에너지드림센터의 에너지 제로 구현 사례

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집중기획

김 상 훈 파슨스 브링커호프 코리아

차장 [email protected]

서 론

본 건물은 재실자에게 높은 쾌적감을 제공하는 친환경 건물 구현 과 혁신적인 에너지 제로화 달성을 목적으로 하였다.

에너지드림센터의 에너지 제로 구현 사례

에너지 절약을 위하여 외피성능 강화, 내부부하 저감 및 고효율 시스템 등의 기술을 적용하였고, 소요되는 에너지는 태양광 발전으로 공급하여 에너지 제로를 달성하는 설계절차에 대하여 소개하고자 한다.

[그림 1] 에너지 제로 기본개념

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이를 위하여 건축 및 기계적인 에너지 절약기 법을 적용하여 에너지 사용을 최소화하였고, 화 석연료 사용을 배제하기 위하여 모든 에너지원을 전기로 계획하였다. 그리고 필요한 전기에너지는 태양광 발전을 통하여 공급하여 연간 소요되는 에너지와 생산하는 에너지 사이에 균형을 이룰 수 있도록 하였다. 그림 1은 위와 같은 에너지 제 로를 달성하기 위한 기본개념으로 에너지 절감의 중요성을 나타낸다. 그림 2는 에너지 제로 설계절 차로 건물의 에너지 요구량 저감을 위하여 외피 성능을 강화하고, 내부부하를 감소시키며, 에너 지 소요량을 저감시키기 위하여 고효율 시스템을 적용하였다. 그리고 태양광 발전을 통하여 필요 한 에너지를 공급함으로써 에너지 제로를 달성하 게 된다.

건축개요

본 건물은 에너지 제로의 실증과 에너지 자립 도시 구현을 위하여 서울 월드컵 공원내 평화야 외 공연장에 건축되었으며, 표1과 그림3은 건축

개요 및 조감도이다.

건축적 에너지 절약기법

건물에서 사용되는 에너지 절감을 위하여 고 성능 외피(고기밀, 고성능 창호, 외단열), 자연채 광, 경사벽 및 외부 차양을 적용하였다.

고성능 외피

그림 4와 같이 외피에 우레탄폼(지붕), 암면단 열재(벽), 진공단열재(중정벽), 압출법보온판(바 닥)을 적용하여 표 2와 같이 열성능을 강화하였 다. 이 수치는 에너지절약 설계기준(2013.10.01 일) 별표1 지역별 건축물 부위의 열관류율표와 비교했을 때 열성능이 우수함을 알 수 있다. 그리 고 유리는 그림 5와 같이 중정 커튼월과 수평 연 창부분에 Low-e 삼중유리를 사용하였고, 그림 6 과 같이 다른 모든 외부 커튼월에 일사 차폐성능 이 높은 삼중유리를 사용하였다. 타입별 창의 열 성능은 표 3과 같다.

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[그림 3] 서울 에너지드림센터 조감도 [그림 2] 에너지 제로 설계절차

<표 1> 건축개요

시설명 서울 에너지드림센터

층수 지상3층/ 지하1층

연면적 3,762 m²

건축면적 2,065.91 m²

용도 전시시설, 업무시설

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고기밀성

외피 기밀성 검토는 DIN EN 13829에 준하는 기밀성 테스트에 의해 시행하였으며 시간당 0.36 회로 측정되었다. 이것은 동절기 침기율 0.1회/시

간에 해당되며 고기밀 건물임을 입증한다.

자연채광 및 경사벽

그림 7과 같이 실이 깊어짐에 따라 자연채광

<표 2> 외피 열성능

<표 3> 창 타입별 열성능

구 분 적용 열관류율

(U-value)

에너지절약 설계기준 열관류율 (U-value) 외 벽 중정외단열(진공단열재)0.11 W/m²K 경사벽(암면단열재)0.14 W/m²K 0.27 W/m²K 이하

지 붕 평지붕 0.119 W/m²K 경사지붕 0.112 W/m²K 0.18 W/m²K 이하

바 닥 0.101 W/m²K 0.35 W/m²K 이하

종류 적용 열성능 에너지절약 설계기준

열관류율 (U-value) 열관류율(U-value) 일사열취득계수(SHGC) 가시광선투과율(TVIS)

수평연창, 중정커튼월 1.0 W/m²K 이하 0.57 0.67 3.40

W/m²K이하

외부커튼월 1.0 W/m²K 이하 0.26 0.56

[그림 4] 부위별 적용 단열재

[그림 5] 중정 커튼월 [그림 6] 외부 커튼월

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이 불리해지는 것을 해결하기 위해 건물의 중앙 에 Light Well 역할을 하는 중정을 두었고, 바람개 비 날개 형태의 경사지붕은 Sunlight Reflector 역 할을 함으로써 태양광을 실내로 반사시킬 수 있 도록 하였다. 이때 Sunlight Reflector의 반사율을 높이기 위하여 경사지붕 및 경사벽은 하얀색으 로 마감하였고, 실내로 유입된 빛을 효율적으로 확산시키기 위하여 천장 및 내부벽체도 반사율이 높은 하얀색으로 마감하였다.

그리고, 건물의 외벽은 그림 8과 같이 경사벽 으로 계획하여 태양고도가 높은 하절기에는 일사 에너지 취득을 감소시켜 냉방에너지 소요량을 절 감시키고, 태양고도가 낮은 동절기에는 일사에너 지를 취득하여 난방에너지 소요량을 절감시킬 수 있도록 계획하였다.

외부차양

수평연창 부분에는 그림 9와 같은 은색 외부 베네치안 블라인드를 적용하였다. 겨울철에는 사 용자가 작동하지 않는 이상 블라인드가 항상 올 라가 있고, 여름철에는 일사량이 150 W/m²를 초과할 때에는 블라인드가 내려와 일사를 차단하 고, 일사량이 100 W/m²이하로 내려갈 때에는 슬랫을 수평으로 유지하며, 일사량이 50 W/m² 이하일 때에는 블라인드가 올라가도록 자동제어 된다. 그리고, 방위별로 상이한 일사량에 대응하

기 위하여 각 방위별로 별도센서를 설치하였다.

기계적 에너지 절약기법

건축적인 요소를 적용하여 건물의 에너지요 구량을 저감시킨 상태에서 고효율 냉난방시스템, 고효율 환기시스템, 건물 자동화 시스템 및 조명 제동제어 등의 기계적인 에너지절약 기법을 적용 하였다.

난방시스템

난방열원은 그림 10과 같이 지열 히트펌프 시 스템을 적용하여 복사패널, 컨벡터 및 공조기에 온 수를 공급하였고, 연간 COP 4 를 목표로 하였다.

[그림 7] 자연채광을 위한 Light Well 및 Sunlight Reflector [그림 8] 일사부하 조절을 위한 경사벽

[그림 9] 수평연창 외부 베네치안 블라인드

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냉방시스템

외기 제습을 위하여 많은 에너지가 사용되기 때문에 증발냉각 방식의 공조기를 적용하였고, 각 실의 냉방을 위하여 그림 11의 바닥복사패널 과 컨벡터에 지열 열교환기에서 생산된 냉수를

공급하였다.

제습에 소요되는 에너지를 줄이기 위하여 공 조기에 인입된 외기를 그림 12와 같이 프리쿨링 하였다. 즉, 배기되는 공기는 분무수에 의하여 습 구온도까지 증발냉각되고, 도입되는 외기는 냉각 된 배기와 열교환하여 실내로 급기된다.

냉방은 그림 13과 같이 히트펌프 없이 지열수 와 냉수를 열교환기를 통하여 직접 열교환하여 복 사패널 및 컨벡터에 공급하였고, 용량이 부족할 경우에 대비하여 냉동기의 냉수를 지열 냉방용 버 퍼탱크에 연결하였다.

신재생에너지

냉방, 난방 및 급탕용 냉온수는 지열시스템에 의하여 공급된다. 이를 위하여 그림 14와 같이 37 공을 50 m 깊이로 천공했다.

난방시에는 지중으로부터 열을 추출하며 히트 펌프를 통하여 온수를 생산하여 1, 2층의 복사패 널 및 3층 팬 컨벡터에 공급한다. 냉방 시에는 열 교환기를 통하여 지열 천공의 지열수와 냉수를 열 교환하여 복사패널 및 컨벡터에 공급한다.

그림 15와 같은 태양광 발전은 기존 전력망에 연결하여 태양광 발전량이 전기 소요량보다 많은 경우에는 잉여량을 송전하고, 태양광 발전량이 전

[그림 10] 지열 히트펌프 시스템을 이용한 복사난방

[그림 12] 증발냉각 원리

[그림 13] 지열 열교환기를 이용한 복사냉방

[그림11 ] 바닥 복사패널 시공

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기 소요량보다 적을 경우에는 기존 전력망으로 부터 전기를 공급받도록 계획하였다. 그리고 전 기 소요를 최대한 저감하기 위하여 아래와 같은 사항을 계획 및 운영단계에서의 원칙으로 적용 하였다.

- 랩탑 컴퓨터와 평면 모니터 사용 - 고효율 송풍기, 펌프 및 전동기 사용

- 낮 시간 동안 전기조명 사용량 절감을 위한 주광제어 및 LED 조명

- 신중한 장비 추가설치 및 에너지 소비효율 등급제품 사용

- 추가 내부부하(재실자 전기제품)는 최대한

배제

건물 시뮬레이션

시뮬레이션 절차

시뮬레이션 과정 및 각 항목 간의 관계를 그림 16에 나타냈다.

연간 일사와 조도 시뮬레이션은 그림 17의 RADIANCE/ DAYSIM을 사용하였고, 직달 및 확 산일사를 고려한 실제 상태에서의 연간 시간별 타임스텝(Time Step)을 반영하였다. 또한, 건물 의 복잡성과 외피의 경사에 따른 일사의 영향도 고려하였다.

에너지 시뮬레이션은 그림18의 TRNSYS를 사 용하였고, RADIANCE/ DAYSIM에 의한 조명기구 의 에너지 소비 및 내부 발열 프로파일을 반영하 였다.

시뮬레이션 조건

본 건물은 전시시설의 특성상 주 7일 운영 되며, 시간대별 부하율은 07~11시:34%, 11~13 시:70%, 13~17시:100%, 17~19시:70%를 적용

[그림 15] 옥상 태양광 발전

[그림 14] 지열천공(37공 x 50 m)

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[그림 16] 시뮬레이션 과정 및 각 항목간의 관계

[그림 17] RADIANCE에서의 3D 모델 [그림18 ] TRNSYS 시뮬레이션 모델

<표 4> 고정부하 <표 5> 가변부하

종 류 소비전력(W)

모니터링 및 미터링 541

네트워크 장비 3685

CATV & MATV 27

CCTV 320

소방 부하 257

조명 제어 54

기계설비 자동화 시스템 540

합 계 5,424

종 류 최대 부하 [W] 연간 소비량 [kWh]

PC’s 1,650 4,914

팬 및 펌프 3,593 10,700

전시시설 20,817 62,000

합 계 26,059 77,614

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하였다. 재실인원은 최대 400명을 스케줄에 따라 재실하는 것으로 적용하였고, 발열량은 ISO 7730 의 경작업에 기준하여 1인당 현열 90 W, 잠열 95 W를 적용하였다. 그리고 고정부하는 표 4의 5.4 kW를 24시간, 365일 사용하는 것으로 적용하였 으며, 가변부하는 표 5의 최대부하 26 kW를 스케 줄에 따라 사용하는 것으로 적용하였다.

설정온도는 난방 22℃, 냉방 24℃로 설정하 였다. 습도는 위생문제와 에너지 소모를 피하기 위해서 겨울철에는 30% 설정하였고 여름철에는 55%로 설정하였다.

실내 표면의 반사율은 천장 80%, 벽 및 칸막 이 50%, 바닥 30%를 적용하였고 조도센서는 바 닥에서 80 cm 위에 40개소를 설치하여 주광제 어에 사용하였다. 설치된 조명 전력밀도는 8 W/

m²을 적용하였고, 주광레벨이 사용시간에 300 lux 이하로 내려가면 전기조명으로 전환되어 켜 지고 디밍(Dimming)되도록 하였으며, 300 lux를 초과하게 되거나 업무시간이 끝나면 조명이 꺼지 도록 하였다.

외기도입량은 1인당 30 CMH로 하였고, 침기 율은 기밀성테스트의 결과와 문의 개방시간을 고 려하여 시간당 0.1회를 반영하였으며, 환기 시스 템의 열회수 장치는 온도 효율 75%로 연중 가동 되는 것으로 반영하였다.

태양광 발전량을 계산하기 위하여 독일 Fraunhofer ISE사의 ZENITH를 사용하였다. 태양 광 모듈은 건물의 남쪽으로 10도 기울어진 것으 로 반영하였고, 모듈 간의 케이블 손실과 차양을 고려하여 연간 1,011 kWh/kW를 발전할 수 있는 것으로 계산되었다.

그림 19는 월별 전기 요구량과 태양광 발전량 을 나타낸다. 전기 소요량과 태양광 발전량의 차 이가 발생하는데 이것은 기존전력망과 연계하여 잉여 발전량을 송전하고 부족시에는 기존 전력망 으로부터 전기를 공급받는 것으로 균형을 맞출 수 있다.

에너지모델링 결과

에너지 소비량

에너지 절약 설계를 위하여 표 6과 같이 다양 한 변수를 적용하여 에너지 시뮬레이션을 수행 하였다. 최초에는 기준건물에 대한 시뮬레이션을 실시하였고, 외피 기밀성 강화, 단열강화+환기, 주광사용, 열회수 장치, 고효율 냉동기, 증발냉각, 지열 열교환기 및 히트펌프를 적용하여 에너지 절감 효과에 대한 시뮬레이션을 수행하였다. 그 림 20에 각 에너지절감 아이템을 반영했을 때의 연간 에너지 소요량을 나타냈다.

에너지 균형

에너지 제로 목표를 달성하기 위해서 사용되 는 모든 에너지원은 화석연료를 배제하고 전기로 설계하였으며, 소요되는 연간 에너지양과 생산되 는 연간 에너지양이 균형을 이룰 수 있도록 태양 광 발전용량을 결정하였다. 표 7과 그림 21에 항 목별로 소요되는 연간 에너지양과 필요한 태양광 발전 용량을 나타냈다.

[그림 19] 월별 전기 소요량과 태양광 발전량

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<표 6> 에너지시뮬레이션 변수 및 기준 값

구분 외벽, 지붕, 바닥 물성치 창문 물성치 조명 전력밀

도 및 제어

냉동기 효율(COP)

열회수 장치

증발 냉각

냉난방시스템, 침입외기

1 기준건물

Uwall=0.36 W/m²K Uroof=0.2 W/m²K Ufloor=0.43 W/m²K

U(glaz+frame)

=2.5 W/m²K G=0.3

13 W/m²,

재실시 점등 2.7 - -

냉열원:냉동기 온열원:전기코일 냉난방:공조기 침입외기:0.3회/h 2 외피 기밀성

강화

U(glaz+frame)

=2.5 W/m²K G=0.3

13W/m²,

재실시 점등 2.7 - -

냉열원:냉동기 온열원:전기코일 냉난방:공조기 침입외기:0.1회/h

3 단열강화

Uglaz=0.7 W/m²K Uframe=1.5 W/m²K G=0.3

13 W/m²,

재실시 점등 2.7 - -

4 주광사용

Uglaz=0.7 W/m²K Uframe=1.5 W/m²K G=0.3, G=0.5

8 W/m²,

주광제어 2.7 - -

5 열회수장치

8 W/m²

주광제어 2.7 75% -

6 고효율 냉동기

8 W/m²

주광제어 4.5 75% -

7 증발냉각

Uglaz=0.7 W/m²K Gframe=1.5 W/m²K G=0.3, G=0.5

8 W/m²

주광제어 4.5 75% 적용

8 지열 열교환기 및 히트펌프

8 W/m²

주광제어 4.5 75% 적용

냉열원:냉동기 +지열열교환기 온열원:지열 히트펌프 냉난방:복사패널, 침입외기:0.1회/h

[그림 20] 에너지시뮬레이션 변수별 연간 에너지 소요량 (전시시설 및 BMS 포함)

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결 론

본 건물은 에너지 제로의 실증과 에너지 자립 도시 구현을 위하여 건축적 요소인 고성능 외피

(고기밀, 고성능 창호, 외단열), 자연채광 및 외부 차양을 적용하였고, 기계적 요소인 고효율 냉난 방시스템, 고효율 환기시스템, 건물 자동화 시스 템 및 조명제동제어 등을 적용하여 건물에서 소

<표 7> 항목별 연간 에너지 소요량 및 태양광 발전 용량

구분 에너지 소요량 (kWh) 태양광 발전 용량 (kW)

공조용 에너지

난방 및 급탕 30,851 30.6

냉방 및 제습 50,658 50.2

공조용 송풍기 21,430 21.2

소계 102,939 102.0

조명 35,774 35.0

기타 장비

엘리베이터 2,799 2.8

BMS 9,552 9.4

IT 42,617 42.2

팬 (지하) 3,142 3.1

펌프 및 컨트롤 3,727 3.7

자동블라인드 105 0.1

슬라이딩도어 868 0.9

외부조명 1,278 1.3

안전율 10,000 10.0

소계 74,088 73.5

사무실 및 전시 62,000 61.0

총계 274,801 271.5

[그림 21] 항목별 연간 에너지 소요량 및 태양광 발전량

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요되는 에너지를 최소화하였다. 그리고 건물에서 소요되는 전체 에너지는 태양광 발전을 통하여 자급자족할 수 있도록 하였다.

그리고 에너지소요량 및 에너지절감 효과 를 정량화하기 위하여 RADIANCE/ DAYSIM, TRNSYS, THERM 및 ZENITH 등의 시뮬레이션 프로그램을 이용하였다.

추후, 에너지 자급자족을 달성할 수 있도록 많 은 시도가 이루어지고, 정량적인 에너지 분석과 절감 효과를 검토하는 에너지 절약 설계 프로세

스도 폭넓게 적용되어야 한다.

참고문헌

1. Parsons Brinckerhoff, 2012. Planning and Constructing Zero Energy.

2. Fraunhofer, 2012. Energy Zero House Seoul A Zero Energy Building Final Energy Simulation Report.