소프트 웨 어 소 개
배성호
국토교통부 기획조정실 서기관 [email protected]
단열·기밀·열교최소화 등을 통해 냉난방 에너지 요구량을 극단적으로 줄인 패시브하우스(Passive House)의 건물에너지 시뮬레이션 프로그램, 에너 지샵(Energy#)의 개발 배경과 주요 특징, 활용 방법 등을 살펴본다.
ISO 13790 기반 패시브하우스 에너지 해석 프로그램 에너지샵(Energy#) 소개
또 하나의 건물에너지 해석 프로그램을 개발하게 된 이유
필자는 건축을 전공했고 국토부에서 오랜 기간 건축·주택과 관련된 정책을 다루기도 했지만, 건물에너지 분야의 전문가라고는 할 수 없다.
하지만 개인적인 관심에서 시작된 저에너지 건축에 대 한 탐구가 ‘패시브하우스 콘 서트’라는 서적의 출간으로 이어졌고, 다행스럽게도 반 응은 그리 나쁘지 않았다.
문화부 우수콘텐츠 기획도 서에 선정되는가 하면, 전 문 분야의 서적임에도 벌써 2쇄까지 찍었고 최근에는 네이버 지식백과에 연재되 는 행운까지 겹치게 되었다
(그림 1). [그림 1] 패시브하우스 콘서트(배성호著)
소프 트웨
소프트웨어 소개 어 소개
그래서 좀 더 용기를 내어 여기서 못다한 전문 적인 이야기들을 묶어 제로에너지 하우스를 다룬 속편, ‘자립주택’의 출간도 결심하게 되었다. 이 책 에서는 추상적인 개념 설명 위주의 기존 서적들과 는 달리, 실제로 어떤 건물의 에너지 수지를 0(net zero)으로 만들기 위해 에너지의 사용량과 생산량 을 계산하는 모든 과정을 보여주고자 했다. 아울러 프로그램을 사용하여 하나의 사례를 실제로 시뮬 레이션해볼 수 있는 기회도 제공하고 싶었다.
하지만 에너지해석 프로그램 부분에서 진도가 나가지 않았다. 기존에도 관련 프로그램은 많이 있 었지만, 하나같이 어렵고 복잡하며 뭔가 하나씩 부 족해 보였다. EnergyPlus, TRNSYS와 같은 동적해석 프로그램은 계산의 정밀도나 입력변수의 자유도는 뛰어나지만 그만큼 다루기가 어렵고 계산과정에서 사용자의 주관적인 판단이 개입될 가능성도 무척 높아 보였다. 더구나 단일 존(zone) 해석만으로도 충분한 대부분의 중소형 건물에는 어딘가 맞지 않 아 보이는 옷이었다.
자연스럽게 시선은 입력 변수가 표준화되어 있 고 신속한 계산이 가능한 정적 해석 프로그램으로 향했다. 하지만 이 또한 아쉽기는 마찬가지였다. 패 시브건축의 에너지 해석 분야에서 가장 오랜 기간 신뢰를 쌓아온 독일의 PHPP(Passive House Plann- ing Package) 역시 구성이 너무 복잡하고 다루기가 어려웠으며, 국내의 건물에너지 총량 해석 프로그 램인 ECO2 OD(Office Design) 또한 디테일한 측면 에서 부족함이 엿보였다.
고민 끝에 엑셀로 제로에너지 건물을 시뮬레 이션할 수 있는 ‘아주 간단하고 쉬운’ 프로그램을 직접 만들어보기로 했다. ISO(국제표준) 13790과 PHPP라는 확실한 레퍼런스도 있었을 뿐 아니라, 당시 미국에서의 국비유학 기회를 통해 개발에 몰 입할 시간도 충분히 확보할 수 있었기 때문이다.
하지만 처음부터 끝까지 하나의 완결된 프로
그램을 만드는 것은 결코 쉬운 일이 아니었다. ISO 13790만으로 커버할 수 없는 빈틈 또한 상당했다.
어쩔 수 없이 다른 ISO, EN(유럽 표준), DIN(독일 표준) 기준들을 뒤지고 관련 논문과 서적들도 하나 둘 찾아보기 시작했다. 직관적인 유저 인터페이스 를 구축하고 시간별 일사 데이터를 하나하나 정리 하는 과정도 상당히 힘들었던 기억이다. 이왕 시작 한 일의 끝을 보려다 보니 스탠퍼드에서의 금쪽같 은 유학기간도 고스란히 이 일에 바칠 수밖에 없었 다. 결국 우여곡절 끝에 프로그램은 완성됐고, 한 국패시브건축협회와 패시브제로에너지건축연구 소의 도움으로 1년간의 검증과 보완을 거쳐, 올봄 에너지샵(Energy#)이라는 이름으로 드디어 세상에 첫 선을 보이게 되었다.
프로그램의 포지셔닝
기존의 건물에너지 해석 시장을 들여다보면, 대 부분의 해석 대상은 대형 오피스나 관공서 등에 집 중되어 있다. 이는 에너지효율 등급제의 주된 적용 대상일 뿐 아니라, 프로젝트 규모상 에너지 분석에 별도의 비용과 인력을 투입할 만한 여력이 되기 때 문이다. 실제로 이 시장을 노리고 출시된 상용 프 로그램들 역시 상당수에 이른다. 문제는 이들 프로 그램을 중소형 건물에 그대로 적용하기에는 상당 한 어려움이 따른다는 점이다. 앞서 언급한 바와 같 이 대형 건물의 에너지 해석은 기본적으로 공조 설 비를 통해 여러 구역(Zone)의 실내환경을 조절하 는 다중 존 시스템을 기반으로 한다. 이는 필연적으 로 복잡한 인터페이스와 상당한 전문지식을 요구 할 수밖에 없어, 단일 존으로도 충분한 분석이 가능 한 중소형 건물의 에너지 해석에 상당한 진입장벽 으로 작용한다. 또한 비싼 프로그램 가격과 투입해 야할 전문 인력 또한 큰 부담이 아닐 수 없다.
하지만 어렵다고, 돈이 안 된다고 이들을 외면
할 수는 없다. 우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 단독 주택, 아파트, 상가와 같은 중소형 건물이야말로 오히려 저에너지 설계가 더욱 절실한 대상들이다.
영문도 모르고 치솟는 냉난방비에 고통받는 이들 에게 무엇이 문제인지, 해결책에는 어떤 방법이 있 는지를 이야기해줄 수 있어야 한다. 무엇보다 전체 건물의 90% 이상을 차지하는 이들을 그대로 두고 서 온실가스 감축과 지속가능한 건축을 논한다는 것은 어불성설이다.
결국 에너지샵도 이와 같은 사각지대를 해소하 는 데 조금이나마 기여하는 것을 가장 중요한 목표 로 삼기로 했다. 이를 위해 중소형 건물의 해석에 적합한 단일 존 기반의 정적 해석 방식을 채택하 고, 쉽고 직관적인 인터페이스를 제공하고자 노력 했다. 비록 많은 시간과 정성을 쏟아 개발했지만, 자유로운 이용을 확산시키기 위해 프로그램을 무 료로 공개함은 물론이다.
프로그램의 주요 특징
에너지샵의 첫 번째 특징을 꼽으라면, 그것은 단연 직관적이고 편리한 화면 디자인이라 할 수 있 다. 특히 그림 2와 같이 Full HD(1920×1080) 해상 도를 기준으로 한 화면 내에서 입력과 계산 결과를 실시간으로 확인토록 한 것은, 다른 프로그램들과 크게 차별화되는 점이다. 대부분의 경우 내용을 입
력하고 계산(Run) 버튼을 누른 후 다른 화면으로 이동해서 결과를 확인하는 데 반해, 여기서는 입력 과 동시에 즉석에서 결과를 확인할 수 있어 사용자 의 편의성을 크게 높였다.
아울러, 프로세스를 단순화하고 재구성하는 데 에도 많은 노력을 기울였다. 같은 엑셀 기반의 프로 그램이면서 가장 직접적인 비교 대상이라 할 수 있 는 PHPP의 경우, 40개에 육박하는 워크시트(Work Sheet)가 무척이나 부담되고 혼란스럽다. 하지만 에 너지샵에서는 사용자의 모든 입력 프로세스를 철저 하게 분석하고 재구성하여 워크시트의 수를 15개로 대폭 줄였다. 예컨대 PHPP에서는 그림 3과 같이 하나의 복잡한 시트로 구성된 ‘지면 접촉 외피를 통 한 열손실(Ground)’ 부분을, 에너지샵에서는 외피 의 일부로 해석해 그림 4와 같이 ‘외피’ 워크시트에 포함시키는 식이다. 이 과정에서 필요 없는 입력변 수는 최소화하면서도 계산에 필수적인 입력 데이터 는 하나도 빠짐없이 확보토록 했다.
엑셀 기반 프로그램의 가장 큰 장점 중 하나는 계산 과정을 블랙박스 속에 감추지 않고 사용자에
[그림 2] 직관적이고 편리한 입력화면 [그림 3] PHPP의 Ground 시트
소프 트웨
소프트웨어 소개 어 소개
게 모두 공개할 수 있다는 점이다. 에너지샵 역시 그림 5와 같이 오른쪽으로 화면을 스크롤하면 모 든 계산 과정을 하나하나 짚어볼 수 있도록 배려했 다. 특히, 엑셀의 ‘참조하는 셀 추적’ 기능을 사용하 면 각종 입력 데이터가 어떻게 가공되어 건물에너 지로 집계되는지를 쉽게 이해할 수 있다.
또한, 에너지샵에서는 서울을 포함한 국내 16개 지역의 표준 기후 데이터를 제공한다. 특히 전일사, 산란 일사, 직달 일사량을 시간별로 제공함으로써 음영(Shading)을 고려한 일사량 계산의 정확도를 크게 높였다. 이 외에도 별도의 기상정보 프로그램 을 사용하여 원하는 지역의 기상 데이터를 추가로 입력하여 관리할 수 있는 기능도 추가했다.
마지막으로 그림 6의 예시에서 볼 수 있듯이 난방 에너지를 포함한 모든 에너지를 비용으로 산 출함으로써 건축주와 설계자의 올바른 판단을 돕
도록 했다. 이는 현재 개발 중인 대안별 생애주기 비용(LCC) 비교 기능과 결합하여 최적의 의사결정 을 위한 매우 유용한 검토자료가 될 수 있을 것으 로 생각된다.
프로그램의 사용법
에너지샵 프로그램은 개발자의 블로그(blog.
naver.com/energysharp)나 한국패시브건축협회 (www.phiko.kr)의 홈페이지를 통해서 다운로드 받을 수 있다. 엑셀 기반의 프로그램이므로 별도의 설치과정은 필요 없으나 다음 몇 가지는 주의할 필 요가 있다.
1. 올바른 작동을 위해서는 엑셀(Microsoft Excel) 2010 이상의 버전을 사용해야 한다.
[그림 4] 에너지샵의 Ground 입력(붉은색 박스 부분)
[그림 5] 에너지 계산과정 추적 [그림 6] 건물의 에너지비용 분석
2. 에너지샵은 비록 엑셀 워크시트로 이루어져 있지만 상당한 분량의 코드를 포함하고 있으 므로 최초 사용 시 ‘매크로’ 또는 ‘콘텐츠’ 사용 여부를 물으면 반드시 ‘사용’을 선택해야 한다.
3. 최적 해상도는 Full HD(1920×1080)에 글꼴 크기 100%이다. 이 외의 경우에는 한 화면에 모든 정보가 온전히 표시되지 않을 수 있다.
4. 데이터의 입력은 노란색 셀에서만 가능하며, 셀 우측 상단의 빨간색 툴팁(Tool Tip)을 참 고하면 대부분의 프로그램 사용법을 파악할 수 있다.
엑셀 작업의 기본 단위는 워크시트이므로 에너 지샵에 데이터를 입력하고 계산 결과를 확인하는 과정도 이 워크시트의 배치 순서를 따르면 된다. 데 이터를 입력하는 워크시트로는 ‘개괄’, ‘기후’, ‘설정’,
‘외피’, ‘창호’, ‘환기’가 있으며 이를 바탕으로 ‘요구 량’, ‘계산 흐름’, ‘냉난방부하’, ‘소요량’ 워크시트에 서 계산 결과를 확인할 수 있다. 이 밖에 기준정보 를 관리하기 위한 ‘DB’, ‘제품’ 워크시트와 개발 예정 인 ‘신재생’, ‘LCC(Life Cycle Cost)’ 워크시트도 있다.
‘개괄’ 워크시트에서는 그림 7과 같이 건물의 기본 정보를 입력하는 한편, 다른 워크시트에서의
입력을 바탕으로 계산된 에너지 계산 결과를 요약 하여 보여주고 이를 PDF 파일로 출력할 수 있는 기 능을 담고 있다.
‘기후’ 워크시트에서는 그림 8과 같이 시스템에 서 제공하는 서울, 부산, 대구 등 16개 지역의 표준 기후데이터를 선택해서 사용할 수도 있고, 별도의 기상정보 프로그램을 이용하여 사용자가 직접 기후 데이터를 입력할 수도 있다. 한 가지 특기할 만한 부 분은 상용 기상 프로그램인 메테오놈(Meteo norm) 의 시험판(www.meteonorm.com/en/downloads) 을 이용하여 무료로 얻을 수 있는 ‘월별’ 기상정보를 입력할 수도 있게 했다는 점이다. 이 경우 에너지샵 은 나름의 알고리즘으로 월별 기상 데이터를 ‘시간 별’로 분해하여 계산에 사용한다.
‘설정’ 워크시트에서는 건물 유형(주거·비주 거), 냉난방 기준온도, 축열성능, 거주자수, 내부발 열정보 등을 입력하는 한편, 그림 9와 같이 열손실
[그림 7] ‘개괄’ 워크시트의 입력 및 출력
[그림 8] ‘기후’ 워크시트의 기후조건 선택
[그림 9] ‘설정’ 워크시트의 외피구성 입력
소프 트웨
소프트웨어 소개 어 소개
이 일어나는 바닥, 벽체, 천장 등 외피의 구성정보 를 입력한다. 이때 해당 자재의 열전도율과 두께를 일일이 입력하여 계산할 수도 있고, 데이터 베이스 에 입력된 샘플을 불러와서 이를 수정하여 사용할 수도 있다.
‘외피’ 워크시트에서는 실내면적과 체적을 입력 하고, 지면에 접촉하는 외피와 외기에 노출된 외피 의 관련 정보를 입력한다. 그림 10과 같이 실내면 적 입력 부분의 경우, TFA(Treated Floor Area : 실 내난방면적 또는 유효실내면적)에 반영되는 비율 입력이 중요하다. 이는 다중 존으로 구성된 건물을 단일 존으로 계산하는 과정에서 시뮬레이션의 현 실성을 높이기 위한 개념으로, 다락 50%, 계단실 0%와 같이 경우별로 제시된 기준을 따른다.
열손실은 일어나지만 외기에는 노출되지 않은 외피의 경우, 그림 11에서 제시한 유형에 따른 바 닥구성 조합을 선택하고 열손실 계산에 필요한 열 관류율, 면적, 둘레 등의 정보를 입력한다.
외기에 노출된 외피는 그림 12에서와같이, 외 벽, 평지붕, 경사지붕, 외기에 노출된 바닥(필로티 공간의 천장 부위 등)으로 구분하여 입력토록 했으 며, 건물의 방향을 회전시켜가며 일사량의 변화를
시뮬레이션해볼 수 있는 기능도 제공했다.
‘창호’ 워크시트에서는 출입문, 창호, 커튼월과 관련된 정보를 입력한다. 여기서 특히 중요한 것 은 창호인데, 이는 에너지의 획득과 손실이 동시에 일어나는 곳으로 계산도 복잡하고 계산 결과에 영 향을 미치는 요소도 상당히 많기 때문이다. 특히 PHPP의 경우 시스템 창호의 입력이 무척 까다롭고 실수의 위험도 상당했으나, 에너지샵에서는 그림 13과 같이 창호의 대표적인 구성 유형을 제시하고 개폐창호의 위치와 크기만 선택하게 함으로써 사 용자의 입력 편의를 대폭 개선했다.
이렇게 창호의 형상 정보와 함께 유리와 창틀의 성능 정보, 그리고 음영 정보를 입력하면 창호를 통 한 에너지의 입·출입을 계산할 준비가 끝나게 된 다. 참고로 외부 차양을 고려한 일사량은 그림 14와 같이 시간 단위로 그림자의 형상을 추적하여 해당 면적을 정밀하게 계산하는 방식을 채택했다.
또한, 그림 15와 같이 방위별 계산 결과를 중 간 집계하여 제공함으로써 계획 과정에서 합리적 의사결정의 근거를 제공할 수 있도록 했다. 예를 들어 여름철 남쪽 창호의 일사 획득이 과도하면 외 부 차양 설치로 냉방부하의 감소를 유도한다거나, 겨울철 북쪽 창호의 열손실이 과하다면 창호의 열 관류율을 좀 더 높이는 식이다.
[그림 11] 바닥(Ground) 구성 개념도 [그림 13] ‘창호’ 워크시트의 창호구성 입력 [그림 10] ‘외피’ 워크시트의 면적 입력
[그림 12] ‘외피’ 워크시트의 노출외피 입력
‘환기’ 워크시트에서는 그림 16과 같이 공기의 입출을 틈새바람, 기계환기(Balanced), 외기활용, 강 제배기 네 부분으로 나누어 필요한 정보만 최소로 입력받도록 했다. 그리고 그림 17과 같이 환기 설 비의 위치(실내, 실외, 비난방공간)에 따라 외부로부 터 인입된 공기와 밖으로 배출되는 공기의 온도를 추적하여 환기로 인한 열손실은 물론 덕트별 열손 실 또한 정확하게 계산하는 로직을 추가하였다.
또한 기타 열교(Thermal Bridge)도 입력할 수 있게 했다. 물론 패시브하우스는 기본적으로 열교 없는 설계를 지향하지만, 건식 마감재의 고정에 따 른 점형열교나 창호 주변과 같이 단열재가 끊어지
는 부위에 대한 선형열교는 피할 수 없다. 따라서 THERM이나 HEAT와 같은 해석 도구를 활용하여 해당 부위의 열교를 도출한 후 이를 프로그램에 입 력해주는 작업을 병행할 필요가 있다.
이렇게 기후 → 설정 → 외피 → 창호 → 환기의 순서로 워크시트를 입력하면 그림 18과 같이 ISO 13790에 적시된 월간법(Monthly Method)에 의해 월 별로 얼마만큼의 난방에너지 요구량(Heating En- ergy Demand)이 필요한지를 파악할 수 있게 된다.
아울러, 그림 19와 같이 계산 결과를 쉽게 파악 할 수 있도록 ‘계산 흐름’ 워크시트도 제공한다. 앞 서 월간법으로 계산된 결과를 보다 직관적인 연간
[그림 14] 차양을 고려한 일사계산 개념도
[그림 15] ‘창호’ 워크시트의 중간집계 및 분석
[그림 16] ‘환기’ 워크시트의 기초정보 입력
[그림 17] 환기설비 및 덕트구성 개념도
[그림 18] 월별 난방에너지 요구량
소프 트웨
소프트웨어 소개 어 소개
법(Annual Method) 포맷으로 변환하여, 외피·환 기·열교를 통한 열손실량과 일사·내부발열을 통 한 열획득량 그리고 최종적인 에너지 요구량을 도 출하는 과정을 한눈에 알아볼 수 있도록 했다.
이 밖에, 설비용량을 산정하기 위해 설계 조건 을 선택한 후 냉난방 부하(Load)를 계산해볼 수 있 는 ‘부하’ 워크시트와, 설비의 효율을 입력하여 에너 지 소요량과 이산화탄소 배출량, 1차 에너지(Prime Energy), 에너지 비용을 계산해볼 수 있는 ‘소요량’
워크시트도 함께 제공된다.
계산 결과의 비교
마지막으로 프로그램의 신뢰성에 대해 논할 차 례다. 사실 아무리 ISO 13790을 철저하게 준수하는 프로그램이라도 해석 결과에는 다소간의 차이가 존 재할 수밖에 없다. 우선 기준 자체의 빈틈이 상당하 기 때문에 계산 과정에서 수많은 가정들이 끊임없 이 개입한다. 게다가 프로그램 사용자의 자의적 해
석 또한 결과에 적지 않은 영향을 미친다. 결국 에 너지를 해석하는 작업도 하나의 개별적 예측이므로 어느 정도의 오차는 피할 수 없는 것이다. 이 같은 전제하에, 한국패시브건축협회의 표준주택을 대상 으로 PHPP와 에너지샵을 비교한 결과는 표 1, 표 2 와 같다.
패시브건축의 에너지 해석 분야에서 오랜 기간 신뢰를 쌓아온 PHPP임를 감안할 때, 일단은 어느
[그림 19] 전체 계산과정을 한 눈에 알아볼 수 있는 ‘계산흐름’ 워크시트
<표 1> 협회 표준주택(30평) 시뮬레이션 결과 비교
구 분 PHPP Energy# 차이
난방에너지 요구량
(kWh/㎡) 35.16 35.14 -0.1%
냉방에너지 요구량
(kWh/㎡) 20.25 19.71 -2.7%
현열에너지 13.04 12.55 -3.8%
제습에너지 7.20 7.17 -0.4%
난방부하(W/㎡) 23.48 22.65 -3.5%
냉방부하(W/㎡) 17.23 14.42 -16.3%
현열부하 8.60 8.47 -1.5%
제습부하 8.63 5.87 -32.0%
정도 신뢰할 만 한 범위에 들어왔다고 할 수 있겠 다. 물론 추가적인 검증과 사례 축적은 필요하겠지 만, 일단 이 정도면 시장의 평가를 받아가며 부족한 부분을 보완해갈 수 있는 수준은 되지 않을까 조심 스레 생각해본다.
앞으로의 계획
일단 신재생 에너지 분석과 LCC 산출 기능이 추가된 버전 2.0을 올 연말까지 내놓을 계획이다.
아울러 프로그램에 대한 상세한 설명과 함께 관련 이론을 담은 ‘자립주택’도 내년 상반기 출간할 예정 이다. 조금 더 욕심을 낸다면, 에너지총량 계산 공
식 프로그램인 ECO2-OD로 입력 결과를 내보내거 나(Export) 스케치업(Sketch Up)과 같은 3D 저작도 구로부터 건물의 형상 정보를 불러오는(Import) 등 의 연계도 시도해보고 싶다.
개인적인 호기심에서 시작된 일이 어쩌다 보 니 생각보다 커졌다. 프로그램의 공익적 취지에 공 감해주신 많은 분들의 도움이 없었다면 여기까지 오는 것이 불가능했을지도 모르겠다. 론칭과 함께 PHPP를 대신해서 한국패시브건축협회의 공식 인 증 프로그램으로 채택된 것도 무척 좋은 출발이다.
그렇지만 5년이 지나고, 10년이 지나서도 에너지샵 이 시장에서 계속 살아남을 수 있을지는 자신할 수 없다. 공직생활 중에 바쁜 시간을 쪼개어 프로그램 을 유지보수하는 것도 쉬운 일은 아니다.
하지만 많은 이들의 쾌적하고 따뜻한 삶에 조 금이나마 기여할 수 있다면, 그래서 그분들이 좀 더 행복해질 수만 있다면, 그것으로 개인의 소소한 희생을 감내할 이유는 충분하다. 물론 혼자서는 결 코 이룰 수 없는 일이다. 아직 부족하고 채워야 할 부분이 많은 만큼, 많은 분들의 관심과 조언을 기 대해본다.
※ 이 글은 필자의 블로그(blog.naver.com/en- ergy sharp)에 게재된 글의 일부를 재구성하여 작성 한 것임을 밝혀둡니다.
<표 2> 협회 표준주택(40평) 시뮬레이션 결과 비교
구 분 PHPP Energy# 차이
난방에너지 요구량
(kWh/㎡) 40.46 38.74 -4.3%
냉방에너지 요구량
(kWh/㎡) 38.47 37.94 -1.4%
현열에너지 30.24 28.85 -4.6%
제습에너지 8.23 9.09 10.4%
난방부하(W/㎡) 32.69 29.20 -10.7%
냉방부하(W/㎡) 34.66 29.90 -13.7%
현열부하 24.58 23.14 -5.9%
제습부하 10.08 6.76 -32.9%
