The primary goal of this research is to identify the impacts of window design on the energy use in buildings which takes up about 25% of the total energy consumption. Recently, efficient use of energy is gaining more importance in buildings. Window design, especially being dependent on glazing performance choices, is an important factor for reducing energy consumption in most of the buildings. It also is influenced by the latitude of the site and window orientation. This research aims at identifying the influence of window performance indicators(U-value, SHGC), orientation and latitude on the building energy consumption with systematically designed simulations. In order to understand energy efficient designs of windows in relation with different latitudes and climatic conditions, it is needed to verify the effects of design factors on the building’s energy performance by changing the orientation, U-value and SHGC of the windows. Comparative study has been performed for 16 different locations which were classified by Koppen along with the different window systems. Glazing performance of a window in relation with energy efficiency can be assessed mainly by looking at its U-value as is defined by ISO(International Organization for Standardization) in Europe and SHGC(Solar Heat Gain Coefficient) that is used primarily in USA. Especially, SHGC is a useful indicator to be applied to predicting cooling load of a building. Since SHGC is calculated by the ratio between the insolation reached outside and the isolation transmitted inside, it is dependent on the window installation direction(orientation) and the latitude of the site.
Firstly, this study systematically analyzes the major components of window system which are gazing, gas and low-e coating. Then varied combinations of window sub systems are simulated by applying them to 16 different global regions classified by weather types of Koppen. The estimated energy consumption predictions are derived based on the simulation results. LCC(Life Cycle Cost) is also an important factor in selecting a window system. Therefore, Installation cost of a window system in Korea is calculated and compared to the energy cost.
This study demonstrates how to systematically design a high-performance glazing system through being guided by energy consumption prediction as well as LCC. Window designers and building managers can estimate the energy consumptions in various regions of the world based on the window systems analysed in this study.
우리나라의 에너지 총 조사 보고서에 의하면 건축 분야의 에너지 소비는 총 에너지 소비량의 25%를 차지하고 있다. 이에 따라 벽체 및 창호의 열관류율 등의 규제를 통해 제도적으로 건축 분야의 에너지 소비량을 줄이기 위한 노력이 시도되고 있다. 특히 건축물에서 창호는 벽체나 지붕의 열손실에 비해 약 8배 정도의 열손실이 큰 부위로 에너지효율화의 일차적인 대상으로 간주되고 있다. 이에 따라 주요 선진국의 단열기준에서 창호는 집중 관리되고 있는 부분이며 고단열, 고기밀성 창호의 개발은 물론 국가에서 요구하는 단열성능의 수준도 상당히 강화되고 있다. 이에 에너지자원이 부족한 우리나라에서도 2013년 8월부터는 기존의 단열 기준의 10∼30% 강화한 설계기준을 제시하였고, 창호의 열관류율 기준값은 선진국 수준인 1.5 W/㎡K대로 강화한다고 고시하였다. 이에 새로 적용되는 법적 기준에 부합하고 우리나라 창호 업체들의 세계 시장으로의 진출을 위해 글로벌 스케일의 창호설계 분석이 필요한 시점이다. 건축물의 외주부에서 소비되는 에너지는 창호의 향, 창면적비, 차양설치 여부 및 종류, 창호 유리 및 창틀의 종류, 실내 조명제어 여부 등의 영향을 직접적으로 받는다. 건축물의 설계 단계에서 설계자들은 ‘건축물이 위치할 지역에 있어 에너지 절약 관점에서 최적의 향, 창면적비 및 유리의 종류는 어떤 것인가, 차양이나 조명제어 시스템을 적용할 때 과연 에너지 절약이 가능할 것인가’ 등 다양한 의문사항에 대해 검토하고 의사결정을 하게 될 것이다. 이에 창호 설계에 있어 기후조건이나 향에 따른 에너지 소비량을 예측할 수 있는 의사결정 지원 모델 개발에 연구의 목적을 두고 있다. 에너지 저감형 창호설계를 위한 가이드라인 개발을 위하여 창호시스템을 구성하는 컴포넌트를 구성단위로 분해하여 최하위 수준에서 민감도 분석을 실시하고, 민감도 분석을 통하여 분석된 내용을 역조합하여 창호시스템 설계 디자인의 관련식을 도출할 수 있도록 하였다. 이를 위하여,
첫 번째 단계로 창호시스템 성능에 영향을 끼치는 주요 요소 부재 중 유리(Glazing), 충진재(Gas), Low-e 코팅의 변화를 통해 창호 성능을 평가하였다. 이를 통해 창호 구성요소의 조합을 통한 열관류율(U-value)과 SHGC(Solar Heat Gain Coefficient)를 추정하였다.
두 번째 단계로 창호성능 대비 에너지 소비량을 추정하였다. 조합하고 개별성능이 파악된 창호 시스템에 대하여 냉난방 에너지 성능에 대하여 분석하였다. 이 단계서는 전 지구적으로 창호의 성능에 따른 에너지 소비량 변화와 이에 대한 상관관계를 도출하기 위함을 목적으로 하였다. 쾨펜의 기후대별 17개 지역을 대상으로 조합된 창호를 적용하여 건물의 향에 대한 에너지 소비량을 추정하고 창호성능 대비 에너지소비량에 대한 관련식을 도출하였다. 향에 대한 에너지 소비량 추정은 향에 따라 건축물의 외피를 통해 유입되는 일사에너지의 양이 달라지므로, 냉난방에너지 절약을 위해서는 향에 따라 창호의 면적을 줄이거나 차양을 별도로 계획하는 등 다각적인 접근이 필요하다. 현재 독일, 네덜란드 등 유럽의 몇몇 국가를 제외하고는 향별 창호의 성능이나 설계 기준이 별도로 제시되어 있지 않기 때문에 본 연구를 통해 각향에 적합한 창호시스템을 제안하고자 하였다.
세 번째 단계로 창호 시스템 설치비용 대비 에너지 비용을 비교 분석하고 관련식을 도출하였다. 대한민국의 창호시스템의 성능 대비 에너지소비량을 바탕으로 설치비용 대비 에너지 사용비용을 비교 분석하였다.
마지막으로 조합된 창호시스템 중 최고의 성능의 조합과 최하의 성능 조합의 창호를 아파트 평면에 실제 적용하여 본 연구에서 도출한 창호조합 유형별 에너지 성능 관련식의 정확도를 추정하였다. 또한 체계적 방법론을 적용한 에너지 저감형 창호 설계를 위한 의사결정 모델 개발에 대하여 요약 정리하여 기술하였다.
본 논문은 에너지 저감형 건축물 창호설계를 위한 것으로 초기 창호설계에 있어 각 기후대별 창호 성능대비 에너지 소비량을 미리 예상할 수 있고, 창호 설계 초기투자비 대비 에너지 소비량을 예측할 수 있도록 한다. 시뮬레이션을 통한 모든 결과값은 부록으로 첨부하여 별도의 시뮬레이션 없이 예상 열관류율과 SHGC 값을 추정할 수 있도록 하였다.