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1 냉 난방부하계산을위한전국 17개도시의표준기상데이터및 TAC 맵작성 Preparation The Standard Weather Data and TAC Map for Heating and Cooling Load Calculation in the 17-provinces of Korea 김환용 * 이정재 ** Kim, Hwan-Yong Yee, Jurng-Jae Abstract Indoor and outdoor temperature settings are needed to calculate the cooling & heating load. Generally, in case of indoor it is needed to be set between thermal comfort zones regardless of their region in case of indoor temperature. For outdoor temperature, it is shown differently by their regional characters which depend on their altitude & longitude. Therefore TAC temperature setting is needed for writing out the standard weather data and calculating heating & cooling loads in each region. In other countries, there are lots of TAC temperature updates based on exact data by this research but for our country it is yet inactive due to the lack of research experience. The purpose for this research is that by setting temperature standard based on recent weather data compare to the Building Energy Saving Design Standard of Ministry of Construction and Transportation for planning more practical design of heating & cooling based on accurate and variable TAC temperature standard in each regional building usage. In this study, we collected main 17-provinces of Korea's recent 10 years data on every hour or fixed interval of temperature, relative humidity, solar radiation amount and used it to get monthly average temperature, relative humidity and monthly accumulated solar radiation amount. And we used these data to write standard weather data and to find out 2.5%, 5% of TAC's temperatures. 키워드 : 표준기상데이터, TAC, 건구온도, 상대습도 Keywords : Standard Weather Data, TAC, Dry Bulb Temperature, Relative Humidity 1. 서론 1) 최대냉 난방부하계산법은외기조건이가장불리한상태에서냉 난방부하를계산하는방법으로냉 난방장치용량을결정하는데있어효과적이나에너지효율측면에서비경제적이되기쉽다. 이에대응하기위해 ASHRAE TAC(Technical Advisory Committee) 에서위험률 2.5~10% 범위내에서설계조건을삼을것을추천하고있다. TAC 온도란냉 난방장치의용량을결정하기위해냉난방설계용외기조건을최저온도로설정한것으로써연중극히적은시간으로인해장비의용량이과대해지는것을방지하기위해초과확률의개념을도입한온도이다. 즉외기온도를최고 ( 여름 ), 최저 ( 겨울 ) 로하지않고조금낮게또는높게잡아서장치용량을결정함으로써장치용량을줄이고, 이로인해초기투자비를삭감하며, 부분부하시기기효율을향상시킬수있기때문에에너지절약에기여한다고할수있다. * 경상대학교건축학부조교수, 공학박사 ** 동아대학교건축학부부교수, 공학박사 ( 교신저자, jjyee@dau.ac.kr) 냉 난방부하계산을위해서는실내외온도설정이필요하다. 실내온도는일반적으로지역에관계없이열적쾌적범위안에서설정하나실외온도의경우지리적위치로구분지어진경도, 위도에따라다르게나타난다. 국내주요도시로구분된냉 난방용외기온도설정기준은다음의표 1과같다. 표 1. 각시도별평균외기조건 ( 건설교통부 ) 여름철 겨울철 건구온도 ( ) 습구온도 ( ) 건구온도 ( ) 상대습도 (%) 1970~ 1970~ 1970~ 1970~ 2003년 2003년 2003년 1979년 1979년 1979년 1979년 2003년 서울 인천 수원 대전 전주 광주 대구 부산 목포 울산 제주 大韓建築學會論文集計劃系제 23 권제 9 호 ( 통권 227 호 ) 2007 년 9 월 197

2 김환용 이정재 냉 난방부하계산을위해각지역마다표준기상데이터작성과 TAC 온도설정이필요하다. 국외의경우, 이러한연구가기상청으로부터의관측데이터를바탕으로비교적활발히이루어져 TAC 온도가자주수정되고있는반면국내에서는이에대한연구가미흡한실정이다. 본연구의목적은 2003년건설교통부에서제시되어진건축물에너지절약설계기준의설계용외기온도에비해보다최근의실측되어진 10년간의기상데이터를바탕으로표준기상데이터와 TAC 온도를작성하고자한다. 본연구에서사용한자료는기상청에서측정한 1996년부터 2005년까지최근 10년간서울, 광주, 대구, 부산등 17개도시의매시간또는일정간격으로측정한기온, 상대습도, 일사량자료이며각기상데이터에서월평균기온, 월평균상대습도, 월적산일사량을구하여표준기상데이터를작성하고, TAC 2.5%, 5% 의설계용온 습도조건을작성하고자한다. 2. 표준기상데이터작성 2.1 표준기상년 (Typical Meteorological Year) 표준기상년이란 1978년미국의 Hall에의해제안된것으로대상이되는지역에있어서장기간동안의기상자료를이용하여그지역의기상상태를대표적으로나타낼수있는달을선정및추출하여 1년의 12개월을구성한것이다. 표준기상년은건물에너지시뮬레이션의입력수치가되고해당건축설계안에대한시뮬레이션결과및신뢰도에상당한영향을미친다. 그러나기후의특성상지역에따른각각의특징을지니고있으며예측에있어서어려움이따른다. 따라서보다종합적으로분석되어진기상데이터를작성하여시뮬레이션의결과를예측하는데있어정확도와신뢰도를지닐수있도록하여야한다. 표준기상년은일반적으로다음과같은특성및필요조건을가지고있다. 첫번째, 표준기상년은주요기상요소들 ( 온도, 일사량, 풍속 ) 의분포가장기적인분포와가까운분포를보여야한다. 두번째, 표준기상년은각각의기상요소값들의일별추이는그지역에서흔히관찰할수있는것과유사한것이어야한다. 세번째, 표준기상년의기상요소들간의관계는실제의기후상태에서측정되어지는것과비슷한관계를가져야한다. 표준기상년에필요한기상요소로는건구온도, 노점온도, 풍속, 수평면전천일사량등이있다. 2.2 작성방법본연구에서는최근 10년간의원본관측자료가이용가능할때, 표준월을찾아내기위한가장간단한방법인간이법을사용한다. 간이법에는표준월을찾아내는것으로열부하계산법에있어중요도가높은기상요소인외기건구온도, 상대습도, 전천일사량의 3개만을사용하고, 본연구에서는주요 3요소의월평균치를 W k, v, m 으로표기한다. 여기서 k=1은외기건구온도, k=2는상대습도, k=3은적산일사량을나타낸다. 월평균값으로부터, 요소별, 월별로 10 년간의평균 W k, m 과표준편차 σ k, m 를구한다. W k, m = y W k, y, m 10 ( W k, y, m - W k, m ) 2 σ y k, m = 10 여기서, y : 년차 (y=1, 2,... 10) m : 월 (m=1, 2,... 12)) 표 2에는월평균온도와편차를, 표 3에는월평균상대습도와편차를, 표 4에는월적산일사량과편차를정리하여각각나타낸것이다. 월평균값 W k, y, m 의 10 년평균값 W k, m 에서편차 W k, y, m - W k, m 가가장작은것이그기상요소 k에대한표준월로판단된다. 그러나이렇게하면 3가지기상요소에대한편차가일치해서최소화되는것은실제로는있을수없기때문에우선, 편차가 1σ 이내에있는것이그기상요소에대해표준월이될수있는자격을가지고있는것으로판정될수있도록하기위해다음표 5와같이시각적인표시 ( 기온 =, 상대습도 =, 적산일사량 = ) 를한다. 이단계에서 3요소전부표시 ( ) 된샘플이 10개중의 1 개만있다면이것이표준월로결정된다. 3요소가표시 ( ) 된샘플이하나만있으면그달을표준월로결정하면되나, 표 5에나타낸부산지역의결과를보면, 1월에 2개, 2월에 4개, 3월에 2개와같이일반적으로여러개가있거나 5월처럼하나도없을경우가있다. 이러한경우에는다음단계의검토과정을적용한다. 제 2단계는 3요소의 3개의값을열부하의관점에서하나의지표값으로집약한다. 다시말하면, 열부하적으로건구온도 1 에해당하는값, 절대습도의중요계수 k 2, 일사중요계수 k 3 을고려해 DM값이라는지표로산출한다. (1) DM y, m = W 1, y, m - W 1, m + k 2 (W 2, y, m - W 2, m ) (3) + k 3 (W 3, y, m - W 3, m ) 표 7은부산지역의예에대한 DM값과선택된표준월이다. 앞단계의검토에서표시가 3개였던샘플이여러개일경우에는그중에서 DM값이가장 0에가까운샘플을채택한다. 3요소표시가하나도없는경우에는 2개인샘플중에서 DM값이 0에가장가까운것이표준월이된다. 여기서중요계수 k 2, k 3 가어느정도인가가문제이다. 원래열부하라는것은건물내부상태에따라달라지므로이러한계수가하나의의미만을갖는다고는할수없다. 때문에실제로여러건물에있어서케이스스터디를반복하여, 그결과를사용해귀납적으로중요계수를토출해내고있다. 본연구에서사용되는 k 2, k 3 의값을표 6에나타냈다. (2) 198 大韓建築學會論文集計劃系제 23 권제 9 호 ( 통권 227 호 ) 2007 년 9 월

3 냉 난방부하계산을위한전국 17 개도시의표준기상데이터및 TAC 맵작성 년도 표 2. 월평균온도 ( W 1, y, m [ ]) 및편차 ( W 1, y, m - W 1, m ) ( 부산 ) 월 평균 편차 평균 편차 평균 편차 평균 편차 평균 편차 평균 편차 평균 편차 평균 편차 평균 편차 평균 편차 평년 W 1, m 표준편차 σ 1, m 년도 평년 월 표 3. 월평균상대습도 ( W 2, y, m [%]) 및편차 ( W 2, y, m - W 2, m ) ( 부산 ) 평균 편차 평균 편차 평균 편차 평균 편차 평균 편차 평균 편차 평균 편차 평균 편차 평균 편차 평균 편차 표준편차 大韓建築學會論文集計劃系제 23 권제 9 호 ( 통권 227 호 ) 2007 년 9 월 199

4 김환용 이정재 평년 년도 월 표 4. 월적산일사량 ( W 3, y, m [MJ/ m2 ]) 및편차 ( W 3, y, m - W 3, m ) ( 부산 ) 평균 편차 평균 편차 평균 편차 평균 편차 평균 편차 평균 편차 평균 편차 평균 편차 평균 편차 평균 편차 표준편차 표 5. 3가지기상요소의평균성판단여부 ( 부산 ) 월 년도 표 6. DM값계산에사용되는중요계수 k 2, k 3 k 2 = 월 k 大韓建築學會論文集計劃系제 23 권제 9 호 ( 통권 227 호 ) 2007 년 9 월

냉 난방부하계산을위한전국 17 개도시의표준기상데이터및 TAC 맵작성 표 7. DM 값 ( 부산 ) 월년도 1996-1.7-2.2-0.6-8.0-2.6 4.0 0.0-0.4-0.5 0.6 0.1-1.6 1997-4.0 2.1 0.89 1.4 2.9 0.0 0.7 0.0-3.7-4.3 5.8 2.6 1998 2.1 7.7-0.5 8.7 1.1 2.4 1.

5 냉 난방부하계산을위한전국 17 개도시의표준기상데이터및 TAC 맵작성 표 7. DM 값 ( 부산 ) 월년도 작성결과 위와같은방법으로표준월을선택하면표 8과같다. 표 8. 표준년선택결과 ( 부산 ) 월 표준년 월 표준년 월 표준년 표 8에서 산출해낸 표준월을 이용해 도출한 표준기상 데이터의연중기온변화를그림 1에나타낸다. 그림 1과 2에주목하면여름철은고온다습하며겨울철은 저온건조한 우리나라의 전형적인 기온변화를 나타내고 있음을알수있다. 냉방은 6, 7, 8월, 난방은 12, 1, 2월 3달씩을냉 난방을 실시하는 달로 산정하고 표준기상데이터를 바탕으로 각 도시의 TAC 2.5%, 5% 온도및상대습도를구하여표 9 에나타낸다. 표 9. TAC 2.5%, 5% 온도 ( ) 및상대습도 (%) tac 지역 여름철겨울철 2.5% 5% 2.5% 5% 온도상대온도상대온도상대온도상대 ( ) 습도 (%) ( ) 습도 (%) ( ) 습도 (%) ( ) 습도 (%) 강릉 광주 대구 대전 목포 부산 서산 서울 수원 안동 원주 인천 전주 진주 청주 춘천 포항 그림 1. 표준기상데이터의연중기온변화 ( 부산 ) 그림 2. 표준기상데이터의연중습도변화 ( 부산 ) 大韓建築學會論文集計劃系제 23 권제 9 호 ( 통권 227 호 ) 2007 년 9 월 201

따라서 누락 와 대륙성 기후의 차이가 크게 나타나 부산이 가장 낮고 대구와 포항 일대가 가장 높았다. 그림 5, 6은 표 9를 이용하여 작성한 TAC 습도 맵으로 된 지역은 계산된 인접 지역의 데이터와의 연속성을 고려 하여 보간을 실시하였다.

6 김환용 이정재 3. TAC 맵 작성 3.1 여름철 TAC 온 습도 맵 그림 3, 4를 분석해보면 TAC 온도가 2.5, 5 로 갈 수 록 점점 낮아지는 경향을 나타내고 있으며, 여름철 기온은 바다가 인접해 있는 우리나라 지리적 특성상 해양성 기후 본 연구에서 다루어진 17개 주요도시를 제외한 지역은 측정소 및 관측소의 여건으로 데이터가 없기 때문에 단지 시각적으로 지역을 구분하기 위해 기입되었다. 따라서 누락 와 대륙성 기후의 차이가 크게 나타나 부산이 가장 낮고 대구와 포항 일대가 가장 높았다. 그림 5, 6은 표 9를 이용하여 작성한 TAC 습도 맵으로 된 지역은 계산된 인접 지역의 데이터와의 연속성을 고려 하여 보간을 실시하였다. 그림 3, 4에, 앞서 계산된 표 9의 여름철 TAC 온도를 온도 맵과 마찬가지로 내륙과 해안 지역의 차이가 뚜렷하 게 나타난다. 또한 연평균 온도가 높은 지역이 다른 지역에 비해 상대 이용하여, TAC 맵을 나타낸다. 그림 3에 주목하면, 크게 해양성 기후와 내륙성 기후를 가진 지역으로 구분되어지는 것을 알 수 있다. 같은 위도 적으로 평균상대습도가 낮음을 알 수 있다. 전체적으로 여름철은 장마와 무덥고 습기가 많은 남동 남서풍의 영향으로 평균상대습도가 높게 나타나 우리나라 상에 위치한 두 지역을 비교해보면 내륙에 위치한 대구가 해안에 위치한 군산보다 온도가 더 높게 나타났다. 또한 지역에 따라 차이가 있으나 북쪽보다 남쪽이 비교적 높게 의 고온다습한 기후 특성을 잘 나타내고 있다. 상기의 분석결과를 종합해 볼 때, 여름철 냉방시 군산과 포항과 같이 거의 동일한 위도상에 위치한 지역이라도 나타나는 경향을 보이고 있다. 그림 4 역시 전체적으로는 그림 3과 비슷한 분포를 보이 고 있지만 정읍과 광주, 목포 등의 전라도 지역에 비해 지리적 위치와 지형에 따라 기온과 상대습도가 서로 상이 하게 나타나기 때문에 본 연구에서 작성한 TAC 맵을 활용 하여 설계에 반영할 경우 에너지 절감 측면에서 매우 효과 부산과 마산, 진주 등 경상도 지역의 온도차가 크게 나타나 고 있다. 를 거둘 수 있을 것으로 기대된다. 202 그림 3. 여름철 TAC 온도 2.5 그림 5. 여름철 TAC 평균상대습도 2.5 그림 4. 여름철 TAC 온도 5% 그림 6. 여름철 TAC 평균상대습도 5 大韓建築學會論文集計劃系 제23권 제9호(통권227호) 2007년 9월

들에서도 이러한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다. 앞서 살펴보았던 그림 3, 4와 비교하여 여름과 겨울의 온도차도 수온의 영향을 받아 동해안은 35.2, 서해안은 같은 해양성 기후임에도 불구하고 서해가 동해보다 계절 에 따른 수온변화가 더 심하게 나타나는 이유는 해수의 깊이 때문으로 사료된다. 서해는 전체가 대륙붕으로 평균수 42.6 로 차이를 보인다.

7 냉 난방 부하계산을 위한 전국 17개 도시의 표준기상데이터 및 TAC 맵 작성 3.2 겨울철 TAC 온 습도 맵 표 9의 겨울철 TAC 온 습도를 이용해 작성한 맵을 그림 7 그림10에 나타낸다. 특히 서해안의 인천에 비해 비슷한 위도상의 동해안에 위치한 삼척의 온도가 무려 8 이상 높은 것을 알 수 있 으며 동 서해안의 같은 위도상에 위치해 있는 다른 지역 겨울철 TAC 온도 맵에 주목하면, 여름철과 마찬가지로 해양성 기후와 대륙성 기후에 따른 차이와 더불어 동 서 로 나뉘어 온도차가 크게 나타나고 있다. 들에서도 이러한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다. 앞서 살펴보았던 그림 3, 4와 비교하여 여름과 겨울의 온도차도 수온의 영향을 받아 동해안은 35.2, 서해안은 같은 해양성 기후임에도 불구하고 서해가 동해보다 계절 에 따른 수온변화가 더 심하게 나타나는 이유는 해수의 깊이 때문으로 사료된다. 서해는 전체가 대륙붕으로 평균수 42.6 로 차이를 보인다. 그림 9와 10의 평균상대습도 맵에서 볼 수 있듯이 서해 안 지역보다 동해안의 습도가 낮아 온도 맵과 유사한 경향 심은 44m이나, 동해의 대부분은 심해저 평원으로 평균수심 은 1,543m로 해수의 양은 동해가 서해보다 많다. 동일한 조건에서 수온변화는 해수의 양에 반비례하기 을 보이고 있다. 이는 동해안의 상대적으로 높은 기온과 푄 현상에 의한 것으로 사료된다. 반면에 남 북으로 인한 평균상대습도의 차이는 거의 때문에 수심이 깊고 해수의 양이 많은 동해는 그만큼 수온 변화가 덜하고, 상대적으로 수심이 얕아서 해수의 양이 적은 서해는 온도변화가 크다고 할 수 있다. 나지 않는 것으로 보아 위도는 습도에 거의 영향을 끼치지 않는 것을 알 수 있다. 전체적으로 겨울철 TAC 맵을 분석해보면 여름철에 또 다른 이유로는 겨울철 북서쪽의 시베리아 기단의 영향으로 인해 불어오는 북서풍 때문이다. 서해안은 북서풍 의 영향을 직접적으로 받지만 동해안의 경우는 태백산맥을 비해 저온건조한 기후적 특성을 잘 나타내고 있으며 여름 철에는 내륙과 해안 지역의 온 습도차가 큰 반면 겨울철 에는 동해안과 서해안에 따른 차가 크게 나타남을 알 수 넘어가는 과정에서 푄현상으로 인해 서쪽보다 기온이 높아 지게 된다. 있다. 그림 7. 겨울철 TAC 온도 2.5% 그림 9. 겨울철 TAC 평균상대습도 2.5 그림 8. 겨울철 TAC 온도 5% 그림 10. 겨울철 TAC 평균상대습도 5 大韓建築學會論文集計劃系 제23권 제9호(통권227호) 2007년 9월 203

8 김환용 이정재 4. 결론본연구에서는, 기상청에서측정한 1996년부터 2005년까지최근 10년간서울, 광주, 대구, 부산등 17개도시의기온, 상대습도, 일사량의기상데이터로부터월평균기온, 상대습도및월적산일사량을구하여표준월을선정하고표준기상데이터를작성하였다. 또한작성된표준기상데이터로부터지역별 TAC 2.5%, 5% 의설계용온 습도조건을작성하고, TAC 맵을작성하였다.. 본연구에서도출된결과를요약하면다음과같다. 1) TAC 온도맵에주목하면여름철 TAC 온도 2.5% 의경우대구가 32.9 로가장높고부산이 29.3 로가장낮았으며, 겨울철은강릉이 -2.4 로가장높고원주가 로가장낮게나타났다. 종합적으로는, 계절에상관없이남쪽이북쪽보다, 해안이내륙보다온도가높았으며추가적으로겨울에는동해안이서해안보다따뜻하게나타났다. 이는수온변화의차이와푄현상에의한것으로사료된다. 2) 평균상대습도 2.5% 에서는여름철의부산이 80.4% 로가장습도가높고, 대구가 69.0% 로가장건조하였으며, 겨울철에는서산이 67.7% 로가장높았고부산이 44.7% 로가장낮게나타나여름에는내륙이지리적위치로인해해안보다건조하며겨울에는동해안이서해안보다건조하게나타났다. 종합적으로는온도와평균상대습도맵의경향이유사하게나타났으며서로직접적인상관관계가있음을알수있다. 3) 동일한위도에위치한지역이라도내륙과해안, 서쪽해안과동쪽해안등지리적인위치에따라 TAC 온도가달라지므로이를고려하여에너지절감측면에서효율적인냉 난방장치계획을실시해야할것이다. 본연구의진행과정에서나타난한계점으로는기상데이터가일부지역에국한되어보다정확한결과도출이될수없었다. 또표준기상데이터를작성하는과정에서사용한식 (3) 의경우국내에서는많은연구가진행되지않아일본건설성건축연구소에서관측된결과를토대로제안된추정식을이용하였다. 일본은위도 경도상의지리적위치가우리나라와인접해있고, 기상데이터값의유사성이높게나타나므로추정식의적용은비교적신뢰도가높다고할수있으나, 향후이에대한추가적인연구가필요할것으로판단된다. 참고문헌 1. 서승직. 건축설비, 일진사, p.232~233, 이정재외, 환경친화건축을위한기후맵작성방안에관한연구, 대한건축학회논문집, 이정재외, 건축환경공학, 시그마프레스, 이정재외, 건축물외장재열화현상에영향을미치는자외선발생량추정및기후맵작성, 동아대학교, 한국생태환경건축학회학술발표대회논문집, 한국건설교통기술평가원, 건축물의내구설계기법정립을위한기후영향인자도출에관한기본연구, 제 1차년도중간보고서, 이문섭, 공동주택마감재수명연한을고려한내 / 외장재및설비재의리모델링시기설정에관한연구, 대한건축학회논문집, 김곤, 웰빙시대의건강한빛, 건축 ( 대한건축학회지 ), 건설교통부, 공동주택관리규칙시행규칙, 제 18조제 4항, Masuo, Y.W., et al., A dynamic load calculation guide of H VAC system, Japan building mechanical and electrical engin eers association, pp. 134~138, 235~239, 愉木堯畐板崇 : わが國の紫外域日射量マップの提案, 高分子系建築材料の耐久性に關する硏究 ( その 1) 日本建築學會構造系論文報告集第 381 號 P. 17~25 昭和 62 年 11 月. ( 接受 : ) 204 大韓建築學會論文集計劃系제 23 권제 9 호 ( 통권 227 호 ) 2007 년 9 월

2 Journal of Disaster Prevention

VOL.13 No.4 2011 08 JOURNAL OF DISASTER PREVENTION CONTENTS XXXXXX XXXXXX 2 Journal of Disaster Prevention 3 XXXXXXXXXXXXXXX XXXXXXXXXXXXXX 4 Journal of Disaster Prevention 5 6 Journal of Disaster Prevention