공조부하 기준 최적화를 통한 공조설계 VE 방안

집중기획

최종언

(주)삼성물산 M&E센터 부장 [email protected]

이상엽

(주)삼성물산 M&E센터 과장 [email protected]

공조설계 VE 방안으로 공조부하 기준 최적화 방법과 효과에 관해 사례연구를 중심으로 소개하고, 프로젝 트에 적용하기 위해 풀어야 할 과제를 제시해 보고자 한다.

공조부하 기준 최적화를 통한 공조설계 VE 방안

VE(Value Engineering) 개요

국내에서의 VE는 정의는 한국VE협회의 정의에 따라 『제품, 제품을 위 한 부품, 시스템, 조직, 공정, 추진절차, 서비스들로부터 요구되는 기능, 품질 및 근본적으로 필요한 특성을 유지하면서 가장 합리적인 방법으로 불필요한 Cost를 찾아내 제거하는 것』이 일반적으로 통용된다.

건설분야는 국토교통부 VE 매뉴얼에 『최적의 생애주기비용으로 대 상 시설물의 최상의 가치를 얻기 위하여, 설계내용에 대한 경제성 및 현장 적용의 타당성을 여러 전문분야의 협력을 통해 기능별, 대안별로 검토하 는 체계적인 프로세스』로 VE를 정의하고 있다.

VE 활동은 수행절차로 불리는 프로세스를 바탕으로 이루어진다. 그 림 1에서 보듯이 VE 수행절차는 단계별로 기능을 정의하고 이를 정량화 하는 다양한 도구들이 활용되며, 전체 구성원들의 협력과 이를 통한 의 사결정 과정을 중시하고 있음을 판단해볼 수 있다.

통합적 접근의 필요성

VE 활동은 설계단계, 가능하다면 설계 초기단계에서 수행하는 것이

집중기획_{기획 집중}

보다 효과적인 것으로 알려져 있다. 그림 2는 이러 한 관점을 건설 프로젝트의 생애주기를 바탕으로, 설계 프로세스 측면에서 투입 노력(3, ④)을 효과와 비용으로 비교(①, ②)하면서 설명하고 있다.

그림 2에서 보듯이, 전통적인 설계 과정은 초기 설계 단계보다는 실시설계 단계에 집중되어 있다.

그에 따라 VE도 실시설계에서 많이 이루어져 왔으

며, 이러한 과정에서 다음과 같은 아쉬운 부분들이 나타날 수 있다.

● 좋은 아이디어가 뒤로 숨겨지며, 프로젝트에 늦 게 적용되어 효과가 반감

● 가치 향상을 추구하기보다 저렴한 것이 좋은 것 이라는 대전제를 형성

시 작

준비단계 (Pre-Study)

분석단계 (VE Study)

실행단계 (Post-Study)

정보수집

사용자 요구측정 발주자, 사용자, 설계자 요구사항 측정 및 취합

기능정의(S+V) 기능정리(FAST Diagram) 기능평가(FD법, IWDM법) 고비용분야 선정기법, 가중치부여 복합 평가기법 등

개인 및 집단 Brainstorming Quality Model의 요구사항

비용상세평가, LCC평가 최종 대안 선정

제안서 작성 및 발표 개략평가 양식

Checklist법

아이디어 실행 가능여부 개략 평가 Quality Model 작성 VE 대상선정

기능분석

아이디어 창출

No

No Yes

제안 및 발표 실시 및 후속조치

종 료 개략평가& 구체화

상세평가

& 대안개발

[그림 1] VE Process(Job Plan)

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Owner Leadership Integrated Project Structure Open Information Sharing Virtual Building Models

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[그림 2] 통합설계 프로세스(Integrated Design Process)의 효과

● 프로젝트 설계 초기 단계에서 분리 검토되던 내 용을 마지막 수행단계에서 통합 검토함에 따라 협업과 혁신의 한계 발생

미국 건축가협회(AIA)에서는 통합설계 프로세 스를 실무에 활용하고, 적용 효과를 높이기 위해 통 합 프로젝트 발주방식을 개발하여 실무에 적용하고 있다. 여러 프로젝트가 진행되고, 적용 효과가 알려 지면서 통합 프로젝트 발주방식 채택이 증가 추세 에 있으며, 다음과 같은 장점들이 나타나는 것으로 보고되고 있다.

● 프로젝트팀으로 협업하고, 통합검토가 가능한 도 구를 활용하여 분야 간 소통 향상

● 발주처 요구사항을 프로젝트에 최적화하여 반영

● 건설 전 과정에서의 “린 건설(Lean Construction)”

효과

통합 프로젝트 발주방식의 효과가 가시화되기 위해서는 기술과 경험이 충분한 협업팀 구성이 필

수적이며, 초기 설계 단계의 불확실성을 해소해 가 면서 프로젝트 단계별로 리소스를 효과적으로 관 리해 나가는 것이 무엇보다 중요할 것이다.

공조부하 기준 최적화 개념

설계 초기 단계의 불확실성을 해소해가는 과정 에서 중요하게 고려해야 할 부분은 유사 프로젝트 의 설계경험과 운영결과를 프로젝트에 반영하는 것이다.

이러한 관점에서 부하 산정을 위해 사용하는 설계기준은 기존 프로젝트의 설계와 운영 결과를 통계적 관점으로 분석하여 일반화하고 동시대의 건설 정책 방향을 반영할 수 있도록 변화가 필요 하다. 표 1에서 보듯이 ASHRAE Standard 90.1의 설계기준은 시대에 따라 달라져 왔음을 확인할 수 있다.

특히, 호주에서는 그림 3에서 보듯이 지난 2007년 정부주도로 산학 연계 사례연구로 『HVAC sys tem size : Getting it right』를 진행하였다. 사례연 구에서는 대상 건물의 설계도서 검토, 현장 측정(2

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[그림 3] 사례 연구 : Case study : Right-sizing HVAC system in commercial buildings

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개 건물), 인터뷰, 건물 운영 및 비용절감 분석을 통 해 열원 및 공조시스템 검토 범위 내에서 설계안 대 비 23.2%의 비용절감 효과와 운영비 4.3% 절감 가 능함을 제시하였다. 보고서에서는 이러한 과정을 통칭해 설계용량 최적화라 표현하였으며, 추가 연 구를 통한 설계용량 최적화 평가 방법론의 정립 필 요성과 파일럿 프로젝트의 추진을 제안하였다.

사례연구 보고서에서 공조부하 최적화의 장벽 으로 언급된 내용은 다음과 같다.

● 설계 단계 내부발열 밀도의 과다 산정

● 과도한 실내 설계 냉난방 설정조건

● 초기 설계 프로세스의 불투명성

● 주변 건물에 의한 일사차단 효과의 무시

● 불분명한 발주자 요구사항 정의(불분명한 개발 방향)

● 설계자의 법적 책임에 따른 보수적 설계진행

과대 용량산정으로 발생하는 문제도 언급하고 있는데, 이는 다음과 같다.

● 설비요소의 과대 용량 선정

● 초기투자비용 증가

● 비효율적인 운영

● 실내 온열 쾌적감의 저하

한편, 공조부하 최적화 장벽 극복 방안도 언급 하였는데, 이는 다음과 같다.

● 경험적 설계 방법으로부터의 탈출

● 기준에 의한 정확한 부하 산정

● 동적 부하계산 방법의 활용

● 시스템적인 접근 방법(요소별 접근 방법 지양)

● 설비 디자인의 융통성 확보

● 공조 조닝 기준의 명확화

● 통합설계 프로세스(IDP) 적용

● 설계의 중요성과 가치를 재인식 하는 것

● 부분부하 상태를 고려한 설계진행 및 프로젝트 커미셔닝 수행

● 생애주기비용(LCC) 분석 수행

● 건물 에너지성능 공개 법제화

공조부하 기준 최적화 평가 방법론

앞에서 호주의 사례연구 보고서에서 평가 방법 론 정립이 필요하다고 언급하였는데, 그림 4에서 이러한 평가 방법론을 제안하였다.

그림 4에서 보듯이, 기준 자료를 바탕으로 검 토 대상선정에서 결과 검토까지 총 6단계의 검토 과정으로 구성되며, 각 단계의 하위에 각각의 검토 내용을 명시하였다. 특히, 설계기준 검토는 기준 자 료와 비교되며, 운영 예측 검토 1단계(내부발열 검 토)에서 검토된 기준은 마지막 결과검토 단계에서 최종 설계기준 재검토에 반영되는 구조를 가지고 있다. 결과검토 단계에서 엔지니어링 검토를 거쳐 각 검토대상의 영향도, 즉 민감도 분석이 완료되면 공조설계 VE로 제안되어 입찰 후 시공, 운영검증 단계로 연결되는 구조를 가진다.

O&M 분석을 통한 공조부하 설계 기준자료 작성 체계

앞서 제안한 방법론에서 기준 자료는 주요 설계 기준과 더불어 기존 건물의 운영 데이터 분석을 통 해 일반화된 조명/기기 DB, 운영분석 자료로 구성 된다. 특히 건물 운영 분석에 BEMS/BAS 데이터를

<표 1> ASHRAE Standard 90.1 설계기준 변화 연대 인체발열 밀도

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조명발열 밀도 (W/㎡)

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1990 0.08 17 22

2000 0.08 14 22

2010 0.05 10 11

사용하는 한편, 현장 운영 실측을 통해 이를 검증하 는 것이 중요할 것이다.

현장 실측 및 데이터 분석은 ASHRAE Guilde- line 14와 IPMVP(International Performance Meas-

urement and Verification Protocol) 기준을 적용하 는 것이 일반적이다.

그림 5는 분석 대상 건물의 운영상황이 반영된 공조부하 설계 기준자료를 작성하고, 이를 일반화

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[그림 4] 공조부하 기준 최적화 평가 방법론 제안

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[그림 5] O&M 분석을 통한 공조부하 설계 기준자료 작성 체계 제안

집중기획_{기획 집중}

하여 유사건물의 설계 기준 선정에 반영하는 체계 를 표현한 것으로 그림 4와 연계하여 제안한 내용 이다.

그림 5에서 보듯이, 설계 기준자료 작성 체계 는 자료수집/정리, 기준 데이터베이스 작성, 설계 기준 작성, 설계기준의 운영 검증으로의 총 4단계 로 구성된다. 분석 대상 건물이 많아질수록 일반화 가능성은 높아지지만, 그 양을 무한정 늘릴 수 없 으므로 유형별로 분석 대상 건물을 한정해 실시하 고, 일반화는 시뮬레이션 분석 기법을 병행하는 것 이 적합할 것으로 판단된다.

공조부하 기준 최적화 검증 사례연구

당사에서는 앞서 제안한 공조부하 기준 최적화 평가 방법론과 운영분석을 통한 공조부하 설계 기 준자료 작성 체계를 바탕으로 공조부하 기준 최적 화 검증을 위한 사례연구를 진행하였다. 사례연구 대상은 사무소 건물로 국외에 위치한 4개 건물, 국 내 2개 건물을 선정하여 진행하였다.

그림 6은 국외에 위치한 대상 건물 각각의 냉 동기 설계-운영용량 차이와 이를 일반화한 결과를 보여준다. 운영단계 냉동기 최대용량은 설계용량 의 60% 수준이었으므로 일반화를 위해 외란의 영 향과 운영 기술차이를 반영하여 여유율 15%를 고 려하면, 설계된 냉동기 용량에서 25% 정도를 운영 단계에서 발생하는 순수 여유용량으로 판단해 볼 수 있다. 국내 사례연구 대상 건물도 일반화를 고

려하면 이와 유사한 것으로 판단되었다.

설계-운영간 용량 차이를 확인하였으므로, 다음 단계는 기준 모델을 설정하여 결과를 검증하는 것 이다.

기준 모델을 설정하기에 앞서 설계 단계 계획검 토 인자와 건물 부하요소의 관계를 검토하고, 설계 단계에서 운영단계의 예측 불확실성을 고려하여 설계 단계에서 검토한 기준이 운영단계에서 달라 질 수 있는 요소가 어떤 것들인지 도출하였다.

그림 7은 건물 설계 단계의 계획 인자들과 건물 부하요소 간의 관계를 도식화하였다. 계획 인자가 영향을 미칠 수 있는 관계를 추가로 표현하여 직관 적으로 이해할 수 있도록 하였다.

그림 8은 그림 7에서 검토한 부하요소를 건물 부하(외피, 내부발열)와 시스템 부하로 구분하여 설계 단계에서 운영단계의 불확실 정도를 단순 지 표로 표현하였다. 설계 단계에서 불확실성이 큰 변 수는 건물 운영과 관련된 요소로 판단되며, 이는 붉은색 점선 안에 표현된 변수들로 파악되었다.

벽체, 창호 등 외피요소는 설계-운영 용량 차이 검토 시에는 동일한 외피이므로, 동일한 성능을 가 진다는 전제하에 불확실 정도가 낮은 것으로 판단 하였다.

다음 단계는 건물 운영단계 내부발열을 조사하 고 실측하여 대상 건물의 내부발열 및 스케줄 DB를 구축하는 것이다. 내부발열 및 스케줄 조사는 국외 건물을 대상으로 하기에는 현실적으로 불가능하므

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[그림 6] 대상건물 냉동기 설계-운영 용량 Gap 도출

로 국내 건물을 대상으로 진행하였다.

그림 9는 실측 결과를 보여준다. 그림에서 보 듯이, 사무기기에 따라 전력소비 특성이 서로 상이 하게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 피크전력 대비 평균전력비율로 정의한 평균 부하율은 기기에 따라 2%~85%까지 크게 다른 것을 확인할 수 있었다.

사무기기 소비 특성을 장기 모니터링 해본 결과, 사무기기 사용자의 사용패턴에 따른 변동 요인과 사 무기기 자체의 프로세스 특성에 따른 변동 요인으로

구분되는 것을 확인할 수 있었다. 통계적 분석을 통 해 이들 두 요인을 분리하여 사무기기 소비특성 데 이터베이스를 구축할 수 있을 것으로 판단된다.

그림 10은 건물 운영 모니터링을 통해 추출한 조명 및 전열기기 스케줄을 보여준다. 그림에서 보 듯이 조명은 주간 일정한 패턴을 보이는 반면, 전열 및 재실 스케줄은 변동이 있는 편으로, 전열과 재실 스케줄은 상관성이 있는 것으로 파악되었다. 조명 전력은 주간에 96%~106% 사이에서, 전열 전력은

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[그림 7] 건물 설계단계 계획 인자와 부하요소의 관계

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[그림 8] 건물 부하요소 및 설계단계 불확실 정도

집중기획_{기획 집중}

주간에 83%~124% 사이에서 변화하는 것으로 파 악되었다.

특히, 조명전력과 스케줄을 검토한 결과, 조도 센싱기반 디밍제어와 사용자 행동기반 제어를 비 용 효율적으로 통합하여 적용할 경우, 조명에너지 절감 기대효과가 상당할 것으로 예상되었다.

이상의 단계를 통해 획득한 정보를 바탕으로 공조부하 기준 최적화 기준모델을 국내 사례연구 건물로 설정하고, 시뮬레이션을 통해 기준모델을 통한 설계-운영 용량 차이를 검증하였다.

그림 11은 기준모델의 기본안 및 대안의 내부 발열 설정조건과 4개 지역별 분석결과를 보여준다.

분석결과 운영 실측을 통해 도출한 설계-운영 간 용량 차이와 기준모델의 시스템 냉방부하 저감의 유사성을 확인하였다.

지역별 비교를 통해 외부 기상조건의 변화, 즉 외란의 영향 정도를 추정해 볼 수 있으며, 기후 특 성이 다른 러시아를 제외하면 최대 7% 이내일 것

으로 판단된다. 물론 이는 서로 다른 지역의 비교이 므로, 동일 지역에서의 기상변화에 따른 외란 요인 은 이보다 줄어들 것으로 예상해 볼 수 있다.

한편 부하요소별 비율을 검토해보면, 내부발열 이 줄어들수록 외피부하의 비율이 상대적으로 증 가한 것으로 나타난다. 이는 외피부하 저감 여력이 있다는 것을 의미한다고 볼 수 있다.

외피부하 저감 가능성과 관련해서는 그림 12 에서 보는 바와 같이, 건축 요소 중 우선적으로 고 려해야 순위를 판단해 볼 수 있다.

그림 12에서 보듯이 창면적비 계획을 통한 저 감 가능성이 가장 높고, 다음으로 창호 태양열획득 계수(SHGC) 계획, 기밀성능 등의 순으로 나타난다.

맺음말

이상과 같이 공조설계 VE 방안으로 공조부하 기준 최적화 방법과 효과를 사례연구를 중심으로

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[그림 9] 사무기기 전력소비 특성 사례

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[그림 10] 사무실 내부발열 스케줄 추출

살펴보았다. 이를 프로젝트에 제안하고 적용하기 위해 풀어야 할 과제는 산재해 있다.

공조부하 기준 최적화 방법론과 체계를 보완해 가면서 실제 운영되는 건물의 데이터를 확보하고

데이터베이스화하는 것, 그리고 이를 일반화하는 과정에서의 시뮬레이션과 통계분석 작업 또한 중요 할 것이다. 프로젝트에 적용하기 위해 프로젝트 발 주처, 컨설턴트, 관련 이해 당사자들에게 필요성을

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전열 조명 13%

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싱가포르: Baseline

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19%

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인체 14%

외피 35%

러시아: Baseline

외기 23%

전열 13%

조명 18%

인체 10%

외피 36%

사우디: Baseline

외기 23%

전열 조명 15%

12%

인체 7%

외피 43%

서울: Alternative 1

외기 25%

전열 조명 14%

11%

인체 7%

외피 43%

싱가포르: Alternative 1

외기 5% 전열

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조명 인체 16%

10%

외피 49%

러시아: Alternative 1

외기 15%

전열 14%

조명 인체 11%

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외피 53%

사우디: Alternative 1 시스템 냉방부하

Baseline

-조명: 25 W/㎡

-기기: 20 W/㎡

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Alternative 1

-조명: 12 W/㎡

-기기: 16 W/㎡

-재실: 0.1인/㎡

-외기: 19 CMH/인

37% 저감 37% 저감 32% 저감 32% 저감

외기 25%

전열 10%

조명 인체 10%

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서울: Alternative 2

외기 27%

전열 조명 9%

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외피 49%

싱가포르: Alternative 2

외기 5%

전열 14%

조명 13%

인체 8%

외피 60%

러시아: Alternative 2

외기 17% 전열

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조명 인체 9%

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사우디: Alternative 2

Alternative 2

-조명: 8 W/㎡

-기기: 13 W/㎡

-재실: 0.1인/㎡

-외기: 19 CMH/인

42% 저감 43% 저감 40% 저감 39% 저감

[그림 11] 기준모델 설정 분석 결과

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[그림 12] 건축요소(Passive Elements) 대안에 따른 건물부하 영향 순위

집중기획_{기획 집중}

이해시키고 합의를 이끌어내는 과정도 필요하다.

한편 설계 프로세스를 개선하는 작업과 실제 프로젝트에 적용하기 위해 실무적으로 갖춰가야 할 내용들도 상당부분 존재한다. 설계용량이 최적 화된 만큼 건물 운영단계에서의 운영기술도 향상 되어야 한다. 특히 운영기술 향상을 위해 IT 기술 도입을 적극적으로 검토할 필요가 있다.

마지막으로, 공조부하 최적화 장벽 극복 방안 을 다시 언급하면서 글을 마친다.

● 설계의 중요성과 가치를 재인식 하는 것

● 설비 디자인의 융통성 확보

● 통합설계 프로세스(IDP) 적용

● 경험적 설계 방법으로부터의 탈출

● 기준에 의한 정확한 부하 산정

● 공조 조닝 기준의 명확화

● 시스템적인 접근 방법(요소별 접근 방법 지양)

● 동적 부하계산 방법의 활용

● 부분부하 상태를 고려한 설계진행 및 프로젝트 커미셔닝 수행

● 생애주기비용(LCC) 분석 수행

● 건물 에너지성능 공개 법제화

참고문헌

1. AIA, 2007, Integrated Project Delivery Guide.

2. AIA, 2012, IPD Case Studies.

3. ASHRAE, 1980~2010, ASHRAE Standard 90.1.

4. ASHRAE, 2009, ASHRAE Handbook, Funda- mentals.

5. CRC Construction Innovation, 2007, HVAC Sys- tem size : Getting it right.