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서울지역 업무시설에서의 계측에 의한 용도별 에너지사용량 및 CO2 배출량 원단위 분석

Title
서울지역 업무시설에서의 계측에 의한 용도별 에너지사용량 및 CO2 배출량 원단위 분석
Other Titles
Intensities Analysis of Energy Use and CO2 Emission by End Use Based on Measurements of Office Building in Seoul
Authors
임한영
Issue Date
2019
Department/Major
대학원 건축도시시스템공학과
Publisher
이화여자대학교 대학원
Degree
Master
Advisors
송승영
Abstract
본 연구에서는 건물별로 매우 다양하고 복잡한 방식으로 운영되고 있는 업무시설에 대해 각 설비시스템을 고려한 에너지정보를 상세히 제공할 수 있도록, 표본 업무시설에서의 계측에 의한 용도별 에너지사용량 원단위 분석을 수행하였다. 최근 온실가스 감축 목표 달성을 위한 건물 부문의 에너지절약이 국내외적으로 강조되고 있으며, 이에 많은 국가들이 설계기준 강화, 리모델링 촉진, 제로에너지 건축 의무화 등 건물에너지절약 정책들을 크게 강화하고 있다. 이러한 정책 강화가 실효를 거두기 위해서는 시장에서의 기술적, 경제적 타당성 확보와 함께 건물 관계자나 정책 입안자가 쉽게 접근 가능하고, 에너지 사용 특성을 파악할 수 있는 건물 부문의 에너지사용 정보 제공이 필요하다. 특히, 건물부문에서의 용도별 에너지사용량 정보를 얻기 위한 방법으로는 시뮬레이션 및 계산에 의한 방법이 일반적으로 활용되나, 시뮬레이션이나 계산을 통한 방법만으로는 에너지절약을 위한 구체적인 정보를 획득하기에는 어려움이 있기 때문에, 계측에 의한 에너지사용량 정보 획득이 필요할 것으로 판단된다. 이러한 측면에서, 계측에 의한 에너지사용량 정보의 획득은 에너지사용 수준과 영향 요인을 분석하기 위한 전 단계로서 매우 중요할 것이다. 또한, 서로 다른 설비시스템으로 구성되고 익숙하여 에너지절약을 위한 구체적 Action Plan 수립 단위로서 효과적인 용도별(난방, 냉방, 급탕, 조명, 환기 등) 에너지사용 정보의 제공이 이루어진다면 에너지절약형 건물 설계 및 운전, 건물 관계자의 자발적 에너지성능 개선 유도, 구체적 정책 수립 등에 기여 가능하므로 중요하다고 할 것이다. 이에 본 연구에서는 건물별로 설비시스템 구성이 다양하고 복잡한 방식으로 운영되고 있는 업무시설의 에너지절약을 위한 계획 수립 및 에너지정보의 효율적 제공을 위해, 계측을 기반으로 에너지사용량 데이터를 획득하여 분석하고자 하였다. 기존연구에서 수립된 업무시설에서의 용도별 에너지사용량 분류 및 정의, 용도별 에너지사용량 계측 및 데이터 수집방법을 통해 업무시설에서의 설비시스템 구성방식별 계측 원칙 및 방법을 확인하였다. 이를 토대하여, 서울지역 업무시설 48개소를 계측 및 분석 대상 업무시설로 선정하고 계측시스템을 설치하였다. 대상 업무시설에서의 현장조사 자료를 토대로 에너지성능 관련 부문별(건축, 설비, 사용부문) 특성을 확인하였으며, 계측에 의한 업무시설에서의 용도별 에너지사용량을 수집하여 원단위를 산정 및 분석하였다. 먼저, 현장조사 자료를 토대로 계측 대상 업무시설 48개소에 대해 부문별(건축, 설비, 사용)특성을 확인하였다. 건축부문에서는 준공시기, 연면적, 구조형식, 코어형식, 주향, 기준층 장단변비, 기준층 유효 바닥면적비 등을, 설비부문에서는 건물별 에너지원 분포, 난방, 냉방, 급탕 열원방식, 급수방식, 공조방식 등을, 사용부문에서는 기준층 업무공간의 재실밀도, 인체발열밀도, 조명전력밀도, 기기전력밀도 등의 내부발열 수준을 제시하였다. 건축부문 특성의 경우 구조형식은 철근콘크리트조가 63%, 코어형태는 편심코어가 88%로 대부분을 차지하였고, 주향의 경우는 남동향이 33%, 남향이 21%를 차지하였다. 표본 업무시설의 기준층 장단변비(1:X), 유효바닥면적비(%), 층고(m)의 평균은 각각 1:1.6, 77%, 3.58m로 나타났다. 설비부문 특성의 경우 에너지원은 전기+가스인 경우가 63%로 가장 많았고, 난방 및 냉방 열원장치는 전기식열펌프, 직화식냉온수기인 경우가 많았다. 급탕 열원장치는 전기온수기, 온수보일러인 경우가 가장 많았고, 내,외주부 공조방식은 정풍량방식 공기조화기, 팬코일유닛이었고 조명은 형광등인 경우가 대부분이었다. 사용부문 특성의 경우 건물별 난방 운전기간은 주로 11월 1일 ~ 3월 31일이며(5~6개월), 냉방 운전기간은 6월 1일 ~ 10월 30일(5~6개월)로 나타났다. 급탕 운전기간은 난방 운전기간과 동일하게 주로 11월 1일 ~ 3월 31일(5~6개월)로 나타났으나, 연중 운전하는 건물이 가장 많은 것으로 나타났다. 그리고 상주 인원 수에 근거한 계측 대상 업무시설 기준층 재실밀도, 인체발열밀도 평균값은 각각 0.7 Person/m2, 4.7 W/m2 의 값이 구해졌다. 기준층 업무공간의 조명전력밀도 및 기기전력밀도 평균값은 각각 11.6 W/m2, 33.8 W/m2의 값이 구해졌다. 그리고 2014년에서 2016년에 계측시스템을 설치하여 연간 계측 데이터가 확보된 업무시설의 2017년 5월부터 2018년 4월까지 기간에 대한 연간 용도별 에너지사용량(Site energy)을 구하고, 이에 에너지원별 1차 에너지 및 CO2 배출량 환산계수를 적용하여 용도별 1차 에너지사용량(Primary energy) 및 CO2 배출량(CO2 emisison)을 함께 구하였다. 이를 대상 업무시설의 용도별 에너지가 사용된 바닥면적(m2)과 연면적(m2)으로 나눠 원단위를 구하였고, 연간, 월간, 시간 단위로 구분하여 산정 및 분석하였다. 또한, 용도별 에너지사용량 및 CO2 배출량 연간 원단위의 경우에는 전체 표본에서의 원단위 분포 특성을 구체적으로 파악할 수 있도록 평균값, 백분위값, 표준편차 등의 통계값을 산정하고 분석하였다. 분석 결과를 요약하면 다음과 같다. (1) 용도별 에너지사용량(Site energy) 원단위 해당공간 바닥면적(m2) 기준 용도별 에너지사용량 연간 원단위(평균값)는 전기기기(기준층) > 난방 > 냉방 > 조명 > 환기 > 급탕 > 승강 > 급수 순으로 나타났다. 전기기기(기준층), 난방이 각각 65.9, 59.7 kWh/m2year로 크게 나타났으며, 냉방, 조명은 각각 28.3, 14.7 kWh/m2year, 환기, 급탕은 각각 6.3, 5.5 kWh/m2year, 승강, 급수는 5.0 kWh/m2 year 이하로 작게 나타났다. 연간 원단위 평균값 기준 비율은 전기기기(기준층), 난방이 각각 32.8, 29.0%이고, 냉방, 조명이 각각 18.4, 9.6%이다. 이를 통해 국내 업무시설에서의 용도별 에너지사용량 연간 원단위는 전기기기, 난방은 비슷한 수준으로 매우 크고, 냉방은 난방의 절반 수준, 조명은 냉방의 절반 수준이며, 환기, 급탕, 승강, 급수는 다른 용도에 비해 작음을 알 수 있다. 그리고 용도별 에너지사용량 원단위의 표준편차는 난방, 냉방과 전기기기에서 다소 크게 나타나 표본 업무시설 간 원단위 차이가 다른 용도에 비해 큼을 알 수 있다. (2) 용도별 1차 에너지사용량(Primary energy) 원단위 1차 에너지 환산계수를 적용하여 구한 용도별 1차 에너지사용량(Primary energy)의 해당공간 바닥면적(m2) 기준 연간 원단위(평균값)는 전기기기(기준층) > 난방 > 냉방 > 조명 > 환기 > 승강 > 급탕 > 급수 순으로 나타났다. 전기기기(기준층)가 139.0 kWh/m2year로 가장 크게 나타났으며, 난방, 냉방, 조명은 각각 74.4, 54.5, 39.8 kWh/m2year, 환기, 승강, 급탕은 각각 14.0, 8.9, 7.6 kWh/m2year이고, 급수는 2.0 kWh/m2year 으로 작게 나타났다. 원단위 평균값 기준 비율은 전기기기(기준층)가 40.9%, 난방, 냉방, 조명이 각각 21.9, 16.0, 11.7%이다. 에너지사용량(Site energy) 원단위 대비 1차 에너지사용량(Primary energy) 원단위의 경우, 승강과 급탕의 용도별 대소관계의 변화가 있었다. 그리고 전기기기가 크게 증가하고 용도 간 원단위 값의 차이가 달라졌는데, 이는 전기의 1차 에너지 환산계수가 다른 에너지원에 비해 훨씬 크기 때문이다. (3) 용도별 CO2 배출량(CO2 emission) 원단위 에너지원별 CO2 배출계수를 적용하여 구한 해당공간 바닥면적(m2) 기준 용도별 CO2 배출량(CO2 emission) 연간 원단위(평균값)는 전기기기(기준층) > 난방 > 냉방 > 조명 > 환기 > 급탕 > 승강 > 급수 순으로 나타났다. 전기기기(기준층)가 23.6 kgCO2/m2year로 가장 크게 나타났으며, 난방, 냉방, 조명은 각각 12.0, 9.1, 6.8 kgCO2/m2year, 환기, 급탕, 승강은 각각 2.6, 1.6, 1.5 kgCO2/m2year이고, 급수는 0.3 kgCO2/m2year 으로 작게 나타났다. 원단위 평균값 기준 비율은 전기기기(기준층)가 41.0%, 난방, 냉방, 조명이 각각 20.9, 15.9, 11.8%이다. 에너지사용량(Site energy) 원단위 대비 CO2 배출량(CO2 emission) 원단위의 경우, 용도별 대소 관계에는 변화가 없었으며, 이상의 결과를 통해 국내 업무시설의 경우 에너지사용량 및 CO2 배출량 절감 측면에서 전기기기가 가장 비중이 크고, 난방, 냉방, 조명 순으로 비중이 크다고 할 수 있다. 이상의 결과를 통해 국내 업무시설의 경우 에너지사용량(Site energy), 1차 에너지사용량(Primary energy), CO2 배출량 절감 측면에서 전기기기가 가장 비중이 크고, 난방, 냉방, 조명 순으로 비중이 큼을 알 수 있었다. (4) 용도별 에너지사용량(Site energy) 원단위와 국외 타 데이터간 비교 및 타당성 검토 CBECS 데이터와 비교 결과, 냉방, 급탕의 원단위 값은 매우 유사하게 나타났고, 이 외 용도의 경우 다소 차이가 있었다. 용도별 에너지사용량 원단위의 대소관계는 본 논문의 경우 전기기기 등 > 난방 > 냉방 > 조명 > 환기 > 급탕 순으로, CBECS의 경우 전기기기 등 > 난방 > 환기 > 조명 > 냉방 > 급탕 순으로, 주로 환기와 냉방 에너지사용량 원단위의 대소관계가 다르게 나타났다. 한편 냉방을 제외한 모든 용도의 원단위는 CBECS의 값보다 약간 작게 나타났다. BEES 데이터와 비교 결과, 용도별 에너지사용량 원단위의 대소관계는 본 논문의 경우 전기기기 등 > 난방 > 냉방 > 조명 > 환기 > 급탕 순으로, BEES의 경우 전기기기 등 > 난방 > 조명 > 냉방 > 환기 > 급탕 순으로 나타났고, 냉방을 제외한 모든 용도의 원단위는 BEES의 값보다 약간 작게 나타났다. 이렇게 차이가 발생한 원인으로는 비교 대상인 미국 CBECS와 영국 BEES의 업무시설(Office) 데이터의 경우 본 연구 결과에 적용된 기후 특성 및 분석기간에 의한 차이가 있을 수 있다. 또한, 국외 업무시설의 사용패턴과 운전방식, 설비시스템, 노후화 정도 등은 국내와 차이가 있을 수 있고, 용도별 에너지사용량 산정 및 통계처리 방식 등에서 본 연구와 차이가 있으므로 이에 대한 고려가 필요하다. 현재 주로 에너지사용량에 한정되어 있는 건물 에너지사용 정보를 용도별로도 정확히 제공하는 것은 건물에서의 에너지절약 계획 수립을 위해 필수적이다. 또한, 국내외 선행연구들을 토대로, 국내 실정에 맞는 건물 에너지사용 정보 및 자료의 제공의 반드시 필요하다. 이에 본 연구에서는 계측에 의한 국내 업무시설에서의 용도별 에너지사용량 및 CO2 배출량 원단위 수준을 제시하여, 국내 건물부문 중 업무시설 에너지사용량 수준을 파악함을 우선하였다. 보다 구체적인 에너지성능을 평가하기 위한 관련 특성 분석 및 용도별 상세 에너지사용량 원단위 제공의 필요성을 확인하였고, 본 연구는 업무시설에서의 에너지사용량을 효과적으로 줄이기 위한 기초자료로서 활용 가능할 것으로 판단된다.;To provide detailed energy information by considering the energy systems of each office building, which are operated in various and complex methods, energy use intensities by end use based on measurements in a sample office building are analyzed in this study. The importance of energy saving in buildings is a recent issue in greenhouse gas reduction both at home and abroad. Many countries are presenting considerably stronger building-energy-saving policies regarding design standards, renovation, compulsory zero-energy building, etc. For the effective implementation of such reinforced policies, not only technical and economic feasibilities need to be ensured in the markets, but also building-energy-use information is to be provided that is easily accessible to both policy makers and those concerned with buildings who wish to understand energy use characteristics. Simulation and calculation are most widely used to obtain energy-use-information according to the end use in the building sector. However, this method alone is insufficient to obtain detailed information. Accordingly, measurements are necessary to acquire the detailed energy-use-information. In this regard, the measurement of energy use is an essential preparatory step to analyze the energy-use-levels and influential factors. Additionally, if the effective energy-use information for each purpose (heating, cooling, hot water supply, lighting, and ventilation) needs to be provided to establish a detailed action plan for energy conservation in a building consisting of different systems, the measurement will contribute considerably to the designing and operating of an energy-saving building, thus, encouraging building managers to improve the energy performance spontaneously and establish detailed policies. In this study, energy use data were acquired and analyzed based on measurement to establish energy-saving plans and efficiently provide energy information for office buildings with various system configurations that are operated in a complex manner. Based on the classification and definition of energy use by end use in office buildings, energy measurement, and data gathering methods, which were presented in an existing study, measurement principles and methods were identified for each system configuration in office buildings. Subsequently, 48 offices in Seoul were selected for measurement and analysis, and a measurement system was installed in each building. The energy performance characteristics for each sector (construction, installation, use) were examined by field survey data obtained from each office building. Energy use by end use was measured in each office building, and energy use intensities were calculated and analyzed. Initially, the characteristics of 48 offices to be measured were identified for each category (construction, installation, use) using the field survey data. For construction, the time of completion, gross floor area, structure type, core type, strike, typical floor, width/depth ratio, and effective floor area ratio of typical floor are presented. For installation, the energy source distribution of each building, heat source type of heating, cooling and hot water, water supply type, and air-conditioning type is presented. For use, occupancy density of offices on typical floor, thermal density of human body, lighting power density, equipment power density, and other internal heat levels are provided. Among the characteristics concerning construction, the reinforced concrete occupied 63% of the structure types, the eccentric core constituted as much as 88% of the core types, 33% of the strikes was of the southeast, and 21% of the strikes was of the south. The average aspect ratio (1:X), effective floor area ratio (%), and story height (m) of the typical floor of the sample office building were 1:1.7, 77%, and 3.58 m, respectively. For the characteristics of installation, the combination of electricity and gas constituted the largest portion (63%) of energy source, and an electric heat pump and a direct fired chiller/heater were primarily used as heat sources for heating and cooling. Many hot water systems are electric water heaters and hot water boilers. Constant air-volume air-conditioners and fan coil units were used for the inner and outer peripheral portions. The majority of lights were florescent lights. For the use characteristics, the period of heating operation in each building was from November 1 to March 31 (5 to 6 months), and that of the cooling operation was from June 1 to October 30 (5 to 6 months). The period of hot water supply was the same as that of the heating operation, that is, from November 1 to March 31 (5 to 6 months). However, the largest number of buildings supplied hot water throughout the year. In addition, the average occupancy density of offices on a typical floor and the average thermal density of the human body, both of which were based on the number of residents in each office building, were calculated to be 0.7 person/m2 and 4.7W/m2, respectively. The average lighting and equipment power densities in the office of a typical floor were 11.6W/m2 and 33.8W/m2, respectively. For the office buildings, where measurement systems were installed and annual data were obtained from 2014 to 2016, the annual site energy by end use between May 2017 and April 2018 was identified, and the primary energy and CO2 emissions by end use were also calculated by applying the primary energy and CO2 emission conversion factors of each energy source, respectively. The results thus obtained were divided by the floor area(m2) and gross floor area(m2) of each office building, where energy was consumed for each use, to energy use intensities. These intensities were classified and analyzed on the yearly, monthly, and hourly basis. Moreover, as for the annual energy use intensities and CO2 emission intensities by end use, to analyze the distribution of intensities in all the samples, statistics values including mean, percentile, and standard deviation were calculated and analyzed. The analysis results can be summarized as follows. (1) Site energy intensity by end use The annual site energy intensity (mean value) by end use in the floor area (m2) of each office was the highest in electrical equipment(typical floor), followed by heating, cooling, lighting, ventilation, hot water, elevator, and water supply. The annual site energy intensities of electrical equipment(typical floor)and heating were as high as 65.9 and 59.7 kWh/m2year, respectively. Those of cooling and lighting were 28.3 and 14.7 kWh/m2 year, respectively. Those of ventilation and hot water were 6.3 and 5.5 kWh/m2year, respectively. Finally, those of elevator and hot water were as low as 5.0 kWh/m2year or below. In terms of the annual site energy intensity, electrical equipment(typical floor), heating, cooling, and lighting accounted for 32.8%, 29.0%, 18.4%, and 9.6%, respectively. Consequently, in the case of offices in South Korea, electrical equipment occupied the large portion of the annual site energy intensity, followed by heating that accounted for a similar percentage. Cooling accounted for half of the percentage shown by heating, and lighting accounted for half of that shown by cooling. Ventilation, elevator, and hot water occupied relatively smaller portions. The standard deviations of the annual site energy intensities by end use were large in heating, cooling, and electrical equipment. This indicated a considerable difference in site energy intensity for these uses among the sample offices. (2) Primary energy intensity by end use As compared with the site energy intensity, the primary energy intensity reversed the order of elevation and hot water. The primary energy intensity of the electrical equipment increased remarkably, and the intensity gap between different end uses became larger. This was because the primary energy conversion factor of electricity was much larger than those of the remaining energy sources. (3) CO2 emission intensity by end use As compared with the site energy intensity, the CO2 emission intensity indicated the same order of end uses. Accordingly, in the case of offices in South Korea, electrical equipment accounts for the largest portion in the reduction of site energy and CO2 emission, followed by heating, cooling, and lighting. Based on the results obtained thus far, in the case of offices in South Korea, electrical equipment accounts for the largest portion in the reduction of site energy, primary energy, and CO2 emission, followed by heating, cooling, and lighting. (4) Comparison of overseas site energy intensity data by end use and validity analysis. In comparison with the CBECS data, the domestic data indicated highly similar intensities of cooling and heating. Meanwhile, other uses indicated a difference. For the order of percentages in terms of site energy intensity by end use, this study indicated that electrical equipment accounted for the largest percentage followed by heating, cooling, lighting, ventilation, and hot water. Meanwhile, CBECS ranked electrical equipment at the first place, followed by heating, ventilation, lighting, cooling, and hot water. Thus, the site energy intensities of ventilation and cooling changed the order. Apart from cooling, all of the end uses exhibited lower intensities than those of CBECS. In comparison with the BEES data, this study indicated that electrical equipment accounted the largest percentage of the site energy intensity, followed by heating, cooling, lighting, ventilation, and hot water. Meanwhile, BEES ranked electrical equipment at the 1st place, followed by heating, lighting, cooling, ventilation, and hot water. Apart from cooling, all the end uses exhibited lower intensities than those of BEES. The reasons for the above differences are as follows. The office data of the US CBECS and the UK BEES applied different weather conditions and analysis periods than those of this study. In addition, the use pattern, operation type, installed facilities, and deterioration of domestic offices may be different from those of overseas offices. Finally, the overseas data adopted different methods of calculating and statistically processing annual site energy from those of this study. Thus, these differences need to be considered. The current building energy information is typically restricted to energy use. Accordingly, it is necessary to provide accurate building energy information by end use. This will be beneficial in establishing an energy saving plan for each building. In addition, based on literature review, the building energy use information and data that reflect the domestic situations should be provided. This study presented the energy use and CO2 emission intensities by end use based on measurements in domestic offices to identify, above all, the energy use levels of offices in the building sector of South Korea. Consequently, this study revealed that the detailed site energy intensities by end use must be provided and relevant characteristics are to be analyzed to evaluate the energy performance more precisely. The results of this study could be used as basic data for effectively reducing energy use in offices.
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