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문제 정의
- 국내 에너지제로하우스의 적용된 공통된 적용 기술을 분석하여, 표준모델을 제시코자하였다. 표준모델은 국내 기존 모델의 평균적 분석결과를 토대로 단독주택형의 철근콘크리트 구조로써 건축면적은 125㎡로 제시하였으며, 건물에너지 절약기술은 아래 Table 12, Fig.
- 본 연구에서는 국내의 정부 및 연구기관, 기업이 주관하여 최근 5년 이내에 개발된 사례를 기준으로, 에너지제로 성능을 목적으로 하는 5개 에너지제로하우스 모델을 비교 분석하여, 공통 적용 기술 및 효율적 에너지 성능을 가진 요소를 도출하여 단독주택에 적용가능하며 에너지절감을 이룰 수 있는 표준 패시브하우스 모델을 제안하였다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 설계적 기법 외에 신재생에너지의 적용으로 에너지 생산을 통하여 건물 내 에너지를 저감하고자 하였다. 적용 사례는 태양열 및 태양광, 지열, 풍력발전, 연료전지 등으로 태양광 발전 및 히트펌프를 이용한 지열 시스템을 5개 사례에서 모두 적용하여 전기 생산과 온수・급탕에 이용하는 것으로 나타났다.
- 최근 정부발표에 따라 정부부처, 연구소, 민간건설사 등을 중심으로 에너지제로 하우스 모델개발에 박차를 가하고 있다. 이에 본 연구는 국내 기 개발된 에너지제로 하우스 모델을 비교 분석하여 에너지제로하우스의 표준 모델을 제시함으로써 향후 에너지제로 하우스 개발에 있어 가이드라인을 제시하고자 한다.
- ‘Green Tomorrow’와 ‘Eco-3L House’에서 광덕트를 이용한 설비형 자연채광을 욕실 및 지하주차장에 부분적으로 사용하였다. 중수 처리 시스템과 투수형 도로 포장으로 적극적인 용수 이용을 하고 있는 것으로 나타났으며 친환경 건축 재료의 사용과 옥상녹화를 통하여 에너지 손실을 최소화 하고자 하였다.
제안 방법
- 'ZeSHⅡ'는 연구기관의 연구목적으로 건립되었으며, 주관기관에서는 3단계 과정을 통해 2012년에 100% 제로에너지솔라하우스(ZeSH : Zero Energy Solar House)개발을 목표로 1단계에 ‘ZeSHⅠ’을 설계・준공 후 실증을 완료하였고, 2단계로 ‘ZeSHⅡ’를 개발하였다.
- (2) 위 5개 모델의 분석 결과를 토대로 공통 기술요소와 요소별 평균 성능을 고려하여 표준모델을 제안하였다.
- 본 연구 모델의 조사는 3가지 방법으로 이루어졌다. 2010년 7월～9월까지 방문조사와 홍보 자료조사를 공통적으로 시행하였으며, 각 모델별 설계자의 서면자문을 통해서 분석결과의 정확성을 검증하였다.
- 5개 에너지제로하우스 모델의 비교분석으로 도출한 공통적인 요소기술과 성능 비교를 통하여 에너지제로하우스 표준 모델에 적용 가능한 기술을 제안하였다.
- 본 연구는 에너지 제로를 지향하는 최근 6년 내에 개발된 국내 5개의 에너지제로・패시브하우스 사례를 비교 분석하였다. 5개의 사례에 대해 패시브 에너지절감 기술과 신재생에너지 설비기술로 크게 분류를 하였다[2]. 대상 사례 건물에 대한 적용 기술별 성능을 비교한 후 공통적으로 적용된 에너지 절감기술과 효율적 에너지 성능을 가진 요소를 도출하였다.
- 기밀 강화를 위하여 침기량은 평균 0.65ACH를 목표로 설계되었다. 환기부하 저감을 위하여 열회수형 환기장치를 공통적으로 적용한 것으로 나타났다.
- 기밀 성능 강화를 위하여 침기량을 고려한 설계가 이루어졌으며, 동일조건하에서 최대 0.26 ～ 최소 1.0ACH의 침기량을 가지도록 설정이 되어 기밀 시공이 이루어졌다. 모델별 목표 기밀성능은 Fig.
- 환기시스템은 열회수형 환기장치를 공통적으로 적용하고 있었으며, 바닥난방 방식으로 건식 바닥난방 및 저온복사 바닥난방을 사용하고 있는 것으로 나타났다. 기타 친환경 설계 요소로 차양장치와 단열문을 설치하고 자연채광 및 설비형 채광을 부분적으로 적용하였으며, 자연환기와 옥상녹화 및 용수 이용을 적극적으로 시도하고 있었다.
- 단열성능 강화를 위하여 공통적으로 외단열 시스템을 기본으로 고성능・고효율 단열재를 적용하였으며, 창호의 열성능 극대화를 위하여 3중 Low-e 코팅 창호 시스템을 사용하고 추가적으로 아르곤가스 및 크립톤 가스를 충진한 유리를 사용한 모델이 부분적으로 나타났다.
- 5개의 사례에 대해 패시브 에너지절감 기술과 신재생에너지 설비기술로 크게 분류를 하였다[2]. 대상 사례 건물에 대한 적용 기술별 성능을 비교한 후 공통적으로 적용된 에너지 절감기술과 효율적 에너지 성능을 가진 요소를 도출하였다. 위 도출된 요소들을 이용하여 단독주택에 적용 가능하고 에너지절감을 이룰 수 있는 표준 패시브하우스 모델을 제안하였다.
- 분석은 적용된 기술과 요소별 에너지 성능을 중심으로 이루어졌으며, 공통적용 기술을 도출하였다. 모델별 에너지절감 설정 목표와 단열, 창호, 기밀시공, 환기, 난방, 기타 친환경기술에 대한 성능 비교 분석과 태양열, 태양광, 지열 등 신재생에너지 적용에 따른 기술별 용량 및 성능의 분석이 이루어졌다. 본 연구에서의 대상 사례별 세부 분류 항목과 그에 따른 비교성능은 아래 Table 2와 같다.
- 본 연구 모델의 조사는 3가지 방법으로 이루어졌다. 2010년 7월～9월까지 방문조사와 홍보 자료조사를 공통적으로 시행하였으며, 각 모델별 설계자의 서면자문을 통해서 분석결과의 정확성을 검증하였다.
- 65ACH의 기밀성능을 제안하였다. 부하저감을 위하여 85% 이상의 효율을 가지는 열회수형 환기시스템과 건식바닥난방 방식을 적용하며, 친환경 설계요소로 차양장치 및 자연채광, 자연환기, 옥상녹화, 용수이용, 단열 현관문, 친환경재료를 적용하는 것을 제안하였다.
- 분석은 적용된 기술과 요소별 에너지 성능을 중심으로 이루어졌으며, 공통적용 기술을 도출하였다. 모델별 에너지절감 설정 목표와 단열, 창호, 기밀시공, 환기, 난방, 기타 친환경기술에 대한 성능 비교 분석과 태양열, 태양광, 지열 등 신재생에너지 적용에 따른 기술별 용량 및 성능의 분석이 이루어졌다.
- 에너지 생산을 위한 신재생에너지의 적용은 온수 및 급탕을 위한 태양열 시스템 및 3kW 용량의 BIPV 태양광 시스템과 10kW이상 용량의 지열시스템을 적용하는 것을 에너지제로하우스를 위한 요소로 적용・제안하였다.
- 대상 사례 건물에 대한 적용 기술별 성능을 비교한 후 공통적으로 적용된 에너지 절감기술과 효율적 에너지 성능을 가진 요소를 도출하였다. 위 도출된 요소들을 이용하여 단독주택에 적용 가능하고 에너지절감을 이룰 수 있는 표준 패시브하우스 모델을 제안하였다.
- 창호의 열적 성능 강화를 위하여 5개 사례에서 공통적으로 3중 Low-e 코팅 유리를 사용하였으며, 42mm～52mm의 두께를 가진 유리창을 적용하였다. 창호의 성능면에서는 열관류율이 최대 1.
- 표준모델에 적용한 기술은 단열부분에서의 외단열시스템, 고성능 단열재 또는 슈퍼단열, 3중 Low-e 창호, 기밀시공이 있으며, 부하저감을 위한 열회수형 환기시스템과 건식바닥난방 방식을 적용하도록 하였으며, 친환경 설계 기법으로 차양장치 및 자연채광, 자연환기, 옥상녹화, 용수이용, 단열 현관문, 친환경재료를 고려하도록 하였다.
- 표준모델에는 단열성능을 확보하기 위하여 열관류율 0.15W/㎡k이하의 구조체 외단열 시스템과 열관류율 0.002W/㎡k이하의 고성능 단열재 및 슈퍼단열을 적용 하였고, 3중 Low-e 창호(1.0W/㎡k이하)와 침기량 0.65ACH의 기밀성능을 제안하였다. 부하저감을 위하여 85% 이상의 효율을 가지는 열회수형 환기시스템과 건식바닥난방 방식을 적용하며, 친환경 설계요소로 차양장치 및 자연채광, 자연환기, 옥상녹화, 용수이용, 단열 현관문, 친환경재료를 적용하는 것을 제안하였다.
대상 데이터
- 단열재의 사용은 ‘그린홈 Zero House’에서 열반사 단열재 및 블록형 단열재를 사용하였고, ‘Green Tomorrow’와 ‘Eco-3L House’에서 각각 진공단열재와 에어로젤 및 네오폴 단열재를 사용하였으며, ‘HIP 그린홈’은 고성능 단열패널을 이용한 외단열 구조에 진공단열재를 사용하여 단열성능을 극대화하였다.
- 본 연구는 에너지 제로를 지향하는 최근 6년 내에 개발된 국내 5개의 에너지제로・패시브하우스 사례를 비교 분석하였다. 5개의 사례에 대해 패시브 에너지절감 기술과 신재생에너지 설비기술로 크게 분류를 하였다[2].
- 본 연구에서 조사된 모델은 국내의 정부 및 연구기관, 기업에 의해 개발된 에너지제로・패시브 하우스 5개 모델을 선정하여 비교분석을 시행하였다. 비교대상 중 공동주택인 ‘Eco-3L’을 제외한 모든 건축물은 일반 주거용 단독주택이며 건축물의 개요는 아래 Table 1에 정의 되어있다.
- 본 연구에서의 5개 모델은 계획 단계의 에너지 절감 목표를 100%로 설정하고 있다. 준공시에 100%를 달성하여 지속적인 모니터링을 실시하고 있는 ‘Green Tomorrow’와 ‘그린홈 Zero House’외에 3개 모델은 초기 계획시부터 연차별 단계를 설정하여 목표치를 달성하는 계획을 가지고 있다.
- 분석 대상 모델별 구조체 단열 성능 강화를 위하여 적용된 기술 및 열성능은 Table 3과 같으며, 공통적으로 외단열 시스템을 기본으로 고성능의 단열재를 사용하였다. 외단열은 경제성과 공법상의 기술적인 측면에서의 장점이 있다[5].
- 분석한 사례는 정부 주관의 ‘그린홈 Zero House’와 정부출현 연구기관의 ‘ZeSHⅡ’, 대기업에 의해 개발된 ‘Green Tomorrow’와 ‘Eco-3L House’, 정부출현연구기관 및 기업 공동 주관의 ‘HIP 그린홈’으로 총 5개 모델이다.
- 조사 모델은 정부와 대기업, 정부출현 연구기관이 주관하여 개발한 사례를 기준으로 에너지제로 성능을 목적으로 하고 있는 모델을 선정하였다.
- 국내 기업에 의해 개발된 ‘Green Tomorrow’는 전시・홍보・실험의 목적으로 건립되었다. 총 68건의 친환경・에너지효율 기술의 집약을 통한 에너지제로하우스를 달성하게 되어, 건물의 친환경인증인 국내 친환경건축물 최우수등급(한국에너지기술연구원)과 미국의 LEED Platinum 인증을 획득하였다[3].
이론/모형
- 5개의 대상 모델 중 3개 건축물에서 건식바닥 난방 방식을 적용하였다. 건식 방식은 바닥 공기층을 형성하여 소음을 저감하고, 에너지 절감 및 양생기간이 필요없어 공사기간의 단축과 설치가 간편하며, 습식에 비해 바닥 설정온도 30℃에 이르는 시간이 4.
성능/효과
- 구조체 단열을 위하여 외단열 시스템과 고성능・고효율 단열재를 적용하고 있으며, 창호의 열성능 극대화를 위하여 3중 Low-e 코팅 창호 시스템을 사용하고 추가적으로 아르곤가스 및 크립톤 가스를 충진한 유리를 사용하는 사례가 있는 것으로 나타났다. 공통 및 개별적으로 적용된 기술은 Table 10과 같다.
- 냉난방 부하 저감을 위한 환기시스템으로는 열 회수형 환기장치를 공통적으로 사용하는 것으로 나타났다. ‘그린홈 Zero House’의 온도 교환효율은 난방에서 71%의 난방성능을 가지고 있으며, ‘Green Tomorrow’의 열회수율은 87%로 나타났다.
- 에너지 생산을 위한 신재생에너지 기술의 적용은 태양광 및 지열 시스템이 공통적으로 적용되었으며, 태양열 및 풍력, 연료전지가 부분적인 모델에 적용된 것으로 나타났다.
- 설계적 기법 외에 신재생에너지의 적용으로 에너지 생산을 통하여 건물 내 에너지를 저감하고자 하였다. 적용 사례는 태양열 및 태양광, 지열, 풍력발전, 연료전지 등으로 태양광 발전 및 히트펌프를 이용한 지열 시스템을 5개 사례에서 모두 적용하여 전기 생산과 온수・급탕에 이용하는 것으로 나타났다.
- 전 사례에 공통적으로 적용된 태양광시스템은 4개 단독주택 모델에서 지붕형 BIPV를 1개 공동주택 모델에서 옥상형 PV와 창문일체형 및 벽체형 BIPV 시스템을 사용하고 있는 것으로 나타났다. 지붕형 BIPV는 건물의 규모에 따라 2.
- 창호의 성능면에서는 열관류율이 최대 1.2W/㎡K를 넘지 않으며, ‘Green tomorrow’와 ‘HIP 그린홈’에서는 추가적으로 각각 아르곤가스 및 크립톤 가스를 충진하여 열교 현상을 최소화하였다.
- 친환경 설계 기법으로는 차양장치 및 채광에 대한 고려와 자연환기, 옥상녹화 및 용수이용, 단열 현관문, 친환경재료를 적극적으로 사용한 것으로 나타났다.
- 친환경 설계 요소로 차양장치 및 단열문을 5개 사례에서 공통적으로 사용하는 것으로 나타났으며, 3개 사례에서 자연환기와 천창을 이용한 자연채광을 하고 있는 것으로 나타났다. ‘Green Tomorrow’와 ‘Eco-3L House’에서 광덕트를 이용한 설비형 자연채광을 욕실 및 지하주차장에 부분적으로 사용하였다.
- 태양열, 태양광, 지열 시스템 외에 적용된 신재생 에너지 기술은 풍력발전과 연료전지로 ‘Green Tomorrow’와 ’Eco-3L House’에서 수직축 풍력발전 및 비상용・가정용의 용도로 연료전지를 사용하는 것으로 나타났다.
- 65ACH를 목표로 설계되었다. 환기부하 저감을 위하여 열회수형 환기장치를 공통적으로 적용한 것으로 나타났다.
- 환기시스템은 열회수형 환기장치를 공통적으로 적용하고 있었으며, 바닥난방 방식으로 건식 바닥난방 및 저온복사 바닥난방을 사용하고 있는 것으로 나타났다. 기타 친환경 설계 요소로 차양장치와 단열문을 설치하고 자연채광 및 설비형 채광을 부분적으로 적용하였으며, 자연환기와 옥상녹화 및 용수 이용을 적극적으로 시도하고 있었다.
후속연구
- 에너지 생산을 위한 신재생에너지 기술은 건물의 지역, 위치, 주거특성을 고려하여 태양열 및 태양광 시스템, 지열시스템이 적용될수 있을 것이다.
- 본 연구 결과는 기존 모델의 건물 부위별 성능분석을 통하여 향후 국내 에너지제로하우스 보급을 위한 표준 모델로 제시하였다는 점에서 의미가 있다. 적극적인 보급 확산을 위하여 공사비용 절감과 설계도서(시방서) 체계 확립이 이루어져야 할 것이며, 고효율 패시브 기술의 적용을 통해 에너지 절감을 최대화하기 위하여 지속적인 기술개발과 노력이 시도되어야 할 것이다.
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