Transcript Chapter 7. Energy and Atmosphere

Summary of ‘Sustainable Construction’
Chapter Seven : Energy and Atmosphere
Contents
1. 건물에너지 이슈
2. 고성능 건물 에너지 디자인 전략
3. 자연형 디자인 전략
4. 건물 외피
5. 기계 설비
6. 전력 설비
7. 창의적인 에너지 최적화 전략
8. 스마트 빌딩과 에너지 관리 시스템
9. HVAC 시스템의 오존파괴 물질, 소화 물질
10. LEED-NC와의 연계
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Building Energy Issues
에너지 소비

그린빌딩에서 가장 중요한 이슈


환경에의 영향
미래의 고 에너지 비용

80 million building in USA : 1,000 billion BTU (2002)
» Lighting (31%), heating (22%), cooling (18%)



Sulfur dioxide emission (47%), nitrogen oxide emission (22%)
18.4 million new homes, 21.5 billion ft2 commercial buildings : 2002~2010
미국 연방정부의 에너지 정책 : ‘Buildings for the 21st Century’

2010년까지 에너지 소비량 감소



50% : 신축 주택 및 신축 상업용 건물
20% : 기존의 주택 및 상업용 건물
방법




기술 발전(Technology breakthroughs)
건물 시뮬레이션 도구의 발전(Better building tools and simulations)
시공기술의 발전(Improved construction techniques)
거물주의 태도변화(Whole scale shift in the attitude of building owners)
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Building Energy Issues
그린빌딩

에너지 소비 감소: ‘Factor 10’



Nominal U.S. commercial building : 292 Kwh/m2/year
Typical green building : 146 Kwh/m2/year
Factor 10 building : 29 Kwh/m2/year
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High-performance building energy design strategy
에너지 절약적 건물의 설계의 기본 절차
1. 건물 시뮬레이션 도구의 사용
2. 자연형 태양열 설계의 최적화
3. 건물외피 열성능의 극대화
4. 건물 내부 열부하의 최소화
5. 고효율 HVAC 시스템 채택
6. 재생가능 에너지 사용의 극대화
7. 창의적인 신기술의 도입 (e.g. ground –coupling, radiant cooling)
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High-performance building energy design strategy
건물에너지 시뮬레이션


건물설계의 초기단계에서 실행: 건물형태, 층수 및 건물방위 결정에 도움
디자이너의 직관적인 설계안에 대한 정량적 검토 가능
건물에너지 설계의 목표 설정



ASHRAE 90.1-1999 : Energy standard for buildings except low-rise residential buildings
LEED-NC 2.1 채택한 문서
건물내외부 조명, 건물외피의 단열성능 및 창문면적, 냉난방 설비 및 급탕
설비의 에너지 효율에 대한 요구 성능을 명시함.
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High-performance building energy design strategy
ASHRAE 90.1-1999 에 부응하기 위한 방법
1. 건물외피에 대한 규준(Prescriptive building envelope option)



수직창 면적: 벽체 면적의 50% 까지 허용
유리창의 최대 열관류율 및 태양열취득계수(SHGC) 허용치 (U-factors :
0.29~1.27 ft2-◦F/BTU, SHGC : 0.14~)
창문과 출입문의 최대 허용 틈새바람량 (8.5 m3/hm2)
2. 건물외피의 보완 옵션

건물 외피 구성 요소중에서 어느 한 부분이 최소한의 규준을 준수하지 못할
경우 건물 외피의 다른 구성 요소의 성능을 향상시켜서 전체 외피의 열성능을
보완하게 함.
3. 에너지 비용 예산(Energy cost budget method)


건물 디자인이 ASHRAE 90.1-1999의 규준을 만족시키는지 여부를 평가하기
위하여 건물 시뮬레이션 프로그램을 사용하여 평가함.
건물외피와 건축설비 시스템의 성능을 평가함 (HVAC, 급탕, 전력, 조명 설비
및 기타 설비 대상)
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High-performance building energy design strategy
건물 에너지 성능의 검증

The International Performance Measurement and Verification Protocol
(IPMVP)



미국 에너지 성의 예산 지원에 의해, 미국, 카나다, 멕시코의 전문가들이 참
가하여 1996년에 발표 (1997, 2000년에 개정판 출판)
현존하는 방법 중 건물의 에너지 성능, 급수시스템의 효율 및 재생가능에너
지의 성능을 평가에 최선의 방법 제공
연료절약방법, 물절약 방법 등 포함.
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Passive design strategy
그린빌딩 에너지 시스템 설계의 시발점
정의:



건물의 냉난방, 조명 및 환기를 자연광, 바람 등 자연상태의 자원에 의존하
도록 설계하는 것.
외부로부터의 에너지를 고려하기 전에 먼저 건물의 에너지 소비를 줄일 수
있는 모든 방법을 동원하는 것.
Randy Croxton : ‘default to nature’ : 자연형 에너지 개념에 입각하여 설계
된 건물은 화석연료에 의한 에너지의 공급을 중단하더라도 사용가능
2가지 원칙:


건물에너지 사용을 줄이기 위해 건물의 위치와 대지를 이용
건물 자체의 설계를 통한 에너지 절약 및 열성능 향상 (건물방위, 장단변비,
열용량, 개구부 면적, 환기 등)
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Passive design strategy
자연형 디자인의 개발에 포함되어야할 요소










지역의 기후(Local climate)
대지 조건(Site condition)
건물 장단변 비(Building aspect ratio)
건물 방위(Building orientation)
건물 재료의 열용량(Building massing)
건물 사용 스케쥴(Building use)
자연채광 (Daylighting strategy)
건물 외피(Building Envelope)
실내 발열 부하(Internal loads)
환기 (Ventilation strategy)
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Passive design strategy
건물의 형태, 방위 및 열용량(Shape, orientation and massing)

동서축으로 길게 (동서측 벽을 통한 태양열 취득을 최소화 가능)

건물 장단변 비 (aspect ratio)




추운 지방에서는 1.0에 가깝게
따뜻한 지방에서는 길고 좁게
자연형 디자인 전문가 들은 길고 좁은 건물을 선호
재료의 열용량


자연형 태양열 난방 (주간에 태양열을 축열할 수 있는 재료 선택)
덥고 습한 지역에서는 외피의 단열 강화 하고 열용량이 작은 재료 선택
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Passive design strategy
자연채광(Daylighting)


고성능 그린빌딩의 특징 중 하나
건물 사용자에 대한 물리적, 심리적 혜택


판매시설 : 30~50% 매출 증가
학교 : 성적 20~26% 향상

Win-win situation : 저 에너지 비용과 성능향상 동시에 추구

고성능 건물의 생애주기 분석에서 생산성의 향상과 거주자 건강에 대한
긍정적인 효과는 충분히 고려되고 있지 않음

주광의 효용성에 대한 주요 아이디어





창문에 충분한 자연광 유입되어야 함
가시광선 투과율 높은 유리
자연광량을 고려한 인공조명 제어
작업의 종류에 적합한 자연채광 조도 유지
건물의 각부위별 자연채광 효과 평가
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Passive design strategy
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Passive design strategy
자연형 환기



공기의 유동을 위해 외부 바람의 힘을 이용
연돌효과 이용
Case study : Jubilee campus of the Univ. of Nottingham

Designer : Sir Michael Hopkins and Partners
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Passive design strategy
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Passive design strategy
영국의 환기 설계 기준: Chartered Institute of Building Services
Engineers (CIBSE)

건물별 환기회수




Classroom : 2 to 4 air changes per hour
Officers : 4 to 6 air changes per hour
Theaters : 6 to 10 air changes per hour
Storage area : 1 to 2 air changes per hour
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Building envelope


건물외피를 통한 열관류량을 최소화 해야함
건물외피가 제어해야할 사항:




태양열 취득량
열관류량
틈새바람에 의한 열 전달
건물외피 설계의 주안점



Wall systems
Window selection
Roof selection
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Building envelope
외벽 설계


열관류율
최대 허용 열관류율(U-values)(ASHRAE 90.1-1999)


난방도일과 냉방도일에 따라서 규정
벽체 설계시 두가지 주요 고려 사항


외벽의 열용량
단열재의 설치
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Building envelope
창문 설계

창문의 열성능

태양열취득계수(Solar heat gain coefficient, SHGC)




가시광선투과율(Visible Transmittance, VT)





태양열을 차단하면서 가시광선을 투과 시키는 성능
LSG가 높을수록, 태양열 취득을 최소화 하면서 높은 자연채광 효과 기대
로이유리(Low-e)



Value : 0~1
자연채광을 위해 높은 VT값 선택
전형적인 단층 투명유리 : 0.9 VT
The ratio of SHGC to VT (light-to-solar gain ration, LSG)


창문의 위치 및 유리재료에 따라 다름
Value : 0~1
SHGC값이 작을 수록 창문을 통한 태양열 취득량 작아짐
장파장 적외선 투과율을 5에서 10배 줄임.
실내로부터 외부로의 장파장 적외선 투과를 차단(난방에 유리)
유리창은 일반벽체보다 열관류율 높으므로 면적 결정에 유의
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Building envelope
지붕 설계

여름철 태양열 취득의 주 원인: 단열과 색깔 선택 중요

반사율(albedo)이 높은 색을 채택

Solar Reflectance Index (SRI)


New rating system : how hot materials are in the sun
Light-colored shingle with a SRI of 54

54% of incidence solar energy would be reflected
20
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Active mechanical systems
자연형 태양열 설계의 최적화 다음으로, 건물의 내부 열부하를 최
소화 해야함.
건물 내부 발열부하의 주원인
1) 재실자 – 대책없음
2) 전기를 사용하는 설비 및 조명기구 – 기구효율을 높여
서 발열 최소화
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Active mechanical systems
냉동기

건물 최대부하의 주 원인

냉동기 종류



Centrifugal, Screw, Scroll, Reciprocating
냉동기의 효율을 높이기 위한 노력

California Title 24 Energy Efficiency Standards: Chiller plant efficiency

Direct digital control (DDC), water-cooled rotary screw
고효율 냉동설비의 설계 전략

1. 냉동기 효율 향상에 집중

2. 펌프 시스템의 효율 향상

3. 냉각탑의 용량 및 제어

4. 건물 에너지 관리 시스템과 냉동기 제어를 연동

5. 냉동기의 시험운전
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Active mechanical systems
공기 반송 설비

현대 건물에서 에너지 소비의 주 원인 (AHU, 전기모터, 덕트, 열교환기, 제
어기 등으로 구성)

공기반송설비의 효율 증가를 위한 6가지 대안 (Greening Federal Facilities )

1. VAV systems (가변풍량 방식)

2. VAV diffusers (개별공조)

3. Low-pressure ductwork design (덕트단면 크게, 팬 속도 감소)

4. Low-face velocity air handlers (AHU크기 증가, 팬동력 감소)

5. Proper fan sizing and VFD motors (VFD: variable frequency drive)

6. Displacement ventilation systems (바닥공조)
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Active mechanical systems
열회수 장치(Energy recovery systems)

Economizers (외기냉방): 외기를 도입하여 건물 냉방

열회수 환기 장치(Energy recovery ventilators, ERV)

배기(EA)로 부터 열과 습기 회수하여 도입외기(OA)에 공급

환기회수를 증가시킬 수 있어서 실내공기질 향상
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Active mechanical systems
CO2 감지 환기

CO2 농도를 감지하여 재실인원 파악하고 필요한 양 만큼 외기 도입
CO2 sensor kit
Duct mount type CO2 sensor for ventilation
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Active mechanical systems
급탕 설비

태양열 급탕설비

무수조 순간 온수기 (Tankless, Instantaneous water-heating systems)

온수탱크 없으므로 열손실 없음

온수 사용시에만 에너지 사용
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Electrical power systems
조명 설비


형광등

형광등 직경: T12 > T8 (89 lm/W) > T5 (93 lm/W) (T8 = 8/8 inches)

CRI (연색지수): 최소 70, 80 이상 권장
광섬유 조명(Fiber-optic lighting)


광원에서 발생된 자외선과 적외선을 제외하고 가시광선 만을 전달 할 수 있으
므로 판매시설이나 미술관 조명에 유리
발광 다이오드 조명 (LED lights)

수명이 길고 견고함

백열전구 수명의 20배, 형광전구의 수명의 2-3배

전력소모량 적다

현재 건물 조명용으로 개발이 활발
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Electrical power systems
조명 제어

조명 제어의 2가지 기본 기능

1. 재실자를 감지하여 점멸 제어 (on/off)

2. 자연채광 조도의 부족 분을 보상하기 위하여 디밍 또는 On/Off

자연채광과 연동하여 제어할 경우 전기에너지 소비 50% 감소 가능

자연채광 연동한 인공 조명 제어

1. 조광제어 (Dimming)

2. 점멸제어 (Switching)
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Electrical power systems
전기 모터

현대 건물에서 중요한 장치


팬, 펌프, 엘리베이터 등 작동
에너지 절약적 모터 구입을 위한 3가지 중요한 요소

1. 모터의 성능은 다양 (Nameplate에 효율과 테스트 기준을 명시토록 함)

2. 전부하 (full load) 상태에서 모터의 성능 최대 발휘

3. 에너지 비용 높고, 연간 사용 시간 많을 수록 고효율 모터 사용해야 함
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Innovative energy optimization strategies
복새 냉방(Radiant cooling )

냉수를 이용하여 천장, 벽 또는 바닥을 차갑게 함

3 형식:


1. Concrete core: plastic tubes are buried in concrete floor and ceiling slab

2. Metal panels: metal tubes are connected to aluminum panels

3. Cooling grids: plastic tubes are embedded in plaster or gypsum
5 가지 설계 지침:

1. 건물 외피의 기밀성 유지

2. 도입외기는 실내로 공급하기 전에 제습

3. 넓은 면을 이용

4. 결로 문제 유발하지 않기 위해 냉방과 난방 온도 설정을 신중하게

5. 공급 냉수의 온도가 실내 공기의 노점온도에 가깝게 차가울 때 습도센서를
이용하여 수량 조절 밸브를 작동 시킨다.
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Innovative energy optimization strategies
지열 이용(Ground coupling)


지열을 이용한 히트펌프 (간접 방식)

수평 배관

수직배관
외기 도입 덕트 또는 냉수 코일을 지중에 설치 (직접 방식)

지하수를 복사 냉방에 이용

잘 설계된 지열이용 HVAC 설비는 장치의 용량, 덕트크기 및 공조기의 크기를
감소시킬 수 있음.
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Innovative energy optimization strategies
재생가능 에너지 시스템

Building integrated photovoltaics (BIPV)

Wind energy

Biomass energy

Biomass: Any plant-derived organic
matter available on renewable basis
연료 전지(Fuel cells)

Reformer is used to process
nonhydrogen fuels to extract the hydrogen

3 factors for most building applications



Reformer that extracts hydrogen from
the natural gas or LPG
Fuel cell that changes the hydrogen to electricity
Power conditioner that converts the fuel
cell electricity to the type and quality of power for use in the building
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Smart buildings and energy management systems
Building energy management system (EMS)

Computer with software that controls energy-consuming equipment to ensure
the building operates efficiently and effectively

Smart buildings uses the concept of information exchange to provide a work
environment that is productive and flexible
Building systems typically found in a smart building

Fiber-optics capability

Built-in wiring for internet access

Wiring for high-speed network

Satellite accessibility

High-tech, energy-efficient HVAC system

Automatic on/off sensor in the lighting system

Computerized/interactive building directory
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Ozone-depleting chemicals in HVAC&R
and fire suppression
HCFC refrigerants

HFC-143a chillers replaces CFC-11 chillers

HFC-143 a has smaller molecular mass so that overall product size also can be
reduced including pipes of chiller
Halon replacement in fire protection systems

Water mist, inert gases, carbon dioxide, halocarbones, and mixtures of
halocarbons are on the market to replace the Halon 1301
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Connection to LEED-NC: Energy & Atmosphere (EA)
EA prerequisites

1. Fundamental building systems commissioning

2. Minimum energy performance
EA credits

1. Optimize energy performance

2. Renewable energy

3. Additional commissioning

4. Ozone protection

5. Measurement and verification

6. Green power
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