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문제 정의
- 특히 단독주택을 대상으로한 제로에너지 솔라하우스(ZeSH)와 달리 고층 공동주택의 경우는 외기와 접촉하는 외피의 면적 및 창면적비, 세대별 위치 및 동의 형상, 발코니 유무 등이 단독주택과는 매우 상이하기 때문에 ZeSH에서 도출된 결과 및 제로에너지화를 위한 접근 방법 자체에 많이 차이가 있다. 따라서 본 고에서는 단독주택을 대상으로 한 ZeSH의 각종 적용기술별 CQ 절감량 평가 사례와, 고층 공동주택을 대상으로 각종 관련기술을 적용했을 경우의 CO2 절감평가사례에 대해 구분하여 예시하였다.
- 이를 위해 기존 주택과 비교하여 열부하의 70%를 자립하기 위한 제로에너지 솔라하우스 (ZeSH)의 1단계 시범주택 건립을 위해 을 위해 앞서 연재에서 기술한 접근방법에 기준하여 건축 기본설계 단계부터 설계사무소와 연구소, 대학 등 3개 기관의 협 력 하에 'KIER ZeSH f 란 이름으로 설계 및 시공과 사후 검증실험이 수행된바 있다. 이번 호의 연재에서는 제로에너지 솔라하우스의 접근방법 및 실현가능성을 보다 현실적으로 예시하기 위해 이에 대한 수행 결과를 소개하기로 한다.
가설 설정
- 3회에 해당하게 조치하며, 발코니가 있는 상태로 거실 및 발코니창 모두 투명 복층창으로 적용한 경우이다. 비교 대상인 기존아파트 기준세대(BASECASE)의 경우는 50inm 외피단열에, 환기회수 0.7회, 발코니가 있는 상태의 거실 및 발코니창 모두 투명 복층창을 적용한 경우를 기준상태로 가정하였다.
제안 방법
- 1층 침실은 자연형 태양열 시스템(Passive Solar System) 중 트롬 월(Trombe Wall) 축열벽 시스템이 적용되었으며, 거실부는 바닥 축열 직접획득방식(Direct Gain System)을 적용하였다. 또한 남측 면 진입부는 일종의 온실개념을 도입하였으며, 천창을 통한 자연채광 기술도 적용되었다.
- 건물 외벽의 경우 앞서 기술한 바와 같이 기존주택보다 단열을 대폭 개선한 슈퍼단열시스템(Super Insulation)을 적용하였으며, 특히 단열두께가 증가할 경우 발생할 수 있는 열교(thermal bridge)부위에 각종 열교방지 디테일을 개발 적용하였다 또한 침기손실을 줄이기 위한기밀화시공기술 및 방습기술도 적용하였다.
- 기본부하를 크게 줄였다. 나머지 잔여 부하에 대해서는 설비형 태양열 시스템(Active Solar System) 및 보조열원시스템 (Auxiliary H/C System)을 통해 해결하도록 구성하였다.
- 따라서 시스템의 태양의존율(Solar Saving Fraction, SSF) 설계값을 80%로 목표하여 태양열 집열면적을 24m2로 설계되었다. 축열조의 용량이 5m' 로 크게 설계되어진 것은 2~3일 정도 집열량이 없이도 난방부하를 공급할 수 있도록 하기 위한 것이다.
- 좌우측 끝세대의 부하차이가 크지 않다고 가정할 경우 그림에 나타난 바와 같이, 외기와 접하는 형태에 따라 동내의 세대 위치별로 크게 6개의 유형으로 구분 가능하다 시뮬레이션결과에 따르면 세대 위치에 따라 최대 13%이상 에너지소비량 차이를 나타내기 때문에 아파트 단위세대의 에너지소비량 원단위 산출을 위해서는 세대 위치별 세대수 가중평균을 통한 1개동 평균 냉난방 에너지소비량을 산출하는 것이 바람직할 것이다. 본 사례에서는 앞서 ZeSH의 사례와 동일하게 시간별 비정상 에너지시뮬레이션 평가를 통해 동별평균 연간 냉난방에너지 소비량 원단위를 산출하고 이에 따른 CQ 배출량을 평가하였다.
- 시뮬레이션을 통한 각종 시스템의 성능 예측에 대한 세부 결과는 선행 발표i), 2)를 참조하기 바라며, 본 고에서는 최종 예측 결과만 제시하기로 한다.
- 제작 적용하였다. 저방사 로이(low-e) 코팅 복층유리에 알곤가스를 주입한 투과체에 기밀성능이 우수한 시스템창틀을 결합하여 창호를 구성하였다. 특히 창호부위를 통한 야간 열손실 억제를 위해 전동모터로 구동되는 야간단열셔터가 부착되었다.
- 참고로 보일러 효율 80%, 반송손실 80%를 적용할 경우의 자립도 예측결과를의 하단부에 예시하였다.
대상 데이터
- KIER ZeSH f 은 대전시 유성구 한국에너지기술원 태양 동산 내에 2002년 8월에 착공하여 약5개월간의 시공과정을 거쳐 2002년 12월말에 준공되었으며, 주택 전체의 에너지성능 및 주요 시스템별 성능 검증을 위한 계측 모니터링 시스템이 구축되었다. 2003년 주요 설비시스템에 대한 냉난방 시범운전을 거쳐 2004년 동절기부터 본격적 성능모니터링이 수행되고 있다.
- 지붕은 박공 구조로 되어있으며, 태양열 집열기의 효율을 고려해 45°경사를 이루도록 계획되었다. 건물구조는 철근콘크리트 벽식구조로 남측은 200mm, 나머지 외벽은 150mm의 콘크리트 옹벽 구조이다. 실내 간벽의 콘크리트 두께도 150mm이며 단, 1층 2층 연결 계단실인 온실측 내벽은 200mm이다.
- 1개 동 의총 난방면적은 11, 560m2이다. 기상자료는 서울지역 30년 표준기상자료를 적용하였으며 , 에너지소비량은 연간 냉난방 에너지소비량에 설비효율을 고려한 원단위 값으로 산출하였다
- lle 여러기술의 조합안 중 최종적으로 선정한 안에 대한 평가 결과이다. 본 사례의 경우 Noll기술은 지붕 400mm, 그 외 외벽 250mm의 슈퍼단열을 적용하고, 배열회수 시스템을 통해 환기 회수를 0.3회에 해당하게 조치하며, 발코니가 있는 상태로 거실 및 발코니창 모두 투명 복층창으로 적용한 경우이다. 비교 대상인 기존아파트 기준세대(BASECASE)의 경우는 50inm 외피단열에, 환기회수 0.
- 요약한 것이다. 시스템의 기본 구성은 태양열 집열기, 열교환기, 태양열 축열조, 온수축열조, 히트펌프, 고온축열조로 구성되어 있다. 보조열원으로는 지중열교환기와 연계된 히트펌프(Heat Pump) 시스템이 설치되어 있으며, 하절기에는 냉방용으로 사용된다
- 실험조건은 크게 1차 난방기인 2004년 2월 1일 ~ 2004년 3월31일의 2개월간과, 2차 난방기인 2004년 11월 ~ 2005년 4월까지 6 개월로 2기간을 분리하여 측정 및 분석되었다 창호의 야간단열 시스템은 1차 및 2차 난방 실험기간 중 모두 운영되지 않았으며, 1층서 측방 남측면에 설치된 자연형 태양열 트롬월 시스템의 상 하부벤트는 1차 난방기 실험의 경우는 계속 밀폐(close)된 상태로, 2차 난방기 실험의 경우는 계속 개방(open)된 상태로 실험이 수행되었다
- 위의 실험결과는 2004년 2월 ~ 3월까지 2개월간 수행된 것으로 전체 난방기간 중 약 1/3 정도 기간을 대상으로 실험한 결과이다. 또한 난방설정온도도 겨울철 기준온도인 20℃보다 높은 22.
- <그림 13>은 고층 아파트의 1개동을 개념화한 그림으로 본 예에서는 층별 4세대 15층의 총 60세대로 구성된 동을 예시하였다. 좌우측 끝세대의 부하차이가 크지 않다고 가정할 경우 그림에 나타난 바와 같이, 외기와 접하는 형태에 따라 동내의 세대 위치별로 크게 6개의 유형으로 구분 가능하다 시뮬레이션결과에 따르면 세대 위치에 따라 최대 13%이상 에너지소비량 차이를 나타내기 때문에 아파트 단위세대의 에너지소비량 원단위 산출을 위해서는 세대 위치별 세대수 가중평균을 통한 1개동 평균 냉난방 에너지소비량을 산출하는 것이 바람직할 것이다.
- 최종 설계된 KIER ZeSH Ie 지하 1층 지상 2층의 주택으로 지하실 98m; 1층 94m; 2층 70nf로 총 262nf(80평)이며, 난방면적은 138.6nf(42평)이다 지하층은 시범건물의 성격을 고려해 각종 설비 장치의 실험공간 및 1층의 바닥과 지면사이에 발생하는 열손실 감소를 위해 지하실 면적을 1층면적과 거의 동일하게 계획하였다.
- 평가대상 아파트는 분당에 위치한 P아파트 단지의 1개동을 대상으로 하였다. 평가대상 아파트의 단위세대 난방면적은 170 m2이며, 층별 2세대씩 34층으로 총 6&세대로 구성된 동이다.
- 하였다. 평가대상 아파트의 단위세대 난방면적은 170 m2이며, 층별 2세대씩 34층으로 총 6&세대로 구성된 동이다. 1개 동 의총 난방면적은 11, 560m2이다.
성능/효과
- 상대적으로 환기에 의한 배열회수의 비중이 매우 큰 영향을 나타내고 있다. 250mm 슈퍼단열을 적용할 경우 기존 아파트 대비 17%의 냉난방에너지를 절감할 수 있는 것으로 평가되었으며, 도시가스 이용의 경우 1개 동 당 연간 51 tCO/g, 경유 사용의 경우 68 tCQ의 이산화탄소 배출을 억제할 수 있는 것으로 평가되었다. 배열회수를 통해 환기회수를 0.
- 50℃온수를 25Olitter/day 사용하는 것으로 가정하고 하절기는 50% 사용조건을 가정하여 수행한 난방 및 급탕 시뮬레이션 결과 난방의 경우 잔여 부하의 81%를 태양열에 의해 처리할 수 있으며, 급탕부하는 93%의 태양절감율(SSF, Solar Saving Faction)을 기 대할 수 있는 것으로 평가되었다.
- 건밀의 단열성능이 높아지면 질 수록 침기 또는 환기 부하의 비중이 높아짐을 확인할 수 있었다. 가장 큰 절감율은 역시 슈퍼단열을 통해 획들할 수 있는데 기준모델 대비 48%의 에너지가 절감되는 것으로 평가되었다.
- 개별 요소기술 중 가장 큰 절감효과를 나타내는 것은 슈퍼단열로 기준주택 대비 48%의 에너지절감효과를 기대할 수 있으며 도시가스 사용의 경우 연간 2.809 tCO2, 경유 사용의 경우 2.745 tCQ의 이산화탄소 빌생을 절감할 수 있는 것으로 평가되었다. 최종 설계안으로 선정된 No7.
- 3회/hr를 유지할 경우 17%를 Q1회/hr로 유지할 경우 36%를 절감할 수 있는 것으로 평가되었다. 건밀의 단열성능이 높아지면 질 수록 침기 또는 환기 부하의 비중이 높아짐을 확인할 수 있었다. 가장 큰 절감율은 역시 슈퍼단열을 통해 획들할 수 있는데 기준모델 대비 48%의 에너지가 절감되는 것으로 평가되었다.
- 7회 환기회수의 일반적 기존 아파트를 기준세대(BASECASE)로 하여 발코니 유무 및 창호 종류 변화에 따른 에너지 소비량과 탄소배출량 변화를 평가한 결과이다. 결과에 나타난 바와 같이 발코니를 확장하여 제거할 경우, 발코니가 있는 기존세대에 비해 15% 정도(투명 복층창 적용의 경우) 냉난방 에너지소비량이 증가하며, 경유기준 이산화탄소 배출량은 연간 1개동당64 tCQ이 더 배출되는 것으로 평가되었다.
- 고려된 각종 요소기술의 독립적 평가 후, 경제성 및 신뢰성을 고려해 최종적으로 결정된 슈퍼단열, 슈퍼윈도우 및 0.3회/hr의 통합적용 평가 결과는 76%를 절감하여 주택 원단위가 21 kWh/ irf.yr로 축소될 수 있는 것으로 평가되었다.
- 고층 공동주택에 대한 각종 적용기술별 탄소배출량을 평가한 결과, 단독주택인 ZeSH의 경우와는 달리 슈퍼단열의 비중이 상대적으로 낮아지고 배열회수에 따른 환기제어 및 발코니 유무, 단열 창호의 종류 등이 비슷한 수준으로 성능에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 특히 공동주택의 구조상 창면적비가 높기 때문에 단독주택에 비해 제로에너지화의 구현이 상대적으로 다소 어려움을 알 수 있다.
- 한편 고층 아파트 건물의 경우 불투명 외피면적이 작고, 건물 전후면의 창 면적 비가 높기 때문에 단독주택에 비해 열부하를 대폭 줄이는 것이 용이하지 못하다. 대신 슈퍼단열, 환기조절을 통한 배열회수, 발코니의 유무 고단열 창호 등이 골고루 냉난방에너지 소비에 중요한 영향을 미치는 것으로 나타나, 기존의 단독주택을 대상으로한 제로 에너지화의 접근과는 다른 방법을 취해야 하는 것으로 나타났다. 아직 국내의 경우 공동주택을 대상으로한 본격적인 제로에너지화 건물의 시공사례는 있지 못한 상황이지만, 일부 건설사를 포함해 연구소 및 대학에서 꾸준히 이에 대한 연구를 추진하고 있기 때문에 빠른시일내에 고층 공동주택은 물론 상업용 건물까지도 에너지자립형 제로 에너지화를 추구한 형태로 구현될 수 있을 것이다.
- yr이다. 따라서 난방 및 급탕의 최종 열부하는 5.9kWh/m2.yr로 기준주택의 열부하 대비 95%의 자립율을 달성하는 것으로 평가되었다.
- 이 중 보조 열원인 히트펌프에 의해 1, 366MJ이 공급되고, 나머지 &063MJe태양열 시스템에 의해 공급되었다. 따라서 이 기간동안의 평균 태양열 절감율 또는 열부하 자립율은 86%로 나타났다.
- m:와도 거의 비슷한 수준으로 일치하고 있다. 따라서 이론적으로 수립한 ZeSH의 부하별 자립화 시나리오는 KIER ZeSH I의 실측 결과와 비교 검증한 결과 매우 정밀한 수준에서 일치함이 입증되었다. 제로에너지 주거건물 유형별,
- 1℃로 난방된 결과이다. 따라서 일반적인 주택의 실내온도가 20℃인 점과 설정온도 유지를 위한 난방공급을 연속적으로 하지 않는다는 점을 고려할 때, 본 실험결과는 실내설정온도를 20℃보다 2℃ ~ 4℃ 높게 항상 유지한 조건에서도 난방 열부하 자립도를 86%까지 기록했다는 점에서 매우 희망적인 결과로 판단되며 1단계 목표인 열부하 70% 자립목표는 초과달성 할 수 있는 것으로 기 대된다.
- 태양열 이용효과를 극대화시키기 위해 가능한 한 저온으로 난방을 할 수 있는 바닥 복사난방 시스템이 적용되었으며, 이를 위해 다음과 같은 사항을 반영되었다. 면적이 넓은 거실과 홈오피스의 바닥 마감은 열전도가 좋은 세라믹 타일로 마감하였으며, 방열배관의 간격을 조밀하게 하여 방열면적을 최대한 넓혔다. 또한 주택 바닥의 방열성능을 좋게 하기 위해서 난방 배관이 낮게 설치하였다
- 250mm 슈퍼단열을 적용할 경우 기존 아파트 대비 17%의 냉난방에너지를 절감할 수 있는 것으로 평가되었으며, 도시가스 이용의 경우 1개 동 당 연간 51 tCO/g, 경유 사용의 경우 68 tCQ의 이산화탄소 배출을 억제할 수 있는 것으로 평가되었다. 배열회수를 통해 환기회수를 0.3회 수준으로 유지할 경우 기준세대 대비 27%의 에너지 절감이 기대되며, 도시가스 사용의 경우 연간 1개동당 81 tCQ의 이산화탄소 배출을 절감할 수 있는 것으로 나타났다. 한편 주요 핵심기술을 모두 적용한 No.
- 분석결과와 같이 2월 초 및 3월 초에 외기온이 급격히 떨어진 기간을 제외하고, 대부분의 기간이 태양열 시스템만으로 난방공급이 이루어진 것으로 나타났다. 총 2개월간의 실험기간 중 외기온 평균은 4.
- 설비형 태양열 시스템을 제외한 슈퍼단열, 슈퍼윈도우, 배열회수, 자연형태양열 시스템 등 건축계획적 부하저감 전략기술이 적용된 경우인 표 4의 ZeSHI(C)의 난방에너지 소비량은20.6kWh/ nf.yr으로 평가되었으며, 이는 기준주택의 난방에너지 사용량의 77%를 절감한 결과이다. 설비형 태양열 시스템의 평가결과 난방에너지의 81%를 태양열로 대체할 수 있는 것으로 평가되었기 때문에 실제 최종적인 난방에너지 소비량은 3.
- 것이다. 실제 공급된 열량으로 산출된 KIER ZeSH I의 연간 에너지 소비 열부하 원단위값은 46.2kWh/yr.nr'으로, 표 1의 1 단계 (Step 1) 부하저감 목표치인 90kWh/yr.nf의 잔여량 38kWh/yr.nf와 거의 일치하는 결과를 나타내었다. 또한 태양열 시스템에 의해 공급된 실제양인 34.
- 최종 설계안으로 선정된 No7. 요소기술들을 통합 적용한 경우는 난방 열부하의 77%를 절감가능하며, 이산화탄소 배출량은 경유 사용의 경우 기존주택 대비 4.387 tCQ를 절감할 수 있는 것으로 평가되었다.
- 참고로 보일러 효율 80%, 반송손실 80%를 적용할 경우의 자립도 예측결과를<표 4>의 하단부에 예시하였다. 이 경우도 난방 및 급탕 자립율 93% 수준으로, 이러한 결과를 종합적으로 고려할 때 본 연구 1단계 목표인 열부하 70% 자립목표는 충분히 달성할 수 있을 것으로 기대된다
- 이산화탄소 배출 절감량은 36 tCO2, 46 tCQ, 53 tCQ을 각 단열 창호 적용에 따라 연간 동별로 절감할 수 있는 것으로 평가되었다
- 창호 종류에 따른 변화는 발코니가 있는 경우는 상대적으로 큰 차이를 나타내지 않는 반면 발코니를 확장하여 제거할 경우는 창호의 단열성능이 매우 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 발코니가 있는 경우 투명복층창 대비 로이복층창, 로이삼중창 및 슈퍼창 (이중 로이코팅이 적용된 삼중창에 가스충진, 단열간봉 등의 기술이 적용된 고성능 단열창)의 에너지소비량 차이는 각기 3%, 4%, 5% 정도이다.
- 것으로 나타났다. 총 2개월간의 실험기간 중 외기온 평균은 4.1℃이며, 총 투입된 난방열원은 9, 429MJ이다. 이 중 보조 열원인 히트펌프에 의해 1, 366MJ이 공급되고, 나머지 &063MJe태양열 시스템에 의해 공급되었다.
- 자연형 태양열 시스템의 적용을 통해 10~14%의 절감을 기대할 수 있으며, 슈퍼윈도우 창호를 통한 절감율은 15% 수준이다. 침기의 경우 0.3회/hr를 유지할 경우 17%를 Q1회/hr로 유지할 경우 36%를 절감할 수 있는 것으로 평가되었다. 건밀의 단열성능이 높아지면 질 수록 침기 또는 환기 부하의 비중이 높아짐을 확인할 수 있었다.
- 하지만 발코니를 제거한 확장발코니형 평면의 경우는 투명 복층 창을 적용한 경우에 비해 로이복층창, 로이삼중창, 슈퍼창의 적용 효과는 7%, 10%, 11%의 에너지를 절감할 수 있는 것으로 나타났다. 이산화탄소 배출 절감량은 36 tCO2, 46 tCQ, 53 tCQ을 각 단열 창호 적용에 따라 연간 동별로 절감할 수 있는 것으로 평가되었다
- 3회 수준으로 유지할 경우 기준세대 대비 27%의 에너지 절감이 기대되며, 도시가스 사용의 경우 연간 1개동당 81 tCQ의 이산화탄소 배출을 절감할 수 있는 것으로 나타났다. 한편 주요 핵심기술을 모두 적용한 No. 11의 경우는 총 52%의 냉난방에너지 자립율을나타내며, 도시가스로는 동당 연간 157톤, 경유로는 206톤의 이산화탄소 배출을 절감할 수 있는 것으로 평가되었다.
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