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표제지
목차
요약 5
기호설명 12
I. 서론 13
1. 연구의 배경 및 목적 13
2. 연구의 범위 14
3. 연구의 방법 15
II. 이중외피시스템에 대한 이론적 고찰 17
1. 이중외피시스템의 개요 17
1) 이중외피의 장점 17
2) 이중외피의 단점 18
3) 이중외피의 열적 특성(부력효과) 18
4) 이중외피의 유형 분류 19
5) 이중외피의 연간 특징 20
6) 이중외피 적용한계 24
2. 이중외피시스템에 관한 기존 연구 고찰 25
III. 리모델링 대상 건물의 설정 34
1. 비주거용 건물의 보급 현황 34
1) 조사대상 34
2) 비주거용 건물 기본 분류 34
3) 비주거용 건물 보급현황 분석결과 40
2. 리모델링 대상건물의 건축유형 45
1) 평가대상 건물의 개요 조사 45
2) 평가대상 가상 건물의 도면 52
IV. 리모델링을 고려한 이중외피시스템의 구성 55
1. 리모델링의 개요 55
1) 리모델링의 배경 및 필요성 55
2) 리모델링의 방법 55
3) 리모델링의 유형 58
4) 리모델링의 파급효과 61
2. 구조 변경을 고려한 이중외피의 구성 63
1) 기존 유리를 활용하는 경우 이중외피의 물리적 성능 비교 63
2) 기존 유리를 활용하는 경우 이중외피 구성에 따른 초기투자비 비교 72
V. 리모델링을 고려한 이중외피시스템의 성능 평가 74
1. 구성 시스템 적용에 따른 건물 에너지 해석 개요 74
1) 동적 열부하 해석의 개요 74
2) 이중외피의 운전 모드 설정 76
2. 실험계획법에 의한 실험 설계 80
1) 실험계획법 개요 (DOE, Design of Experiments) 80
2) 실험계획법에 의한 실험 설정 81
3. 실험계획법(DOE)에 의한 실험 Case별 해석 86
1) 해석 조건 및 모델 86
2) 해석 결과(Fig. 5.6.) 89
3) 실험 결과 분석 및 표준화 90
4) 인자에 따른 냉난방 부하랑 예측씩 작성 97
4. 리모델링을 고려한 이중외피시스템의 최적안 100
1) 최적 대안의 도출 방향 100
5. 이중외피시스템의 최적안 도출을 위한 경제성 분석 108
1) 경제성 평가 개요 108
2) 대안별 경제성 평가 결과 113
VI. 결론 120
참고문헌 123
부록 126
부록 (1) Case별 냉난방부하 해석 결과 126
부록 (2) TRNSYS Input 사례(Case1) 143
Abstract 157
Table 3.1. 조사·분석대상 개요 34
Table 3.2. 비주거용 건물 보급현황 35
Table 3.3. 지역별 비주거용건물 보급현황(2010년도 기준) 36
Table 3.4. 연도별 부위별 단열기준의 변화 39
Table 3.5. 연도별 유형에 따른 비주거용건물 현황 40
Table 3.6. 연도별 유형에 따른 비주거용건물 현황 41
Table 3.7. 비주거용건물 보급현황(7가지 유형) 42
Table 3.8. 기존단열기술 적용현황 44
Table 3.9. 건물 유형별 일반사항 45
Table 3.10. 건물 연면적 규모별 현황 45
Table 3.11. 기존 건물 외피 설계 사양 46
Table 3.12. 단열재 두께 및 종류(사무소) 47
Table 3.13. 창호(유리 종류 및 두께) 현황 48
Table 3.14. 각 방위별 창면적비 분포(사무소) 49
Table 3.15. 건물 유형별 냉난방 기준온도 50
Table 3.16. 건물 유형에 따른 연도별 냉방 에너지 사용량 51
Table 3.17. 건물 유형에 따른 연도별 난방 에너지 사용량 51
Table 3.18. 건물 유형별 연도별 전기 사용량 51
Table 3.19. 사무소 건물 연도별 에너지 소비 원단위 현황 52
Table 4.1. 리모델링 방법 56
Table 4.2. 리모델링의 사회적 구분에 따른 분류 60
Table 4.3. 리모델링의 방법상의 분류 61
Table 4.4. 1990~2000년 사이에 적용된 부위별 단열기준 63
Table 4.5. 리모델링 대상 건물의 기존 유리 물성 계산 결과 65
Table 4.6. 리모델링 대상 건물의 기존 유리+최저사양 유리 물성 계산 결과 66
Table 4.7. 리모델링 대상 건물의 기존 유리+기존유리 동등 사양 조합물성 계산 결과 67
Table 4.8. 리모델링 대상 건물의 기존 유리+현행기준 사양 조합 물성 계산결과 68
Table 4.9. 리모델링 대상 건물의 기존 유리+성능 강화 사양 조합 물성 계산결과 69
Table 4.10. 리모델링 대상 건물의 기존 유리 철거 및 신규설치 시 물성 계산결과 70
Table 4.11. 리모델링 시 기존유리 활용 구성에 따른 물리적 성능 비교 71
Table 4.12. 초기투자비(노무비 제외) 비교 72
Table 5.1. 인자 및 수준의 설정 83
Table 5.2. 요인배치 결과 85
Table 5.3. 기존 외피 활용 외창 물성 및 이중외피 미 적용향의 유리 물성 86
Table 5.4. 불투명 외피 물성 87
Table 5.5. 운전 조건 87
Table 5.6. 이중외피 환기구의 통기특성 88
Table 5.7. 이중외피 환기구 운전 모드의 전환 조건 89
Table 5.8. 이중외피 중공층 차양 운전모드의 전환 조건 89
Table 5.9. Case별 연간 단위면적당 냉난방에너지 90
Table 5.10. 인자에 따른 난방 부하 변화 예측씩 98
Table 5.11. 인자에 따른 냉방 부하 변화 예측씩 99
Table 5.12. 인자 변화에 따른 연간 냉난방부하 변화 100
Table 5.13. 인자 변화에 따른 연간 냉난방부하 변화(남향) 102
Table 5.14. 인자 변화에 따른 연간 냉난방부하 변화(동,서향) 104
Table 5.15. 인자 변화에 따른 연간 냉난방부하 변화(북동,북서향) 106
Table 5.16. 법인세법에 의한 내용연수 범위표 111
Table 5.17. 실질할인율 산정표 112
Table 5.18. 연료비 설정 113
Table 5.19. LCC 분석을 위한 선정 대안별 비용 산정 결과 113
Table 5.20. 기존 대비 최선 Case의 LCC 분석 결과 115
Table 5.21. 기존 대비 「Case-차선 1」의 LCC 분석 결과 116
Table 5.22. 기존 대비 「Case-차선 2」의 LCC 분석 결과 116
Table 5.23. 기존 대비 「Case-차선 3」의 LCC 분석 결과 117
Table 5.24. 기존 대비 「Case-차선 4」의 LCC 분석 결과 117
Table 5.25. 최적대안 선정 118
Table 5.26. 신규 설치 이중외피 대비 「Case-최선」의 LCC 분석 결과 119
Fig. 1.1. 연구의 Flow Chart 16
Fig. 2.1. 바람이 없는 경우 일사 유입에 따른 실내 기류 변화 18
Fig. 2.2. 이중외피 및 싱글외피 대비 난방기 중 가동방식 및 효과 22
Fig. 2.3. 이중외피 및 싱글외피 대비 냉방기 중 가동방식 및 효과 23
Fig. 3.1. 지역별 비주거용 건물 보급 비율(2010년도 기준) 36
Fig. 3.2. 연도별, 유형별 비주거용건물 변화추이(전국) 37
Fig. 3.3. 비주거용 건물 기본 분류 37
Fig. 3.4. 지역구분 38
Fig. 3.5. 연도별, 유형에 따른 비주거용건물 변화추이(전국) 40
Fig. 3.6. 연간 구분에 따른 유형별 비주거용 건물의 변화 추이 41
Fig. 3.7. 건물유형에 따른 연도별 비주거용건물 지역별 분포 43
Fig. 3.8. 건물 유형별 창호(유리 종류 및 두께) 현황 48
Fig. 3.9. 각 방위별 창면적비(사무소) 49
Fig. 3.10. 건물 유형별 냉난방 기준온도 50
Fig. 3.11. 1층 평면도(사무소) 53
Fig. 3.12. 3층~7층 평면도(사무소) 53
Fig. 3.13. 입면도(사무소) 54
Fig. 3.14. 단면도(사무소) 54
Fig. 4.1. 유리 물리적 성능 계산을 위한 환경 조건 64
Fig. 4.2. 리모델링 시 기존유리 활용 구성에 따른 열관류율 비교 71
Fig. 4.3. 리모델링 시 기존유리 활용 구성에 따른 광학적성능(차폐계수, 가시광선 투과율) 71
Fig. 4.4. 리모델링 시 기존유리 활용 구성에 따른 초기투자비(자재비) 73
Fig. 5.1. TRNSYS 모델링 사례 75
Fig. 5.2. 냉난방부하 해석을 위한 이중외피 운전모드 77
Fig. 5.3. 실험계획의 수행 과정 82
Fig. 5.4. 실험의 수행 체계 84
Fig. 5.5. 요인배치 design table 84
Fig. 5.6. 분석 Case별 단위면적당 냉난방부하 해석 결과 89
Fig. 5.7. 표준화된 효과의 Pareto 차트(난방부하) 91
Fig. 5.8. 난방부하의 잔차 91
Fig. 5.9. 난방부하와 인자간의 주효과 관계 92
Fig. 5.10. 표준화된 효과의 Pareto 차트(냉방부하) 93
Fig. 5.11. 냉방부하의 절차 93
Fig. 5.12. 냉방에너지와 인자간의 주효가 관계 94
Fig. 5.13. 표준화된 효과의 Pareto 차트(연간 부하) 95
Fig. 5.14. 연간 부하의 절차 95
Fig. 5.15. 연간 냉난방부하와 인자간의 주효가 관계 96
Fig. 5.16. 난방부하 주효가 인자의 계수 분석(coded units) 97
Fig. 5.17. 난방부하 주효가 인자의 계수 분석(coded units) 98
Fig. 5.18. 냉난방부하 예측씩 다른 결과와 해석 결과 비교 99
Fig. 5.19. 최적안 도출을 위한 대안별 연간 냉난방부하 변화 100
Fig. 5.20. 최적안 도출을 위한 대안별 연간 부하 저감율 107
Fig. 5.21. 최적안 도출을 위한 대안별 초기투자비 증가액 107
Fig. 5.22. LCC분석 수행 과정 109
초록보기 더보기
본 연구에서는 업무용 빌딩에서 기존 건축물의 리모델링시 제안되는 여러 가지 이중외피시스템의 대안들을 설정한 후, 이들을 비교·검토, 분석하고 성능 평가를 통해 에너지를 저감할 수 있는 최적의 이중외피시스템을 제시하였다. 또한, 더 나아가 대안들에 대한 경제성 분석을 통해 시공비 절감, 단열 성능 및 에너지 절감이 어느 정도 가능한지를 파악하여, 향후 기존 외피를 그대로 사용하거나 대폭적인 외피 교체 없이도 비용과 에너지를 절감할 수 있는 저비용·저에너지의 최적 이중 외피 시스템 유형을 제시하였으며, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
1. 리모델링 이전의 외피 성능은 현재의 단열 기준보다 열악하며 특히 기밀성능이나 일사차폐 성능의 경우 현저히 떨어지고 있는 것을 파악할 수 있었으며, 리모델링 대상 건물의 에너지 소비량은 연간 평균 단위면적당 286kW로 조사되었다.
2. 신규로 이중외피 시스템을 설치할 경우 시공비가 고가이기 때문에 재건축시 현재기준의 단열성능 확보라는 외피와 에너지 저감성능을 비교할 경우 경제성이 줄어들고 신규외피의 설치시 기존 구조물의 철거가 동반되기 때문에 폐기물 처리비등이 증가됨으로 기존 유리의 활용 시 불필요한 비용의 증가를 지양할 수 있는 것으로 파악할 수 있었다.
3. 대안들을 비교·분석한 결과, 가장 효과적인 대안은 "남향 설치, 환기구+차양 설치"한 경우이며, 초기 투자비는 다소 증가하는 것으로 나타났으나 이후 차양 설치 제외, 유리 사양 저하에 따라 초기 투자비를 저감할 수 있고 효율은 약간 낮아지는 것을 파악할 수 있었다.
4. 이중외피의 경우 중공층을 통해 환기가 이루어지면서 차양의 역할을 함으로 실질적으로 차양의 유무가 효율에 대한 영향이 적은 것으로 나타났으며, 이중외피의 경우 일반적 유리 사양의 경우와는 달리 중공층의 온도를 통한 환기가 이루어짐으로 적용 방위가 남향, 동/서향, 북동/북서향의 순으로 가능한 남향에 설치하는 것이 효과적임을 알 수 있었다.
5. 본 연구의 분석방법은 연가법을 사용하였으며, 분석기간은 철근콘크리트 건물의 내용연수의 평균인 40년을 기준으로 평균 실질할인율 1.52%를 적용한 분석결과는 다음과 같다. 「Case-기존」의 연간 에너지비용은 24,600원/㎡, LCC-40년일 경우 662,400원으로 나타났으며, 「Case-최선」, 「Case-차선 1」, 「Case-차선 2」, 「Case-차선 3」, 「Case-차선 4」와 비교한 결과 「Case-차선 1」가 연간 에너지비용 14,800원/㎡, 초기투자비 증가액 230,000원, LCC-40년일 경우 628,000원으로 산출되어 절감액은 33,900원(▼5%)이었고, 회수기간이 약 33년으로 최적의 대안으로 나타났다.
6. 본 연구를 통하여 기존 외피를 활용한 이중외피 구성의 최적 대안을 분석결과 현행법규 기준 대비 초기투자비를 적용하지 않고 단순 계산의 경우 약 40%의 연간에너지 소비 저감이 가능하며, 경제성 분석 결과 약 33년의 투자비 회수 기간이 소요됨을 확인하였다. 그러나, 회수기간이 상당기간 소요가 되더라도 기존 건물의 에너지 절감을 위한 선행 조건이 외피의 리모델링이 선행되어야 하고 리모델링시 기준 단열기준을 충족하여야 하기 때문에 이에 대한 대안으로써 필요할 것으로 사료된다.
7. 본 연구를 통하여 기존 유리를 활용한 이중외피 구성 시 에너지 소비량을 예측할 수 있는 예측식 도출이 이루어졌고 상관성이 있다고 사료됨으로 향후 리모델링 시 적용 효과 평가에 활용이 가능하며 예측식은 다음과 같다.
Y1(난방부하)(kWh/㎡) = 97.9918-Uig*(39.1731-4.86646*Uig-25.4789*SHGCig+0.457604*SF-0.35339*Vent-0.00848796*Ori)-SHGCig*(94.2211+0.42625*SF+0.30375*Vent-0.0997225*Ori)+SF*(2.022+0.05075*Vent+0.00878567*Ori)-Vent*(0.420805+0.00518923*Ori)-0.10033*Ori (R2 : 0.971)
Y2(냉방부하)(kWh/㎡) = -99.6192+Uig*(139.843-10.0583*Uig-141.805*SHGCig-0.807351*SF-3.57644*Vent-0.0123553*Ori)+SHGCig*(541.08-10.5732*SF-26.0654*Vent-0.173386*Ori)-SF*(9.62193-1.07907*Vent-0.0907618*Ori)-Vent*(66.4131+0.106378*Ori)+0.379471*Ori (R2 : 0.996)
8. 기존 유리에 본 연구를 통한 시스템의 설치 시 최소 비용으로 고성능의 이중외피의 확보가 가능할 것이다. 한편, 본 연구를 통해 상업용 건물을 리모델링했을 때 비용의 회수연한이 길어 비교적 긍정적인 결과가 이루어지지는 않았으나 상업용 건물에서 전자기기의 사용과 냉난방에너지의 사용량이 점차적으로 증가하는 추세로 인하여 노후된 건물에 대한 에너지 저감이 시급해지고 있음으로 필연적으로 리모델링에 대한 요구가 발생될 것으로 관측되며, 향후 리모델링 건물에 대하여 여기서 도출된 예측식을 사용하여 연간 냉난방부하량의 산출이 가능하고, 본 연구에서 제안한 저에너지 저비용 이중외피 시스템을 사용시 에너지 저감에 효과적이라 판단된다.
참고문헌 (42건) : 자료제공( 네이버학술정보 )더보기
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