서 론
에너지 시뮬레이션 개요
대상 건물
에너지 시뮬레이션 조건
건물 모델링
결과 및 토의
코어부의 온도와 열유속의 변화
북측 비난방 공용공간의 단열 보강에 의한 효과
결 론
금후의 연구
서 론
겨울이 추운 우리나라의 기후 특성상, 남향을 선호하는 것은 우리 전통 가옥의 오랜 특징이다. 건물을 남향으로 배치하고, 지붕의 처마를 이용하여 여름철에는 햇빛을 차단하고, 겨울철에는 햇빛을 깊숙이 받아들이는 것은 우리 조상들의 슬기가 어린 유산이라 할 수 있다(Kim, 2001). 이러한 선호도는 아파트가 지배적인 주거 형태가 된 오늘날에도 그대로 이어지고 있다. 남향 위주의 평면계획을 하다 보면 엘리베이터와 계단실 및 이와 연결되는 공용공간은 자연스럽게 북측에 면하여 배치할 수밖에 없다. 주호의 방향을 보다 다양하게 구성할 수 있는 탑상형 아파트에서도 공용공간은 북쪽에 배치하는 것이 합리적인 선택이라 생각된다. 아파트의 공용공간은 건축법상 ‘거실’이 아니므로 단열 관련 규정을 적용하지 않아도 된다. 따라서 공용공간의 외벽은 콘크리트 벽체로만 구성되는 것이 일반적이고, 여기에 면한 아파트 거실 공간은 외기에 간접 면한 경우의 단열규정을 적용받게 된다(MOLIT, 2023a).
아파트 공용공간이 주로 북측에 면한 비난방 공간이다 보니, 건축환경 분야에서는 결로방지의 관점에서 다양한 연구가 이루어져 왔다. LH (2014)에서는 공용 복도 및 PD/AD에 면한 부위와 발코니 공간에 면한 부위를 결로 취약 지점으로 선정하고, 결로발생 가능성과 대책에 대해 검토하였다. Lee et al. (2014)은 공동주택의 지하 공용공간에 단열재를 설치함으로써 표면온도를 상승시키고, 결로 저감에 효과가 큰 것으로 분석하였다. Shin and Rhee (2021)는 결로방지 보조 단열이 결로발생의 감소만이 아니라, 난방에너지 감소에도 도움이되는 것으로 평가하였다. 해외의 연구도 결로방지에 대한 내용이 대부분이지만, Bozicek et al. (2023)는 오피스 빌딩을 대상으로 Energy plus를 이용한 에너지 시뮬레이션을 통해 외벽의 열관류율, 실의 방향, 벽체의 열용량 변화에 따른 냉·난방 부하에 대해 검토하였으며, 북쪽에 면한 열용량이 큰 벽체의 실에서 남쪽에 면한 실에 비해 난방부하가 8.6% 더 크게 걸리는 것으로 분석하였다. He et al. (2024)은 비난방 공용공간을 통한 열전달 특성을 비교 분석하여, 계단실·복도와 같은 비난방 공용공간이 난방 존과 외기 사이에서 열적 완충층으로 작용함을 보이고, 비난방 공간을 너무 단순화하면 난방부하가 과소평가될 수 있므로 공용공간의 열환경을 고려한 에너지 평가가 필요하다고 판단하였다. Fang et al. (2025)은 비난방 공간의 외벽 및 난방공간과 접하는 내벽의 단열 성능이 난방에너지 요구량에 미치는 영향을 파라메트릭 시뮬레이션으로 검토하고, 아파트 리모델링시에 비난방 공용공간의 단열 보강이 난방부하 절감에 효과적인 전략이 될 수 있을 것으로 분석하였다.
우리나라 서울 (북위 37.6°)의 경우, 북측에 면한 벽체는 겨울철에 직달일사를 전혀 받을 수 없고, 천공일사만 받을 수 있다. 콘크리트 벽식 구조를 주로 사용하는 우리나라의 아파트 구조를 고려하면, 북쪽에 설치된 콘크리트 벽체에서는 단순히 열관류율과 실내·외 온도차에 따른 열손실만이 아니라, 열용량이 큰 콘크리트의 특성이 반영되어 열손실을 더 크게 할 수 있을 것으로 생각된다. 이에 본 연구에서는, 북측에 면한 공용공간을 구성하는 각 부분에서의 열유속과 내부 온도를 검토하여 콘크리트의 열용량이 미치는 영향에 대해 살펴보고, 이에 따른 보완책을 검토하고자 한다.
에너지 시뮬레이션 개요
대상 건물
Figure 1(a)에 검토 대상 건물의 평면도를 나타낸다. 전용면적 84㎡의 국민주택 규모 아파트이며, 발코니 확장형 세대를 대상으로 한다. 한 층에 두 세대가 배치되어 있으며, 1대의 엘리베이터와 계단실을 공유하는 계단실형 배치이다. 각 세대는 남쪽 면에 3-Bay 구조를 채택하고 있으며, 북쪽에는 비난방 공용공간인 코어와 부엌 및 발코니, 5개의 파이프 샤프트, 그리고 RM-2가 배치되어 있다. 검토 대상 건물은 향에 따른 열전달 특성이 명확히 반영되도록 남향의 판상형 아파트를 선정하였다. 대상 건물의 외형을 Figure 1(b)에 나타낸다. 25층 아파트 1개 동이며, 층고는 모든 층에서 2.85 m이다. 구조체 각부의 구성 사양을 Table 1에 나타낸다. 건물 외피의 열관류율은 현행의 ‘건축물의 에너지절약 설계 기준’(MOLIT, 2023b)을 만족하도록 구성하였다.
에너지 시뮬레이션 조건
에너지 시뮬레이션 소프트웨어는 Energy plus 기반의 DesignBuilder를 사용하였다. 시뮬레이션 조건을 Table 2에 나타낸다. 지역은 서울이며, 기상 데이터는 서울 지역의 2009 ~ 2023년 데이터(Lawrie et al., 2022)를 이용하였다. 난방 설정온도는 20.0℃이며, 냉방 설정온도는 26.0℃이다. 지상 25층 및 지하 1층으로 이루어진 아파트 건물로서, 최상층의 천장은 Table 1의 지붕 구조체에 해당하며, 중간층 (2 ~ 24층)은 DesignBuilder의 “zone multiplier, 23”을 적용하여, “1개 층의 계산 결과 × 23”으로 계산되도록 하였다. 1층은 바닥면이 비난방공간인 지하 주차장층에 면하며, 외기에 간접 면하는 경우의 단열조건을 적용하였다.
내부 발열 조건과 각각의 스케쥴을 Table 3에 나타낸다. 침입외기량은 난방공간과 비난방 공간 모두 0.7회/h를 적용하였다.
Table 1.
Specifications of apartment building structures
| Structures | Specifications | ||||
| Material |
Width [m] |
Conducti- -vity [W/mK] |
Heat capacity [kJ/㎥K] | ||
| Roof |
- Cement sand render - Concrete, Reinforced (with 1% steel) - XPS Extruded Polystyrene - Air layer unventilated-floor - Gypsum board |
0.08 0.21 0.22 0.21 0.0127 |
1 2.3 0.034 R＊: 0.16 0.16 |
1,800 2,300 49 - 736 | |
| External walls | •Conditioned area |
- Concrete, Reinforced (with 1% steel) - XPS Extruded Polystyrene – CO2 bl. - Gypsum board |
0.2 0.19 0.0127 |
2.3 0.034 0.16 |
2,300 49 736 |
| •Unconditioned area | - Concrete, Reinforced (with 1% steel) | 0.2 | 2.3 | 2,300 | |
| Semi-exposed walls |
- Cement sand render - Concrete, Reinforced (with 1% steel) - XPS Extruded Polystyrene – CO2 bl. - Gypsum board |
0.01 0.2 0.13 0.0127 |
1 2.3 0.034 0.16 |
1,800 2,300 49 736 | |
| Internal partitions |
- Cement sand render - Concrete, Reinforced (with 1% steel) - Cement sand render |
0.01 0.2 0.01 |
1 2.3 1 |
1,800 2,300 1,800 | |
| Internal floor |
- Plywood (Lightweight) - Cement sand render - Aerated concrete - XPS Extruded Polystyrene – CO2 bl. - Concrete, Reinforced (with 1% steel) - Air layer unventilated-floor - Gypsum board |
0.01 0.04 0.04 0.03 0.21 0.21 0.0127 |
0.15 1 0.16 0.034 2.3 R＊: 0.16 0.16 |
1,400 1,800 420 49 2,300 - 736 | |
| Semi-exposed floor |
- Plywood (Lightweight) - Cement sand render - Aerated concrete - XPS Extruded Polystyrene – CO2 bl. - Concrete, Reinforced (with 1% steel) |
0.01 0.04 0.04 0.125 0.21 |
0.15 1 0.16 0.034 2.3 |
1,400 1,800 420 49 2,300 | |
| Glazing | •Conditioned area |
- SHGC : 0.46 - Visible transmittance : 0.67 - U-value : 0.99 [W/㎡·K] |
- - - |
- - - |
- - - |
| •Unconditioned area |
- SHGC : 0.861 - Visible transmittance : 0.898 - U-value : 5.894 [W/㎡·K] |
- - - |
- - - |
- - - | |
Table 2.
Energy simulation conditions
Table 3.
Internal heat generation rates and schedule
| Items | Heat generation rates | Schedule |
| Occupancy |
0.05 [people/㎡], 120 [W/person]†1 |
00:00 ~ 08:00, 100% 08:00 ~ 18:00, 50% 18:00 ~ 24:00, 100% |
|
Equipment + computer | 2.17 [W/㎡]†2 | 00:00 ~ 24:00, 100% |
| Lighting | 3.6 [W/㎡]†3 |
00:00 ~ 07:00, 0% 07:00 ~ 09:00, 100% 09:00 ~ 18:00, 0% 18:00 ~ 24:00, 100% |
| Infiltration | 0.7 ACH | 00:00 ~ 24:00, 100% |
건물 모델링
에너지 시뮬레이션을 위한 건물 모델링 작업은 많은 시간과 노력을 요하는 경우가 많다. 모델링에 소요되는 노력과 컴퓨터 계산 시간을 줄이기 위해 모델링의 단순화 수준과 에너지 시뮬레이션 결과의 차이를 검토한 많은 연구 결과들이 있으며(Klimczak et al., 2018; Johari et al., 2022), 이들이 공통적으로 주장하는 바는 지나친 단순화가 큰 오차를 발생시킬 수도 있으므로 주의가 필요하다는 결론이다. 본 연구에서는 Figure 1(a)에 나타낸 검토 대상 아파트의 평면을 Figure 2와 같이 내벽을 생략하고 단순화 한 모델링에 대해 검토하였다. 검토 결과를 Table 4에 나타낸다. 내벽을 모두 포함한 상세한 모델링의 냉·난방 부하에 비해 단순화 한 모델링의 경우(Figure 2)는 난방부하에서 26% 작게 평가되고, 냉방부하는 35% 크게 평가되었다. 이는 기존의 문헌에서 언급된 바와 같이 과도한 단순화에 의해 내벽의 열용량이 무시되고, 존(zone)간의 열전달과 서로 다른 부하 특성이 축소된 결과라고 사료된다.
이상의 결과를 바탕으로, 본 연구에서는 Figure 1(a)와 같이 내벽 구조체가 상세하게 구현된 건물 모델을 사용하여 에너지 시뮬레이션을 진행한다.
Table 4.
Comparison of geometric modelling methods
| Cases | Heating loads / discrepancy | Cooling loads / discrepancy |
| Detailed modelling (as Figure 1(a)) | 47,672 [kWh] / 0 [%] | 150,575 [kWh] / 0 [%] |
| Simplified modelling (as Figure 2) | 35,118 [kWh] / -26 [%] | 202,626 [kWh] / +35 [%] |
결과 및 토의
코어부의 온도와 열유속의 변화
코어부 내·외의 공기온도와 코어 외벽의 내표면 및 외표면 온도, 그리고 코어를 구성하는 각 부분에서의 열유속을 Figure 3에 나타낸다. 겨울철의 낮은 외기온과 일사의 영향이 뚜렷하게 반영될 수 있도록 기상 데이터상에서 가장 춥고, 맑은 날로 추정되는 1월 23일 ~ 25일을 검토 대상으로 하였다. 대상 기간 동안 외기온도는 최저 -12.3℃에서 최고 1.2℃까지 변하였으며, 평균온도는 -7.0℃를 나타냈다. 단열재가 설치되지 않은 비난방 공간인 코어 내부의 공기온도는 -4.1 ~ -2.7℃이고, 평균은도는 -3.4℃를 나타냈다. 코어 내부 공기온도는 외기 온도에 비해 변화폭이 작은 편이다.
코어를 구성하는 각 부분에서의 열유속을 살펴보면, 열손실은 외벽에서 가장 크게 나타나고, -17.9 ~ -2.7 kW의 열손실이 발생한다. 외벽의 열유속 변화 패턴은 외기온의 변화 패턴과 유사하며, 약 4시간의 타임랙(time-lag)이 발생한다. 외기온도가 코어 내부의 공기온도보다 높은 1월 24일과 25일의 낮 시간대에도 외벽에서는 열손실이 발생한다. 정상상태라면 이 조건에서는 열취득이 발생해야 하지만, 비정상상태의 에너지 해석에서는 위와 같이 열손실이 발생할 수 있다. Figure 3(a)의 온도변화를 살펴보면, 1월 23일 ~ 25일의 검토 대상 기간 동안 코어 외벽의 내표면 온도는 코어 내부의 공기온도보다 항상 낮게 나타나고 있다. 이는 코어 내부에서 외벽 쪽으로 열손실이 계속해서 발생하고 있다는 의미이다. 반면, 외표면 온도는 밤에는 외기온도보다 높고, 낮에는 외기온도보다 낮게 나타난다(1월 23일은 외표면 최고온도와 외기 최고온도가 거의 일치). 이는 코어 외벽에서 밤에는 외기 쪽으로 열손실이 일어나고, 낮에는 외기로부터의 열취득이 일어나고 있다는 의미이다(1월 23일은 15:00 이전까지는 외기로의 열손실, 이후 20:00까지는 열출입이 매우 작음 ). 1월 24일과 25일 낮 시간대의 외벽에서와 같이, 하나의 벽체에서 한쪽에서는 열손실이 발생하고, 다른 한 쪽에서는 열취득이 발생하기도 하는 현상은 열용량이 큰 콘크리트 외벽체에 의한 시간지연 효과와 온도 변동폭의 감쇄 효과에 기인한 것으로 판단된다.
외벽에 이어 침입외기에 의한 열손실이 두 번째로 크며, 외기온이 코어 내부 온도보다 높은 1월 24일과 25일의 낮 시간대를 제외하고 최대 -4.9 kW의 열손실이 발생한다. 북측에 면해 있는 유리창을 통해서는 낮 시간대의 천공일사에 의해 최대 3.7 kW의 열취득이 발생하며, 그 이외의 시간대에서는 -1.3 kW 이하의 관류열 손실이 지속적으로 발생한다. 이러한 열손실에 대하여, 코어부와 아파트 내부의 경계를 이루는 내벽에서의 유입 열량이 가장 큰 열취득원이 되고 있다.
이상에서의 분석은 외기온도가 낮고, 맑은 날씨로 추정되는 1월 23일 ~ 25일을 대상으로 한 검토이며, 기상 조건이 달라지면 열의 출입 양상도 달라질 수 있다.
북측 비난방 공용공간의 단열 보강에 의한 효과
비난방 공간인 코어부에서 외벽을 통한 열손실이 가장 크고, 아파트 내부와 경계를 이루는 내벽에서의 열취득이 가장 크게 나타났으므로, 코어의 외벽을 단열 보강하면 난방부하 절감에 효과적일 것으로 기대된다. 이에 본 연구에서는 코어부 외벽의 단열 보강에 의한 난방부하 절감 효과와, 코어 부분과 유사한 열환경 상태인 부엌 쪽 발코니 및 북측에 면한 파이프 샤프트 (PS)까지 범위를 확장하여 외벽을 단열 보강했을 때의 효과에 대해 검토한다.
검토 케이스의 단열 보강 위치와 세부 조건을 각각 Figure 4와 Table 5에 나타낸다. 코어부와 부엌 쪽 발코니 및 PS를 각각 단독으로 단열 보강한 경우(Case A ~ Case C), 두 개의 부위를 함께 보강한 경우(Case D ~ Case F), 세 부위를 모두 보강한 경우(Case G)로 구성하며, 단열 보강 두께는 30 mm, 60 mm, 90 mm, 120 mm, 150 mm의 5단계로 나누어 검토한다. 단열 보강 방식은 외단열로 한다.
Table 5.
Cases of insulation reinforcement
| Cases | Insulation reinforcement locations (in Figure 4) | Insulation reinforcement thickness [mm] |
| Case A | ① | 30, 60, 90, 120, 150 |
| Case B | ② | 30, 60, 90, 120, 150 |
| Case C | ③ | 30, 60, 90, 120, 150 |
| Case D | ① + ② | 30, 60, 90, 120, 150 |
| Case E | ① + ③ | 30, 60, 90, 120, 150 |
| Case F | ② + ③ | 30, 60, 90, 120, 150 |
| Case G | ① + ② + ③ | 30, 60, 90, 120, 150 |
각 케이스별 난방부하를 Figure 5에 나타낸다. 분석의 편의를 위해, 북측 비난방 공간에 대한 단열 보강이 없는 상태의 연간 난방부하 (48 MWh/yr = 10.3 kWh/㎡·yr)를 기준으로 하여, 각 케이스별 난방부하를 백분율로 나타낸다. 코어부의 외벽만을 단열 보강한 경우 (Case A)는 단열재 30 mm를 보강할 때 2.4%의 난방부하가 절감되고, 60 mm의 경우에는 3.1%가 절감되나, 90 mm 이상에서는 단열재 두께가 증가하여도 난방부하 감소 효과가 크게 증가하지 않는다 (0.3% 이하). 부엌 쪽 발코니의 외벽만을 단열 보강한 경우 (Case B)는 단열재 30 mm를 보강할 때 1.0% 절감 효과를 나타내나, 60 mm 이상의 경우에서는 0.2% 미만의 증가 효과를 보이며 단열재 두께가 증가하여도 난방부하 감소 효과는 미미한 편이다. 북쪽에 면한 PS만 단독으로 보강한 Case C의 경우는, 단열재 30 mm를 보강할 때 2.2% 절감 효과를 나타내며, 이후 단열재의 두께 증가와 함께 난방부하 감소 효과도 지속적으로 증가하여 앞의 Case A 및 Case B와는 다른 양상을 나타낸다. 이러한 결과의 원인으로서는, 코어부와 부엌 쪽 발코니 사이의 경계벽에는 단열재가 설치되지 않기 때문에 코어부를 단열 보강하면 열이 부엌 쪽 발코니로 빠져 나가고, 부엌 쪽 발코니를 단열 보강하면 코어부쪽으로 빠져 나가기 때문에 코어부와 부엌 쪽 발코니의 단독적인 보강만으로는 단열 보강의 효과를 100% 얻지 못하기 때문이고, 코어부에는 창면적비 4%의 단창 유리(Table 1의 Glazing, Unconditioned area)가, 그리고 부엌 쪽 발코니에는 창면적비 13%의 단창 유리가 설치되어 있어 단열 두께 증가분만큼의 난방부하 절감 효과를 얻지 못하는 것으로 판단된다.
코어부와 부엌 쪽 발코니를 함께 단열 보강한 Case D는, 코어부만 단열 보강한 경우(Case A)와 부엌 쪽 발코니만 보강한 경우(Case B)의 난방부하 절감 효과를 합한 것보다 더 큰 난방부하 절감효과를 나타내며, 이는 코어부와 부엌 쪽 발코니 사이의 경계벽을 통한 열손실이 없어진 때문으로 판단된다. 그러나 유리창을 통한 열손실로 인해 단열재 두께 증가에 따른 난방부하 감소 효과는 다른 케이스들(Case E ~ Case F)보다 작아지는 경향을 나타낸다. 코어부와 PS를 함께 보강한 Case E 및 부엌 쪽 발코니와 PS를 함께 보강한 Case F는 해당 부위를 단독으로 보강한 결과(Case A ~ Case C)의 단순 합과 거의 일치한다.
코어부와 부엌 쪽 발코니 및 북측에 면한 파이프 샤프트(PS)를 함께 단열 보강한 경우(Case G)는 단열재 두께 30 mm만으로도 6.1%의 난방부하 절감 효과를 나타내며, 60 mm의 경우는 8.5%, 150 mm의 경우는 11.8%를 나타내어, 검토 케이스중 가장 큰 난방부하 감소 효과를 나타낸다.
본 연구에서 검토한 단열재 보강 두께에 따른 열관류율의 변화를 Figure 6에 나타낸다. 그래프의 기울기 변화에서도 알 수 있듯이 Figure 5의 각 케이스 별 난방부하 감소 효과는 1차적으로 단열 보강에 따른 열관류율의 변화와 관련성이 깊다고 할 수 있다. 이와 함께 열용량이 큰 콘크리트 벽체가 북측에 면해 있을 때의 열적 특성도 변수가 될 것으로 생각된다.
연간 냉방부하는 모든 검토 케이스에 대해 0.3 ~ 1.2% 증가하는 정도로써, 난방부하 감소 효과에 비해 매우 작은 값을 나타내었다.
결 론
본 연구에서는 전용면적이 84㎡이고, 남향인, 판상형 아파트를 대상으로 하여 북측에 면한 비난방 공용공간에서의 전열 특성을 분석하고, 난방부하 감소를 위한 대책에 대해 검토하였다. 본 연구의 결론을 아래에 정리한다.
(1)겨울철의 낮은 외기온과 일사의 영향이 뚜렷하게 반영될 수 있도록 선정한 검토 대상 기간 (1월 23일 ~ 25일) 중에, 공용공간 (코어)을 구성하는 각 부분 중 외벽에서의 열손실이 가장 컸으며, 외벽에서의 열유속은 외기온의 변화에 대해 약 4시간의 타임랙을 가지고 변화하였다.
(2)검토 대상 기간 (1월 23일 ~ 25일) 중 코어 외벽에서는, 외기온도가 코어 내부의 공기온도보다 높은 시간대에 내표면에서는 열손실이 발생하고, 외표면에서는 열취득이 발생하였다. 이는 외벽에서의 열출입이 코어부 내·외의 온도차만이 아니라, 열용량이 큰 콘크리트 외벽으로 인해 발생하는 시간지연 효과와 온도 변동폭의 감쇄 효과가 함께 작용한 결과라고 판단된다.
(3)북측 비난방 공간의 단열 보강에 따른 연간 난방부하 절감 효과에 대해 검토하였다. 검토 대상 아파트와 같이 코어부와 부엌 쪽 발코니 사이에 단열재가 설치되지 않은 경계벽이 있는 경우는 코어부와 발코니의 외벽을 함께 단열 보강해야만 난방부하 절감 효과가 커지는 것으로 나타났다.
(4)코어부와 부엌 쪽 발코니 및 북측에 면한 파이프 샤프트 (PS)를 함께 단열 보강한 경우는 단열재 두께 30 mm만으로도 6.1%의 연간 난방부하 절감 효과를 나타내었으며, 단열재 두께 150 mm의 경우는 11.8%를 나타내었다.
