임희원
(Hee Won Lim)
1
김동윤
(Dong Yun Kim)
1
이수만
(Soo Man Lee)
1
안정혁
(Jung Hyuk An)
2
윤종호
(Jong Ho Yoon)
3
신우철
(U Cheul Shin)
1†
-
대전대학교 건축공학과
(Department of Architectural Engineering, Daejeon University, Daejeon, 34520, Korea)
-
이건창호(주)
(Eagon Window & Door, Incheon, 22107, Korea)
-
한밭대학교 건축공학과
(Department of Architectural Engineering, Hanbat University, Daejeon, 34158, Korea)
Copyright © 2016, Society of Air-Conditioning and Refrigeration Engineers of Korea
Key words
공동주택(Apartment house), 창호 에너지소비효율등급제(Window energy consumption efficiency rating system), 냉난방에너지요구량(Heating and cooling energy requirements), 열관류율(Heat transfer coefficient), 태양열 획득계수(Solar Heat Gain Coefficient)
기호설명
Φ：구조체를 통한 총 열전달량 [W/m]
Ψi：층간바닥과 벽체의 접합부위 선형열관류율 [W/(m·K)]
A：벽체 면적 [m2]
Li：열교와 면하는 부위의 길이 [m]
L：층간바닥과 벽체의 접합부위 길이 [m]
Ti：실내 측 설정온도 [℃]
Te：실외 측 설정온도 [℃]
U：벽체 중앙부위 열관류율 [W/(m2․K)]
Ui：열교와 면한 벽체 중앙부위 열관류율[W/(m2·K)]
Ueq：상당열관류율 [W/(m2·K)]
1. 서론
국내의 “창호 에너지소비효율등급제”는 창세트의 열관류율(또는 U-value)과 기밀성능을 기준으로 평가하고 있으며, 건물의 용도별 열부하 특성에 관계없이
모든 건물에 적용되고 있다. 또한 “건축물의 에너지절약설계기준”에 따른 창호의 열성능에서도 열관류율 만을 대상으로 하고 있다. 그러나 대부분 유럽
및 북미 국가들의 경우 U-value 및 기밀성능의 열손실과 태양열 획득계수(이하 SHGC)의 열획득을 동시에 고려하여 창호의 열성능을 평가하고 있으며,
그 대상 또한 주거용 건물에 한정하고 있다.
(1) 이와 같은 에너지 평형(Energy balance) 측면에서 열성능 고찰은 근래 들어 창호의 단열성능이 높아짐에 따라 열손실 대비 상대적으로 증가된
태양열 획득이 냉난방부하에 큰 영향을 미칠 수 있기 때문이다.
(2)
이와 관련한 국내 연구 동향을 살펴보면, Park et al.
(3)은 박스형 단층주택에서 열관류율 0~5.68 W/(m
2·K)과 SHGC 0~1에서 각각 11단계로 조합된 총 121개 창이 적용될 때 연간 총 에너지 사용량을 eQuest로 분석하였다. 그 결과, U-Value가
증가할수록 에너지소비는 지속적으로 증가하지만, SHGC는 그 값에 따라 에너지소비의 증감 특성이 상이 하므로 U-Value만을 기준으로 하는 국내
창에 대한 에너지절약기준에 지역별로 SHGC가 반영되어야 하는 것으로 나타났다. 또한 Yoon et al.
(4)은 열관류율 0.68~1.72 W/(m
2·K)과 SHGC 0.23~0.66의 범위를 갖는 15개 창이 적용된 확장형 및 비확장형 공동주택을 대상으로 EnergyPlus를 이용하여 연간 냉·난방
및 총 에너지 사용량을 해석하였다. 그 결과, 공동주택에서 창의 U-Value 향상이 항상 비례적으로 에너지 절감효과를 가져오는 것이 아니며, SHGC를
0.5 이상으로 유지하는 것이 난방에너지를 절감하는데 합리적인 것으로 나타났다. Choi et al.
(5)은 국내·외 5개 지역의 위도 및 기후에 따른 창호 에너지 효율을 파악하기 위해 Energy Plus를 통하여 6가지 창호에 대한 냉ㆍ난방 및 총
부하를 분석하였다. 분석에 적용된 유리는 U-Value가 같고[약 2.6 W/(m
2·K)] SHGC가 다른(0.26~0.76) 3가지 창과 반대로 SHGC가 같고(약 0.47) U-Value가 다른[0.77~2.29 W/(m
2·K)] 3가지 창을 사용하였다. 그 결과, U-Value가 감소할 때 부하의 감소가 가장 크게 나타나지만, SHGC가 증가할 때 마찬가지로 부하가
감소하는 것을 확인하였다. 이는 U-Value가 에너지 저감에 효과적이지만, SHGC를 함께 고려해야 한다는 것을 알 수 있다. Kwak et al.
(6)은 창호 에너지소비효율등급제’의 적용성을 검토하기 위해 창호 등급과 SHGC가 건물에너지 소비에 미치는 영향을 공동주택과 업무시설을 대상으로 EnergyPlus를
이용하여 분석하였다. 공동주택의 해석모델은 친환경주택 성능평가 지침에 제시된 단위 세대 중 전용면적 59 m
2와 84 m
2의 기준층을 평가 모델로 선정하고 각 등급 별 최저 U-Value에 3가지 SHGC가 적용된 총 15개의 창을 가정하였다. 그 결과, 공동주택의 경우,
U-Value가 높아질수록(1등급 → 5등급) 총 에너지 사용량은 감소하지만, SHGC에 의한 경향성은 명확하지 않은 것으로 분석되었다. Lee et
al.
(7)은 창의 리모델링 시 적절한 열관류율 및 SHGC를 제안하기 위해 Energy Plus를 이용하여 냉․난방 부하 및 절감율을 분석하였다. 농어촌 표준주택에
적용된 창호는 각 등급별 최소 U-Value에 5가지(0.14~0.70) 단계의 SHGC로 총 25종류로 가정하였으며, 남측의 창 면적비는 20~70%를
대상으로 하였다. 그 결과, 동일한 창면적비에서 창호의 열관류율 뿐만 아니라 SHGC에 따라 건물의 냉·난방부하는 달라지게되며 열관류율은 다소 높더라도
그 건물에 적절한 SHGC를 적용할 경우 에너지절감율은 더욱 증가하는 것으로 분석하였다.
그러나 이상의 기존연구를 통해 에너지 평형 측면에서 주거용 건물 창 성능에 대한 분석이 수행된 바 있으나, 적용된 유리의 비적합성 및 해석모델의 부적절성,
단열수준의 상이성 등으로 그 결과에 대한 불확실성이 제기되고 있다. 따라서 본 연구는 남향 공동주택의 중간세대를 대상으로, 128개 인증 창의 U-Value
및 SHGC 적용에 따른 난방 및 냉방 에너지요구량(이하 “냉방 및 난방부하”)이 동적 해석되었고, 그 결과분석을 통해 단열 및 기밀성능에 한정된
국내 창호 에너지소비효율등급제의 적정성이 현 단열수준에서 평가되었다.
2. 창의 열 및 광학적 특성
2.1 창호 에너지소비효율등급 기준 및 인증현황
한국에너지공단은 2012년 07월, 에너지절약형 창의 보급을 위하여 “창호 에너지소비효율등급제”를 시행하였다. 등급기준은 U-value와 기밀성능에
따라 구분되고 있으며 모든 건물의 창에 적용된다. 라벨의 기재항목은 U-value와 기밀성, 프레임 재질, 유리, 소비효율등급 등을 포함하고 있으나,
SHGC는 등급 기준 뿐만 아니라 기재항목에서도 제외되고 있다.
Table 1은 2017년 07월 기준 공동주택에 적용 가능한 인증창을 에너지소비효율등급기준에 따라 분류한 것이다. 전체 인증창 중 1등급이 23.5%, 2와
3등급은 각각 41.2% 35.3%로 나타났다.
Table 1. Certified windows by rating
|
Rating
|
Quantity
|
|
1st
|
970
|
|
2nd
|
1,700
|
|
3rd
|
1,459
|
2.2 유리의 열 및 광학적 특성
본 연구에서는 인증창에 대한 SHGC를 파악하기 위하여 ‘K’ 인증기관을 통해 인증된 창 중 공동주택에 적용 가능한 1~3등급의 128개가 분석되었다.
Table 2는 이들 창을 에너지소비효율등급에 따른 유리의 구성이 분류된 것이다. 1등급 창은 이중창(Four track)이 가장 많았으며 다음으로 삼중유리(Triple
glazing)가 차지하였다. 2등급에서는 이중창과 삼중유리, 이중유리(Pair glazing) 등 다양한 형태를 보이고 있으며, 3등급은 모두 이중유리로
구성되었다.
Table 2. Glazing structure of certified windows
|
Rating
|
Quantity
|
Glazing
|
|
Four track
|
Triple
|
Pair
|
|
1st
|
40
|
28
|
12
|
0
|
|
2nd
|
54
|
26
|
18
|
10
|
|
3rd
|
34
|
0
|
0
|
34
|
Fig. 1과
Table 3은 THERM과 WINDOW 7.4로 해석된 128개 창 유리(glazing)의 SHGC를 U-value에 따라 등급 및 유리 구성 별로 각각 나타낸
것이다. 동일한 U-value에서 SHGC의 편차가 상당히 큰 것을 알 수 있으며, 이는 로이유리(Low-ε glass) 제조사의 제품 특성과 유리
구성 및 조합(로이 코팅 면의 위치) 등에 따른 것으로 파악되었다. 1등급과 2등급 창의 SHGC는 0.12~0.58로 유사한 범위를 갖고 있으나,
3등급의 경우 이보다 다소 높은 0.25~0.73을 나타내고 있다.
Fig. 1. SHGC in relation to U-value.
Table 3. U-value&SHGC range by rating
|
Rating
|
U-Value
|
SHGC
|
|
1st
|
0.87~1.00
|
0.12~0.51
|
|
2nd
|
1.01~1.40
|
0.17~0.58
|
|
3rd
|
1.42~1.84
|
0.25~0.73
|
3. 시뮬레이션 분석
창호 에너지소비효율등급제에 따른 공동주택의 열성능을 평가하기 위해 128개 창 유리의 적용에 따른 연간 에너지요구량(이하 냉방 및 난방부하)이 서울지역을
기준으로 비교·분석되었다. 서울을 포함한 중부지방에서, 공동주택에 적용 가능한 창의 열관류율은 1.2 W/(m
2·K) 이하로 2등급 일부 및 1등급의 인증창이 가능하나 본 연구에서는 3등급 창까지 확대되었다.
3.1 기준주택
분석을 위한 기준주택은 111.7 m
2의 바닥면적(난방면적 84.3 m
2)을 갖는 기 준공된 공동주택 중간세대가 선정되었으며, 실의 구성은
Fig. 2와 같다. 여기서 인접세대와 면한 상·하층과 좌·우측의 벽체는 단열조건으로 가정되었고, 건물의 향은 국내에서 가장 선호하는 거실창이 면한 남향을 기준으로
설정되었다.
Fig. 2. Floor plan of a reference model.
Fig. 3과
Table 4는 기준주택의 창 배치 및 크기를 나타낸 것이다. 여기서 거실창이 설치된 전면과 후면의 창면적은 각각 18.88 mm
2와 4.02 mm
2로서 외벽체 대비 창면적비는 45.8%가 되었다. 여기서 적용된 모든 창 프레임의 열관류율 및 높이는 각각 2.27 W/(mm
2·K)과 145 mm로 가정되었다.
Fig. 3. Location of windows.
Table 4. Windows summary
|
Window
|
Width × Height (m)
|
Area (m2)
|
Frame ratio (%)
|
Quantity
|
|
①
②
③
④
⑤
⑥
|
1.61×2.21
3.31×2.21
1.81×2.21
0.91×1.21
1.21×1.21
1.21×1.21
|
3.56
7.32
4
1.1
1.46
1.46
|
24.2%
18.3%
22.4%
40.9%
34.7%
34.7%
|
1
1
2
1
1
1
|
|
Total area
|
22.9
|
외벽체을 통한 열전달을 정확하게 해석하기 위해서는 열교부위의 열손실이 반영되어야 한다. 이를 위해 본 연구에서는 기준주택 외벽체의 접합부위에 발생되는
열교를
식(1)의 ISO 10211에 따른 선형열관류율로 분석하고, 그 결과가
식(2)의 상당열관류율로 해당 외벽체에 반영되었다.
Table 5는 분석모델 외벽체의 상당열관류율을 나타낸 것이다. 거실에 면한 전면과 후면 외벽체의 상당열관류율은 각각 0.869 W/(m
2·K)와 0.494 W/(m
2·K)로 외벽체의 기준 열관류율 0.196 W/(m
2·K)에 비해 247~435% 이상 증가하였다.
Table 5. Equivalent thermal transmittance of external walls
|
Items
|
Thermal transmittance [W/(m2·K)]
|
△T
|
Length of heat bridge [m]
|
Equivalent thermal transmittance [W/(m2·K)]
|
|
External Walls (front)
|
0.196
|
40
|
2.48
|
0.869
|
|
External Walls (back)
|
5.36
|
0.494
|
3.2 시뮬레이션 조건
본 연구에서는 난방 및 냉방부하 해석을 위한 동적 열전달해석 프로그램으로 TRNSYS 17이 사용되었다.
Table 6과
Fig. 4는 주요 시뮬레이션 입력 변수 및 관련 스케줄을 나타낸 것이다. 각 스케쥴은 통계청 자료
(8)를 기준으로 작성되었다. 비 난방공간의 전력사용을 제외한 조명 및 전기 기기의 연간 총 전력사용량은 3,199 kWh가 된다.
Table 6. Simulation input data
|
Parameter
|
Value
|
Remark
|
|
Infiltration(ACH)
|
0.137
|
|
|
Occupancy(People/m2)
|
0.047
|
4 People
|
|
Appliance(W/m2)
|
32.2
|
Annual Consumption 2,259 kWh
|
|
Lighting density(W/m2)
|
4.7
|
Annual Consumption 940 kWh
|
|
Heating Set Point Temperature(℃)
|
24
|
|
|
Cooling Set Point Temperature(℃)
|
27
|
|
Fig. 4. Simulation schedule.
3.3 외기냉방
시뮬레이션을 통해 도출되는 주거용 건물의 냉방부하는 실제 보다 과도하게 해석되는 측면이 있다. 실내온도가 내부발열이나 일사유입 등에 의해 일정온도
이상 상승할 때, 외기온이 이 온도 보다 낮으면 재실자가 창을 개방하여 외기로 냉방을 하는 것이 일반적이다. 따라서 본 연구에서는 TRNSYS 컴포넌트
Type 684(Economizer)를 이용하여 외기냉방이 구현되었다.
4. 분석 결과
4.1 기후분석
본 연구의 시뮬레이션에서 적용된 기상자료는 한국에너지기술연구원이 제공하는 서울지역 TMY3 기상데이터
(9)가 사용되었다.
Fig. 5는 남향 수직면 및 수평면에 대한 연간 월별 일평균 일사량과 외기온을 나타낸 것이다. 동절기(11월~3월) 남향 수직면 일평균 일사량은 10.3 kWh/(m
2·day)로서 하절기(6월~9월) 7.9 kWh/(m
2·day)에 비해 31% 이상 증가하고 있다.
Fig. 5. Monthly average daily irradiation and ambient temperature.
4.2 열부하분석
Fig. 6은 128개 창의 U-value에 따른 기준모델 연간 난방부하를 나타낸 것이다. 그 작용범위는 539 kWh~2,022 kWh로, 최대 부하차는 1,483
kWh가 되어 창의 성능이 난방부하의 지배적 인자로 작용하는 것을 알 수 있다. U-value에 따른 난방부하의 상관관계를 살펴보면, 회귀분석의 결정계수(Coefficient
of determination, 이하 R
2)는 0.0558로 관련성을 보이지 않고 있다. 또한, 1~3등급까지 난방부하는 확산된 분포형태로 SHGC에 기인하였으며, 여기서 발생하는 각 등급별
부하 편차는 최대 부하차와 거의 동일하게 나타났다. 이에 반해
Fig. 6의 SHGC에 따른 난방부하는 반비례하고 있으며, R
2 = 0.7437의 상당한 상관관계를 보이고 있다. 각 SHGC에서 1등급과 2등급은 거의 동일한 열적성능을 보이고 있으며, 3등급이 될 때 난방부하는
다소 증가하나 최대 편차는 800 kWh 미만으로 나타났다. 이것은 SHGC의 일사획득이 난방부하에 지배적 인자가 되며, 단열성능(U-value)은
부차적 요인으로 작용하는 것을 의미한다.
Fig. 6. Annual heating energy requirement for U-value.
Fig. 7. Annual heating energy requirement for SHGC.
Fig. 8은 U-value에 따른 연간 냉방부하를 도시한 것이다. 난방부하에 비해 다소 높은 상관관계(R
2 = 0.4781)를 나타내고 있다. 그 작용범위는 376 kWh~1,443 kWh로 연간 난방부하의 평균 74% 수준이 되었으며, 등급별 최소 부하는
거의 동일한 상태에서 등급이 낮을수록 SHGC에 기인한 부하 편차는 점차 증가하고 있다. 한편
Fig. 9의 SHGC에 따른 냉방부하는 증가하고 있으며, 거의 완벽한 선형적 상관관계(R
2 = 0.9869)를 드러내고 있다. 동일한 SHGC에서 U-value에 따른 부하변동은 없으며, 이것은 냉방부하가 SHGC의 일사획득에 의해 결정되는
것을 의미한다.
Fig. 8. Annual cooling energy requirement for U-value.
Fig. 9. Annual cooling energy requirement for SHGC.
Fig. 10은 기준모델의 U-value에 따른 연간 총 열부하(난방부하+냉방부하)를 나타낸 것이다. 최대 부하차는 944 kWh로 난방 및 냉방의 1,483
kWh와 1,067 kWh에 비해 감소하고 있으나, U-value의 상관관계는 여전히 낮은 상태(R
2 = 0.1989)를 보이고 있다. 또한, SHGC에 따른 등급별 부하편차는 계속 유지되고 있는 상태에서 등급이 낮을수록 최소 부하는 점차 상승추세를
보이고 있으나, 1등급과 U-value
1.3인 2등급 창은 거의 동일한 열적 성능을 나타내고 있다. 이에 반해
Fig. 11의 SHGC에 따른 총 열부하는 U-value에 비해 여전히 높은 상관관계(R
2 = 0.4187)를 나타내고 있다. 난방부하가 냉방보다 많은 기준모델의 부하특성에 따라 SHGC가 커질수록 총 열부하는 점차 줄어드나, SHGC
0.6인 3등급 창에서 큰 변화가 없는 것을 알 수 있다. 한편 전술한 바와 같이 동일한 SHGC에서 1등과 2등급의 열성능 차이는 3등급에 비해
크게 감소하며, 향후 U-value 기준의 등급강화에 따른 적절성을 검토해야 할 것으로 판단된다.
Fig. 10. Annual total thermal energy requirement for U-value.
Fig. 11. Annual total thermal energy requirement for SHGC.
5. 결 론
본 연구는 국내 창호 에너지소비효율등급제에 따른 공동주택의 열성능을 평가하기 위해 연간 냉·난방 에너지요구량에 대하여 비교·분석되었다. 남향 공동주택의
중간세대를 기준모델로, 128개 인증 창의 열관류율 (U-value) 및 태양열 획득계수(SHGC) 적용에 따른 냉·난방부하를 TRNSYS 17을
사용하여 동적 해석이 되었으며, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
(1) 기준모델에서 128개 창의 적용에 따른 연간 난방 및 냉방부하는 각각 539 kWh~2,022 kWh와 376 kWh ~1,443 kWh로
창 성능이 공동주택 열성능의 지배적 인자로 나타났다.
(2) SHGC에 따른 연간 난방 및 냉방부하의 회귀분석결과 결정계수(R
2)는 0.7437과 0.9869로서 U-value의 0.0558과 0.4781에 비해 높은 상관관계를 나타냈으며, 이것은 에너지 평형 관점에서 창의
열성능이 평가되는 것이 합리적이라는 것을 의미한다.
(3) 1등급과 U-value
1.3인 2등급 창은 거의 동일한 열적 성능을 나타냈으며, 향후 U-value 기준에 따른 등급강화를 모색하는 경우 그 적절성을 검토해야 할 것으로
판단된다.
이상의 연구결과를 통해 공동주택의 냉․난방부하는 창의 SHGC가 지배적 인자로 작용하는 것을 확인하였다. 따라서 창의 열성능 평가기준을 U-value에
한정하는 경우 공동주택 에너지절약을 위한 창의 올바른 선택에 한계가 있는 것으로 추정되며, 국내 창호 에너지소비효율등급제는 SHGC를 포함한 새로운
평가기준이 제안되어야 할 것으로 사료된다.
후 기
이 논문은 2017년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 중견연구자지원사업임(No. 2017R1A2B2006705).
References
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Grynning S., Gustavsen A., Time B., Jelle B. P., 2013, Winodws in the buildings of
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