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[ Research Articles ]
The International Journal of The Korea Institute of Ecological Architecture and Environment - Vol. 18, No. 6, pp.89-95
Abbreviation: KIEAE Journal
ISSN: 2288-968X (Print) 2288-9698 (Online)
Print publication date 31 Dec 2018
Received 09 Aug 2018 Revised 22 Nov 2018 Accepted 27 Nov 2018
DOI: https://doi.org/10.12813/kieae.2018.18.6.089

공동주택 세대 위치와 건물 향에 따른 냉난방에너지 소비 특성
조선호* ; 최경석**

Energy Consumption Characteristics of Apartment Buildings on Household Location and Building Orientation
Cho, Sun-Ho* ; Choi, Gyeong-Seok**
*Department of Living and Built Environment Research , Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology, South Korea
**Corresponding author, Department of Living and Built Environment Research , Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology, South Korea (bear717@kict.re.kr)

ⓒCopyright Korea Institute of Ecological Architecture and Environment
Funding Information ▼

Abstract
Purpose:

Recently, the importance of environmental and energy issues has become a global issue throughout the world. Its significance is recognized and various efforts for saving energy are being made in Korea. In particular, the energy consumption in buildings accounts for approximately 24% of total energy consumption. Apartment buildings account for approximately 75 of the total number of houses . The purpose of this study is to provide preliminary data for the design of apartment houses in the future by identifying and presenting the characteristics of cooling and heating energy consumption according to the location and the orientation of apartment buildings.

Method:

This study was conducted to evaluate the energy performance of apartment buildings according to location and orientation. For the study 2 type, 5 floor, 3 location, 8 orientation were selected for input models(total 240 case). They were simulated using DesignBuilder and EnergyPlus software to assess building energy consumption in Korea.

Result:

According to the change of household location, heating energy is the least used at the middle floor(middle line), cooling energy at the lowest floor(side line), and total energy at the lowest floor(middle line). The total energy consumed by the change of orientation was lower in the order of South, North, Southwest, Southeast, Northeast, Northwest, East, and West. Our results play an important role in reducing the energy consumption of apartment buildings. In the future, we will add cases for walls and windows, analyze the energy consumption characteristics of apartment buildings, and ultimately propose optimal building envelope composition.


Keywords: Apartment Buildings, Building Energy, Household Location, Building Orientation
키워드: 공동주택, 건물 에너지, 세대 위치, 건물 향

1. 서론
1.1. 연구의 배경 및 목적

최근 환경과 에너지 문제에 대한 중요성은 전 세계적인 이슈로 등장하였고, 국내에서도 그 중요성을 인식하고 건물부문에서 에너지를 절약하기 위한 다양한 노력이 진행 중에 있다. 특히, 2015년 프랑스 파리에서 열린 제 21차 유엔기후변화협약 당사국총회(COP21)에서 신 기후변화체제를 선언함에 따라, 온실가스 감축 및 에너지 절약이 세계적으로 주요한 논제로 부각되었다. 그래서 정부에서는 건물에너지효율등급 인증제도, 친환경건축물 인증제도, 주택성능등급 표시제도, 건축물의 에너지절약설계기준 강화 등을 통해 건물부문의 에너지 절감을 유도하고 있다.

대다수 IEA국가의 건물부문 에너지소비 비중은 전체 에너지소비의 약 40%를 차지함에 따라 해당부분에 대한 에너지절감 잠재력은 크다고 할 수 있다. 국내의 경우 건물에서 사용되는 에너지는 전체 에너지의 약 24%를 차지하고 있으며, 그 중에서 공동주택은 전체 주택수의 약 75%에 해당하며, 일반인들에게 가장 직접적으로 영향을 주기 때문에 에너지 절감에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.

여러 건물 유형 중 주거용 건물인 공동주택은 인체, 조명, 기기 등에 의한 내부발열이 적은 외피부하 지배형 건물로서, 에너지 절약 측면에서는 외피 단열이 중요한 건물에 속하며[1], 공동주택의 에너지소비 특성을 파악하여, 신축 및 기존 공동주택에 대한 비용효율적인 에너지 절감 방안을 마련하는 것이 중요할 것이다. 특히, 국내의 아파트 시장은 남향 세대 선호에 따른 전면 폭 증가로 일조, 채광, 조망, 환기 등의 거주환경을 향상시키는 긍정적 측면과 함께 외벽 및 창호 면적의 증가로 인한 열손실과 열취득으로 난방 및 냉방 부하를 증가시키는 부정적 요인을 동시에 갖는다 [4].

이러한 공동주택의 에너지 소비 특성을 파악하기 위한 다양한 연구가 진행되었다. 특히 기존 연구에서는 신축 및 기존 공동주택에 대한 단위 요소기술별(창호, 벽체) 시뮬레이션 평가 [2] 및 실증[3]을 통한 성능분석 위주로 진행되었고, 평면 형태 [4], 설계변수별 영향도 [5] 분석을 통해 에너지 절감 방안을 제시하였다. 그러나 각 요소 기술 및 설계변수에 대한 개별적 분석은 수행되었지만, 세대 위치(층, 측세대, 중간세대)나 향을 동시에 고려하지 못하여 공동주택 에너지절감 방안 마련에 한계가 있다.

이에 본 연구는 공동주택에서 세대의 위치와 건물의 향(8방위)에 따른 냉난방에너지 소비의 특성을 파악하여 공동주택 설계시 열적 불균형을 최소화 할 수 있는 정량적 데이터를 확보하고, 향후 공동주택의 계획 및 단위세대 개발을 위한 기초 자료를 제공하고자 한다.

1.2. 연구의 방법 및 범위

본 연구에서는 방위에 따른 가상의 공동주택의 세대별 에너지 소비 특성을 분석하기 위해 실제 공동주택을 대상으로 모델링을 하고, 건물에너지 해석 시뮬레이션을 수행하였다. 연구의 방법 및 범위는 다음과 같다.

첫째, DesignBuilder를 사용하여 한국토지주택공사(LH) 그린홈에 적용된 74Type과 84Type에 대하여 1개의 코어를 갖는 형태로 5층 30개 세대의 공동주택으로 모델링하였고, 물리적 형상과 Zone 구성(공조 및 비공조)을 수행하였다. 단, 시뮬레이션 대상 세대의 모델링은 각 세대의 인자값 설정을 위하여 한의 Zone으로 통합하였고, 발코니는 비확장형으로만 구성하였다.

둘째, 동적에너지 해석 프로그램인 EnergyPlus를 이용하여 서울지역 표준기상데이터를 적용하고, 설비 및 플랜트 시스템에 대해서는 고려되는 않은 Ideal HVAC으로 구성하여 난・냉방에너지를 산출하였다.

셋째, 시뮬레이션 결과를 기반으로 8개 방위에서 세대별 냉・난방 에너지의 평균값을 산출하여 세대별 냉・난방 에너지 변화를 분석하였고, 8개의 방위별로 전체 건물에서 소요되는 냉・난방 에너지를 비교하여 건물의 향이 에너지소비에 미치는 영향을 분석하였다.

본 연구에서는 세대 위치 및 건물 향이 건물에너지에 미치는 영향을 평가하였고, 향후에는 외피(벽체, 창호)에 대한 Case를 보완하여, 공동주택 세대 위치 및 향에 따른 최적의 외피 구성을 도출하고자 한다.


2. 시뮬레이션 구성
2.1. 시뮬레이션 프로그램 개요

건물에너지 해석을 위해 사용한 시뮬레이션 프로그램은 DOE(Department of Energy)에서 개발한 EnergyPlus이다. EnergyPlus는 대표적 동적 에너지 해석 프로그램인 DOE-2.1, BLAST의 장점을 결합해 만든 프로그램으로, 수시로 변화하는 건물의 실내외 조건, 벽체의 축열부하를 고려하여 매 시간당 에너지 균형을 계산하기 위해 유한차분법, 응답계수법 등과 같은 수치해석 방법을 채택하고 있다. EnergyPlus는 일정 시간 간격으로 외벽을 통한 관류율, 시간에 따른 실내 현열 및 잠열 발열, 환기 및 침기에 의한 열손실/취득, 일사, 천공복사, 내벽체간 복사, 주위건물 음영, 건물 내외부 대류 열전달 등 여러 가지 열전달 경로를 통하여 동시에 발생되는 열부하를 통합하여 계산 한다. 이에 공동주택 세대의 위치와 건물의향에 따른 냉난방에너지소비 분석이 가능한 EnergyPlus를 본 연구의 분석 도구로 사용하였다.


Fig. 1. 
EnergyPlus basic structure(left) and internal elements(right)

2.2. 대상건물 모델링

분석 대상의 모델의 경우 가상의 주거건물을 모델링 하였다. 세대는 74 Type과 84 Type으로 구성되어 있으며, 각 세대는 각각 2개의 발코니 공간을 가지고 있다. 세대의 바닥면적은 발코니 공간을 제외하고 74 Type이 80.32㎡, 84 Type이 98.54㎡이며 층고는 2.4m로 설정하였다. 세대 공간은 냉난방설정 및 내부 발열, 재실자 스케줄을 적용하였고, 발코니 및 코어는 비공조 공간으로 설정하였으며, 내부 발열 및 재실자 스케줄도 적용되지 않았다. 대상 모델의 평면도 및 모델링은 Table 1.과 같다.

Table 1. 
Floor plan and simulation modelling image
Division Modelling Image
Floor plan
Modelling

2.3. 시뮬레이션 케이스

평면 구성에 따라 74 Type과 84 Type으로, 위치에 따라서 건물의 좌측으로부터 A, B, C 로 구분하였다. 이에 74A와 84C는 가장자리 세대(측세대)가 되고, 84A, 74B, 84B, 74C는 중간 세대가 된다. 건물의 층은 총 5개층으로 구성하였으며, 건물의 향은 남(S), 남서(SW), 서(W), 서북(NW), 북(N), 북동(NE), 동(E), 동남(SE)의 8방위로 구분하였다. 종합하자면 평면 Type 2Case, 세대 위치 3Case, 층 5Case, 건물 향 8Case를 조합하여, 총 240Case에 대한 분석을 수행하였다.

세대 구분과 향별 건물의 위치 구분 및 이에 따른 케이스 구성은는 Fig. 2., Fig. 3.과 Table 2.와 같다.


Fig. 2. 
Building section for type and floor


Fig. 3. 
Case of building type, floor and orientation

Table 2. 
Case of building orientation by simulation modelling
South Southwest(SW) West Northwest(NW)
North Northeast(NE) East Southeast(SE)

2.4. 시뮬레이션 입력조건
1) 벽체 구성 및 성능

대상건물의 시뮬레이션에 적용된 벽체구성 및 창호의 물성값은 Table 3., Table 4.와 같다.

Table 3. 
Properties of wall
Division Material Density
[kg/㎥]
Specific heat
[J/kg・K]
Thermal conductivity
[W/m・K]
Thickness
[mm]
Side wall
(Direct)
Concrete 2000 1000 1.130 180
Mortar 2800 896 0.880 15
Insulation 30 840 0.032 150
Mortar 2800 896 0.880 15
Outside wall
(Indirect)
Concrete 2000 1000 1.130 180
Insulation 30 840 0.032 95
Outside wall
(Balcony)
Concrete 2000 1000 1.130 190
Insulation 20 840 0.036 130
Slab Concrete 2100 840 1.400 150
Insulation 25 1000 0.035 60
Inside wall Insulation 20 840 0.036 25
Concrete 2000 1000 1.130 150
Insulation 20 840 0.036 25
Floor
(Bottom floor)
Insulation 10 1400 0.040 239
Concrete 2000 1000 1.130 100
Flooring 1200 840 0.410 70
Flooring(Wood) 650 1200 0.140 30
Roof
(Top floor)
Concrete 2000 1000 1.130 180
Mortar 2800 896 0.880 15
Insulation 30 840 0.032 150
Mortar 2800 896 0.880 15

Table 4. 
Simulation condition of window
Window U-value
[W/m・K]
SHGC VLT
Outside
(Triple glass)
1.116 0.570 0.696
Inside
(Double glass)
2.703 0.704 0.786

벽체구성은 측벽(외기직접), 외벽(외기간접), 외벽(발코니), 슬래브, 바닥(최하층), 지붕(최상층)으로 구분하였으며, 각 벽체에 적용된 재료(콘크리트, 모르타르, 단열재, 바닥재)에 대한 밀도, 비열, 열전도율, 두께의 물성값을 적용하였다.

창호는 대상건물에 적용된 삼중유리와 이중유리의 열관류율, 태양열취득율(SHGC), 가시광선 투과율(VLT)에 대한 물성값을 적용하였다.

2) 설정 인자 및 설정값

대상건물의 에너지 산출을 위하여 인체부하, 조명부하, 기기부하와 같은 내부부하조건 및 냉난방 시스템의 운전조건은 각 실의 용도에 맞게 입력되어야 한다. 건물에너지 소비에 영향을 미치는 부하요소별 입력 자료는 Table 5., Table 6.과 같다.

Table 5. 
Simulation condition
Division Parameter value Schedule
Set point Temp. Coolng: 20 ℃
Heating: 26 ℃
Schedule 4
People 0.05 peopole/㎡ Weekday: Schedule 1
Weekend: Schedule 2
Equipment heat gain
(Base load)
4.05 W/㎡ Schedule 4
Equipment heat gain
(Intermittent use)
2.56 W/㎡ Schedule 3
Hot-water 0.084 ℓ/㎡・day Schedule 4
Lighting 4.32 W/㎡ Schedule 3
Infiltration/Ventilation 0.3 ACH / 0.7 ACH Schedule 4
HVAC Ideal Load Air System -
Region Seoul -

Table 6. 
Schedule con
Schedule
Schedule 1 Schedule 2
Schedule 3 Schedule 4

적용 스케쥴은 총 가지로 4 구성하였다. 인체부하 산정을 위한 주간(Schedule 1), 주말(Schedule 2) 재실 스케쥴과, 조명부하, 기기부하 및 냉난방 시스템의 운전조건 설정을 위한 Schedule 3, 4로 구분하였다.

3) 대상지역 기상데이터

시뮬레이션의 대상지역은 서울지역을 수행하였다. 대상지역 기상데이터는 TRNSYS에서 제공하는 서울지역 TMY2 기상데이터 자료가 적용하였다. 서울지역 기상데이터의 주요 인자값은 건구온도, 노점온도, 상대습도, 확산수평일사량, 풍속으로 구분하여 각 인자값에 대한 월 평균값은 Table 7.과 같다.

Table 7. 
Weather data
Month Dry bulb temperature
(℃)
Dew point temperature
(℃)
Relative humidity
(%)
Diffuse solar irradiance
(Horizontal)
(kWh)
Wind velocity
(m/s)
1 -1.29 -7.84 60.40 37.20 2.35
2 0.98 -7.24 54.38 44.14 2.55
3 6.87 -1.76 55.42 60.83 2.77
4 13.04 2.84 53.49 74.67 2.72
5 18.27 10.23 62.36 81.97 2.46
6 22.82 15.67 66.09 85.90 2.07
7 25.29 20.30 74.33 67.50 2.19
8 24.84 19.97 74.31 65.91 1.56
9 20.92 14.80 69.32 52.41 1.83
10 15.48 7.74 61.31 49.69 1.78
11 6.20 -0.68 62.61 33.85 2.14
12 0.99 -5.65 59.81 39.54 2.25

4) 지중온도

건물 최하층과 접하는 지중온도는 일사 및 외기의 표면열전달을 받지 않으면서 최하층 세대의 실내온도에는 영향을 받기 때문에 철관지중온도를 그대로 적용하기에는 한계가 있다. 다만 건물 하부의 지중 온도를 정량적으로 측정한 분포자료가 없는 실정이기 때문에, 본 논문에서는 지표온도로 서울지역 철관지중온도 3.0 m로 설정하였다.


3. 시뮬레이션 결과 분석

본 연구에서는 공동주택에서 세대의 위치와 건물의 향에 따른 냉・난방에너지 변화를 분석하기 위해서 동적에너지 시뮬레이션(EnergyPlus)을 이용하여 연간 에너지를 도출하였으며, 세대의 위치가 건물에너지에 미치는 영향 및 향이 건물에너지에 미치는 영향을 분석하였다. 분석 결과는 다음과 같다.

3.1. 세대의 위치가 에너지에 미치는 영향

시뮬레이션 결과를 기반으로 8개의 방위에서 세대별 단위 면적당 냉 ・난방에너지의 평균값을 산출하여 세대 위치가 에너지에 미치는 영향을 파악하였다. 74 Type과 84Type에서 냉・ 난방에너지를 가장 적게 사용한 세대를 기준(100)으로 설정한 후, 각 세대별 증가된 에너지 비율을 도출하였고, 해당 결과는 Table 8., Table 9.와 같다.

Table 8. 
Annual building energy consumption
Division Heating Cooling Heating and cooling
Annual energy
consumption
[kWh/m2]
Building type 74A 84A 74B 84B 74C 84C 74A 84A 74B 84B 74C 84C 74A 84A 74B 84B 74C 84C
Increased
energy
consumption
ratio
[%]
5F 132.75 125.85 125.74 125.29 126.23 128.90 117.33 118.99 120.32 118.78 120.76 117.49 122.32 120.00 119.87 119.60 120.33 121.03
4F 109.67 103.19 102.65 102.64 103.11 106.26 118.85 120.52 122.10 120.26 122.77 118.92 110.64 108.20 108.31 107.78 108.85 109.21
3F 107.03 100.56 100.00 100.00 100.47 103.65 119.36 121.00 122.67 120.73 123.31 119.40 109.46 106.96 107.14 106.54 107.67 107.97
2F 107.08 100.61 100.06 100.07 100.54 103.70 117.44 118.90 120.61 118.63 121.32 117.36 108.64 106.09 106.27 105.68 106.84 107.13
1F 110.15 103.66 103.39 103.43 103.51 106.66 100.00 100.98 102.21 101.02 102.10 100.00 102.65 100.11 100.00 100.00 100.02 101.34

Table 9. 
Annual building energy consumption and solar transmittance for building type and floor
Division Floor Building type
74Type VS 84Type
Annual
heating
energy
consumption
[kWh/㎡]
5F 37.53 < 38.29
4F 30.42 29.88 31.13 30.58
3F 29.60 30.30
2F 29.62 30.32
1F 30.87 31.45
Total 31.61 32.30
Annual
cooling
energy
consumption
[kWh/㎡]
5F 30.02 > 28.81
4F 30.39 30.29 29.13 29.02
3F 30.50 29.23
2F 29.98 28.71
1F 25.34 24.40
Total 29.25 28.06
Annual
heating and
cooling
energy
consumption
[kWh/㎡]
5F 67.55 > 67.10
4F 60.81 60.17 60.26 59.61
3F 60.11 59.54
2F 59.60 59.03
1F 56.21 55.85
Total 60.86 60.36
Solar
transmittance
[kWh]
5F 2.78 > 2.21
4F 2.91 2.91 2.30 2.30
3F 2.91 2.30
2F 2.91 2.30
1F 2.92 2.30
Total 2.88 2.28

난방에너지는 중간 세대(3층-74B(31.80 kWh/㎡), 84B(32.27 kWh/㎡))에서 가장 낮게 나타났으며, 좌 ・우측 최상위 세대(5층-74A(42.21 kWh/㎡), 84C(41.60 kWh/㎡))에서 가장 높게 나타났다. 최대 세대의 난방에너지 증가 비율은 최소 세대와 비교하여 74 Type은 32.75% 증가되고, 84 Type은 28.90% 증가되는 것으로 나타났다. 또한 난방에너지는 최상층 대비 중앙층은 7.68/㎡, 바닥면에 접한 최하층은 6.75 kWh/㎡ 낮게 나타났다.

냉방에너지는 좌・우측 최하위 세대(1층-74A(26.02 kWh/㎡), 84C(25.09 kWh/㎡))에서 가장 낮게 나타났으며, 중간 세대(3층-74C(32.08 kWh/㎡), 84A(30.35 kWh/㎡))에서 가장 높게 나타났다. 최대 세대의 냉방에너지 증가 비율은 최소 세대와 비교하여 74 Type은 23.21% 증가되고, 84 Type은 21.00% 증가되는 것으로 나타났다. 또한 냉방에너지는 최상층 대비 중앙층은 0.24 kWh/㎡ 높고, 바닥면에 접한 최하층은 4.54 kWh/㎡ 낮게 나타났다.

세대별 냉・난방 전체 에너지에 대한 결과를 보면, 중간 최하위 세대(1층-74B(59.47 kWh/㎡), 84B(58.72 kWh/㎡))에서 에너지가 가장 낮게 나타났으며, 좌・우측 최상위 세대(5층-74A(72.74 kWh/㎡), 84C(71.07 kWh/㎡))에서 가장 높게 나타났다. 최대 세대의 냉난방에너지 증가 비율은 최소 세대와 비교하여 74 Type은 22.32% 증가되고, 84 Type은 21.03% 증가되는 것으로 나타다 서로 비슷한 비율로 증가되는 것으로 분석되었다. 또한 전체에너지는 최상층 대비 중앙층은 7.44 kWh/㎡, 바닥면에 접한 최하층은 11.29 kWh/㎡ 낮게 나타났다.

대상 공동주택의 세대유형 기준 난방에너지 소요량은 74Type(31.61 kWh/㎡)이 84Type(32.30 kWh/㎡) 보다 유리하고, 냉방에너지는 74Type(29.25 kWh/㎡)이 84Type(28.06 kWh/㎡)보다 불리하다. 냉 ・ 난방에너지를 동시에 고려한 경우는 74Type(60.86 kWh/㎡)이 84Type(60.36 kWh/㎡) 보다 유리하게 나타났다. 이는 일사 투과량이 74Type(2.88 kWh)이 84Type(2.28 kWh) 보다 높고, 이러한 결과가 난방에너지는 긍정적, 냉방에너지에는 부정적인 요인으로 작용한 것으로 판단된다.

3.2. 건물의 향이 에너지에 미치는 영향

8개의 방위(남, 남서, 서, 서북, 북, 북동, 동, 동남) 별로 전체 건물에서 소요되는 에너지를 비교하여 건물의 향이 에너지에 미치는 영향을 파악하였다.

난방에너지는 남향(85,910 kWh )에서 가장 낮게 나타났으며, 서북향(96,774 kWh )에서 가장 높게 나타났다. 서북향에서의 난방에너지는 남향보다 연간 10,864 kWh 증가한 것으로 12.65%에 달한다. 또한 남서(3.87% 증가), 동남(5.65%증가)을 제외한 모든 향에서 10.07% 이상의 난방에너지 증가율을 보였다.

냉방에너지는 북향(73,485 kWh)에서 가장 낮게 나타났으며, 서향(83,990 kWh)에서 가장 높게 나타났다. 서향에서의 냉방에너지는 북향보다 연간 10,504 kWh 증가한 것으로 14.30%에 달한다. 또한 남서(10.94% 증가), 서(14.30% 증가), 동(12.27% 증가)에서 높은 증가율을 나타내었다.

전체에너지는 남향(336,872 kWh)에서 가장 낮게 나타났으며, 서향(353,855 kWh)에서 가장 높게 나타났다. 서향의 전체 에너지는 남향보다 연간 16,982 kWh 증가한 것으로 5.04% 높은 것이다. 또한 서북(3.81% 증가), 북동(3.40% 증가), 동(4.72% 증가)에서 높은 증가율을 나타냈다.

향별로 소요되는 난방에너지는 남, 남서, 동남, 북, 서, 동, 북동, 서북 순으로 낮게 나타났으며, 냉방에너지는 북, 남, 북동, 서북, 동남, 남서, 동, 서 순으로 낮게 나타났다. 냉・난방 전체 에너지는 남, 북, 남서, 동남, 북동, 서북, 동, 서 순으로 나타났다. 이는 난방에너지는 최소가 되는 남향을 기점으로 에너지가 감소하고, 냉방에너지는 동, 서향을 기점으로 에너지가 높아지기 때문이라고 판단된다.

향별 난방, 냉방, 전체에너지는 Table 10.과 Fig. 4.와 같고, 향별 대상 건물 전체 에너지(내부기기, 조명, 난방, 냉방, 환기, 급탕)는 Table 11.과 같다.

Table 10. 
Annual building energy consumption for orientation[kWh]
Division Heating Cooling Total
Annual energy
consumption
[kWh/m2]


Fig. 4. 
Annual heating and cooling energy consumption, solar transmittance

Table 11. 
Annual total building energy consumption for orientation [kWh (kWh/㎡)]
Orientation Internal equipment ighting Heating Cooling Ventilation Hot water Total
S 109034 21410 85910 76708 10260 33549 336872
(40.15) (7.88) (31.64) (28.28) (3.78) (12.35) (124.05)
SW 109034 21410 89236 81522 10260 33549 345012
(40.15) (7.88) (32.86) (30.02) (3.78) (12.35) (127.04)
W 109034 21410 95611 83990 10260 33549 353855
(40.15) (7.88) (35.21) (30.93) (3.78) (12.35) (130.30)
NW 109034 21410 96774 78664 10260 33549 349692
(40.15) (7.88) (35.64) (28.97) (3.78) (12.35) (128.77)
N 109034 21410 94559 73485 10260 33549 342298
(40.15) (7.88) (34.82) (27.06) (3.78) (12.35) (126.05)
NE 109034 21410 96094 77964 10260 33549 348313
(40.15) (7.88) (35.39) (28.71) (3.78) (12.35) (128.26)
E 109034 21410 96028 82505 10260 33549 352787
(40.15) (7.88) (35.36) (30.38) (3.78) (12.35) (129.91)
SE 109034 21410 90761 80617 10260 33549 345631
(40.15) (7.88) (33.42) (29.69) (3.78) (12.35) (127.27)


4. 결론

본 연구에서는 세대 위치와 건물의 향이 건물에너지 미치는 영향을 평가하기 위하여 세대 위치와 건물의 향에 따라 총 240Case를 구성하였고, 동적에너지 시뮬레이션인 EnergyPlus를 이용하여 연간 냉・난방에너지를 도출하여 세대 위치 및 건물 향이 건물에너지 미치는 영향을 평가하였다.

1) 세대의 위치가 에너지에 미치는 영향

대상 공동주택의 세대위치 기준, 난방에너지 소요량이 가장 작은 중앙층 중간세대 대비 최대 32.75%(74Type, 최상층 측세대), 28.90%(84Type, 최상층 측세대) 에너지 소요량 증가를 보였으며, 냉방에너지가 가장 작은 최하층 측세대 대비 최대 23.21%(74 Type, 중앙층 중간세대), 21.00%(84Type, 중앙층 중간세대) 증가하였다. 냉・난방에너지를 동시에 고려한 경우, 냉난방에너지 소요량이 가장 작은 최하층 중간세대 대비 최대 22.32%(74 Type, 최상층 측세대), 21.03%(84 Type, 최상층 측세대) 증가를 보였다. 즉 난방에너지는 중앙층 중간세대, 냉방에너지는 최하층 측세대가 가장 유리하며, 냉・난방에너지를 동시에 고려한 경우 최하층 중간세대가 가장 유리한 것으로 분석되었다.

대상 공동주택의 세대유형 기준 세대유형 기준 난방에너지 소요량은 74Type이 84Type 보다 유리하고, 냉방에너지는 불리하다. 냉난방에너지를 동시에 고려한 경우는 74Type이 84Type 보다 유리하게 나타났다.

이는 동일한 설계조건일 경우 난방에너지 기준 최하층 및 최상층 세대는 중간층 세대에 비해 외기에 접하는 면적이 증가하고, 외기에 직접면한 상/하부 구조체를 통한 열손실이 중간층 세대에 비해 증가하기 때문에 보다 많은 에너지를 사용하며, 반대로 냉방에너지는 최하층 세대에서 냉방에너지를 가장 적게 사용하는 것으로 나타났다.

2) 건물의 향이 에너지에 미치는 영향

대상 공동주택의 향에 따라 소요되는 전체에너지를 보면, 남, 북, 남서, 동남, 북동, 서북, 동, 서 순으로 나타났다. 이러한 차이는 외피를 통해 입사하는 일사 투과량 때문이고, 비투명외피(지붕/바닥/외벽/측벽) 보다는 투명외피(창호)를 통해 입사하는 일사 투과량의 영향을 더 크게 받는다고 판단된다. 이에 상관관계 분석을 통해 난방에너지, 냉방에너지, 일사 투과량 간의 상관관계 분석을 수행하였다.

상관분석결과, 유의한 상관관계를 보인 가운데, 일사투과량과 난방에너지는 상관계수 –0.751로 강한 음의 상관관계를 보이고 있으며, 냉방에너지는 상관계수 0.526로 일사투과량과 양의 상관관계를 보이고 있다. 즉, 일사투과량이 높을수록 난방에너지가 감소하고, 냉방에너지는 증가하며 특히, 난방에너지가 일사투과량을 영향을 직접적으로 받는 것으로 분석되었다. 분석 결과는 Table 12.와 같다.

Table 12. 
Correlation analysis results of heating and cooling energy, solar transmittance
Heating Cooling Solar transmittance
Heating 1 - -
Cooling 0.139 1 -
Solar transmittance -0.751 0.526 1

3) 종합

에너지 절약 관점에서 공동주택은 다른 주거용 건물에 비하여 열밀도가 높고, 건물의 특징상 하나의 건물 내에 서로 독립적인 여려 세대가 공동으로 거주하므로 불가피하게 열적으로 불리한 세대가 발생할 수 있다. 특히, 우리나라의 경우 냉난방 기간의 구분이 비교적 확실하기 때문에 이에 따른 냉방 및 난방에너지 소비의 불균형 및 유불리가 나타난다.

이에 본 연구를 통해 세대 위치 및 건물 향이 건물에너지에 미치는 영향을 평가하였고, 향후 단열 공법(내단열, 외단열) 및 창호의 성능별(Glazing 구성, 열관류율, SHGC, VLT, 코팅) Case를 보완하여, 건물에너지 소비특성을 추가적으로 분석하고자 하며, 공동주택 세대 위치 및 향에 따른 최적의 외피 구성을 도출하고자 한다.


Acknowledgments

This research was supported by a grant(18RERP-B082204-05) from Residential Environment Research Program funded by Ministry of Land, Infrastructure and Transport of Korean goverment.


References
1. 송승영, 내단열 vs 외단열, 외단열 공동주택의 에너지절약 효과, 대한건축학회 특집호, 58(3), (2014), p16-20.
Song, Seung-Yeong, Internal insulation vs External insulation, Energy saving potentials of externally insulated apartment buildings, Review of Architecture and Building Science Special Feature, Korea, 58(3), (2014), p16-20.
2. 윤용상, 윤재훈, 현종훈, 황우진, 신재규, 최원기, 문선혜, 공동주택의 최적 Glazing 구성에 관한 연구-Glazing 성능과 냉난방 설정온도를 중심으로, 대한건축학회 계획, 28(10), (2012), p301-308.
Yoon, Yong-Sang, Yoon, Jae-Hoon, Hyun, Jong-Hoon, Hwang, Woo-Jin, Shin, Jae-Gue, Choi, Won-Ki, Mun, Sun-Hye, A Study on the Optimal Glazing Units in Apartment : Focused on the Glazing Performance and Heating/Cooling Setpoint Temperature, Journal of The Architectural Institute of Korea Planning&Design, Korea, 28(10), (2012), p301-308.
3. 조선호, 이호열, 김유민, 최경석, 강재식, 외단열 시스템 적용에 따른 리모델링 후 공동주택 외피의 실증평가, 대한설비공학회 학술발표대회 논문집, 2014(14), 2014, Jun.
Cho, Sun-Ho, Lee, Ho-Yeol, Kim, Yu-Min, Choi, Gyoung-Seok, Kang, Jae-Sik, Evaluation of External Insulation System for Post Remodeling in Apartment Buildings, Conference Journal of SAREK, 2014, Jun.
4. 김창성, ECO2 프로그램을 이용한 공동주택의 단위세대 평면 형태에 따른 에너지 효율 평가, 한국생태환경건축학회지, 15(5), (2015), p89-94.
Kim, Chang-Sung, The Influence of Unit Plan Shapes to the Energy Efficiency of Collective Housing Simulated by ECO2 Software, Journal of The Korea Institute of Ecological Architecture and Environment, Korea, 15(5), (2015), p89-94.
5. 임재한, 김성임, 송승영, 국내 공동주택의 에너지절약 설계기준 강화에 따른 냉난방설비 설계 기준 개선 방안, 한국태양에너지학회지, 34(3), (2014), p89-97.
Lim, Jae-Han, Kim, Sung-Im, Song, Seung-Yeong, Improvement of Design Criteria in Heating and Cooling Equipment According to the Consolidation of Design Standard for Energy Saving in Apartment Buildings of Korea, Journal of the Korean Solar Energy Society, Korea, 34(3), (2014), p89-97.
6. 최종대, 윤근영, EnergyPlus 기반의 건물에너지 해석 프로그램간의 차이 및 보정, 대한건축학회 학술발표대회 논문집, 2011(31), 2011, Oct.
Choi, Jong-Dae, Yun, Geun-Young, Differences in Results between Two Building Energy Simulatiom Prograns based on EnergyPlus, Conference Journal of AIK, 2011, Oct.