Research Article

Journal of the Korean Solar Energy Society. 30 June 2022. 87-101
https://doi.org/10.7836/kses.2022.42.3.087

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 건축물에너지성능 평가 프로그램(ECO2 및 DesignBuilder) 특성

  • 3. 대상 건물 개요 및 건물에너지성능 평가 프로그램(ECO2, DesignBuilder)입력 값

  •   3.1 대상건물 개요

  •   3.2 Activity

  •   3.3 열관류율 및 침기율

  •   3.4 Lighting

  •   3.5 HVAC

  • 4. 결과분석

  •   4.1 건물에너지성능 평가 프로그램 시뮬레이션 결과

  •   4.2 그린리모델링을 통한 건축물에너지효율등급

  • 5. 결 론

1. 서 론

현재 우리나라는 온실가스 감축을 위해 2030년까지 2018년 온실가스 배출량 대비 40%를 감축하는 것을 목표로 하고 있다1). 또한, 2030 온실가스 감축 로드맵에 따르면 신축 건축물 허가기준 등 정책 강화에 대한 목표 감축량은 5.5 백만 톤, 기존 건축물 에너지성능 향상에 대해서는 9.6 백만 톤, 설비 효율 개선 및 소비개선 유도에 대해서는 5.8 백만 톤으로 목표량을 수립하였다2).

국내 준공 후 20년 이상 경과한 노후 건축물은 전체 건축물의 58.2%로 과반 이상을 차지하고, 30년 전 지어진 단열 수준이 취약한 건축물은 약 37%로 건물 부문 에너지사용량에 큰 영향을 미치고 있다. 노후화된 건물은 단열재의 성능 저하 뿐만 아니라 창호의 낮은 단열 및 기밀성능, 설비의 낮은 기계효율로 인한 손실 등으로 기존 건축물의 성능개선이 매우 중요하며, 이러한 이유로 온실가스 감축 로드맵 이행계획에 따른 기존 건축물 감축 목표량이 신축 건물 대비 크다2).

국내에서 제로에너지건축물 보급 가속화를 위해 2020년부터 연면적 1천 m2 이상인 공공건축물 제로에너지건축물 의무화를 시행하고 있으며, 2025년까지 연면적 1천 m2 이상인 민간건축물과 30세대 이상인 공동주택에 대해, 2030년까지 연면적 5백 m2 이상인 민간·공공 건축물에 대해 제로에너지건축물 의무화 계획을 발표하였다3). 또한, 노후화된 기존 건축물의 쾌적하고 건강한 주거환경을 제공하기 위하여 에너지효율을 높이고, 온실가스 배출을 낮추어 기존 건축물의 가치를 향상 시키고자 공공·민간건축물의 그린리모델링 사업을 진행하고 있다.

우리나라에서 공식적으로 건물에너지성능을 평가하는 프로그램으로 ISO 13790 「Energy performance of buildings」 및 DIN V 18599 「Energy efficiency of buildings」를 기반으로 한 ECO2를 사용하고 있다4). ISO 13790 기준은 냉·난방에너지 소요량을 시간 및 월 단위로 계산할 수 있는 방법으로 구성되며, 건물의 에너지성능을 평가하는데 있어 주로 공간의 냉난방 에너지 소요량을 계산하기 위한 기준이다5). 이 기준은 2017년 ISO 52016으로 대체되었다5). ECO2는 건물의 월별 에너지 요구량 및 시스템 성능에 따른 소요량을 예측하고, 연간 단위면적당 1차에너지 소요량[kWh/m2·year]을 근거로 등급을 산출한다6). 건물 1차에너지 소요량 값은 건물에너지 소요량의 값에 1차에너지 환산계수를 곱하여 나온 값으로 연간 단위면적당 1차에너지 소요량을 기준으로 건축물에너지효율을 1+++등급에서 7등급까지 총 10개의 등급으로 평가한다. 그러나 ECO2는 Text기반 입력과 월별 평균 기후데이터를 사용함에 따라 간절기 등에서 발생되는 냉난방 에너지의 교차사용 등에 대한 분석 및 특정시점에서의 에너지사용량을 분석할 수 없어7) 정확성에 대한 논란이 제기되고 있다.

DesignBuilder 프로그램은 DOE (미국에너지부)의 건물 에너지 시뮬레이션 프로그램인 EnergyPlus를 기반으로 LEED와 ASHRAE 90.1 데이터 값(위치, 날씨, 재실자 사용 스케줄, 창호 타입, 기계 환기 및 급탕 스케줄 등) 이 탑재되어있으며, 3D로 건물을 모델링하여 시각화할 수 있고, 작성한 모델에 대해서 빛, 온도, CO2 등의 환경을 동적 시뮬레이션한다. 반면, ECO2 프로그램은 비전문가도 사용하기 편하도록 만들어진 프로그램이라는 장점이 있지만 결과 값의 정확성이 동적시뮬레이션 프로그램에 비해 떨어진다는 단점이 있다.

Kim et al. (2018)4)은 DesignBuilder 프로그램을 사용하여 ECO2 시뮬레이션 결과 값을 상대적으로 비교하여 ECO2 프로그램의 개선점을 분석하였고, 국내 공동 주택(아파트) 단위 세대의 발코니 확장 유무에 따른 에너지 소비량을 평가하였다. 공동주택에서 에너지 소비량에 가장 영향을 미치는 난방과 냉방을 집중적으로 분석하여, 연간 단위면적당 1차 에너지 소요량이 ECO2가 DesignBuilder 프로그램에 비해 평균적으로 기본형 발코니의 경우 최대 29%, 확장형 발코니는 최대 43% 높은 것으로 분석되었다. Kim and Kim (2018)8)은 ISO 13790과 DIN V 18599기반의 해석과 동적에너지 해석 프로그램의 결과 값의 비교 분석에 대한 지속적인 연구의 필요성을 언급하였다. 또한 DIN V 18599의 외피투과체 알고리즘을 이용한 월간계산법과 EnergyPlus의 시뮬레이션 결과를 비교분석한 결과 냉·난방 부하 오차율은 냉방 12%, 난방 11%로 DIN V 18599 월간계산법이 더 크게 산출되었다. 따라서 ISO 13790과 DIN V 18599 기반의 월간계산법 알고리즘의 수정과 개선을 통해 동적 시뮬레이션 프로그램과의 오차를 줄이고 신뢰성 있는 에너지 해석프로그램으로의 발전이 필요하다고 분석하였다. Kim (2013)9)은 건물 에너지 성능해석 방법인 ISO 13790 월별 계산법(Monthly Calculation Method)기반의 준정상해석프로그램(PHPP)과 동적해석프로그램(EnergyPlus)의 국내 기상데이터 및 구조체 열용량에 따른 냉난방에너지 요구량을 비교 분석하였다. 국내 서울, 춘천, 대전, 대구, 부산, 광주지역의 기상데이터 및 구조체 열용량에 따른 PHPP와 EnergyPlus의 해석 결과를 비교한 결과 경량구조에서는 냉난방에너지 용량이 차이가 두 프로그램의 경우 비슷하였지만, 중량구조에서는 PHPP가 EnergyPlus에 비해 냉방의 경우 최대 18%, 난방의 경우 최대 40.3%, 총 에너지의 경우 26.3% 높게 계산되었다. 이는 경량 구조체의 경우 축열에 의한 영향이 작아 두 프로그램의 결과가 유사하게 나타났지만, 중량 구조체의 경우 축열 효과에 대한 영향이 동적해석에서 높게 반영되기 때문으로 분석하였다. Choi et al. (2013)10)은 건물에너지 성능 평가 제도에 사용되는 ECO2가 정책 구현의 주요 수단이며 건설 시장에 큰 영향을 주는 프로그램임에도 계산 프로그램의 타당성에 대한 면밀한 평가가 이루어지지 않고 있다고 언급하였다. 또한 정밀 시뮬레이션 프로그램과 ISO 13790기반 프로그램의 이론적 차이는 열손실 및 열 획득의 열평형을 다룰 때 건물의 열용량의 효과를 어떻게 반영하는지에 따른 건물 에너지 냉난방부하 계산에 있으며, ISO 13790 계산법에서 사용되는 열용량 및 열손실획득 비에 따른 유효계수를 어떻게 설정하느냐에 따라 달라지는데 이는 각 지역의 기상 조건에 따라 달라진다고 언급하였다. 분석 결과 EnergyPlus와 ISO 13790의 월간 계산법 계수 값에 따라 냉방부하 오차율은 최소 12.16%에서 최대 117.86%까지 발생하며, 난방부하 오차율도 최소 9.86%에서 최대 97.26%까지 분포한 것으로 분석되었었다. Lee et al. (2021)11)은 소규모 근린생활시설을 대상으로 ECO2 프로그램을 활용하여 패시브 및 액티브 기술요소의 적용에 따른 에너지 절감 효과를 분석하였다. 대상건물은 준공 후 30년이 경과한 노후화된 건물로 외벽, 지붕, 바닥의 단열보강과 고효율창호교체, 고효율 냉난방장치교체, 열회수환기장치, 신재생에너지(태양광 패널) 등의 그린리모델링 요소를 적용하였다. 그린리모델링 공사 전인 기존 건축물에 대한 에너지 분석 결과 난방에너지 요구량이 50%로 가장 큰 비중을 차지하였으며, 건물 1차에너지 소요량은 192.6 kWh/m2·yr로 건축물에너지효율등급이 1+등급이었다. 난방에너지 요구량을 저감하기 위한 패시브 기술요소로 외단열 추가, 내단열 보강, 창호교체 및 창 면적비 축소를 계획하여 건물에너지성능을 분석한 결과, 난방에너지 요구량이 55.6% 절감되었으며, 총 1차에너지 소요량은 리모델링 전 대비 26.1% 절감된 142.3 kWh/m2·yr로 1+등급이었다. 여기에 액티브 기술로 냉난방장치 교체, LED 조명교체 등을 적용하여 1차에너지 소요량은 137.9 kWh/m2·yr으로 1++등급으로 향상되었으며, 신재생에너지(태양광) 적용으로 총 1차에너지 소요량은 액티브 기술요소 적용단계 이후 35.25 kWh/m2·year 추가 절감되었다. 따라서 총 1차에너지 소요량은 그린리모델링 이전 대비 53.6% 절감하였으며, 에너지자립률은 35.2%로 제로에너지건축물 5등급 수준이었다.

선행연구에서는 ISO 13790과 DIN V 18599기반 해석 프로그램과 동적 에너지 해석프로그램의 결과 값 비교분석이 지속적으로 이루어져야함을 언급하였다. 또한 이론적으로 정밀 해석프로그램과 ECO2의 차이는 열손실 및 열 획득의 열평형을 다룰 때 건물의 열용량의 효과를 반영하는 방법 따른 건물에너지 냉·난방부하계산에 있다. 또한 선행연구된 대부분의 논문에서 냉·난방부하의 결과 값의 차이를 비교 분석하였다. 그러나 ECO2와 DesignBuilder 프로그램을 통한 공동주택의 건물에너지성능(난방, 냉방, 급탕, 조명, 환기)을 비교한 선행연구에서 두 프로그램의 결과 값 차이는 급탕, 조명, 환기에너지에도 발생하였다.

따라서 본 연구에서는 두 프로그램의 차이점을 비교하고, 정부사업으로 진행된 그린리모델링 사례인 공공건축물 1개소에 대해 ECO2와 DesignBuilder 프로그램을 통한 건물에너지성능(난방, 냉방, 급탕, 조명, 환기)의 결과 차이를 비교 분석하여, 그린리모델링을 통한 건축물에너지효율 등급의 변화를 확인하였다.

2. 건축물에너지성능 평가 프로그램(ECO2 및 DesignBuilder) 특성

ECO2는 국내에서 공식적으로 건물에너지 성능평가 기법으로 사용하고 있는 시뮬레이션으로 ISO 52016과 DIN V 18599의 표준의 부하 산출식에 따라 건물 에너지 성능을 평가한다. 월별 평균 기상데이터를 바탕으로 건물의 월별 에너지 요구량 및 기계설비 시스템 성능에 따른 건물의 월별 에너지 소요량을 산출한다. ECO2의 입력은 일반 건물 정보, 입력 존(조닝), 공조처리, 난방기기, 난방공급시스템, 난방분배시스템, 냉방기기, 냉방분배시스템, 신재생 및 열 병합, 열관류율로 나뉜다. ECO2 프로그램에서는 평가되는 공간에 대해 사용프로필을 설정하게 되며, 이 사용프로필에 따라 조명시간과 기계설비 운전시간, 실 사용시간 등이 고정되어 적용된다.

DesignBuilder는 EnergyPlus 기반의 통합 건물 에너지해석 시뮬레이션 프로그램이다12). DesignBuilder는 3D로 건물을 시각화할 수 있으며, 일사 전문 해석 프로그램인 Radiance 및 CFD, 비용분석 기능과 건물의 종합적인 에너지 활용을 평가할 수 있다7). DesignBuilder 입력항목은 Activity, Construction, Lighting, HVAC이 있으며, 건물의 용도와 지역을 설정할 수 있고, 조명시간과 기계설비의 운전시간, 실 사용시간 등을 수정 설정할 수 있다.

ECO2와 DesignBuilder 프로그램의 차이는 Table 1과 같다. ECO2는 HVAC과 같은 액티브요소의 경우 스케줄 설정을 할 수 없고, 결과 값에 영향을 미치는 인접실의 정보를 입력하지 못하여 인접실의 열 영향을 반영하지 못하는 한계가 있다.

Table 1.

Input data difference in two programs4)

ECO2 DesignBuilder
Method ISO 13790 ASHRAE 90.1
Weather data Average monthly data Hourly data
Evaluation Monthly/yearly energy loads Hourly, daily, Monthly/yearly energy loads
Occupancy control x o
Metabolic control x o
Thermal Mixing in Adjacent room x o
Outdoor air control x o
Indoor air control o o
Detailed Material conditions o o
Equipment capacity o o
Equipment efficiency o o
Equipment Schedule x o

또한 ISO 13790을 기반으로 하는 ECO2와 EnergyPlus 기반으로 하는 DesignBuilder는 Table 2와 같이 기상데이터 항목에서도 차이가 발생한다.

Table 2.

Weather data difference in two programs9)

ECO2 DesignBuilder
Temperature Dry-bulb temperature
Wet-bulb temperature X
Dew point temperature X
Sky temperature X
Soil temperature X
Soil temperature by location X
Humidity Relative Humidity X
Absolute Humidity X
Solar Radiation Horizontal Global Radiation
Total irradiance of vertical surface per azimuth
Direct Normal Irradiation X
Diffuse Horizontal Irradiation X
Illuminance Global Horizontal Illuminance X
Diffuse Horizontal Illuminance X
Direct Normal Illuminance X
Wind Direction X
Velocity X
Snowfall X
Rainfall X
Visibility X
Atmospheric Pressure X
Cloud Cover (1~10) X

※ ○: Inputable, X: Un Inputable, ◎: Calculated Value

3. 대상 건물 개요 및 건물에너지성능 평가 프로그램(ECO2, DesignBuilder)입력 값

3.1 대상건물 개요

제로에너지건축물 보급 가속화를 위해 공공부문 대상 제로에너지 의무화를 시행하고, 공공건축물 그린리모델링을 시행하고 있다. 또한 온실가스 감축 로드맵 이행계획에 따른 기존 건축물 감축 목표량이 신축 건물 대비 크기 때문에 ECO2와 DesignBuilder 프로그램의 시뮬레이션을 위한 모델로 그린리모델링 시공된 공공건축물을 선정하게 되었다. 또한 공공건축물 10동 중 7동이상이 소규모(5백 m2미만)로 20년이상 노후화된 경우가 45.3%에 이르며, 가장 많은 비율을 차지하는 용도는 제1종근린생활시설이다13). 따라서 제1종근린생활시설이며 연면적 5백 m2 미만인 보건진료소를 대상 건물로 선정하였다.

대상건물은 충청남도 공주시에 위치한 보건진료소로 2004년에 준공되었으며, 건축면적 195 m2, 연면적 266.25 m2의 제1종근린생활시설이다(Table 3). 철근콘크리트구조의 건축물로 1층에는 창고, 보일러실과 주거공간인 방, 안방, 주방, 거실, 화장실, 현관으로 이루어져 있으며, 비주거공간인 보건진료소의 진료실, 대기실, 화장실, 계단실로 이루어져 있다(Fig. 1). 또한 증축된 2층에는 화장실, 창고, 건강증진실, 계단실로 이루어져있다(Figs. 2, 3). 대상건물에서 증축된 2층은 고효율 냉난방기기와 창호가 적용되어 있었기 때문에 노후화된 1층을 대상으로 그린리모델링을 진행하였다. 1층에 대해 고효율보일러, 고효율 LED 조명, 고효율 창호로 교체하였으며, 폐열회수환기장치를 적용하였고, 외벽 및 지붕 단열을 보강하였다.

본 논문에서는 그린리모델링을 통한 건물의 에너지 절감량을 분석하고자 하였으며, 그린리모델링 시공 전에 적용되어있던 태양광 시스템에 대한 분석을 제외하였다.

Table 3.

Target building outline

Public health center outline
Site 159 Gugye-ri, Yugu-eup, Gongju-si, Chungcheongnam-do
Construction Year 2004
Building Type The First Neighbourhood Living Facility
Main Structure Reinforced concrete
Total Floor Area 266.25 m2
Floor Lebel 2F
Application Factor on Green-remodeling at Building (1F) 1) Reinforce Wall and Roof Insulation
2) Change the Window
3) High Efficiency Boiler
4) Two HRV (Heat Recovery Ventilation)
5) Change the Low Efficiency Lighting to LED Lighting

/media/sites/kses/2022-042-03/N0600420307/images/Figure_KSES_42_03_07_F1.jpg
Fig. 1.

Floor plan of the first floor

/media/sites/kses/2022-042-03/N0600420307/images/Figure_KSES_42_03_07_F2.jpg
Fig. 2.

Floor plan of the second floor

/media/sites/kses/2022-042-03/N0600420307/images/Figure_KSES_42_03_07_F3.jpg
Fig. 3.

Longitudinal Section

3.2 Activity

기기의 사용시간과 운전시간은 ECO2 프로그램에서 제시한 사용프로필 설정 값을 적용하였으며, DesignBuilder 프로그램의 경우 기기 운영스케줄을 실제 운영시간을 토대로 적용하였다. 사용프로필은 주거공간의 경우 24시간 운영, 비주거공간의 경우는 11시간 운영으로 설정하였다. 또한 두 프로그램의 실내 난방 및 냉방 설정온도는 각각 20℃, 26℃로 적용하였다.

3.3 열관류율 및 침기율

열관류율 항목에서는 건물 외피를 구성하는 벽, 지붕, 바닥, 창, 문 등의 구성 재료 및 열전도율 값을 생성한다. 그린리모델링 전의 열관류율 값을 그린리모델링 설계기준에 있는 준공년도(2004년)의 중부지역 열관류율 값으로 입력하였다. 대상건물의 건물 외피구성 재료에 따라 외벽과 지붕의 열관류율은 각각 2가지 종류로 입력하였다. 또한 그린리모델링 이후의 열관류율은 단열재 추가 또는 고효율 창호 교체를 통해 향상되었다. 그린리모델링 시공 전, 후의 외벽, 지붕, 바닥, 창호 등의 열관류율 값은 Table 4와 같으며, 침기율은 주거공간에 대해 6 회/h, 비주거공간은 1.5 회/h를 적용하였다.

Table 4.

Building U-value (W/m2·K)

U-value (ECO2 and DesignBuilder) Note
Before
Green-Remodeling
Exterior Wall 1 0.395
Exterior Wall 2 0.377 Store room
Roof 1 0.284
Roof 2 0.284
Ground Floor 0.412
Window 1 3.84 First Floor Window
Window 2 1.378 Second Floor Window
Door 3.84
After
Green-Remodeling
Exterior Wall 1 0.199
Roof 1 0.173
Window 1 0.982, 1.378 First Floor Window
Door 0.785

3.4 Lighting

조명에너지 부하율은 ECO2에서 실별 조명부하를 면적으로 나누어 적용하였으며, 조명사용시간은 사용프로필에 따라 정해진 값으로 적용되었다. DesignBuilder의 조명에너지 부하율과 조명사용시간은 ECO2에 적용된 값과 동일하게 입력하였다. 두 프로그램에서 조명에 대해 입력 설정한 값은 Table 5과 같다.

Table 5.

ECO2 and DesignBuilder lighting data

Lighting Before (W/m2) After (W/m2) Use Hour
1F Room 1 9.92 3.03 5
Room 2 4.96 2.75 5
Bathroom 1 5.95 2.38 5
Kitchen 8.57 4.76 5
Living Room 7.32 2.03 5
Toilet 2 5.95 9
Clinic 3.37 9
Waiting Room 4.91 9
Stairway 4.54 11
Entrance 1 11.11 4.44 5
Entrance 2 11.11 5
Balcony - 2.67 5
2F Toilet 3 4.76 9
Store Room 4.32 11
Clinic 4.54 9
StairWay 0 11

3.5 HVAC

그린리모델링 전 대상건물은 기름보일러와 EHP(난방용) 1개, EHP(냉방용) 2개와 형광등이 적용되어 있었으며, 그린리모델링을 통해 고효율 기름보일러와 LED 조명, 폐열회수환기장치 2개가 적용되었다.

ECO2 프로그램에서는 난방기기, 냉방기기, 공조처리 입력 탭에 보일러 및 냉난방기기의 실외기, 폐열회수환기장치 사양을 입력한다. 또한 난방공급시스템 입력항목에 난방열원을 공급해주는 실내기의 열 공급 시스템 특성치를 입력하고, 난방분배시스템 및 냉방분배시스템에서 배관길이 등을 입력하여 배관손실을 고려한다. DesignBuilder 프로그램에서는 HVAC system Layout 화면에서 보일러와 냉난방기기, 폐열회수환기장치 등의 열원설비 관련 템플릿(Heated Floor, Generic Air Loop, PTHP, DHW Loop)을 업 로드하여 시스템 계통도를 생성하고, 설비가 적용된 존(Zone)을 선택해주며, 각각의 설비 사양을 입력한다.

ECO2와 DesignBuilder 프로그램에서 입력한 냉·난방, 공조처리 기기들의 사양은 Table 6과 같으며, DesignBuilder에서 생성된 냉난방기기 시스템 개략도는 Fig. 4와 같다.

/media/sites/kses/2022-042-03/N0600420307/images/Figure_KSES_42_03_07_F4.jpg
Fig. 4.

Schematic diagram of the cooling and heating system of the DesignBuilder (After Green-Remodeling)

Table 6.

ECO2 and DesignBuilder HVAC data

HVAC Before After
Heating Heated Floor Fuel Type Oil
Nominal capacity [W] 29080 41050
Boiler efficiency [%] 90
EHP (2F) Capacity [W] 13200
COP 3.47
Cooling EHP (1F) Capacity [W] 3240
COP 3.47
Total Pan efficiency [%] 70
Pressure rise [Pa] 100
EHP (2F) Capacity [W] 4000
COP 3.33
Total Pan efficiency [%] 70
Pressure rise [Pa] 100
Ventilation HRV 1 CMH - 250
Heat recovery rate(heating) [%] - 55
Heat recovery rate(cooling) [%] - 40
Fan pressure rise [Pa] - 150
Fan total efficiency [%] - 0.087
HRV 2 CMH - 350
Heat recovery rate(heating) [%] - 50
Heat recovery rate(cooling) [%] - 35
Fan pressure rise [Pa] - 170
Fan total efficiency [%] - 0.094

4. 결과분석

4.1 건물에너지성능 평가 프로그램 시뮬레이션 결과

그린리모델링이 이루어진 건축물에 대해 ECO2와 DesignBuilder 프로그램을 이용하여 두 프로그램의 다른 특성으로 인해 발생되는 결과 값의 차이(난방, 냉방, 급탕, 조명, 환기 에너지소요량)를 비교분석하였으며 결과는 Fig. 5와 같다. 그린리모델링 요소인 단열 보강, 고효율 보일러 교체, 고효율 창호 교체를 통한 난방에너지 소요량은 ECO2의 경우 약 49 kWh/m2·yr 감소하였으며, DesignBuilder의 경우 약 42 kWh/m2·yr 감소하였다. 또한 그린리모델링 요소 중 단열보강, 고효율 창호 교체를 통한 냉방에너지 소요량은 ECO2의 경우 약 3.6 kWh/m2·yr 감소하였으며, DesignBuilder의 경우 약 2.3 kWh/m2·yr 감소하였다. 그린리모델링 요소(외피의 단열성능 강화)를 통해 냉방에너지 요구량이 줄어들었지만, 기존에 사용하던 냉방기기를 교체하지 않았기 때문에 냉방에너지 소요량의 절감은 난방에너지 절감량보다 작은 것으로 판단된다. 고효율 보일러 교체를 통해 급탕 에너지 소요량은 ECO2 프로그램의 경우 3.5kWh/m2·yr 감소하였으며, DesignBuilder의 경우 약 0.6 kWh/m2·yr 감소하였다. 고효율 LED 교체를 통해 조명에너지 소요량은 ECO2의 경우 약 5 kWh/m2·yr 감소하였고, DesignBuilder의 경우 약 1.3 kWh/m2·yr 감소하였다. 환기에너지 소요량은 ECO2 프로그램에서 4.6 kWh/m2·yr 증가하였으며, DesignBuilder 프로그램에서는 1.9 kWh/m2·yr 증가하였다. 그 이유는 기존에 없었던 환기장치인 폐열회수환기장치를 적용하면서 소요량이 증가하였기 때문이다. 건물에너지 총 소요량은 그린리모델링을 통해 ECO2와 DesignBuilder 프로그램에서 각각 약 53 kWh/m2·yr , 약 44 kWh/m2·yr 감소하였으며, 건축물 에너지성능(난방, 냉방, 급탕, 조명, 환기) 중 난방에너지 절감량이 가장 크게 나타났다. 이는 단열수준이 취약한 건축물의 외벽 및 지붕 단열보강과 고효율 창호 교체로 건축물의 단열을 강화하여 난방에너지 요구량을 감소시켰으며, 추가로 고효율 보일러 교체를 통해 최종적으로 난방에너지소요량이 큰 감소를 보인 것으로 판단된다. 두 프로그램에서 평가된 건물에너지 소요량 결과의 차이는 난방에너지가 가장 컸다. 이는 ECO2 프로그램에서 주거공간의 기기 운전시간은 24시간으로 고정되어 계산되어지고, 비주거의 대규모 사무실(30m2 초과)의 경우 11시간으로 고정되어 계산되며, 월별 공간 사용일수가 최대 22일에서 최소 19일로 정해져 계산되기 때문이다. 하지만 DesignBuilder의 경우 기기 운전시간 등의 스케줄 설정이 가능하여 보건소의 실제 운영시간을 토대로 기기운전시간과 공간 사용일수를 입력하였다. 주거공간의 경우 24시간 가동으로 설정하고 비주거공간인 보건소는 월~금 9시간 가동으로 설정 하였으며, 주거공간의 사용 일수는 ‘월 ~ 일’, 비주거 공간의 사용일수는 ‘월 ~ 금’으로 설정하였다. 또한 DesignBuilder에서는 보건소를 운영하지 않는 공휴일의 경우는 사용일수에서 제외되도록 하였다. 따라서 사용 프로필에 따라 설정 값이 고정되어 적용되는 ECO2 프로그램과 다르게 수정입력이 자유로운 DesignBuilder의 차이로 인해 발생한 것으로 분석된다.

/media/sites/kses/2022-042-03/N0600420307/images/Figure_KSES_42_03_07_F5.jpg
Fig. 5.

Energy consumption calculated with ECO2 and DesignBuilder

4.2 그린리모델링을 통한 건축물에너지효율등급

두 프로그램의 1차에너지 소요량과 건축물에너지효율등급은 Table 7과 같다. 대상건물의 그린리모델링 시공 전 건축물에너지효율등급은 ECO2 프로그램 결과 1등급, DesignBuilder 프로그램 에서는 1+등급이었으며, 그린리모델링 시공 후의 건축물에너지효율등급은 1++등급으로 두 프로그램의 결과가 동일하였다. 노후화된 소규모 건물의 그린리모델링 시공을 통한 건축물에너지효율등급은 ECO2 프로그램을 통해 평가한 결과 2단계 향상되었으며, DesignBuilder 프로그램에서는 1단계 향상되었다. 대상건물에 대한 실측 데이터가 없어 두 프로그램 결과의 신뢰성을 평가할 수 없다는 한계가 존재하지만, 그린리모델링을 통해 노후화된 건축물의 건물에너지성능이 향상됨을 확인 할 수 있다. 노후화된 기존 건축물에 대해 건축물에너지성능을 평가한 결과, ECO2 프로그램에서 건축물에너지효율등급이 1단계 더 낮게 평가되었는데, 두 프로그램에서 건축물에너지효율등급이 다르게 나온 것은 ECO2 프로그램은 공간의 사용프로필에 따라 기기운전시간, 월별 공간 사용일수 등이 정해져있지만 DesignBuilder에서는 건물에 적용된 기기의 실제 운전시간과 공간 사용일수를 입력 할 수 있기 때문이며, 이로 인해 난방에너지소요량의 차이가 가장 크게 나타났기 때문으로 분석된다.

Table 7.

Primary energy consumption calculated with ECO2 and DesignBuilder (unit: kWh/m2·yr)

ECO2 DesignBuilder
Primary Energy Consumption (Before) Heating 130.10 Heating 73.26
Cooling 12.00 Cooling 20.63
DHW 10.80 DHW 8.80
Lighting 48.50 Lighting 42.08
Ventilation 0.00 Vemtilation 0.00
Total 197.50 Total 144.80
Primary Energy Consumption (After) Heating 72.80 Heating 27.61
Cooling 8.10 Cooling 14.30
DHW 6.90 DHW 8.14
Lighting 34.60 Lighting 38.50
Ventilation 12.70 Vemtilation 5.23
Total 135.10 Total 93.80
Building Energy Efficiency Rating (Before) 1 1+
Building Energy Efficiency Rating (After) 1++ 1++

5. 결 론

본 연구에서 국내 건축물에너지성능 평가 프로그램인 ECO2 프로그램과 DesignBuilder 프로그램의 차이점을 비교하였다. 또한 국내에서 건축물에너지성능을 평가하는 ECO2 프로그램으로 그린리모델링을 통한 효과를 확인하였으며, 지속적으로 제기되어오는 ECO2 프로그램의 정확성에 대한 문제 제기에 대해 정밀해석 프로그램인 DesignBuilder로 평가하여 대상건물의 연간 단위면적당 1차에너지 소요량(난방, 냉방, 급탕, 환기, 조명)의 차이를 비교 분석하였다.

1) 정밀해석 프로그램과 ECO2의 차이는 이론적으로 건물에너지 냉·난방부하계산에 있다는 선행연구내용과 같이 정밀해석 프로그램인 DesignBuilder와 ECO2 프로그램의 결과는 냉·난방에너지 소요량이 가장 큰 차이를 보였다. 또한 두 프로그램의 평가결과에 대해 급탕, 조명, 환기 에너지 소요량의 차이도 발생 하였는데, 그 이유는 ECO2 프로그램은 사용프로필에 따라 조명사용시간, 급탕요구량, 운전시간 등이 고정되어 적용되기 때문이다. 따라서 ECO2 프로그램도 사용프로필에 따라 고정되어 적용되는 값을 DesignBuilder 프로그램과 같이 수정 입력할 수 있도록 개선될 필요가 있다고 생각한다.

2) ECO2 프로그램 결과가 DesignBuilder 프로그램 결과보다 크게 나온 것은 건물에너지 소요량에서 가장 많은 부분을 차지하는 난방에너지가 ECO2에서는 월별 평균 기상데이터(외기온도, 수평면/수직면 전일사량)를 반영하여 계산하는데, DesignBuilder에서는 풍속, 풍향, 습도 데이터가 추가로 포함되며, 이 데이터 항목 중 풍속데이터가 외부 대류 열 전달 계수를 계산하는데 사용된다. 따라서 반영되어지는 기상데이터 항목의 차이로 인해 난방에너지 계산에서 차이가 발생하여 ECO2 프로그램 결과가 DesignBuilder 결과보다 크게 나타난 것으로 사료된다.

3) 두 프로그램에서 대상건물의 연간 단위면적당 에너지 소요량의 차이는 난방에너지 외에 냉방, 급탕, 조명, 환기 에너지에 대해서는 작은 수준으로, 제1종 근린생활시설인 소규모 공공건축물의 경우, 에너지절감을 통한 건축물에너지효율등급 향상을 위해 1차에너지 소요량을 가장 크게 감소시키는 난방에너지와 관련된 그린리모델링 요소(단열보강, 고효율창호교체, 고효율냉난방기기 적용 등)를 적용해야 된다고 판단된다.

4) 본 연구는 소규모 공공건축물 1개소를 대상으로 분석하였기 때문에, 추가적으로 그린리모델링이 이루어진 소규모 공공건축물 몇 개소를 대상으로 그린리모델링 요소 적용에 따른 에너지절감량과 비용에 대해 비교분석하여 비용 대비 건축물에너지성능을 최적화하는 그린리모델링 요소를 밝힐 필요가 있다. 또한 그린리모델링을 통한 효과를 검증하기 위해 실측데이터와 두 프로그램의 결과를 비교 분석하는 작업이 필요하다.

Acknowledgements

본 연구는 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지기술평가원(KETEP), 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행한 연구 과제입니다(No. 20202020800360, NRF-2021R1A2C2092760).

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