Change Point Model을 활용한 대학건물의 에너지 소비 유형화

Abstract

대학건물은 에너지 다소비 건물군에 속하여 지속적인 에너지관리가 필요한 건물군에 해당되나 복합 용도의 건물군집으로 이루어져 있으며 건물마다 건축적 특징과 재실특성이 다르기 때문에 건물 맞춤형 에너지 관리를 하는 것은 어려운 실정이다. 또한 각 건물의 맞춤형 에너지 관리를 위해서는 건물마다 정밀 시뮬레이션 혹은 서브미터링 계측기기를 통한 에너지 분석이 되어야 한다. 그러나 대부분 대학건물의 경우 경제적·인력적 한계로 인하여 고지데이터 수집을 위한 건물의 메인미터링 계측인 월별 에너지 소비량이 한계인 상황이다. 그러므로 대학건물의 에너지 관리를 위해서는 월별 에너지 데이터를 이용한 분석이 필요하다. 대학건물과 같은 군집건물의 에너지 분석은 연간 에너지 소비형태가 유사한 건물별 분류를 통하여 수월하게 가능하다. 유사한 에너지 소비형태를 갖는 건물끼리의 분류는 건물마다 다르게 적용될 수 있는 건물 에너지 관리방안의 수를 줄여줄 수 있다. 따라서 유형별 에너지 관리방안을 유형 내 건물에 동일하게 적용할 수 있다면 모든 건물에 대한 정밀 분석 및 서브미터링 계측기기 설치 없이 이 과정을 최소화함으로써 대학건물의 에너지 분석을 가능하게 한다. 본 연구에서는 건물군집 에너지 데이터의 유형화방법에 대하여 고찰하였고, 대학건물의 월별 에너지 데이터를 활용하여 다수의 건물을 유형화할 수 있는 방법을 제시하였다. 또한 제시한 유형화방법을 실제 대학건물에 적용하여 유형별 특징분석을 하였으며 도출된 유형 내 건물들에 대한 비교를 통해 유형화 방법의 타당성 검증을 하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.

(1) 대학건물의 에너지 소비유형화를 위한 분류기준은 각 건물 에너지 사용량의 Change Point Model을 통해 도출되는 연간 에너지 성능에 대한 지표(단위면적당 에너지 소비량과 Change Point Model 내에서 도출이 가능한 기저에너지 사용비율, 난방기울기, 냉방기울기의 평균값)를 통해 적용될 수 있다. 단위면적당 에너지 소비량은 건물의 규모에 상관없이 에너지 소비수준의 파악이 가능하며 기저에너지 사용비율은 냉·난방과 기저로 사용되는 에너지의 비율을 파악할 수 있다. 또한 냉·난방 기울기는 외기온도가 높거나 낮을 때 외기온도 변화가 에너지에 영향을 미치는 정도를 파악할 수 있다. 또한 유형 내 동일한 관리방안 적용을 위해서는 건물의 열적성능에 영향을 미치는 건물외피형태와 준공연도를 추가적으로 고려할 필요가 있다.

(2) 대학건물 이공·자연계, 인문·사회계, 예술계, 행정지원시설 건물군을 대상으로 유형화 방법을 적용한 결과, 12가지의 유형에 건물이 분류된다. 모든 분류기준이 평균이상으로 크게 나타나는 유형에 가장 많은 건물이 할당되었고, 해당 유형의 건물들은 모두 이공·자연계 건물로 구성되었다. 단위면적당 에너지 소비량이 큰 유형들은 기저에너지 사용비율 또한 평균 이상으로 나타났으며, 단위면적당 에너지 소비량이 평균 이하인 유형들은 기저에너지 사용비율 또한 평균 이하이면서 냉·난방 기울기가 모두 크게 나타나거나 모두 작게 나타나는 두 가지 유형에 많은 건물이 할당되었다.

(3) 대학건물의 에너지 소비형태 유형화를 통한 실제 대학건물의 유형 분석을 위하여 대학건물 에너지 영향인자(준공연도, 연면적, 재실율, 외피유형, 용도별 면적비율)를 선정하여 도출된 유형과 특징비교를 하였다. 기저에너지가 큰 소비유형은 연구실과 실험실의 면적비율과 재실율과 관계가 있으며 난방기울기가 큰 소비유형은 준공연도, 연면적, 외피형태와 관계가 있다. 또한 냉방기울기가 큰 소비유형은 재실율과 관계가 있고, 이공·자연계 건물군의 경우 실험실의 면적비율과, 인문·사회계, 예술계, 행정지원시설 건물군의 경우 행정실의 면적비율과 관계가 있는 것으로 나타났다. 대학건물은 건물이 가지는 특징에 따라 에너지 소비형태가 다르게 나타나고 있기 때문에 유형별로 따라 에너지 관리방안을 다르게 적용해야한다.

(4) 대학건물의 에너지 소비형태 유형화 방법의 타당성을 검증하기 위해 에너지 소비유형 내 건물 간 에너지 소비요소 비율의 비교를 하였다. 유형 내 소비형태의 평균에 가까운 대표건물에 대하여 정밀 시뮬레이션을 하여 실제로 대표되는 비율을 도출하였다. 이에 동일 유형 내 다른 건물들에 대하여 시간별 에너지 데이터와 현장조사를 통해 기저에너지 소비요소 비율을 도출하였다. 연중 기저로 사용되는 중간기의 시간별 데이터를 기준으로 주중의 피크·기저시간대의 기저에너지 소비요소 비율의 비교 결과, 각 요소에 따라 최대 ±10% 이내의 차이를 보이고 있었다. 이는 비교적 유사한 에너지 소비 비율로 건물을 사용함을 확인함으로써 제시한 유형화 방법의 타당성을 검증하였다.