2.1 고층형 공동주택에서의 침기 특성

고층형 공동주택에서의 공기유동은 외기의 유입과 실내 기류가 중첩되어 복합적인 거동을 보인다. 선행 연구들은 실내외 온도차가 크고 외풍이 적은 겨울철 환경에서 수직의 샤프트가 형성된 고층형 공동주택의 층별 침기 특성은 연돌효과에 의해 지배됨을 밝혔다.⁽⁷⁾ 이러한 침기 특성은 누기면적의 수직·수평 분포, 샤프트의 구성, 공간별 온도 분포 등 건물 특성에 따라 상이하며, 건물 내에서도 층·세대 간 차이가 뚜렷하다. 특히 저층부 세대는 상대적으로 외기 유입이 지배적이지만 상층부 세대는 복도로부터의 유입 혹은 외기 유출 경향이 두드러지며, 중성대(Neutral Pressure Level, NPL) 인근 층은 상대적으로 침기량이 감소하는 양상을 보인다. 이와 같은 침기 특성은 난방부하 및 실내 열환경에 직접적인 영향을 미친다. 최하층 및 최상층 세대는 평균보다 큰 침기량으로 인해 난방부하 및 열손실이 증가하지만, 중성대 인근 층은 상대적으로 낮은 난방부하를 갖는 등 층·세대 간 쾌적성 및 부하의 불균형이 발생한다. 이는 고층형 공동주택에서 에너지 성능 평가 시 침기 특성을 고려해야 함을 시사한다.

2.2 세대별 침기량 및 난방부하 산출 이론식 검토

본 절에서는 연돌효과 지배 조건에서 고층형 공동주택의 세대별 압력차, 침기량 및 난방부하를 산정하기 위한 이론식을 검토한다. 먼저, 연돌효과에 의해 특정 층에서 형성되는 압력차 $\Delta P_i$는 식(1)으로 정의된다. 여기서 중성대는 외기와 실내 사이의 압력이 일치하는 기준 높이로, 고층형 공동주택에서는 외피, 세대 현관문, 건물 주요 출입부, 샤프트 등의 누기면적 분포에 따라 그 위치가 결정된다. 즉, 층별 압력차는 중성대로부터의 상대 높이와 실내외 온도 차에 비례하는 형태로 표현되며, 중성대를 기준으로 상층부에서는 실내 압력이 외기 압력보다 크며, 하부에서는 그 반대로 분포되어 각 층별 누기 경로에서의 침기 방향과 상대적 침기량 크기를 결정한다.

연돌효과가 지배적인 고층형 공동주택에서 세대별 침기 특성을 표현하기 위해 각 수평·수직 경로의 누기 특성을 파악하는 것이 필수적이다. 이를 위해 제안된 개념이 TDC(Thermal Draft Coefficient)로, 건물 내 특정 공기유동 경로에서 연돌효과로 인한 총 압력차가 각 구획에 어떻게 분배되는지를 표현하는 구획별 압력차 분담률이다.⁽⁸⁾ 특정 구획에 대한 TDC $\gamma_{i,j}$는 식(2)와 같이 표현되며, 위 개념을 이용하여 주요 공기유동 경로 내 측정이 어려운 구획별 압력차 및 누기면적을 추정할 수 있다. 하지만, 실제 고층형 공동주택에는 세대별로 다른 외피 누기면적, 공간별 온도 차, 다수의 수직 샤프트로 인해 기존 TDC 이론식으로 실제 구획별 압력차를 예측하기에는 불확실성이 존재한다. 이를 보완하기 위해, 세 가지 보정계수를 도입하여 실제 고층형 공동주택의 TDC 계산 시 이상적인 구조로 변환하여 해석할 수 있도록 하는 RTDC가 제안되었다.⁽⁶⁾ 특정 구획에 대한 RTDC $\hat{\gamma}_{i,j,k}$는 식(3)과 같이 표현되며, RTDC 기반 실제 건물을 이상적인 구조로 변환하는 과정은 Fig. 1에서 표현된다.

세대별 침기량 $Q$는 식(4)과 같이 침기가 발생되는 구획의 누기면적, 실내외 온도 차 및 중성대로부터의 높이에 비례한다.⁽⁹⁾ 위 식을 연돌효과 지배 조건의 고층형 공동주택에 적용하기 위해 RTDC를 모델 정밀도 향상을 위한 보정 인자로 활용할 수 있으며, 식(5)은 그 과정을 나타낸다.

Fig. 1 Floor plan and cross section of the target building.⁽⁶⁾

한편, 층별 침기량이 난방부하에 미치는 영향을 정량적으로 표현하기 위하여 기본적인 부하 계산식을 활용하였다. 특정 층·세대의 침기 및 내부 공기유동에 따른 난방부하 $q$는 식(6)으로 표현되며, ECO2 결과와의 비교를 위해 이를 연간 단위면적 당 에너지 요구량으로 환산하여 비교하였다.

4.1 대상 건물 및 환경

본 연구는 충청남도 아산에 위치한 고층형 공동주택 건물을 대상으로 사례 연구를 수행하였다. 해당 건물은 높이 약 106.9 m, 지하 2층·지상 32층으로 구성되며, 각 기준층은 5개의 세대로 구성된다. 건물 내 주요 수직 공기유동 경로는 Fig. 2(a)와 같이 2개의 승강기 샤프트와 2개의 계단실이며, 수평 경로는 Fig. 2(b)와 같이 기준층에서 세대 외피, 세대 현관문, 샤프트 출입문, 저층부에서 주요 출입부, 방풍실 문, 샤프트 문으로 구성된다. 또한, 이론식 기반 침기량 예측 정확도 검증을 위해 외기온도 -1.38℃, 평균 풍속 2 m/s 이하의 겨울철 연돌효과가 지배적인 상황을 가정하였다.

Fig. 2 Floor plan and cross section of the target building.⁽⁴⁾

4.2 층별 침기량 예측 결과

본 장에서는 이론식 기반 층별 침기량을 다중 기류해석 시뮬레이션인 CONTAM에서 도출된 결과와 비교하여 정확도를 검증하였다. 이때 CONTAM 모델은 대상 고층형 공동주택의 실측 데이터를 기반으로 구축된 모델로 주어진 조건에서의 실제 침기 거동을 대표하는 기준으로 간주하였으며, 모델링 결과는 Fig. 3(a)과 같다. 검증 지표로는 CV(RMSE)와 NMBE를 사용하였으며, ASHRAE Guideline 14⁽¹⁶⁾에 따라 각각 30% 이하, 10%를 기준으로 그 신뢰도를 파악하였다. Fig. 3(b)에 나타낸 바와 같이, 중성대 부근의 층을 제외한 모든 층의 침기량은 기준을 충족하는 정확도를 보였으며, 해당 층을 제외한 예측값과 시뮬레이션 기반 출력값의 오차는 평균적으로 CV(RMSE) 15.58% 및 NMBE 6.144%로 나타났다. 이는 이론식 기반 층별 침기량 산정 방법이 실제 침기 거동을 유의미하게 표현할 수 있음을 의미하며, 발생된 오차는 대상 환경과 모사하기 위해 설정된 핵심 영향 인자 값이 실제 측정값과 완전히 일치하지 않기 때문으로 해석된다. 또한 Fig. 3(c)에 나타난 바와 같이, 침기량은 중성대를 기준으로 하층부 또는 상층부로 갈수록 커지는 경향을 확인하였으며, 이는 중성대에서 멀어질수록 침기량이 증대된다는 기존 이론식과 일치한다.

Fig. 3 Comparison of dwelling infiltration between the theoretical model and the simulation model.

4.3 침기량 변화에 따른 ECO2 내 에너지 소요량 결과 비교

현재 제로 에너지 건축물 인증을 위한 예비평가 단계에서 주거 건물 내 공조 공간의 침기율은 ACH50 기준 6회로 설정하도록 권장되고 있다. 그러나 획일화된 침기율의 입력은 대상 건물에 대한 정확한 성능 평가를 저해하며, 세대별 정확한 침기량을 활용함으로써 건물 에너지 성능 평가의 신뢰성을 높일 필요가 있다. 이러한 배경에서 앞 장에서 산출된 이론식 기반 침기량 예측값을 ECO2에 적용하였으며, 이를 검증하기 위해 앞선 침기량 기반 난방부하 산출 값과 침기율을 0으로 했을 때 ECO2 내 난방부하의 합을 예비평가 기준 침기율을 입력했을 때의 ECO2 내 난방부하와 비교하였다.

Fig. 4(a)는 ECO2 모델링을 위한 입력변수를 나타냈으며, Fig. 4(b)는 그 결과를 나타냈다. 모든 공조 공간의 침기율을 예비평가 기준으로 일괄 입력했을 때 ECO2 내 연간 에너지 요구량은 연간 115 kWh/m²이었던 반면, 이론식 기반 침기량을 활용한 경우 104 kWh/m²로 유의미한 차이를 보였다. 주거용 건물을 대상으로 제로 에너지 빌딩 평가 시 5등급 달성 기준이 90 kWh/m²이며 등급 당 간격이 20 kWh/m² 인 것을 고려했을 때, 이는 대상 건물의 인증 당락을 결정하거나 인증 등급이 한 단계 상향될 수 있을 만큼 큰 값임을 시사한다. 이러한 결과는 제로에너지건축물 평가에서 침기량을 보다 정확하게 산정·입력하는 것이 중요함을 보이며, 특히 이론식 기반 침기량 예측값을 적용할 경우 대상 건물의 상세한 설계 정보 입력 없이도 부하 산정에 대해 신뢰 가능한 정확도를 확보할 수 있음을 시사한다. 이는 향후 ECO2 등 국내 건물 에너지 시뮬레이션 도구의 침기 및 난방부하 산정 모듈 고도화에 활용 가능한 근거를 제공한다.

Fig. 4 Comparison of energy demand between two infiltration inputs: pre-certification standard and model-based outputs.