표준기상데이터

왜 배우는가: 건물 에너지 계산 결과는 입력하는 기상자료에 따라 크게 달라진다. 표준기상데이터의 의미와 구성을 알아야 시뮬레이션 결과와 에너지 평가 결과를 해석할 수 있다. 연간 에너지 부하 계산 문항에서 반복해서 묻는 개념이다.

출제 이력: 제108회 1교시 3번, 제94회 1교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

표준기상데이터는 건물의 연간 에너지 부하를 계산하기 위해 대표성을 갖도록 선정한 1년분의 시간별 기상자료다.

답안 첫 줄에는 위 정의를 그대로 쓰고, 이어서 지역명과 시간 단위(8,760시간)를 붙이면 된다.

핵심 키워드

• 표준기상데이터(Typical Meteorological Year): 장기 자료에서 고른 대표 기상연도 자료를 가리킨다.
• 대표 기상연도: 지역의 평년 특성을 가진 한 해를 말한다.
• 시간별 기상요소: 외기온도, 습도, 풍향, 풍속, 일사량 등을 시간마다 기록한 값이다.
• 일사량: 수평면과 법선면에 들어오는 태양복사에너지다.
• 연간 에너지 부하: 1년 동안의 냉방, 난방, 급탕 부하를 합산한 값이다.
• EPW 형식: 에너지 시뮬레이션 프로그램이 읽는 표준 기상 파일 형식이다.
• 에너지 시뮬레이션: 건물 모델에 기상 입력을 넣어 시간 단위로 에너지를 계산하는 방법이다.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 건물이 1년 동안 쓰는 냉방과 난방 에너지는 그해의 날씨에 따라 달라진다. 실측한 어느 한 해의 날씨를 그대로 입력하면 이상 기상이 많았던 해의 결과가 나온다. 표준기상데이터는 이 문제를 줄이려고 가장 평범한 한 해의 기상을 시간 단위로 만든 자료다.

정식 정의는 다음과 같다. 표준기상데이터는 특정 지역의 장기 관측 자료에서 선택한 1년분의 시간별 기상요소와 일사량 자료다. 원자료는 통상 관련 기준이 정한 기간 이상의 장기 자료에서 만들어진다. 선정된 한 해는 지역의 기상 현상 범위를 대표하면서도 연간 평균이 장기 평균과 맞도록 구성된다.

핵심 용어를 풀이한다.

평년 대표성은 한 해의 기상이 그 지역의 기후 범위를 잘 보여준다는 뜻이다. 극한 기온이 한두 번만 나타나는 해를 피하고, 여러 날씨 유형이 고르게 들어가도록 고른다.

연간 부하 계산은 시간별 부하를 1년 전체 시간에 걸쳐 합산하는 방식이다. 설계 피크 부하는 한 시점의 최대값이지만, 연간 에너지는 시간마다 달라지는 외기 조건을 모두 반영해야 얻어진다.

대표 기상연도는 보통 월 단위로 만든다. 장기 자료의 각 달에서 그 달의 평균적 특성에 가장 가까운 달을 고른 뒤, 12개월을 이어 붙이는 방식이 널리 쓰인다. 이렇게 하면 날짜 순서가 이어지는 한 해가 되어 시뮬레이션에 바로 넣을 수 있다.

표준기상데이터에는 기온과 습도만 들어가지 않는다. 일사량은 창과 외피를 통한 취득열을 계산하는 데 쓰이고, 풍속과 풍향은 외기 도입량과 외피 열전달에 영향을 준다. 따라서 기상요소 하나라도 빠지거나 시간 간격이 맞지 않으면 부하 계산 결과가 달라진다.

3. 등장 배경과 필요성

건물 설계에서는 가장 더운 날이나 가장 추운 날의 피크 부하로 기기 용량을 정한다. 그러나 에너지 사용량을 예측하려면 연중 모든 시간의 부하가 필요하다. 피크 부하만으로는 에너지소요량을 구할 수 없으므로 시간별 해석이 필요해졌다.

시간별 해석에는 기상 입력이 필수다. 지상 관측소는 오랜 기간 기상자료를 쌓아 왔지만, 한 해의 실측값을 그대로 쓰면 그 해의 이상 기상이 결과를 좌우한다. 실측 한 해를 그대로 쓰면 이상 기상 한 해의 결과가 나와 평년의 에너지 소요량을 대표하지 못한다.

국내에서는 건축물의 에너지 성능을 계산으로 평가하는 제도가 확대되었다. 이 제도에서는 지역별로 같은 기준의 입력 기상자료를 갖추는 것이 필요하다. 비교 가능성을 확보해야 설계안끼리 비교할 수 있고, 평가 결과를 다른 사람이 같은 조건에서 재현할 수 있다. 표준기상데이터는 이 비교 가능성을 위한 공통 입력이다.

설계 단계와 운영 단계를 잇는 데도 쓰인다. 설계 단계의 에너지 예측값과 운영 실적을 비교하려면 같은 기상 조건에서 계산해야 한다. 표준기상데이터로 계산한 값을 기준 에너지 소요량으로 두면, 실적과의 차이를 기상 탓인지 설비 운전 탓인지 나누어 해석할 수 있다.

기후 변화도 필요성을 키운 요인이다. 과거 평년에 맞춘 기상자료는 최근 기온 상승을 충분히 반영하지 못할 수 있다. 그래서 표준기상데이터를 주기적으로 갱신하고, 갱신 시점과 원자료 기간을 함께 기록해야 결과의 의미를 설명할 수 있다.

지역 차이도 고려해야 한다. 같은 건물이라도 해안 지역과 내륙 지역은 습도와 풍속이 다르고, 일사량 조건도 다르다. 지역별 표준기상데이터가 따로 있어야 지역 기후가 에너지 소요량에 미치는 영향을 정확히 반영할 수 있다.

마지막으로 시뮬레이션 도구의 보급도 배경이다. 시뮬레이션 프로그램은 입력 형식이 정해져 있어 같은 형식의 기상파일이 필요하다. 표준기상데이터는 이 형식에 맞춘 공통 입력으로 쓰여 도구가 달라도 기상 조건을 일치시킨다.

4. 구성요소·원리·절차

표준기상데이터는 한 해 8,760시간의 기상요소를 시간 단위로 이어 놓은 자료다. 연간 에너지 부하 계산에서는 특정 해의 날씨가 아니라 그 지역의 평균적인 한 해를 대표해야 하므로, 표준기상년(TMY, Typical Meteorological Year) 개념으로 구성한다. 구성요소는 부하와 열환경에 직접 영향을 주는 요소로 한정된다.

위 표의 요소는 시간별로 모두 있어야 한다. 한 요소라도 빠지면 시뮬레이션 프로그램이 해당 시간의 부하를 임의 값으로 채우므로 연간 에너지 소요량의 신뢰도가 떨어진다. 일사 계열은 전천일사를 기본으로 하고 직달·확산 성분을 분리해 입력하는 것이 일반적이다.

원리는 다음 두 가지다. 첫째, 장기간의 관측 자료에서 월별로 평균 특성에 가장 가까운 실제 날짜를 골라 이어 붙인다. 둘째, 선택된 월들이 연 평균과 장기 평균을 함께 만족하도록 맞춘다. 이렇게 하면 극단 기상이 과도하게 반영되지 않으면서도 지역 기후의 범위와 평균을 동시에 보존한다. 원자료는 한 지점의 장기 관측 자료로 만들며, 여러 해의 자료를 쓰기 때문에 단년 자료보다 대표성이 높다.

구성 절차는 다음과 같다.

• 대상 지점의 장기 관측 자료를 수집하고 결측과 이상값을 점검한다.
• 기상요소별로 월별 평균과 분포를 구한다.
• 월별로 평균 특성에 가장 가까운 실제 달을 후보로 고른다.
• 선택된 달을 이어 붙여 8,760시간의 한 해를 만든다.
• 연간 평균과 장기 평균의 일치 여부를 검증한다.
• 시뮬레이션용 형식(예: EPW 형식)으로 변환해 배포한다.

5. 관련 법령·기준·표준

표준기상데이터의 기준은 건축물의 에너지 해석 기준에서 연간 부하 계산의 입력 조건으로 지정된다. 「건축물의 에너지절약설계기준」은 국토교통부 고시이며, 건축·기계부문의 에너지 성능 계산에 표준기상데이터를 쓰도록 정한다. 조항 번호는 확인된 범위에서만 쓰고, 여기서는 기준 이름만 쓴다. 국제적으로는 TMY 형식이 공통 개념이며, 원자료 기간은 관련 기준이 정한 기간 이상의 장기 자료에서 만든다.