지구온난화 등 기후변화로 인한 문제를 해결하기 위해 전 세계는 이미 협력체계를 구축해 왔다.

이에 따라 건물에너지 절감에 대한 국제적인 관심도가 높아지고 있다. 이를 위해 효과적인 건물 유지관리와 더불어 설계 초기단계부터 건물의 배치, 외피, 냉난방설비, 재실인원, 재실자의 작업환경을 고려한 최적설계가 이뤄져야 하며 에너지시뮬레이션을 이용한 정확한 성능평가가 수반돼야 한다.

건물 내의 실제 에너지흐름은 시간에 따른 기후변화, 전도, 대류, 복사 열전달 현상을 포함해 복합적이고 상호 영향을 끼치기 때문에 이러한 현상을 규명하기 위한 수많은 방정식들이 존재한다.

에너지 시뮬레이션은 크게 대수식을 이용하는 정적 에너지 시뮬레이션과 방정식을 이용하는 동적 에너지 시뮬레이션으로 나눌 수 있다.

동적 시뮬레이션은 컴퓨터를 이용, 방정식들을 계산해 건물 내 에너지사용량을 해석한다. 실제 건물과 비교해 높은 정확도를 갖지만 사용방법이 어렵고 시뮬레이션 해석시간이 오래 걸린다는 단점이 있다.

정적 시뮬레이션은 단순 열평형 관계식에 의해 계산되며 시간경과에 따른 재실인원의 변동, 시간지연 효과에 의한 냉난방 부하의 변동 등이 고려되지 않기 때문에 그 정확도가 동적 시뮬레이션에 비해 낮다는 단점과 사용방법이 간단하고 시뮬레이션 해석시간이 짧게 걸린다는 장점이 있다.

동적 시뮬레이션에 사용되는 해석방법은 크게 해석적인 방법과 수치적인 방법으로 나눌 수 있다. 수치적인 방법은 수치해석에 근간을 두고 있으며 미분방적식을 대수방적식으로 변환시키는 이산화방정식 또는 차분방정식을 수립, 컴퓨터를 이용한 연산을 가능케 한다. 실험과 같이 한정된 위치에서 해를 구하는 방법으로 높은 정확도를 갖고 있다.

해석적인 방법은 미분방정식을 라플라스 변환을 이용해 대수적 형태로 처리, 해석하는 방법으로 수치적인 방법 이용 시 방대한 계산량과 연산시간으로 인해 비효율적인 것으로 간주됐지만 컴퓨터 성능의 성장과 함께 해석적인 방법의 장점이 사라지고 있는 상황이다.

동적 에너지시뮬레이션 ‘에너지플러스’
건물해석에 관련된 동적에너지 시뮬레이션의 상당수가 1960년대에 시작돼 재설계 없이 기능만 확장됨으로써 기능의 변경 혹은 추가를 위해 많은 시간과 비용이 발생하는 문제점이 발생했다.

해석기법의 발전과 컴퓨터 성능의 향상도 별 도움이 되지 않는다는 것을 인식해 1995년 미국 에너지성(D.O.E)을 중심으로 BLAST와 DOE-2의 장점을 모아 프로그램을 재구성했다. 프로그램 언어는 FORTRAN90이며 모듈구조로 돼 있어 기능강화에 유리한 장점을 가진다. 또한 건물 부하계산에 보편적으로 사용해왔던 전달함수법이 아닌 수치해석방식을 적용해 에너지 밸런스 알고리즘을 적용한 프로그램이다.

미국 D.O.E.의 전폭적인 지원 하에 개발됨에 따라 에너지플러스 프로그램은 미국 내 신축 건물 설계 시 에너지성능 예측을 위한 시뮬레이션 프로그램으로 공인돼 사용되고 있다.

미국 냉동공조학회의 ASHRAE 140 가이드라인을 통해 시뮬레이션 툴 개발을 진행했으며 총 3개 부문(건물 냉난방부하, 난방기기, 냉방기기) 80개 시나리오 테스트를 거쳐 검증을 받았다. 에너지절감 방법론 IPMVP(International Performance Measurement and Verification Protocol) LEED 인증 시 ASHRAE 140을 통과한 시뮬레이션 툴을 사용하게 돼있다.

[그림 1]은 동적 에너지 해석방법을 나타낸 것으로 건물의 형상, 기후 데이터, 공조설비, 내부 부하, 시뮬레이션 해석 방법을 모델링 한 후 시뮬레이션을 수행한다. 에너지플러스는 시뮬레이션 엔진에 속하며 다양한 계층의 사용자가 서로 다른 목적과 용도로 사용할 수 있도록 제3의 개발자가 사용자 인터페이스를 개발해 제공할 수 있는 방식을 유도하고 있다. 따라서 에너지플러스의 입·출력 파일은 텍스트 형식으로 구성되며 다른 개발자가 이 입출력 파일을 구성할 수 있다.

[그림 2]는 에너지플러스의 구성도로 상위레벨에 위치하는 시뮬레이션 매니저를 통해 시뮬레이션 기간과 해석간격을 정하며 각 모듈 사이의 상호작용을 제어한다. 모든 모듈이 객체지향이며 손쉽게 추가가 가능하다.

또한 에너지플러스의 가장 큰 강점은 통합화된 시뮬레이션 해석기법이다. 기존 건물에너지 해석 툴의 경우 에너지수요자에 해당하는 건축물과 공급자에 해당하는 냉난방시스템이 서로 정보들을 주고받으면서 실제 현상과 달리 작동된다. 대부분의 시뮬레이션 프로그램들은 건축물의 냉난방부하를 먼저 계산하고 그에 따른 시스템의 에너지 소비를 예측하는 일방향적 프로세스를 갖고 있다. 이는 에너지 해석 시뮬레이션 프로그램들이 실제 현상과 시뮬레이션 결과의 오차를 나타내는 대표적인 원인으로 지적된다.

반면 에너지플러스는 시스템과 건축물 사이에서 발생하는 열적 거동에 대한 유기적인 해석이 가능하다는 장점이 있고 [그림 2]와 같이 모델링을 각 시간별, 단계별 통합적으로 실시함으로써 각 구성요소간의 유기적인 연결관계를 잘 모사할 수 있다.

쉽고 정확한 모델링 ‘디자인빌더’
에너지플러스는 시뮬레이션 엔진으로 텍스트형식의 입출력으로 인해 에너지플러스만으로 시뮬레이션을 진행하기에는 큰 어려움이 따른다. 따라서 이를 보완할 수 있는 서드파티 그래픽 유저인터페이스가 필요하다.

에너지플러스의 서드파티 그래픽 유저인터페이스의 종류로 △DesignBuilder △Openstudio EFEN △AECOsim Energy Simulator △Hevacomp Simulator V8i △COMFEN △Solar Shoe Box △N++ △gEnergy △Simergy △Beopt™ △Sefaira △Archsim △FineGREEN △EBEST 등이 개발되고 있거나 상용화됐며 한국에서는 DesignBuilder와 Openstudio가 주로 사용되고 있다.

Openstudio는 △NREL(National Renewable Energy Laboratory) △ANL(Argonne National Laboratory) △LBNL(Lawrence Berkeley National Laboratory) △ORNL(Oak Ridge National Laboratory) △PNNL(Pacific Northwest National Laboratory)이 공동으로 개발한 프로그램으로 구글 스케치업을 Plug in으로 사용한다.

무료로 사용이 가능하다는 장점이 있으나 UI가 다소 복잡하며 HVAC 시스템의 경우 템플릿이 없어 새로운 프로젝트마다 시스템을 새로 구성해야하며 설비시스템을 잘 모를 경우 모델링하기 어렵다는 단점이 있다.

디자인빌더는 영국에서 개발된 프로그램으로 쉬운 모델링, 많은 템플릿과 ASHRAE 90.1을 포함하며 건축환경, 에너지, 건축물 인증 컨설팅 전문기업인 에코다가 국내 공급하고 있다. detailed modeling과 simple modeling을 선택할 수 있어 사용자의 요구사항에 따라 모델링의 정확도를 선택할 수 있다.