서 론
연구의 배경 및 목적
연구의 방법
이론적 고찰
시뮬레이션 레퍼런스 모델
레퍼런스 건축물 상세
IPCC 기후변화 시나리오
시뮬레이션 모델링
시뮬레이션 결과
기후변화에 따른 레퍼런스 건축물 에너지 요구
기후변화에 따른 신재생에너지 발전량
레퍼런스건축물의 기후변화 대응 방안
건축물 외피의 단열성능 강화
외기도입 냉방 엔탈피 제어(Air-side Economizer)
결론 및 고찰
서 론
연구의 배경 및 목적
온실가스는 자연적 요인과 인간의 활동 등으로 인해 지속적으로 증가해왔다. 온실가스는 지구 표면에서 반사되어 나가는 태양광선을 가두고 복사 강제를 일으켜 지구의 온난화를 초래한다. 기후변화에 관한 정부 간 패널(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC 이하 IPCC)에 따르면 1850년대 이래 지구 온난화는 심화되어 왔고 그에 따른 기후 변동성이 상당히 높은 것으로 분석되었다. IPCC는 경제 및 인구의 증가가 기후변화를 가속하는 주요 원인 중 하나이고 그로 인한 인위적 온실가스 배출량이 현재 가장 높은 수준을 보이는 것으로 발표하였다. 또한, 현재의 기후변화 속도로 볼 때 2100년 이후에는 극단적인 기후변화가 발생할 가능성이 높아 대응책 마련을 촉구하고 있다. 특히, 기후변화에 의해 인간이 직면할 주요 위험 분류에 따르면 에너지 시스템 관련 도시 위험과 주거 관련 도시 위험이 발생할 가능성이 높은 것으로 보고되었으므로 건축물에서 요구하는 에너지양과 온실가스 배출량을 줄일 수 있는 대책이 필요하다(Synthesis Report, IPCC, 2014).
오늘날 건축물에서 요구되는 에너지양은 점차 증가하고 있다. 2018년 에너지 총조사 보고서에 따르면 약 1,200개에 달하는 건축물의 냉난방, 조명, 취사 등에 사용한 에너지소비량을 통계 조사한 결과 건축물의 에너지 소비가 전력화되었고 2004년에 비해 약 15% 이상 전력사용이 증가하였다(Korea Energy Economics Institute, 2018). 국내의 건축물 에너지 소비는 현재 연간 에너지 총 소비의 20% 이상을 차지하고 있으며 이는 건물의 대형화에 의한 동력 요구 증가와 냉난방 및 조명 요구의 증대 등에 기인한 것으로 보인다(Yun, 2015). 국내에서는 건축물 에너지 요구 변화에 대응하기 위해 신축 건축물에 대해서는 에너지효율등급 인증제도와 제로에너지건축물 인증제도, 신재생에너지 도입 의무화제도 등 건축물 설계단계에서 에너지 소비 최소화 및 에너지 자급 방안을 마련하여 대응하고 있다.
본 연구에서는 IPCC 기후변화 시나리오를 바탕으로 미래 기후를 적용한 시뮬레이션 모델을 생성하고 건축물의 에너지 요구와 생산 데이터를 분석하였다. 데이터를 바탕으로 건축물이 향후 직면할 에너지 문제를 검토하고 그에 따른 대응 방안을 제시하고자 한다.
연구의 방법
전체 연구 프로세스는 Figure 1에 도식화하였다. 본 연구에서 사용한 시뮬레이션 기상 데이터는 IPCC에서 발표한 세계 기후변화 추이와 미국 럿거스대학교의 비영리 연구소인 지구정책연구소 EPI (Earth Policy Institute)에서 제공하는 범지구적 기후변화 추이를 활용하여 제작하였다. 기후변화에 대한 시나리오는 IPCC 보고서에서 제시한 가까운 미래(2046-2065년) 시나리오, 먼 미래(2081-2100년) 시나리오 총 두 가지로 구분하였다. 기상 데이터의 제작 방법은 다음과 같다. 기존에 TRNSYS에서 사용한 기상 데이터는 EPW (EnergyPlus Weather) 포맷이며 RCPs (The Representative Concentration Pathways)를 통해 예측되는 기온변화와 습도변화 추이를 기존 Dry bulb Temperature 항목과 Percent Relative Humidity 항목에 적용하였다. 레퍼런스 파일(*.epw)은 텍스트로 작성되어 아래 Figure 2와 같이 쉼표로 구분되어 있다. Microsoft 사의 Excel을 통해 Figure 3과 같이 쉼표 구분 파일(*.csv)로 접근하고 데이터값을 수정하였다. 수정된 기상 데이터는 TRNSYS의 Type15-3에 링크할 수 있도록 .epw 형식으로 재변환하였다.
연구에 필요한 에너지 데이터는 에너지 해석 툴인 TRNSYS를 사용하여 수집하였다. TRNSYS는 시간에 따라 변하는 기상 데이터를 입력으로 하고 건축물의 정보를 갖고 있는 모듈과의 열에너지 계산에 의해 건축물 에너지 요구량 변화를 산출할 수 있는 동적 시뮬레이션 툴이다. 시뮬레이션 데이터 기반으로 건축물의 에너지 요구량 변화에 대응할 방안을 제시하고 그 효과를 기술하였다.
이론적 고찰
연구에 앞서 기후변화에 따른 지구온난화의 영향으로 발생할 수 있는 위험에 대응하기 위해 국내외에서 선행된 연구들에 대해 조사하였다.
Chai et al. (2019)는 TRNSYS를 사용하여 기후변화가 Net-zero energy 건축물에 미치는 영향을 세 요소로 구분하여 분석하였다. 특히, 기후변화에 따른 영향도는 2020년부터 2080년까지의 시뮬레이션 결과를 바탕으로 재실자의 열적 쾌적감을 만족하지 못하는 시간 수로 평가하였다. 중국의 쿤밍과 베이징의 기후에서는 상대적으로 기후변화의 영향이 큰 것으로 나타났고 상하이와 홍콩의 기후에서는 중간 정도, 하얼빈 기후에서 가장 적은 영향을 받았다. Gursel and Meral (2019)은 현재 기후를 기준으로 2060년에 예측되는 기상 데이터를 활용하여 기후변화가 건축물에 미치는 영향에 대해 연구하였다. 외기온도가 높아짐에 따라 벽체, 창, 환기 등에 의해 외부로 손실되는 열량이 적어지는 것으로 나타났다. 결과적으로 난방에너지 요구는 감소하였으나 냉방에너지 요구에 대한 대응이 중요할 것이라 기술하였다. Zhai and Helman (2019)은 다수의 기후변화 시나리오 모델에 따르면 밀집된 도심형 건축물에 대한 영향은 대형 건축물의 경우 미래에는 약 10%의 에너지 소비 증가를 초래할 것이며 특히 주거용 건축물의 피크 요구는 약 25% 이상 증가할 것이라고 분석하였다. Zhao et al. (2017)은 과거의 기상 데이터에 비해 최근 기상 데이터는 기온 데이터의 변화폭이 크게 나타났으며 과거보다 CDD26의 일수가 두 배 증가한 것으로 분석하였다. 또한 중국 상하이의 기준 건물에 대한 시뮬레이션을 수행한 결과 건축물의 외피 단열성능이 기후변화 대응에 중요한 파라미터가 될 것이라고 주장하였다. Wild et al. (2015)은 태양광발전의 출력과 밀접한 관계를 가지는 전일사량과 외기온도 장기 예측 연구를 수행하였으며 몇몇 국가의 일부 지역을 제외하고 기온이 상승하고 일사량이 감소할 것으로 예측했다. 결과적으로 태양광발전의 출력이 향후에는 10년마다 약 1% 지속적으로 감소할 것이라고 기술하였다.
전반적으로 기후변화는 현재의 건축물 열 환경에 부정적인 영향을 끼칠 것으로 나타났고 그로 인해 건축물 에너지 요구량이 증가할 것이라는 분석이다. 특히 건축물의 냉방에너지 요구량 증가에 어떻게 대응할 것인지가 중요할 것으로 생각된다. 본 연구에서는 외기온도에 따른 에너지의 요구량 변화, 특히 냉방에너지와 함께 요구되는 잠열에너지양의 변화 등을 시뮬레이션을 통해 분석하고 미래 기후에서 총 에너지 요구를 줄일 수 있는 효과적 대응 방안을 모색하였다.
시뮬레이션 레퍼런스 모델
레퍼런스 건축물 상세
시뮬레이션에 사용된 건축물 모델은 3D 모델링 툴인 스케치업으로 제작하였다. 입체 뷰는 아래 Figure 4와 같다. Figure 4의 (b)는 미국 에너지부의 표준 Midrise Apartment 모델이며 해당 모델을 일부 변형하여 사용하였다. 본 연구의 레퍼런스 건축물은 (a)와 같다.
레퍼런스 건축물은 오피스텔형 구조이다. 1층은 공용부로 가정하였고 5층 형태이다. 건축물의 배치는 건축물의 에너지 절약 설계기준 권장사항 제7조 1. 배치계획에 따라 남향으로 하고 열 손실을 최소화하기 위해 북측의 창은 배제하였다(Korea Energy Agency Building Energy Office Green Building Center, MLIT, 2018). 레퍼런스 건축물은 연면적 1,280 m2이며 층당 최대수용 가능 세대는 4세대이다. 한 세대당 평균 사용면적은 약 26평이다. 건축물의 남향 경사면에는 총 16개의 창을 배치하였고 약 16%의 창면적비(Window-to-Wall Ratio, WWR)를 갖는다.
벽체는 구조에 따라 외벽, 내벽, 천장, 외부환경요인에 접한 천장(옥상), 외부환경요인에 접한 바닥으로 구분하고 각각의 열관류율 기준을 적용하였다. 창은 단열성이 우수한 Low-E (Low-Emissivity) 복층 창을 사용하였다. 상세는 아래 Table 1과 같다. 건축물의 지리적 위치는 서울특별시로 선정하였고 중부2지역으로 구분된다(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2018). Table 2는 레퍼런스 건축물 벽체의 부위별 재료 구성을 정리한 표이다. 건축물은 에너지 절약 설계기준의 기계 부문 냉난방 공조설비 용량산정 기준 설정온도 난방 20℃, 냉방 26℃를 유지하도록 하였다. 건축물 내부환경 유지조건은 아래 Table 3과 같다. 냉난방과 가전기기, 발열 등의 스케쥴은 국민 생활시간 총 조사 및 선행연구를 참조하였다(Yoo and Kim, 2011).
Table 1. Specification of Walls and Windows
Table 2. Specification of Wall layers
Table 3. Thermal Environments in Reference Building
2018년 12월 기준 국내 건축물 현황에 따르면 주거용 건축물이 전체의 64%로 조사되었다. 특히, 서울특별시의 주거용 건축물은 약 45만 동으로 경기와 경남을 제외하고 가장 많은 비중을 차지하고 있다(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2018).
국내에서는 건축물 에너지 절약 설계의 일환으로 2025년 모든 건축물 제로에너지화를 추진하고 있다. 본 레퍼런스 건축물은 건축물 에너지 요구량에 대해 에너지 생산으로 보상하기 위해 옥상에 주택형 태양광발전을 설치하는 것으로 가정하였다. 태양광 발전은 건축물 옥상에 정남향 30도 각으로 설치하였다. 공동주택의 옥상에 1 kW당 2평 가용하게 하여 12평의 면적에 300 W 모듈 20개를 사용하여 6 kW의 용량으로 설치하였다. 적용한 태양광 모듈의 상세는 아래 Table 4와 같다(Korea Energy Economics Institute, 2018).
Table 4. Specification of PV Module
레퍼런스 건축물 모델에 대한 에너지 시뮬레이션 결과는 아래 Table 5와 같다. 에너지 요구의 비중은 난방(88%), 제습(10%), 냉방(2%) 순이고 현열량이 약 90%, 잠열량이 약 10%를 차지하였다. 건축물 옥상에 설치한 태양광 모듈의 연간 총 발전량은 건축물 에너지 요구의 약 8.2%를 보상할 수 있는 양이다.
Table 5. Reference Building Annual Demand
| Annual Energy Demand [kWh/m2] | ||||
| Weather Data | Sensible Energy | Latent Energy | Total Demand | |
| Heating | Cooling | Dehumidification | ||
| Present | 12.599 | 0.21 | 1.49 | 14.30 |
| Annual Power Generation [kWh/m2] | ||||
| 4.731 | ||||
IPCC 기후변화 시나리오
IPCC에서는 기후변화 시나리오를 인간의 대응 정도에 따라 크게 4가지로 제시하였다. Table 6의 내용을 정리하면 다음과 같다. RCP2.6은 현재의 온실가스 배출을 최대로 제한했을 경우로 2100년까지의 기온상승을 2℃ 이하로 유지할 수 있는 시나리오이며 RCP8.0은 규제 강화 없이 현재 배출 정도를 그대로 유지하여 온실가스 배출량이 지속적으로 증가할 경우를 가정한 위험 기후변화 시나리오다. IPCC는 RCP4.5와 RCP6.0은 두 극단적 시나리오의 중간 정도로 정의하고 있다. 또한 RCP2.6을 인류가 가야 할 가장 이상적인 시나리오로 제시하였다(IPCC, 2014). Table 7의 IPCC 기후변화 시나리오를 토대로 Table 8의 서울특별시 시나리오별 기후 상세를 작성하였다. 영국 이스트 앵글리아 대학과 기상청, 미국 예일대 연구진이 발표한 연구 보고서에 의하면 상대습도 변화는 외기온이 1℃ 상승할 때마다 0.6% 높아질 것으로 예측된다(Katharine et al., 2007).
Table 6. Climate Change Scenario Description
Table 7. Outdoor Air change Prediction acoording to Climate Change Scenario
Table 8. Specific .epw Weather Data according to Climate Change Scenario in Seoul
아래 Table 9와 Table 10은 각각 기후변화 시나리오에 따른 미래 외기온도와 상대습도의 월별 예측값을 정리한 표이다. 기존 서울특별시 표준기상 데이터에 따르면 1월의 외기온도는 평균 영하 2.5도로 나타났다. RCP 시나리오 적용 시 가까운 미래의 RCP2.6의 경우 약 1도, 먼 미래의 RCP8.5의 경우는 약 4도 상승할 것으로 예측된다. 외기온도가 상승함에 따라 서울특별시 표준기상 데이터의 상대습도 값은 가까운 미래 RCP2.6 적용 시 약 6%, 먼 미래 RCP8.5 적용 시 약 20% 증가할 것으로 예측된다.
Table 9. Prediction of Monthly Outdoor Dry bulb Temperature acoording to Climate Change Scenario
Table 10. Prediction of Monthly Outdoor Relative Humidity Ratio acoording to Climate Change Scenario
시뮬레이션 모델링
에너지 시뮬레이션은 다음과 같은 프로세스로 수행하였다. 기상 데이터를 입력으로 하는 Type15-3은 Dry bulb Temperature, Relative Humidity, Solar Radiation 등 약 30개의 변수를 Type56으로 전달한다. 건축물 정보를 갖고 있는 Type56에서 전달 받은 외기조건과 건축물의 공조구역 면적, 실내온도 유지조건, 단열조건 등이 열 전달 알고리즘에 의해 건축물의 에너지 요구량으로 계산되고 Type24(Integrator)와 Type25c에 의해 결과를 출력한다. 태양광 모듈은 마찬가지로 Type 15-3에서 외기조건을 전달받아 MPPT (Maximum Power Point Tracking)을 적용한 Type190에서 출력량을 계산하고 Type24와 Type25c에 의해 결과를 출력한다.
TRNSYS의 외기도입 엔탈피 제어는 Type684 Air-side Economizer를 사용하였다. Type684는 건축물로 유입되는 외기량을 제어할 수 있는 모듈이며 냉방 시에 작동하도록 설정할 수 있다. 외기온습도와 공조구역 내부의 온습도에 따라 엔탈비를 계산하고 외기의 엔탈피가 실내의 엔탈피보다 클 때는 실내 유입량을 최소화 하고 그 반대의 경우에 최대로 한다. 아래 파란색의 굵은 선은 외기를 급기하는 측이고 붉은색의 굵은선은 실내공기를 뜻한다. Type112를 활용하여 각 공기를 급기하고 Type684에서 각각의 엔탈피를 비교한다. 전체의 시뮬레이션 모델은 아래 Figure 5와 같다.
시뮬레이션 결과
기후변화에 따른 레퍼런스 건축물 에너지 요구
IPCC 보고서의 기후변화 시나리오에 따른 건축물 에너지 요구량의 변화는 Table 11과 같다. 먼저, 건축물의 난방에 요구되는 에너지는 전반적으로 감소하는 경향을 보였다. 기온상승이 가장 높을 것으로 기대되는 2081-2100년 RCP8.5 시나리오를 적용한 경우에는 현재의 약 76%의 난방에너지를 요구할 것으로 예상된다. 이는 기온상승으로 인해 겨울철 외기온도와 실내온도의 차가 줄어들면서 열 손실이 줄고 그에 비례하여 에너지 요구량도 줄어든 것으로 보인다. 결국 생태계의 변화를 배제하고 에너지 요구의 측면에서 볼 때 지속적인 기온상승은 난방에너지 요구에는 오히려 긍정적일 것으로 생각된다.
Table 11. Demand according to the Climate Change
반면에 기온상승에 따른 냉방에너지 요구는 급격하게 증가할 것으로 보인다. 냉방에 요구되는 에너지는 레퍼런스 빌딩 연간 총 요구량의 약 2%를 차지한 데 반해 미래 기후변화 시나리오 적용 시 많게는 약 3배 증가하였다. 기후변화에 최대로 대응하는 시나리오인 RCP2.6을 적용할 시 냉방에너지는 가까운 미래에 약 1.5배 증가할 것으로 보인다. 또한, RCP8.5 시나리오를 적용할 시에 2.2배에서 3.8배의 냉방에너지 증가가 예상된다. 이는 여름철 피크 요구관리에 직접적인 악영향을 줄 수 있고 최악의 경우에 발전기 또는 선로 과부하에 따른 대규모 정전(Blackout)까지도 초래할 수 있다. 잠열에너지 요구는 냉방에너지 요구의 증가 추세와 비슷한 것으로 나타났다. 상대습도는 기온이 상승에 비례하여 증가하기 때문인 것으로 보인다. 건축물 에너지 절약설계 기준에 따르면 목욕탕과 수영장을 제외하고 실내 냉방 시 약 50%의 상대습도를 유지하도록 되어있다. 상대습도가 증가함에 따라 냉방 시 제습에 필요한 에너지가 증가하게 되면서 잠열에너지 요구가 급격히 증가한 것으로 보인다. 잠열에너지 요구는 적게는 1.4배에서 많게는 약 2.6배까지 증가할 것으로 예상된다.
결과적으로, 레퍼런스 건축물의 연간 전체 에너지 요구량의 경우 냉방에너지와 잠열에너지의 급격한 증가에도 불구하고 외기온도가 상승함에 따라 겨울철 열손실의 감소로 인해 난방에너지 요구량의 감소폭이 더 커지면서 현재의 요구량에 비해 감소하였다.
기후변화에 따른 신재생에너지 발전량
태양광발전은 모듈의 표면온도와 태양일사의 영향을 많이 받는다. 태양광발전 모듈은 동작온도 범위 내에서 온도가 높아지거나 낮아질 때마다 효율이 저하되며 전일사량이 적은 흐린 날에 효율이 좋지 않다. 태양광발전 시뮬레이션의 결과는 아래 Table 12와 같이 나타났다. 기후변화 시나리오 8가지를 적용한 결과 연간 발전량은 전반적으로 상승하는 것으로 나타났다. 기온이 높아짐에 따라 태양광발전의 효율이 저하될 것으로 예상했으나 일부 경우를 제외하고 외기온도 상승이 긍정적인 영향을 준 것으로 보인다. 늦가을과 겨울에 기온이 높아지면서 발전효율이 높아지고 발전량이 증가한 것으로 생각된다. 특히, Table 13과 같이 태양광 모듈의 표면온도 25℃를 만족하는 시간 수가 가장 많은 먼 미래의 RCP8.5를 적용할 때 가장 많은 발전량을 보였다. 다만, 앞서 언급한 IPCC 보고서의 기후변화 시나리오와 같이 가까운 미래의 RCP6.0의 경우는 먼 미래의 RCP6.0과는 달리 RCP4.5에 비해 기후의 변화 정도가 적을 것으로 예측되어 만족하는 시간 수가 적어지는 것으로 나타났다.
Table 12. The amount of Annual PV Generation according to the Climate Change
| Category | The amount of Annual PV Generation [kWh/m2] | ||
| Present | 4.731 | ||
| 2046- 2065 | RCPs | 2.6 | 4.741 |
| 4.5 | 4.751 | ||
| 6.0 | 4.749 | ||
| 8.5 | 4.767 | ||
| 2081- 2100 | RCPs | 2.6 | 4.708 |
| 4.5 | 4.729 | ||
| 6.0 | 4.740 | ||
| 8.5 | 4.780 | ||
Table 13. The amount of Annual PV Generation according to the Climate Change
| Category | The number of hours satisfied with Array Operating Temperature Range (24℃-25℃) | ||
| Present | 279 | ||
| 2046- 2065 | RCPs | 2.6 | 303 |
| 4.5 | 307 | ||
| 6.0 | 303 | ||
| 8.5 | 308 | ||
| 2081- 2100 | RCPs | 2.6 | 303 |
| 4.5 | 317 | ||
| 6.0 | 318 | ||
| 8.5 | 344 | ||
레퍼런스건축물의 기후변화 대응 방안
건축물 에너지를 절감할 수 있는 방안으로 건축물의 단열성능 개선(패시브 요소)을 개선하고 적절한 공조설비 채택 및 건축물용 신재생에너지발전(액티브 요소) 등이 있다. 시뮬레이션 결과에 의하면 기후변화 시나리오에 따른 위험은 냉방에너지와 잠열에너지의 급격한 증가인 것으로 보인다. 이에 여름철 냉방에너지를 줄일 수 있는 단열법을 적용할 필요가 있다.
건축물 외피의 단열성능 강화
건축물의 단열은 건축물 내벽에 단열재를 보강하는 내단열 공법과 외부에 보강하는 외단열 공법으로 구분된다. 선행연구 결과에 따르면 내단열에 비해 외단열이 냉난방에너지를 약 20% 더 절감하는 것으로 나타났다(Song, 2014). 외단열 공법을 적용하면 기후변화에 따라 난방에너지는 감소폭이 더욱 늘 것으로 예상되고 냉방에너지 또한 줄일 수 있는 방안이 될 수 있다. 본 연구에서는 건축물의 외단열을 10%, 20% 보강할 때 기존 대비 냉방에너지와 잠열에너지 요구의 저감량을 산출하였다. 단열성능은 Table 14와 같이 건축물 외피의 열관류율(U-value)을 조정하여 강화하였다. 창의 경우 일사에너지 전달계수인 g-value의 영향을 배제하기 위해 기존과 동일한 모델을 사용하였다. Table 15에서 보이는 바와 같이 단열을 보강하면 냉방에너지가 20%에서 많게는 32%까지 줄어드는 것을 알 수 있다. 반면, 단열보강이 잠열에너지 요구에는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 아래 Figure 6은 단열보강에 따른 냉방에너지와 잠열에너지의 추이를 보여주는 그래프이다.
Table 14. Specification of Walls and Windows
Table 15. The amount of Annual Energy Demand according to Reinforce Heat Insulation
여름철 냉방에너지 절감을 위해 태양일사의 투과율이 낮은 창을 요구하고 열 전달계수가 낮은 창틀을 설치하는 것도 냉방에너지 절감에 기여할 수 있다.
외기도입 냉방 엔탈피 제어(Air-side Economizer)
냉방에너지 절감에 적절한 공조는 여름철 실내온도보다 낮은 외기를 도입하여 공조기의 운전 없이 실내 환경을 유지할 수 있는 방안이 있다. 다만, 이 경우 잠열에너지 요구에 대한 대응 방안이 중요할 것으로 생각된다. 잠열에너지는 내부 상대습도를 유지하기 위해 요구되며 외기와 밀접한 관련이 있다. 현재는 겨울철 차가운 외기가 내부로 유입되면서 난방에너지 소비를 증가시키는 문제점이 있지만 기후변화가 지속될 경우에 여름철에 문제점이 생길 것으로 보인다. 기온이 상승하면서 데워진 외기는 실내로 유입되었을 때 냉방에너지 요구을 증가시키고 상대습도가 높아진 외기 유입 시에는 실내 쾌적도를 유지하는 데에 어려움을 줄 수 있다. 따라서 외기유입을 적절히 제어할 필요가 있다. 외기도입 시에 실내외의 현열량과 잠열량의 총합을 비교하여 외기의 온도가 내부의 온도보다 낮을 경우에도 외기 도입을 최소화 할 수 있는 엔탈피 제어 방식이 효과적일 것으로 보인다.
외기도입 냉방시스템 적용에 따른 에너지 절감량은 Table 16과 같다. Figure 7은 외기냉방시스템 적용에 따른 효과 추이를 나타낸 그래프이다. 레퍼런스 건축물에 적용 시 약 26%의 냉방 및 잠열에너지를 절감할 수 있는 것으로 나타났다. 기후변화 시나리오를 적용할 경우에도 요구를 25% 이상 줄일 수 있을 것으로 보인다. 현열에너지뿐만 아니라 잠열에너지양도 고려할 수 있는 시스템이므로 고온 다습한 환경에 대비하기 적절할 것으로 보인다.
Table 16. The amount of Annual Demand according to apply the Air-side Economizer
| Method | RCP | Energy Savings [kWh/m2] | |
| Air-side Economizer (Enthalpy Control) | 2046-2065 | 2.6 | 0.609 |
| 4.5 | 0.767 | ||
| 6.0 | 0.833 | ||
| 8.5 | 0.816 | ||
| 2081-2100 | 2.6 | 0.931 | |
| 4.5 | 0.767 | ||
| 6.0 | 0.898 | ||
| 8.5 | 0.963 | ||
결론 및 고찰
본 연구에서는 IPCC의 기후변화 시나리오를 토대로 제작한 신규 기상 데이터를 바탕으로 건축물에 대한 에너지 요구 변화와 태양광발전 출력 변화를 검토하였고 시뮬레이션 결과에 따른 향후 대응 방안을 모색하였다.
(1) 겨울철 난방에너지는 기후변화에 따른 외기온도 상승으로 인해 건축물 내부의 열손실이 줄어들면서 지속해서 감소하는 것으로 나타났다. 먼 미래의 RCP8.5 시나리오를 적용 시 난방에너지 요구는 약 23%까지 줄었다. 여름철 냉방에너지는 반대로 외기온도가 상승함에 따라 급격하게 증가하였고 먼 미래의 RCP8.5 시나리오 적용 시 3.8배 늘어날 것으로 예상된다. 냉방에너지 증가에 따른 요구관리 대비책이 필요할 것으로 생각된다. 냉방에너지 증가와 함께 잠열에너지 요구 또한 급격하게 증가하였다. 기온상승에 따른 외기 습도증가가 주원인인 것으로 보이며 적절한 공조설비를 도입하여 미래의 냉방에너지와 잠열에너지 증가에 대응할 필요가 있다.
(2) 태양광발전의 에너지 생산량은 소폭 증가하였다. 상대적으로 발전량이 적은 겨울철에 기온이 상승하면서 태양광 모듈의 동작온도 범위를 만족하게 된 것으로 보인다. 다만, 기상변화에 따른 연간 발전효율을 재검토할 필요가 있다.
(3) 외단열을 적절히 보강하면 난방에너지는 더욱 큰 감소폭을 보이고 외단열을 약 20% 보강할 때 냉방에너지는 최대 32%까지 줄어드는 것으로 나타났다.
(4) 냉방에너지와 잠열에너지는 외기냉방시스템을 도입하고 엔탈피 제어를 통해 효과적으로 줄일 수 있을 것으로 보인다. 기후변화 시나리오 적용 시 평균 25% 이상의 절감 효과가 있는 것으로 나타났다.
시뮬레이션 결과에 따르면 태양광발전은 기후변화 시나리오 적용에 따른 영향을 크게 받지 않는 것으로 보이며 발전량은 소폭 증가하였다. 태양광발전 모듈 기술 발전으로 효율이 높아지고 단위면적당 설치 가능 용량이 증가하고 있어 적극적으로 도입할 필요가 있다. 다만 기후변화에 따른 기상변화가 동반될 수 있어 기상예측 연구가 함께 수반되어야 할 것으로 생각된다.
