정부는 노후 학교건물의 환경 개선 및 에너지 절감을 위해 ‘교육환경개선사업’을 실시하고 있다. 교육환경개선사업의 실시 항목 중 창호 교체가 가장 높은 비중을 차지하고 있다. 그러나 학교건물의 창호 교체를 위한 적정 가이드라인이 미비하여 실효성 있는 창호교체가 이루어지지 않고 있는 실정이다.
학교건물은 일반적인 주거건물과 달리 높은 재실밀도로 인해 내부발열 수준이 높으며, 운영스케줄 또한 일반 건물과 다른 특성을 갖고 있다. 또한 학교건물 중에서도 유형별(초, 중, 고)로 다른 특성을 가지게 된다. 따라서 이러한 학교의 특성을 고려한 창호 교체안의 작성이 필요하다.
본 연구에서는 학교유형별 내부발열 수준, 운영스케줄, 지역 기후 특성을 고려하여 전국의 노후 학교건물의 적정 창호 교체 수준을 제안하고자 한다. 먼저 본 연구에서는 노후 학교를 정의하고 노후 학교에 대해 창호를 교체하는 경우의 에너지 절감효과를 분석하였다.
선행적인 검토로 본 논문에서는 노후 학교의 창호를 현재의 건축물에너지절약설계기준에 의거하여 단열성능을 강화하는 교체방안에 대해 분석하였다. 검토항목으로는 창호의 단열성능 강화에 따른 실내의 온열환경의 변화, 창호를 통한 부하특성(전도, 대류, 복사)을 분석하였다. 그 결과, 단순히 창호의 단열성능을 향상시키는 교체방안의 경우 창호 교체에 따라 실내 온도와 실내측 창호 유리 표면온도가 증가함을 보였다. 또한 부하특성 분석 결과, 열류의 이동이 감소하였으며, 이는 높은 단열 수준으로 인해 실내 발열량이 외부로 배출되지 못하고 실내에 열이 잔류하는 결과를 보였다. 결과적으로 학교 창호 교체 시 단순히 단열성능만을 강화하는 것으로는 교체의 목적인 에너지절감을 도모하기 어려운 결과를 보였다. 따라서 추가적인 검토로 본 연구에서는 학교유형별(내부발열 수준, 운영스케줄), 창호의 다양한 물성치(단열성능, 기밀성능, SHGC), 지역기후 등을 반영하여 각 학교 유형별, 지역기후 특성별 최적한 교체방안을 제시하고자 하였다.
먼저, 노후 학교건물을 건축물에너지절약설계기준 변경에 따른 연도 범위별로 분류하여 Baseline model을 작성하였다. 따라서 개교연도에 해당하는 단열성능 기준에 따라 창호 교체에 대한 효과를 검토할 수 있다. 다음으로 교체 창호 검토케이스로 (1) 2018년 현행 열관류율 수준, (2) 2018년 신규 열관류율 수준, (3) 패시브하우스 열관류 수준으로 하는 단열성능을 변화하는 경우, 기밀성능을 변화하는 경우, SHGC값을 변화하는 경우의 조합케이스를 구성하여 분석을 실시하였다. 분석결과는 학교유형별, 지역별로 냉난방부하 분석 및 냉난방시스템 사용에 따른 전력 사용 요금을 산출하여 적정 창호 교체 수준을 검토하였다.
그 결과, 1990년대 후반에 준공한 서울지역 초등학교의 경우 냉난방부하량의 30.25% 절감된 Case 1-3(현행 열관류율 수준, 최신 SHGC, 1등급 기밀성능의 창호)이 적정 창호로 선정되었다. 중학교의 경우, 냉난방부하량이 약 16% 절감된 Case 1-4 창호가 선정되었으며, 이는 초등학교의 적정 창호보다 낮은 기밀성능 수준의 창호이다. 고등학교의 경우 6.48%의 냉난방부하량이 절감된 Case 1-2(현행 열관류율 기준, 최신 SHGC, 기밀성능 변화 없음)가 적정 창호로 선정되었다.
지역별 학교유형별 냉난방부하량 및 전력사용요금에 대한 비교 분석 또한 진행하였으며, 이에 따른 적정 교체 수준 역시 다르게 선정되었다.
본 연구를 통해 학교유형별, 지역별 적정 창호 교체수준이 다름을 확인하였으며, 창호 교체 시 창호의 단열성능 외의 기밀성능, SHGC 등의 물성치에 대한 고려도 필요하다는 결과를 보였다. 아울러 개교연도별, 학교유형별, 지역별 결과데이터를 표로 작성하여 적정 교체 수준을 제시하였다. 본 연구의 결과는 각 학교 유형별, 지역별로 해당학교의 특성별로 적정한 창호교체 수준을 결정하는데 활용 가능하다.

The government implements the projects for "Educational Environment Improvement" to upgrade the environment and energy performance of the old school buildings. There are high demands of window retrofit in this project. However, the proper guidelines and regulations for window replacement in old school buildings are insufficient.
The school buildings are characterized by high internal heat generation, different occupancy schedule for residential and office buildings. For this reason, the characteristics of the school buildings should be considered in window retrofit.
In this study, the proper window retrofit levels in old school buildings with considering the features of school properties and local weather conditions are analyzed. Also, the performance of window based on U-value, SHGC, and air-tightness are analyzed in window retrofit.
In these days, window thermal resistance performance in Building Design Criteria for Energy Saving (BDCES) is steadily enforced, and it is mandatory requirements for replacing the window of school buildings. Therefore, the thermal environment of the classroom and heating and cooling loads are analyzed, and the load characteristics (conduction, convection, radiation) are analyzed in a condition that the thermal resistance property is changed according to the BDCES. As results, the indoor temperature and the window inner surface temperature were increased. Also, the heat flow through the window was decreased, which is a result of internal heat generation being accumulated in the classroom. Those improving the window thermal resistance can lead to excessively increase of the cooling load. This is because of the internal heat emission through the window in the school buildings are obstructed by high insulation level. So, the retrofit of high thermal resistance window at school building does not always guarantee the energy saving in school buildings. For this reason, the characteristics of the school buildings (internal heat gain level, occupancy schedule) and window property(U-value, air-tightness, SHGC), and regional climate conditions are considered in suggesting the appropriate window replacement level for energy saving of old school building.
The baseline model was created by BDCES standard history. Thermal resistance of window in this standard has been enhanced constantly. Therefore, it is possible to estimate the effect of window replacement according to the BDCES corresponding to the constructed year.
The analyzed cases for the window retrofit were divided into (1) current thermal resistance level, (2) new thermal resistance level, and (3) passive house level. The sub-cases were constructed according to the level of SHGC and air-tightness.
Case 1-3 (current thermal resistance level, latest SHGC(0.4), and grade 1 airtightness performance), which is 30.25% of the heating and cooling load saved, was selected as the appropriate window for elementary schools in Seoul (built in the late 1990s). In the case of middle school, Case 1-4 window was selected, which reduced the heating and cooling load by about 16%. This is a case with lower airtight performance than the appropriate window in the elementary school. In the case of high school, Case 1-2 (current thermal resistance, latest SHGC, and no change in airtight performance) was selected as the appropriate window, which reduced the heating and cooling load by 6.48%.
Also, the different performance levels of windows were selected as optimal values for each school type and region. Therefore, the appropriate window retrofit strategy should be proposed considering the the internal and external condition of school buildings.
As findings of this study, the proper window property for each school type and region is different, and it is necessary to consider the characteristics of school type, window, and region. The results of this study can be used as a reference data (cooling/heating load and electric charge) in analyzing the window retrofit level by considering the school types, regions, and constructed years.