KIEAE Journal

급변하는 사회 환경 변화는 건물 기능의 고도화와 다양화를 요구하고 있으며, 노후화가 진행된 건물은 현재 요구되는 건물의 에너지 성능을 만족하지 못하고 있다. 노후 건물의 기능을 향상시켜 거주자의 쾌적성 확보 및 건물 성능 향상의 필요성이 증대됨에 따라 건축물의 리모델링이 각광받고 있다.

학교 건물은 에너지 절약 측면에서뿐만 아니라 교육 과정의 변화, 인구의 변화 등 학교 시설의 변화가 발생되어[1] 이에 따른 기존 건물의 리모델링의 필요성이 점차 강조되고 있다. 한 보고서에 따르면 교육 시설의 50% 이상이 20년 이상 경과된 노후 건물이다.[2] 실제로 국내에서 노후 학교시설에 대한 개축사업이나 그린리모델링 사업, 그린스쿨 사업 등의 제도가 시행되었다. 그러나 기존 건물에 대한 정확한 분석 없이 리모델링이 실행되어 실질적인 에너지 절약 및 쾌적 성능 향상에 크게 기여하지 못하는 문제가 발생하기도 한다. 따라서 학교 건물의 특성을 파악하여 전략적인 리모델링 대안을 설정하는 것이 중요하다.

건물은 용도 및 사용 패턴에 따라 냉난방 부하 비중이 다르며, 건물의 외피부하는 창호 성능 및 단열에 따라 크게 좌우된다. 특히 외피의 상당 부분을 차지하고 있는 창호를 통한 열의 손실 및 획득은 건물의 냉난방 부하에 크게 영향을 미친다.

일반적인 교실은 자연채광의 유입을 최대화하기 위하여 대부분 남향에 배치되어 있고, 창면적비가 약 40% 이상이다. 그러나 창호에 대한 계획이 미흡하여 주간에 과도한 일사 유입으로 인한 현휘발생 및 균제도 불균형을 초래하게 된다. 또한 여름철의 과도한 냉방부하와 겨울철 난방부하를 발생시켜 에너지 사용량 증가를 야기하고 있다. 따라서 쾌적한 빛 환경 조성과 냉난방 부하 절감을 위한 일사 조절장치 등이 포함된 창호 및 외피 설계는 매우 중요하다.

본 연구는 학교 건물의 에너지 절감을 위한 효율적인 리모델링 방안을 제시하는데 목적이 있다. 이를 위해 노후 중학교 건물을 대상으로 그린 리모델링을 위한 외피 설계 요소를 제안하고 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 성능평가를 실시하였다. EnergyPlus 엔진 기반의 건물에너지 시뮬레이션 툴인 DesignBuilder v3.4를 이용하여 각 요소별 에너지 소요량에 대해 비교·분석하였다.

대상 건물은 충남 천안에 위치하며, 1995년 4월 5일에 개교한 공립중학교이다. 철근콘크리트 구조형식이고 4층 규모의 연면적은 약 5,776㎡ 이다.(Table 1.)

각 실에는 EHP가 설치되어 있으나 냉난방 기기 작동 시간에 제한을 두기 때문에 성장기 학생들이 거주하기에 온열 환경적으로 열악한 상황이었다. 각 층 화장실에는 1.5 kW용량의 전기라디에이터가 설치되어있으며, 대상건물의 전체적인 외관은 Fig. 1.과 같다.

Fig. 1. 
Photo of the B-Middle School

본관 건물은 교실, 업무 공간 등으로 구성되어 있으며 별관 건물에는 식당, 체육관 시설이 있다. Fig. 2.와 같이 개별 교실의 크기는 9m(W)×7.5m(D)이며, 편복도형으로 이루어져있다.

과목별로 교실이 나눠져 있으며 2, 3, 4층 중앙에는 각 학년 별 Home base가 있는데 주로 학생들이 쉬는 시간이나 점심시간에 이용하고 있다. 학생들의 휴식 공간임에도 불구하고 간헐적으로 사용되기 때문에 냉난방은 거의 하지 않았다.

대상 건물의 에너지 성능평가를 위하여 설계도면을 바탕으로 기존 벽체 및 창호 등 외피설계 요소를 분석하였다. 외벽과 최하층 바닥에는 50 ㎜ 두께의 EPS 단열재가 적용되어 열관류율 값이 각각 0.633 W/㎡K, 0.579 W/㎡K이다. 지붕에는 60 ㎜ 두께의 EPS 단열재가 적용되어 열관류율 값이 0.52 W/㎡K 인 것으로 확인되었다. 외벽 창호는 3 ㎜ 투명 유리로 적용한 알루미늄이중 창으로 구성되어 있다. 열관류율 값은 창호의 낮은 열 성능을 고려하여 단창 유리와 동일하게 5.897 W/㎡k로 설정하였다. 건물 각 부위의 구성 및 열관류율 값은 Table 2.와 Table 3.과 같다.

Fig. 2. 
Typical floor plan

대상 학교는 교과교실제로 운영되어 학생이 항상 교실에 상주하지 않고 시간표에 따라 해당 과목의 교실로 이동하기 때문에 교실에는 재실자가 없는 경우가 발생하게 된다. 이에 따라 교실의 운영 스케줄은 2014년도 시간표를 근거로 하였다. 또한 재실스케줄은 조명부하, 기기부하, 냉난방기기부하, 인체 발열부하 등 건물의 에너지 소비패턴을 결정짓는 변수 중 하나로 작용된다. 따라서 교사의 야근 또는 방학 중 특별 교실 운영 등 최대한 실제 운영시간에 대한 정보를 수집하였다. 학교 시설의 경우 교육청 등에서 권고하는 범위 내에서 수업일수가 정해지기 때문에 상대적으로 명확한 사용 스케줄 설정이 가능하다. 각 실에서 사용되고 있는 기기는 24시간 운영되는 냉장고, 온수기와 스케줄에 따라 작동되는 사무기기로 구분하였다. Table 4.와 같이 현장 조사를 토대로 건물의 조명밀도와 장비밀도가 산정되었다.

선행연구를 통해 외피 단열에 대한 중요성이 입증되었다.[13] 본 연구에서는 외벽, 지붕, 최하층 바닥의 열관류율이 현행 법규 기준을 만족하도록 각 부위의 단열 성능을 강화하였다. 외벽과 최하층 바닥의 EPS 두께를 100㎜ 증가시켰고, 지붕은 150㎜ 추가하여 Table 7.과 같이 단열 성능을 약 2배 이상 강화 하였다.

대상 건물의 경우 냉난방 에너지의 사용 비율이 일반 비주거용 건물과 같이 뚜렷한 경향을 보이지 않는다. 이에 따라 건물의 에너지 사용 비율 분석을 통한 적절한 창호의 설계가 필요하다. 이에 본 연구에서는 Table 8.과 같이 창호의 설계 대안을 선정하였다.

모든 창호는 기존의 알루미늄 프레임에서 PVC 프레임으로 변경하였고, Win1은 투명 유리가 적용된 일반 복층창, Win2∼Win7은 로이복층창이다. 복층 창의 두께는 24㎜(6㎜+12㎜+6㎜)로 모두 같으며 실내 측 유리의 종류와 중공층에 주입되는 가스의 종류를 변경하였다. Win2, Win3, Win4는 열관류율 값은 비슷하지만 SHGC 값이 각각 0.66, 0.40, 0.32인 로이복층창이다. Win5, Win6, Win7은 아르곤가스를 주입하여 단열을 강화한 로이 복층창이며, 각각의 SHGC 값은 약 0.57, 0.46, 0.36으로 변화를 주었다.

건물에서 창면적비의 증가는 과도한 일사 유입과 복사열로 인해 실내 환경 및 건물 에너지 소비 측면에서 불리한 영향을 끼치게 된다. 이에 따라 블라인드 종류, 길이, 각도 별 분석 등[14] 일사를 효과적으로 차단 또는 획득하기 위한 연구가 진행되고 있다. 또한 2015년 5월부터 차양 장치 또는 일사 조절장치의 설치가 일부 건물을 대상으로 의무화되는 등 직달 일사를 차단하여 하절기 냉방 부하 절감 및 태양열의 실내 유입을 조절하기 위한 노력이 이루어지고 있다. 본 연구에서는 시각적 측면과 일사 차단을 고려하여 Table 9.와 같이 45° 각도의 외부 블라인드를 각 교실의 남측 창에 적용하여 하절기 냉방 에너지 절감량을 분석하였다. 특히 외부블라인드는 열 환경적 측면에서 일사가 창에 도달하기 전에 차단이 가능하므로 내부 블라인드에 비해 효과적일 것으로 판단하였다.

	External Blind
Slat angle	45°
Slat width	50 ㎜
Slat separation	48 ㎜
Operation	May∼September

기존의 학교 건물에 단열성능을 향상시키기 위해 단열재의 두께를 증가시켜 열관류율을 현재 법규 수준으로 강화하였다. Fig. 7.은 단열강화 이전 건물과 연간 냉난방 에너지 소요량을 비교한 그래프이다. 연간 냉난방 에너지 소요량이 179.36 MWh에서 171.78 MWh로 약 5% 감소되었으며, 단위 면적당 냉난방 에너지 소비는 약 46.12 kWh/year·㎡에서 약 44.17kWh/year·㎡ 절감된 것으로 분석되었다. 또한 난방 에너지는 약 8% 절감되었으나 냉방 에너지 절감량은 미미한 것으로 나타났다.

Fig. 7. 
Annual Electric energy consumption according to enhanced insulation

단열을 강화한 뒤 앞서 설계한 창호를 적용했을 때 연간 냉난방 에너지 소요량은 Fig. 8.과 같이 분석되었다. SHGC 값이 낮아질수록 일사획득양이 줄어들기 때문에 냉방부하는 감소되었지만 난방부하가 증가되었다. 그리고 SHGC 값이 0.4에서 일정 수준 이하로 낮아지게 되면 오히려 난방부하가 크게 상승하여 전체 냉난방 에너지 소요량이 증가되는 것으로 분석되었다. 냉방에너지는 상대적으로 SHGC 값이 낮고 열관류율 값이 높은 Win4를 적용했을 때 약 19% 절감되어 상대적으로 절감률이 가장 높았다. 반면 난방에너지는 SHGC 값이 높고 열관류율 값이 낮은 Win5를 적용했을 때 기존 건물 대비 약 46% 감소되어 가장 큰 절감률을 보였다. 그러나 냉난방을 모두 고려했을 때 대상 건물에는 SHGC가 0.468이고 아르곤가스를 주입하여 단열을 강화한 Win6을 적용하는 것이 연간 약 21%의 냉난방 에너지가 절감되어 가장 효과적인 것으로 분석되었다.

Fig. 8. 
Heating and cooling energy consumption for the seven glazing systems

6.2.1. 창호의 SHGC

Fig. 9.는 비슷한 열관류율 값을 갖고 SHGC 값에 변화를 주었을 때 연간 냉난방 에너지를 비교한 그래프이다. 창호의 SHGC 값이 건물의 냉난방 에너지 소요량에 미치는 영향을 분석하였다. Win2와 Win4는 SHGC 값이 각각 약 0.66, 0.34이며, 열관류율 값이 약 1.6 W/㎡K이다. 창호를 Win2에서 Win4로 변경 했을 때 냉방에너지는 약 26% 절감되지만 난방 에너지가 약 27% 증가되는 것으로 분석되었다.

Fig. 9. 
Annual heating and cooling energy consumption (Win2 : SHGC 0.6, U-value 1.7 W/㎡K; Win4 : SHGC 0.3, U-value 1.6 W/㎡K)

6.2.2. 창호의 열관류율

Fig. 10.은 비슷한 SHGC 값을 갖고 열관류율 값이 서로 다른 창호를 비교한 그래프이다. Win4 과 Win7 은 SHGC 값이 약 0.3 정도 이고, 열관류율 값이 각각 1.611 W/㎡K, 1.273 W/㎡K 이다. Win4를 Win7로 변경 할 경우 열관류율 값이 감소되면서 연간 난방에너지는 약 13% 감소하지만 냉방 에너지는 약 11% 증가 되는 것으로 분석되었다.

이와 같이 SHGC 값과 열관류율 값은 냉난방 부하 발생에 상호 연관성이 있으며 따라서 적정 수준의 값을 갖는 창호의 설계가 필요하다.

Fig. 10. 
Annual heating and cooling energy consumption (Win4 : SHGC 0.3, U-value 1.6 W/㎡K; Win7 : SHGC 0.3, U-value 1.2 W/㎡K)

Fig. 11.과 같이 각각의 창호에 외부 블라인드를 적용했을 때 하절기 냉방에너지 소요량이 절감되는 것을 확인하였다. Win6에 외부 블라인드를 적용하게 되면 연간 약 9%의 냉난방 에너지가 절감되었다. 그리고 SHGC 값이 낮아질수록 블라인드를 통한 냉방 에너지 절감량이 감소되었다. 이는 SHGC가 낮은 창호의 경우 일사 차단률이 높아서 블라인드를 통한 일사 차단효과가 상대적으로 줄어들기 때문에 나타난 결과로 판단된다.

Fig. 11. 
Comparing the cooling energy consumption reduction according to blind installation

Fig. 12.는 선정한 리모델링 요소를 단계적으로 적용했을 때 각연간 냉난방 에너지 소요량을 나타낸 그래프이다. 최종적으로 단열 강화, 창호 변경, 외부 블라인드를 적용함으로서 연간 약 31%의 냉난방 에너지 절감이 가능할 것으로 예상된다.

Fig. 12. 
Comparing the total Electric energy consumption according to remodeling element