건축물 에너지효율등급 인증 결과의 신뢰도 향상을 위한 주거공간 표준 용도프로필 개선

Abstract

Since approximately 30 percent of the world's total primary energy use is consumed by the building sector, individual countries aim to improve the energy performance of new and existing buildings. In response to this, South Korea implemented the Building Energy Efficiency Certification System in 2001 and developed the ECO2 simulation program to quantitatively evaluate the energy performance of buildings. The certification system provides the use- and operation-related boundary conditions for 20 spaces in a certain form, which are referred to as “usage profile.” Although each input parameter in the profile can greatly affect the evaluation results, the current profile has been developed without consideration of its actual use and operation in South Korean buildings; furthermore, they are based on the national standards of other countries: DIN V 18599:2007, etc. This can be a major factor in reducing the reliability of the certificates. Therefore, it has become an urgent requirement that the usage profile for South Korean buildings is developed with a level of representation, consistency, and transparency. The purpose of this study is to improve the current usage profile to better represent the actual use and operation characteristics of South Korean buildings with the aim of enhancing the reliability of building energy efficiency certificates. In particular, the results of this study demonstrate an improved usage profile for residential spaces, with a focus on residential buildings, which account for a majority of the certification demand. The following is the summary of the study carried out. (1) This study identified the status of standard usage profiles in South Korea and other countries (DIN V 18599 in Germany and SAP in the UK). Thereafter, the limitations of domestic usage profiles for residential spaces were analyzed by comparing the type, form, and values of each input parameter of the usage profiles in each country. (2) Sensitivity index method was used to evaluate the "true sensitivity" of each input parameter on the results of the total primary energy demand and select the important input parameters to be improved. The results showed that the influence is high in the order of set-point temperature for heating (0.27), operating hours of lighting (0.22), demand for domestic hot water (0.14), heat dissipated by persons (0.09), heat dissipated by appliances (0.08), and operating hours of heating system (0.03). (The values in parentheses are sensitivity indexes.) The ‘operating hours of heating system’ was judged as requiring no improvement because its impact on the total primary energy was only 3%. Thus, heat dissipated by persons and appliances, demand for domestic hot water, operating hours of lighting, and set-point temperature for heating were selected as the input parameters to be improved. (3) The values of each input parameter were improved to represent the actual use and operation status of domestic households by using data from sample apartment units in South Korea, which were collected by field measurement and survey. However, the samples used in this study do not fully reflect the distribution of family types in South Korea, which may reduce the representativeness and reliability of the results derived from the sample data. To solve this problem, this study established eight representative family types based on national statistics, and calibrated the sample data by assigning weights to the distribution ratio of each representative family type. Most of the sample statistics related to the input parameters showed significant variation in family types. In particular, the energy consumption characteristics of seniors over the age of 65 were distinct from other household members. From the results of the study, an improved usage profile for residential spaces can now be suggested. Heat dissipated by persons and appliances, as well as demand for domestic hot water, are functions of floor area. In the case of a floor area of 84.99 ㎡, which is the standard floor area of national housing, the proposed heat dissipated by persons and demand for domestic hot water were 43.8 Wh/(㎡d) and 64.9 Wh/(㎡d), respectively, which account for approximately 83% and 77%, respectively, of the existing values. Furthermore, the proposed heat dissipated by appliances is 104.1 Wh/(㎡d), which is 200% of the existing value. The operating hours of lighting is proposed to be 2.11 h, representing 42% of the existing value. Finally, the set-point temperature for heating is proposed to be 23.0℃, which is a 3.0℃ increment over the previous one. (4) The effectiveness of the improvement was verified in two stages. First, the results of the total primary energy and energy efficiency level after applying an improved usage profile were analyzed. After the improvement, the total primary energy was reduced to 87% of the results before the improvement, and the energy efficiency level was raised by one level to receive 1+. These results reaffirmed the importance of proper usage profiles. Second, to verify the reliability of the improvement, the gaps between the simulation results and the actual energy use before and after the improvement was compared. As a result, the gaps were narrowed for all end-uses (space heating, hot water, and lighting) after improving the usage profile. For a more quantitative assessment, the coefficient of variance of the root mean squared error (CV(RMSE)) was analyzed. For space heating, it decreased from 28.9% to 16.7%, while that for domestic hot water decreased from 35.0% to 25.5%. For lighting, it decreased from 249.1% to 62.7%. The CV(RMSE) for the sum of each end-use decreased from 15.9% to 14.4% after the improvement. This study presents an effective method to develop national standard usage profiles using field metering, survey data, and national statistical data. Consequently, it was confirmed that the current usage profile is not in compliance with the actual use and operating conditions of domestic households. In addition, the importance of a proper usage profile was demonstrated by verifying that a significant difference in certification results occurs as the input parameters are improved to represent the actual conditions. Furthermore, the reliability and validity of the results of this study were verified by showing that gaps between the simulation results and actual energy usage reduced after the improvements. Proper usage profiles representing the actual use and operation of the spaces have great potential to increase the reliability and effectiveness of energy efficiency certificates, resulting in energy conservation in the building sector. Therefore, it is strongly suggested that the usage profile of residential spaces be improved as proposed in this study. ;전 세계 총 1차 에너지사용량의 약 30%가 건물에서 소비되고 있는 만큼, 개별 국가들은 신축 및 기존 건물의 에너지성능 향상을 목표로 하고 있다. 이에 대응하여 한국에서도 2001년 최초로 건축물 에너지효율등급 인증제도를 시행하고, 건물의 에너지성능을 정력적으로 평가하기 위해 ECO2 프로그램을 개발하였다. 현재 인증제도는 프로그램의 입력조건으로써 20개 공간에 대한 표준 사용 및 운전조건을 일정 양식에 따라 제시하고 있으며, 이를 “용도프로필”이라 한다. 용도프로필의 각 변수항목은 평가결과에 큰 영향을 주는 중요한 변수임에도 불구하고, 현행 용도프로필은 독일 표준 등을 기준으로 작성되었기 때문에 우리나라 건물에서의 실제 사용 및 운전특성이 충분히 반영되어 있지 않다. 이는 인증 결과의 신뢰도를 낮추는 주요 원인이 될 수 있다. 따라서 대표성, 일관성, 투명성을 고루 갖춘 한국형 표준 용도프로필의 개발이 시급한 실정이다. 본 연구의 목적은 국내 건축물 에너지효율등급 인증 결과의 신뢰도 향상을 위해 현행 표준 용도프로필을 국내 실정에 맞추어 개선하는 데 있다. 특히, 20개 공간의 용도프로필 중 인증수요 대부분을 차지하는 주거용 건물에 중점을 두어, 주거공간 용도프로필을 우선적으로 개선하고자 하였다. 본 연구의 주요 결과는 다음과 같다. (1) 국내 표준 용도프로필과 국외 건물 에너지성능 평가를 위한 표준 용도프로필(독일 DIN V 18599, 영국 SAP)의 현황을 파악하고, 각국의 주거공간 표준 용도프로필을 대상으로 변수항목 종류, 항목별 형식 및 값을 비교하여 국내 용도프로필의 한계점을 파악하였다. (2) 각 변수항목의 ‘실질민감도(true sensitivity)’를 평가할 수 있는 민감도 지표 기법(Sensitivity Index Method)을 사용하여 변수항목별 전체 1차에너지소요량 결과에 미치는 영향력을 평가하고 개선대상 변수항목을 선정하였다. 그 결과, 난방설정온도(0.27), 조명시간(0.22), 급탕요구량(0.14), 인체발열량(0.09), 기기발열량(0.08), 난방운전시간(0.03) 순으로 영향력이 큰 것으로 나타났다. (괄호 안의 값은 민감도 지표이다.) 난방운전시간은 1차에너지소요량에 미치는 영향력이 3%로, 미미하다는 판단하에 개선대상 변수항목에서 제외하였으며, 최종적으로 인체발열량, 기기발열량, 급탕요구량, 조명시간, 난방설정온도를 개선대상 변수항목으로 선정하였다. (3) 개선대상 변수항목별 값을 국내 공동주택 표본세대의 계측 및 설문조사 데이터를 활용하여 국내 가정에서의 실제 사용 및 운전현황을 반영한 값으로 개선하였다. 그러나 본 연구에서 활용되는 표본세대는 국내 가구 분포특성을 충분히 반영하고 있지 않아 표본 데이터로부터 도출된 결과물의 대표성과 신뢰성이 저하될 우려가 있다. 이를 극복하기 위해, 본 연구에서는 국가 통계자료를 근거로 국내 아파트에 거주하는 8가지 대표 가구유형을 설정하고, 이들의 분포비율을 가중치로 두어 표본 데이터를 보정하였다. 용도프로필 변수항목과 관련된 표본통계량 대부분은 가구유형별로 뚜렷한 차이를 보였으며, 특히 65세 이상 노인은 다른 가구원과 구별되는 에너지 소비 특성을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 결과적으로, 주거공간 용도프로필의 개선안이 다음과 같이 제안되었다. 인체발열량, 기기발열량, 급탕요구량 개선안의 경우, 전용면적에 따른 재실밀도 차이를 반영하기 위해 전용면적의 함수 형태로 제안되었다. 국민주택 규모인 전용면적 84.99 ㎡를 기준으로 하였을 때, 인체발열량과 급탕요구량 개선안은 각각 기존안의 83%, 77% 수준인 43.8 Wh/(㎡d), 64.9 Wh/(㎡d)로 감소하였으며, 기기발열량은 기존안의 200% 수준인 104.1 Wh/(㎡d)로 증가하였다. 조명시간 개선안은 기존안의 42% 수준인 2.11시간으로, 난방설정온도 개선안은 기존안보다 3.0℃ 높은 23.0℃로 제안되었다. (4) 용도프로필의 개선 효과 검토는 두 단계에 걸쳐 진행되었다. 첫 번째로, 공동주택 사례건물을 대상으로 용도프로필 개선안을 적용했을 때의 1차에너지소요량 및 에너지효율등급 결과 변화를 확인하였다. 개선 후 전체 1차에너지소요량은 개선 전 결과의 87% 수준으로 감소하였으며, 에너지효율등급은 한 등급이 올라 1+ 등급을 받을 수 있는 것으로 나타났다. 두 번째로, 개선안의 신뢰성을 검증하기 위해, 용도프로필 개선 후 시뮬레이션 결과와 실제 건물 운전단계에서의 에너지사용량 사이의 격차(performance gap)가 줄어드는지 확인하였다. 결과적으로, 용도프로필 개선 후 모든 용도(난방, 급탕, 조명)에 대해 그 격차가 줄어드는 것을 확인하였다. 보다 정량적인 평가를 위해 계측 결과와 시뮬레이션 결과에 대한 평균 제곱근 오차의 변동계수(CV(RMSE))를 검토하였다. 그 결과, 난방 부문은 개선 전 28.9%에서 개선 후 16.7%로, 급탕 부문은 개선 전 35.0%에서 개선 후 25.5%로 감소하였다. 조명 부문은 개선 전 249.1%에서 개선 후 62.7%로, 개선 효과가 가장 컸다. 난방, 급탕, 조명 합계의 경우, 개선 전 15.9%에서 개선 후 14.4%로 감소하였다. 본 연구는 현장 계측 및 설문조사 데이터와 국가 통계자료를 활용하여 국가 표준 용도프로필을 개발하는 새로운 방안을 제시하였다. 결론적으로, 현행 용도프로필은 국내 주거공간에서의 실제 사용 및 운전현황에 부합하지 않는 것을 확인하였다. 그리고 이를 실정에 맞게 개선하였을 때 인증 결과에 큰 차이가 발생하는 것을 확인함으로써 적정 용도프로필 값의 중요성을 입증하였다. 또한, 용도프로필 개선 후 시뮬레이션 결과와 실제 에너지사용량 사이의 오차가 줄어드는 것을 확인함으로써 본 연구 결과의 신뢰성 및 타당성을 검증하였다. 본 연구 결과가 보여주듯이, 공간의 실제 사용 및 운전현황을 대표하는 적정 표준 용도프로필은 에너지성능 인증 결과의 신뢰도 및 실효성을 높일 수 있는 큰 잠재력을 가지고 있으며, 이는 건물에서의 에너지 절약을 효과적으로 유도하는 데 크게 기여할 수 있다. 따라서 본 연구 결과와 같이 주거공간 용도프로필을 개선할 것을 강력하게 제안한다.