국제에너지기구(IEA)의 건물 및 공동체의 에너지보존 분야(ECBCS) 부록 37에서는 ‘건물의 냉난방을 위한 저 엑서지 시스템‘ 이라는 주제로 건물의 저온 난방과 고온 냉방에 관련 연구 보고서를 작성하고 있다. 원 보고서는 280페이지의 방대한 분량이며, 엑서지(exergy) 개념, 냉난방 저 엑서지(exergy) 설계분석 도구, 건물용 냉난방 저 엑서지(exergy) 시스템, 적용 건물 사례 등을 담고 있다.

이 보고서의 목표는 건축가와 건물설계 엔지니어들에게 엑서지(exergy)의 개념을 소개하는 것이다. 이 보고서에서 다루고 있는 주요 세부항목은 다음과 같다. 엑서지(exergy)의 개념에 근본적인 통찰력을 도입하여, 건물의 냉난방부하에 어떻게 기여하는지를 보여주고 있다.

또한 건물에서 엑서지 사용을 최적화화기 위한 스프레드 시트 도구에 대한 설명을 하고 있다. 건물 내에서 냉난방에너지를 최소화 사용이 가능한 냉난방 시스템을 언급하고 있으며, 마지막 단원에서는 30개의 실 사례 중에서 2개 건물 사례연구를 보고하고 있다.

건물에너지 사용을 언급할 때, 가장 보편적으로 사용되는 표현이 ‘에너지 사용’, ‘에너지보존’, ‘에너지 소비’ 이다. 이러한 표현은 광범위하게 이해되고는 있지만, 이 표현들이 에너지가 ‘사용되거나, 소비되는 것’이라는 개념보다 ‘전환되는 것‘ 이라는 점에 대해서는 쉽게 표현되지 않고 있다. 에너지는 어떤 일을 수행하도록 필요한 능력으로 변화한다라는 표현이 훨씬 더 설득력 있는 표현이다.

엑서지라는 단어는 한국의 영한사전에는 수록되어있지 않지만, 엑서지 라는 단어는 백년 이상 존재한 용어였으며, 최종 사용단계에서 판단할 때, 일을 수행하는 능력이라는 것이며, 에너지의 ‘품질’로 설명되어왔다. ‘에너지’가 일을 수행하기 위해 적용 가능한 형태가 바로, 저 엑서지의 기본적인 개념이며, 이 개념을 토대로 발전시켜왔다.

건물성능을 언급할 때, 에너지 보존이라는 말로 표현하고 있다. 예를 들어, 보일러내부에서 가스라는 화학적인 에너지를 연소에 의해 열로 변화하는 것은 에너지를 저감하는 것은 아니다. 에너지의 형태가 잠열과 현열로 전환되기 때문이며, 이때 현열에너지만 물을 데우는데 소비하기 때문에, 잠열에너지는 의식하지 못한다. 물을 에너지로 변환하는데 사용되는 가스와 열의 비율이 오늘날 매일 표현하는 ‘에너지 효율화’이다. 따라서, 엑서지는 에너지가 이동할 때, 온도수준이나 상 변화의 과정에서 잃어버린 에너지의 ‘품질’ 이라는 표현방식으로 설명된다. 방정식으로 설명하자면, exergy=energy × quality factor 이다.

품질변수(quality factor)는 40℃ 조건에서 전기에너지와 기계 에너지일 때 1.0, 화석연료일 때 0.9 그리고 열에너지일 때 0.06으로 다양하게 변한다.

이 보고서에서는 건물 냉난방을 위한 에너지연결 모든 단계에서 엑서지의 변화를 분석하기 위한 스프레드 시트 도구를 개발했는데, 이 도구는 1차에너지 소스로부터 건물을 통해, 주변환경에 도달하는 과정을 포함하고 있다. 이 도구는 연간에너지 사용계산법보다는 외려 정적상태 설계조건에서 계산된 근거로 만들어졌다.

이 도구는 건물의 건설단계, 건물 서비스를 위한 장비를 포함하여 시스템의 모든 요소들을 망라하여 입력한 에너지과정의 모든 단계를 위한 세부 시스템으로 구성되었다. 조명을 위한 보조전기, 펌프, 팬뿐만 아니라, 각각 다른 요소들로부터 얻은 열손실이 계산되었다. 1차 에너지 측면에서, 입력데이터는 화석연료와 신재생 소스의 관계를 차별화하고 있다. 주요 입력변수와 출력변수에 관한 예제를 통해 확인할 수 있다.(원문 참조)

구성 도구는 사이트 조건을 입력하게 되어있다. 냉난방부하 계산을 위한 내부온도, 난방설계온도, 냉방 설계온도, 하계 하루의 평균 온도범위, 냉방습도수준, 열을 위한 잠재비율, 위도, 평균지중온도, 연간 지중온도, 토양의 형태 등을 입력한다.

건물의 냉난방 부하를 위한 시트에는 건물형태(주거형, 업무형 등), 건물 바닥면적, 층수, 창문면적, 바닥면적대비 창문면적 비율, 단열수준(저,중,고 단계), 벽체 열관류율, 지붕 열관류율, 기밀성능비율, 지하벽체 열관류율, 지하 바닥 열관류율, 거주형태(지속거주, 간혈거주), 장비와 조명사용여부, 장비의 열부하, 조명부하, 기초의 형태에 대한 데이터를 입력한다.

기기 시스템을 위한 시트에는 가령 냉방기기 같은 경우엔, 예상 성적계수(COP), 일정변수, 보조전력, 냉방에너지소스(냉장고, 김치냉동고 등등), 저장시스템의 경우엔 위치, 단열수준, 평균설계온도, 설계온도 저감, 냉방배출시스템의 경우엔, 효율, 공급온도, 회수온도, 보조전력, 최대냉방부하 등의 데이터를 입력한다.

고기밀, 고단열 그리고 적절한 태양열 차단이 되도록 설계된 건물은 저온 난방, 고온 냉방시스템의 사용의 혜택을 볼 수 있다. 냉난방 소스와 실내 방의 조건 사이의 관계에서 온도차이를 최소화하기 위한 저 엑서지 설계원칙을 적용할 때, 고품질 엑서지 소스를 최대한 저감하는 결과를 얻는다. 다음 표는 건물의 냉난방에 적용 가능한 저 엑서지 기술 일람표이다.