공동주택 외피 단열 수준별 창면적비에 따른 에너지성능에 관한 연구

Abstract

공동주택의 창은 일사에 의한 태양 복사에너지를 실내로 받아들이는 역할을 하고, 겨울철 실내로의 일사유입은 실내에 태양 복사열을 전달하여 난방에너지 절감에 도움을 준다. 12월에서 1월 사이에 남측 창은 하루에 4~5시간만 일사를 받더라도 난방에 충분히 도움 되는 양(2,167~2,696kcal/㎡/day)의 복사에너지를 받을 수 있다. 채광창을 이용해 겨울철 태양 복사에너지를 최대한 실내로 유입시키는 건축계획은 추가적인 설비 필요 없이 주거부문의 난방 에너지를 절감 할 수 있는 방법이다. 따라서 창의 면적은 창을 통해 실내로 유입되는 태양 복사에너지의 양을 결정하는데 중요한 요소가 된다. 반면 이러한 창의 면적이 증가하게 되면 외벽보다 단열성능이 떨어지는 창을 통한 전열 손실의 증가로 냉난방 에너지 손실이 발생한다. 국내 공동주택은 채광, 조망을 위해 거실에 전면창을 설치하고 있으며, 최근에는 외장적인 효과를 위해 공동주택 외피에서 창이 차지하는 비율이 점점 높아지고 있다. 2006년 1월 공동주택의 발코니 확장이 합법화되면서 열적 완충공간으로 작용하던 발코니가 대부분 확장됨에 따라 창호가 에너지성능에 미치는 영향은 더욱 커지게 되었다. 이에 공동주택에서 에너지 절약을 위한 효과적인 방법은 설계 초기 단계부터 창호 및 벽체의 단열, 창면적비 등의 건축적인 특성을 고려하여 효율적인 에너지 절약 계획을 수립하는 것이다. 이에 본 연구에서는 창호 및 외벽의 단열성능, 창면적비를 평가항목으로 설정하고 동적열부하 시뮬레이션을 통해 이에 따른 난방 및 냉방 부하의 변화와 에너지성능을 분석하여 공동주택에서 외피의 단열 성능별 창면적비에 따른 에너지성능에 대한 연구를 진행하고자 하였다. (1) 주요 설계변수로 선정한 창호의 단열성, 외벽의 단열성, 창면적비의 성능수준 case를 조합한 총 25개의 대안(CASE)들을 대상으로 난방 및 냉방부하를 산출하였다. 평가대상 공동주택에 대한 CASE별 연간 난방 및 냉방부하 산출 결과, 창면적비가 증가할수록 난방부하는 감소하고 냉방부하는 증가했다. 이는 창면적비가 증가할수록 창을 통한 전열손실 보다 일사열획득이 난방부하에 미치는 영향이 더 크며 이는 난방부하에 유리하기 때문이다. 창호와 외벽의 단열성능이 향상 될수록, 창면적비가 증가할수록 전열량 감소와 일사열획득 증가로 난방부하는 줄어들고 냉방부하는 증가하며 총 부하는 난방 및 냉방부하의 변화량 크기에 의해 결정된다. CASE1(창호 열관류율 2.1W/㎡K, 외벽 열관류율 0.36W/㎡K)을 보면 창면적비가 증가함에 따라 난방부하는 감소하고 냉방부하는 증가하며 난방부하 감소량보다 냉방부하 증가량이 크기 때문에 총 부하는 증가한다. 이를 통해 창을 통한 전열손실 보다는 일사열 획득이 난방부하에 미치는 영향이 더 큼을 알 수 있었고, 창면적비 변화 시 냉방부하 변화량이 난방부하 변화량 보다 더 큼을 알 수 있었다. CASE2(창호 열관류율 1.8W/㎡K, 외벽 열관류율 0.30W/㎡K), CASE3(창호 열관류율 1.5W/㎡K, 외벽 열관류율 0.25W/㎡K), CASE4(창호 열관류율 1.2W/㎡K, 외벽 열관류율 0.20W/㎡K), CASE5(창호 열관류율 0.8W/㎡K, 외벽 열관류율 0.15W/㎡K)는 난방부하는 감소하고 냉방부하는 증가하는 경향은 유지되지만 총 부하는 감소하는 경향을 볼 수 있다. 외피의 단열성능이 좋아질수록 창면적비 증가에 따른 일사열 획득량의 증가와 전열량 감소의 영향이 난방부하에 유리하게 작용하여 난방부하 감소량이 커지기 때문에 총 부하는 감소하게 된다. 따라서 외피의 단열성능이 향상될수록 총 부하는 냉방부하의 증가보다 난방부하의 감소에 더 많은 영향을 받음을 알 수 있고 이는 일사열 획득에 의한 영향이 커지기 때문이다. (2) 평가대상 공동주택에 대한 CASE별 창면적비 변화에 따라 얼마만큼의 일사열을 획득하며 또 관류에 의한 열손실량을 알아보기 위해 열흐름 분석을 하였다. CASE1(창호 열관류율 2.1W/㎡K, 외벽 열관류율 0.36W/㎡K)에서 창면적비가 증가할수록 창을 통한 열손실은 증가하고 벽을 통한 열손실은 감소하며 외피를 통한 총 열손실은 증가하고, 창면적비 증가로 인해 창을 통해 유입되는 일사열 획득은 증가한다. 이는 창면적비가 증가하면 외벽보다 열관류율이 낮은 창의 면적이 더 커져 창을 통한 열손실은 증가하고 벽을 통한 열손실은 감소하기 때문이다. 창면적비가 증가할수록 외피를 통한 열손실은 증가하고 창을 통한 일사열 획득량은 증가하며 외피를 통한 열손실량 보다 창을 통한 일사열 획득량이 더 크기 때문에 실내로의 열획득이 증가하게 되므로 난방부하에는 유리하고 냉방부하에는 불리하게 된다. CASE2(창호 열관류율 1.8W/㎡K, 외벽 열관류율 0.30W/㎡K), CASE3(창호 열관류율 1.5W/㎡K, 외벽 열관류율 0.25W/㎡K), CASE4(창호 열관류율 1.2W/㎡K, 외벽 열관류율 0.20W/㎡K)인 경우 또한 창면적비가 증가할수록 외피를 통한 열손실은 증가하고 창을 통한 일사열 획득량은 증가한다. 이는 난방부하에는 유리하게 작용하고 냉방 부하에는 불리하게 작용하지만 총 부하는 난방 부하 변화량과 냉방 부하 변화량에 의해 결정될 것이다. CASE5(창호 열관류율 0.8W/㎡K, 외벽 열관류율 0.15W/㎡K)는 창면적비가 증가할수록 창을 통한 열획득량이 증가함을 볼 수 있다. 이는 고성능 단열창호의 사용으로 실내로부터 전달되는 장파 적외선의 반사로 열손실이 줄기 때문이다. 창을 통한 열획득량 증가로 인해 외피를 통한 열 획득 또한 창면적비가 증가할수록 증가하게 되고 일사열 획득량은 창면적비 증가에 따라 증가한다. 따라서 난방부하는 감소하고 냉방부하는 증가하지만 전열량(획득)의 증가와 일사열 획득량의 증가가 난방 부하에 유리하게 작용하여 난방부하의 변화량이 냉방부하 변화량 보다 커 총 부하량은 감소하게 된다. (3) 난방 및 냉방에너지 소비량은 난방기(6-9월을 제외한 절기)와 냉방기(6-9월)를 적용하여 난방에너지 소비량은 난방기에 해당되는 부하만을 적용시키고 냉방 에너지 소비량은 냉방기에 해당되는 부하만을 적용시켜 산출하였다. CASE별 난방 및 냉방에너지 소비량은 난방 및 냉방 부하에 비례계수가 곱해져 산출되기 때문에 그 경향은 난방 및 냉방부하에서와 같다. 하지만 총 에너지 소비량은 총 에너지 소비량의 80~90%를 차지하는 난방에너지 증감량에 의해 결정되며 난방에너지는 앞서 말했듯 난방부하에 비례계수가 곱해져 산출되기 때문에 외피의 단열성능이 향상될수록, 창면적비가 증가할수록 감소량이 증가하여 총 에너지는 감소한다. (4) 난방 및 냉방에너지 비용은 난방 및 냉방부하의 경우와 같다. 하지만 열량당 사용요금, 전력량 요금이 계절 혹은 에너지 소비량에 따라 차등적용 되므로 대안별 에너지비용 증감률은 부하 및 에너지 소비량의 경우와는 다르게 나타난다. CASE1(창호 열관류율 2.1W/㎡K, 외벽 열관류율 0.36W/㎡K)에서 창면적비 40%(CASE1_40%)의 난방에너지 비용은 창면적비 20% (CASE1_20%)의 난방에너지 비용보다 감소하였고 냉방에너지 비용은 창면적비 40%(CASE1_40%)가 창면적비 20% (CASE1_20%)보다 증가하여 총 에너지 비용이 증가하였다. 하지만 CASE2(창호 열관류율 1.8W/㎡K, 외벽 열관류율 0.30W/㎡K)에서 창면적비 40%(CASE2_40%)의 난방에너지 비용은 창면적비 20%(CASE2_20%)의 난방에너지 비용보다 감소하였고 냉방에너지 비용은 창면적비 40%(CASE2_40%)이 창면적비 20% (CASE2_20%)보다 증가하여 총 에너지 비용은 감소하였다. CASE3(창호 열관류율 1.5W/㎡K, 외벽 열관류율 0.25W/㎡K)과 CASE4(창호 열관류율 1.2W/㎡K, 외벽 열관류율 0.20W/㎡K), CASE5(창호 열관류율 0.8W/㎡K, 외벽 열관류율 0.15W/㎡K)도 이와 마찬가지로 난방에너지 비용 감소량이 냉방에너지 비용 증가량보다 많아 총 에너지 비용은 창면적비가 증가 할수록 감소했다.;Enhancement of exterior's insulation performance like wall or window etc. is general way for building's energy efficient and thermal performance. But exterior's opening plan is important for minimizing the energy consumption and heat loss. Building receive solar radiation through windows and the solar radiation helps to save heating energy in winter. Therefore the bigger the window ratio is, the larger the amount of solar radiation we can receive. On the other hand, expansion of window area's rate increases heat loss through glazing. The aim of this study is to evaluate the energy performance of apartment building according to window-to-wall ratio and energy performance of envelope. Annual heating and cooling loads of apartment building with various window-to-wall ratios and energy performances of envelope were calculated by EnergyPlus program. First, a Baseline model was established, based on an actual recently constructed apartment complex that is regarded as the most common type. To evaluate energy performance, 25 CASEs which were combined with various performance ranges of U-value of the total glazing system, U-value of the insulation and Window-to-wall ratio were determined. As results, the enhance of U-value of the total glazing system and U-value of the insulation reduces heating loads and increases cooling loads because of increase of the heat loss and decrease of solar radiation. The total saving effect is determined by the sum of heating and cooling energy performance.