서 론
연구 방법
연구 대상
해석 프로그램
기밀테스트(Blower Door Test)
시뮬레이션 및 실험 결과 분석
구조방식에 따른 열교해석 시뮬레이션
구조방식에 따른 기밀성능 측정
냉·난방에너지 요구량 시뮬레이션
차양 적용에 따른 에너지 요구량 분석
결 론
서 론
파리 기후변화협약으로 195개국은 온실가스 감축을 목표로 다양한 연구들이 진행되고 있으며 국내에서도 그린뉴딜정책이 발표되어 다양한 분야에서 온실가스를 줄이기 위해 노력 중이다(Kim, 2020). 그중 건축 분야의 이산화탄소 배출량은 전 세계 이산화탄소 배출량의 약 4분의 1에 해당하며, 감축 잠재량이 가장 크면서도 저감에 소요되는 비용은 가장 낮은 분야로 구분하고 있다(Cho and Kim, 2013). 환경부는 2030 온실가스 감축 로드맵 수정안 발표를 통해 건물 부문의 국가 온실가스 배출전망치(BAU)대비 감축률을 37.5%로 목표 설정하였고, 제로에너지 건축물 인증 의무화 대상을 확대하는 등 다양한 정책과 프로젝트를 수행하고 있다(Ministry of Environment, 2020).
2018년 1월에 스마트시티 국가시범도시로 부산 에코델타시티는 혁신기술 실험의 장으로 활용되고 있으며 그 중 스마트빌리지는 제로에너지 건축물로서 에너지 자립률 100% 및 커뮤니티 에너지 효율화 60%를 목표로 하고 있다. 스마트빌리지와 같은 제로에너지 건축물을 실현하기 위해선 패시브 기술의 적용이 요구되는데 고단열, 고기밀, 고성능 창호, 열교환환기, 열교 없는 디테일, 외부 차양 등의 요소들이 있으며 에너지 절감에 큰 도움을 줄 수 있다. 그러나 국가시범도시로 처음 구축되고 있는 스마트빌리지에 대한 패시브 기술의 표준가이드가 부진한 실정이다.
본 연구에서는 부산 에코델타시티(이하 EDC) 내 스마트빌리지 실증주택을 대상으로 PC, RC별 구조방식 차이에 따른 단열과 열교의 수준, 기밀성능 및 차양 설치 유·무로 인한 냉·난방 에너지해석을 비교 분석하여 앞으로 구축될 여러 저에너지 건축 단지를 위한 기초 데이터를 수립하고자 한다.
연구 방법
연구 대상
실험 대상인 부산 EDC 스마트빌리지는 PC구조와 RC구조 2가지 방식으로 시공되었으며, 연구를 진행한 건물의 개요는 Table 1과 같으며, Table 2는 건물 외피 구성에 대한 정보이다.
Table 1.
Busan EDC smart village overview
Table 2.
Material properties
D, C타입은 PC구조로, 건물 한 채에 한 세대가 거주하는 형태고, BAA, AAB타입은 RC구조로, 건물 한 채에 세 세대가 거주하는 형태다. RC구조가 세대 수가 많기 때문에 PC구조보다 연면적, 건축면적, 창면적비 등이 크다. PC구조와 RC구조의 특징은 다음과 같다.
PC구조는 프리캐스트 외단열 콘크리트 벽체로 단열재를 단열 커넥터를 사용하여 프리캐스트 콘크리트 패널에 고정해서 생산하는 방식이다. 이 구조는 프리캐스트 콘크리트 패널이 단열재를 오염, 충격, 화재 등으로부터 보호해주고, 현장 작업을 최소화하여 공사 기간을 효과적으로 단축하기 때문에 차세대 건축방식으로 선호되고 있다.
RC구조는 현장에서 거푸집 작업을 진행하여 콘크리트를 타설하는 방식이다. 날씨에 대한 제약이 있고, 전반적으로 공사비와 공기가 더 많이 소요된다는 단점이 있지만 PC구조의 숙련도가 대중적이지 않기 때문에 국내시장에선 RC구조가 선호되고 있다. 하지만, 점차 PC구조 현장도 늘고 있다.
실증 대상인 부산 EDC 스마트빌리지는 상기의 두 가지 구조로 준공되었으며, 유형별로 1개소씩 총 4곳을 대상으로 에너지 분석을 진행하였다.
해석 프로그램
에너지 요구량은 쾌적한 실내공간을 유지하기 위해 건물이 요구하는 에너지량이다. 이는 설비의 효율을 제외한 상태에서 건축물 자체의 에너지성능을 의미한다. 건물의 에너지요구량 해석을 위해 ISO 13790 기반으로 만들어진 Energy# 프로그램을 사용하였다.
열교는 단열이 끊기거나 취약한 부위에서 구조체를 통해 외부의 열이 실내로 들어오거나 실내의 열이 외부로 빠져나가는 것을 말한다. 이러한 열교를 해결하지 못할 경우, 건물 전체를 고성능의 단열재로 시공하더라도 그에 상응하는 단열효과를 보기 어렵고 열교가 발생하는 부분의 구조체 온도가 노점온도 이하로 떨어지면 이는 곧 결로나 곰팡이와 같은 하자로 나타나게 된다(Lee and Kim, 2019). 건축적 하자 발생에 영향을 미치는 열교값 도출을 위해 EN ISO 10211 및 EN ISO 10077-2의 기준에 준하여 2차원 전열해석이 가능한 HEAT2 프로그램을 이용하였다.
기밀테스트(Blower Door Test)
기밀성능 측정을 위해 EN 13829:2001에서 제시하는 Method A를 준용하여 블로어도어 가압 및 감압법을 수행했다. 측정 장비는 블로어도어 팬(Model 3 220 V, Energy Conservatory), 블로어도어 프레임, 팬 속도 조절기, 압력 및 팬 풍량 측정기 등을 이용하였다. 측정은 타입별로 현관문에 블로어도어를 설치 후 실내·외 압력차 35~70 Pa 범위에서 5 Pa의 간격으로 하였으며, 이 때 계산된 ACH50[]을 결과 값으로 활용하였다.
시뮬레이션 및 실험 결과 분석
구조방식에 따른 열교해석 시뮬레이션
HEAT2 프로그램을 통해 구조별로 열교가 발생할 것으로 예상되는 부위의 열교값을 도출하였다. 아래 Tables 3, 4는 각각 PC구조와 RC구조에서 열교가 발생하는 부위의 열교값을 나타낸 표이다.
Table 3.
PC structure thermal bridge value (W/mK)
| Foundation | Ceiling terrace in parking lot | Terrace on the 3rd floor |
 |  |  |
| 0.442 | 0.508 | -0.026 |
| High parapet | Low parapet | - |
 |  | - |
| 0.214 | 0.138 | - |
Table 3 분석 결과는 아래와 같다.
‧기초부위는 열교가 발생하는 면적이 넓어 추후 기초와 외벽의 접합부에 열교차단재를 적용하면 현재보다 에너지를 절감할 수 있을 것으로 판단된다.
‧주차장 상부 테라스는 테라스 슬라브의 단열이 끊겨 열교가 발생하지만, 결로점이 실내에 형성되지 않으므로 결로나 곰팡이와 같은 건축적 하자가 발생하지 않는 것으로 분석되었다.
‧3층 테라스는 끊김 없는 외단열로 열교가 발생하지 않는 것으로 분석됐다.
앞의 전열해석을 토대로 열교부위에서 발생하는 총 손실열량을 계산하였다. 그 결과 D 타입은 총 24.56 W/K, C 타입은 총 25.72 W/K이다. 열교가 발생하는 부위의 열교값은 유사하지만 C 타입 건축물의 열교 부위가 더 길어 C 타입이 D 타입에 비해 열교에 의한 손실열량이 약 4.7% 더 크게 발생한 것으로 보인다.
Table 4는 부산EDC의 RC구조의 열교 발생 부위인 기초부위, B 타입 데크, 2층 외부테라스, 주차장 외기노출, 주차장 접합부, 3층테라스 지붕 접합부, 3층 테라스 돌출부위, 높은 파라펫, 낮은 파라펫에 대한 전열해석 표로, 분석 결과는 아래와 같다.
Table 4.
RC structure thermal bridge value (W/mK)
‧RC구조의 기초부위는 PC구조와 마찬가지로 기초와 외벽의 접합부에 열교차단재를 적용하면 열교를 방지할 수 있을 것으로 판단된다.
‧B 타입 데크는 실내표면에 결로점이 형성되지 않지만, 가구를 배치할 경우 결로점이 형성되어 건축적 하자가 발생할 확률이 높다. 따라서 가구, 붙박이장 등에 대한 고려 혹은 데크의 외단열 보강을 통해 방지할 수 있을 것으로 판단된다.
‧2층 외부테라스는 PC 구조의 3층 테라스 부위와 마찬가지로 단열의 끊김이 없어 이 부위에서는 열교가 발생하지 않는 것으로 분석됐다.
‧주차장 외기노출 부위는 내부 모서리 부분에 대한 개선을 통해 열교를 차단할 수 있을 것으로 분석됐다.
‧주차장 접합부는 외단열이 끊김 없이 시공되어 열교가 발생하지 않는다.
‧3층 테라스 돌출부위는 끊김 없는 외단열로 열교가 적게 발생하며 결로점이 발생하는 곳이 실외이기 때문에 하자가 발생할 확률도 적은 것으로 분석됐다.
전열해석을 바탕으로 열교값과 열교가 발생하는 부위의 길이에 따른 총 손실열량을계산하였다. AAB 타입은 81.74 W/K, BAA 타입은 80.60 W/K이다. 발생 부위는 BAA 타입에서 3층 테라스 돌출부위가 추가로 발생했기 때문에, 열전달계수는 AAB 타입이 BAA 타입보다 약 1.4% 더 높게 나왔으며, 두 타입의 열교에 의한 총 손실열량은 유사한 것을 확인하였다.
열교가 발생하는 부위 중 PC와 RC에서 공통되는 부위는 기초, 높은 파라펫, 낮은 파라펫이다. 해당 부위의 단위길이당 열교값의 차이는 기초는 0.070 W/mK, 높은 파라펫은 0.027 W/mK, 낮은 파라펫은 0.016 W/mK이다. 이는 무시할 수 있는 열교값인 0.01보다 크나 그 차이가 구조방식에 따른 결과로 볼 만큼 유의미하지는 않은 것으로 보인다.
구조별 열교로 인한 총 손실열량 평균값은 PC구조와 RC구조 각각 25.14 W/K, 81.17 W/K으로, RC구조가 PC구조의 약 3배의 값을 가진다. 이는 PC구조와 RC구조 건물의 규모의 차이에 따라 발생하는 것으로 판단되었다. 따라서 두 구조의 열교로 인한 손실량 비교를 위해 열전달계수를 연면적으로 나누어 단위 면적당 손실량을 계산하였다. 계산된 값은 Table 5와 같다. 구조별 평균값의 차이는 0.035 W/㎡K로 그 차이가 크지 않은 것으로 나타났다.
Table 5.
Thermal bridge value per unit area
| Construction | Type | Thermal bridge value / Conditioned area (W/㎡K) | Average (W/㎡K) |
| PC | D | 0.158 | 0.178 |
| C | 0.198 | ||
| RC | BAA | 0.211 | 0.213 |
| AAB | 0.214 |
구조방식에 따른 기밀성능 측정
대상지 준공 이후 최종 기밀테스트를 수행하였으며 실험 관련 사진은 Figure 1과 같다.
동별로 기밀테스트를 수행하여 얻은 결과는 Table 6과 같다. 기밀테스트 결과, PC구조는 0.65~1.55 (h-1), RC구조는 0.63~1.28 (h-1) 값이 나왔으며, 평균값은 PC구조가 1.09 (h-1), RC구조가 0.93 (h-1)로 나타났다. 이는 한국패시브건축협회 인증기준인 1.0 ACH50 이하를 만족하는 비율은 PC구조가 46%, RC구조가 50%이다(Passive House Institute Korea, 2020). 또한, 모든 건물은 한국건축친환경설비학회의 ‘건축물의 기밀성능 기준’에서 제로에너지건물 수준인 1.5 ACH50 이하를 만족한다(KIAEBS C-1:2013, 2013).
Table 6.
Airtightness measurement result (ACH50)
냉·난방에너지 요구량 시뮬레이션
외피를 구성하는 외벽, 지붕, 바닥의 구성은 부산 EDC 각 타입에 적용된 열관류율 값을 반영하였다. 열교는 ‘구조방식에 따른 열교해석 시뮬레이션’에서 구조별로 계산된 값을, 창호의 열관류율은 0.775 W/㎡K, g-value는 0.348로 전 타입에 공통으로 적용하였다. 기밀성능은 ‘구조방식에 따른 기밀성능 측정’에서 구조별로 측정된 기밀도를 평균한 값을 사용하였다. 시뮬레이션은 부산 기후데이터를 활용하였으며, 실내온도 20℃를 유지하는 것으로 가정하고 진행하였다. Table 7은 PC구조와 RC구조의 시뮬레이션에 적용된 값과 해석된 냉·난방에너지 요구량을 정리한 표이다.
Table 7.
Energy performance and simulation condition
PC구조인 D와 C 타입의 난방에너지 요구량은 각 19.61 kWh/㎡a와 22.12 kWh/㎡a, 냉방에너지 요구량은 31.17 kWh/㎡a와 34.21 kWh/㎡a가 산출되었다. D 타입과 C 타입을 비교하면 냉·난방에너지 요구량이 차이가 나는데 이는 전체 열손실과 열획득량은 유사하게 나타났으나 유효실내면적이 D 타입이 더 크기 때문으로 판단된다. 따라서 단위면적당 냉·난방에너지 요구량이 D 타입이 C 타입보다 적게 나타났다. 그러나 그 차이는 미미하다.
RC구조인 BAA와 ABB 타입의 난방에너지 요구량은 각 21.11 Wh/㎡a와 21.98 kWh/㎡a, 냉방에너지 요구량은 29.36 kWh/㎡a와 27.88 kWh/㎡a가 산출되었다. BAA 타입과 AAB 타입은 PC구조와 마찬가지로 냉·난방에너지 요구량의 차이가 발생한다. AAB 타입이 남측 면으로 계획되어 있는 창의 면적이 약 26% 더 넓다. 창을 통한 일사 획득량이 BAA타입이 더 많으므로 난방에너지 측면에서는 BAA 타입이 더 우수하고 냉방에너지 측면에서는 AAB 타입이 더 우수한 것으로 판단되나, 그 차이는 유의미하지 않은 수치다.
차양 적용에 따른 에너지 요구량 분석
차양은 창을 통해 들어오는 직달일사를 막아주어 태양복사에너지의 유입을 감소시키므로 건물의 에너지성능 저감에 영향을 미치는 주요 요소이다. 그러나 대상지에는 차양이 적용되지 않았기 때문에, 난방에너지요구량에 비해 냉방에너지요구량이 높게 나타났다. 추가로 감소시킬 수 있는 에너지요구량을 확인하고자 북향을 제외한 모든 창에 차양장치를 적용하는 것을 가정하여 시뮬레이션을 수행했다.
보편적인 외부 차양은 내부 차양보다 약 4배 정도 일사 차단에 효과적이고 약 80%의 일사를 차단한다(Lechner, 2014). 본 연구에서는 차양에 따른 에너지 분석을 위해 B사의 외부 베네시안 블라인드 제품을 사용하였다. 차양장치는 유리를 다 커버할 수 있는 폭, 단열재 손상이 없는 수준의 깊이로 설치한 것으로 가정하였다. 외부 차양은 냉방기간에만 적용되는 것으로 가정하였으며, 해당 제품의 일사 차단 비율 85%를 적용하여 에너지 해석을 수행하였다. 이를 통해 차양 장치 적용을 통한 대상지의 에너지 요구량 저감율에 대해 파악하고자 하였다. Figures 2, 3, 4, 5은 타입별 차양 적용 전과 후 건물이 획득하는 열과 손실하는 열, 현열에너지, 제습에너지 등을 나타낸 그래프이다.
계절적 특성에 따라 우리나라는 6~9월까지 이 기간이 냉방에너지를 필요로 하는 계절로, 이 시기에 건물이 창호를 통해 획득하는 열은 차양 전보다 후에 평균 69.1%, 현열에너지 요구량은 평균 50.54%, 냉방에너지 요구량은 차양 설치 후에 PC구조가 평균 29.4% 감소하였다.
Figure 6은 타입별 차양 적용 전과 후 난방에너지 요구량, 냉방에너지 요구량, 총 에너지 요구량을 나타낸 그래프다. 외부 차양장치 적용에 따른 냉방에너지 요구량은 모든 타입이 20% 이상 감소되는 결과가 나왔기 때문에 차양 설치를 통해 효율적으로 냉방부하를 줄일 수 있을 것으로 분석됐다.
부산 EDC 스마트빌리지는 기존 대비 차양 적용 후 D 타입은 19.9%, C 타입은 20.8%, AAB 타입은 16.1%, BAA 타입은 13.3%의 총 냉·난방에너지 요구량이 저감되었다. 전반적으로 냉·난방에너지 요구량은 구조방식보다 차양과 같은 패시브 기술 요소에 따른 영향이 큰 것으로 나타났다.
결 론
본 논문은 부산EDC 스마트빌리지를 대상으로 에너지 분석을 통해 다음 저에너지 건축 단지 구축에 필요한 데이터를 수집하고자 하였다. 본 연구 수행 결과는 다음과 같다.
(1)단위면적당 열교로 인한 손실열량을 비교한 결과, PC구조가 평균 0.178 W㎡/K, RC구조가 평균 0.213 W/㎡K으로 나타났다. 이는 열교차단재를 적용하지 않은 결과로, 차후 스마트빌리지에 열교차단재를 적용하면 건물의 에너지성능을 현재보다 더 개선할 수 있을 것으로 판단된다.
(2)기밀도 값은 PC구조가 평균 1.09회(ACH50), RC구조는 평균 0.93회(ACH50)이다. RC구조가 PC구조보다 기밀성능이 우수한 것으로 확인되나, 두 구조 모두 한국건축친환경설비학회 건축물의 기밀성능 기준에서 제로에너지건축물의 기밀성능 수준인 1.5회(ACH50) 이하이다. 따라서 스마트 빌리지의 PC, RC구조 모두 저에너지 건축물의 기밀성능을 구현할 수 있는 것으로 판단된다.
(3)에너지 시뮬레이션으로 산출된 연간 냉·난방에너지 요구량의 평균은 PC구조가 53.56 kWh/㎡, RC구조가 50.17 kWh/㎡로, PC구조가 RC구조보다 약 6.8% 높은 것으로 나타났다. 총 에너지 측면에서는 RC구조가 우수하나, 그 차이는 미미하며 두 구조 모두 건물의 에너지성능 측면에서 우수한 것으로 나타났다.
(4)부산 EDC 스마트빌리지의 4가지 타입에 대해 차양을 적용하였을 때, PC구조와 RC구조 모두 냉방에너지가 20% 이상 감소하는 결과가 나타났다. 이를 통해 구조방식에 따른 영향은 유의미하지 않을 정도이며 패시브 기술 요소가 건물의 에너지에 미치는 영향이 큰 것으로 나타났다.
PC구조가 RC구조 대비 기밀도 및 냉·난방에너지 요구량이 높은 것으로 확인되었으나 그 차이가 크지 않다. 또한, 난방에너지 측면에서는 오히려 PC구조가 유리한 것으로 분석되어 PC구조도 저에너지 건축물로서의 품질 확보가 가능한 것을 확인할 수 있다. PC구조의 기술과 패시브 요소의 결합을 통해 향후 제로에너지 건축물 시장이 활성화가 가능해질 것으로 판단된다.
본 연구는 신재생에너지와 같은 액티브 기술을 제외하고 패시브 기술만 포함했다는 한계가 있다. 추후 연구에서는, 패시브 기술을 기반으로 액티브 기술을 추가 적용함으로써 실제와 가까운 에너지성능 결과를 얻는 과정이 필요하며, 이를 통해 저에너지 건축물에 대한 제로에너지 건축물 표준가이드를 작성하는데 기여할 수 있을 것이다.
