기호설명

1. 서 론

최근 UN에서 발표한 “World Population Prospects 2019”⁽¹⁾에 따르면 현재 77억 명의 인구가 97억 명에 달할 것으로 예측하고 있으며, 이로 인한 에너지, 물, 식량의 수요는 30~50% 가량 증가할 것으로 예측하고 있다. 또한 현재 77억 명의 인구 가운데 42억 명 가량이 도시에 살고 있으며, 2050년에는 97억 명 중 67억 명이 도시에 살게 될 것으로 예측하고 있다. 이는 현재 약 54%의 인구에서 2050년에는 70%에 가까운 인구가 도시에 살게 될 것으로 전망하고 있다.⁽²⁾ 이로 인해 도시 인구의 늘어나는 식량 수요를 충족하기 위해 도시 농업의 필요성이 대두되고 있으며, 세계적으로 도시 농업이 확산되는 추세이다. 도시 내 에서의 농업은 식량 생산에 필요한 에너지, 수송에 필요한 에너지, 저장에 필요한 에너지를 줄일 수 있으며, 이를 통한 온실가스 배출을 저감하는 효과도 만들어 낼 수 있다.

특히 다양한 도시 농업 방법 중에서 상업 건물 위에 유리온실을 설치한 방식은 기존 건물의 옥상에 설치 하여 토지 비용을 절감할 수 있으며, 수경재배를 통해 물 사용 절감이 가능한 효과가 있다.⁽³⁾ 이와 더불어 건물에 유리온실을 설치하여 사용하기 때문에 기후변화에 기민하게 대응하여 안정적인 농작물 재배가 가능하다. 또한 외기로 버려지는 에너지를 활용하여 농작물 재배에 필요한 에너지로 활용할 수 있는 장점을 가진다. 또한 상업 건물과 유리온실이 각기 따로 설치되어 사용되는 경우에는 각각의 건물을 유지하기 위한 열, 물, 전기 에너지 들을 공급하기 위한 시스템을 개별로 설치해야 하지만, 이를 통합하여 한 건물에 설치하는 경우에는 이러한 시스템을 공유할 수 있으므로 비용을 절감 할 수 있다.

이에 많은 연구자들이 건물에 대한 에너지 부하 분석 연구를 수행하였다.^(4-10) Kim and Yoon⁽¹¹⁾은 냉난방 및 조명부하 저감을 위한 외부 차양막의 효과에 대하여 해석을 진행하였다. 해석 결과 남향의 사무실 설계 시 연간 부하량을 예측하고 수평 루버형 차양 설치시 고려해야 하는 설계 변수들에 대하여 고려하였다. 이와 유사하게 Cho and Yoo⁽¹²⁾는 초고층 공동주택의 외부 차양 적용시의 냉방부하 저감 효과에 대해서 고찰하였다. 해석 결과 루버 형식의 수평 차양이 모든 주택 향에 대해서 상대적으로 성능이 우수한 것을 밝혀내었다. 또한 Park and Chung⁽¹³⁾은 호텔, 병원, 등의 상업용 건물의 에너지 부하 특성에 대하여 비교하였다. 그들은 상업용 건물의 경우 주간 단위로 부하 변동이 주기성을 가지며, 건물 유형별로 전력, 냉난방, 급탕의 패턴이 서로 다르게 뚜렷이 나타나는 것을 밝혀내었다. Choi and Cho⁽¹⁴⁾는 단열재 두께에 따른 창호의 침기 부하의 관계에 대하여 연구를 수행하였다. 그들은 기본 모델에서 단열재 두께가 18% 증가된 경우 에너지 부하 감소량이 크게 나타나는 것을 확인하였다. Lee et al.⁽¹⁵⁾은 동적 에너지 해석 분석을 진행하여 아파트 단지의 열부하 예측 및 제어 방식에 대하여 연구를 수행하였다. 연구 결과 외기온/최적제어가 가장 낮은 열손실을 보이는 것을 확인 하였다. Lee et al.⁽¹⁶⁾은 주택의 단열성능 강화 시 냉난방 부하 변동에 대하여 연구를 수행하였다. 그들은 단열 성능에 따라 11월부터 4월 까지 최대 1,498 kWh의 난방 부하를 감소시킬 수 있는 것을 확인하였다. Lee et al.⁽¹⁷⁾은 스마트팜에 지열히트펌프 이용에 따른 비용 절감 효과에 대해서 분석하였다. 그들은 경유보일러 보다 히트 펌프시스템이 약 26%의 비용 절감 효과를 보이는 것을 확인하였다. Kim et al.⁽¹⁸⁾은 대형마트에 스마트팜을 설치하였을 시의 효과에 대하여 에너지 부하 해석을 수행하였다. 해석 결과 분리된 옥상온실에 비하여 마트에 통합된 옥상온실의 에너지 부하가 감소하는 효과를 확인하였다. Yu et al.⁽¹⁹⁾은 원예용 건물의 에너지 공급 시스템의 경제성 분석을 수행하였다. 기후 조건을 반영하여 기존 면세경유보일러를 지열시스템으로 변경시 경제적 이익이 있음을 확인하였다. Lee et al.⁽²⁰⁾은 연동형 온실의 작물에너지모델을 설계하고 에너지 해석을 수행하였다. 생육 작물의 적정온도를 적용하여 냉난방 에너지를 산정하였으며, 향후 온실에 지열, 신재생에너지 등을 활용하면 유용할 것으로 분석하였다.

위와 같이 많은 연구자들이 건물에 대한 에너지 해석을 수행하였다. 하지만 국내에서는 상업 건물의 표준 모델을 지정하고 이에 대하여 에너지 부하 해석을 수행하는 연구는 드물다. 반면 미국 에너지부(DOE)에서는 표준 상업용 건물 16개를 선정하여 각 유형에 대한 형상 및 내부 에너지 부하(전기, 조명, 인구밀도)에 대하여 에너지 부하 패턴을 정리하여 제공하였다.⁽²¹⁾ 뿐만 아니라 프랑스, 벨기에, 독일, 룩셈부르크와 같은 국가에서는 사무실, 공장, 식당 등과 같은 건물에 유리 온실을 적용하여 이산화탄소 발생량을 저감시키고자 하는 GROOF Project를 진행 중에 있다.⁽²²⁾ 또한 미국, 캐나다에서는 마트, 아파트, 공장 등과 같은 건물에 옥상온실을 설치 하여 빌딩의 폐에너지 활용을 통한 온실가스 저감 효과를 보고자 한다. 이에 본 연구에서는 표준 상업용 건물 중 하나인 호텔 모델에 대한 에너지 부하 해석을 수행하고자 한다. 또한 유리 온실을 호텔에 적용하였을 시의 효과를 파악하기 위하여 단독 유리온실 모델과 호텔과 유리온실이 통합된 모델에 대하여 비교 분석을 수행하였다. 이를 위해 상용 BES 프로그램인 TRNSYS를 이용하여 해석을 수행하였으며, 냉난방 에너지 부하를 산정하였다. 이를 통해 유리 온실을 상업 건물에 적용 하였을 시의 에너지 절감 효과를 평가하고자 한다. 궁극적으로는 해당 연구 결과를 통해 도시농업을 위한 기존 건물의 옥상온실의 적용 가능성 여부를 판단하고자 한다.

2. 모델링

본 연구에서는 옥상온실과 통합된 상업건물의 에너지 부하 해석을 수행하였다. 상업건물은 소규모 호텔을 대상으로 선정하였으며, 옥상온실은 국내의 자연 환기식 다연동 온실 타입 중 하나인 벤로형 유리온실 모델을 선정하였다. 또한 적용 모델의 효과를 비교하기 위하여 단독 유리온실 모델과 소규모 호텔 모델에 대한 냉, 난방 부하 해석도 함께 수행하였다.

2.1 단독 유리 온실 모델

Fig. 1과 같이 17연동 벤로형 유리온실을 대상으로 해석을 진행하였다. 전면적은 1,003 $m^{2}$이며, 단위 연동의 폭, 길이, 측고, 및 동고를 각각 3.20 m, 18.30 m, 4.30 m, 4.95 m로 설계하였다. 이때, 온실의 폭, 길이, 측고, 및 동고가 달라지는 경우 건물 부하가 달라질 수 있으므로, 본 연구에서는 온실의 사이즈는 모든 해석에서 동일하게 고정하였다. 온실의 벽체는 Stainless Steel이며, 창호는 16 mm Pilkington OPTITHERM S Besch.를 적용하였다. 전체 표면적 중 벽체는 약 10%를 차지하고 창호 면적의 85%가 유리창으로 구성된다고 가정 하였다.⁽²³⁾ Table 1과 Table 2는 본 연구에 사용된 벽체 및 창호의 물성치를 나타내고 있다. 또한 내부의 적정 온도를 유지를 위한 에너지 부하 산정을 명확히 알아보기 위하여 본 연구에서는 유리온실 내부의 작물 및 토양 에너지 교환에 의한 내부 에너지 부하는 고려하지 않았다. Table 3은 본 연구에서 사용한 시뮬레이션 조건을 나타내고 있다. 유리온실 내부의 대상작물을 파프리카로 가정하였으며, 해당 작물의 적정 생육온도는 18℃~ 25℃이다. 이러한 조건을 유지하기 위해 난방시스템은 상시 가동하고, 냉방 부하 저감을 위해 여름철(6~9월) 환기 유량은 10의 시간당 환기량, 이외의 시기에는 1의 시간당 환기량으로 설정하였다.⁽¹⁹⁾ 외기 조건은 대전 지역의 IWEC Data를 사용하였으며 이는 미국냉동공조학회(ASHRAE)에서 제공하는 시간별 기상데이터를 활용 하였다. 외기 조건을 대전지역으로 설정한 이유는 향후 실험을 통한 실증 설비를 구축하고 비교하기 위한 기초 데이터로 활용하기 위함이다.

Fig. 1 Schematic of the velno-type greenhouse.

Table 1. Properties of walls of the velno-type greenhouse

	Frame(Ext. Wall, Roof)	Floor
	Stainless Steel	Concrete	PE film	Gravel
$ρ$(kg/$m^{3}$) $C_{p}$(kJ/kg․K) $k$(W/m․K) $t$(m)	7,800 0.51 56.0 0.05	2,240 0.92 6.23 0.3	0.96 2.3 0.88 0.001	1,800 1.0 7.2 0.2

Table 2. Properties of window of the velno-type greenhouse

Property	Value	Property	Value
Solar Transmittance Solar Reflectance(Front) Solar Reflectance(Back) Visible Transmittance Visible Reflectance(Front)	0.485 0.269 0.269 0.9 0.5	Visible Reflectance(Back) IR Transmittance Infrared Emittance U-factor(W/$m^{2}$K) Frame Ratio	0.5 0.0 0.84 1.06 15%

Table 3. Conditions for numerical simulation

Weather data		IWEC dataset(Daejeon, KOR)
Greenhouse model (Venlo-type)	Floor area	1,003 $m^{2}$
	Operating schedule/Time step	All time(8760 hr) / 0.125 hr
	Monthly ventilation	10 ACH(Jun.~Sep.)	1 ACH(Oct.~May)
	Set temperature	Heating : 25℃	Cooling : 18℃

2.2 소규모 호텔 모델

앞서 설명한 바와 같이 본 연구에서는 미국 DOE에서 제공한 표준 건물 모델⁽²¹⁾을 기준으로 해석을 진행 하였으며, 소규모 호텔을 선정하였다. Fig. 2는 소규모 호텔의 개략도를 나타내고 있으며, 소규모 호텔은 총 4개의 층으로 구성되어 있다. 호텔의 폭과 길이는 각각 54.86 m, 18.30 m이다. 1층의 높이는 3.35 m이며 2층 부터 4층까지의 높이는 2.74 m이다. 호텔의 각 층은 여러 구획들로 나눠져 있으며 이는 Fig. 3과 같다. 먼저 Fig. 3(a)는 1층의 구성도를 나타낸다. 1층은 Lounge, Restroom, Meeting room, Mechanical room, Guest room, Storage, Stairs, Employee lounge, Elevator, Gym, Office, Corridor 로 구성되어 있으며 총 19개의 구역으로 구분 된다. 또한 Fig. 3(b)는 2층부터 4층까지의 구성도를 나타낸다. 2층부터 4층까지는 Guestroom, Storage, Stairs, Elevator, Corridor로 구성되어 있으며 총 16개의 구역으로 각각 구성되어 있다. Table 4와 Table 5는 호텔 해석에 사용된 벽체 및 창호의 물성을 정리한 표이다. 건물 내의 냉/난방 부하를 산정하기 위해서는 건물 내부 에너지 부하를 반드시 산정하여야 한다. 이때 내부 에너지 부하는 침기 및 환기량, 전기 및 가스 설비, 조명, 건물 내의 인구 밀도에 따라 변동하게 된다. 또한 시간별/계절별 운영에 따라서도 변동이 발생한다. Table 6은 이러한 내부 에너지 부하량을 정리한 표이다. 각 구역별로 면적에 따른 인구 밀도, 조명 부하, 전기 및 가스설비 부하, 침기 및 환기량을 다르게 설정하였으며, 이는 DOE의 표준 건물 모델에서 제시한 데이터를 적용하였다. 또한 사람에 의한 발열량을 1인당 120 W로 가정하여 계산하였다. 시간에 따른 내부 에너지 부하의 변동을 다르게 설정 하였으며 이는 Fig. 4와 같다. Fig. 4와 Table 6에 제시된 데이터를 적용하여 시간에 따른 건물 내부의 에너지 부하 패턴을 계산 할 수 있다. 각 구역의 내부 온도는 쾌적한 호텔의 상태인 21℃~24℃를 유지한다고 가정하여 냉/난방 부하를 계산하였다.

Fig. 2 Schematic of the small hotel.

Fig. 3 Configuration of each floor of the small hotel : (a) 1st floor, (b) 2nd~4th floor.

Table 4. Properties of walls used in the small hotel

	External Wall			Internal Wall	Ground Floor		Interior Floor		Roof
	Wood	Steel insul.	Gypsum	Gypsum	HW Concrete	Carpet Pad	HW Concrete	Carpet Pad	Membrane	Iead insul.	Metal Deck
$ρ$(kg/$m^{3}$)	544.6	265	784.9	784.9	2240	-	2240	-	1121	265	7680
$C_{p}$(kJ/kg․K)	1.21	0.837	0.83	0.83	0.837	-	0.837	-	1.46	0.84	0.418
$k$(W/m․K)	0.11	0.049	0.16	0.16	1.311	4.84	1.311	4.84	0.16	0.05	45
$t$(m)	0.01	0.087	0.0127	0.0127	0.1016	-	0.1016	-	0.01	0.13	0.002

Table 5. Properties of window used in the small hotel

Property	Value	Property	Value
Solar Transmittance Solar Reflectance(Front) U-factor(W/$m^{2}$K)	0.485 0.269 1.06	Solar Reflectance(Back) g-value Frame ratio	0.269 0.586 15%

Table 6. Internal load of the small hotel

Zone	Area ($m^{2}$)	People ($m^{2}$/per)	Lights (W/$m^{2}$)	Electricity(Gas) Equipment(W/$m^{2}$)	Ventilation Total(L/s)	Infiltration (ACH)
Stairs Corridor Storage Office Gym Elevator Laundry Room Employ lounge Guest room Restroom Meeting room Lounge Mechanical room Rad./Conv.	39.9 150 39.9 130 32.4 14.9 97.3 32.4 162 32.4 79.8 162 32.4 -	0 93 0 13 3 0 8.8 3 21.6 32.4 1.9 3.1 0 0.3/0.7	6.5 5.4 8.7 11.9 9.7 0 6.5 12.3 11.9 9.7 14.1 11.9 16.2 0.7/0.3	0 0 0 12.9 11.5 128 206 77.2 14.3 10.8 12.9 15.4 0 0.5/0.5	94 0 38.2 100 110.2 75.3 143.1 88.1 14.2/room 200 429 424 8.2 -	0.58 0.07 0.58 0.13 0.13 0.13 0.13 0.13 0.13 0.13 0.13 0.19 0.13 -

Fig. 4 Schedules of the internal loads.

2.3 소규모 호텔, 유리온실 통합 모델

Fig. 5는 소규모 호텔과 결합 된 옥상온실을 나타낸다. 해당 모델에 사용된 유리 온실은 Fig. 1을, 소규모 호텔은 Fig. 2와 Fig. 3의 모델 정보를 이용하여 설계하였다. 벽체, 천장, 바닥, 창호 등의 물성치와 내부 온도 조건 및 내부 에너지 부하 패턴은 앞의 모델들과 동일하게 설정하였다. 다만, 소규모 호텔 천장과 유리온실 바닥면이 만나는 부분은 천장 물성치에 바닥 물성치가 더해지는 형태로 모델링 하였다. 이때, 본 연구에서는 경계층의 벽체 조건을 단순 통합한 경우 (case 1)와 단열층을 제거한 경우 (case 2)에 대하여 비교 분석을 수행하였다. 이를 통해 유리온실과 소규모 호텔 사이의 에너지교환이 효과적으로 이루어졌을 시의 에너지 소비량을 비교해 보고자 하였다.

Fig. 5 Schematic of the small hotel integrated with velno-type greenhouse.

3. 해석 결과 및 고찰

먼저 단독 호텔의 지붕에 단열층이 있는 경우와 없는 경우를 비교한 결과는 Fig. 6과 같다. 결과를 살펴보면 단열층이 있는 기존 모델(Original model)에 비해 단열층이 제거된 모델(No insulation model)의 냉난방 부하가 크게 증가하는 것을 알 수 있다. 특히 Fig. 6(a)의 난방부하를 살펴보면 1~3 층의 난방에너지 부하는 큰 차이가 없는 반면 4층의 난방에너지는 크게 증가하는 것을 알 수 있다. 이는 지붕의 단열층이 제거됨으로 인해 외부로 열손실이 더 많이 발생하므로 이를 유지하기 위한 난방에너지가 더 많이 필요하기 때문이다. Fig. 6(b)의 냉방 부하도 난방부하와 유사하게 더 많은 냉방에너지가 필요한 것을 알 수 있다. 이는 마찬가지로 단열층이 제거됨 으로 인해 외부의 열침입이 더 많이 발생하므로 이를 유지하기 위한 냉방에너지가 더 많이 필요하기 때문이다. 따라서 전체 에너지 부하량인 Fig. 6(c)의 결과를 보면 1~3층의 에너지 소비량은 유사하나 4층의 에너지 소비량이 크게 증가하는 것을 알 수 있다. 이를 전체적으로 합산하면 기존 단열층이 있는 모델의 경우 약 908 GJ의 냉/난방 에너지가 필요한 반면 단열층이 제거되면 2085 GJ의 냉/난방에너지가 필요하게 되어 약 230% 가량 증가하게 된다. 따라서 기존 건물의 경우 단열층의 효과가 매우 중요한 것을 알 수 있다.

Fig. 7은 case 1의 월간 변화에 따른 호텔과 유리온실의 냉/난방 부하를 나타내고 있다. 분리된 모델의 냉/난방 부하를 빗금이 있는 막대그래프로 표현하였으며, 통합된 모델은 빗금이 없는 막대그래프로 표현하였다. 먼저 Fig. 7(a)의 난방부하를 살펴보면 유리온실이 전체 난방부하의 약 54%를 차지한다. 또한 호텔 내의 각 층의 난방 부하를 비교해 보면 1층, 4층, 2층, 3층 순으로 난방부하가 높은 것을 알 수 있다. 1층의 경우 Lounge, Meeting room, 등의 Occupancy 가 높아 난방부하가 높게 나타나며, 4층의 경우 시간당 환기량이 다른 층에 비해 높아 난방부하가 높게 나타나는 경향을 보인다. 반면 2층과 3층은 구조와 내부 부하가 유사해 거의 유사한 난방 부하를 보이는 것을 알 수 있다. 이때 호텔과 유리온실의 통합된 모델의 유리온실의 난방부하는 분리된 모델의 유리온실의 난방부하에 비하여 약 177 GJ(17.8%) 감소하였다. 반면 Fig. 7(b)를 살펴보면 5월~9월에 냉방부하가 발생함을 알 수 있다. 이때 호텔과 유리온실이 통합된 모델의 냉방부하가 분리된 모델의 유리온실에 비하여 약 38 GJ(14.5%) 증가하는 것을 알 수 있다. 이는 옥상온실이 하부에 있는 호텔의 단열효과를 증가시켜 냉방부하를 증대시키기 때문이다. Fig. 7(c)는 난방부하와 냉방부하를 합한 총 에너지 부하의 월별 비교 결과 이다. 결과를 살펴보면 1~5월과 10~12월 까지는 호텔과 유리온실이 통합된 모델의 에너지 부하량이 분리된 모델의 에너지부하량보다 적게 나타나는 것을 알 수 있다. 반면 6~9월 까지는 분리된 모델의 에너지 부하량이 통합된 모델의 에너지 부하량보다 더 적게 나타나는 것을 알 수 있다. 이를 종합하여 살펴보면 약 139 GJ(11%)의 감소 효과가 나타나게 된다.

Fig. 6 Monthly energy load of original model and no insulation model.

Fig. 7 Monthly energy load of case 1.

Fig. 8 Monthly energy load of case 2.

또한 Fig. 8은 case 2의 월간 변화에 따른 호텔과 유리온실의 냉/난방 부하를 나타내고 있다. 먼저 Fig. 8(a)의 난방부하를 살펴보면 앞서와 유사하게 1층, 4층, 2층, 3층 순으로 난방부하가 높게 나타나는 것을 알 수 있다. 하지만 4층의 경우 유리온실과 옥상층 사이의 단열층의 제거 효과로 인해 난방부하량이 case 1에 비하여 감소 하는 경향을 보인다. 이러한 경향은 1~12월까지 동등하게 나타난다. 또한 호텔과 유리온실의 통합된 모델의 유리온실의 난방부하는 분리된 모델의 유리온실의 난방부하에 비하여 약 200 GJ(20.1%) 감소한다. 반면 Fig. 8(b)을 살펴보면 3~10월까지 통합된 유리온실의 냉방부하가 분리된 유리온실의 냉방비하에 비해 높게 나타나는 경향을 보인다. 하지만 이에 따른 냉방부하의 증가량은 29 GJ(9.9%)로 상대적으로 적게 증가하는 것을 알 수 있다. 이는 호텔 옥상층과 유리온실 바닥면의 단열층을 제거함에 따라 두 건물 사이의 열교환이 원활하게 이뤄지게 되어 에너지 부하를 줄일 수 있기 때문이다.

이를 각 구획별 에너지 부하의 변동량을 자세히 살펴보기 위하여 Table 7과 Table 8에 case 1과 case 2의 결과를 각각 제시하였다. 먼저 Table 7의 결과를 살펴보면 유리온실이 통합된 경우 냉/난방 에너지의 부하량이 각 위치별로 다르게 변하는 것을 알 수 있다. 1~3층의 난방에너지의 경우 분리된 모델에 비해 통합된 모델에서 난방에너지가 증가하는 경향을 보인다. 반면 4층과 유리온실의 경우는 난방에너지가 분리된 모델에 비해 통합된 모델에서 감소하는 경향을 보인다. 이는 유리온실의 감소한 난방에너지 부하가 직접적으로 닿아 있는 4층에 가장 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있으며, 이로 인해 오히려 1~3층의 난방에너지 부하는 일부 증가하는 것을 알 수 있다. 반면 냉방 에너지의 경우 1~4층의 냉방에너지는 분리된 모델에 비해 통합된 모델에서 감소하는 경향을 보이나 유리온실은 증가하는 경향을 보인다. 이러한 영향을 종합적으로 살펴보면 통합된 모델의 경우 유리온실과 맞닿아 있는 4층과 유리온실의 에너지 절감량이 가장 크게 나타나며, 반면 1~3층의 경우 에너지 부하량이 증가하는 경향을 보인다. 이러한 경향은 Table 8의 case 2 결과에서도 유사하게 나타난다. Table 8의 난방에너지 결과를 살펴보면 통합된 모델의 유리온실과 4층의 에너지가 감소하는 경향을 보인다. 반면 냉방에너지의 경우 통합된 모델의 유리온실과 4층의 에너지는 증가하는 경향을 보인다. 이를 종합적으로 살펴보면 1~3층의 에너지 부하는 증가하는 경향을 보이나 4층과 유리온실의 에너지 부하는 감소하는 경향을 보인다. 또한 단열층의 제거 효과에 따른 영향을 살펴보면 유리온실과 4층의 경우 단열층이 있는 경우인 case 1에 비해 단열층이 제거된 case 2에서 에너지 소비량이 감소하는 경향을 보이는 것을 알 수 있다. 그러므로 유리 온실을 단열층이 존재하는 기존 건물에 설치하는 경우 전체적인 에너지 저감 효과가 더 크게 나타나는 것을 알 수 있으며, 신규 건물에 설치하는 경우에는 단열층의 제거 유무에 따른 장단점을 판별해 유리 온실을 설치해야 한다.

이러한 결과를 정리하여 Table 9에 나타내었다. Table 9는 case 2의 전체 건물의 에너지 부하량을 비교하여 제시하였다. 분리된 모델의 전체 에너지 부하량은 2,166(GJ)이며, 통합된 모델의 전체 에너지 부하량은 1,984 GJ이다. 이에 따른 연간 에너지 절감량은 182 GJ이며, 약 8.4% 에너지 부하량이 감소하는 것을 확인하였다. 또한 냉난방 시스템의 부하량을 산정하기 위하여 시간에 따른 난방 에너지 최대 부하량을 Table 10에 제시 하였다. 난방 에너지의 부하가 냉방 에너지의 부하보다 약 4~5배 가량 크게 나타나므로, 중요성이 큰 난방 에너지의 최대 부하량에 대하여 고찰하였다. 결과를 살펴보면 단열층이 있는 경우와 단열층이 없는 경우 모두 최대 에너지 부하량이 152 W/$m^{2}$에서 146 W/$m^{2}$로 줄어들어 약 3.9%의 감소량을 보이는 것을 확인하였다. 이를 통해 통합된 유리온실을 호텔에 적용하는 경우 난방시스템 구성시 설비 용량을 약 4% 줄일 수 있는 효과를 보이는 것을 확인하였다. 이에 유리온실과 호텔을 통합하여 설치하는 경우 연간 난방에너지 사용량의 절감효과를 볼 뿐만 아니라 난방설비 용량도 함께 감소시킬 수 있는 장점이 있다고 판단된다.

Fig. 9 Total energy load of different temperature control condition.

뿐만 아니라 유리온실에서 재배하는 작물에 따라 적정 생육 온도가 다르다. 중온성 작물(토마토, 장미 등)의 경우 적정 기온이 낮기준 23℃, 밤기준 8℃이며, 고온성 작물(수박, 메론 등)의 경우 적정 기온이 낮기준 25℃, 밤기준 12℃이다. 이에 본 연구에서는 옥상 유리온실의 효과를 확인하였으므로, 추가적으로 냉난방 부하의 기준 온도가 바뀔 시의 에너지 부하의 해석을 수행하였다. case 2-1부터 case 2-3은 각각 난방의 기준온도가 16, 18, 20℃이며, 냉방의 기준온도는 각각 23, 25, 27℃이다. Fig. 9의 결과를 살펴보면 호텔의 경우 에너지 부하량이 유사하게 나타나는 것을 알 수 있다. 반면 유리온실의 에너지 부하량은 차이가 나는 것을 알 수 있다. case 2-1의 경우에는 유리온실의 에너지 부하 절감량이 120 GJ이나 case 2-3의 경우에는 에너지 부하 절감량이 220 GJ인 것을 알 수 있다. 이에 따른 에너지부하 절감률은 case 2-1은 10.6%이며, case 2-3은 18.7%임을 알 수 있다. 즉 유리온실의 작동 온도가 달라짐에 따라서 에너지 절감량과 절감률이 크게 다르게 나타나게 된다. 이러한 결과로 살펴보았을 때 고온성 작물을 유리온실에서 재배하는 경우 에너지 절감량과 절감률이 더 크게 나타나는 것을 알 수 있다.

4. 결 론

본 연구에서는 소규모 호텔 건물과 유리온실이 통합된 건물의 냉난방 부하 산정을 위해 에너지 부하 해석을 수행하였다. 이를 위해 소규모 호텔과 유리온실이 통합된 해석 모델과 분리된 해석 모델을 개발하고 이를 상용 BES 프로그램인 TRNSYS를 이용하여 에너지 부하 해석을 수행하였다. 이에 따른 결론은 다음과 같다.

(1) 호텔 건물과 유리온실을 단순 통합시킨 모델의 경우, 난방 에너지 부하량은 약 177 GJ(17.8%) 감소하는 결과를 보였으나 냉방 에너지 부하량은 약 38 GJ(14.5%) 증가하는 경향을 보였다. 이에 따른 전체 에너지 부하량은 약 139 GJ(11%) 감소하는 경향을 보였다.

(2) 호텔 건물의 옥상과 유리온실 바닥면의 단열층을 제거하여 에너지 교환을 원활하게 한 경우, 난방 에너지 부하량은 약 200 GJ(20.1%) 감소하는 결과를 보였으며, 냉방 에너지는 29 GJ(9.9%) 증가하는 경향을 보였다. 이에 따른 전체 에너지 부하량은 171 GJ(15.7%) 감소하는 경향을 보였다. 즉, 단열층을 제거하는 경우 유리온실의 에너지 절감량이 더 효과적인 것을 확인하였다.

(3) 유리온실 내부의 생육 작물에 따라 기준 온도가 변할 시의 에너지 부하량 변화를 추가적으로 확인하였다. 기준 온도가 변함에 따라 에너지 부하의 절감량은 120~220 GJ까지 변하는 것을 확인하였으며, 에너지 절감률도 10.6%~18.7%까지 변하는 것을 확인하였다. 이를 통해 고온성 작물을 유리온실에서 재배하는 경우 에너지 절감량과 절감률이 크게 나타나는 것을 확인하였다.

위와 같이 소규모 호텔 건물위에 유리온실을 설치하여 에너지 교환이 원활이 이뤄지도록 설계하는 경우 에너지 부하량의 절감하는 효과가 있는 것을 확인하였다. 또한 본 시뮬레이션 결과를 바탕으로 생육 작물에 따른 옥상 유리온실의 냉난방에 필요한 에너지 산정 및 설비 시스템 설계에 활용 될 수 있을 것으로 판단된다. 다만 현 시스템을 국내 실정에 맞게 적용하기 위해서는 실증 실험 및 적용 타당성을 검증하는 추가 연구가 수행되어야 할 것으로 판단된다.