김주욱
(Joo Wook Kim)
1
송두삼
(Doo Sam Song)
2†
-
성균관대학교 건설환경연구소 연구교수
(Research Professor, Center for Built Environment, Sungkyunkwan University, Suwon,
16419, Korea)
-
성균관대학교 건설환경공학부 교수
(Professor, School of Civil, Architectural Eng., and Landscape Architecture, Sungkyunkwan
University, Suwon, 16419, Korea)
Copyright © 2016, Society of Air-Conditioning and Refrigeration Engineers of Korea
Key words
냉방 용량(Cooling capacity), KS 기준(KS C 9306), 건물 열성능(Building thermal performance), 열관류율(u-value), 기밀성능(Air-tightness)
기호설명
$Q _{0}$：단위 바닥 면적당의 냉방 기준 열부하 [W/m2]
$\Delta Q _{k}$：보정 열부하 [W/mm2]
$Area$：바닥 면적 [m2]
1. 서론
건축물의 효율적인 에너지 관리를 위하여 2001년부터 시행되어진 ｢건축물의 에너지절약설계기준｣에서 외피의 단열 및 기밀성능 기준은 지속적으로 강화되고
있다. 2013년 10월 개정된 국토교통부의 「건축물의 에너지절약설계기준」[1]의 “별표 1-지역별 건축물 부위의 열관류율 기준”에 따르면, 중부지역 공동주택의 외기에 직접 면하는 외벽의 열관류율은 0.27(W/m2K)이하로 규정되어 있다. 이는 1987년 작성된 기준(0.58 W/m2K)에 비해 약 53.4%가 강화된 기준이다. 창의 열관류율 기준도 1987년 대비 약 55.5% 강화되었다. 2015년 개정된 기준에서는 외벽의
경우 63.8%, 창의 경우 73.1% 강화되었다. 아울러 주택의 기밀성능에 대한 김길태[8]의 연구에 따르면, 2013년 기준 주거건물의 기밀성능은 1987년 대비 약 75.7% 향상되었다. 건물외피 성능의 향상은 냉난방부하에 많은 영향을
미치게 되는데, M.A. Aktacir 등의 연구[3]에 따르면 외피의 열적 성능이 향상됨에 따라 냉난방부하가 감소하며, 특히 최대냉난방부하(피크부하)에서 그 차이가 더욱 두드러지는 것을 알 수 있다.
최대냉난방부하(피크부하)는 냉난방시스템의 용량 산정을 결정하는 요소이다. 건물 설계단계에서 냉난방시스템 용량의 적정성은 건물 초기투자 비용 및 실제
건물 사용단계에서의 냉난방 에너지 사용량에도 많은 영향을 미친다.[4] 국내 건물의 냉·난방시스템 용량을 산정하기 위한 기준으로 「KS C 9306-에어컨디셔너」[5] 내 부속서 D에 일반 주택 및 사무실의 냉·난방부하 간이 계산방법이 있다. 이것은 일본 공기조화위생공학회(空気調和衛生工学会)의 HASS 108-1965
冷·暖房負荷計算表; 冷房負荷簡易計算方法(냉·난방부하계산표; 냉방난방부하 계산방법)[6]을 기초로 작성된 것으로 해당 건물, 세대에 대한 냉/난방부하 계산을 하지 않고 냉난방 기기의 용량을 산정할 때 본 기준을 참고하여 용량을 선정한다.
KS C 9306은 1998년에 작성된 것으로 냉난방 용량 산정의 기준이 되고 있는 건물의 열적 성능은 최근 강화된 건물의 열적 성능을 반영하지 못하고
있다. 국내에서는 냉방시스템의 용량 산정의 적정성에 관한 연구는 보고되어 있지 않고 있으나 해외에서는 관련하여 많은 연구결과들이 제시되고 있다. 미국
에너지성(DOE, Department of Energy)에서 제시한 시뮬레이션 결과를 보면, 에너지 절약적인 주택에서 냉방시스템의 용량을 2배로 하면
약 13%의 에너지 소비량의 증가를 초래한다고 보고하고 있다.[7] Florida Solar Energy Center(FSEC)에서 실시한 플로리다주의 368개 주택에 대한 에어컨 용량에 관한 조사 결과, 약 50%
이상의 주택에 설치된 에어컨 용량이 20%~50% 더 크게 설정되어 있다는 것을 확인하였다. 또한 에어컨 용량의 20%~50% 증가가 3.7%~9.3%의
냉방에너지 소비의 증가를 초래한다고 보고하고 있다.[8]
따라서 본 연구에서는 국내 건물 냉방시스템(air-conditioner)의 용량 산정의 근거가 되고 있는 「KS C 9306-에어컨디셔너」의 적정성에
대해 검토하고자 한다. 검토는 「KS C 9306의 부속서 D」에 의거하여 면적 기준으로 냉방용량을 산정하는 경우, 「KS C 9306의 부속서 D
표 D.4」의 부하 산출조건을 입력데이터로 하여 시뮬레이션을 통해 냉방용량을 산정하는 경우, 그리고 국내 공동주택의 열적 성능기준의 변화를 반영하여
냉방용량을 산정하는 경우, 각각의 산정된 용량의 차이를 비교, 분석하고자 한다. 이를 통해 최근의 공동주택의 열적 성능이 강화되고 있는 상황에서 현재
국내 에어컨디셔너 용량 산정의 기준으로 적용되고 있는 KS C 9306의 적정성에 대해 검토하고자 한다.
2. 냉방시스템 용량 산정 비교
2.1 분석 대상 건물 공간
KS C 9306에 따른 냉방 용량 산정 방법과 동적 시뮬레이션(TRNSYS)을 통한 국내 공동 주택의 열적 성능기준 변화를 고려한 냉방 용량 산정을
검토하기 위한 분석 대상건물은 인천광역시 송도에 위치한 실험주택 건물을 대상으로 하였다(Fig. 1 참조). 건물은 정남향의 건물로 단위세대가 45평형(148.5 m2) 규모의 4개의 방으로 구성되어 있다. 대상건물의 공간구성은 Table 1과 같다.
Fig. 1. Photo and plan of the analyzed building.
Table 1. Information of the analyzed household
|
Room type
|
Floor area(m2)
|
height(m)
|
Volume(m3)
|
|
Bedroom 1
|
19.2
|
2.4
|
46.1
|
|
Bedroom 2
|
11.8
|
28.3
|
|
Bedroom 3
|
11.2
|
26.9
|
|
Bedroom 4
|
9.6
|
23.0
|
|
Dressroom
|
15.6
|
37.4
|
|
Kitchen/Dining
|
8.5
|
20.4
|
|
Livingroom
|
37.9
|
91.0
|
2.2 KS C 9306 기준에 따른 공동주택 냉방용량 산정
공동주택의 냉방에 주로 사용되는 에어컨디셔너는 주로 공랭식 패키지 에어컨이 사용되고 있으며, 용량 산정을 위한 기준으로는 「KS C 9306」이 적용되고
있다. Table 2의 공동주택 에어컨디셔너의 용량 산정을 위한 기준은 1998년에 수행한 연구를 바탕으로 작성된 것으로 당시의 공동주택 성능 기준(외피의 단열, 창호,
기밀 수준)을 반영한 기준이다.
Table 2. Sizing the cooling load per unit area-KS C 9306(Multi-residential building)
|
Unit
|
W/m2
|
kcal/m2h
|
|
Base Cooling load($\Delta Q _{0}$)
|
123
|
106
|
|
Correction Cooling load
($\Delta Q _{k}$)
|
with shading device
(SC 0.65)
|
WWR 80%
WWR 70%
WWR 60%
|
E
E
E
|
W
W
W
|
S
S
S
|
N
N
N
|
-11
-18
-27
|
14
3
-7
|
10
0
-10
|
-38
-43
-47
|
-19
-15
-23
|
12
3
-6
|
9
0
-9
|
-33
-37
-40
|
|
location
|
Apartment Top floor
Row house Top floor
Mid floor
|
40
50
0
|
34
43
0
|
|
Indoor heat gain-lighting
|
10(W/m2)
|
10
|
9
|
|
Outdoor Air
|
0.4(CFM/m2)
|
9
|
8
|
|
Indoor heat gain-equip.
|
TV
Refrigerator
Microwave
Gas oven
|
150(W/ea)
300(W/ea)
100(W/ea)
900(W/ea)
|
129(kcal/hr, ea)
258(kcal/hr, ea)
86(kcal/hr, ea)
774(kcal/hr, ea)
|
KS 기준에서의 공동 주택의 냉방 용량(부하) 계산 방법은 기준 열부하($Q _{0}$)와 보정 열부하($\Delta Q _{k}$)의 합으로
계산되며 식(1)과 같다. 보정 열부하는 건물의 차양 유무, 위치, 조명 기기, 외기 도입량, 전기 기기의 발열량을 고려하여 기준 열부하의 가감을 고려하여 준다.
본 연구에서의 가정용 전기 기기 대수는 “가전기기 보급률 보고서[9]”를 참고하여 작성하였다. 냉방부하 산출을 위한 입력값과 산출된 냉방부하는 Table 3과 같다.
Table 3. Cooling load of the analyzed household based on KS C 9306
|
Qcool
|
106 kcal/hr․m2×148.5 m2
|
|
Lighting
|
9 kcal/hr․m2×148.5 m2
|
|
Home Appliances
|
TV : 129 kcal/hr×2 ea
Refrigerator : 258 kcal/hr×2 ea
Microwave Oven : 86 kcal/hr
Computer : 230 kcal/hr
|
|
Total Cooling Load
|
17,777 kcal/hr(119.7 kcal/hr·m2)
|
2.3 건물에너지 해석 시뮬레이션을 통한 냉방용량 산정(Case 0)
「KS C 9306의 부속서 D, 표 D.4」의 HASS 108 부하 산출조건을 입력데이터로 대상건물의 냉방용량(부하) 산정을 위 2.2의 단위면적당
냉방부하 산정 방법이 아닌 건물에너지 해석시뮬레이션 프로그램을 통해 산출하였다. 건물에너지 해석 프로그램은 TRNSYS를 사용하였다. 내부부하 중
하나인 가정기기의 내부발열과 기기대수는 KS C 9306의 냉방 용량 산정에 적용된 값을 적용하였다. 외피의 입력값 벽과 창호의 열관류율 자료는 HASS
108의 자료를 이규남 등[10]의 연구에서 정리한 내용을 사용하였다(Table 4 참조). TRNSYS 시뮬레이션 결과 냉방부하는 17,508 kcal/hr(117.9 kcal/hr·m2)로 나타났다(Table 4 참조).
Table 4. TRNSYS simulation input conditions and results(based on KS standard)
|
Wall
|
U-value : 0.6 kcal/hr·m2(0.7 W/m2K)
|
|
Window
|
U-value : 3.16 kcal/hr·m2(3.68 W/m2K)
SC : 0.65, WFRa) : 30%
|
|
People
|
3 people/10 m2
|
|
Infiltration
|
1 ACH
|
|
Lighting
|
9 kcal/hr·m2 × 148.5 m2
|
|
Home Appliances
|
TV : 129 kcal/hr × 2 ea
Refrigeratorb) : 258 kcal/hr × 2 ea
Microwave Oven : 86 kcal/hr
Computer : 230 kcal/hr
|
|
Result
|
17,508 kcal/hr(117.9 kcal/hr·m2)
|
a) WFR : Window to Floor Ratio
b) Refrigerator : Common+Kimchi Refrigerator
2.4 국내 공동주택의 열적 성능기준 변화를 고려한 냉방부하 산정(Case 1∼5)
건물에너지 절감의 목적으로 국내에도 1985년에 「에너지절약계획서」 제도가 2001년부터는 ｢건축물의 에너지절약설계기준｣이 제정되어 시행되고 있으며,
이 기준은 지속적으로 강화되고 있다. 이러한 건축물의 성능 강화는 건물 냉난방부하에도 영향을 주게 된다. 그러나 현재 국내 냉방부하 산정 기준으로
사용되고 있는 KS C 9306 기준은 이러한 주거건물의 열적 성능의 강화를 반영하지 못하는 한계를 보이고 있다.
본 연구에서는 건물 열적 성능강화가 냉방부하에 미치는 영향을 분석하기 위해 TRNSYS 시뮬레이션을 분석을 실시하였다. 시뮬레이션 분석은 공동주택
각 부위별 성능이 제시되어 있는 1987년부터 2013년까지 에너지절약설계기준을 반영하여 검토 케이스를 작성하였다. 공동주택 외벽과 창호의 열관류율
기준을 중심으로 총 5개의 검토 케이스를 작성하였다. 창호의 경우, 에너지절약설계기준에서 열관류율 기준을 제공하지만 창호의 태양열 취득량의 지표로
사용되는 Solar Heat Gain Coefficient (SHGC)는 제공되고 있지 않다. 따라서 SHGC의 입력조건은 ASHRAE에 제공된 창호
중 열관류율이 동일한 제품의 물성치를 사용하였다.[11] 냉방부하에 영향을 미치는 입력조건 중에 하나인 기밀성능은 김길태[2]와 김성실[12]의 연구결과를 토대로 해당 연도별 공동주택의 침기량을 작성하였다. 내부발열인 조명, 기기부하는 앞서 언급한 “가전기기 보급률 보고서[7]”를 이용하여 해당 연도별 가전기기 대수, 부하를 산정하였다. 위 조건에 따라 구성된 TRNSYS시뮬레이션 케이스 및 냉방부하 산출결과는 Table 5와 같다. Case 1은 Table 4의 「KS C 9306의 부속서 D, 표 D.4」의 건물 열성능 조건에 대해 1987년도의 건축물에너지절약설계기준에 따라 벽체와 창의 단열성능, 창의
일사취득율, 그리고 기밀성능을 향상시킨 경우이다. Case 2~5는 건축물에너지절약설계기준이 대폭 개정된 2001년, 2009년, 2011년, 2013년
기준으로 향상시킨 경우이다.
Table 5. Simulation cases based on Energy-saving building design standard
|
Case (announced year)
|
Case 1 (1987)
|
Case 2 (2001)
|
Case 3 (2009)
|
Case 4 (2011)
|
Case 5 (2013)
|
|
Wall (u-value, W/m2K)
|
0.58
|
0.47
|
0.47
|
0.36
|
0.27
|
|
Window
|
(u-value, W/m2K)
|
3.37
|
3.84
|
3.00
|
2.10
|
1.50
|
|
(SHGC, - )
|
0782
|
0823
|
0.695
|
0.613
|
0.627
|
|
Infiltration(ACH@50/20)
|
1.37
|
0.81
|
0.53
|
0.41
|
0.33
|
|
Number of People
|
4
|
4
|
4
|
4
|
4
|
|
Lighting(W/m2)
|
10
|
10
|
10
|
10
|
10
|
|
Home Appliances(W/m2)
|
7
|
9.8
|
10.6
|
10.8
|
11.6
|
|
Cooling Load
|
Total(kcal/hr)
|
17,113
|
15,769
|
13,530
|
12,678
|
10,940
|
|
per unit area (kcal/hr·m2)
|
115.2
|
106.2
|
91.1
|
85.4
|
73.7
|
3. 분석 결과
3.1 단위면적당 계산법과 에너지 시뮬레이션(Case 0)을 통한 냉방부하 산출 결과
KS C 9036의 부속서 D 표 D.2의 단위 바닥면적당 냉방기준 열부하(공동주택) 계산법(간이계산)에 의해 산출된 냉방부하와 동일한 기준을 입력조건(HASS
108 기준)으로 하여 수행한 TRNSYS 시뮬레이션 결과(이하 Case 0(KS))는 약 1.5%의 오차범의에서 거의 유사한 결과를 나타냈다(Fig. 2 참조).
Fig. 2. Cooling Load according to the building thermal performance changes.
3.2 공동주택의 열적 성능기준 변화를 고려한 에너지 시뮬레이션(Case 1∼5) 결과
Fig. 2는 제 2.2절에서 검토한 「KS C 9306의 부속서 D4」(Table 2)에 의거한 단위 바닥면적당의 냉방기준 열부하의 냉방부하 산정 결과(KS based calc.), 「KS C 9306의 부속서 D, 표 D.4」의
HASS 108 부하 산출조건을 입력데이터로 실시한 TRNSYS 시뮬레이션의 냉방부하 산정 결과(Case 0), 그리고 국내 건축물에너지절약설계기준의
개정에 따라 공동주택의 열적 성능기준 변화를 반영한 TRNSYS 시뮬레이션 결과(Case 1-5)이다. 건축물에너지절약설계기준에 따른 국내 공동주택의
열적 성능이 강화될수록 바닥면적당 냉방용량(부하)은 상당히 감소하는 것을 알 수 있다.
시뮬레이션 조건에서의 내부 발열값(가전기기)은 최근 들어 계속 증가하여 냉방부하의 상승을 야기하지만 반대로 외피의 열적 성능이 향상됨에 따라 냉방부하가
최근에 지어진 건물일수록 감소되는 결과를 보이고 있다. KS 기준에 따라 단위면적당 냉방부하로 간이 계산 결과(KS based calc) 대비 2013년
건축물에너지절약설계기준에 따라 건설된 Case 5(2013년 기준)의 냉방부하는 약 38% 정도 감소한 값을 보였다.
3.3 결과 분석
현재 공동주택의 에어컨의 용량 산정에 사용하는 「KS C 9306」 단위면적당 냉방부하 계산방법에서 산출된 냉방부하와 외피의 열관류율 변화와 같은
공동주택의 성능기준 변화를 고려하여 TRNSYS 시뮬레이션을 통해 산출된 냉방부하값은 다소 큰 차이를 보였다. 이와 같은 차이를 보이는 가장 큰 원인으로
재실인원수와 침기량, 열관류율을 들 수 있다. 2010년 통계청이 조사한 자료[13]에 의하면 국내 1세대 당 평균가구원 수는 3.4명이나, 「KS C 9306」에 따라 재실인원(3명/10 m2)을 산정하면 45평형의 대상주택 재실인원은 총 44.5명이 된다. 이는 현재의 3.4명보다 약 13배 많은 재실 인원으로 내부발열로 인한 냉방부하량이
과도하게 산출되는 원인이 된다. 두 번째는 침기량 산정기준으로 「KS C 9306」에서의 부하 산출조건은 침기량을 1회/hr로 정의하고 있으나 앞서
언급한 김길태 등[2]의 연구결과에 따르면 2013년 기준 50 Pa의 압력차가 발생할 경우 실내로 침입하는 외기는 약 0.33회로 「KS C 9306」의 조건인 침기량
1 ACH 대비 약 33% 정도로 감소된다. 이는 「KS C 9306」의 부하 산출 조건 당시의 기밀성능은 침기로 인한 냉방부하 산정이 2013년과
비교하여 크게 산출되는 원인이 된다. 마지막으로, 창/벽체 등의 열관류율과 같은 냉방부하에 직접적으로 영향을 미치는 외피성능도 「KS C 9306」
제정 당시 대비 매우 향상(1987년 0.58 W/m2K → 2013년 0.27 W/m2K)된 것도 위와 같은 에어컨의 냉방용량(부하)의 차이를 보이는 원인이 되었다.
4. 결 론
본 연구는 KS C 9306의 공동주택 에어컨의 용량 산정에 있어서 단위면적당 에어컨의 냉방용량을 산정하는 방식과 그 산출의 기준이 되는 입력데이터를
적용하여 실시한 시뮬레이션, 그리고 국내 건축물에너지절약설계기준에서 제시하는 공동주택의 열적 성능기준 변화를 반영한 냉방용량(부하) 산정 시뮬레이션을
실시 하였다.
계산결과, KS 기준에 따른 단위면적당 냉방부하는 2013년의 건축물에너지절약설계기준의 주택의 열적 성능 기준을 적용한 Case 5의 냉방부하 대비
약 38% 정도 높게 나타났다. 이는 90년대 이전의 건물의 열적 성능이 고려된 단위 냉난방부하의 간이계산법의 결과로 냉방부하를 과도하게 산정하고
있다. 결과적으로 KS 기준에 의거하여 공동주택용 에어컨 용량을 산정할 경우, 실제 요구되는 용량보다 과도하게 산정될 수 있으며, 그 결과로 추가적인
냉방전력의 소비를 유발하는 결과를 초래할 수 있다. 합리적인 공동주택용 에어컨 용량 산정을 위해서는 ｢KS C 9306-에어컨디셔너｣ 기준을 최근의
향상된 공동주택의 열적 성능을 반영하여 개정되어야 할 것으로 판단된다.
후 기
본 연구는 2018년도 국토교통부 도시건축연구사업의 연구비 지원(과제번호 : 18AUDP-B099686-04)에 의해 수행되었습니다.
References
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