2.1 실내 복사환경에 영향을 미치는 건물 열적 성능

2.1.1 외벽 단열성능(U-value)

외벽의 단열성능은 벽체를 통해 대류, 전도, 복사에 의한 열취득, 열손실을 최소화하도록 하는 성능으로 단위 면적당 온도차가 1℃일 때, 벽체를 통과하는 열량을 나타내는 열관류율(W/m2․K)로 정의된다. 국토교통부 고시 ｢건축물의 에너지절약설계기준｣⁽¹⁰⁾에서는 건축물 부위별 열관류율을 규정하고 있다. Fig. 1은 부위별 열관류율 기준이 처음 제정된 1979년부터 현행 최신 기준의 건물 외벽 열관류율(중부지역, 비주거 기준)을 연도별로 나타낸 그래프이다. 현행 최신 기준(2018년 이후)이 적용된 건물은 Passive 수준의 건물이라고 가정하였다.

2.1.2 건물 기밀성능(ACH50)

건물의 기밀성능은 건물 외피 전체 또는 외피를 구성하는 재료나 자재를 통한 공기유출입 특성을 나타내는 성능 이다. 기밀성능을 표현하는 값은 다양하나, 서로 다른 특성을 가지는 건물의 성능을 비교하기 위해 건물에 50Pa의 압력차가 작용할 경우, 유입 또는 유출된 공기량을 기준으로 한 시간 동안의 환기회수로 표현하는 AHC50을 사용 한다. ｢건축물의 기밀성능 기준｣⁽¹¹⁾에서는 냉난방을 실시하고 재실자가 이용하는 공간은 5.0 1/h at ACH50 이하를 권장하고 있으며, 제로에너지건물 혹은 패시브건물은 1.5 1/h at ACH50 이하의 기밀성능을 가지도록 요구하고 있다. Fig. 2는 선행연구의 국내 건축물의 기밀성능 실측데이터^(12-19)를 조사하여 준공연도별로 분류한 그래프이다.

Fig. 1 Thermal insulation performance standards of external wall by construction year.

Fig. 2 Building airtightness data by construction year.

Fig. 3 Thermal insulation performance data of window by construction year.

Fig. 4 Solar heat gain coefficient data by construction year.

2.1.3 창호 성능(U-value, SHGC)

창호 역시 건물의 외피를 구성하는 요소로 ｢건축물의 에너지절약설계기준｣, ｢창호의 에너지효율등급제｣⁽²⁰⁾ 등에서 단열성능을 규정하고 있다. 이외에도 창호를 통한 일사획득 정도를 나타내는 지표인 일사취득계수(Solar Heat Gain Coefficient, SHGC)도 창호의 성능을 나타내는 중요한 요소이다. 따라서 본 연구에서 창호의 단열 성능(U-value)과 SHGC를 창호의 성능인자로 정하였다. 기존 문헌^(21,22) 및 창호 제조사의 Product data book⁽²³⁾을 참고하여 연도별로 가장 많이 사용한 창호 구성에 따라 TRNSYS Window lib.⁽²⁴⁾와 WINDOW 7.7 program⁽²⁵⁾을 통해 창호 구성에 따른 열관류율과 SHGC값을 도출하였다(Fig. 3, Fig. 4 참조).

2.2 분석케이스 작성

제 2.1절에서 정리한 실내 복사환경에 영향을 미치는 건물 열적 성능 요소별 데이터를 바탕으로 건물 준공 연도(노후도)에 따라 외벽 단열성능, 건물의 기밀성능, 창호의 단열성능 및 일사취득계수를 다르게 설정하였다. 분석케이스는 Table 1과 같다. Table 1에 제시된 분석케이스의 건물 물성치는 현재 국내에 준공된 건물의 성능 수준을 대변한다고 볼 수 있다.

또한, 본 연구에서 실내환경의 제어방법은 Table 2와 같이 분류된다. 기존의 시뮬레이션을 통한 예측 방법 으로 내주부와 외주부를 동일한 설정온도로 제어하는 건구온도제어(DBT control-conventional control method)와 실내 복사온도와 공기온도를 반영하여 재실자의 체감온도를 대변하는 작용온도(operative temperature)기반으로 하는 제어를 실시하였다. 작용온도 기반 제어(OT control)는 분석 대상공간의 물리적 성능(단열 및 기밀수준)에 따른 복사환경의 차이로 재실자가 열적 불쾌감을 느낄 경우 재실자가 자신의 열적 쾌적감을 만족시키기 위해서 적극적으로 설정온도를 조절하여 자신의 주변환경이 열적으로 쾌적한 상태에 이르도록 하는 행동적 적응제어를 의미한다. 작용온도는 재실자의 체감온도를 대표하는 지표로 본 연구에서는 실내 온열환경제어 논리로 사용되었다.

따라서 본 연구의 분석케이스는 건축물의 열적 성능을 나타내는 각 케이스에 대해 기존 설정온도 제어를 실시하는 경우, 재실자의 열적 적응행동을 묘사하는 작용온도제어를 실시하는 경우 등 총 10개 케이스를 검토하였다.

실내 냉난방설정온도는 ｢건축물의 에너지절약설계기준｣과 ｢에너지이용 합리화법｣⁽²⁶⁾에 따라 동절기 난방 설정온도는 22℃, 하절기 냉방 설정온도는 26℃로 하였다.

2.3 시뮬레이션 개요

TRNSYS 17을 이용하여 시뮬레이션 분석을 진행하였으며 분석 대상공간은 아산시에 위치한 ‘A’건물의 업무 공간으로 시스템에어컨(VRF system)을 통해 냉난방을 실시하고 전열교환형 환기시스템(ERV system)을 통해 환기를 실시하고 있는 공간이다. 대상공간은 Fig. 5와 같이 외기(East, South)에 직접적으로 접하는 외주부(Perimeter zone)과 내벽으로 둘러싸인 내주부(Interior zone)로 나뉠 수 있으며 각각의 공간에는 시스템에어컨의 실대기가 2대씩 설치가 되어있어 존별 제어가 가능하도록 되어있다. 따라서 이를 반영하여 외주부와 내주부를 각각 나누어 모델링하였다. Fig. 6과 같이 Simulation Studio에 Component를 배치하였으며 크게 Weather, Multi- Zone Building, VRF system, ERV system으로 구분된다. VRF system의 경우 시스템에어컨 제조회사에서 제공하는 Product data book⁽²⁷⁾의 성능데이터를 활용하였으며 Table 2의 제어방법에 따라, 실내 건구온도 또는 작용온도를 VRF system의 Return air temperature로 인식하여 제어값(설정온도)의 dead band±0.5℃에 따라 시스템을 On/Off 제어한다. Table 3은 시뮬레이션 조건을 나타내고 있다. 내부발열은 선행연구⁽²⁸⁾ 및 ASHRAE Handbook^(29,30)의 오피스 기준 단위면적당 내부발열 수준을 적용하였다. 시뮬레이션 검토기간은 동절기 12월~2월이며, 하절기 6월~8월이며 기상데이터는 TRNSYS에서 제공하는 서울지역 데이터를 사용하였다.

Fig. 5 Analyzed space(perimeter and interior zone).

Fig. 6 Simulation configuration.

3.1 외주부의 실내온열환경 및 재실자 온열쾌적감

Fig. 7과 Table 4는 기존 시뮬레이션 방법인 DBT control을 적용했을 경우 외주부 재실자의 온열쾌적감을 그래프와 표로 나타낸 것이다. 건물 외피 성능 차이에 따른 실내 온열환경 차이가 외주부에서 두드러지기 때문에 외주부를 중심으로 분석하였다.

ASHRAE Standard 55⁽³¹⁾에서는 실내 작용온도 쾌적범위를 동절기 20~24℃(착의량 1.0clo 조건), 하절기 24~ 27℃(착의량 0.5clo 조건)로 제시하고 있으며, 이를 만족하는 비율은 각각 Case 1(1980s’) 42%, Case 2(1990s’) 64%, Case 3(2000s’) 67%, Case 4(2010s’) 90%, Case 5(Passive) 98%인 것으로 나타났다(Fig. 7 참조).

또한, 대표적 열쾌적 지표인 PMV와 PPD의 쾌적범위 PMV -0.5~+0.5 이내 및 PPD 10% 이하(ASHRAE Standard 55)를 만족하는 비율도 건물 열적 성능 수준별로 상이하였다(Table 4 참조). 동절기의 경우, 건물 열적 성능이 강화될수록 PMV 및 PPD의 쾌적범위를 만족하는 비율이 점차 증가하였다. 하절기의 경우, Case 1(1980s’) 대비 Case 2(1990s’)와 Case 3(2000s’)의 쾌적범위를 만족하는 비율이 감소하는 현상이 나타났는데, 이는 창호의 SHGC 수준은 동일한 상태에서 외벽, 창호의 단열성능 및 기밀성능이 향상됨에 따라(고단열 및 고기밀) 실내 복사온도가 증가하였기 때문인 것으로 사료된다. 그러나 Case 4(2010s’)와 Case 5(Passive)에서도 단열 및 기밀성능이 향상되었지만 쾌적범위를 만족하는 비율이 증가하였는데 이는 창호의 SHGC 수준이 대폭 강화되었기 때문인 것으로 사료된다.

Fig. 7 ASHRAE comfort chart of perimeter zone(DBT control).

동절기와 달리 창호의 SHGC는 하절기 외주부의 복사환경 및 온열쾌적감에 영항을 미치는 중요한 요소로 판단된다. 즉, 실내 외주부와 내주부가 동일한 건구온도로 유지될 때, 내주부의 온열환경은 모두 쾌적범위를 만족할지라도 외주부의 작용온도(복사환경) 및 열적 쾌적성은 건물의 열적 성능에 따라 달라지기 때문에 결과적으로 쾌적범위를 만족하는 비율이 차이가 발생하였다.

3.2 건물에너지 소비량

Fig. 8은 외주부의 난방 및 냉방부하를 각 케이스별로 나타낸 그래프이다. 외주부의 난방부하의 경우, 건물 열적 성능이 강화될수록(Case 1 → Case 5) 전도, 침기에 의한 열손실이 감소하여 난방부하가 감소하였다. 외주부의 냉방부하의 경우, 단열 및 기밀성능이 강화될수록(Case 1 → Case 5) 전도에 의한 열획득이 증가하였으며, SHGC가 강화될수록(Case 1~3 → Case 4 → Case 5) 일사에 의한 열획득이 감소하였다. 이로 인해 난방부하의 양상과 달리 냉방부하는 단열, 기밀성능이 강화되었으나 SHGC가 취약한 Case 2와 Case 3이 가장 크게 나타났다.

Fig. 9 및 Table 5, Table 6은 복사환경에 대한 재실자의 온열쾌적감(행동적 적응)을 반영하는 방법인 작용온도 제어(OT control)를 통해 외주부에서 내주부와 동일한 작용온도를 유지하기 위한 건구온도의 추가적인 상승 혹은 하강분을 각 케이스별로 나타내고 있다. 동절기의 경우, 외주부의 작용온도를 22℃로 유지하기 위해서는 Case 1(1980s’)에서는 건구온도를 약 3.40℃ 상승시킨 25.4℃로 유지해야 하는 것으로 나타났다. 하절기의 경우, 외주부의 작용온도를 26℃로 유지하기 위해서는 Case 2(1990s’)와 Case 3(2000s’)에서는 건구온도를 약 0.90℃ 하강시킨 25.1℃로 유지해야 하는 것으로 나타났다. 동절기의 경우, 건물 열적 성능 수준이 강화될수록 건구 온도와 작용온도의 분포가 유사하게 되는 현상이 뚜렷하지만 하절기의 경우 그렇지 않다는 점을 알 수 있다. 이는 Fig. 8의 결과에 따라 외벽, 창호 단열성능 및 기밀성능이 강화될수록 외주부의 복사온도가 증가, 창호의 SHGC 성능 수준이 강화될수록 외주부의 복사온도가 낮아지기 때문이다.

Fig. 8 Heating and cooling load in perimeter zone.

Fig. 9 Indoor thermal environment of perimeter zone in boxplot.

Fig. 10 Gap of building energy consumption between DBT control and OT control by building thermal performance.

Fig. 10은 기존의 시뮬레이션과 같이 내주부와 외주부를 동일한 건구온도(DBT)로 설정하여 냉낭방에너지 소비량을 산출한 경우(DBT control), 건물의 열적 성능에 따라 발생하는 외주부와 내주부의 복사환경 및 온열 쾌적감의 차이가 없도록 외주부와 내주부를 동일한 작용온도(OT)로 제어하는 방법(OT control), 즉 추가적인 건구온도의 조절을 실시한 경우의 냉난방에너지 소비량의 결과를 나타낸 것이다. 각 케이스별 냉난방에너지 소비량은 Fig. 8의 외주부 냉난방부하에 따라 열적 성능이 강화될수록 난방에너지 소비량은 감소하였으며 냉방에너지 소비량은 단열 및 기밀성능이 우수하지만 SHGC가 취약한 건물에서 가장 크게 나타났다(Case 2와 Case 3).

모든 케이스에서 DBT control 대비 OT control 경우에 에너지 소비량이 증가하였는데, 이는 실내 외주부의 작용온도가 동절기에는 건구온도 대비 낮게 형성되고 하절기에는 높게 형성되었기 때문이다. 두 가지 제어 방법에 따른 냉난방에너지 소비량과 건물의 열적성능과의 관계를 살펴보면, 건물의 열적성능이 가장 열악한 Case 1(1980s’)은 그 차이가 30%, Case 2(1990s’)는 15%, Case 3(2000s’)은 13%, Case 4(2010s’)는 9%, Case 5 (Passive)는 6%로 건물의 열적성능이 강화됨에 따라 그 차이는 줄어드는 것을 알 수 있다. 즉, 건물 열적 성능이 강화될수록 외주부의 복사환경이 개선되어 건구온도 제어와 작용온도 제어의 에너지 소비량 차이가 감소하는 결과를 보였다.