KIEAE Journal

인류의 지속적인 발전과 생존은 급속하게 변화하는 기후변화와 에너지의 불안정성으로 인해 큰 위협을 받고 있다. 지구 온난화로 인한 기후 변화는 인간이 사용하는 화석 연료에 따른 탄소 배출량과 밀접한 관련이 있다. 지구 기후 변화 요인인 온실가스를 감축하기 위해 1992년에 리우협약부터 시작하여 2005년의 교토의정서, 2009년의 코펜하겐 유엔 기후변화 컨퍼런스, 2015년 파리 협정 등 전 세계 각 국가에서 현재까지 끊임없이 여러 분야에서의 온실가스 감축을 위한 정책과 대책을 시행하고 있다.

전 세계적으로 전체 에너지 소비량 중 건물부문의 에너지 소비량은 48%를 차지하는 것으로 나타난다[1]. 국내 건물 용도에 따른 에너지 소비량은 주거 부분 54%, 상업 부분 36%, 공공 및 기타 부분이 10%로 주거 부분이 매우 많은 비율을 차지한다. 또한, 주거 부분에서 공동주택이 53%, 단독주택이 32%의 에너지 소비량을 나타내어 공동주택의 에너지 소비량 절감에 대한 대책이 요구되어 지며 연구가 활발히 진행되어 지고 있다.

아파트의 평면은 남향 세대 선호와 분양성 향상을 위해 단위세대의 전면 폭이 증가하는 경향을 보여, 과거에는 2Bay 평면이 공급되었지만 현재는 3Bay와 4Bay 평면이 주로 공급되고 있다. 전면 폭이 늘어 날수 록 창의 면적도 같이 들어나 일조·채광·환기·조명 등 거주환경이 향상되며 조명 에너지를 절약 할 수 있지만, 외기에 접하는 열손실면적의 증가로 인해 난방 및 냉방 부하가 증가되는 부정적 효과도 나타난다. 따라서 본 연구는 공동주택의 단위세대 전면 폭의 증가에 따른 에너지 성능을 평가하여, 향후 에너지 절약적인 공동주택 단위세대 개발을 위한 기초 자료를 제시하고자 한다.

본 논문은 아파트 단위세대 전면 폭 변화에 따른 난방, 냉방, 조명, 급탕, 환기에너지의 연간 단위면적당 1차 에너지 소요량을 디자인빌더(DesignBuilder) 프로그램으로 시뮬레이션 하였다. 평가 모델은 현재 국내 공동주택 주동계획에 의하여 많이 사용되어 지는 전용면적 84㎡ 평면에 대해 중부 지방의 단열 기준을 적용하여 건물에너지성능을 비교 분석 하였다. 본 연구는 다음과 같은 진행 과정을 따른다.

첫째, 시뮬레이션에 사용되는 디자인빌더 프로그램의 특성을 분석하였다.

둘째, 디자인빌더 프로그램에 의한 평가 모델로 2Bay, 3Bay, 4Bay 형태의 단위세대 평면을 입력 모델로 선정하였으며, 입력 모델의 물리적 변수들을 정리하였다.

셋째, 발코니 확장형 2Bay, 3Bay, 4Bay 평면의 중앙 세대와 측 세대에 위치한 경우의 에너지 성능을 평가 하여 결과 값을 비교 분석 하였다.

공동 주택의 에너지 효율 평가와 관련한 선행연구를 Table 1.과 같이 정리하였다. 김창성[2]은 단위세대 평면 전면 폭 변화에 따른 에너지 성능을 평가하였으나 ECO2 프로그램을 이용하여 동적 시뮬레이션이 진행되지 못하였고, 성재은[3][4], 권정우[5], 서혜수[6]는 주동 내의 단위세대 위치에 따른 에너지 성능을 분석하였다. 장영혜[7], 김수정[8], 김민규[9]는 일자형, V자형, L자형 등의 주동 형태에 따른 에너지 성능을 분석하였고, 윤종호[10], 김신혜[11]는 발코니 확장 전후의 에너지 성능을 평가하였다.

이상의 논문은 단위세대 위치와 공동 주택의 주동 형태에 따른 건물에너지성능 분석이 주로 이루어졌으며, 아파트 주동을 구성하는 기본 구성요소인 단위세대의 평면 형태에 따른 에너지 성능 분석이 부족하다(Table 1.). 따라서, 본 논문에서는 동적 시뮬레이션인 디자인빌더 프로그램을 활용하여 단위세대의 평면 형태에 따른 에너지 성능을 보다 정확하게 평가하고자 한다.

디자인빌더(DesignBuilder) 프로그램은 Energy Plus 건물에너지해석 시뮬레이션 프로그램을 기반으로 ASHRAE 90.1과 LEED 데이터 값을 탑재하였다[12]. 디자인빌더는 텍스트 기반인 Energy Plus를 시각적으로 모델링이 가능하면서도, 수백 가지의 기본 템플릿과 모델의 상세 수정이 가능하다는 이점이 있다. 디자인빌더 프로그램은 CFD, 비용 산출, LEED인증, 최적화 등 기능을 제공한다. 본 논문의 시뮬레이션에서 필요로 하는 입력 조건을 아래와 같이 기술하였다.

1) Activity

Activity에서는 각 공간의 용도에 맞게 기본 값을 적용할 수 있는 General, All Gains, 사람의 신진 대사량 및 사용시간을 설정하는 Occupancy, 사무 장비 및 가전 제품 등의 장비 관련 Other Gains, 각 공간의 요구사항을 설정하는 DHW, 냉·난방 설정 온도와 환기 등의 환경 및 쾌적성을 요구하는 Environmental control로 분류되어 있다.

Fig. 1. 
Input example of DesignBuilder program

공동 주택 단위세대 전면 폭의 변화에 따른 에너지 효율을 평가하기 위해 전용면적 84㎡ 평면의 2Bay, 3Bay, 4Bay의 발코니 확장형 단위세대를 평가모델로 선정하였다. 2Bay 모델의 전면 폭은 9.3 m, 3Bay 모델 12.2m, 4Bay 모델 14.6m 로 계산되었다. 외기와 면하는 정도에 따른 에너지 효율을 평가하기 위해서 평가모델의 위치는 양측 인접 세대와 접한 중앙세대와 한 측에만 인접 세대가 있는 측 세대 단위세대를 설정하여 6개의 모델을 시뮬레이션 하였다. 본 연구에 적용된 입력모델의 물리적 개요와 주요 변수를 Table 2. 에 나타내었다.

Region			Central region
area of unit plans			84㎡
shapes of unit plans			unit plans of 2bay, 3bay and 4bay shapes that balconies were converted to living areas
ceiling height			2.4m
heating system			individual heating
boiler capacity and efficiency			25kW/91%
lighting density			10W/㎡
lighting schedule			18~23 PM
hot water schedule			24 hours, 4 persons
ventilation			24 hours, pressure rise of fan 100(Pa), fan efficiency 70%
infiltration			0.7(heated area), 2.0(unheated area )
location of unit plans
2Bay		3Bay		4Bay
Shapes of unit plans
2Bay		3Bay		4Bay
width×deep: 9.3×11.7 m		width×deep:: 12.2×11.0m		width×deep:: 14.6×9.6m

또한, 평가모델의 에너지 성능 평가를 위하여 2018년 7월 개정된 건축물의 에너지절약설계기준의 중부2지역 건물 부위별 열 관류율 표와 실제 아파트 평면에 적용된 열 성능 관계 도면을 참고하여 창호 및 부위별 열 성능을 계산하여 각 입력 모델에 적용하였다(Table 3.).

아파트 블록 플랜의 중앙 세대와 측 세대에 위치한 평가 모델의 벽체와 창호의 외피 열손실 면적을 Table 4.에 나타내었다.

창 면적은 2Bay 6.25㎡, 3Bay 11.51㎡, 4Bay 16.64㎡로 나타나 4Bay 평면 창 면적이 가장 많았다. 중앙 세대의 외부 벽면적은 2Bay 21.21m,² 3Bay 29.97 m,² 4Bay 34.98 m² 로 4Bay 평면의 벽 면적이 가장 많고, 측 세대의 외부 벽면적은 2Bay 40.87m^2, 3Bay 47.41 m^2, 4Bay 56.02 m² 로 4Bay 평면의 면적이 가장 많았다.

3Bay 평면과 4Bay의 경우 우측에 각각 11.7㎡, 10.38㎡ 면적이 인접세대의 냉난방공간과 접해 있지만, 2Bay 평면은 홀과 접해 있어 불리한 조건을 갖는다.

단위세대 형태에 따른 난방, 냉방, 조명, 급탕, 환기에너지의 연간 단위면적당 1차 에너지 소요량(kWh/㎡·yr)을 디자인빌더 프로그램으로 시뮬레이션하여 Table 5.에 나타내었다. 평가 결과에 의하면, 6개 평가모델의 연간 단위면적당 1차 에너지 소요량은 121.19㎡~139.23 kWh/㎡·yr를 나타내어 2016년 84㎡ 단위세대 공동주택의 연간 단위면적당 1차 에너지 소요량 통계값인 146.4 kWh/㎡·yr 와 큰 차이는 없었다[13]. 이러한 차이는 본 연구에 적용된 에너지절약 설계기준이 2016년 기준보다 강화되었기 때문이라 판단된다.

이상의 내용을 종합해 보면, 중앙 세대에 대한 측 세대의 냉·난방 1차 에너지 소요량은 2Bay, 3Bay, 4Bay로 전면 폭이 증가함에 따라 측 세대가 중앙 세대보다 각 각 6.23%, 5.10%, 3.40% 증가하였다 (Table 7.).

이를 난방과 냉방 부분으로 나누어 비교해보면, 난방의 경우에는 2Bay, Bay, 4Bay로 전면 폭이 증가함에 따라 측 세대가 각 각 12.09%, 10.37%, 7.87% 만큼 중앙 세대 보다 1차 에너지 소요량이 증가하였으나, 냉방의 경우에는 2Bay, Bay, 4Bay로 전면 폭이 증가함에 따라 측 세대는 각 각 3.21%, 1.99%, 1.64% 중앙 세대보다 감소하였다.

이러한 결과는 측 세대가 중앙 세대보다 외기에 면하는 면적이 많아서 생기는 현상이라 판단되며, 단열 성능이 높아지면 난방에는 유리하지만 새벽의 차가운 공기의 유입을 차단하여 냉방에는 불리해 진다는 문진우의 연구 결과와 일치한다[14].