토하였다. 이에 후속연구로서 해당 연구 이외의 요소들에 대한 영향을 검토하기 위하여 존별 상세 모델과 다중 설비영역의 단순 모델을 비교 검토할 예정이다.

본 연구에서의 개발 프로그램은 DIN V 18599-10:2018의 용도프로필을 이용하여 개발되어 국내 소규모 건축물에 따른 적정한 용도프로필 적용이 미흡하다. 후속연구를 통해 국내 소규모 건축물 전용 용도프로필을 반영하여 냉난방 부하평가 프로그램을 고도화할 예정이다.

Acknowledgements

본 연구는 국토교통부 도시건축연구사업의 연구비지원(과제번호20AUDP-B151655-02)의해 수행되었습니다.

References

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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.

DIN V 18599-2. (2018). Energy efficiency of buildings-Calculation of the net, final and primary energy demand for heating, cooling, ventilation, domestic hot water and lighting- Part 2: Net energy demand for heating and cooling of building zones: Deutsches Institut für Normung e.V.

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

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A Study on the Propriety of a Small Building Cooling and Heating Load Evaluation Program according to the Area Addition Method

ABSTRACT

MAIN

(1)

(2)

(3)

(4)

Table 1.

Energy algorithms for cooling and heating loads

Figure 1.

Evaluation unit for heating load : Developed program (Serviced Area) and Existing program (Zone)

Figure 2.

Evaluation unit for Cooling load : Developed program (Serviced Area) and Existing program (Zone)

Table 2.

Error Causes and Reasons Assumptions

Table 3.

Building Information

Table 4.

Climate Input Data

Table 5.

Calculation method and usage profile by Case

Figure 3.

Reference (Detail Model[Zone]) Analysis Model

Figure 4.

Case 1(Simplified Model[Serviced Area]) & Case 2(Simplified Model[Serviced Area : Area weighting method according to zone]) Analysis Model

Table 6.

Usage Profile

Table 7.

Number of the input data about envelope

Table 8.

Comparison of the results of Case 1

Table 9.

Comparison of the results of Case 2

Figure 5.

Comparison graph of error rate of influence factor according to Case 1 and 2

Figure 6.

Comparison graph of heating and cooling load results according to Case 1 and 2

Acknowledgements

References