2.1 국내외 용도프로필

건물에너지 성능 평가에서 용도프로필이란 분석 대상공간의 사용시간과 시스템 운전시간, 설정 요구량 (최소 도입 외기량, 급탕요구량, 조명시간), 인체/기기발열, 실내 공기 설정온도, 월간 사용일수에 대해 작성한 데이터이다. 용도프로필은 건물의 주된 이용 환경을 반영하는 데이터로 건물 냉, 난방부하에 많은 영향을 미친다.

국내 건물에너지성능 분석 프로그램인 ECO2의 용도프로필은 국내 ‘건축물에너지효율등급인증제도운영규정’에서 주거공간, 교실, 사무실, 회의실 등 20가지 공간에 대해 정의하고 있다. 이 기준은 독일 DIN V 18599⁽⁷⁾를 참고하여 작성되었다. DIN V 18599-10에서는 주거공간과 비주거용 건물에 대한 용도프로필을 경계조건(boundary condition)으로 규정하고, 주거공간, 오피스, 교실, 병원, 식당 등 34개 공간에 대한 용도프로필을 표로 정리하여 제시하고 있다.

DIN V 18599에서는 주거, 비주거 공간에 대한 에너지 성능 평가를 진행하기 위해 측정이나 운영 데이터 사용이 어려울 때에 건물별 특징에 따라 34개 공간의 일별 사용시간, 연간 사용일자, 조도, 실내 환경(습도, 1인당 최소 도입 외기량, 인체/기기발열, 냉, 난방 설정온도)에 대한 규정값을 제공하여 이를 통해 에너지 요구량을 산출하도록 하고 있다. DIN V 18599에서는 boundary condition 중 일별 사용시간과 연간 사용일자를 통해 냉, 난방 요구량을 계산하고, 조도(조명 럭스, 조명 기준면 높이, 시각적 작업 영역에 대한 감소 계수 등) 실내 환경(1인당 최소 도입 외기량, 실내 습도 기준 등), 내부 발열에 관련된 규정들은 조명, 환기, 급탕 부하 계산에 반영이 된다.

ISO 13790⁽⁸⁾에서의 boundary condition에 대한 규정은 DIN V 18599와 달리 공간에 대한 유형을 12개의 큰 범위(1인 주거건물, 오피스, 교육시설, 레스토랑) 등으로 나누어 냉, 난방 설정온도, 평균 재실인원, 1인당 발열량, 월 평균 사용시간, 1인당 최소 외기 도입량, 급탕 요구량에 대해 가이드라인을 제공하고 있다. 또한 재실자 사용데이터(일별 사용시간 등)는 주거용과 오피스용 2가지 큰 범위로만 나뉘어서 제공을 하고 있으며 각 국가 별 활용을 위해서는 제도적으로 규정되어 있는 국가 별 boundary condition을 사용하도록 권고한다. DIN V 18599에서는 유형별 공간에 대한 일별 사용시간과 월별 사용일자도 boundary condition에 같이 제공하고 있고, ISO 13790에서는 12가지 용도에 대한 간헐 냉, 난방에 소요되는 표준적인 일별 사용 시간을 제공하며 월 별 비 재실에 해당되는 비율에 대해서는 time fraction으로 제공하고 있다.

국내 용도프로필에는 분석 대상건물의 일간 사용시간, 내부발열, 실내 공기 설정온도, 최소 도입 외기량, 급탕 요구량, 조명시간, 월별 사용일자를 포함하고 있다. 일반적으로 어린이집의 경우 사무실과 화장실, 복도와 강당 등 존 별 국내 용도프로필에 포함되는 용도로 사용되고 있지만, 어린이집의 주된 목적으로 사용되고 있는 보육실 같은 경우, 현재 국내에서 제공된 용도프로필이 없기 때문에 보육실과 비슷한 용도를 지닌 초중고 교실의 용도프로필을 적용하고 있다(Table 1). 그러나 초중교 교실의 경우 어린이집과는 달리 여름방학과 겨울방학이 장기간 형성되기 때문에 월별 사용 일수가 어린이집 보육실과 비교하여 적게 반영되어 연간 냉, 난방부하가 과소평가되는 결과를 초래할 수 있다.

2.2 건물에너지 성능 분석 시 용도프로필 반영 방법

용도프로필의 건물 운영시간, 내부발열, 실내 설정온도는 부하계산에서 주요 변수로 작용이 된다.

ECO2 프로그램에서는 ISO13790에서의 수식을 기반으로 각 건물의 존 별 난방에 필요한 연속 냉, 난방을 가동하기 위한 건물 에너지에 대해 계산하고 있으며, 난방에 필요한 부하($Q_{H,\: nd,\: cont}$)는 식(1)과 같이 계산이 된다.

여기서 $Q_{H,\: ht}$는 총 전달량[MJ], $Q_{H,\: gn}$는 총 열취득량[MJ], $\eta_{H,\: gn}$는 열취득 이용상수[-]이다.

요구량 산정 시 산출해야 할 총 열전달량($Q_{H,\: ht}$)은 일반적으로 건물에서 발생되는 열 손실량을 나타내며 식(2)과 같이 계산된다.

여기서, $Q_{tr}$는 건물 외피의 물리적인 성능에 따라 발생되는 열전달량[MJ], $Q_{ve}$는 환기(침기)에 의해 발생되는 열전달량[MJ]이다. 용도프로필에서 규정하고 있는 실내 설정온도의 경우 식(2)의 $Q_{tr}$ 산출 과정에서 매개변수로 적용되어 계산되고 있다. 실내 설정온도는 식(3)와 같다.

여기서 $H_{tr,\: adj}$는 외피의 열적 성능에 의해 결정되는 총 열전달 계수[W/K]를 나타내고, $\theta_{i n t,\: \sec ,\: H/C}$는 존 별 실내 설정온도[$^{\circ}{C}$], $\theta_{e}$는 실외 온도[$^{\circ}{C}$], $t$는 냉, 난방 가동 시간[Msec.]을 나타낸다. 따라서 용도프로필의 실내 설정온도와 건물의 운영시간은 중요한 매개변수로 적용되고, 총 열전달량 $Q_{H,\: ht}$의 결괏값에 반영이 된다.

식(1) 에서의 총 열취득량 $Q_{H,\: gn}$은 식(3)에서의 건물 사용시간 $t$ 동안의 내부 열취득량[MJ]의 합 $Q_{i n ter}$과 태양열 취득량[MJ]인 $Q_{sol}$에 의해 결정이 된다.

식(4)에서 내부 열취득량의 합 $Q_{i n ter}$ 같은 경우, 재실자로부터의 대사 열 및 기기에서 발산되는 열, 조명 장치로 인해 발생되는 열, 온수 및 주요 수도 및 하수 시스템에서 발산되거나 흡수되는 열 등 의도적으로 사용되는 에너지 외에 공조 공간에서 생성되는 열의 합으로 구성되었다. 따라서 내부 열 취득은 용도프로필에서 건물 운영특성에 맞게 내부 발열의 규정을 적용하여 계산이 되고 있다.

식(1)에서의 $Q_{H,\: nd,\: cont}$는 주로 연속 냉, 난방이 가동되는 경우 발생되는 건물에너지 산출에 사용된다. 주거 건물의 경우 일반적인 부하계산 시 24시간 연속적으로 운영한다고 가정하여 $Q_{H,\: nd,\: cont}$를 이용하여 계산되지만, 재실자의 재실과 비 재실이 반복되는 간헐 냉, 난방 시의 요구량 계산은 간헐적으로 발생되는 부하를 반영하기 위해 연속 냉, 난방을 가정하는 부하 계산 결과에 시간에 따른 부하의 reduction factor을 적용하여 계산한다(식(5)).

식(5)에서 $\alpha_{H,\: red}$는 간헐적 냉, 난방을 위한 reduction factor(감쇄계수) [-]를 나타낸다. 간헐 냉, 난방 감쇄계수 $\alpha_{H,\: red}$는 식(6)과 같이 계산된다.

건물 외피의 열용량 특징에 의해 결정이 되는 시간상수(time constant of building, hours)인 $\dfrac{\tau_{0}}{\tau}$와 열취득량과 열손실량의 비를 나타내는 열평형비[-]인 $\gamma_{H}$와 함께 일주일간 간헐 냉, 난방의 시간비율은 나타내는 time fraction인 $f_{H,\: hr}$[-]의 영향을 받는다. 식(6)을 통해 식(1)에서 연속 냉, 난방을 가정함으로써 계산에 포함된 비 재실시간 동안 발생하는 부하를 건물 외피의 성능까지 고려하여 계산한다. 이때, 간헐 난방으로 인한 난방 요구량 계산의 오차율을 줄이기 위해 일주일 동안 발생되는 난방 시간의 비율을 이용해 난방 요구량을 구하는데, 해당 계수는 식(7)과 같이 계산된다.

여기에서 $\chi$는 하루 중 난방을 가동하는 시간[hours]을 의미하고, A는 일주일 간 해당 존을 사용하는 일 수[day]를 의미한다. 따라서 time fraction 계수의 $\chi$를 반영하기 위해서는 용도프로필에서 각 존에 대한 일별 사용시간이 필요하다. 존 별 사용 용도에 따라 재실자들이 해당 존을 사용하는 월 별 시간이 다르기 때문에 존 별로 적용된 사용시간에 따라 간헐 난방의 time fraction이 결정된다.

비주거용 건물의 간헐 난방과 마찬가지로 간헐 냉방 또한 식(1) ~ (5)를 적용하여 간헐 냉방에 대한 값을 구하는데, 간헐 난방과는 달리 간헐 냉방은 time fraction이 아닌 day fraction인 식(8)을 이용하여 계산을 진행한다.

식(8)에서 A는 일주일간 냉방 가동 일수를 나타낸다. time fraction에서는 일 별 사용 시간에 의한 난방 가동 시간으로 적용하여 산출하지만, day fraction 같은 경우 주중 사용일수에 근거하에 해당 사용일수의 낮시간 동안 냉방을 사용한다고 규정했기 때문에 간헐 냉, 난방 감쇄계수에 대해 산출하는 식이 다르게 적용이 되고 있다.

위와 같이 간헐 냉, 난방 요구량을 구하기 위해 요구되는 time fraction과 day fraction은 모두 용도프로필의 일별 사용 시간과 월별 사용 시간에 따라 반영이 되어 해당 건물에 대한 에너지 성능 분석을 진행할 수 있다.

하지만, 식(5)와 같은 경우, 매달 규칙적으로 주간 며칠씩 사용되고 있는 오피스 건물이나 회의실과 같은 공간에 대한 냉, 난방 요구량 산출시에는 사용시간이 정확히 반영되는 반면, 학교와 같은 일부 건물에서는 방학기간과 같은 긴 비재실 기간이 존재하기 때문에 이런 용도프로필을 가진 건물 같은 경우 긴 비재실 시간을 고려한 냉, 난방요구량을 식(9)(10)과 같이 계산이 된다.

식(9), (10)에서 $Q_{H,\: nd,\: occ}$와 $Q_{C,\: nd,\: occ}$는 기존 식(1)에서 구한 냉, 난방 요구량의 값이고 $f_{H,\: nocc}$와 $f_{C,\: nocc}$를 통해 월간 비재실 기간에 대한 값을 적용하여 해당 공간에 대한 월간 에너지 요구량에 대해 산출한다. $f_{H,\: nocc}$와 $f_{C,\: nocc}$의 식은 다음 식(11)과 같이 계산이 된다.

$f_{H,\: nocc}$와 $f_{C,\: nocc}$의 최댓값은 1로 적용이 될 수 있고, 해당 월에 공간에 대한 사용 일자가 0일 경우에는 난방 요구량은 0으로 계산된다. 국내 건축물에너지효율등급 인증제도에서 유일한 공인프로그램인 ECO2는 건물에 대한 에너지 성능 분석 시 식(1) ∼ 식(11)을 전부 적용하여 20가지 공간에 대한 용도프로필들의 특징을 반영하여 건물 에너지 성능 분석을 진행한다.

DIN V 18599와 ISO 13790은 공간의 용도에 따라 해당 공간의 사용시간과 월 별 사용일자뿐만 아니라 공간 특징에 따라 해당 공간을 사용하고 있는 최소인원부터 최대인원의 반영을 통해 인/m²당의 기준으로 1인당 최소도입외기량, 급탕요구량, 인체/기기발열에 대한 용도프로필을 건물 유형별로 적용하고 이를 급탕 요구량, 환기 요구량 계산에 반영하고 있다.

2.3 분석의 개요

본 연구에서는 경기도에 위치한 20개소의 어린이집에 대한 현장 조사를 통해 어린이집 보육실의 실제 사용 환경을 반영한 용도프로필을 작성하였고, 그 중 A, B 두 개소의 어린이집을 대상으로 에너지 성능 분석을 진행하였다. A 어린이집의 경우 층 별로 4개의 보육실이 전체 면적의 40%를 차지하고, B 어린이집은 총 8개의 보육실이 전체 면적의 41%로 보육실을 주 용도로 사용되고 있다.

현장조사를 통해 작성한 어린이집 보육실 용도프로필 외의 건물에너지 성능 분석에는 서울의 기상데이터를 적용하였고, 입력데이터에는 분석 대상 어린이집에 대한 현장 조사 및 실측값을 입력하였다. 벽체 열관류율과 기밀성능은 실측값이며, 지붕과 바닥의 열관류율은 건축연도의 열관류율을 입력하였다(Table 2).

ECO2에서 분석 대상건물의 해당 용도의 용도프로필이 제공되지 않는 어린이집 보육실의 실사용 환경을 반영한 용도프로필 수정이 되지 않기 때문에 ECO2와 같이 ISO 13790을 기반으로 제작된 Energy#⁽⁹⁾을 이용하여 분석을 진행하였다. 그 중 기상데이터의 경우, ECO2에서는 66개 지역에 대한 기상데이터를 제공하고 있지만 Energy#은 전국 12개 지역의 기상데이터를 제공하고 있다.

Energy#은 ECO2와 같이 ISO13790의 월간법을 기반으로 냉, 난방부하를 산출한다. 그러나 ECO2는 용도프로필 유형에 따라서 식(1) ～ (11)을 적용하여 냉, 난방 요구량을 산출하나, Energy#은 ECO2와 같이 존 별 용도프로필을 국내 에너지효율등급의 20가지 용도프로필 중 선택하여 반영할 수 있음에도 불구하고, 식(9)와 식(10)의 장기간 비재실일 경우를 반영하고 있지 않아, 방학기간에도 냉, 난방부하, 에너지소요량이 산출된다. ECO2와 동일한 조건의 결과를 도출하기 위해 초중고 교실의 용도프로필을 이용한 간헐적 냉, 난방 운전을 고려하여 Energy#의 time fraction을 초중고 교실의 용도프로필인 방학 기간의 비재실 기간을 월 별로 반영할 수 있도록 수정해야 한다. 또한 ECO2의 경우, 에너지 소비량 결과를 난방, 냉방, 급탕, 환기, 조명 5가지 부문에 대해 산출하고 있으나, Energy#에서는 최종 에너지 소요량에 가전기기의 콘센트 부하를 포함하여 산출한다.

그러나 Energy#과 ECO2 프로그램상에 기상데이터의 차이, 결과 산출범위 등에서 다소 차이가 발생할 수 있기 때문에 본 연구에서는 건물에너지 계산에서 용도프로필의 반영이 에너지 성능 분석 결과에 미치는 영향을 분석하기 위해 분석은 Energy# 프로그램만 사용하여 진행하였다. 한편 ECO2 프로그램에서는 5가지 부하(냉방, 난방, 급탕, 환기, 조명)에 대해 결과를 산출하지만 Energy#의 경우는 여기에 추가하여 가전기기 등 콘센트부하도 포함하고 있기 때문에 ECO2와의 정합성을 가지기 위해 Energy#의 최종에너지 소요량 산출결과에서 가전기기에 의한 에너지 소요량을 제외하였다.

3.1 어린이집 보육실 용도프로필 작성

본 연구에서는 기존의 ECO2 에너지 성능 평가에서 부재한 어린이집 보육실의 용도프로필을 실제 어린이집 20개소에 대한 운영 특성에 관한 실측을 통해 작성하였다. 우선 용도프로필의 매개 변수 중 건물의 월 별 사용일자는 건물의 간헐적 냉, 난방 요구량 산정 시, time fraction 값에 반영되어 결과를 산출하는 만큼, 용도별로 운영 일자, 운영시간에 대한 정확한 정보가 필요하다. 본 연구에서 20개소 어린이집에 대한 현장 조사결과, 20개소 어린이집 보육실은 별도의 방학 기간이 존재하지 않고 1년 중 총 250일을 운영한다. 하지만, 초중고 용도프로필을 살펴볼 경우, 여름과 겨울 방학이 포함되어 연간 사용일은 200일에 불과하다.

건물에너지 성능 분석에서 time fraction과 day fraction의 수식에 반영되는 다른 매개 변수인 일간 재실자와 기기 사용시간에서도 두 건물은 다른 양상을 나타내고 있다. 재실자의 스케줄에 따라 간헐적 냉, 난방에 대한 요구량을 산정할 수 있는데 초중고 용도프로필은 방학과 주말을 제외하고 일간 7시간을 사용한다. 하지만 현장 조사를 통해 20개 어린이집의 보육실 같은 경우 평균적으로 초중고 교실보다 2시간 더 많이 사용하고 오전 9시부터 오후 5시까지 사용을 하는 것으로 나타났다(Fig. 1). 20개소 중 3개소의 어린이집은 간헐적으로 저녁 돌봄 활동을 추가적으로 진행함으로 저녁 7시까지 운영하는 경우로 나타났다.

용도프로필에서의 기기 사용시간의 경우 DIN 18599에서는 재실자의 실내 쾌적성을 위해 재실인원 스케줄보다 2시간 먼저 가동하여 실내 온도를 만족하기 위한 pre-heating 구간이 있다고 정의하였다.⁽⁶⁾ 초중고 교실 용도프로필에서는 냉/난방기기 운전시간에서 pre-heating 시간이 별도로 존재하지 않지만 어린이집의 경우, 선생님이 아이들의 등원시간 보다 1시간 일찍 출근하여 보육실의 냉/난방 기기를 가동시킨다. 아울러 냉/난방시스템 정지도 대상 실의 사용이 끝나는 시간보다 1시간 일찍 끄는 것으로 분석되었다(Fig. 2). 결과적으로 재실자 스케줄과 기기 사용 스케줄 또한 기존 적용하고 있는 초중고 교실 프로필에서의 시간과 다른 양상을 나타냈다.

다음으로 용도프로필에서 냉, 난방 기기 설정 온도의 경우 국내 용도프로필에서는 DIN V 18599에서 규정한 난방 설계 최저 온도인 20도, 냉방 설계 최대 온도인 26도로 설정하여 에너지 성능 분석에 적용하고 있다. 하지만 현장조사 결과, 20개소 어린이집의 보육실의 경우 실제로 냉, 난방을 24도 전후로 설정하여 사용하는 것으로 나타났다.

난방 설정온도의 불확실성이 에너지 성능 분석 결과에 미치는 영향에 관한 선행 연구⁽¹⁰⁾에서 난방기기 설정 온도가 20도일 때의 시뮬레이션 결과와 실제 값과의 차이가 16%이었던 것이 실제 운전 설정온도인 22도로 조정할 경우, 그 차이가 2%로 감소하였다고 보고하고 있다. 용도프로필에 포함된 매개변수 중 설정온도는 분석 대상공간의 냉, 난방 부하 산정에서 중요한 매개 변수로 작용한다. 따라서 본 연구에서는 실제 어린이집보육실의 냉, 난방 설정온도인 24도를 설정온도로 조정하였다.

용도프로필의 1인당 최소 도입 외기량 부분과 내부발열도 건물에너지 성능 분석 시 환기 열손실과 열획득량 산출에 많은 영향을 미치기 때문에 본 연구 대상인 어린이집의 최소 도입 외기량을 정의한 실내공기질 관리법에서는 노유자시설인 어린이집 보육실의 1인당 최소 도입 외기량으로 36[m³/인ㆍh] 로 규정하고 있다⁽¹¹⁾. 이에 근거하여 어린이집 보육실 1인당 최소 도입 외기량을 설정하였다.

어린이집 인체 내부발열량은 ASHRAE HOF 및 Kaiser의 연구를 바탕으로⁽¹²⁾ 유아 43.2[W/인], 성인 130[W/인]의 발열량을 참고하여 어린이집의 보육실 재실인원 조사를 통해 전체 보육실에 적용되는 평균 인체 발열량을 산출하였다. 경기도 내 20개소의 어린이집 현장조사를 통해 작성된 어린이집의 용도프로필은 다음과 같다(Table 3).

3.2 건물에너지 성능 분석 결과