건축물 에너지 성능 향상을 위한 재실자 행태 유도 연구 동향
▲ 이종원 KICT 건축에너지연구소 수석연구원
들어가며
전 세계적인 온실가스 배출량 증가가 기후 위기에 중대한 영향을 미치고 있다. 이에 전 세계 국가들은 온실가스를 줄이고 에너지 소비를 감소시켜 탄소중립을 실현하기 위한 기반을 마련하고 있다.
건물 부문은 에너지 소비와 탄소 배출에서 중요한 역할을 하며, 전체 에너지 소비의 약 36%, 이산화탄소 배출의 약 40%를 차지하는 것으로 알려져 있다. 도시화 추세가 계속됨에 따라 이 비율은 더욱 증가할 것으로 예상된다. 건물에서의 에너지 소비는 매년 평균 1.5%씩 증가할 것으로 예측되며, 이는 2010년에 비해 2050년까지 두 배 이상 증가할 것을 의미한다. 특히, 건물 운영 단계에서의 에너지 소비는 건물 전체 수명 동안 80% 이상을 차지한다. 건물에서 대부분의 에너지 소비는 재실자의 쾌적함을 유지하는 데 초점을 맞추고 있으며, 재실자의 행동 변화를 통한 에너지 절약 잠재력은 상업용 건물에서 최대 30%, 주거용 건물에서는 최대 25%에 달할 수 있다. 동시에 재실자의 행동은 건물 에너지 소비의 불확실성을 야기하는 주요 요인 중 하나로, 건물의 에너지 성능을 정확히 파악하기 위해 건물 에너지와 재실자 행동 관계에 대한 연구가 증가하고 있다.
재실자 행동(Occupant Behavior: OB) 개요
국제에너지기구(IEA)의 EBC(International Energy Agency Energy in Buildings and Communities Programme) annex 53은 재실자 행동(OB, Occupant Behavior)을 건물 에너지 소비에 큰 영향을 미치는 여섯 가지 주요 요인 중 하나로 정의한다(그림 1). 이 분류는 재실자 간의 상호작용뿐만 아니라 건물 시스템과의 상호작용을 포함한다(그림 2).
재실자 행동의 분류는 ‘재실 상태’와 ‘건물 시스템과의 재실자 상호작용’ 등의 하위 분류로 나뉜다. ‘재실 상태’ 하위 분류에는 건물 내 재실자의 유무, 도착 및 출발 시간, 건물 내 체류 시간, 건물 내 재실자 수, 재실자의 위치 등 건물 사용 패턴을 이해하는 데 필수적인 변수들이 포함된다. ‘건물 시스템과의 재실자 상호작용’ 하위 분류는 재실자가 건물 시스템과 상호 작용하는 방식을 나타낸다. 이는 난방, 환기, 에어컨(HVAC) 시스템, 조명, 가전제품 사용, 창문 조작, 온수 공급 등 다양한 시스템의 사용 방법을 포함한다. 이러한 분류는 건물 내 재실자 행동이 건물의 에너지 소비, 효율성 및 전반적인 실내 환경 성능에 어떻게 영향을 미치는지 분석하고 이해하는 데 중요한 기준을 제공한다. 이 체계는 건물 설계, 운영 및 에너지 모델링 관련 연구에서 재실자 행동을 통합하고 예측하는 데 사용될 수 있는 틀로 활용될 수 있다.
재실자 행태와 건물 성능 시뮬레이션(BPS)
건물 성능 시뮬레이션(Building Performance Simulation: BPS) 도구에서 OB 요인은 건물의 에너지 성능을 추정하고 최적화하며, 다양한 에너지 절약 솔루션의 효과를 분석하는 데 매우 중요하다. OB는 건물 에너지 소비에서 큰 불확실성의 원인으로 간주된다. BPS 도구는 OB를 고정된 일정으로 표현하지만, 이는 재실자의 실제 에너지 소비 영향과의 동적 관계를 반영하지 못할 수 있다. 그림 1에 나타난 건물 에너지 사용의 여섯 가지 주요 요인 중 다섯 가지를 정확하게 표현하는 데 진전이 있었지만, OB에 대한 정확한 입력은 여전히 어렵다. OB는 확률적이며, 재실자 행동은 일관성이 없고, 각 재실자는 쾌적함의 필요성과 관용의 다양성 때문에 다르게 반응한다. 또한, OB는 많은 요소에 의해 영향을 받으며, 건물 설계에 따라 다르게 나타난다. 이러한 OB의 특성으로 인해, 여러 연구 그룹이 OB 모델의 입력 매개변수 불확실성이 건물 에너지 사용에 미치는 영향을 연구하고 있다. 새로운 방법론과 아이디어의 등장으로 지난 3년 동안 재실자 행동 연구 관련 출판물이 1,000건 이상 증가한 사실은 이 분야의 최신 지식에 대한 집중적인 연구의 필요성을 강조한다.
건물 에너지 사용을 위한 재실자 행동 사례 연구
네덜란드의 전기 주택 12가구를 대상으로 한 연구에서는 OB 모델을 사용하여 전기 사용에 미치는 영향을 분석했다. KDD(Knowledge Discovery in Database) 방법을 통해 얻은 사용자 프로필을 시뮬레이션 에너지 모델에 적용했고, 이를 통해 실제와 시뮬레이션된 에너지 사용 간 편차를 22.9%에서 1.7%로 크게 줄였다. 이 결과는 건물 간 전력 소비와 전기 장비 사용에 큰 차이가 있음을 보여준다. 또 다른 연구에서는 덴마크의 제로에너지 건물을 6개월 동안 모니터링하고 세 가지 다른 재실 프로필의 에너지 사용 영향을 분석했다. ‘규정 준수 프로필’은 간단한 모델이고, ‘표준 프로필’은 평균 설문 정보를 기반으로 하며, ‘실제 프로필’은 실제 데이터로 구축되었다. ‘실제 프로필’을 사용한 시뮬레이션은 측정 데이터와 가장 일치했으며, 다른 두 프로필은 최대 40%의 편차를 보여, 현실적인 OB 프로필 적용의 중요성을 강조한다. 또한, 캐나다의 고성능 주거 건물 연구는 시뮬레이션된 에너지 사용과 실제 에너지 사용 간의 차이를 분석함으로써 OB의 영향을 확인했다. 아파트 간 전기 소비에는 큰 차이가 있었으며, 이는 겨울에 실내 온도를 높게 유지하고 창문을 여는 등 시뮬레이션에서는 고려하지 않은 OB 때문이었다.
건축물 에너지 성능 향상을 위한 재실자 행태 연구의 방향
OB는 건물 성능에 중대한 영향을 미친다. 현재의 건물 성능 시뮬레이션(BPS) 도구들은 재실자와 건물 시스템 간의 상호작용을 단순하고 고정된 일정으로 표현하며, 이는 재실자 행동의 다양성을 제대로 반영하지 못해 실제와 시뮬레이션된 에너지 사용 간 큰 차이를 만든다. 이로 인해 건물 시스템 최적화와 에너지 절약 분석의 정확성이 떨어진다. 재실자 행동 연구는 정확한 데이터 수집, 재실자 개인정보 보호 방법 개발, 신뢰할 수 있는 모델 검증 제안 연구 등 다양한 도전과제를 포함한다. 또한, 재실자 행동이 건물 성능에 미치는 영향을 폭넓게 연구하고, 재실자의 다양성과 상호작용을 모델링하는 것이 중요하다. 우리나라의 탄소중립과 국민의 건강하고 편안한 삶을 위해서는 재실자 행동 연구에 대한 많은 관심과 지원이 필요하다.
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참고자료
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• Chen, S., Zhang, G., Xia, X., Chen, Y., Setunge, S., & Shi, L.(2021). The impacts of occupant behavior on building energy consumption: A review. Sustainable Energy Technologies and Assessments, 45, 101212.
• Xu, X., Yu, H., Sun, Q., & Tam, V. W. (2023). A critical review of occupant energy consumption behavior in buildings: How we got here, where we are, and where we are headed. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 182, 113396.
• Yoshino, H., Hong, T., & Nord, N. (2017). IEA EBC annex 53: Total energy use in buildings—Analysis and evaluation methods. Energy and Buildings, 152, 124-136.
