1. 서 론

대부분 유럽 및 북미 국가의 창호에너지평가시스템(Window energy rating system)은 열관류율(이하 U-value) 및 기밀성능의 열손실과 태양열취득율(Solar Heat Gain Coefficient, 이하 SHGC)의 열획득을 동시에 고려하여 창호의 열성능을 평가하고 있으며, 그 대상 또한 주거용 건물에 한정하고 있다. 이와 같은 에너지평형(Energy balance) 측면에서 열성능 고찰은 근래 들어 창호의 단열성능이 높아짐에 따라 열손실 대비 상대적으로 증가된 태양열 획득이 냉난방부하에 큰 영향을 미칠 수 있기 때문이다. 이에 반해 국내의 “창호 에너지소비효율등급제”는 창세트의 U-value와 기밀성능에 한정하여 평가하고 있으며, 건물의 용도별 열부하 특성에 관계없이 모든 건물에 적용되고 있다.⁽¹⁾

이와 관련하여 난방중심의 주거용 건물에 비해 상대적으로 높은 창면적비(Window-to-wall ratio)와 상이한 내부발열 및 사용 스케쥴을 갖는 사무소 건물의 경우 창의 열 및 광학적 특성에 따라 매우 차별적 열부하 특성을 갖게 되며 이에 따라 “창호 에너지소비효율등급제”의 적용성에 대한 문제점이 제기되고 있다. Yoon et al.⁽²⁾은 사무소 건축물의 기준층에 한정하여 U-value 0.40~2.00 W/㎡․K, SHGC 0.14~0.7, VLT 0.16~0.8에서 각각 5가지 유리 조합과 U-value에 따른 SHGC, VLT 분석을 위해 추가적으로 각 항목별 20가지 조합을 만들어 총 55개의 창에 따른 냉방, 난방, 조명에너지의 변화를 Energy Plus를 이용해 분석하였다. 그 결과 U-value이 낮아질수록 난방부하는 감소, 냉방부하는 증가하나 총 부하 측면에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며, SHGC가 증가할수록 난방부하는 증가하지만, 냉방부하의 감소폭이 커 총 부하가 감소하는 것으로 나타났다. 이는 냉방부하가 높은 사무소 건축물에서는 SHGC가 전체 연간부하의 증감에 큰 영향을 미치는 것으로 확인하였다. Yoon et al.⁽³⁾은 50 m×50 m 커튼월 구조 사무소 건축물의 기준층에 한정하여 창면적비 100, 70, 50 %의 3가지 모델과 창유리의 U-value 1.0, 1.4, 1.8 및 SHGC 0.2~0.6조건하에 내부발열량에 따른 냉난방 에너지요구량의 변화를 Energy Plus를 이용해 분석하였다. 그 결과 내부발열이 작은 20 W/㎡ 조건일 때는 창면적비가 감소할수록 에너지요구량이 감소하지만, SHGC 변화에 따른 에너지요구량의 민감도가 더 높게 나타났다. 그러나 배열문제로 인해 40 W/㎡ 이상의 조건에서는 창면적비 70 %에 낮은 SHGC일 때 에너지요구량이 증가 후 다시 감소하는 것으로 나타났다. 또한 SHGC와 내부발열이 높은 경우 U-value이 크고 창면적비가 작아질수록 에너지요구량이 줄어드는 것으로 나타나 창유리 선정 시 열성능과 광학성능, 창면적비 모두 고려되어야 한다고 판단하였다. Park et al.⁽⁴⁾은 국내 사무소 건축물의 현황자료를 바탕으로 기준모델을 설정하여 인천과 울산 두 지역에 대해 DOE-2에서 제공하고 있는 U-value 2.43, 2.33 W/㎡․K에 SHGC 0.63/0.17, 0.44/0.16의 성능을 가지는 일렉트로크로믹 유리 두 종류와 U-value 2.33~2.38 W/㎡․K과 SHGC 0.44~0.63의 기존 유리 4가지 조합과 합해 총 6가지 유리에 대한 SHGC 및 창면적비의 변화가 난방, 냉방에 미치는 영향을 eQUEST를 이용하여 분석하였다. 그 결과 일렉트로크로믹 유리가 창면적비가 증가할수록 에너지절감율이 높은 것으로 나타났고, 로이 유리와 대비해도 에너지 절약적인 특성을 보였다. 이는 SHGC의 제어가 가능한 일렉트로크로믹의 경우 난방 및 냉방에너지의 효율적인 감소가 가능한 것을 알 수 있다. Yoon et al.⁽⁵⁾은 커튼월 구조를 갖는 1,800 ㎡의 기존 사무소 건축물에 비슷한 수준의 U-value 1.76~ 1.657 W/㎡․K에 SHGC 0.234~0.515 범위를 가지는 4가지 창호와 창면적비 72~15 %범위에 9가지 모델을 선정 하여 SHGC와 창면적비의 영향에 따라 난방, 냉방, 조명 등 건물에너지 소비에 미치는 영향을 분석하였다. 그 결과 창면적비가 감소함에 따라 난방에너지도 감소하였으며, SHGC가 낮아질수록 난방부하는 증가하는 것으로 나타났다. 그러나 냉방부하의 경우에는 창면적비와 SHGC가 줄어들수록 감소하지만, 낮은 SHGC에서는 일정 창면적비 이후 다시 증가하는 것으로 나타났다. Lee et al.⁽⁶⁾은 광주에 있는 커튼월 구조의 오피스 건물을 대상 으로 DesignBuilder를 이용해 기존창호(U-value 2.51 W/㎡․K, SHGC 0.3, VLT 0.37)대비 창호 리모델링 시 (U-value 1.70~2.83 W/㎡․K, SHGC 0.17~0.59, VLT 0.12~0.75) 건물에너지 절감량을 예측 하고, 최적외피의 선정방법에 대하여 기술하였다. 그 결과 단열만 향상시킨 경우 냉난방 부하 모두 감소하는 것으로 나타났으며, SHGC가 낮은 경우에는 난방부하는 증가, 냉방부하는 감소하였고, SHGC가 높은 경우에는 반대의 결과가 분석 되었다. 그러나 이상의 기존연구를 통해 에너지평형 측면에서 사무소 건물 열부하 해석이 수행된 바 있으나, U-value와 SHGC의 상관관계 분석이 미흡하며 현 단열수준과의 차이, 해석모델의 부적절성 등으로 결과에 대한 불확실성이 제기되고 있다.

따라서 본 연구에서는 사무소 건물에 대한 국내 “창호에너지소비효율등급제”의 적용성을 검토하기, 97개 인증 창이 적용된 기준 건물의 연간 냉․난방에너지 요구량을 비교․분석하였다. 분석대상이 되는 기준 건물은 경량 커튼월(Curtain wall) 구조에 52 %의 창면적비(Window-to-wall ratio) 갖는 중간규모 업무용 건물로, 해석 도구로 TRNSYS 17을 사용하였다.

2. 창의 열 및 광학적 특성

본 연구에서는 ‘K’ 인증기관을 통해 인증된 128개 창에서 커튼월에 적용시킬 수 없는 이중창(Four track)을 제외한 97개 유리조합을 선정하였다. Table 1은 이들 창의 등급에 따른 유리구성을 나타낸 것이다. 1등급 창 32개 중 88 %인 28개가 삼중유리(Triple glazing)로 되었으며, 2등급에서는 29개중 64 %가 이중유리(Double glazing), 나머지 38 %가 삼중유리로 구성되었다. 3등급 창의 경우 모두 이중유리로 제작되었다.

Fig. 1은 WINDOW 7.4로 해석된 선정창의 U-value에 따른 SHGC를 나타낸 것이다. 1등급 창의 SHGC 범위는 0.152~0.552이며, 2등급 창은 0.129~0.609, 3등급 창은 0.107~0.727로 등급이 낮아질수록 SHGC가 높아지며 그 범위가 확대되는 것을 알 수 있다.

3. 시뮬레이션 분석

본 연구는 사무소 건축물에 적용된 창호에너지소비효율등급제의 적정성을 검토하기 위해, 기준모델에 상기 97개의 유리조합에 따른 연간 에너지요구량(이하 냉방 및 난방부하)을 TRNSYS 17을 사용하여 비교․분석 하였다.

4. 결과 분석

분석을 위한 기상자료는 한국에너지기술연구원에서 제공하는 서울지역 TMY3 시간별 기상데이터를 사용 하였다.⁽¹⁵⁾ Fig. 4는 월 평균 외기온도와 수평면 일사량을 나타낸 것이다. 일사량은 5월에 187.9 kWh/㎡으로 가장 많으며 12월에 77.9 kWh/㎡으로 가장 낮은 것으로 나타났다. 월평균 외기온은 8월이 25.4℃로 가장 높았으며 1월이 -1.7℃로 가장 낮았다.

Fig. 5는 97개 유리조합 적용에 따른 연간 냉․난방 부하분포를 나타낸 것이다. 연간 난방부하는 최소 2,003 kWh에서 최대 20,263 kWh까지 약 10배 이상의 차이가 났으며, 냉방부하의 경우에는 41,001 kWh부터 106,112 kWh까지 부하 차(약 2.6배)는 상대적으로 감소하나 난방부하에 비해 크게 증가하였다. 따라서 총 부하에서 평균값 기준 난방 및 냉방부하 비는 1 : 9로 사무소 건물에서 냉방이 지배적인 요인이 되는 것을 알 수 있다.

Fig. 6은 U-value에 따른 기준 건물의 연간 난방부하를 나타낸 것이다. U-value에 따른 난방부하의 선형회귀 분석(Linear regression analysis) 결과 F-검정의 유의확률은 0.000(유의수준 P < 0.01)로 통계적으로 유의한 것 으로 평가되었으며, 결정계수(Coefficient of determination, 이하 R2)는 0.4452로 44.5 %의 설명력을 보이는 것으로 조사되었다. 등급이 낮아질수록 난방부하는 증가하고 있으며, 점차 확산하고 있다. 즉 동일한 U-value에서 SHGC에 따른 부하편차가 크게 발생하는 것을 알 수 있다.

Fig. 7은 SHGC에 따른 기준 건물의 연간 난방부하를 나타낸 것이다. 회귀모형에서 F-검정의 유의확률은 0.000으로 유의미한 것으로 분석되었으나, 연간 난방부하에 대한 SHGC의 설명력은 11.78 %로 적합성이 떨어지는 것을 알 수 있다. 한편 SHGC가 증가할수록 등급에 따른 부하 편차가 감소하고 있으며, 이는 등급이 낮을수록 일사획득이 점차 지배적 요인으로 작용하는 것을 의미한다.

Fig. 8은 U-value에 따른 연간 냉방부하를 나타낸 것이다. 회귀모형에서 F-검정의 유의확률은 0.3689(P < 0.01)로 유의하지 않은 것으로 분석되었으며, U-value의 설명력은 8.5 %로 적합성 또한 떨어지고 있다. Fig. 6과 유사하게 등급이 낮아질수록 부하 편차는 다소 증가하고 있으나, (최저) 난방부하는 오히려 점차 감소하고 있다.

Fig. 9는 SHGC에 따른 연간 냉방부하를 나타낸 것이다. 회귀모형에서 F-검정의 유의확률은 0.000(P < 0.01)으로 유의미한 것으로 분석되었으며, SHGC의 설명력은 87.75 %로 적합성이 매우 높은 것을 알 수 있다. 동일한 SHGC에서 등급이 높을수록 냉방부하는 증가하며, 이는 공조가 중지되는 비 업무시간 내부 축열이 외부 방열되는 과정에서 높은 U-value가 이를 상대적으로 억제하기 때문이다.

Fig. 10은 기준 건물의 U-value에 따른 연간 총 열부하(난방부하+냉방부하)를 나타낸 것이다. 회귀모형에서 F-검정의 유의확률이 0.00484(P < 0.01)로 유의미한 것으로 분석되었으나, U-value의 설명력은 8.05 %로 신뢰성이 떨어지고 있다. Fig. 8와 냉방부하와 유사한 형태로 등급별 부하분포 또한 거의 동일한 수준을 유지하고 있으며, 이는 전술한 사무소 건물의 부하 특성에 기인한다.

Fig. 11의 SHGC에 따른 총 열부하는 거의 완벽한 선형적 관계를 나타내고 있다. 회귀모형에서 F-검정의 유의확률은 0.000(P < 0.01)으로 유의미한 것으로 분석되었으며, SHGC의 설명력은 96.56 %로 신뢰성이 매우 높은 것을 알 수 있다. 기준 건물에서 0.1 < SHGC < 0.75일 때 연간 총 열부하는 60,261 kWh부터 111,616 kWh까지 선형적으로 증가하고 있으며, 최대 약 1.8배 차이가 발생하였다. 또한 Fig. 9와 동일하게 등급이 높을수록 총 부하는 증가하나, 그 증가 폭은 상대적으로 감소하며, 이는 SHGC가 지배적 요인으로 작용하는 것을 의미한다.

5. 결 론

본 연구에서는 사무소 건물에 대한 국내 “창호에너지소비효율등급제”의 적용성을 검토하기, 97개 인증 창이 적용된 기준 건물의 연간 냉․난방에너지 요구량을 비교․분석되었다. 분석대상이 되는 기준 건물은 경량 커튼월(Curtain wall) 구조에 52 %의 창면적비(Window-to-wall ratio) 갖는 중간규모 업무용 건물로, 서울지역을 대상으로 하였다. 해석도구로 TRNSYS 17을 사용하였으며, 분석결과를 요약하면 다음과 같다.

(1) 기준 건물에서 97개 창의 적용에 따른 연간 총 열부하는 60,261~111,616 kWh로 분석되었으며, 난방 및 냉방부하 비는 1 : 9로 냉방이 지배적 인자로 나타났다.

(2) U-value와 SHGC에 따른 연간 난방부하의 단순회귀분석 결과, 두 회귀모형에 대한 F-검정의 유의확률은 0.000(유의수준 P < 0.01)으로 통계적으로 유의한 것으로 평가되었으나, 결정계수(R2)는 각각 0.4452와 0.1178로 SHGC에 따른 회귀모형의 적합성이 떨어지는 것으로 나타났다.

(3) U-value에 따른 연간 냉방부하의 단순 회귀분석 결과, 회귀모형에 대한 F-검정의 유의확률은 0.3689으로 통계적으로 유의하지 않은 것으로 분석되었으며, 결정계수는 0.0085로 적합성 또한 떨어지는 것으로 나타 났다. 이에 반해 SHGC에 따른 연간 냉방부하의 회귀모형에 대한 F-검정의 유의확률과 결정계수는 각각 0.000와 0.8775로 통계적으로 유의하며 적합성 또한 높은 것으로 나타났다.

(4) SHGC에 따른 총 열부하는 거의 완벽한 선형적 관계로 회귀모형에서 F-검정의 유의확률은 0.000으로 유의미한 것으로 분석되었으며, 결정계수는 0.9656으로 관계성이 매우 높게 나타났다. U-value에 따른 회귀 모형에서 F-검정의 유의확률은 0.00484로 통계적으로 유의한 것으로 분석되었으나, 결정계수는 0.0805로 관계성이 크게 떨어지는 것으로 나타났다.

이상의 연구결과를 통해 사무소 건물 연간 총 열부하에서 창의 SHGC가 지배적 인자로 작용하는 것을 확인 하였으며, 단열성능 및 기밀성능에 한정된 “창호에너지소비효율등급제” 적용 대상의 한계성을 파악하였다. 따라서 에너지 절약 측면에 따른 창의 올바른 평가를 위해 SHGC를 포함한 “창호에너지소비효율등급제”가 검토해야 할 것으로 판단된다.