2001.07.15 건물의 열에너지 해석

국내 전체 소비에너지의 해외의존도는 90%를 초과하며, 전체 에너지 소비량 중 건물부문은 1/4정도를 차지하고 있어 건물에서의 에너지 절약은 개인이나 기업은 물론 국가정책적으로도 주요부분으로 중시되고 있다. 이는 비단 우리뿐만 아니라 전세계적으로도 중요성을 실감하고 많은 연구가 진행되고 있으며 선진국에서는 국가적인 차원에서의 투자가 이루어 지고 있다.
건물에서의 에너지 관리의 핵심적인 요소는 효율적인 사용관리와 초기설계단계에서 외피, 배치, 공조설비등의 최적설계라 할 수 있다. 이를 위해서는 건물 및 HVAC설비를 대상으로 에너지 시뮬레이션에 의한 정확한 성능평가가 이루어져야 한다.

<건물의 열에너지 해석의 활용범위>

건물내에서 일어나는 에너지 흐름의 실제 현상을 정확히 이해하고 규명하기 위해서는 컴퓨터를 이용한 시뮬에이션 모델링기법이 널리 이용되고 있다. 시뮬레이션 모델링의 수용범위와 타당성은 적용되는 알고리즘과 입력자료에 의해 결정되며, 분석목적과 요구결과에 따라 다양한 형태를 나타낸다. 그러나 건물 내의 실제 에너지 흐름은 외부의 기후변화에 따라 전도, 대류, 복사의 모든 열전달 현상을 포함하여 복합적으로 상호영향을 미치고 있는 동적 시스템으로 구성되기 때문에 시뮬레이션을 실제 상황과 동일하게 모사하는 데는 많은 어려움과 한계가 따른다. 따라서 모든 시뮬레이션 모델링에는 수많은 가정 요소와 단순화 기법이 도입되고 있으며 이들의 도입 정도에 따라 해석능력과 범위가 결정되게 된다. 한편 1970년대 초부터 세계 각국의 여러 기관에서 본격 개발되기 시작한 건물 에너지해석 관련 프로그램들은 많은 변화를 거치며 일부는 현재까지도 핵심 프로그램으로 활용되는 등 다양한 형태로 발전되어 오고 있다. 건물의 에너지해석에는 전통적으로 사용되어온 정적해석법과 동적해석법으로 구분할 수 있으며 동적해석법은 HVAC의 포함 여부에 따라 아래 표와 같이 나눌 수 있다.

분 류	HVAC 포함여부	주목적
동적열부하계산	비포함 혹은 이상적인 냉난방기기 적용	건물의 에너지 소모량 파악
동적열에너지해석	포함	장비에 따른 건물의 에너지 소모량 파악 경제성 분석(LCC해석) HVAC 및 제어계통의 적적성 분석

정적해석법
전통적으로 사용되어온 사용법으로 주로 장비용량선정을 위한 최대부하계산에 많이 적용되며 실내외 조건을 정상상태로 가정하여 건물에서의 열이동을 계산하는 방법으로 냉난방도일법, 확장도일법, 표준 빈법, 수정 빈법등이 있다.

동적해석법
실제로 건물의 실내외 조건은 수시로 변화하는 비정상상태이기 때문에 정확한 열부하를 계산하기 위해서는 각각의 변화요소들을 시간의 함수로 처리하는 동적 계산이 필요하게 된다. 벽체를 통해서 유출입되는 열량은 결국 1차원 에너지 방정식

에 수시로 변화하는 실내외 경계조건을 반영함으로써 정확하게 산출할 수 있게 된다(엄밀하게는 3차원이나 대부분의 경우 1차원으로 충분하다). 이 방정식의 해법에는 라플라스 변환을 통한 해석적인 방법과 차분 등의 수치적인 방법이 있으나 계산량이 방대하므로 어느 쪽도 컴퓨터를 이용하게 된다.

해석적인 방법
해석적 방식에서 건물의 과도 열전달을 모델링하는 기본적 도구는 전달행렬방식(transmission matrix method)이다.

<해석적 방식의 개념도>

전달행렬내의 각 원소를 전달함수라 하며 역변환 방식에 따라 주기계와 시간계로 나뉜다. 역변화시 Z변환을 적용하는 방식이 전달함수(Z-transform)방식이다. K-Load 등 현재 국내에서 이용되고 있는 대다수의 동적 해석방식이 이 부류에 포함된다. 응답계수법(response factor)과 가중계수법(weighting factor)을 적용한 미국의 DOE-2 및 일본의 HASP, AHSRAE의 전달함수법에 의한 TRNSYS 등이 대표적이며, 최근 국내에서 개발된 동적 해석 프로그램의 대다수가 여기에 해당한다.
더 자세한 내용은 <설비> 6월호에 실린 건물의 동적 열에너지 해석 및 LCC분석을 참고하기 바람.

수치적인 방법
유한차분법과 같은 수치해석에 근간을 두고 있으며, 선형 및 비선형 모델을 모두 포함하여 시스템 구성에 유연성이 큰 장점을 가진 반면 요구되는 계산량이 방대하여 비용과 연산시간면에서 비효율적인 것으로 간주되어 왔다. 하지만 컴퓨터 산업의 급속한 발전과 함께 더 이상 제약이 될 수 없다. 간단한 예를 들어 설명하자면 과거에 열흘에 걸쳐 계산되어져야 할 분량 때문에 하루가 소요되는 해석방식을 채택했다면 컴퓨터산업이 눈부시게 발전한 현재에 와서 10분이 걸리는 계산 분량 때문에 1분이 걸리는 해석방식을 채택함은 더 이상 이유가 될 수 없다는 의미다.
수치해법의 종류는 이산화 방법에 따라 일반적으로 유한차분법(FDM: finite difference method), 유한요소빕(FEM: finite element method) 및 유한체적법(FVM: finite volume method)으로 구분하고 있다. ESP-r, BLST, EnergyPLUS가 수치적인 방법의 알고리즘을 채택하고 있으며 더 자세한 내용은 역시 <설비> 5월호에 실린 건물의 동적 열에너지 해석 및 LCC분석을 참고하기 바람.

해석적인 방법을 적용하고 있는 프로그램으로 대표적인 DOE-2와 TRNSYS, 수치적인 방법을 적용하고 있는 대표적인 프로그램인 ESP-r과 EnergyPlus 그리고 국내프로그램으로서 BES2000, K-load에 대해 간단하게 개요만 언급하며 자세한 내용은 <설비> 3월호의 TRNSYS 프로그램, <설비> 6월호의 건물의 동적 열에너지 해석 및 LCC분석과 각 homepage를 참고하기 바람.

DOE-2
미국 Lawrence Berkeley Laboratory에서 개발되어 전세계적으로 건물의 에너지 성능 평가를 위해 광범위하게 사용되고 있으며 5개의 부속프로그램의 계산구조에 의한 계산정도가 떨어지는 단점이 있다.
- 관련사이트: http://gundog.lbl.gov/

TRNSYS
1975년 태양열 시스템의 동적인 시뮬레이션 및 설계를 위한 프로그램으로 미국 Wisconsin 대학에서 개발되기 시작하여 현재 독일과 프랑스 등 세계 각국에서 개발되고 있으며 Ver. 14.2부터 본격적인 GUI가 채용되기 시작되었으며 현재 ver. 15에 이르렀다. 동적열부하계산, HVAC시스템의 해석 및 규모산정, 태양열 시스템의 해석, 제어시스템의 분석등 적용범위가 넓으며 소스가 공개되어 기존 구성요소의 변경 혹은 새로운 구성요소 개발이 가능하다.
- 관련사이트: http://sel.me.wisc.edu/ , http://evl.cstb.fr/iisibat.htm

ESP-r
EU에서 자연형 태양열 건물해석 표준프로그램으로 지정된 프로그램으로 Windows환경을 지원하지 못하는 단점이 있으며 전문가를 대상으로 개발이 진행중이다.
- 관련사이트: http://www.esru.strath.ac.uk/

EnergyPlus
미국 국방성의 지원을 받아 Illinois 대학에서 개발하였으며 DOE-2와 BLAST(수치해석방식)의 장점을 취해 화제가 되었다. 제 3의 개발자가 사용자 인터페이스를 개발하여 제공할 수 있는 방식을 유도하고 있다.
- 관련사이트: http://gundog.lbl.gov/

BES2000
국내 실정에 맞는 에너지평가용 건물에너지해석 프로그램을 위해 대한설비공학회에서 2000년에 개발완료하였으며 부하 계산, 시스템 계산, 경제성 분석 등 3개의 프로그램으로 구성되어 있으며 DOE-2의 단점 보완하였다.

K-load
역시 국산프로그램으로 ASHARE의 전달함수법을 채택하였고 약간의 배경지식만 있으면 사용할 수 있도록 편리한 인터페이스를 제공하고 있으며 간단한 최대부하계산에 적합하다. 프리웨어로 무료로 다운로드 받을 수 있다.
- 관련사이트: http://home.snu.ac.kr/kload

우리 연구실에서는 이 부분에 대한 많은 연구가 이루어져 왔으며 새로운 동향을 분석하여 앞으로의 연구방향을 잡아 매진할 계획이다.

공동주택의 발코니가 열부하에 미치는 영향분석 (석사학위논문, 2000)
공동주택(APT)에서의 발코니가 에너지 사용량에 미치는 효과를 분석하여 발코니의 벽 및 유리를 제거하고 실내공간으로 활용하는 방법의 억제에 대한 객관적인 기준을 제시한다. 또한 설정온도에 대한 영향, 방위에 따른 영향, 측벽에 따른 영향을 분석하여 재실자 및 설계자에게 효과적인 에너지 절약의 기준을 제시한다.

공동주택의 발코니가 열부하에 미치는 영향분석 (대한설비공학회, 2000 추계학술대회)
석사학위 논문의 요약본적 성격으로 공동주택(APT)에서의 발코니가 에너지 사용량에 미치는 효과를 분석하여 발코니의 벽 및 유리를 제거하고 실내공간으로 활용하는 방법의 억제에 대한 객관적인 기준을 제시한다.

건물의 열에너지 해석에 대한 실증실험 (대학설비공학회, 2001 하계학술대회)
효과적인 건물의 열에너지 해석을 위해서는 정확한 해석프로그램의 선정이 전제되어야 하는데 기존의 문헌이나 자료 등에는 여러 프로그램들의 결과값으로부터 상대비교함에 그치고 있다. 이에 객관적인 기준을 제시하기 위하여 실증실험을 통해 같은 조건의 해석프로그램의 결과와 비교하여 정도를 검증하고 타 해석프로그램의 검증의 기초가 되는 자료를 제시한다.

경희대학교 공학관의 창문보수에 따른 에너지 절감효과 (학부졸업논문, 2000)
경희대학교 공학관의 노후화에 따른 대책의 일환으로 기존의 단층유리를 복층유리로 교체시 절약할 수 있는 에너지량을 산정하고 회수년을 제시한다.

다세대 주택의 에너지 절감요인에 대한 민감도 분석 (학부졸업논문, 2000)
다세대주택(원룸)을 모델로 여러 가지 요인에 대한 감도 분석을 통해 설계사무소의 설계조건과 재실자의 운용조건이 에너지소비에 미치는 영향을 제시한다.

TRNSYS 프로그램(설비 3월호)
TRNSYS프로그램에 대한 알고리즘, 주요기능을 소개하고 있다.

건물의 동적 열에너지 해석 및 LCC분석 (설비 6월호)
해석기법의 동향과 주요 해석 프로그램의 소개를 담고 있으며 본 페이지의 원저라 할 수 있다.

건물의 열에너지 해석 (브리핑자료)