2.1 열손실량 산출 과정

건물의 열손실량 산출은 정의가 명확하다면 그 과정은 직관적이다. 건물의 외표면에 의한 열손실량은 건물의 외피를 통한 열손실량과 침기에 의한 열손실로 정의된다. CIBSE^(3,9)와 ASHRAE,^(5,10) 그리고 ISO 13790^(11,12) 에서는 외피에 의한 열손실과 침기에 의한 열손실량 산출과정에 대해 기술하고 있으며, CIBSE에서는 다음 식(4)와 같이 두 열손실량을 더해 건물의 총 열손실계수로 정의하고 있다.

∑AU : heat loss through structure, 1/3NV : heat loss through infiltration

이 식은 CIBSE Guide A의 CIBSE Simple Model에서 파생된 식이다. 파생 과정은 다음과 같다. 정상상태일 경우, 총 열손실량은 외피와 환기(침기)에 의한 열손실의 합(W)으로 정의되며, 해당 식은 다음과 같다.

위 식에서 는 복사 열교환을 고려한 계수로 대부분의 경우 1에 가깝다. 그러므로 이 식을 간략화하기 위해 를 1이라고 가정하면 정확도는 다소 떨어지지만 간단한 식으로 정리된다.

총 열손실량 식에서, ∑(AU)+C_v가 열손실계수로 위 식(4), $U\text{'}=\frac{\sum AU+\frac{1}{3}NV}{1000}$와 같다.

2.2 열취득량 산출 과정

열취득량은 난방공간의 내부발열에 의한 열취득과 창을 통한 일사 열취득을 고려한다. 하지만 건물에서 발생한 열의 전부가 건물의 온도상승에 직접적으로 영향을 미치지는 않는다. CIBSE와 ISO 13790에서는 건물에서 발생하는 열취득량을 다음과 같이 정의하고 있다.

uncorrected gain이란 total heat gain이라는 뜻으로 건물에서 발생하는 총 열취득량을 뜻하고, corrected gain 이란 casual gain이라고도 하며 실제 실내온도 상승에 영향을 주는 열취득량을 의미한다. 그리고 non-utilized heat은 corrected gain을 제외한 나머지 열을 의미한다. 본 연구에서는 non-utilized heat을 기타열취득(량)으로 명명하고자 한다. 균형점온도 산출과정의 열취득량 계산에서는 기타 열취득량을 제외하며 결과적으로 추가로 발생하는 축열에 의한 열손실량 역시 생략되어 실내온도를 설정온도 이상으로 높이는 과다난방 현상을 생략하게 된다. 즉 이 과정을 생략함으로써 최종 결과값의 대한 정확도가 떨어진다. CIBSE와 ISO 13790에서는 기타열취득량을 제외하는데에서 생기는 오류를 이용상수(Utilization factor)를 이용해 보정한다.⁽¹³⁾

이용상수(Utilization factor)는 계산결과의 정확도를 높이기 위한 상수로 건물의 특성(구조체의 재료 등)과 재실시간 등을 고려한다. 즉 일사와 실내 발열기기, 인체 발열 등에 따른 총열취득량을 이용상수를 이용해 보정, 실제 난방요구량을 줄여 실제 열취득량을 산출하게 한다.⁽¹³⁾

본 장에서는 각 기관의 총 열취득량에 대한 정의에 대해 정리하였다. ISO 13790에서는 총 열취득량에 대해 다음과 같이 정의한다. 총 열취득량은 냉난방 시스템이 적용되는 공간에 영향을 주는 실내 열 취득량이다. 그러나 실내에 적용되는 냉난방시스템이나 급탕 등에서 발생하는 열은 제외한다. ISO 13790에서 월별 실내 열 획득량은 다음의 식을 이용해 계산한다.

여기서 계산된 실내 열취득량은 이후 설명되는 utilization factor을 이용해 총 열취득량을 보정하고, 실제 건물에 영향을 미치는 열취득량을 계산한다. 이 방법은 CIBSE에서도 적용하고 있는 방법이다. ISO 13790 에서는 인접실에 대한 개념을 추가해 열취득량에 대해 더욱 구체적으로 설명한다. 위 식(14)의 두 번째 항에서는 난방공간에 인접한 비난방공간에서의 열손실량을 제외한 난방공간의 실내 열취득량이다. 비난방공간은 난방 에너지량 계산 시 면적에 포함되지 않는 실이지만 난방공간의 열이동에 영향을 주기 때문에 열취득량 계산시에는 포함된다. 위 식의 reduction factor(b_tr,l)은 ISO 13789에 비난방 인접실로의 열이동과 연관하여 설명하고 있다.

위 식(15)의 열이동계수(H_ue, H_iu)란 열손실계수를 의미하여 식(4)와 동일한 식을 적용하여 계산한다. CIBSE에서는 열취득량에 대해 다음과 같이 정의한다. 일사량, 재실자, 조명, 그리고 기기 등에 의해 발생하는 순간 열취득량에 의해 열손실량의 일부가 상쇄되기 때문에 실질적인 열취득량을 결정하는 것은 또 다른 불확실성 중 하나라고 설명한다. 또한 도일의 개념 따라 모든 순간 열취득량은 일평균 열취득량(kW)으로 계산되며, 모든 실내 열취득량은 난방이 정상적으로 가동된다는 전제에서라고 설명한다.⁽³⁾

결론적으로 CIBSE와 ISO는 실내 열취득량을 동일한 개념으로 설명을 하지만, 월별 실내 열취득량을 계산하는데 있어 ISO 13790은 난방이 되지 않는 인접실에 의한 열손실까지 고려하고 있어 더욱 구체적으로 정의하고 있다고 할 수 있다.

ASHRAE에서는 실내온도가 변동하거나 실내 열취득량이 변동한다면 정상상태 계산법이 아닌 다른 비정상상태 계산법을 이용해야한다고 설명한다. 그러나 계산과정이 빠르고 간결하다는 장점을 가진 도일법의 경우, 연간부하 예측을 위한 계산에서 모든 실내 열취득량이나 실내온도가 일정하다고 가정해야 정확한 값이 도출된다. 즉 모든 상태는 정상상태라고 가정한다. 따라서 실내 공기유동은 고려하지 않는다. 이후에 설명되는 열취득량과 열손실량은 CIBSE와 ASHRAE, 그리고 ISO 13790과 국내의 기준을 포함하는 것이다.

3.1 균형점온도 산출에 필요한 입력데이터 선정

분석을 위한 공동주택은 친환경주택고시전문 및 해설서(2015)의 평가기준 주택 중 국내에서 최근 가장 많이 건설되고 있는 83 m² 평면을 대상으로 하였다. 분석 대상건물은 국내 공동주택 중에서 가장 비율이 높은 침실 3개, 화장실 2개로 구성된 세대이며, 층고는 2.8 m, 베란다와 현관문의 높이는 2.2 m 그리고 창의 높이는 1.2 m로 구성되었다(Fig. 2 참조).

앞서 기술한 것과 같이 균형점온도는 건물의 특성(평면구성, 창면적비, 열적 성능, 기밀성능 등)의 영향도가 크다. 따라서 산출되는 균형점온도가 대표성을 가지려면 분석 대상으로 하는 공동주택의 특성도 대표성을 가져야 한다. 즉 균형점온도의 산출에 공동주택의 표준모델의 문제가 대두된다. 그러나 국내의 경우는 공동주택에 대해 표준모델이 제안되어 있지 않기 때문에 본 연구에서는 정부에서 제시하고 있는 친환경주택고시전문 및 해설서(2015)의 내용을 기준으로 분석 대상건물을 설정하였다.

균형점온도 계산을 국내에 적용할 경우, 열관류율은 국토교통부와 한국에너지공단에서 정의한 건축물에너지절약설계기준의 ‘지역별 건축물 부위별 열관류율 기준’을 이용할 수 있다. 건축물에너지절약설계기준에서는 열관류율을 계산할 때 외기에 직/간접 부위를 나누어 고려하며, 벽, 창호, 출입문 등에 추가로 세대간벽까지 고려해 상세한 상수와 수식으로 열관류율에 대한 기준을 제시하고 있다. 이 기준은 국내를 중부, 남부, 제주 세 지역으로 나누어 공동주택의 벽체 및 창의 열관류율을 제시하고 있다. 본 논문에서는 2017년 국토교통부 고시의 건축물 부위별 열관류율을 적용하였다. 중부지방은 각각 벽과 창에 대해 0.21 W/m²K와 1.2 W/m²K 이며 남부지방은 0.26 W/m²K와 1.4 W/m²K, 그리고 제주지방은 0.36 W/m²K와 2 W/m²K이다. 열관류율 계산은 난방공간에 면하는 벽과 창의 열관류율을 계산하며 발코니에 접한 면의 열관류율은 외기에 간접 면하는 벽과 창으로 계산하였다(Table 3 참조).

침기에 의한 열손실은 일반적으로 각 국가별 침기율 기준을 적용하나 국내의 경우는 기준이 부재하기 때문에 CIBSE Guide A에서 제시하는 건물의 기밀성능에 따른 시간당 침기량에 대한 실험치를 적용하였다.⁽⁹⁾ CIBSE Guide A에서는 다양한 건물 층수별로 구분하여 기밀성능(air permeability)을 leaky(20.0 m³/m²h at 50 Pa)에서 3.0 m³/m²h at 50 Pa의 고기밀한 성능일 경우의 침기량(infiltration rate)에 대한 실험치를 제공하고 있다. 50 Pa로 가압해 외부환경의 요인을 차단하여 실험을 하며, 최대(peak) 침기량과 평균(average) 침기량을 표로 제시한다. 이 표에서의 평균값이란 전체 침기량을 연평균 값으로 표현한 것을 의미한다. 본 논문에서는 6~10층의 아파트 건물의 3.0 m³/m²h at 50 Pa 기밀상태의 평균값, 0.25회/h를 사용해 계산하였다.

실내 열취득량과 일사 열취득량은 건축물 에너지효율등급 인증제도의 용도프로필 기준(Table 4 참조)을 적용하였다. 이용상수(utilization factor)에 사용되는 입력값인 유효계수 a_o와 τ_o는 재실 시간에 따라 결정되는 나라별 계수를 사용해야하지만 우리나라의 경우 정해진 기준이 없는 관계로 CIBSE와 ISO 13790에서 제시하는 국제 표준 값, 1과 15를 각각 적용하였다. 또 다른 입력값인 시간상수 τ는 계산하고자 하는 건물의 특성을 따라야 한다. 본 연구에서 적용한 평면의 경우, 구조체에 대한 특성이 불명확한 관계로 CIBSE의 열용량 관련 데이터인 19.61을 적용하였다.

균형점온도 산출에서 일사 열취득량은 일평균 일사 열취득량 데이터를 이용한다. 건축물 에너지효율등급 인증제도에는 지역별로 제시되어있으며 방위별로 월평균 전일사량이 제시되어있다. 실내 열취득량의 일일 발생열량과 일사 열취득량의 월평균전일사량을 24로 나누어 계산한다. 실내 유입일사량은 일평균일사량에 유리와 차양의 종류에 따른 일사취득계수(solar gain factor)를 적용하여 계산한다. 본 계산과정에서는 모든 창을 이중유리로 가정하였고 차양은 없는 clear 상태라고 가정하여, CIBSE Guide A⁽⁹⁾에 제시된 일사취득계수(solar gain factor) 0.62를 적용하였다. ISO 13790의 열취득량 계산 방법에 따라 비난방 인접실인 베란다의 일사 열취득량을 고려해 총 열취득량을 계산한다. 주택의 방위는 건축물에너지효율등급 인증제도의 표준주택 기준과 친환경주택의 건설기준 및 성능의 평가기준 주택에서 동향으로 설정되어 있으므로⁽¹⁴⁾ 방위별 일사취득량 계산 시 거실을 동향으로 설정하여 계산하였다.

3.2 지역별 균형점온도 산출

제 3.1절에서 선정한 분석 대상건물을 모든 지역에 적용하여 균형점온도를 산출하였다. 열관류율은 국토교통부 고시 제2017-71호의 중부, 남부, 제주의 부위별 열관류율을 적용하였고, 외기온도는 2010년의 기상청의 데이터, 그리고 방위별 전일사량은 건축물 에너지효율등급 인증제도의 데이터를 이용하였다. 분석대상인 각 지방에 대하여 동일한 평면을 적용하였기 때문에 평균외기온도, 총열관류율, 그리고 방위별 평균 일사량 외의 입력데이터는 모두 동일하게 적용하였다(Table 5 참조).

위 제 2장의 방법을 통해 산출된 중부, 남부, 제주지방의 균형점온도는 Table 6과 같다. Table 6에는 지역별 다른 입력데이터와 함께 계산과정에서 산출되는 열손실량, 열취득량 계산과 관련된 수치를 추가하였다.

본 연구를 통해 산출된 균형점온도는 서울의 경우, 15.0, 부산은 15.38, 제주는 16.60으로 나타났다. 종래의 국내 기준처럼 준용되었던 18.3보다는 모두 낮은 결과이다. 즉 국내 기후특성 및 공동주택의 열적성능을 고려하여 균형점온도를 산출할 경우, 균형점온도는 달라질 수 있음을 시사하고 있다. 아울러 지역별로도 다른 균형점온도가 산출됨을 알 수 있다. 이것은 지역의 기후특성 및 지역별 건축물의 열관류율 기준이 다르기 때문이다. 부산이나 제주의 난방 균형점온도가 서울보다 높은 것은 비록 부산과 제주의 겨울철 외기온도가 서울보다 높기는 하지만 해당 지역의 열관류율 기준이 서울보다는 완화되어 있어 부산과 제주의 열손실계수가 서울보다 높기 때문인 것으로 판단된다. Table 6의 열손실계수는 실내외 온도차를 고려한 외피에 의한 열손실량으로, 제주의 열손실계수가 서울보다 높은 것을 알 수 있다(Fig. 3 참조).

균형점온도는 난방도일을 산정하는 기준온도이기도 하지만 해당지역에서 표준적인 품질의 건축물인 경우에 난방이 요구되는 외기온도라고도 할 수 있다. 즉 본 연구결과에서 제주지역의 난방 균형점온도가 서울지역보다 높다는 것은 제주지역에서 난방이 서울보다 높은 외기온도에서 시작되어야 한다는 것이다.

해당지역의 균형점온도(Table 6 참조) 산출결과를 바탕으로 2010년의 기상데이터를 이용해 해당지역의 난방도일을 계산하고 기존의 균형점온도(18.3)를 기반으로 한 결과와 비교하였다(Table 7 참조). 검토한 세 지역 모두에서 균형점온도가 기존의 18.3인 경우보다 본 연구를 통해 새롭게 산출된 균형점온도를 기준으로 할 경우 난방도일은 감소하는 결과를 보였다. 제주의 균형점온도가 가장 높게 산출되어 난방이 요구되는 외기온도는 높게 형성이 되지만 전체 빈도에서는 서울보다 난방이 요구되는 빈도가 낮아서 결과적으로 서울의 난방도일보다 낮은 결과를 보였다. 새로운 균형점온도를 적용하여 산출한 난방도일값이 기존 결과보다 낮게 산출된다는 것은 해당지역의 난방요구량을 기존 균형점온도를 적용할 경우 과다하게 산정될 수 있음을 시사하고 있다.

따라서 해당지역의 난방소요량을 적정하게 예측하기 위해서는 해당지역의 기후특성, 건물의 열적 성능의 변화를 고려하여 균형점온도가 산출되어야 하고 이에 기반하여 난방도일이 산출되어야 할 것으로 판단된다.