서 론
기밀성능 현장 측정 및 분석 기준
기밀성능 현장측정 대상 건물 개요
기밀성능 측정 방법
기밀성능 측정 결과의 표현
기밀성능 측정 결과
블로우 도어(Blower Door) 테스트 결과
바닥면적 산정기준에 따른 기밀성능
건물에너지 시뮬레이션
건물에너지 해석 프로그램
분석 단지 모델 및 입력값
에너지 시뮬레이션 케이스
에너지 시뮬레이션 결과
결 론
서 론
정부는 2019년 6월 제로에너지건축 단계적 의무화를 위한 세부 로드맵 개편안을 발표하고 관련 법규 및 시행령 개정을 통해 2020년 제로에너지건축 인증 의무화 시행을 위한 법적근거를 마련하였다(MOLIT, 2019). 2023년 30세대 이상 공공 공동주택에 대하여 제로에너지건축물 5등급이 의무화되었고, 2025년부터는 30세대 이상 민간 공동주택에 대해서 5등급 수준으로 확대될 예정이다(MOEF, 2024).
기밀성능은 공동주택의 에너지성능에 영향을 미치는 인자로 다양한 연구가 진행되고 있다. Lee et al. (2015)은 공동주택의 구조형식에 따른 기밀성능 측정을 통해 벽식구조보다 라멘구조가 누기 발생가능성이 높으며, 이에 따른 난방에너지 요구량도 라멘구조가 약 11.5% 많은 것으로 보고하였다. Choi et al. (2023)은 단위 면적 26 ㎡ 소규모 공공주택에 대한 기밀성능 측정을 통해 평균 9.1 ACH50 (Air change rate per hour at 50 Pa)의 기밀성능을 확인하였으며, 기밀성능 향상을 통해 16%의 1차 에너지소요량 저감이 가능한 것으로 보고하였다. Park et al. (2022)은 전용면적 26 ㎡ 이하의 소규모 공동주택에 대하여 기밀성능 취약부위를 파악하고 개선 전/후의 성능을 평가하였고, 주요 취약부위인 창호, 에어덕트(Air duct)와 파이프덕트(Pipe duct)부위의 기밀화 작업을 실시하면 5.7 ACH50의 기밀성능을 3.0 ACH50 이하까지 개선이 가능한 것으로 보고하였다.
공동주택 제로에너지건축물 인증 시 건축물에너지효율등급 평가를 위해 Tool인 ECO2에 단위세대의 기밀성능(ACH50)을 반영하도록 하고 있다. 설계도서에 반영된 내용만으로 착공전에 실시되는 예비인증에서는 기밀성능은 6.00 ACH50으로 가정하며, 최종 설계도면과 현장실사 결과를 반영하는 본인증에서는 현장 측정 기밀성능을 적용한다(LH, 2022).
ACH50은 대상 공간의 체적을 기준으로 도출되는 기밀성능 값으로 공동주택 단위세대체적 산출 시 바닥면적은 도면에 표기된 전용면적을 적용하고 있다. 하지만 실제 대부분의 공동주택은 확장면적으로 분양되고 있어 실제 사용하는 바닥면적은 전용면적과 다르다. 그리고 바닥면적에 따라 기밀성능 값은 변화하며 에너지성능 평가를 위한 시뮬레이션 결과에도 영향을 미친다. 건물에 에너지 성능에 영향을 주는 단열성능 및 설비 효율 등은 입력 기준 및 지침도 자세하게 제시되고 있는데 반해, 기밀성능은 관련 기준이 미흡하며 이에 대한 연구도 미흡한 상황이다.
본 논문은 제로에너지건축물 인증에서 기밀평가시 적용되는 바닥면적 기준이 건물에너지에 미치는 영향을 파악하고자 공동주택 실사용 면적과 기밀선을 반영한 기밀선 면적을 제시하고, 기존의 전용면적과 기준 바닥면적에 따른 기밀성능 값을 비교·분석하였다. 또한, 기밀성능의 변화가 건물의 에너지 소요량과 생산량에 미치는 영향성을 검토하였다.
기밀성능 현장 측정 및 분석 기준
기밀성능 현장측정 대상 건물 개요
공동주택의 기밀성능을 2개 단지 총 40세대를 대상으로 측정하였다. 두 개 단지는 2024년에 준공되었으며, 모두 철근콘크리트 벽식구조로 시공되었다. 측정 세대는 국민주택 규모인 전용면적 84 ㎡를 대상으로 하였으며, 단지별 2개 타입에 대하여 기밀성능을 측정하였다. 대상 건물의 정보는 Table 1에 요약하였다.
Table 1.
Details of test apartment complexes
기밀성능 측정 방법
단위세대의 기밀성능 측정은 ISO 9972의 Method A기준에 따라 실시하였다. 단위세대의 현관문에 블로우 도어를 설치하여 가압/감압을 실시하였으며, 측정은 ±10 ~ ±50 Pa 압력차 범위에서 10 Pa 간격으로 실시하였다.
각 대상 단지별 기밀성능 측정은 A단지 20세대, B단지 20세대를 측정하였으며, 타입별로 각각 10세대씩 측정하였다. 각각의 단위세대의 전용면적은 84 ㎡ 타입으로 동일하며, 거실, 침실3, 화장실2, 발코니2로 동일하게 구획되어 있다(Figure 1). 기밀성능 측정 시 대상의 단위세대는 외부 창호를 모두 닫았으며, 환기장치 및 팬은 모두 off 하였으며, 세대 내부의 문은 모두 개방하였다. 대상 건물에서 측정세대는 저층 16세대, 중층 16세대, 고층 8세대로 선정하였다.
기밀성능 측정 결과의 표현
국내에서는 제로에너지건축물인증을 위한 단위면적당 1차에너지소요량 평가는 ECO2 프로그램을 기반으로 한다. ECO2 프로그램에서 단위세대의 기밀성능은 ACH50을 입력하도록 되어있으며, 주거 부문의 경우 예비 인증 시 6.0 ACH50로 입력하며, 본 인증 시 현장 측정 값을 사용한다(Choi et al., 2023).
ACH50은 건물 외피에 50 Pa의 압력차가 작용하고 있을 때, 대상공간에 대해 시간당 치환되는 공기가 대상공간의 체적당 얼마인지를 나타내는 방법으로 식 (1)에 의해 산출된다.
여기서, V50은 50 Pa 압력차에서 시간당 치환되는 공기량, V는 대상공간의 체적이다(Undram et al., 2019).
ECO2에서 AHC50의 체적(V)의 산출기준은 대상세대의 전용면적(㎡)과 천장높이(m)의 곱이다. 하지만 일반적으로 공동주택의 단위세대는 확장형으로 공급이 되고 있어, 실면적은 전용면적과 차이가 있다. Passivhaus에서 세대 기밀성능 평가를 위한 체적 산출 기준에서 외벽은 난방공간에 면한 단열재의 안쪽면으로, 동시에 방습층(Vapor Control Layer) 조건을 만족하여야 한다(BRE, Passivhaus Primer, 2014). 투습계수가 높은 인조광물섬유 단열재를 적용하는 목구조는 실내측에 기밀·방습지(Air & vapor control membranes)를 별도로 시공한다. 따라서 기밀선(Airtight Layer)은 기밀·방습지 시공면으로 봄이 타당한 것으로 판단된다.
국내의 경우, ｢건축물의 에너지절약설계기준｣에서 방습층은 투습도가 24시간당 30 g/㎡ 이하 또는 투습계수 0.28 g/㎡·h·㎜Hg 이하의 투습저항을 가진 층으로 규정하고 있다(MOLIT, 2024). 국내 공동주택의 대부분은 철근콘크리트구조에 내단열을 적용하고 있으며, 벽체에 사용되는 비드법, 압출법, 경질 우레탄, 페놀폼 단열재의 20 ~ 30㎜ 이상이면 투습저항 기준을 만족하기 때문에 기밀·방습지를 별도로 시공하지 않는다. 따라서 내단열이 적용된 철근콘크리트구조에서 기밀선은 단열재의 실내측면으로 봄이 타당한 것으로 판단된다. Figure 2는 목구조 외벽의 기밀선과 철근콘크리트구조 외벽의 기밀선을 나타낸다.
연구에서는 대상 공동주택의 단위 세대 기밀성능 평가를 위해 기준 바닥면적(Airtight Area)과, 보정 기준 바닥면적(Modified Airtight Area)을 제안하였다. 기준 바닥면적은 기밀성능이 확보된 세대간 구조벽, 외벽 단열재, 외벽 창호 및 실내 기밀도어를 외곽선으로 하는 바닥면적이다. 보정 기준 바닥면적은 기준 바닥면적에서 실내 구조체 면적을 제외한 바닥면적이다. 대상세대 타입별 전용면적, 기밀선 면적, 실내 구조 콘크리트 및 단열재의 평면도와 천정 높이 단면도는 Figure 3에 나타내었다.
Table 2는 대상세대의 타입별 전용면적(Design Area), 기준 바닥면적(Airtight Area), 보정 기준 바닥면적(Modified Airtight Area)을 나타내었다. 세대 타입별 전용면적은 84.4 ~ 84.9 ㎡로 평균 84.7 ㎡이고 타입별로 ±.04%이내로 차이가 거의 없었다. 연구에서 제안된 기준 바닥면적은 102.9 ~ 113.3 ㎡로 평균 107.7 ㎡를 나타내 전용면적의 약 127% 수준이었으며, 타입별로 -4.5 ~ 5.1% 차이가 있는 것으로 나타났다. 보정 기준 바닥면적은 100.8 ~ 109.9 ㎡로 평균 104.9 ㎡를 나타내 전용면적의 약 124% 수준이었으며, 타입별로 -3.9 ~ 4.8% 차이가 있는 것으로 나타났다.
기밀성능이 확보된 벽체 및 창호로 구획된 기준 바닥면적과 보정 기준 바닥면적은 동일한 전용면적 세대에서도 타입에 따른 편차가 큰 것으로 나타났다. 따라서 보다 정확한 단위세대의 기밀성능을 평가하는데 유용할 것으로 판단된다.
Table 2.
Design area, airtight area, modified airtight area, concrete aera and ceiling height by type of test apartment unit
기밀성능 측정 결과
블로우 도어(Blower Door) 테스트 결과
측정 대상 40개 세대의 블로우 도어 테스트에서 측정된 팬의 풍량과 전용면적(Design Area) 기준으로 체적을 계산했을 때의 기밀성능은 Figure 4와 같다. 감압/가압 측정을 통해 도출된 실내·외 압력차 50 Pa에서의 통기량(V50)은 최소값이 200.5 ㎥/h, 최대값이 623.6 ㎥/h 범위로 나타났으며, 평균값은 385.6 ㎥/h로 분석되었다. 타입별 평균 기밀성능이 84A, 84B가 유사하고 84C, 84D가 유사하며, 이는 단지에 따른 기밀부위의 시공 및 품질관리 차이에 따른 것으로 판단된다.
도출된 통기량에 대하여 전용면적(Design Area)으로 체적을 계산한 기밀성능은 최소값이 1.0 ACH50, 최대값이 3.1 ACH50 범위로 평균 2.0 ACH50으로 나타났다. 기존 연구 결과에서 2010년도 이후 평균 기밀성능은 약 2.5 ACH50으로 보고하였으며(Choi et al., 2023), 2019년 ~ 2020년도에 준공한 84 ㎡ 공동주택을 대상으로 측정한 결과 단지에 따라 기밀성능은 1.7 ~ 2.2 ACH50으로 나타났다고 보고하였다(Lee and Kim, 2023). 또한 2019년 ~ 2020년 건축물 에너지효율등급 본인증을 받은 LH 공동주택 346 세대의 기밀성능은 평균 3.1 ACH50 수준으로 보고하였다(LH, 2022). 따라서 본 연구에서 측정 대상 세대의 기밀성능은 기존 연구 결과로 나타난 공동주택의 기밀성능과 유사한 수준으로 판단할 수 있다.
바닥면적 산정기준에 따른 기밀성능
Figure 5는 단위세대의 체적 계산에 적용된 바닥면적 산정기준에 따른 기밀성능을 나타내었다. 식 (1)에 따라 동일한 통기량에 면적과 기밀성능의 변화는 반비례한다. 전술한바와 같이 대상 세대의 바닥면적은 타입 및 산출 방식에 따라서 122 ~ 134% 범위로 증가하였으며, 이에 따라 ACH50 값은 0.3 ~ 0.4 범위로 감소하는 것으로 나타났다.
전체 세대의 측정된 팬 풍량 및 바닥면적에 따른 기밀성능에 대하여 박스 플롯을 통해 분석된 6가지 수치는 Table 3과 같다. 공동주택 전용면적 84 ㎡ 40세대의 블로우 도어 테스트에서 평균 팬 풍량은 358.6 ㎥/h로 나타났다. 이 값을 각 단위세대의 바닥면적을 전용면적 기준(Design Area), 기준 바닥면적(Airtight Area), 보정 기준 바닥면적(Modified Airtight Area)으로 적용하였을 때 기밀성능 평균 값은 각각 2.0 ACH50, 1.6 ACH50, 1.6 ACH50으로 나타났다. 현장 측정을 통해 동일한 전용면적이라도 대상 현장 및 단위세대의 타입에 따라 기밀성능의 편차가 발생될 수 있음을 확인하였으며, 사분범위(3Q-1Q 값)에서 기밀성능은 1.9 ~ 2.3 ACH50을 나타냈다. 기준 바닥면적(Airtight Area)으로 체적을 계산할 경우 사분범위에서 기밀성능은 1.1 ~ 2.0 ACH50을 나타냈다. 따라서 공동주택의 기밀성능 평가 시 실제 사용되는 공간과 기밀 라인이 적용된 기준 바닥면적과 콘크리트 면적을 제외한 보정 기준 바닥면적을 적용하면 단위세대의 기밀성능이 약 16~25% 향상(AHC50 값이 감소하는)되는 것을 알 수 있다.
Table 3.
Airtightness performance according to the design area, airtight area and modified airtight area, and measured fan airflow rate
| Category |
V50 [㎥/h] | ACH50 [1/h] | ||
| Design Area | Airtight Area | Modified Airtight Area | ||
| Mean | 385.58 | 1.96 | 1.55 | 1.59 |
| Max | 623.60 | 3.13 | 2.51 | 2.58 |
| 3Q* | 465.10 | 2.35 | 1.93 | 1.97 |
| Median | 376.05 | 1.91 | 1.50 | 1.54 |
| 1Q | 295.50 | 1.52 | 1.16 | 1.19 |
| Min | 200.50 | 1.03 | 0.80 | 0.83 |
건물에너지 시뮬레이션
건물에너지 해석 프로그램
제로에너지건축물 인증 기준에서 단위면적당 1차에너지 소요량과 에너지자립률을 평가하기 ECO2 프로그램이 사용된다. ECO2는 ISO 13790 및 DIN V18599를 기반으로 개발된 건물에너지 해석 프로그램으로 난방, 냉방, 급탕, 조명, 환기, 신재생 에너지에 대한 에너지요구량, 에너지소요량, 1차에너지 소요량 산출이 가능하다. 제로에너지건축물 인증 목표 등급을 만족하기 위하여 연간 단위면적당 1차에너지 소요량과 에너지자립률을 만족해야 한다. 에너지자립률을 상향하기 위해서는 평가 프로그램인 ECO2에서 에너지 소요량을 줄이는 기술을 적용하거나 신재생 설비를 늘려 에너지 생산량을 늘려야 한다. 즉, 단지에서 소비되는 전체에너지에 영향을 미치는 단위세대의 기밀성능은 신재생 설비 용량과 연관되며 이는 건축비와 직결된다. 따라서 국내의 제로에너지건축물 인증 체계에서 ECO2 프로그램에 입력되는 기밀성능 기준은 인증평가 뿐만 아니라, 건축비 산정에도 영향을 미친다고 할 수 있다. 이에 본연구에서 기밀성능에 따른 건물에너지 분석에 ECO2 프로그램을 활용하였다.
분석 단지 모델 및 입력값
공동주택의 기밀성능 산정 시 바닥면적에 따른 건물에너지성능 분석을 위하여 공동주택 1개 단지를 모델링 하였다. 지역과 기상데이터는 서울로 설정하였으며 단위세대는 현장 기밀성능 측정세대 중 가장 일반적인 평면 형태의 B단지 84C를 적용하였다. 1개 동은 층당 4개의 단위세대와 2개의 코어 조합으로 28층으로 구성하여 모델링 단지는 3개 동 336세대이며 난방 열원은 지역난방을 적용하였다.
단위세대의 벽체 및 창호의 단열 성능과 ｢에너지절약형 친환경주택의 건설기준｣별표 1~3에 명시된 중부2 지역의 부위별 열관류율을 적용하였으며, 조명밀도도 설계조건에 명시된 8 W/㎡ 로 설정하였다. 제로에너지건축물 5등급 만족을 위해 단지에 적용된 신재생에너지 시스템으로 태양광 발전을 적용하였다. 태양광 모듈의 설치 위치는 발전 효율을 고려하여 옥상 수평형을 1순위로 하고 측벽 수직형을 2순위로 하였다. 태양광 모듈의 효율은 20%로 설정하였다. 분석 단지의 개요 및 단위세대 및 단지에 적용된 패시브, 엑티브, 신재생 설정 조건은 Table 4에 나타내었다.
Table 4.
Details of apartment complex model and passive, active, renewable input data
에너지 시뮬레이션 케이스
공동주택의 기밀성능에 따른 에너지성능 분석을 위하여 전용면적 84 ㎡ 336세대로 구성된 1개 단지를 모델링 하였으며 입력값은 Table 3에 나타낸 값을 사용하였다. 에너지성능 분석은 총 4개 케이스에 대해 실시하였다. Case1은 현재 제로에너지건축물 예비인증시 기밀성능 입력값인 6.0 ACH50을 적용하였다. Case2는 2025년 이후 예정된 제로에너지건축물 예비인증시 기밀성능 입력값인 3.5 ACH50을 적용하였다. Case3은 현장 실측값에 현재 기준인 전용면적(Design Area)으로 체적을 계산한 기밀성능의 3Q값인 2.35 ACH50을 적용하였다. 마지막으로 Case4는 현장 실측값에 제안된 보정 기준 바닥면적(Modified Airtight Area)으로 체적을 계산한 기밀성능의 3Q값인 1.97 ACH50을 적용하였다.
에너지 시뮬레이션 결과
기밀성능에 따른 에너지 시뮬레이션 결과는 Figure 6과 같다. 에너지 소비량은 제로에너지건축물 인증에서 주거용 건축물 대상으로 평가하는 난방, 급탕, 조명, 환기에 대한 단위면적당 1차에너지소요량으로 나타내었다. 에너지 생산량은 제로에너지건축물 5등급 기준인 연간 단위면적당 1차에너지소요량 90 kWh/㎡·yr 이하를 만족하고 에너지자립률 20% 이상을 만족하기 위해 요구되는 최소의 연간 단위면적당 1차에너지생산량이다. 에너지자립률은 식 (2)에 의해 산출된다.
분석 대상 단지의 시뮬레이션 결과 연간 단위면적당 1차에너지소요량은 공동주택 건물에너지효율등급의 1+등급(90~120 kWh/㎡·yr) 수준이다. 2023년의 공동주택의 에너지효율등급 예비인증의 약 70%가 1+등급 이상(건축물에너지효율등급인증시스템 등급/용도별 인증현황)으로, 분석 대상 단지는 최근 준공된 공동주택 수준의 에너지성능을 나타내는 것으로 판단된다. 기밀 성능에 따른 연간 단위면적당 1차에너지소요량 결과를 보면, 기밀성능 값이 작아질수록 전체 연간 단위면적당 1차에너지소요량은 낮아지는 것으로 나타났다. 기밀성능 값이 가장 큰 Case1은 112.9 kWh/㎡·yr로 분석되었다. 전용면적 기준인 Case3은 102.4 kWh/㎡·yr로 분석되어 Case1 대비 약 9.3%가 절감되는 것으로 나타났다. 보정 기준 바닥면적(Modified Airtight Area) 기준인 Case4는 101.3 kWh/㎡·yr로 분석되어 약 10.3%가 절감되는 것으로 나타났다. 또한 에너지사용 요소인 중에서 급탕, 조명, 환기는 기밀성능에 영향을 받지 않아 변화가 없고, 난방에너지만 변화하였다. Case1의 난방에너지는 33.8 kWh/㎡·yr로 분석되었고, 전용면적 기준인 Case3은 23.3 kWh/㎡·yr로 분석되어 Case1 대비 약 31.1%가 절감되는 것으로 나타났다. 보정 기준 바닥면적(Modified Airtight Area) Case4의 난방에너지는 22.2 kWh/㎡·yr로 분석되어 약 34.3%가 절감되는 것으로 분석되었다. 따라서 기존의 전용면적 대비 제안된 보정 기준 바닥면적(Modified Airtight Area) 적용시 연간 단위면적당 1차에너지소요량은 약 1.1 kWh/㎡·yr 감소했으며, 전체에너지의 1.0% 난방에너지의 3.3%가 절감됨을 알 수 있다.
제로에너지건축물 5등급 만족을 위한 최소 에너지 생산량은 소요량과 정비례관계에 있기 때문에, 기밀성능 값이 작아질수록 요구되는 연간 단위면적당 1차에너지생산량도 낮아진다. 시뮬레이션 결과를 보면, 기밀성능 값이 가장 큰 Case1의 요구 에너지생산량은 22.6 kWh/㎡·yr로 분석되었다. 전용면적(Design Area) 기준인 Case3의 요구 에너지생산량은 20.5 kWh/㎡·yr, 보정 기준 바닥면적(Modified Airtight Area) 기준인 Case4의 요구 에너지생산량은 20.3 kWh/㎡·yr로 분석되었다. 기존 전용면적(Desing Area) 대비 제로에너지건축물 5등급 만족을 위해 요구되는 연간 단위면적당 1차에너지생산량은 약 0.2 kWh/㎡·yr 가 줄어드는 것으로 나타났으며, 이는 신재생에너지 설비 용량의 1.6%가 절감되는 수준이다.
결 론
본 연구에서는 공동주택의 바닥면적 적용방식에 따른 기밀성능 변화와 이에 따른 에너지성능 변화를 분석하였다. 현재 공동주택 기밀성능 평가를 위해 적용되는 전용면적은 타입에 따라 바닥면적의 차이가 거의 없지만, 연구에서 제안한 기준 바닥면적을 적용하면 바닥면적은 약 125%증가하고 타입에 따라서도 바닥면적은 -3.9 ~ 5.1% 편차를 나타냈다. 따라서 기밀성능이 확보된 벽체 및 창호로 구획된 기준 바닥면적이 보다 정확한 단위세대의 기밀성능을 평가하는데 유용할 것으로 판단된다. 또한 전용면적 84 ㎡ 공동주택 타입에 제안한 기준 바닥면적을 적용하면 단위세대의 기밀성능은 약 16~25% 향상(ACH50 값이 감소)되는 것으로 나타났으며, 이에 따른 연간 단위면적당 1차에너지소요량은 1.1 kWh/㎡·yr 가 감소되었다. 이는 전체에너지의 1.0%, 난방에너지의 3.3% 수준으로 분석되어 제로에너지건축물 5등급 만족을 위해 요구되는 연간 단위면적당 1차에너지생산량도 약 0.2 kWh/㎡·yr 가 감소가 것으로 나타났다. 따라서 공동주택 제로에너지건축물 인증에서 연구에서 제안된 바닥면적의 산정방식을 적용하여 단위세대의 기밀성능을 평가하면 보다 정확한 건물에너지를 산출을 통해 전체 에너지 소요량을 줄이 수 있는 것으로 나타났으며, 이에 따른 신재생에너지 설비에 투입되는 건축비도 절감할 수 있을 것으로 판단된다.
