서 론

건축환경의 운영 및 건설은 2022년에 전 세계 에너지 및 공정 관련 이산화 탄소 배출량의 37%를 차지했다(UNEP U.E.P., 2024). 이러한 국제 규모의 조사에서는 건축 환경 운영 뿐만 아니라 환경 구축과 관련된 GHG (Green House Gas) 배출을 해결하는 것이 중요하다(O’Hegarty et al., 2024). 또한 신규 건물과 기존 건물 모두 이러한 GHG 배출 비율을 효과적으로 처리해야 한다. 이를 위한 가장 효과적인 방법 중에 하나로 건물 외피의 높은 열 관류율을 리모델링을 통해 해결하는 것이다(O’Hegarty and Kinnane, 2022). 유럽을 포함한 대부분의 국가에서는 건물의 에너지 성능 향상의 핵심 전략으로 신규 및 기존 건물의 외피에 단열성능을 향상 시키는 것을 중점을 두고 있다(Allen et al., 2022). 건물 외피에 단열재를 추가하면 난방 및 냉방의 요구 사항을 줄여 건물의 에너지 성능 인증서(EPC, Energy Performance Certificate) 등급을 향상시킨다. 건물 외피의 성능 향상을 통해 에너지성능 향상 및 재실자의 온열 환경을 향상 시키려는 노력이 세계 많은 나라에서 관찰된다(International Energy Agency (IEA) Building Envelopes, 2024). 이러한 흐름에 맞춰 국내에서도 노후된 건축물의 단열 성능 저하, 결로·곰팡이 발생 및 미세 먼지 확산등의 문제로 인하여 에너지 사용량이 증가되고 실내 온열 환경이 열악해 짐을 방지하기 위해 단열 성능과 창호 성능 등을 개선해 에너지 사용과 실내 환경을 향상시키는 노력을 다양한 국가 사업 등으로 전개하고 있다. 노후된 건축물의 에너지 효율을 높이고 거주자의 건강과 안전을 보장하기 위해 특히 단열성능 향상은 필수적이다. 단열 성능이 저하된 건축물은 열 손실이 많아 에너지 낭비가 심하며, 이는 난방비 상승과 경제적 부담을 초래하고 환경에도 부정적인 영향을 미친다(Boerenfijn et al., 2018). 단열이 부족하면 결로 현상으로 인해 습기와 곰팡이 문제가 발생하고, 이는 재실자의 건강에 심각한 위협을 가할 수 있다. 또한 공공 건축물, 특히 다중이용시설물의 경우에는 재실자가 불규칙한 활동을 하기 때문에 온도 변화에 민감하다(Abreu et al., 2020). 따라서 단열성능을 향상시키는 것은 에너지 효율을 높이고 재실자의 열 쾌적성을 제공하는 데 필수적이다.

본 연구는 다중이용시설물의 단열성능을 강화하여 건물의 에너지 효율을 높이고, 재실자의 열적 쾌적성을 제공하는 것이다. 이를 통해 에너지 소비를 줄이고 재실자의 편안함을 증진시켜 환경과 개인의 이익을 모두 충족시킬 수 있다. 선행 연구들은 건물의 단열성능이 에너지 소비에 미치는 영향을 다뤘으나, 주로 일반 건물에 초점을 맞추었으며, 다중이용시설물의 특수한 요구를 충분히 고려하지 않았다. 이러한 미비점을 해결하기 위해 다중이용시설물에 대한 추가 연구가 필요하다. 다중이용시설물의 단열과 환기 성능을 개선하여 열 손실을 줄이고 에너지 사용을 최적화함으로써 환경 보호와 경제적 이점을 제공하고 실내 공기질을 향상시켜 재실자들이 보다 쾌적하고 건강한 환경에서 생활할 수 있도록 한다. 이는 재실자들의 삶의 질을 높이고, 장기적으로 건물의 유지 관리 비용을 절감하는 효과도 있다.

측정개요

건물개요

본 연구에 사용된 건물은 다중이용시설물로 건물 단열 성능 향상하여 에너지 사용량을 절감하는 목표로 평가를 진행했다. 대상 건물의 준공시기는 2011년으로 10년 이상이 경과되었다. 연면적은 4589 m², 건축면적은 467 m²으로 지상1층의 철근 콘크리트 구조이다. 기계설비로는 난방은 EHP (Electric Heat Pump), 냉방은 싱글형 에어컨디셔너, 급탕은 전기온수기, 환기는 제3종환기와 열회수환기장치를 사용했고 각각의 경과 년 수는 10년이다. 조명은 형광등과 LED (light-emitting diode), 그리고 신재생에너지로는 태양광에너지를 사용했다. 요소 기술 자체의 평가를 위해 열회수장치와 태양광에너지는 평가에서 제외했다. Table 1은 대상 건물의 개요를 보여준다. 건물의 외피의 문제점들을 살펴보면 마감재의 드라이비트 깨짐 및 크랙 현상, 그리고 단열재의 외장재의 들뜸 및 갈라짐의 현상이 나타났고 창호 또한 개폐면적이 작아 자연환기가 어렵고 내부공간에는 교실 장판의 노후화 문제가 있었다. 마지막으로 건물의 노후화로 인한 유지관리의 어려움이 확인되었다.

시뮬레이션: ECO2-OD

ECO2-OD는 건물의 에너지 효율을 평가하고 최적화하기 위한 건물 에너지 평가 프로그램이다. 이 프로그램은 건물 설계 및 개선 단계에서 에너지 사용을 분석하고, 다양한 에너지 절감 대책의 효과를 시뮬레이션 한다. 특히 에너지 성능을 개선하기 위한 상세한 보고서를 제공하여 설계시 보다 에너지 효율적인 건물을 설계할 수 있다.

결과 및 토의

Case1: 벽체 단열재 추가

벽체 단열재는 외피에 단열재를 시공한다는 가정으로 시뮬레이션을 진행했다. 준공시점 법적기준은 열관류율 0.360 [𝑊/ 𝑚²K] 이하이고 현재 설치 되어 있는 단열재는 비드법 보호판 1종 4호로 열전도율 0.043 [𝑊/𝑚K]이다. 현 시점 법적기준은 열관류율 0.240 [𝑊/ 𝑚²K] 이하로 시뮬레이션에는 외단열재 0.019 [𝑊/𝑚K]를 추가했다. 시뮬레이션에서 입력 변수로 외단열재의 두께를 10, 20, 30,..,200 [𝑚𝑚] (U-Value)까지 변경하면 계산을 진행했다.

Figure 1는 벽체 단열재 추가에 따른 1차 에너지 소비량의 시뮬레이션 결과이다. 단열재 두께가 증가(U-Value 감소) 함에 따라 1차 에너지 소요량 [kWH/m²]도 감소했다. 30 mm 이상의 단열재를 외벽에 추가해야만 현재의 기준을 만족할 수 있었다. 하지만 단열재 두께 증가에 따른 U-Value 감소량(단열성능)은 점점 완만해지는 경향을 보였다. 또한 U-Value 감소량 기울기가 완만해짐에 따라 1차 에너지 소요량도 완만한 기울기로 감소했다. Figure 2는 벽체 단열성능(두께)에 따른 1차 에너지 사용량의 선형 회귀 결과이다. 식 (1) (R²=0.97)을 통해서 벽체 단열성능(두께)의 향상에 따른 에너지 사용량의 변화를 보여준다. 이 결과를 통해서 벽체의 외피에 단열재를 추가해서 단열성능을 향상하는 것은 일정 두께 이상에서는 그 효율이 매우 떨어지는 경향을 확인할 수 있었다. 이 식을 통해서 다중이용시설물의 설계시에 벽체 외피에 무조건 두꺼운 단열재를 설치하는 것이 아닌, 시공성 및 경제성과 단열 성능간 가장 효율적인 성능을 찾아 최적의 설계를 하는 것이 가능하다.

Figure 1.

Results of the simulation of primary energy consumption by external insulation of the wall

Figure 2.

Linear regression for primary energy usage according to the insulation (0.019 𝑊/𝑚K) thickness (mm) of the wall

Case2: 지붕 단열재 추가

대상 건물의 준공시점 법적기준은 지붕 열관류율 0.200 [𝑊/ 𝑚²K] 이하이고 현재 법적 기준은 열관류율 0.150 [𝑊/ 𝑚²K] 이하이다. 따라서 기존에 설치되어 있는 비드법 보호판 1종 4호로 열전도율 0.043 [𝑊/𝑚K]에서 단열재 0.019 [𝑊/𝑚K]를 추가했다. 시뮬레이션에서 입력 변수는 벽체와 마찬가지로 단열재의 두께를 10, 20, 30,..,200 [𝑚𝑚] (U-Value)까지 변경하면서 계산을 진행했다.

Figure 3는 지붕 단열재 추가에 따른 1차 에너지 소비량의 시뮬레이션 결과이다. 벽체와 마찬가지로 단열재 두께가 증가(U-Value 감소) 함에 따라 1차 에너지 소요량 [kWH/m²]도 감소했다. 최소 20 mm 이상의 단열재를 지붕안쪽에 추가해야 현재의 법적인 단열기준을 만족할 수 있었다. 단열재 두께 증가에 따른 U-Value 감소량(단열 성능)은 점점 완만해지는 경향이 나타났다. U-Value 감소량 기울기가 완만해짐에 따라 1차 에너지 소요량 또한 기울기가 완만하게 감소했다. Figure 4는 지붕 단열성능(두께)에 따른 1차 에너지 사용량의 선형 회귀 결과이다. 식 (2) (R²=0.99)를 통해서 지붕 단열성능(두께)의 향상에 따른 에너지 사용량의 변화를 확인했다. 지붕의 내부에 단열재를 추가해서 단열성능을 향상하는 것은 벽체와 마찬가지로 일정 두께 이상에서는 그 효율이 매우 떨어지는 경향을 확인할 수 있었다. 이 식을 통해 지붕의 설계시에 내부에 계속해서 단열재를 추가해서 단열성능을 향상시키는 것이 아닌 효율성을 기초로 한 최적 설계가 필요하다는 것을 확인했다.

Figure 3.

Results of the simulation of primary energy consumption by insulation of the roof

Figure 4.

Linear regression for primary energy usage according to the insulation (0.019 𝑊/𝑚K) thickness (mm) of the roof

Case3: 바닥 단열재 추가

바닥 단열재는 대상면 위에 직접 시공한다는 가정으로 시뮬레이션을 진행했다. 준공시점 법적기준 열관류율은 0.410 [𝑊/ 𝑚²K] 이하이고 설치 되어 있는 단열재는 비드법 보호판 1종 4호로 열전도율 0.043 [𝑊/𝑚K]이다. 현 시점 법적기준은 벽체와 같은 열관류율 0.240 [𝑊/ 𝑚²K] 이하이고 단열재 0.019 [𝑊/𝑚K]를 추가했다. 시뮬레이션에서 입력 변수로는 바닥 단열재의 두께를 10, 20, 30,..,200 [𝑚𝑚] (U-Value)까지 벽체와 천정과 마찬가지로 변경하면서 계산을 진행했다.

Figure 5는 바닥 단열재 추가에 따른 1차 에너지 소비량의 시뮬레이션 결과이다. 최소 60 mm이상의 단열재를 추가해야 현재의 기준을 만족할 수 있었다. 바닥 또한 벽체와 지붕과 마찬가지로 단열재 두께가 증가(U-Value 감소) 함에 따라 1차 에너지 소요량 [kWH/m²]도 감소했다. 하지만 단열재 두께 증가에 따른 U-Value 감소량(단열성능)은 점점 완만해지는 경향이 나타났고 U-Value 감소량 기울기가 완만해짐에 따라 1차 에너지 소요량도 완만하게 기울기가 감소했다. Figure 6는 바닥의 단열성능(두께)에 따른 1차 에너지 사용량의 선형 회귀 결과이다. 식 (3) (R²=0.98)를 통해서 바닥 단열성능(두께)의 향상에 따른 에너지 사용량의 변화를 확인할 수 있었다. 지붕의 내부에 단열재를 추가해서 단열성능을 향상하는 것은 벽체와 지붕과 마찬가지로 일정 두께 이상에서는 그 효율이 매우 떨어지는 경향을 확인할 수 있었다. Case1-3의 결과들을 통해서 벽체, 지붕, 바닥등의 건물 외피의 설계시에 계속해서 단열재를 추가해서 단열성능을 향상시키는 것이 아닌 효율성을 기초로한 최적 설계가 필요하다는 것을 확인했다.

식 (1), (2), (3)를 이용해서 외피의 설계시에 벽체와 지붕과 바닥의 단열재 추가에 따른 열 성능 변화를 참고해서 최적 설계가 가능하다. 또한 후속연구를 통해서 좀 더 신뢰성이 확보된 다양한 재료와 건물에서의 단열재 두께에 따른 열성능 변화 예측식을 개발한다면 설계시 단열재 종류와 두께 선택의 참고자료가 될 수 있다.

Figure 5.

Results of the simulation of primary energy consumption by insulation of the floor

Figure 6.

Linear regression for primary energy usage according to the insulation (0.019 𝑊/𝑚K) thickness (mm) of the floor

결 론

본 연구는 다중이용시설물의 단열 성능을 강화하여 에너지 효율을 높여 환경과 개인의 이익을 모두 충족시키는 목적으로 진행했다. 대상 건물은 2011년에 준공된 철근 콘크리트 구조로, ECO2-OD 프로그램을 통해 외벽, 지붕, 바닥의 단열재 두께에 따른 1차 에너지 소비량 변화를 분석했다. 시뮬레이션 결과, 벽체의 경우, 30 mm 이상의 단열재를 추가해야 현재의 법적 기준을 만족할 수 있었으며, 지붕은 최소 20 mm 이상, 바닥은 최소 60 mm 이상의 단열재가 필요했다. 벽체, 지붕, 바닥 모두 일정 두께 이상의 단열재를 추가하는 것은 그 효율이 매우 떨어지는 경향을 보였다. 단열성능(두께)에 따른 1차 에너지 사용량의 선형 회귀 추세식을 통해 외피의 설계시에 벽체와 지붕과 바닥의 단열재 추가에 따른 열 성능 변화를 참고해서 최적 설계가 가능하다. 또한 이를 통해 다중이용시설물의 설계 시 경제성과 시공성을 고려한 최적의 단열 성능을 찾을 수 있다.

본 결과는 시뮬레이션(ECO2-OD)을 이용한 외피의 단열성능의 최적 설계의 가능성과 함께 건물의 단열 성능 강화는 에너지 성능과 재실자의 열적 쾌감에 중요한 요소임을 확인했다. 또한 요소기술에 대한 비용과 건물의 성능을 고려한 최적 설계의 중요성을 확인했다.