공동주택 세대 위치와 건물 향에 따른 냉난방에너지 소비 특성

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.

2.1. 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

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

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

Table 4.

Simulation condition of window

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

Table 6.

Schedule condition

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

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

Table 9.

Annual building energy consumption and solar transmittance for building type and floor

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]

Fig. 4.

Annual heating and cooling energy consumption, solar transmittance

Table 11.

Annual total building energy consumption for orientation [kWh (kWh/㎡)]

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

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.