서 론

건물부문의 에너지 소요량 및 이산화탄소 발생량을 절감하기 위해 에너지절약설계 기준, 녹색건축인증제도와 같은 건축물의 에너지 효율 향상을 위한 제도가 수립되었으며, 건축물 외피에 대한 성능지표와 각 지표별 규격화된 시험방법에 따른 결과를 성능기준으로 평가하고 있다. 건축물 외피의 에너지 성능 관련 대표적인 지표는 열관류율과 열전도율(단열성능)이 있으며, 각 지표는 Table 1과 같이 규격화된 시험방법에 따라 측정된다. 단열성능 시험결과에 따라 분류된 외피의 등급과 에너지해석 시뮬레이션 결과인 에너지 소요량은 건축물의 에너지 성능평가를 위한 주요 요소로 활용된다. 결국 건축물 외피가 적용된 공간의 에너지소비량을 산출함으로써 외피의 에너지성능을 평가하는 것이 직관적이라 볼 수 있다. 준공된 건축물의 외피는 일사량, 온도, 습도, 풍속을 포함한 외부 환경조건에 노출된다. 매순간 변화하는 외부 환경조건에 따라 에너지 성능도 변하게 되므로, 개발된 건축물 외피 기술을 실제 건축물에 적용하여 평가하는 실증연구가 국내·외에서 활성화 되어있다(전지운 외, 2018).

Table 1. Energy performance index by building envelope of energy performance standard

하지만, 실증연구는 실증대상지 확보 및 유지 관리의 어려움이 있으며 특히 비용 투자의 한계로 인해 다양한 외피에 대한 에너지 성능을 평가하기에 제한 요소가 많다. 이러한 한계는 Table 2와 같이 옥외 시험실을 활용한 공간단위 에너지 성능을 평가(Janssens et al., 2011)함으로써 극복할 수 있다. 옥외 시험실은 단열재, 유리(필름 포함) 및 창세트, 차양장치 등 모듈단위, 시스템단위 건축물 외피의 냉·난방 에너지성능을 일사량, 온도, 습도, 풍속 등과 같은 다양한 변수의 변화를 반영하여 평가할 수 있는 장점이 있다. 창호의 단열성 시험방법인 KS F 2278는 시료를 제외한 시험실의 구성재(둘레벽과 시료 부착 틀)로 통과하는 교정열량을 산출함으로써 시료로 투과되는 열량만 측정하는 과정을 거친다. 본 연구는 건축물의 냉·난방 에너지성능 평가와 관련된 문헌고찰을 통해 옥외 시험실을 활용한 공간단위 냉·난방 에너지성능을 평가하기 위한 교정열량의 산출 방법론을 제안하고자 한다.

Table 2. An example of the use of an outdoor laboratory for evaluating the energy performance of an exterior building envelope

NO	1	2	3	4	5
Name	Florence Test Cell	THE CUBE	FIELD EXPOSURE OF WALLS	INCAS PLATFORM	EGUZKI and ILARGI PASLINK
Usage	Evaluation of energy performance and comfort of building envelope	Thermal performance, airflow analysis demonstration of Double-skin	Evaluation of Energy Performance of Building Elements	Energy performance comfort experiment of building envelope	Building envelope Energy and environmental performance comparative analysis
Size	2.8 m × 2.8 m	3.6 m × 5.5 m	7.5 m × 3.2 m	3.6 m × 3.3 m	2.7 m × 2.7 m
Country	Italy	Denmark	Canada	France	Basque
Exterior

교정열량을 활용한 옥외 공간단위 냉난방에너지 성능평가 방법

교정열량에 대한 개념과 발생 요인

교정열량은 에너지성능평가 시험대상(시료)을 제외한 시험실 둘레벽, 시료 부착 틀로 직접 통과되는 관류열량을 교정열량 산출의 주요 인자로 선정할 수 있으며(KS F 2278, 2017), 관류열량 외에도 둘레벽 간 접합부 또는 둘레벽과 시료 간 접합부에서 열교현상으로 통과되는 열량도 교정열량에 해당될 수 있다. 시험실 내외부 온도차에 따라 열 흐름의 방향과 양이 달라지며, 시험실의 대표적인 교정열량에 영향을 주는 주요 변수는 Figure 1과 같이 일사량, 공기온도로 선정할 수 있다. 산출된 교정열량을 실내 환경조건을 구현하기 위한 냉난방에너지 공급장치에 공급된 열량에서 차감함으로써 시료의 통과열량을 산출할 수 있다.

Figure 1.

Generation factor of Calibrated heat flow rate

옥외 공간단위 시험실을 활용한 난방에너지 성능평가 사례분석

KS F 2278은 창호의 열관류율 측정에 사용되는 시험실의 교정열량을 산출하기 위해 비드법 단열판 1종 1호 등 열전도율을 알고 있는 물질을 표준판으로 선정한다. 선정된 표준판은 시험실 개구부에 설치하며, 시험실 내부 환경조건 조성을 위한 공급열량과 내외부 공기온도차 간 상관 관계를 교정 선도로 작성하여 시료 설치 부위를 제외한 구조체의 단열성능을 도출할 수 있다. 본 연구는 옥외 시험실을 활용하여 Figure 2와 같이 건축물 외피 중 유리의 공간단위 난방에너지 성능을 평가한다. 시험실 개구부에 열전도율이 0.034 W/(m·K)인 비드법 1종 1호 표준판을 설치하고 시험실 내부 공기 설정온도를 20°C, 22°C, 24°C, 26°C로 변경하여 시험실 내·외부 공기 온도 차에 따른 교정열량을 산출하며, 외피 시료(유리)의 실내 공기온도 25°C를 만족시키기 위한 투입열량을 산출하여 공간단위 난방에너지 성능을 평가한다. Table 3과 Figure 3은 시험실의 규모, 측정요소 및 위치와 같은 시험실 수집데이터 관련 개요를 나타내며, Figure 4는 표준판과 유리의 설치 전경이다. 냉난방기기는 FCU (fan coil unit) 2개로 구성되어 있고, 개구부의 향은 정남향, 개구부의 면적은 3,000 mm (W) × 2,000 mm (H)이다. 각 요소의 수집데이터의 위치별 개수는 공기온도 12개(실내 11개, 실외 1개), 실외 수평면 전천일사량 1개, 시료 및 표준판 표면온도 24개(실내 12개, 실외 12개)이다. 대상별 데이터 수집기간의 경우 표준판은 1월 15일부터 2월 7일, 유리는 2월 9일부터 2월 12일이며, 1분 간격으로 측정한다.

Figure 2.

Evaluation process of spacial-scale energy performance using outdoor test cell

Table 3. Overview of measuring data for heating energy performance assessment of the glass

Figure 3.

Drawings for the point and number of measuring data

Figure 4.

Front view of each specimen

Figure 4는 표준판과 유리가 설치된 시험실 전경을 나타낸다. Figure 5는 표준판과 유리 설치 후 측정된 실내외 공기온도를 나타낸다. 표준판 설치 기간 중 실외 공기온도는 –11°C부터 11°C, 실내외 공기온도차는 19°C부터 35°C의 분포를 보이고, 유리 설치 기간 중 실외 공기온도는 –9°C부터 1°C, 실내 공기온도는 24°C부터 50°C의 분포를 보인다. 실내 유입된 일사에 의한 취득열로 인해 구조체 및 공기온도가 증가되는데, 시험실 내외부 공기온도차가 약 50°C이더라도 시험실의 단열성능 및 기밀성능이 높기 때문에 구조체 열투과 및 누기에 따른 외부로 손실되는 열량보다 일사 취득열량이 높아 난방기기가 가동되지 않는 구간이 발생한다. Figure 6은 표준판이 설치된 기간 동안 측정된 실내외 공기온도, 표준판 실내외 표면온도, FCU(냉난방기기)의 급수 및 환수 온도를 나타내며, Figure 7은 FCU의 유량과 소비전력을 나타낸다. 난방에너지 성능을 평가하기 위해 시험실의 FCU는 난방부하가 발생되는 시점에만 가동되며, 난방부하 발생시점 외(냉난방기기의 소비전력이 발생되지 않는) 구간은 분석대상에서 제외한다.

Figure 5.

Air temperature data of the reference panel and glass (all period)

Figure 6.

Temperature data of the reference panel and glass (only heating demand period)

Figure 7.

Measured FCU flow rate and electric energy consumption data of the reference panel and glass (only heating demand period)

실내 환경조건을 조성하기 위해 냉난방기기에 공급되는 열량은 열원 측 순환수의 유입온도와 유출온도 간 차, 순환수의 비열, 냉난방기기의 소비전력을 활용하여 1분 단위로 수집한 데이터를 1시간 단위로 산출하는 것을 기준으로 식 (1)에 따라 산출된다.

여기서, Φ_to는 냉난방기기의 총 공급열량(W), 1.163은 에너지 단위를 kcal에서 Wh로 변환하는 상수, w는 냉난방기기의 열원 측 순환수 질량유량(L/min), c는 냉난방기기의 열원 측 순환수 비열(cal/g·K), T_in는 냉난방기기의 열원 측 순환수 유입 온도(°C), T_out는 열원 측 순환수의 냉난방기기 유출 온도(°C), Φ_t는 냉난방기기의 총 소비전력(W)을 의미한다.

교정열량은 표준판을 설치했을 때의 시험실 공급열량에서 표준판의 투과열량을 차감하여 식 (2)로 산출된다.

여기서, Φ_c는 시험실의 교정열량(W), C는 표준판의 열전도율(W/m·K), d는 표준판의 두께(m), A는 표준판의 면적(㎡), T_si는 표준판의 시험실 내측 표면온도(°C), T_so는 표준판의 시험실 외측 표면온도(°C)를 의미한다.

표준판과 유리가 설치된 기간 중 실내외 공기온도차와 투입열량 간 상관관계를 나타내면 Figure 8과 같다. x는 실내외 공기온도차, y₁은 유리의 난방 투입열량 y₂는 표준판의 투입열량(교정열량)을 의미한다. 실내외 공기온도차가 20°C일 경우, 유리의 투입열량(A)은 736.24 Wh, 표준판의 투입열량(B)은 647.68 Wh이다.

Figure 8.

Calculation for heating energy of glass using calibrated heat rate

유리가 설치된 개구부에 의해 소비된 열량(A-B)은 88.56 Wh로 산출된다. 외부 공기온도를 기준으로 난방부하가 발생되는 기간 중 데이터 개수 증가, 실내온도차 범위 확장을 통해 실내외 온도차와 투입열량 간 상관관계를 높여 건축물 외피의 에너지 성능평가에 대한 신뢰도를 향상시킬 수 있다.

결 론

본 연구는 옥외 시험실의 다양한 외부 환경조건의 변화에 따른 영향을 고려한 교정열량을 산출하고, 이를 활용하여 건축물 외피의 공간단위 에너지 성능을 평가하는 방법을 제안한다. 독일 패시브 하우스 협회(PHI, 2016)는 패시브 하우스의 기준이 되는 에너지지표 중 연간 난방 에너지 요구량을 15 kWh/(㎡·year)로 규정하고 있다. 공간단위 에너지 성능을 평가하면서 누적된 데이터는 패시브 하우스의 난방 에너지 요구량과 같이 외피의 종류와 크기에 따른 단위면적당 연간 에너지 소비량으로 정량적인 성능 기준을 정립하는데 활용될 수 있다. 성능평가 대상은 창호, 단열재 뿐만 아니라 블라인드 제어시스템을 활용한 일사 차폐를 통한 냉방 에너지 저감 성능평가, 2018년 신재생에너지 품목으로 채택된 루버형 집광채광시스템을 활용한 실내 일사유입에 따른 난방부하 저감 성능평가 등 난방에너지 성능평가 뿐만 아니라 여름철 냉방에너지 성능평가도 고려할 수 있다. 또한, 태양열취득률(SHGC), 열관류율 등과 같이 성능지표별 각기 다른 성능을 갖는 시스템을 옥외 시험실에 적용하였을 때 냉난방 에너지 성능을 비교함으로써 시스템 단위 성능평가 지표에 대한 신뢰성을 검증할 수 있을 것으로 기대한다.