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요 약
급격히 증가한 세계의 에너지 소비에 따른 문제로 에너지
공급의 어려움과 자원의 고갈, 환경에 심각한 영향이 발생
하면서 국제적으로 에너지 사용량 절감에 대한 관심이 높아
지고 있다. 또한, 기후변화에 대한 대응으로 선진국에 온실
가스 감축의무가 부과되면서 에너지 절약이 사회적으로 대
두되고 있다. 도심은 건물축물 및 불투수포장면 증가로 도
시 열환경에 큰 악영향을 미치고 도시열섬현상이 발생하기
이르렀다. 도시열섬 완화를 위해 다양한 방법이 모색되고
있지만 바람길과 녹지의 확보가 가장 중요한 요소이다. 녹
지 확보가 지상을 중심으로 넓게 이루어진다면 가장 양호하
겠지만, 녹지 확보공간이 불충분한 도심지역에서는 옥상녹
화 등의 건축물 녹화가 최선의 대안으로 여겨진다. 특히 옥
상녹화는 도시환경 개선뿐 아니라, 건물에너지 절감 측면에
서도 매우 유용한 특성을 가지고 있다. 즉 옥상녹화는 옥상
에 녹지의 창출과 더불어 건물 외피의 성격으로 외단열 형
태이며, 이는 건물에너지 절감에 기여하고 있을 것으로 예
측된다. 현재까지의 옥상녹화는 주로 생태적측면의 연구와
기온저감에 대한 연구가 주를 이루고 있으며, 저에너지 건
축물 및 도시 조성 차원에서 건물에 미치는 에너지 절감효
과에 대한 연구는 매우 미흡한 실정이다. 이러한 배경에서
옥상녹화시스템에 대한 열성능 시뮬레이션의 필요성과 대
략적 방법론이 제시되어 에너지저감효과에 대한 분석이 이
루어 졌으나, 대부분 토양과 식재만을 고려하여 분석하였다
는 제한점이 있다. 또한 대도심 건축물의 주를 이루고 있는
오피스건물에서 옥상녹화 유·무에 따른 건물에너지절감에
대한 연구는 부족한 실정이다. 따라서 본 연구는 도심지에
서 가장 많이 이용되고 있는 오피스 건물을 대상으로 옥상
녹화시스템이 건물에너지절감에 미치는 영향 및 비교·분석
을 통해 향후 대도시 지역의 건물에너지 절감을 실현할 수
있는 옥상녹화시스템 개발의 기초자료로 제공하고자 한다.
본 연구의 시뮬레이션 프로그램은 EnergyPlus7.2를 이용
하였다. EnergyPlus는 미국 DOE(Department Of Energy)
에서 개발된 프로그램으로 에너지사용량 평가에 유용한 툴
로서 국내외에서 타당성이 검증된 시뮬레이션 프로그램이
다. EnergyPlus는 기존 해석 도구인 DOE-2, BLAST, COM
IS의 장점을 통하여 개발된 도구로서 CTF(Condcuction Tr
ansfer Function)과 CFD(Conduction Finite Difference), H
AMT(Combined Heat and Moisture Transfer) 등과 같은
벽체 열전달 계산 알고리즘을 이용하여 기존 해석 도구에서
불완전했던 실내 온도 예측과 같은 점이 보완되었다. Energ
yPlus는 상세 에너지 해석이 가능하며 해석기간 동안 수시
로 변화하는 건물의 실내외 조건, 벽체의 축열부하를 고려
하여 매 시간당 에너지균형(Energy Balance)을 계산하기
위해 유한차분법, 응답계수법 등과 같은 수치해석 방법을
채택하고 있다. 일정 시간 간격으로 외벽을 통한 관류열,
시간에 따른 실내 현열 및 잠열, 발열, 환기 및 침기에 의한
열손실/취득, 일사, 천공복사, 내벽체간 복사, 주위건물 음
영, 건물 내·외부 대류 열전달 등, 여러 가지 열전달 경로를
통하여 동시에 발생되는 열부하를 통합하여 계산한다. 적용
모델의 건물은 3층 규모로 설정하였으며 연면적 1,200㎡,
창면적 210㎡ 이며, 옥상녹화유형별 에너지절감효과를 정
량적으로 분석하기 위해 식재층 재료, 토양층 재료, 배수판
재료, 단열재 적용 유무 등을 고려하여 5개 type으로 설정하
였으며, 이외 옥상녹화가 미적용된 type을 포함하여 총 6개
type의 시뮬레이션을 실시하여 미적용 대비 옥상녹화의 에
너지절감효과 및 옥상녹화시스템별 에너지절감 차이를 정
량적으로 제시하였다. 옥상녹화시스템 유형은 저관리경량
형으로 type B, C, D, E를, 관리중량형으로 type F를 설정하
였다. 시뮬레이션에 적용된 type별 구조를 구체적으로 제시
하면, 옥상녹화가 미적용된 type A는 콘크리트 210㎜, 단열
재 110㎜이고, 이외 5개 type에서도 건물구조는 type A와
동일하게 설정하였다. type B 구조는 식재층(100㎜)+GBblock(100㎜)+방근시트(2㎜)+배수판(50㎜), type C 구조는
식재층(100㎜)+펄라이트(70㎜)+부직포(2㎜)+화산석(80㎜)+sedemblock(80㎜), type D 구조는 식재층(100㎜)+펄
라이트(115㎜)+부직포(2㎜)+배수판(35㎜), type E 구조는
식재층(100㎜)+마사토(85㎜)+펄라이트(30㎜)+부직포(2
㎜)+배수판(35㎜), type F 구조는 식재층(100㎜)+마사토(3
00㎜)+펄라이트(30㎜)+부직포(2㎜)+배수판(35㎜)으로 구
성하였다. 적용건물의 설정조건으로는 냉·난방 설정 온도
각각 22℃, 24℃, 공조방식은 Fan-coil unit 방식을 적용하
였다. 또한 난방기(Heat Generation)와 냉방기(Chiller)의
성능 계수는 각각 0.83, 1.67로 설정하여 분석하였다. 조명
설계는 사무공간으로 목표조도 400lux, 조명부하 5 W/㎡·1
00lux이며, 창면적비율은 30%, 재실인원 0.11 people/㎡,
인체발열 123 W/person, 환기량 10 l/s·person, 급탕 0.2 l/
㎡·day, 건물운용 24시간(근무시간 9:00~18:00)으로 설정
하였으며, 기상데이터는 중부지역의 충주지역의 기상데이
터를 이용하여 분석을 수행하였다.
옥상녹화 면의 열관류율(U-Value)은 type A 0.332 W/
㎡·K, type B 0.25 W/㎡·K, type C 0.281 W/㎡·K, type
D 0.287 W/㎡·K, type E 0.284 W/㎡·K, type F 0.271 W/
㎡·K로 분석되었다. 열저항성(R-Value)은 type B > type
F > type C > type E > type D > type A 순으로 나타났다.
건물부하는 시시각각 변화하지만 이것이 최대가 되는 시각
에 대해서만 열량을 계산하며, 이것을 최대부하시간(Peak
Hour)에 대하여 행한 부하계산을 최대부하계산법(Peak Lo
ad Design)이라 한다. 피크부하 중 난방피크부하량은 type
A > type D > type E > type C > type F > type B 순이며,
미적용 유형인 type A 대비 type B, C, D, E, F 유형은
약 0.6 ~ 0.9% 절감효과가 예측되었다. 또한, 냉방피크부하
량은 type A > type E > type D > type C > type B >
type F 순이며, type A 대비 type B, C, D, E, F 유형은
약 1.1 ~ 1.2% 절감효과가 예상되었다. 연간냉·난방부하량
은 type A > type E > type D > type C > type B > type
F 순이며, type A 대비 type B, C, D, E, F 유형은 약 1.14
~ 1.18% 절감효과가 예측되었다. 연간에너지사용량은 type
A > type D > type E > type C > type F > type B 순이며,
type A 대비 type B, C, D, E, F 유형은 약 0.5 ~ 0.9%
절감효과를 보였다. 최상층의 에너지성능분석을 한 결과,
난방피크부하량은 type A > type D > type E > type C
> type F > type B 순이며, 미적용 유형인 type A 대비
type B, C, D, E, F 유형은 약 1.3 ~ 2.1% 절감효과가 예측
되었다. 또한, 냉방피크부하량은 type A > type E > type
D > type C > type B > type F 순이며, type A 대비 type
B, C, D, E, F 유형은 약 1.2 ~ 1.5% 절감효과가 예상되었
다. 연간피크난방부하량은 type A > type D > type E >
type C > type F > type B 순이며, 미적용 유형인 type A
대비 type B, C, D, E, F 유형은 약 6.0 ~ 9.0% 절감율을
보였으며, 연간피크냉방부하량은 type B > type A > type
F > type C > type E > type D 순이다. type B를 제외한
유형에서는 냉방부하저감을 보였으나, type B는 다른 유형
에 비해 높은 단열성으로 인해 내부의 열이 외부로 방출되
지 못한 결과로 사료된다.
이상의 결과로 옥상녹화 적용에 따른 에너지저감효과는
냉방시기 보다 난방시기에 높은 효과를 보였으며, 향후 다
양한 옥상녹화시스템 및 유형별 조성에 따른 검토가 이루어
져야 할 것이다.
