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문제 정의
- 본 실험주택은 향후 각종 패시브하우스 요소기술들의 실증 데이터를 취득하고 검증하기 위한 건물이므로, 각 요소기술들의 성능 모니터링 시스템도 계획하였다. 전체적으로는, 열환경, 빛환경, 공기환경 등의 전반적인 실내 환경 평가 실험이 가능하도록 계획하였으며, 표 3은 계획된 모니터링 항목들을 개략적으로 정리한 내용이다.
- 본 고에서는 최근에 진행된 저에너지 건물 프로젝트 중 주거 건물인 코오롱 E+ 그린홈의 냉난방시스템 설계 사례를 통해 저에너지 건물에서의 공조설비 계획의 방향 및 요소기술들을 소개하고자 한다.
가설 설정
- 열원 시스템 구성에서 Base 건물은 일반적인 주택을 기준으로 가장 널리 적용된 보일러 + 에어컨으로 가정하여 분석하였다. E+ 건물의 경우, 건축적 요소에 대한 절감과 기계설비 시스템에 대한 에너지 절감을 검토하기 위해 ‘E+ 보일러+에어컨’, ‘E+ 지열히트펌프 + 지중 열교환(복사냉방)’ 시스템으로 나누어 분석하였다(표 5 참조).
제안 방법
- 또한, 발주처의 의지로 설계부터 시공까지 친환경 및 에너지 절감을 목적으로 독일 패시브하우스 인증 가이드라인을 준수하여 Passive 및 Active 요소기술을 적용하였다. 계획 초기부터 설계에 적용된 대표적인 요소기술들은 그림 2와 같다.
- 자연형 냉방의 대표적인 방법은 외기를 도입하여 냉방을 하는 것으로 본 대상 건물 지역의 기후 특성을 고려하여 자연환기를 이용할 수 있는 시간 및 범위를 고려하여 본 건물에 반영하였다. 또한, 야간에 외기를 건물 내로 유입하여 구조체 축냉을 유도하여 다음날 초기 냉방부하의 급격한 증가를 조절할 수 있도록 축열 (축냉)성능이 우수한 콘크리트 구조로 계획하였다(그림 6 참조).
- 콘크리트 구조의 축열 성능을 최대한 활용하고, 열교 발생을 최소화하기 위해 건식 외단열 공법을 적용하였다. 또한, 지중으로 빠져나가는 열을 최소화하기 위하여 지하층에 습식 우레탄으로 단열하여 지하 내부의 열교 및 결로 방지 대책을 수립하여 시공하였다(그림 7 참조). 열교발생이 우려되는 처마 부위에도 단열재로 감싸도록 시공하였으며, 창호 부위에서는 단열재가 창호 프레임을 덮도록 시공하여 창호 시스템 중 단열 성능이 제일 취약한 프레임을 통한 열 손실을 최소화하려고 노력하였다(그림 8 참조).
- 또한, 지중으로 빠져나가는 열을 최소화하기 위하여 지하층에 습식 우레탄으로 단열하여 지하 내부의 열교 및 결로 방지 대책을 수립하여 시공하였다(그림 7 참조). 열교발생이 우려되는 처마 부위에도 단열재로 감싸도록 시공하였으며, 창호 부위에서는 단열재가 창호 프레임을 덮도록 시공하여 창호 시스템 중 단열 성능이 제일 취약한 프레임을 통한 열 손실을 최소화하려고 노력하였다(그림 8 참조).
- 유리는 로이투명 복층 및 삼중유리를 사용하여 외부로부터의 열전달 및 열교현상을 최소화 하도록 계획하였다. 또한, 창호 프레임의 경우, 패시브 하우스 인증을 획득한 제품과 심미적으로 여러 형태가 가능한 고단열 제품을 혼합하여 적용함으로써 디자인과 단열 성능을 모두 만족시킬수 있도록 시공하였다(그림 9 참조).
- 상시조명이 필요한 공간에 자연채광과 자연환기 시스템이 결합된 제품을 적용하여 실내 필요 조도 및 자연환기를 통하여 실내 공기질을 만족할 수 있도록 시공하였다.
- 건물 녹화는 탄화코르크 식생기판 위에 이끼를 부착시켜 유닛형태로 제작하였다. 또한, 유지관리 및 하중문제 해결을 위해 외부프레임을 설치하고 하부에 유닛 고정용 프레임을 추가하여 하중을 분산시켰으며 탈부착이 가능하도록 고정 스프링을 설치하여 쉽게 점검할 수 있도록 하였다(그림 10 참조).
- 환기시스템은 기본적으로 중간기 및 하절기 야간은 자연환기, 나머지 더울 때나 추울 때는 지중열교환 튜브를 통과한 온화한 공기가 실내로 유입되도록 구성하였다. 지중열교환 튜브를 통하여 실내로 유입된 공기는 댐퍼를 통하여 각 층으로 유입될 수 있도록 설계하였다(그림 11 참조).
- 지중열교환양을 충분히 확보하기 위해 튜브의 길이가 충분히 길어야 하는데 이때 자칫 토공량이 증가할 수 있다. 본 건물에서는 최소한의 토공량으로 열교환 튜브의 길이를 확보하기 위해 건물 주위로 돌려가면서 튜브를 배치하였다(그림 12 참조).
- 추가로 실내 제습 및 예냉, 또는 추후 실험 목적에 따라 선택적으로 가동할 수 있도록 팬코일유닛과 쿨링 라디에이터를 설치하였다. 2층은 쿨링 라디에이터와 팬코일유닛을 구성하여 실내 온습도 조절이 가능하도록 계획하였다. 난방의 경우, 지열 히트펌프 시스템을 통한 바닥 복사 난방시스템을 설치하였다(그림 13, 표 2 참조).
- 본 실험주택은 향후 각종 패시브하우스 요소기술들의 실증 데이터를 취득하고 검증하기 위한 건물이므로, 각 요소기술들의 성능 모니터링 시스템도 계획하였다. 전체적으로는, 열환경, 빛환경, 공기환경 등의 전반적인 실내 환경 평가 실험이 가능하도록 계획하였으며, 표 3은 계획된 모니터링 항목들을 개략적으로 정리한 내용이다.
- 설계단계에서 본 건물의 에너지 사용량을 예측하기 위하여 동일 건물 디자인에 법적 열관류율을 만족하는 Base 건물을 비교 대상으로 하여 E+ 기술요소 적용에 따른 에너지 소비량 분석을 실시하였다.
- 에너지 분석은 TRNSYS 16 프로그램을 사용하였으며, 요소기술이 적용된 대상 건물인 ‘E+’ 건물과 비교 대상으로 일반적인 주택을 모사한 ‘Base’건물로 나누어 분석하였다.
- 냉·난방 에너지 소비량 분석은 ‘Base 에어컨+보일러’, ‘E+ 에어컨+보일러’, ‘E+ 지열히트펌프+지중열교환(복사냉방)’으로 분석이 실시되었다.
- E+ 건물의 경우, 건축적 요소에 대한 절감과 기계설비 시스템에 대한 에너지 절감을 검토하기 위해 ‘E+ 보일러+에어컨’, ‘E+ 지열히트펌프 + 지중 열교환(복사냉방)’ 시스템으로 나누어 분석하였다(표 5 참조).
- Base 건물의 경우, 2010년 기준의 건축물 에너지 절약 설계 기준해설서의 ‘지역별 건축물의 열관류율’을 참조하여 법적기준을 만족하는 열관류율을 적용하였다. E+ 건물의 경우, 실제 계획 및 시공시 적용된 열관류율을 적용하여 건물 에너지 요구량을 분석하였다. 표 4는 Base 건물과 E+ 건물에 적용된 주요 벽체 및 창호에 대한 열관류율을 나타내고 있다.
- 저부하형 건축설계, 고효율 설비로 에너지소비량을 최소화하고, 최소로 요구되는 에너지원은 태양광발전시스템으로 충당하도록 계획하였다. PV 및 BIPV 모듈의 발전효율을 극대화하기 위해서 지붕 층 구조체의 경사각 및 방위를 조절하여 건물을 디자인하였으며, 모듈 후면의 공기층을 개방하여 자연 대류를 유도함으로써 모듈의 온도 상승을 억제시켰다.
- 저부하형 건축설계, 고효율 설비로 에너지소비량을 최소화하고, 최소로 요구되는 에너지원은 태양광발전시스템으로 충당하도록 계획하였다. PV 및 BIPV 모듈의 발전효율을 극대화하기 위해서 지붕 층 구조체의 경사각 및 방위를 조절하여 건물을 디자인하였으며, 모듈 후면의 공기층을 개방하여 자연 대류를 유도함으로써 모듈의 온도 상승을 억제시켰다.
- PV패널을 설치하기 위하여 지붕 층에 콘크리트 타설 전에 앵커볼트를 매립하고 열교 차단재를 습식우레탄 단열재에 시공하였다. 열교 차단재 상부에 C형강과 프로파일을 설치하였으며, 모듈을 16직렬 4병렬로 배열하여 시공하였다(그림 16 참조).
- 건물 녹화는 탄화코르크 식생기판 위에 이끼를 부착시켜 유닛형태로 제작하였다. 또한, 유지관리 및 하중문제 해결을 위해 외부프레임을 설치하고 하부에 유닛 고정용 프레임을 추가하여 하중을 분산시켰으며 탈부착이 가능하도록 고정 스프링을 설치하여 쉽게 점검할 수 있도록 하였다(그림 10 참조).
대상 데이터
- 본 건물은 코오롱 건설(현 코오롱 글로벌)에서 국내에서 실현 가능한 에너지 플러스 주택(Net Zero Energy 이상 에너지를 생산하는 주택)의 기술개발 및 실증을 위해 기획된 실험주택이다(그림 1, 표 1 참조).
- 본 대상 건물은 산의 형태를 닮은 매스를 기본 개념으로 태양에너지를 최대한 활용하기 위해 경사각을 주었으며 우수 집수 유도를 위해 지붕에 구배를 두고 자연환기를 위한 통풍구를 확보하는 등을 최대한 자연에너지를 활용할 수 있도록 건물 형태가 디자인되었다(그림 5 참조).
- 대상 건물의 냉·난방은 지중 열교환 및 지열 히트펌프 시스템을 이용하였다.
- 1층의 경우, 지중 열교환을 통한 바닥 복사 냉방 장치를 이용하여 실내 조건을 만족할 수 있도록 구성하였다. 추가로 실내 제습 및 예냉, 또는 추후 실험 목적에 따라 선택적으로 가동할 수 있도록 팬코일유닛과 쿨링 라디에이터를 설치하였다. 2층은 쿨링 라디에이터와 팬코일유닛을 구성하여 실내 온습도 조절이 가능하도록 계획하였다.
이론/모형
- 콘크리트 구조의 축열 성능을 최대한 활용하고, 열교 발생을 최소화하기 위해 건식 외단열 공법을 적용하였다. 또한, 지중으로 빠져나가는 열을 최소화하기 위하여 지하층에 습식 우레탄으로 단열하여 지하 내부의 열교 및 결로 방지 대책을 수립하여 시공하였다(그림 7 참조).
성능/효과
- 건물 부하 분석 결과 E+ 건물이 Base 건물 대비 연간 난방부하는 약 62%, 연간 냉방부하는 약 71% 절감되는 것으로 분석되었으며, 냉방 피크 부하는 약 65%, 난방 피크부하는 약 55% 절감되는 것으로 나타났다(표 6 참조).
- 냉·난방 에너지 소비량 분석은 ‘Base 에어컨+보일러’, ‘E+ 에어컨+보일러’, ‘E+ 지열히트펌프+지중열교환(복사냉방)’으로 분석이 실시되었다. 1차 에너지 환산 기준으로 E+ 보일러+에어컨 시스템은 Base 대비 연간 약 52%의 에너지 소비량이 절감되는 것으로 나타났으며, E+ 지열히트 펌프 + 지중 열교환(복사냉방) 시스템은 Base 대비 약 73% 절감되는 것으로 분석되었다(그림 14, 표 7 참조).
- 에너지 분석결과를 요약하면, 건축적 요소 변경으로 연간 약 52% 냉·난방 에너지가 절감되는 것으로 확인되었으며, 기계설비 시스템 변경으로 약 21%의 에너지가 추가로 절감되는 것으로 확인되었다(그림 15 참조).
후속연구
- 향후 국내에 계획되는 건물들의 설계단계에서 본 고에서 소개한 시스템들이 적용, 발전되는 것을 기대해 본다.
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