서 론
이론적 고찰
국내 공동주택 단열기준
국내 공동주택 결로방지 성능기준
분석 개요
시뮬레이션 프로그램 및 분석 조건
분석 대상 공동주택
온도 분포 및 열손실량 분석 결과
시뮬레이션 해석 조건
단위세대 모델링
온도 분포 및 열손실량 분석 결과
결 론
서 론
국내 주거 건축물은 건축법 상 단독주택과 공동주택으로 분류된다. 단독주택군은 단독주택, 다중주택, 다가구주택이 해당되고, 공동주택군은 아파트, 연립주택, 다세대주택이 포함된다. Figure 1과 같이 ‘2019년 주거용 건물 에너지사용량 통계’에 의하면 전국의 주거용 건축물은 총 3,614,429동이며 이 중 단독주택군이 3,177,501동으로 88%의 비중을 차지하고 있다. 연면적은 총 1,738,444,798 ㎡로 이 중 공동주택군이 73%의 비중을 차지하고 있다. 에너지사용량 측면에서는 총 19,359,180TOE 중 공동주택군이 71%를 차지하고 있고, 이 중 아파트가 11,335,519TOE로 전체의 59%로 가장 큰 비중을 차지하고 있다(MOLIT, 2019a). 이에 따라 주거 건축물 중 아파트의 에너지 절약이 절실히 요구된다.
기존 연구는 2차원 및 3차원 열전달 해석 프로그램을 활용하여 건물 내 일부 구조체 단면에서 발생하는 열교 및 결로에 대한 해석만을 수행해왔다(Kim et al., 2012; Lee et al., 2014; Chu et al., 2014; Lee et al., 2015; Min et al., 2019). 이에 따라 본 연구는 공동주택 중 아파트를 대상으로 일부 구조체가 아닌 1개 세대 전체를 모델링하여 단열 조건에 따른 온도 분포 및 열손실량 변화를 분석하였다.
이론적 고찰
국내 공동주택 단열기준
1980년 국토교통부 ‘건축법 시행규칙’이 발효됨에 따라 단열재의 두께기준이 신설되었다. 당시 기준은 지역이 별도로 구분되지 않았고, 건축 부위별 열관류율 성능 만족 또는 단열재 종류별 두께 기준을 만족하도록 고시하였다. 1984년부터 제주도 이외와 제주도로 지역이 구분되기 시작하여 1987년부터는 중부, 남부, 제주도 지역으로 구분하여 지역별 단열기준을 고시하였다. 1992년 ‘건축물의 설비기준 등에 관한 규칙’이 신설되어 ‘건축법 시행규칙’과 동일한 기준의 단열성능을 2001년 ‘건축물의 에너지절약 설계기준’ 신설 전까지 유지해왔다. 2001년 ‘건축물의 에너지절약 설계기준’이 신설되어 단열재 등급 분류 및 지역별로 단열재 등급별 허용 두께를 건축 부위별 외기에 면한 조건에 따라 세부적으로 고시하기 시작했다. 해를 거듭함에 따라 단열 기준은 점차 강화되었고, 2018년부터는 중부1지역, 중부2지역, 남부지역, 제주도로 분류되어 지역별 단열기준을 고시하고 있다. 현재 거의 모든 공동주택은 ‘에너지절약형 친환경주택의 건설기준’을 따르고 있고 이는 ‘건축물의 에너지절약 설계기준’보다 일부 상향된 단열기준을 나타낸다. Table 1은 현재 시행되고 있는 ‘건축물의 에너지절약 설계기준’과 ‘에너지절약형 친환경주택의 건설기준’ 중부2지역의 건축 부위별 단열성능을 비교한 것이다(MOLIT, 2018; MOLIT, 2019b).
Table 1.
Comparison of thermal transmittance by insulation criteria (W/㎡K)
국내 공동주택 결로방지 성능기준
공동주택에서 발생하는 주요 하자인 결로는 거주자의 건강에 악영향을 미치고 마감재를 훼손시킬 우려가 있다. 이에 따라 국토교통부는 ‘공동주택 결로 방지를 위한 설계기준’을 고시하여 지역 및 건축 부위별로 온도차이비율(TDR; Temperature Difference Ratio) 이하의 성능을 만족하도록 규제하고 있다. 지역은 지역Ⅰ, 지역Ⅱ, 지역Ⅲ으로 구분하여 최한월인 1월의 월평균 일 최저 외기온도를 기준으로 하여, 각 –20℃, –15℃, –10℃로 구분한다(MOLIT, 2016). Table 2는 지역별 TDR 기준을 나타낸 것이다.
Table 2.
Regional TDR criteria
분석 개요
시뮬레이션 프로그램 및 분석 조건
본 연구의 열손실량 해석 프로그램은 벨기에 P사에서 개발한 정상상태 조건 3차원 열전달해석 프로그램인 TRISCO RADCON Module 14.0 w을 활용하였다(EN ISO 6946, 2007; EN ISO 10456, 2015). 열전달 해석을 위해 적용된 건축재료 물성 정보는 Table 3과 같다. 해석 조건은 ‘공동주택 결로 방지를 위한 설계기준’에 따라 실내온도는 25℃, 실외온도는 지역Ⅱ 기준인 –15℃로 설정하였고, 표면열전달률은 실내 9.09 W/㎡K, 실외 23.25 W/㎡K로 설정하였다.
Table 3.
Characteristics of heat transfer analysis program
| Thermal conductance [W/mK] | |
| Concrete | 1.600 |
| Cellular concrete | 1.300 |
| Mortal | 1.400 |
| Designated insulation | 0.020 |
| XPS | 0.028 |
| EPS | 0.032 |
| Pocelain tile / Terrazzo tile | 1.800 |
| PVC | 0.170 |
| Wood | 0.160 |
| Steel | 50.000 |
분석 대상 공동주택
분석 대상 공동주택의 개요는 Table 4와 같고, 서울시 강동구 고덕동에 있는 SH공사에서 발주한 제로에너지 아파트 기본설계 기술제안 프로젝트로 에너지 자립과 에너지 복지를 실현하고 거버넌스를 통한 공동체 단지를 확산하기 위하여 미래지향적 에너지제로 주거단지 계획을 기본방향으로 하여 새로운 주거공간을 조성하는데 그 목적이 있다. 본 프로젝트는 냉방을 포함한 단위면적당 1차에너지소요량 70 kWh/㎡‧yr 미만으로 건축물에너지효율등급 1++등급 이상, 제로에너지건축물인증 4등급(에너지자립률 50%) 이상 계획하도록 되어있다.
Table 4.
Overview of architecture
본 기술제안 프로젝트는 일조환경을 고려한 단지 배치계획으로 주동의 최적화, 합리적인 외단열 계획 및 고성능 복합단열시스템 계획으로 단위세대 열손실량 저감 및 결로방지, 창호 및 벽체 접합부 기밀테이프 적용으로 단위세대 침기횟수 1.0회/h 이하 계획, 열원설비 효율 향상, 배관길이 최적화, 조명밀도 최적화, 고효율 태양광 모듈 적용, 지열시스템 최적화를 통해 건축물에너지효율 1+++등급, 국내 최초 제로에너지건축물 3등급 주거 단지 실현을 위한 기술을 Figure 2와 같이 제안한 바 있다.
분석 단위 세대는 49 ㎡ Type 1세대를 대상으로 하였다. 복도가 개방된 구조로 외기에 직접 노출된 상태로 되어 있는 복도식 공동주택으로 일반적인 아파트와 같이 내단열 적용에 대한 단열 계획은 Figure 3과 같고, 열전도율 0.020 W/mK의 지정단열재 200 ㎜를 적용하였다. 내단열로 벽체-슬래브간 단열이 연속되지 않는 구조로 되어 있다.
단계별 개선을 위해 첫 번째로 외단열 적용에 대한 단열 계획은 Figure 4와 같고, 복도식의 공동주택으로 지정단열재 200 ㎜가 적용되었다. 외단열이지만 세대와 복도가 연결된 슬래브 부위는 단열이 끊김으로 열교가 발생하는 구조로 되어 있다. 또한 결로방지 단열재의 누락으로 결로 발생 위험이 높을 것으로 판단된다. 공동주택에 적용되는 외단열 시스템은 골조 공사 이후 별도의 가설시스템을 구축하여 단열재를 부착하는 공사를 진행해야 함으로 내단열 시스템에 비해 공사기간 및 공사비의 증가 문제가 있다. 또한 장기적으로 접착강도 확보가 어려워 마감재의 이탈현상이 발생하게 된다(Junlong, 2016).
두 번째 단계로 외단열을 유지하는 방안으로 시공성 향상과 외단열 시스템의 문제를 완화하기 위해 기존 지정단열재 200 ㎜에서 120 ㎜로 축소하여 경량화하는 대신 Figure 5와 같이 천장 결로방지 단열재 적용, 세대 내단열로 지정단열재 80 ㎜ 보강하였다.
복도가 여전히 개방되어 있어 세대와 복도간 슬래브에서 열교 발생이 우려됨에 따라 최종 제안 모델로 Figure 6과 같이 개방되어 있던 복도 공간은 외기에 간접적으로 면하도록 계획하여 열적 완충공간을 조성하고, 복도 외부로 단열재를 감싸는 형식으로 개선하여 세대-복도간 슬래브에서 발생하는 열교를 차단하고자 하였다.
온도 분포 및 열손실량 분석 결과
시뮬레이션 해석 조건
본 연구에서 수립한 모델 내 공간들은 Table 5와 같이 TRISCO에 내장되어 있는 경계조건들로 설정하였다.
Table 5.
Set boundary condition
TRISCO 내에서 열전달 해석을 위한 각 공식들은 식 (1)~(5)와 같다. 식 (1)은 대류 및 복사 열전달이 결합된 공식으로 BC_SIMPL에 적용되며, Q는 대류와 복사에 의해 발생하는 전체 열류량(W), h는 대류와 복사를 고려한 열전달계수(W/㎡K), θs는 표면온도(℃), θbc는 공기온도(℃), A는 표면 면적(㎡)을 나타낸다.
식 (2)는 대류 열전달 공식으로 BC_FREE에 적용되며, Qc는 대류에 의해 발생하는 열류량, h는 대류 열전달계수(W/㎡K), θs는 표면온도(℃), θa는 공기온도(℃), A는 표면 면적(㎡)을 나타낸다.
식 (3)은 두 개의 흑체 표면 사이에서 발생하는 복사에너지 공식으로 BC_FREE에 적용되며, Qij는 흑체 표면 i와 흑체 표면 j사이에서 발생하는 복사 열류량(W), Ai는 표면 i의 면적(㎡), Fij는 표면 i로부터 표면 j로의 각 관계(view factor), hrb는 흑체 복사 열전달계수(W/㎡K), θsbi는 흑체 표면 i의 온도(℃), θsbj는 흑체 표면 j의 온도(℃)를 나타낸다.
식 (4)는 완전한 흑체(방사율 ε=1)가 존재하지 않고 실제 회색체 표면(방사율 ε<1)인 점을 고려하여 주어진 방사율을 가진 실제 표면과 해당 흑체 표면 사이의 복사 열류량을 나타낸 공식으로 BC_FREE에 적용된다. Qr은 흑체 표면과 흑체 표면과 실제 회색체 표면 사이에서 발생하는 복사 열류량(W), A는 표면 면적(㎡), ε은 표면 방사율, hrb는 흑체 복사 열전달계수(W/㎡K), θsb는 흑체 표면온도(℃), θs는 회색체 표면 온도(℃)를 나타낸다.
단위세대 모델링
각 조건별 온도 분포 및 열손실량 분석을 위해 TRISCO RADCON Module을 활용하여 단위세대를 모델링한 결과는 Figure 7과 같다.
온도 분포 및 열손실량 분석 결과
Figure 8은 각 모델별 단면으로 단열조건과 복도 공간의 조건에 따라 온도분포를 나타낸 것이고, 단위 세대 온도 분석 위치는 Figure 9 및 Table 6과 같이 총 3개소로 복도측에 면한 침실 벽체 우각부(A), 거실벽체-발코니벽체-세대간벽의 우각부(B), 침실벽체-세대간벽의 우각부(C)를 비교하였다. A지점의 경우, 내단열이 적용된 일반아파트보다 외단열 적용안의 온도는 2.31℃, 내단열+외단열 적용안의 온도는 0.37℃ 낮게 분석되었다. 이는 복도가 개방된 공간으로 외기와 같은 조건이기 때문에 내단열 적용안, 외단열 적용안, 내단열+외단열 적용안 모두 슬래브를 통해 발생하는 열교의 영향도 있지만, 내단열 적용안의 경우 단열재가 현관문보다 세대 내측에 위치하고 있어 열교의 영향이 비교적 적고, 외단열 적용안의 경우 단열재가 현관문보다 세대 외측에 위치하고 있어 비교적 열교의 영향이 큼으로 이와 같은 온도 분포가 나온 것으로 판단된다. 내단열+외단열을 적용함과 복도를 열적 완충공간으로 조성하고 복도 외부로 단열 계획하여 슬래브를 통해 발생하는 열교를 차단한 개선안의 경우에는 내단열 적용안 대비 2.44℃, 외단열 적용안 대비 4.75℃, 내단열+외단열 적용안 대비 2.81℃ 개선됨을 보였다. B지점의 경우, 벽체-슬래브간 단열이 연속되지 않는 내단열 적용안이 20.63℃로 가장 낮게 나타났고, 외단열 적용안, 내단열+외단열 적용안, 개선안은 각각 21.75℃, 21.73℃, 21.79℃로 비슷한 온도 분포를 나타냈다. C지점의 경우, 내단열 적용안이 17.53℃로 가장 낮게 나타났고, 외단열 적용안이 24.52℃로 가장 크게 나타났다. 외단열 적용안에 비해 내단열+외단열 적용안과 개선안이 온도분포가 각각 23.88℃, 23.91℃로 더 낮게 나온 것은 외단열로 적용된 부위의 단열재 두께 차이로 인한 결과로 판단된다.
Table 6.
Temperature comparison results by insulation
Table 7과 같이 복도의 온도는 내단열이 적용된 일반아파트와 외단열 계획안, 내단열+외단열 계획안은 개방되어 있어 실외 조건과 동일한 –15℃이고, 최종 개선안의 상부 세대 복도 온도는 6.6℃, 하부 세대 복도 온도는 5.1℃로 분석되었다. 발코니의 온도 비교 결과, 내단열 계획안의 상부 세대 발코니 온도는 10.28℃, 하부 세대 발코니 온도는 9.86℃, 외단열 계획안의 상부 세대 발코니 온도는 13.27℃, 하부 세대 발코니 온도는 13.04℃, 내단열+외단열 계획안의 상부 세대 발코니 온도는 12.94℃, 하부 세대 발코니 온도 12.69℃, 최종 개선안의 상부 세대 발코니 온도는 12.79℃, 하부 세대 발코니 온도는 12.52℃로 분석되어 내단열이 계획된 일반아파트 대비 최소 2.5℃ 이상 개선됨을 나타냈다.
Table 7.
Results of corridor and balcony temperature comparison by insulation plan
본 연구에서 활용한 TRISCO RADCON Module은 계산이 완료되면 결과 창에서 열손실량을 확인할 수 있다. 실내 및 실외 온도 조건만 설정하고 PD공간 및 발코니 공간은 온도 조건을 두지 않는 BC_FREE로 설정함에 따라 실내에서 실외로 흐르는 열류량을 확인하였다. 열손실량 분석 결과는 Figure 10과 같고, 내단열이 적용된 일반아파트 대비 외단열 계획안은 19.6% 저감, 내단열+외단열 계획안은 20.8%, 최종 개선안은 44.9% 저감 효과를 보였고, 외단열 계획안 대비 개선안은 31.5%만큼 열손실량 저감 효과를 보였다.
결 론
본 연구는 주거건축물 중 아파트의 에너지사용량이 가장 높음에 따라 에너지절약을 위해 단열조건별로 온도 개선 및 열손실량 저감 효과를 비교 분석한 결과는 다음과 같다.
(1)실내 지점별 온도를 비교한 결과, 내단열 계획안과 개선안에서 표면온도 개선 이 가장 큰 지점은 외기와 직접 면해있는 침실 우각부(C)에서 6.38℃만큼 개선되었다.
(2)발코니 공간의 온도는 내단열이 적용된 일반아파트 대비 개선안이 열교를 차단함에 따라 최소 2.5℃ 이상 개선되었다.
(3)최종 개선안의 열손실량은 내단열이 적용된 일반아파트 대비 44.9% 저감, 외단열 계획안 대비 31%만큼 저감됨을 나타냈다. 내단열이 적용된 일반아파트와 외단열이 적용되었지만 세대와 복도간 슬래브의 단열이 연속되지 않는 외단열 계획안 및 내단열+외단열 계획안 대비 복도를 열적 완충공간으로 조성한 개선안에서의 열손실량 개선효과가 큰 것으로 나타났다.
제로에너지건축물 로드맵에 따라 2025년부터는 30세대 이상의 공동주택에서도 제로에너지가 의무화된다. 현재 공동주택에는 공사기간, 공사비, 접착강도 확보 등의 문제로 외단열 공법 적용에는 한계가 있는데 향후에는 이를 개선하기 위한 연구가 활발해져야 할 것으로 보이며 실질적인 제로에너지건축물 구현을 위해서는 이미 법적 수준이 최대치인 단열성능의 향상 보다는 열교 측면에서 비중을 크게 두어 고려해야 할 것으로 사료된다. 향후 연구는 동일 평면 세대에 대해 실측을 통해 실질적인 개선효과를 보고자 한다.
