133층 초고층 복합건물의 에너지성능을
설계 전에 예측한 DOE-2.1E Simulation

1. 아직 존재하지 않는 건물의 에너지성능을 어떻게 판단할 것인가?

기존 건물은 계량기와 BEMS 데이터를 이용해 실제 에너지사용을 분석할 수 있다. 하지만 설계단계의 건물은 아직 전기·가스 사용량이 존재하지 않는다. 이때 설계도면과 운영가정을 컴퓨터 모델로 옮겨 건물이 완공되었을 때 어느 정도의 에너지를 요구할지를 미리 계산하는 것이 Energy Simulation의 역할이다.

이 사례의 대상은 지하 2층부터 지상 133층까지 이어지는 초고층 복합건물이었다. 업무시설, 판매시설, 가족호텔, 특급호텔, 주거시설과 문화시설이 하나의 건물 안에 존재하기 때문에 단일 용도의 평균 원단위만으로는 에너지성능을 설명하기 어려웠다.

2. 먼저 건물을 용도와 층으로 분해했다

원 보고서의 Modeling은 특급호텔 103~133층, 가족호텔 84~102층, 주거시설 50~83층, 업무시설 9~49층, 판매시설 B2~8층으로 구분하였다. 전체 연면적은 약 496,320㎡, 공조면적 약 362,803㎡, 외벽면적 약 164,350㎡, 창면적 약 81,404㎡로 정리되어 있다.

이렇게 용도를 분리한 이유는 호텔과 사무실, 판매시설, 주거시설의 재실시간·조명·급탕·공조 운전이 서로 다르기 때문이다. 같은 1㎡라도 어떤 용도로 언제 사용되는지에 따라 냉난방과 전력수요가 달라진다. 특히 133층처럼 수직으로 여러 용도가 결합된 건물에서는 ‘건물 전체 평균’ 하나로 모델링하면 각 시설의 서로 다른 사용패턴이 희석될 수 있다. 따라서 공간을 나누는 작업 자체가 에너지모델의 첫 번째 분석과정이었다.

3. 외피만 넣는 것이 아니라 ‘건물이 어떻게 사용될지’를 모델링했다

DOE-2.1E 모델에는 건물규모와 외피 열관류율, 기후조건, 내부부하뿐 아니라 재실·조명·콘센트·공조기·Fan·냉난방온도·냉동기·보일러·급탕의 운영스케줄이 입력되었다. 즉 3D 형상만 만드는 작업이 아니라 사람과 설비가 하루·주·계절에 따라 어떻게 움직일지를 수치화하는 작업이었다.

실제 보고서의 공조기 운영스케줄을 보면 업무시설은 주중 08~18시, 판매시설은 09~20시, 호텔은 06~24시로 서로 달랐고 주거시설은 해당 표에서 별도의 공조운전이 없는 것으로 모델링되어 있다. 냉동기·보일러도 업무시설 08~18시, 판매시설 09~20시, 가족호텔 05~24시, 특급호텔은 24시간 등 용도별 조건을 달리했다.

이 차이는 단순한 입력표가 아니다. 예를 들어 호텔은 야간에도 냉난방·급탕수요가 계속될 수 있지만 업무시설은 주중 업무시간에 부하가 집중된다. 따라서 같은 설비효율을 적용하더라도 연간 운전시간과 부하발생 시점이 달라져 결과가 달라진다. Simulation에서는 설비효율 못지않게 Schedule 가정이 중요하다는 점을 보여주는 사례다.

4. 외피성능도 실제 설계사양으로 입력했다

원 보고서에는 용도별 외피 열관류율이 구체적으로 정리되어 있다. 예를 들어 업무시설은 외벽 0.33 W/㎡K, 외부창 1.35 W/㎡K, 판매시설은 외벽 0.35, 외부창 1.68 W/㎡K로 적용하였다. 당시 보고서에 함께 제시된 법적 기준과 비교하면서 설계 외피조건을 모델에 반영했다.

이 단계가 중요한 이유는 Simulation 결과가 프로그램 자체에서 자동으로 만들어지는 것이 아니라 어떤 설계조건을 입력했는가에 따라 만들어지는 결과이기 때문이다. 외피·Schedule·내부부하·설비조건이 실제 설계와 다르면 계산결과도 달라진다.

5. 시설별로 에너지 요구량을 분해하자 우선순위가 보였다

Simulation 결과 사업지구 전체의 연간 에너지 요구량은 약 109,597 MWh/년으로 계산되었다. 난방 약 9,710, 냉방 약 34,630, 조명 약 26,911, 급탕 약 27,168, 환기 약 4,061, 콘센트 약 7,118 MWh/년이었다.

판매시설은 약 27,615 MWh/년으로 가장 큰 요구량을 보였고, 업무시설 약 21,130, 가족호텔 약 20,358, 특급호텔 약 18,122 MWh/년 순이었다. 단순히 건물 전체 합계만 보는 것보다 시설과 End-use로 분해하면 어떤 용도에서 설계변수를 먼저 검토할지가 보인다.

End-use별로도 성격이 다르다. 전체 냉방 요구량은 약 34,630 MWh/년으로 난방 약 9,710 MWh/년보다 훨씬 크게 계산되었고, 조명과 급탕 역시 각각 약 26,911, 27,168 MWh/년으로 큰 비중을 차지했다. 따라서 초고층 건물이라고 해서 외피와 냉난방만 보는 것이 아니라 조명과 급탕까지 포함한 용도별 Energy Balance를 함께 읽어야 한다.

6. ‘요구량’과 실제 에너지원 ‘소요량’을 구분했다

건물이 필요로 하는 난방·냉방·조명 등의 에너지 요구량과, 이를 공급하기 위해 실제로 투입되는 전기·도시가스 등의 소요에너지는 같은 개념이 아니다. 원 보고서는 이 둘을 분리해 계산했다.

사업지구 전체 소요에너지는 약 85,122 MWh/년으로 계산되었으며, 시설별로 전기·도시가스와 1차에너지까지 환산하였다. 이런 구분을 통해 단순 열부하뿐 아니라 에너지원과 설비효율을 반영한 설계성능을 평가할 수 있었다.

예를 들어 특급호텔만 보더라도 소요에너지 기준으로 난방 약 1,464 MWh/년, 냉방 약 835, 조명 약 3,999, 급탕 약 7,605 MWh/년으로 계산되었다. 그러나 1차에너지로 환산하면 조명이 약 11,017 MWh/년으로 커진다. 이는 최종에너지에서 보이는 비중과 1차에너지 관점의 우선순위가 달라질 수 있음을 보여준다.

7. 연간 합계만 보지 않고 월별 부하곡선을 본 이유

연간 에너지사용량이 같더라도 어느 달에 부하가 집중되는지는 설비용량과 운전전략에 직접 영향을 준다. 원 보고서는 시설별로 월별 난방·냉방 요구량과 전기·가스 소요량을 계산하여 계절변화를 함께 확인했다.

예를 들어 특급호텔의 냉방 소요에너지는 4월부터 증가해 7월 약 186.6 MWh로 높아지고, 겨울에는 거의 발생하지 않는 패턴을 보였다. 반면 난방은 1월 약 463.8 MWh, 12월 약 383.5 MWh로 동절기에 집중되었다. 이런 월별 결과는 단순 연간합계보다 냉동기·보일러의 계절별 운전기간과 Peak가 언제 발생할지를 이해하는 데 더 직접적인 정보가 된다.

8. 업무시설의 예상 효율등급 — 263 kWh/㎡·년

별도의 사례 정리자료에서는 업무시설의 단위면적당 1차에너지 소요량을 콘센트 제외 기준 약 263 kWh/㎡·년으로 계산하고, 당시 신축 업무용 건축물의 1등급 기준인 300 kWh/㎡·년 미만과 비교하여 예상 1등급 수준으로 검토하였다.

여기서 중요한 표현은 ‘예상’이다. Simulation 결과는 설계단계 예비검토이며 실제 준공 후 인증결과나 운영실적이 아니다. 또한 이 기준은 당시 자료에 적용된 제도기준이므로 현재 인증기준으로 읽어서는 안 된다.

9. Simulation 결과를 설계 의사결정으로 바꾸는 방법

모델의 가치는 연간 MWh 숫자를 출력하는 데서 끝나지 않는다. 냉방이 큰 시설은 외피·일사·냉방시스템을, 조명 비중이 큰 시설은 조명밀도와 제어를, 급탕 비중이 큰 호텔·주거시설은 급탕시스템을 우선 검토하는 식으로 결과를 설계 질문으로 바꿀 수 있다.

즉 Simulation 결과에서 가장 먼저 볼 것은 ‘총 사용량이 얼마인가’만이 아니라 어느 시설·어느 End-use·어느 계절이 결과를 지배하는가이다. 그 지배변수를 찾은 다음 외피사양이나 조명밀도, 설비효율, 운전 Schedule을 변경하여 다시 계산하면 설계대안의 효과를 동일 조건에서 비교할 수 있다.

또한 월별 냉난방 요구량은 Plant 용량과 계절별 운전조건을 검토하는 데 활용할 수 있고, 전기·가스 사용량을 1차에너지와 CO₂로 환산하면 단순 요금이 아니라 에너지원 선택의 영향까지 비교할 수 있다.

10. 이 사례에서 가장 중요한 Boundary

따라서 준공 후 실제 사용량과 차이가 발생하더라도 Simulation이 곧 잘못되었다고 단정할 수 없다. 실제 재실밀도, 운영시간, 기상, Tenant 부하, Set Point와 설비운전이 설계가정과 달라질 수 있기 때문이다. 반대로 모델의 입력조건이 실제 설계와 다르면 예측의 의미도 약해진다.

11. 다른 신축건물에 적용하려면

먼저 건물의 용도와 Zone을 적절히 분리하고, 외피·기후·내부부하·운영 Schedule의 근거를 확보해야 한다. 다음으로 HVAC와 Plant 조건을 실제 설계와 맞추고, 결과를 전체 합계뿐 아니라 시설·End-use·월별 패턴으로 분해한다. 마지막으로 설계대안을 같은 조건에서 다시 Simulation하여 차이를 비교해야 한다.

12. Review 상태

Status: USER-REVIEW / NOT FINAL-LOCK