김보성 설비공학회 회원
(서울과학기술대학교)은 11월24일 열린 설비공학회 동계학술대회에서 ‘기획단계에서 빠르고 정확한 최대 냉난방 부하 산정을 위한 공간 토폴로지 모델’을 주제로 연구결과를 발표했다.
건축 프로젝트에서 기계, 전기, 통신, 소방 등 설비공사 비중이 점점 올라가고 있어 신규 프로젝트와 사업타당성 분석 시 설비시스템의 초기 투자비를 정확하게 산정해야 한다.
특히 열원과 공조설비 용량은 설비시스템의 초기 투자비와 직결되기 때문에 기획단계에서 시스템 용량산정을 위한 냉난방 부하계산이 빠르게 진행될수록 보다 다양한 구성의 설비와 이예따른 각종 리스크도 주어진 시간 내 빠르게 검토할 수 있다.
사업성을 검토하는 초기 기획단계에서 건축설계자가 설비설계 엔지니어에게 넘겨줄 수 있는 건물 정보는 스페이스 프로그램과 각 실별 레이아웃 정도이기 때문에 설비 엔지니어는 유사 프로젝트에서 추출한 기본값을 부하 계산을 위한 추가 정보로 사용한다.
그러나 전달받은 입력정보가 많지 않음에도 엔지니어는 각 실별 부재 형상과 속성을 부하 계산 프로그램에 수작업으로 입력해야 하므로 부하계산을 더 빠르게 하기 위해 자동화가 절실하다.
열평형법에서 파생된 박사시계열법(RTS법)의 냉난방 부하계산은 주기적이며 정상상태인 열전달을 가정하기 때문에 실제 동적 열류나 연간 에너지 부하 해석을 위해 다소 부적합하다. 그러나 전체 냉방부하에 대한 건축물의 각 요소와 각 열 취득 영향을 정량적으로 시계열화했기에 특히 최대 냉방부하 산정을 위해 비교적 합리적인 계산법이다.
건물의 냉난방 부하에 근본적인 영향을 미치는 인자는 매시각별 건물 표면에 닿는 일사량이며 이 일사량은 건축물 외피(창호, 벽체, 지붕)의 열 취득에 영향을 주기 때문에 냉난방 부하산정에 있어 가장 민감한 요인이다. 또한 조명‧인체‧장비 내부발열에 의한 열 취득과 침기 열부하는 냉방부하에 영향을 미친다.
건물의 기획단계에서 각 실별 소요 면적과 스페이스 프로그램이 거의 정해져 있기 때문에 스페이스 프로그램에 따라 자동적으로 기본값이 정해지는 내부발열과 침기 열부하보다는 외피로 입사하는 일사량을 결정하는 각 실별 창호, 벽체, 지붕의 형상정보 속성(면적, 방향, 부피 등)과 시간에 따라 변하는 구조체 저장열의 열류 지연을 반영한 위상정보 속성(어떤 공간이 외기에 직접 접해있는지, 공간과 공간 사이 중간공간인지, 여러 공간과 연결되는 공용공간인지 등)이 장비 선정을 위한 냉난방 부하 계산에 가장 큰 영향을 주는 요인이다.
냉난방부하 산정 공간 토폴로지 모델 제안
이에 따라 이 연구는 기획단계에서 냉난방부하를 산정하기 위한 공간 토폴로지 모델을 다음과 같이 제안했다. 공간별 용도, 공간이 취득하는 일사량에 직접적인 영향을 미치는 구조체(외벽, 지붕, 바닥, 간벽)의 향, 면적 및 개구부(창, 출입문)의 향과 면적이 공간 노드 속성이며 해당 노드 토폴로지에 따라 Corner Node(CN), Mid-Node(MN), Public Node(PN)으로 나눴다. 향후 각 부재 재료 및 마감 속성도 추가될 예정이다.
RTS 알고리즘에 따르면 각 실별 최대 냉방부하에 가장 큰 영향을 미치는 요인은 외피부하(창, 외벽, 지붕), 내부발열(인체, 장비, 조명), 간벽 부하, 침기에 의한 대류 열취득이다. 공간별 최대 난방부하에 가장 영향을 미치는 요인은 외피부하와 간벽 부하다.
각 노드 타입별 부하요인별 냉방부하와 난방부하 베이스라인을 RTS-SAREK으로 계산했다. 베이스라인을 각 노드 타입의 가장 기초 형상 및 위상정보를 사용해 계산됐다. 노드 속성(창 면적‧방향, 바닥 면적)이 바뀌면 간단한 대수 연산으로 난방부하와 냉방부하가 재산정된다.
서울에 위치한 실제 철근콘크리트조 사무소 건물의 냉난방 부하를 RTS-SAREK으로 계산해 토폴로지 모델의 냉난방부하와 비교했다. Mid-Node를 비롯해 4개의 Comer Node의 최대 냉난방 부하값이 RTS-SAREK 계산값과 거의 일치했으며 볶잡한 공간구조를 가진 Public Node도 RTS-SAREK 계산값과 거의 일치했다.
토폴로지 모델의 최대 냉난방부하 결과와 RTS-SAREK에서 계산한 실제 철근콘크리트조 건물의 최대 냉난방부하와 거의 차이가 없었다. 이는 동일한 건물 데이터로 토폴로지 모델을 작성하고 같은 건물 데이터로 검증했기 때문일 수 있으며 건축물 위치와 재료 변경이 토폴로지 모델에 반영되지 않았기 때문일 수도 있다.
이번 연구는 기획단계에서 건축물 정보를 토폴로지 모델로 표현하는 것을 가정했지만 Revit과 같은 BIM 저작도구에서 토폴로지 모델을 직접 추출할 수 있으므로 모델 구축시간을 보다 단축할 수 있다.
김보성 회원은 “이번 연구를 통해 스페이스 프로그램과 각 실별 레이아웃 수준의 입력정보만으로도 각 실의 최대 냉난방 부하를 보다 빠르고 정확하게 계산할 수 있는 공간 토폴로지 모델과 냉난방 부하계산방식을 제한코자 했다”고 밝혔다.
김보성 설비공학회 회원(서울과학기술대학교)은 11월24일 열린 설비공학회 동계학술대회에서 ‘기획단계에서 빠르고 정확한 최대 냉난방 부하 산정을 위한 공간 토폴로지 모델’을 주제로 연구결과를 발표했다. 
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