목적: 한국에서는 건축물의 총 건물 에너지 소비 평가 시스템이 에너지 사용 강도에 기반하여 건축물의 총 1차 에너지 사용량을 규제한다. 그러나 에너지 모델링 지침의 부족과 시뮬레이션 도구에 대한 검증 방법의 부재로 인해, 시뮬레이션 오류 및 에너지 모델러 간 결과 격차가 관찰되어 왔다. 따라서 본 연구는 ASHRAE Standard 90.1 및 International Energy Conservation Code(IECC)를 포함하여 국내 및 국제의 총 건물 에너지 소비 평가 시스템을 검토하고 조사하였다. 방법: 본 연구는 시스템 구조, 운영 절차, 그리고 ECO2, EnergyPlus, eQUEST와 같은 일반적으로 사용되는 평가 도구에 초점을 맞추어 한국과 미국의 코드 및 인증 시스템의 특성을 분석하였다. 코드는 목표, 범위, 코드 준수 절차, 모델링 요구사항, 그리고 최소 시뮬레이션 도구 기능 및 검증 프로토콜의 관점에서 분석되었으며, 인증 또한 동일한 기준에서 검토되었다. 결과: 미국의 코드 및 표준은 명확한 코드 준수 절차와 모델링 요구사항을 제공하며, 모든 코드 준수 도구는 최소 기능 기준을 충족해야 하고 ASHRAE Standard 140에 대해 검증되어야 한다. 한국에서 코드 준수 시뮬레이션을 개선하기 위해 다음이 권고된다. (1) 코드 준수 시뮬레이션 소프트웨어에 대한 검증 및 시험 시스템을 구축하고, (2) 다양한 기상 데이터 출처와 사용 프로파일을 수용할 수 있는 기능을 포함하여 비교 평가를 위한 기준(reference) 모델을 개발할 것. 본 연구의 결과는 코드 준수 시뮬레이션의 신뢰성을 향상시키고 건축물 에너지 모델링의 정확도를 개선하는 데 기여할 것이다.

천장 복사 냉방 패널(CRCP)의 냉방 용량은 EN 14240과 같은 시험 기준에 따라 평가할 수 있으며, 여기에서는 전규모(full-scale) 실험실에서 천장에 여러 개의 CRCP를 설치한다. 이러한 전규모 방법은 냉방 용량의 정확한 결과를 제공할 수 있지만, 시험 시설을 구축하고 평가 시험을 수행하는 데 많은 시간과 비용이 필요하다. 이러한 맥락에서 단일 CRCP의 냉방 용량을 평가하기 위한 소형 평가 장치가 개발되었다. 시험 결과, 냉방 용량은 71.8 W/m2로 나타났으며, 이는 전규모 실험의 값보다 약간 더 큰 수치였다. 두 방법 간의 불일치를 줄이기 위해, 전규모 방법보다 시야 인자(view factor)가 더 크게 되어 축소 규모 방법이 복사 열전달을 과대평가할 수 있다는 점을 고려하여 평가 장치의 내부 표면에 대한 방사율을 조정할 것을 제안하였다. 시뮬레이션 결과, 바닥과 벽의 방사율이 0.3일 때 축소-전규모 방법 간의 불일치를 줄이는 데 효과적인 것으로 나타났다. 또한 축소 규모 모델의 치수 조정이 축소-전규모 방법 간의 격차를 줄이는 데 효과적임도 확인되었다. 제안된 축소 규모 방법은 CRCP 냉방 용량의 평가에 실질적으로 활용될 수 있다.

저에너지 사무용 건물에서 열적 쾌적성을 유지하면서 자연채광을 확보하고, 동시에 외곽(perimeter) 에너지 사용을 저감하는 것은 핵심 과제이다. 본 연구는 기존의 루버형(light shelf)에 여러 기능을 통합한 열활성화 라이트 셸(thermally activated light shelf, TALS) 시스템을 개발하였다. 상부 표면은 과도한 외곽 조도를 차단하고 자연채광을 실내 깊숙이 반사하며, 하부 표면은 순환하는 온수 또는 냉수를 이용한 복사 냉난방 패널로서 작동한다. 시스템의 성능을 평가하기 위해 동일한 경계조건에서 두 개의 동일한 사무공간 모사 셀을 갖춘 목업 시험 설비에서 전규모 실증 실험을 수행하였고, 한 셀에는 TALS를 적용하고 다른 셀은 기준(reference)으로 사용하였다. 겨울과 여름 동안 실내 열환경 지표와 냉난방 에너지 사용량을 모니터링하였다. 그 결과 TALS가 적용된 실은 ISO 7730 범주 A의 쾌적을 비적용 실보다 더 자주 달성하였으며, 누적 범주 A 지속시간은 겨울에 약 3.4배, 여름에 약 7.8배 더 길었다. 또한 냉난방 에너지는 각각 약 39.2%와 7.7% 감소하였다. 이러한 유망한 결과는 단일 프로토타입과 단일 기후에 근거한 것으로, TALS의 용량과 창(window) 관련 열손실을 최적화하기 위한 추가 연구가 필요하다.

건물에너지 시뮬레이션은 건물 에너지 평가 및 설계를 위해 널리 사용되고 있다. 현재 한국은 건물에너지 성능 시뮬레이션을 기반으로 한 법규 적합성(code-compliance) 판단을 위한 두 가지 성능 경로를 가지고 있다: 1) 총 연간 에너지 사용량 평가 방법, 2) 건물 에너지 효율 등급 인증 및 제로에너지 건축물 인증 기준이다. 법규 적합성을 충족하기 위해 모델링 과정에서 건물 유형에 따라 시뮬레이션에 사용 프로파일(usage profile)을 사용해야 한다. 사용 프로파일은 점유 스케줄, 내부 부하 변수(즉, 재실자 밀도, 장비 전력 밀도 등), 난방 및 냉방 설정점 온도와 같은 여러 중요한 에너지 변수들을 고정 또는 결정론적 변수로 포함한다. 이러한 사실은 법규 적합성 평가 과정에서 실제 건물 설계 및 운영의 다양성을 반영하기 어렵게 만들고, 시뮬레이션에서 숨겨진 에너지 절감 잠재력을 제시하는 새로운 기술의 모델링을 제한한다. 따라서 본 연구의 목적은 사용 프로파일에서의 잠재적 에너지 절감 방안을 도출하고, 고층 주거용 건축물에 대한 성능 경로의 법규 적합성 시뮬레이션 신뢰성을 향상시키는 데 있다. 이를 위해 성능 경로에 대한 모델링 요구사항을 국내 및 국제 법규 적합성 기준에 근거하여 분석하고, Designbuilder를 사용하여 사용 프로파일 변수에 대한 다양한 민감도 분석을 수행할 것이다. 마지막으로 본 연구는 한국에서의 법규 적합성 모델링을 위한 사용 프로파일 개선 방안을 제안하고자 한다. 본 연구의 결과는 향후 가까운 시기에 입법자와 엔지니어가 현행 법규 적합성 모델링 요구사항을 개선하고, 제안된 설계에 더 정확히 부합하는 법규 적합성 모델을 개발하는 데 기여할 것으로 기대된다.