서 론

연구의 배경 및 목적

중국 농촌의 경제를 발전시키고 도시와 농촌의 격차를 줄이기 위한 많은 정책들이 제안되고 있다. 농촌의 주거환경, 경제 발전, 산업 발전 등을 활성화하기 위해 2018년 중국 국무원은 ｢농촌 활성화 전략계획｣(State Council of the People’s Republic of China, 2018)을 밝혔다. 도시의 건물에 비해 농촌주택은 시공 및 설계 수준이 낮고, 에너지 효율에 대한 인식도 부족하다. 한편, 생활수준이 향상됨에 따라 주민들은 쾌적한 주거환경에 대한 요구가 높아져, 건물의 에너지 소비가 증가하였고, 건물에서 탄소배출량이 증가하였다. 중국 화북지역의 산동성 린이시(临沂市)는 농촌 인구 및 농촌 면적이 제일 크나, 대부분의 주거건물은 오래되어 쾌적한 주거환경에 대한 요구를 만족시키지 못하고 있다. 이에 본 연구에서는 린이시 농촌지역을 대상으로 농촌주택을 조사하여 주거 건물에 대한 표준모델을 설정하였다. ｢산동성 농촌 노후 주거건물의 에너지절약 기술지침｣(Ministry of Housing and Urban-Rural Development of Shandong Province, 2019)을 바탕으로 동적 열 부하 계산 프로그램인 DesignBuilder를 사용하여 에너지절약 방안을 시뮬레이션하고 비교 및 분석하였다. 이런 연구결과는 중국 농촌 건물의 그린 리모델링을 위한 기초자료로 활용될 수 있다고 판단된다.

선행연구 고찰

Zhang (2014)의 연구에 의하면 1986년 ｢중국 민용 건물 에너지절약 설계기준｣(Ministry of Housing and Urban-Rural Development, 1986)이 처음으로 정해졌으며, 중국의 건축 에너지에 관한 연구가 시작되었다. 그 후 농촌 주거 건물 에너지에 관한 연구가 증가하고 있지만, 도시 건물에 관한 연구보다 여전히 부족하다. Song (2017)은 “녹색 농촌 주택 설계” 개념을 기반으로 산동의 농촌주택을 조사하여 주택건물의 에너지 사용실태 평가하였다. Shao et al. (2017)은 산동성 농촌주택의 실내 열 환경 분석을 통해 에너지 절약 방안을 제안했다. Cui et al. (2020)은 산동 농촌주택 열 성능을 실측하여, 단열성능이 좋아지면 에너지 소비를 절감할 수 있다고 보고하였다. Zhang (2012)은 중국 북부 지방 기후의 특성에 따라 지역 기후에 적합한 기술 에너지 절약 방법을 논의했다. Ji (2013)는 북부 농촌 주택에 적용된 에너지 절약 기술의 유형과 특성을 분석하고 에너지절약 평가 시스템 및 평가 표준을 제공했다. 산동성은 16개 도시가 있으며 모두 한랭기후 지역이지만, 산동성 린이시의 인구와 면적에 비해, 주택의 에너지사용에 대한 연구가 부족한 실정이다.

대표 평면 배치유형 선정

Figure 1은 대상지의 위치도이다. 린이(临沂)시는 중국 북부 산동(山東)성 동남부의 한 도시로 산둥(山東)성 내에서 면적이 가장 크고 인구가 가장 많은 도시이며, 여름에는 강수량이 많아 고온다습하고, 겨울에는 한랭건조한 기후를 지녔다.

Figure 1.

Location of Linyi

평면배치 유형의 선정기준은 Jin (2021)의 연구를 참고로 Google earth를 활용하여 린이시 49개 마을을 대상으로 주택 평면 배치유형의 비율을 조사하였다. 마을별 평면 배치유형의 비율이 다르지만 U자형 패턴의 비율이 가장 높다는 것은 Table 1에 나타나고 있다. U자형 패턴은 메인 공간(침실, 거실 등)과 주변의 보조 공간(부엌, 다락방 등)이 U자형으로 구성되어 있다. 거실과 침실이 주로 북쪽에 위치하며 보조공간은 동, 서 또는 남쪽에 위치하다.

Table 1.

Distribution of typical configurations in 49 villages

No.	Village	U-shaped	Homocentric Squares	L-shaped	Linear-shaped	Parallel-shaped
1	Yitianzhuang	77.4%	0.3%	6.6%	14.6%	1.1%
2	Niantou	89.7%	4.7%	3.3%	1.4%	0.8%
3	Heihudun	81%	13.6%	2.4%	2.9%	0.4%
4	Yihe	62%	16.9%	23.8%	10.8%	3%
5	Juhuatun	51.6%	9%	26.6%	11.7%	1%
6	Liuxing	50%	34.7%	6.4%	7.6%	1.2%
7	Dongpandun	42.3%	29.6%	19.6%	6.6%	3.7%
8	QianshiLayuan	55.4%	13.6%	24.9%	4.8%	1.2%
9	Houfangwu	58.2%	1.8%	26.9%	8.5%	4.6%
10	Lequan Village	44.9%	11.3%	35.8%	6%	1%
11	Xuchukou Village	71.5%	6.9%	5%	15.4%	0.9%
12	No.1 Xincun	63.7%	7.5%	15.6%	7.7%	5.5%
13	Xinsanhezhuang	73.3%	15.3%	2.7%	1.2%	5.4%
14	Dagaozhuang	75.5%	2.7%	11.5%	2.5%	7.6%
15	Zhu	68.5%	4.9%	14.2%	10%	2.3%
16	Daokou	77.4%	7.4%	6.5%	3.5%	2.6%
17	Shanliwang	88.4%	7.9%	1.8%	1.8%	0
18	Shangquan	71.6%	8.8%	9.5%	5.9%	4%
19	Kuaibao	30%	48.6%	11%	8.4%	2%
20	Sanshilibao	30%	39.2%	20.5%	9.7%	0.6%
21	Zhongshan	1.5%	0	0	98.4%	0
22	Zhujialin	33.8%	27.7%	23%	14.6%	0.8%
23	Xiaoyuzhuang	37.2%	52.5%	5.5%	4.7%	0
24	Jiaoliang	58.5%	21.5%	10%	3.5%	6.4%
25	Qiandongzhuang	82%	12%	2.8%	2.8%	0%
26	Qinghe	89.8%	2.6%	3.4%	0.8%	3.4%
27	Dihou	88%	7.1%	1.4%	18.6%	1.6%
28	Xiliuzhuang	82.6%	7.6%	1.6%	5%	3%
29	Yongxi	62.9%	16.7%	4.4%	14%	1.9%
30	Shengliangzhuang	78.7%	5..3%	8.6%	6.4%	1%
31	Changlu	52%	20.7%	7.3%	15.8%	3.9%
32	Caizhuang	43.9%	15.2%	28.3%	18.8%	4.3%
33	Zhuxia	69.2%	17.5%	4.5%	6%	2.6%
34	Beilou	4.39%	29.7%	15.6%	8.8%	1.9%
35	Guanzhuang	46.7%	20%	24%	4.9%	4.3%
36	Huanheya	49.6%	20%	13.5%	8.9%	7.9%
37	Xiaofang	50%	35.5%	3.9%	9.4%	1.1%
38	Songjiazhuang	60%	15.7%	6.3%	17.1%	0
39	Dacuoe	25%	41.7%	28.7%	3.7%	1%
40	Xujiatanjing	46.4%	31.9%	12.8%	6.7%	2.2%
41	Zhouguanzhuang	53.2%	25%	11.8%	7.5%	2.3%
42	Gaobuqian	77.5%	16.8%	3.8%	1%	0.8%
43	Xincun	43.4%	30%	14%	8%	4.6%
44	Heping	60%	8.6%	15.9%	9.4%	5.8%
45	Chenguanzhuang	66.6%	3.4%	18%	10%	1.7%
46	Xileishi	79.8%	11.2%	1%	5%	2.7%
47	Jiantou	82.6%	4.7%	6.3%	6.4%	0
48	Lijiacai	55.6%	2.7%	20%	16.7%	4.9%
49	Zhangjiacai	55.7%	42.8%	16.3%	32.9%	0.6%

시뮬레이션 개요

기본 모델 설정

Table 2에 린이시 주거건물의 표준 모델을 나타내었으며, 주거유형 중 가장 비율이 높은 U자형 평면으로 선정하여 설정했다. 건물의 지붕은 대부분의 주택이 경사 지붕이므로, 표준모델의 지붕 또한 경사지붕으로 설정하였다. 농촌주택의 침실 및 거실은 메인 공간으로서 냉난방을 설치하지만, 부엌, 화장실, 창고 등 보조공간은 냉난방을 설치하지 않았다. 이에 본 연구에서는 메인 공간의 에너지 소비만 연구했다.

Table 2.

Model of the typical rural house in Linyi

3D image	Floor configuration

시뮬레이션 기본조건 설정

Table 3과 같이, 건물방향, 층고, 창면적비는 ｢중국 농촌건축 에너지 절약 설계 표준｣(Ministry of Housing and Urban-Rural Development, 2013)을 참고하여 시뮬레이션 조건을 설정하였다. ｢중국 실내 공기 기준｣(SEPA, 2002)에 따라 한랭 지역의 환기량은 1 AC/h, 침기량은 0.55 AC/h로 설정했다. 난방 온도는 18℃로 설정하고 냉방 온도는 26℃ 로 설정했다. 스케줄은 DesignBuilder의 주거 건물 고정 값으로 참조된다. 지붕, 외벽, 창호, 바닥의 구조 및 열관류율은 농촌주택에 관한 선행연구(Liu, 2017)에 요약된 농촌주택의 외피 구조를 기반으로 모델을 설정하였다. Table 4에 ｢산둥성 농촌 노후 주거건물의 에너지절약 기술지침｣(Ministry of Housing and Urban-Rural Development of Shandong Province, 2019)의 단열재 가격과 성능을 나타내었다.

시뮬레이션 결과

지붕과 창호 구조 변경에 따른 에너지 절감 분석

｢산둥성 농촌 노후 주거건물의 에너지절약 기술지침｣(Ministry of Housing and Urban-Rural Development of Shandong Province, 2019)에는 단열재 가격과 성능에 대한 지침은 존재하나, 유리의 규격에 대해 상세한 설명이 없다. 따라서 관련 연구(Feng, 2021)에 요약된 중국에서 자주 사용되는 유리 중 6C+12A+6C 이중유리 및 6Low-E+12A+6C Low-E 유리를 선택했다. Table 5와 같이, 이중유리 및 Low-E 유리와 3가지 지붕 단열재를 조합하여 총 6개 CASE로 나누어 해석 및 분석을 진행하였다. Figure 2에 그 결과를 나타냈다. 지붕과 이중유리의 에너지 절감률은 각 32%, 36%, 43% 였으며, 지붕과 Low-E 유리의 에너지 절감률은 각 34%, 38%, 46% 이었다. Low-E 유리사용 시 이중유리 사용 시 보다 약 2%의 에너지 사용량을 절감 할 수 있었다. 냉방부하는 10%~20%, 난방부하는 40%~57% 개선되어 냉방부하 보다 난방부하의 절감 효율이 더 좋았다.

Figure 2.

Energy consumption of model implementing energy-saving strategies for ceiling and windows

벽체의 단열재와 창호 구조 변경에 따른 에너지 절감 분석

벽체의 단열재와 창호 구조 변경에 따른 해석 조합을 Table 6에, 해석 결과를 Figure 3에 각각 나타내었다. 이중유리와 벽체 방안의 절감률은 32%, 37%, 40%이며, Low-E 유리와 벽체의 에너지 절약 비율은 각각 34%, 40%, 43% 이었다. 벽체와 창호 구조 변경의 경우 냉방 절감효과 약 8%~15%로, 앞선 지붕과 창호 구조 변경 안 보다 적게 나타났다. 지붕+창호구조의 변경 및 외벽+창호구조의 변경에 따른 연간 건물 에너지 절감효과는 각각 32%~46%, 32%~43%로 비슷하기 때문에, 변경 안을 고려함에 있어서, 리모델링에 사용되는 공사비에 맞추어 선택할 수 있다고 생각된다.

Figure 3.

Energy consumption of model implementing energy-saving strategies for wall and windows

지붕 구조와 벽체의 단열재 변경에 따른 에너지 절감 분석

Table 7에 지붕 구조와 벽체의 단열재 변경에 따른 해석 조합을 나타내었다. Figure 4는 지붕 구조와 벽체의 단열재 변경에 따른 에너지 소비의 변화를 보여주며, 에너지 절감률은 각각 51%, 60%, 70%이다. 냉방부하 절감률은 각각 22%, 27%, 35%, 난방부하 절감률은 각각 64%, 75%, 85%로 나타났다. 2개 부위의 3가지 CASE(지붕+창호, 외벽+창호, 지붕+외벽) 중 지붕구조와 벽체의 단열재 변경 안의 절감효과가 가장 좋다. 이상의 시뮬레이션 결과로부터 지붕과 외벽의 단열성능 개선효과가 창호 구조의 변경보다 연간 건물 에너지 사용량의 절감에 크게 기여하는 것을 알 수 있었다.

Figure 4.

Energy consumption of model implementing energy-saving strategies for ceiling and walls

벽체의 단열재, 지붕 구조 및 창호 변경에 따른 에너지 절감 분석

Table 8에 벽체의 단열재, 지붕 구조 및 창호 변경에 따른 해석 조합을 나타내었다. Figure 5는 벽체의 단열재, 지붕 구조 및 창호 변경에 따른 에너지 소비량의 변화를 보여준다. 3가지 부위가 조합된 에너지 절약 방안은 에너지 절약 효과가 가장 좋지만, 에너지 절약 비율은 지붕과 외벽의 단열 방안(Figure 4)에 비해 5%~9% 높은 수준에 불과했다. 에너지 절감률은 30 mm EPS Board + 20 mm Phenolic Foam Board + 2중유리 경우(No.1) 57%로 가장 낮았으며, 70 mm EPS Board + 90 mm Phenolic Foam Board + Low-E유리 경우(No.6) 78% 로 가장 높았다.

Figure 5.

Energy consumption according to changes of for ceiling, wall and windows

Table 9에 모든 에너지 절약 방안과 그에 따른 에너지 절감률과 시공예산비용을 나타내었다. 지붕의 구조와 창호의 변경에 따른 에너지 절약은 90 mm EPS 보드와 Low-E 유리의 조합이 제일 효율적이었으며, 외벽단열재와 창호 변경에 따른 에너지 절약은 70 mm EPS 보드와 일반 이중유리의 조합이 40%의 에너지 절감 효과가 있었다. 외벽 단열재와 지붕 구조 변화에 따른 에너지 절약은 70 mm EPS 보드와 90 mm EPS 보드의 조합이 70%로 가장 뛰어났다. 3가지 부위 에너지 절약 방안 중 70 mm EPS 보드와 90 mm EPS 보드의 조합에 일반 이중유리로 교체하면 75%의 에너지를 절약할 수 있었다. 절감 효과 및 경제적 고려에 있어 최적 선택이다. 지붕과 외벽 단열재의 변경에 의한 에너지 절감 효과가 가장 좋고, 지붕의 구조와 창호의 변경에 의한 에너지 절감률은 외벽단열재와 창호의 변경에 따른 에너지 절감율과 지붕, 외벽 및 창호 3가지 부위를 모두 변경할 경우 최상의 에너지 절약 효과가 있지만, 창호를 제외한 지붕 구조와 외벽의 단열재를 변경하는 방법 또한 에너지 절감율을 고려했을 때 좋은 대안이 된다.

결 론

본 연구에서는 ｢산둥성 농촌 노후 주거건물의 에너지절약 기술지침｣에 기술된 단열재의 성능에 의거, 중국의 농촌 주거건물을 대상으로 하여 다양한 에너지 절약 방안을 제시하였다. DesignBuilder를 사용하여 21개 에너지 절약 방안을 시뮬레이션하고 건물 에너지 소비를 평가하였다. 2개 부위(지붕+창호, 외벽+창호, 지붕+외벽)의 개조방안 중에서는 지붕과 외벽의 단열성능을 개선하는 안이 효과가 가장 좋았다. 비용과 에너지 절약 효과를 고려하였을 때, 90 mm EPS + Low-E glass (Table 9, No.6),70 mm EPS + Double-glass (Table 9, No.11), 70 mm EPS + 90 mm EPS (Table 9, No.15), 70 mm EPS + 90 mm EPS + Double-glass (Table 9, No.20)의 조합이 가장 효율적이었다.

연구대상지역인 린이시가 포함된 산동성내에서도 도시에 따라 주거건물의 형태가 차이가 있다. 따라서 촌지역의 주택 에너지 절약 기술에 대한 보다 더 일반적인 평가를 하기 위해서는 산동성의 더 많은 지역의 마을에 대한 조사와 연구가 필요하다.