KIEAE Journal

건축물의 전생애주기(Life Cycle)를 통해 발생하는 CO₂량은 지구전체 발생량의 약 40%를 차지 할 정도로 자연 환경에 미치는 영향은 매우 크다고 할 수 있다. 이러한 건축물의 환경적 영향을 최소화하기 위해, 국제적으로 건축물의 에너지 저감에 대한 관심이 확대되고 있다. 국내에서는 2008년 녹색성장정책을 통해 건축물의 에너지 저감에 대한 중장기 로드맵을 수립하고 공동주택 및 업무용 시설에 대한 의무 절감율을 제시 시행하고 있다. 공동주택의 경우 표준주택¹⁾ 대비 “2012년 30% 절감”, “2017년 60% 절감”, “2025년 제로에너지” 목표를 제시하였다. 이러한 정책기조를 반영하기 위해 국내외 유수의 공공기관, 설계사 및 시공사는 공동주택의 에너지 절감을 위한 기술 개발 및 비용 효율에 관한 연구가 진행 중이다. 또한, 건물에서의 에너지 손실이 가장 높은 부위는 창호 및 외피부분으로 건축물의 에너지절약설계기준²⁾ 및 친환경주택의 건설기준 및 성능³⁾에서는 외벽, 창호 등을 통해 손실되는 에너지를 최소화하는 공동주택의 부위별 열관류율(U-Value)을 규정하고 있다. 창호의 경우 건축물에너지에 미치는 요인이 열관류율 뿐 아니라 일사취득계수의 영향이 높으며, 이에 대한 다양한 연구가 진행 중이다.⁴⁾ 또한 창호성능과 더불어 건물의 창면적비 역시 중요한 요인 중에 하나이며, 건축물에 미치는 일사량의 영향과 관련하여 향은 밀접한 연관성 있다. 그렇지만, 창면적비가 에너지에 미치는 영향 및 경제성에 대한 연구는 진행되나, 향과 창면적비의 연관성을 분석하는 연구는 미비한 상태이다.

본 연구에서는 LH공사의 표준세대 전용면적 46㎡ 및 84㎡타입의 향별 창면적비가 에너지에 미치는 영향을 분석하여 설계초기 배치를 위한 적정 향 및 향별 적정 창면적비를 제안하는 것이 본 연구의 목적이다.

대부분의 저에너지 공동주택을 위한 연구 및 시범 단지가 건설 시장의 분양성을 고려해 84㎡ 이상을 중심으로 개발되어, 저 평형대의 공동주택 특성을 반영하는 연구가 부족한 실정이다. 또한 향과 창면적비에 대한 기존 연구에서는 다양한 에너지 저감기술 요소 중 하나로 향과 창면적비를 분석을 하였으나(손우진 외, 2010; 이승연 외, 2011; 송승연 외, 2012), 두 연관 요소에 대한 연관성을 분석한 연구는 미비하였다. 따라서 본 연구에서는 두 연관 요소의 변화에 따른 냉난방 에너지요구량에 미치는 영향을 도출해, 향별창면적비에 대한 연관관계를 분석하였다. 분석모델은 LH공사 임대형 46㎡ 및 분양형 84㎡ 타입의 기준층 세대로 한정하였다.

분석 프로그램은 Energyplus⁵⁾를 활용하였으며, 이는 연간 시각별 기상데이터를 이용한 정밀 에너지 분석 프로그램이다. 모델링은 Revit Architecture⁶⁾을 활용하여 창면적비 변경 효율을 높였으며, 표준 Data 전송 포멧인 “gbXML⁷⁾”의 건물 형상정보를 Energyplus와 연동하여 분석을 진행하였다. 기상데이터는 한국태양에너지학회의 서울 데이터를 사용하여 분석하였다.

분석모델은 단지의 각 1개 동을 선정하여 기준층에 위치한 46㎡ 및 84㎡세대를 기준으로 하였다. 46㎡세대는 임대형 공동주택으로 건축개요는 <표 1>과 같으며, 단지 내 분석동은 주변의 영향이 적은 304동으로 선정하였다. <표 2>는 분석 단지 배치도 및 평면도로 304동은 주향이 정남향에서서측으로 45°를 향하며, 분석세대는 기준층 내부 중간세대를 선정하여 분석하였다. 분석세대의 정면부 및 배면부 창면적비는 47.50%, 10.96%의 비율을 가지며, <표 3>은 기준층 정면부 및 배면부 입면도이다.

분양형인 84㎡세대는 총 12개동 926세대로 구성되어 있으며, 건축개요는 <표 4>와 같다. 단지 내 분석 동은 임대형과 같이 주변의 영향이 적은 4709동으로 선정하여 분석하였다. <표 5>는 분석 단지 배치도 및 평면도로 선정 된 동 역시 임대형과 같은 주향이 정남향에서 서측으로 45°를 향하며, 분석세대는 10층 내부에 위치한 중간세대 선정하여 분석하였다. 분석세대 정면부 및 배면부의 창면적비는 54.17% 및 15.30%의 비율을 가지며, <표 6>은 기준층의 정면부 및 배면부 입면도이다.

향에 따른 냉난방 에너지요구량 측면에서 남향이 창면적비 변경에 관계없이 가장 우수하였으며, 서향보다는 동향이 냉난방에너지 측면에서 우수한 것으로 나타났다.

이는 공동주택의 난방 에너지요구량이 냉방에 비해 높고, 난방에 유리한 일사량이 상대적으로 우수하여 난방에너지 절감에 대한 기여율이 높았기 때문이다.

향별 창면적비 변화에 따른 55개의 분석결과 중 남향을 향하고 창 면적을 10% 넓힌 변수가 에너지 측면에서 가장 유리하였으며, 서향을 향하고 창 면적을 10% 넓힌 변수가 가장 에너지 측면에서 가장 불리한 것으로 나타났다. 그리고 남향을 제외한 나머지 향은 창 면적을 넓히는 것이 에너지 측면에서 불리한 것으로 나타났다. 이는 향에 따른 일사량에 따른 것으로 판단되며, 남향의 경우 다른 향에 비해 실내에 미치는 일사량이 높아 창 면적을 넓힘으로써, 난방에너지요구량을 낮추는 것이 전체 에너지요구량에 유리하게 작용한 것으로 분석된다. 남향을 제외한 나머지 향은 실내에 미치는 일사량이 남향에 비해 낮아, 감소되는 난방 에너지요구량보다 창 면적이 넓어짐으로써 증가되는 냉방 에너지요구량이 크기 때문에 창 면적을 줄이는 것이 냉난방에너지요구량 측면에서 유리하게 작용한 것으로 <표 8>의 분석결과로 알 수 있다. 또한 남향과 남서향 사이, 남향과 남동향 사이는 창 면적을 남향과 같이 넓혀 냉난방 에너지요구량 측면에서 유리한 향의 범위가 있을 것이라고 추정이 가능하다. <그림 1>에서는 향별 창면적비 변화에 따른 냉난방 에너지요구량 그래프를 나타내고 있으며, 남향 그래프 기울기는 마이너스로, 그 이외의 향은 플러스가 되는 것을 보여주고 있다. 따라서 남향과 남서향, 남향과 남동향 사이 창면적을 넓히는 것이 전체 에너지요구량 측면에서 유리하게 영향을 미치는 향 범위를 찾아보기로 하였다. 효율적인 분석을 위해 남향과 남서향, 남향과 남동향 사이의 전체 에너지요구량 차이를 9개 구간(5° 간격)으로 나누어 기울기를 분석하였다.

그림 1. 
임대형(46㎡)의 향별 창면적비 변화에 따른 연간 냉난방 에너지요구량(kWH) 그래프

<그림 2, 3>에서는 9개 구간의 냉난방 에너지요구량 변화 그래프를 확인할 수 있으며, 정남을 기준으로 남서향으로 +10°에서 +15°사이에서 기울기가 변경되었으며, 남동향 으로는 –20°에서 -25°사이에서 기울기가 변경된 것을 알수 있다. 이 결과로 정남을 기준으로 +10°～-20°사이에 향을 가지는 임대형 공동주택의 경우 창 면적을 늘리는 것이 냉난방 에너지요구량을 감소시키는 것으로 나타났다.

그림 2. 
임대형(46㎡)의 정남에서 남서향 사이 9개 구간(5°간격)의 연간 냉난방 에너지요구량(kWH) 그래프

그림 3. 
임대형(46㎡)의 정남에서 남동향 사이 9개 구간(5°간격)의 연간 냉난방 에너지요구량(kWH) 그래프

분양형의 역시 임대형과 같이 향에 따른 냉난방 에너지 측면에서 남향이 창면적비 변경과 관계없이 가장 우수하였으며, 서향 보다는 동향이 냉난방에너지 측면에서 우수한 것으로 나타났다. 향별 창면적비 변화에 따른 55개의 변수분석 결과 남향을 향하고 창 면적을 10% 줄인 변수가 에너지요구량 측면에서 가장 우수하였으며, 서향을 향하고 창면적을 10% 넓힌 변수가 에너지 측면에서 가장 불리한 것으로 나타났다. 임대형과 같이 에너지 측면에서 가장 유리한 향은 남향으로 일치하지만, 임대형과 다르게 남향의 경우 창 면적을 줄이는 것이 더 유리한 것으로 분석되었다. <표 8>와 <표 9>에서 남향의 창 면적 증감에 따른 냉난방 에너지요구량 변화를 확인하면, 임대형의 경우 창 면적이 늘어남에 따라 난방에너지 감소량 대비 냉방에너지 증가량이 작아 전체 에너지요구량 측면에서 유리하였지만, 분양형의 경우 창 면적이 늘어남에 따라 난방에너지 감소량 대비 냉방에너지 증가량이 높아 전체 에너지 측면에서 불리하게 작용한 것을 확인할 수 있다.

그림 4. 
분양형(84㎡)의 향별 창면적비 변화에 따른 연간 냉난방 에너지요구량(㎾h) 그래프

이는 임대형과 분양형의 장단변비에 따른 것으로 임대형의 경우 남북방향으로 긴 장방형의 형태로 난방과 냉방 에너지요구량이 7:3의 비율을 가지며, 분양형의 경우 동서 방향으로 긴 장방형의 형태로 난방과 냉방 에너지요구량이 6:4의 비율에 따른 것으로 판단된다.

임대형 및 분양형의 배면부는 10.96%와 15.30%로 정면부 대비 약 20%의 창면적비를 가지며, 북측을 향하는 배치특성상 직달 일사의 영향이 낮고, 산란 일사 영향이 높다. 이는 창 면적을 늘림으로써 획득되는 일사량이 낮아 난방에너지의 절감량이 낮고, 창호 및 프레임을 통해 손실되어 난방 에너지요구량이 높을 것으로 예상할 수 있다. 또한 임대형 및 분양형 정면부 분석결과에 따르면, 임대형 경우 남향과 같이 일사의 영향이 높은 향 일부를 제외하고는 창 면적을 줄이는 것이 유리하였으며, 분양형의 경우는 일사의 영향이 높은 남향까지 창 면적을 줄이는 것이 유리하게 분석되었다. 따라서 배면부와 같이 일사의 영향이 적은 향에 대하여는 정면부의 분석결과를 통해 예측한 가정이 옳은지를 판단하기 위해 임대형의 배면부에 대하여 분석을 진행하였다. 임대형의 창 면적 변화는 -8%～+10%로 2% 간격으로 변경시켜 동향, 동북향, 북향, 북서향, 서향에 따른 냉난방 에너지요구량을 분석하였다. 그리고 임대형의 배면부창 면적이 10.96%로 -10%까지 줄이게 되면, 기본적인 창호로써의 역할을 수행할 수 없기에 창면적비를 줄이는 최대비율을 -8%로 한정하여 분석을 진행하였다. 배면부의 향별창면적비 변경에 따라 냉난방 에너지요구량은 북향이 창면적비 변경과 관계없이 가장 우수하였으며, 동향 보다는 서향이 냉난방에너지 측면에서 우수한 것으로 나타났다. 이러한 결과는 배면부 향에 따른 정면부 향의 관계로 볼 수 있다. 배면부가 북측을 향하는 경우 냉난방 에너지요구량 측면에서 우수한 정면부가 남향으로 향하기 때문이며, 배면부가 서측 및 동측을 향하는 경우 정면부가 동측 및 서측을 향하기 때문이다. 이는 향에 따른 전체 에너지요구량 측면에서 정면부 분석결과와 배면부 분석결과가 연관관계가 있으며, 정면부의 향이 어디를 향하는지가 향별 우선순위를 결정한다고 볼 수 있다. 그렇지만, 배면부는 모든 향에 대하여 창 면적을 줄이는 것이 전체 에너지요구량 측면에서 유리한 것으로 나타났다. 임대형 정면부와 비교하여 생각해보면, 남측 일부 향에 대하여 정면부 창 면적을 늘리는 것이 유리하게 나온 결과와 상반되는 결과이며, 이는 남측 일부 향을 제외하고, 창 면적의 증가는 난방 에너지요구량의 감소량 보다 냉방 에너지요구량이 증가량이 높기 때문이다. 이와 같이 남향의 반대편에 위치한 배면창의 분석 향은 상대적으로 낮은 일사량을 가지므로 창 면적을 줄이는 것이 유리하게 작용하였으며, 이는 앞서 가정한 결과를 만족하고, 정면부의 향별 창면적비 변화와 동일한 이유라고 볼 수 있다. <표 10>과 <그림 5>는 임대형 배면부 향별 창면적비 변화에 따른 냉난방 에너지요구량 분석 결과 및 그래프이다.

그림 5. 
임대형(46㎡) 배면부 향별 창면적비 변화에 따른 냉난방 에너지요구량(kWH) 그래프