서 론
국내 공동주택 외피 설계 현황
1기 신도시 공동주택 주동 향 현황
신축 공동주택 창면적비 및 발코니 형태 계획 현황
ECM 라이브러리 도출 방법
평가대상 공간
평가대상 세대 위치 및 발코니 유형
개별 ECM
에너지성능 정보의 표현방법
초기투자비용 정보 산출방법
에너지성능 평가
ECM 라이브러리 도출 및 활용 방안
ECM 라이브러리 도출
활용 방안
결 론
서 론
주택난 해소를 위하여 1989년 이후 대량으로 공급된 1기 신도시 공동주택은 준공 30년이 되어가며 노후화가 급속도로 진행되고 있으며, 주거환경 개선과 건물부문 에너지 효율화를 위한 재건축 또는 리모델링이 필요한 실정이다. 노후 공동주택의 리모델링은 건물의 연한, 용적률, 안전진단 등급, 초과이익 환수 등에 대해 재건축보다 완화된 기준을 적용받는 장점은 있으나, 지자체 허가를 받기 위해서는 소유자 67%에게 동의를 얻어 리모델링 주택조합을 설립하고, 설계사 및 시공사에서 설계 개요 및 비용에 대한 계획을 세운 후, 다시 소유자 75% 이상의 최종 동의를 얻는 등 재건축과 마찬가지로 복잡한 의사결정 과정을 거쳐야 한다.
건물의 외피는 에너지성능과 재실자 쾌적, 건물 외관 이미지에 영향을 주는 주요 인자로 신축 또는 리모델링 설계 초기 단계부터 적절한 에너지 절감기법(Energy Conservation Measure, 이하 ECM)(ASHRAE, 2014)의 선정 및 적용이 필수적이나, 다양한 설계 대안에 대한 에너지 성능검토에는 많은 시간이 소요된다. 초기 설계 대안의 검토 과정에서 EnergyPlus, ECO2와 같이 해석 툴이 사용될 수 있으나, 모델링 및 분석 과정에 전문지식이 요구되고 소요시간 또한 길어 설계 초기 단계에서 활용되기에는 어려운 점이 있다. 국외에서는 이를 보완하기 위한 간이화된 의사결정지원 방법으로 건물 유형별로 사전 시뮬레이션(pre-simulation) 해 놓은 데이터를 활용해 즉각적으로 정보를 제공해주는 방안들이 연구되고 있다(Chidiac et al., 2011; Konstantinou, 2015; Lee et al., 2015; González et al., 2017). 국내에서도 공동주택을 세대 면적별로 유형화하여 창호 및 외벽 단열 등 자재의 열적 성능 관련 ECM의 절감효과를 분석한 연구가 진행되었으나(조무진, 2017), 창 면적 및 발코니 형태 등 디자인 대안에 대한 고려는 이루어지지 않았다. 비주거 건물에 대해서는 외피 설계 의사결정을 지원하는 내용의 선행연구가 다수 진행된 바 있다(배민정과 김선숙, 2016; 김진업, 2017).
본 연구에서는 노후 공동주택 외피 리모델링 계획단계에서 의사결정 소요시간 단축을 목적으로 사전 시뮬레이션 데이터 제공 방법을 통해 외피 리모델링 대안의 디자인과 에너지 성능 정보를 동시에 제공할 수 있는 ECM 라이브러리를 도출하고 그 활용 방안을 제시하고자 한다. 이를 위해 대량의 리모델링 수요가 예측되는 1기 신도시 공동주택을 대상으로 평가대상을 유형화한 후, EnergyPlus 시뮬레이션을 통해 유형별로 ECM 조합 적용에 따른 에너지 절감률과 초기투자비용을 산출하여 ECM 라이브러리를 구축하였다.
국내 공동주택 외피 설계 현황
공동주택의 벽체 및 창호의 열관류율 등 물리적 성능뿐만 아니라 창면적비와 발코니 형태 등의 외피 설계요소도 에너지성능에 영향을 미친다. 특히 외피 설계요소는 단지의 외관 이미지를 좌우하므로, 입주자들을 가급적 신축 공동주택 단지 수준의 최신 계획 동향을 반영하고자 할 것이다. 주동의 향 또한 주요 영향인자이나 재건축이 아닌 리모델링의 경우 구조체를 유지한 채 기존의 외피를 새로 시공하는 방식을 취하기 때문에 향을 변경하는 것은 불가능하다고 할 수 있다. 이에 따라 본 연구에서는 평가대상을 유형화하기 위해 1기 신도시 공동주택의 향과, 신축 공동주택의 창면적비와 발코니 형태 관련 설계 현황을 조사하였다.
1기 신도시 공동주택 주동 향 현황
2020년을 기준으로 5개 1기 신도시 중 97.6%인 670개 단지가 리모델링 대상이 되며(최재필 외, 2016), 비교적 인접한 지역에 해당하는 분당 50개, 평촌 50개, 산본 25개 아파트 단지 주동의 향을 조사한 결과는 Table 1과 같다. 총 125개 단지 1,426개 동 중 향을 특정하기 어려운 타워형, U형, ㄴ형 주동을 제외한 판상형의 1,387동을 조사한 결과, 3개 도시 모두 남동향이 1순위로 많았으며 정남향과 남서향이 다음 순위로 도출되었다.
Table 1.
Building orientation of 1st new town apartment buildings
신축 공동주택 창면적비 및 발코니 형태 계획 현황
2017년 12월부터 2019년 7월까지 입주한 수도권 10개 공동주택 단지를 선정하여 코너형 및 최상층부의 펜트형을 제외한 일반적인 평면 유형 20개를 대상으로 세대 면적에 따라 전면부의 창면적비를 조사하였다. 창호의 면적은 실의 용도를 고려하여 계획되므로 Table 2와 같이 전면부 외피에 면하는 거실, 침실, 대피공간으로 세분화하여 조사하였다.
Table 2.
Frequency of samples by area & room types
실 유형별로 일반적으로 적용하는 창면적비를 분석하기 위해 92개 창호의 가로 및 세로 치수의 빈도분석을 수행하였으며, 1 및 2순위의 최빈값 치수를 Table 3에 정리하였다. 창호의 가로 치수는 세대의 내력벽 사이(bay) 간격의 영향을 받기 때문에, 표본 중 과반수 이상이 속한 72-76 ㎡, 86 ㎡타입에서 사용되는 치수가 최빈값으로 산출되었다. 세로 치수의 경우, 거실에 채광과 시야 확보를 위해 적용 가능한 큰 치수를 적용하고 있었다. 침실의 세로 치수는 1.1 m부터 2.6 m까지 다양하게 사용되고 있었는데, 안방은 20건 중 90.0%가 2.0 m 이상이였으며, 일반 침실은 36건 중 1.4 m 이하가 38.9%, 나머지 61.1%가 2.1~2.3 m였다. 결과적으로 창호의 가로 치수는 bay의 간격에 따라, 세로 치수는 외피 설계의 의도 및 법적 기준1)에 따라 결정되고 있었다. 또한 92개 케이스의 창면적비 분포는 Figure 1과 같이 산출되었다. 거실은 모든 케이스가 40~50% 와 50~60% 창면적비에 해당하였고, 안방 및 일반침실의 창면적비는 21.4%부터 최대 75.5%까지 다양하게 분포되었다. 대피공간은 18.0%, 20.0%인 경우가 각각 1건씩 있었고 대부분 20~30%의 창면적비로 조사되었다. 대피공간임에도 창면적비가 60% 이상이 경우는 창의 가로 치수가 1.3 m이거나 세로 치수가 2.2 m로 적용된 예외적인 경우였다.
Table 3.
Mode of window dimensions (unit : m)
한편, 최근 신축된 공동주택의 외관을 살펴보면 발코니의 형태를 변형해서 외관을 차별화하고 다양한 평면 계획에 적용하고 있는 것을 알 수 있다. 전한종과 조현준(2005)의 선행연구에서도 전문가를 대상으로 한 설문조사 결과, ‘발코니 형태’가 ‘건물 전체의 모양’에 이어 외피 설계에 영향을 미치는 2번째 주요 인자로 도출된 바 있다. 발코니 형태로는 폭 1.5 m 이내 공간을 외기에 간접 면하는 공간으로 사용하는 ‘일반형’과 실내공간으로 사용하는 ‘확장형’이 가장 일반적이나, 일부분(약 0.8 m)을 밖으로 돌출시키는 ‘돌출형’과 ‘돌출매립형’ 및 1.5 m 전체를 외부공간으로 사용하는 ‘매립형’ 등도 있었다(오지현과 김선숙, 2017). 이와 같은 다양한 형태가 조합됨에 따라 특정 세대에 발코니에 의한 차양 효과가 발생하거나 외기에 면하는 면적이 달라지면서 동일 평면 유형이라 하더라도 에너지성능 차이가 발생할 수 있다.
1)｢에너지절약형 친환경주택의 건설기준｣에서는 베이에 따른 창면적비 제한 기준을 제시하며, ｢서울특별시 건축물 심의기준 공고｣등 지자체 조례에서 공동주택의 벽면율 확보에 대한 기준을 제시하는 경우가 있음.
ECM 라이브러리 도출 방법
평가대상 공간
공동주택의 리모델링 설계 시 내력벽 구조체는 그대로 유지하는 경우가 대부분으로 리모델링 전후의 내력벽 사이(bay) 간격도 유지된다. 본 연구에서는 다수의 리모델링 프로젝트에 적용할 수 있는 ECM 라이브러리 도출을 목표하므로, 세대 단위가 아닌 1개 bay 단위의 외주부 공간을 평가대상으로 선정하였다. 최재필 외(2016)가 지역별 1기 신도시 공동주택 전수조사를 수행하여 도출한 대표 평면 유형 중 1순위 평면 유형(2 bay, 전용면적 60-85 m2)의 정보에 근거하여 평가대상 공간의 치수는 3.16 m(bay 폭)× 5.00 m(깊이)로 설정하였다.
평가대상 세대 위치 및 발코니 유형
판상형 주동에서 세대 위치는 최상층, 중간층, 최하층별로 좌측/중간/우측까지 9개로 유형화할 수 있고, 각각에 대해 5개 발코니 유형(일반형, 확장형, 매립형, 돌출형, 돌출매립형)을 적용할 경우 총 45개 케이스가 도출된다. 선행연구에서 45개 케이스 에너지성능을 분석한 결과, 양쪽 측세대의 연간 에너지요구량이 거의 유사하여 구분이 불필요하다고 판단되었다(오지현과 김선숙, 2017). 또한 발코니 유형 중 일반형 발코니는 에너지 성능이 가장 우수하여 ECM 적용 효과가 미미하였고, 매립형 발코니는 에너지성능이 가장 취약할 뿐 아니라 리모델링 설계 시 층간소음 및 결로 방지를 위한 슬라브 두께를 고려할 때 최소한의 천장고 확보에 어려움이 있어 리모델링 시 권장되지 않으므로 본 연구 범위에서 제외하였다. 최종적으로 본 연구에서는 6개 세대위치(최상층 중간세대:TC, 최상층 측세대:TS, 중간층 중간세대:MC, 중간층 측세대:MS, 최하층 중간세대:BC, 최하층 측세대:BS)와 3개 발코니 유형(확장형:EX, 돌출형:PE, 돌출매립형:PR)에 한정하여 총 18개 케이스에 대한 ECM 라이브러리를 도출하고자 한다.
개별 ECM
앞서 진행한 현황조사 결과, 실 유형별로 창면적비가 18.0~75.5%까지 다양하게 분포되고 있으나, 주요 공간에 해당하는 거실과 침실에 적용 가능한 창면적비를 고려하여 30~70% 범위에서 10% 간격으로 설정하였다. 외벽 및 창호의 열관류율과 SHGC의 개별 ECM은 ｢건축물 에너지절약설계기준｣(MOLIT, 2017)을 참조하여 Table 4와 같이 설정하였으며, 이를 바탕으로 4×3×3×4=총 144개의 ECM 조합이 도출된다.
Table 4.
ECM values in library
| Level | WWR (%) | Uwall (W/m2K) | Uwin (W/m2K) | Window SHGC (-) |
| #1 | 30 | 0.17 | 1.00 | 0.468 |
| #2 | 40 | 0.15 | 0.90 | 0.50 |
| #3 | 50 | 0.13 | 0.80 | 0.55 |
| #4 | 70 | - | - | 0.60 |
에너지성능 정보의 표현방법
본 연구에서는 외피의 형상 및 자재의 물리적 성능에 따른 에너지성능 차이를 비교하고자 하므로 식 (1)과 같이 기준 모델 대비 ECM 적용 시의 연간 단위면적당 에너지요구량의 비를 이용하여 에너지 절감률(Energy Saving Rate, ESR)을 산출한 후, 에너지 절감효과가 있는 유효한 ECM 조합을 선별하였다. 이 때 유형별로 창면적비를 제외한 ECM을 수준1로 적용한 18X4=54개 케이스를 기준 모델이라 하였으며, 창면적비는 ECM 중 건물의 외관에 직접적인 영향을 미치는 인자이므로 이와 같이 정의하였다.
초기투자비용 정보 산출방법
ECM의 초기투자비용은 식 (2)~(4)(안정환 외, 2015)에 따라 산출하였으며, 자재비 및 노무비는 한국물가정보와 조달청 시설공사 원가계산 제비율 적용기준으로 구축된 자료를 활용하였다(Kim et al., 2020).
본 연구에서 도출하고자 하는 ECM 라이브러리에서 제공하는 초기투자비용은 다양한 설계안에 대한 상대적인 비교를 위한 것이므로, 다음과 같은 몇 가지 조건을 가정하였다. ECM 조합별 자재비를 산정할 때, 외벽의 열관류율 변화는 단열재의 두께별 가격으로 적용하였으며, 측세대 유형은 외벽과 측벽 모두 단열성능이 변경된 것으로 산정하였다. 공동주택의 발코니 창은 PVC 프레임을 기준으로 유리의 열관류율에 따른 단가를 산정하였다.
에너지성능 평가
기준 모델 및 ECM 적용 모델의 에너지 성능은 DesignBuilder4.7로 평가하였다. 발코니 형태별 단위공간은 Table 5와 같이 모델링하였으며, 총 2,592개(6개 세대위치 × 3개 발코니 형태 × 144 ECM 조합) 케이스에 대해 Energyplus8.4와 JEPlus로 배치 시뮬레이션을 수행하였다. 모델링의 가정 조건은 Table 6과 같다. 주동의 향 및 형상은 현황조사 결과를 고려하여 설정하였으며, 설비는 2006년부터 국내 공동주택 100세대 이상에 대해 열회수형 환기장치 설치가 의무화된 바 있으므로, 에너지요구량을 평가하기 위한 Ideal Loads Air System과 열회수형 환기장치를 적용하였다. 실내 설정온도는 건축물 에너지효율등급 인증취득 공동주택의 거주자를 대상으로 한 설문조사 결과(한국에너지공단, 2016)를 반영하여 난방 22℃와 냉방 24℃로 하였다.
Table 5.
3 Types of balcony modeling
| Extension type (EX) | Projected type (PE) | Projected & Recessed type (PR) |
 |  |  |
 |  |  |
: Heating space, 
: Insulation, 
: Outdoor airTable 6.
Assumptions for energy simulation
ECM 라이브러리 도출 및 활용 방안
ECM 라이브러리 도출
시뮬레이션을 통해 도출된 2,592 케이스의 에너지요구량 분포는 Table 7과 같다. 총 에너지요구량의 중앙값을 기준으로 비교했을 때, 대체로 측세대의 연간 에너지성능이 중간세대 대비 취약하게 평가되었으며, 수직위치에 따라서는 중간층<최하층<최상층 순서로 크게 산출되었다. PE 유형에 한하여 TC세대가 BS 및 MS세대 보다 각각 5.9%, 7.0% 총 에너지요구량이 크게 평가되었는데, 이는 외피면적 차이로 인해 난방 에너지요구량이 증가했기 때문이다. 또한 PR 유형이 차양효과로 인해 다른 발코니 유형 대비 냉방에너지가 7.6~25.2% 감소되었다. 이를 통해 에너지성능만을 고려한 경우, 모든 세대 위치에서 외피면적이 적고 차양효과가 있는 PR 유형이 1순위로 권장되며, 2순위로 중간세대에 EX 유형을, 측세대에 PE 유형을 적용하는 방안을 고려할 수 있다.
Table 7.
Simulation results of 2,592 cases (Y-axis : Energy demand, kWh/㎡yr)
| Energy | EX | PE | PR |
| Total |  | ||
| Heating |  | ||
| Cooling |  | ||
Median, 
Min. & Max.)Table 8은 전체 케이스에 대해 식 (1)에 따라 ESR을 산출한 결과이며, (+)부호는 절감효과가 없는 것으로 판단하였다. 에너지 절감 효과가 있는 ECM 조합은 총 1,990개로 유형별로는 Table 9와 같으며, Table 10은 PE 유형 발코니의 ECM 라이브러리 예시이다.
Table 8.
Distribution of ESR (Y-axis : ESR, X-axis : ECM packages)
| Type | EX | PE | PR |
| Center unit |  | ||
| Side unit |  | ||
BC, 
BS, 
MC, 
MS, 
TC, 
TS)Table 9.
Number of valid ECM packages (Total 1,990)
| Balcony type | Location | |||||
| BC | MC | TC | BS | MS | TS | |
| EX | 83 | 63 | 82 | 124 | 112 | 124 |
| PE | 106 | 102 | 119 | 125 | 121 | 129 |
| PR | 95 | 85 | 114 | 140 | 134 | 141 |
Table 10.
Exemplary part of ECM library for PE balcony type (WWR : %, Uwall/Uwin :W/m2K, ESR : %, Heating/Cooling/ Total : kWh/㎡yr, Cost : KRW)
에너지 절감 효과가 없는 ECM 조합을 분석한 결과 대부분이 SHGC가 증가하는 케이스들이었다. SHCG 증가가 냉·난방 에너지요구량에 복합적인 영향을 미치면서 절감효과가 없거나 오히려 증가하였고, 이에 따라 냉방 에너지요구량이 상대적으로 높은 중간세대 유형과 EX 유형에서 SHGC ECM이 조합된 케이스가 대부분 제외되었다. 그 밖에 창면적비가 30%인 경우에는 낮은 창호 열관류율이 적용된 ECM 조합이, 창면적비가 70%인 경우에는 낮은 외벽 열관류율이 적용된 ECM 조합의 에너지 절감 효과가 없었다.
활용 방안
리모델링 설계 초기단계에서 설계사는 소유자들의 의견을 수렴하여 대안을 검토하고 계획을 수립하게 된다. 본 연구를 통해 도출된 ECM 라이브러리는 이 과정에서의 의사결정과정을 Table 11의 예시와 같이 지원할 수 있다. 앞서 언급한 중간세대에는 EX 유형이, 측세대에는 PE 유형 적용이 성능 측면에서 권장된다는 것을 고려하였을 때, 기본 대안 1 및 발코니를 다양화한 대안 2, 3을 도출할 수 있다. 3개 설계 대안들은 에너지요구량 및 초기투자비용 정보와 함께 대안 비교에 이용될 수 있고, 소유자들에게 가시적이고 정량적인 정보를 제공하는 데에도 활용할 수 있다.
Table 11.
Application example - envelope design alteration
더 나아가서 에너지성능을 개선하고자 하는 경우에는 Table 12와 같이 라이브러리를 활용 할 수 있다. Table 12의 산점도는 EX 발코니 MS 세대의 ECM 라이브러리 일부를 나타내고 있다. 001, 037, 073은 각각 창면적비별 기준 모델이고, 그 외에 비용대비 에너지성능이 우수한 ECM 조합들을 표기하였다. 예를 들어 초기 계획안이 창면적비 40%의 037이라 할 때, ECM 라이브러리의 정보를 바탕으로 비교하여 057, 061로 단열성능을 개선하거나 창면적비를 변경하는 021를 선택해 비용과 성능을 모두 개선할 수 있다.
Table 12.
Application example - ECM packages selection
결 론
본 연구에서는 외피 설계 현황 조사를 바탕으로, 대량의 리모델링 수요가 예측되는 1기 신도시 공동주택을 대상으로 ECM 적용 관련 의사결정을 지원할 수 있는 창호 리모델링 ECM 라이브러리를 도출하고 활용방안을 제안하였다. 현황 조사는 국내 공동주택 리모델링 방식을 고려해 수행하였으며, 분당, 평촌, 산본 등 1기 신도시 아파트의 주향은 남동향으로, 신축 아파트의 창면적비는 실 유형에 따라 18.0~75.5%로 다양하게 조사되었다. 18개 유형별로 144개 창호 ECM 조합의 에너지요구량과 초기투자비용을 산출하였으며, ESR을 기준으로 유효 ECM 조합 1,990 개를 선별하였다. 현재 ECM 라이브러리의 활용 범위확대를 위해서 리모델링을 원하는 주동의 외피 설계 및 ECM 조합을 자동으로 제안하는 방법론 및 프로그램 개발에 관한 후속 연구가 진행 중이다. 이와 함께 향후 라이브러리에서 적절한 ECM 대안을 선택하기 위한 기준 설정에 관한 연구도 필요한 것으로 판단된다. 이 외에도 거실의 채광, 공간의 편의성, 소음 등 정성적인 가치를 소유자가 고려할 수 있도록 ECM 라이브러리에 정보가 보완된다면 활용 가능성을 향상시킬 수 있을 것으로 보인다.
