2.1 시뮬레이션 대상 지역 및 시기

시뮬레이션 대상 지역은 국내의 난방도일(Heating degree days)로부터 구분한 기후지역 중 제주지역을 제외한 중부지역과 남부지역에서 각각 한 지역씩을 선정하였다. 시뮬레이션은 겨울철 난방기인 12월에서 2월까지로 하였으며, 각 해당 지역의 일평균 외기온도와 분석시기를 Fig. 1에 나타내었다.

Fig. 1 Daily outdoor temperature during heating season in each climate zone.

이 때 기상데이터는 건물에너지 시뮬레이션 프로그램인 EnergyPlus에서 제공하는 IWEC(International Weather for Energy Calculations 데이터(3)를 활용하였으며, 인천의 경우 일평균 외기온은 -8.4~9.6℃의 온도분포를, 광주는 이 보다 평균 2.8℃ 높은 -6.2~12.2℃의 분포를 나타내었다.

2.2 시뮬레이션 대상 세대

중부지역인 인천과 남부지역인 광주에서 겨울철의 난방에너지소비량을 산출하기 위하여, 건물에너지 시뮬레이션 프로그램인 EnergyPlus(Ver. 8.3)를 활용하여 선행연구(2)에서 제시된 공동주택의 표준세대를 모델링하였으며, Table 1은 표준세대의 물리적 특성을, Fig. 2에는 세대의 모습을 나타낸다.

Fig. 2 The schematic of the housing unit modeled by EnergyPlus.

2.3 에너지 비용 산출 방법

플러쉬아웃 시행에 따른 난방에너지 비용을 산출하기 위해, EnergyPlus로 산출한 난방에너지에 Table 2의 한국도시가스협회에서 제공하는 도시가스 요금표(4)을 활용하여, 식(1)과 같이 난방에너지 비용(C_H)을 산출하였다. 여기서 Q_H는 난방에너지 소비량을, Basic Rate는 세대 당 도시가스 기본요금을 나타내며 계산된 비용에 부가세(10%)를 곱하여 최종 난방에너지 비용을 산출하였다.

플러쉬아웃 시행 시에는 난방 외에도 환기팬을 가동하기 위한 전력이 소비되며 환기팬에서 소비되는 전력량을 계산하기 위해 시중에 유통 중인 환기팬들의 제원을 조사하였다. Table 3은 대표적인 제품의 제원을 나타내며, 환기팬에 따른 전력비용은 Table 4에 나타낸 한국전력공사의 전기요금표(5)와 식(2)를 통해 계산하였다. 전기요금의 경우, 부가세 외에 전력산업기반기금 요율(3.7%)이 적용되었다.

본 연구에서는 플러쉬아웃 시행 시 권장 실내온도를 유지하기 위한 난방에너지 비용과 환기팬이 소비하는 전력요금의 합을 에너지 비용으로 정의하였다. 플러쉬아웃 기준에서는 실내 상대습도를 60% 미만으로 유지하고 있는 것을 권장하고 있으나, 공동주택이라는 것과 현장 특성을 고려한다면 가습과 제습이 어려울 것으로 판단되어 에너지 시뮬레이션에서는 가습과 제습을 고려하지 않았으며, 그 비용 또한 에너지 비용에서 제외하였다.

2.4 시뮬레이션 조건

공동주택에서 플러쉬아웃 시행에 따른 에너지 비용 시뮬레이션 조건을 Table 5 에 요약하여 나타낸다. 모든 시뮬레이션에서는 기준에서 제시하고 있는 외기도입 풍량 400 ㎥/㎡을 만족하도록 환기횟수 또는 플러쉬아웃 시행기간을 설정하였으며 시뮬레이션은 크게 3가지로 나누어 진행하였다.

첫 번째로는 외기온에 따른 에너지 비용의 차이를 분석하고자 12월 1일~2월 28일 사이에 환기횟수 0.5회/h로 14일간 플러쉬아웃을 시행하였을 때의 에너지 비용을 분석하였다. 두 번째로는 실내온도에 따른 에너지 비용의 차이를 파악하고자 플러쉬아웃 중 실내온도를 각각 10℃, 20℃, 30℃로 설정하여 시뮬레이션을 실시하였다. 이 때 환기횟수 및 시행기간은 첫 번째와 동일하게 하였으며 플러쉬아웃 시기는 외기온이 가장 낮은 기간(인천 12월 11일~24일, 광주 1월 12일~25일)으로 하였다. 세 번째로는 환기횟수 및 시행기간에 따른 에너지 비용의 차이를 분석하고자 환기횟수 즉 외기도입량을 4단계로 구분하여 시뮬레이션을 실시하였다. 플러쉬아웃의 시행 시기는 앞서 두 번째와 동일한 기간으로 하였다.

3.1 난방에너지 소비량

에너지 시뮬레이션을 통해 산출한 난방에너지 소비량의 신뢰성을 검증하기위해, 시뮬레이션의 결과 값 중 인천지역의 단위면적 당 부하와 기존연구의(8) (9) 난방에너지 실태조사 결과 값을 비교하여 Fig. 3에 나타내었다. Fig. 3에서는 기존연구와의 비교를 위하여 Energy Plus의 기상데이터를 활용하여 해당지역의 난방도일(HDD20)로 나누어 단위면적당 부하를 환산하였다. 또한, 기존연구의 난방에너지 실태조사 지역은 수도권 및 경기지역이었으며, 조사 당시 공동주택의 환기횟수 기준은 0.7회였기 때문에, 시뮬레이션 값 중에서 인천지역의 0.7회의 환기횟수에 따른 값을 비교하였다. 그 결과, 본 연구에서 사용된 에너지시뮬레이션 방법에 의한 값과 기존연구의 실태조사 값과 유사한 결과를 나타내는 것으로 확인되었다. 기존 연구 결과와 약 20% 내외의 차이가 있는 것은 본 연구에서 사용된 시뮬레이션 대상 표준세대의 열적성능의 차이로 인한 것으로 판단되었다.

Fig. 3 Comparison of heating load between previous researches and simulation(ACH 0.7).

3.2 외기온과 에너지 비용

전체 난방기간 중 플러쉬아웃 시기별 에너지 비용을 Fig. 4에 나타낸다. 인천은 최저 14,625원/세대, 최대 29,452원/세대의 에너지 비용이 발생하는 것으로 나타났으며, 광주는 인천보다 평균 9,346원이 낮은 3,521원/세대~26,268원/세대로 조사되었다. 또한 각 지역의 평균 에너지 비용에서 난방이 차지하는 비율이 환기팬의 동력비용 보다 매우 높은 것으로 조사되었다(Fig. 5).

Fig. 4 Energy cost changes by the start time of flush-out during heating period.

Fig. 5 Energy cost of heating and electric use.

3.3 실내 설정온도와 에너지 비용

각 지역에서 가장 많은 에너지 비용이 발생한 시기(인천 12월 11일~24일, 광주 1월 12일~25일)를 선택하여 환기횟수를 0.5회로 고정하고 실내 설정온도를 10℃, 20℃, 30℃로 변화시켜 시뮬레이션을 실시하였으며 그 결과를 Fig. 6에 나타내었다. 시뮬레이션 결과, 실내설정 온도가 10℃씩 증가할 때마다 인천은 평균 1,407원/세대, 광주는 1,031원/세대의 비용이 증가하는 것으로 조사되었다.

Fig. 6 Energy cost changes according to the indoor set-point temperature.

3.4 환기횟수와 에너지 비용

Fig. 7은 실제 외기온 조건하에서 플러쉬아웃 풍량 변화에 따른 에너지 비용의 산출한 결과를 나타낸다. 인천과 광주 모두 플러쉬아웃 풍량, 즉 시행 기간에 따른 차이는 작은 것으로 조사되었다. 이는 일평균 외기온이 가장 낮은 날로부터 플러쉬아웃을 실시하였고 이후부터 실제 외기온의 데이터를 활용하였기 때문으로 판단된다.

Fig. 7 Energy cost changes according to the air change rate in actual outdoor climate.

외기온의 변화가 난방에너지에 미치는 영향을 배제하기 위하여 플러쉬아웃 시행기간에 일평균 외기온이 최저인 날이 연속된다고 가정하여 동일한 분석을 실시하였으며 그 결과를 Fig. 8에 나타낸다. 난방부하가 큰 인천에서는 환기횟수가 감소할수록 즉 플러쉬아웃 기간이 증가함에 따라 에너지 비용이 선형적으로 증가하는 것으로 나타났다. 그러나 인천과 비교하여 외기의 온도가 높은 광주에 가장 추운 날을 제외한다면 플러쉬아웃 기준 풍량 400 ㎥/㎡을 만족하는 조건에서 플러쉬아웃의 시행기간이 에너지 비용에 미치는 영향은 그리 크지 않은 것으로 판단되었다.

Fig. 8 Energy cost changes according to the air change rate at constant outdoor temperature.