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문제 정의
- 본 시공모델은 패시브 디자인 요소를 고려한 설계와 패시브 하우스의 기본요건에 부합하는 구조체의 열성능 및 기밀 시공을 바탕으로 실시되었다.
- 본 연구에서는 건물의 에너지 성능을 분석하기 위하여 계획단계에서 적용된 각 구조체의 열성능 및 시공 시에 적용된 재료의 시험 성적서를 기반으로 최종 에너지 성능을 분석하였다.
- 이에 본 연구에서는 농촌지역에 패시브 하우스 디자인요소를 적용한 단독 주거건물을 시공하고 동절기 실내 온·습도 변화 및 난방에너지 사용량을 비교 분석하여 농촌지역의 패시브 하우스 설계 및 시공을 위한 기초자료로 제공하고자 한다.
제안 방법
- 그 이후 2012년 2월 28일부터 3월 21일 까지 폐열 회수 환기장치를 가동하여 2차 측정시기로 설정하여, 설정기간 내 실내 환경 변화 및 난방에너지 사용량을 분석하였다.
- 본 연구에서 난방에너지의 사용량을 분석하기 위하여 상기의 실내 환경 모니터링과 같은 시기에 사용된 난방열원의 사용량을 실측하였고 측정된 열원(LPG)을 기준으로 타 열원을 사용할 경우에 대한 열원사용량을 예측·분석하였다. 난방에너지 분석을 위해서 각 열원의 순발열량과 발열량별 단가를 고려하여 최종 사용량을 산출하였다.15)
- 둘째, 에너지 시뮬레이션 시 적용된 실내온도를 적용하여 실제 주택의 실내 환경 변화를 모니터링하고 폐열회수 환기장치의 가동 유무를 고려한 실내 환경 변화를 분석한다.
- 따라서 건물 에너지 성능평가는 기밀 측정값의 적용 유무에 따라 비교 분석하였으며 실내온도 및 습도변화에 의한 난방에너지 사용량 분석도 기밀테스트를 측정한 이후부터 실내 환경모니터링을 실시하였다.
- 지붕부위는 경량 목구조를 선정하여 목재에 의한 열교를 최소화하는 방안으로 목재의 교차시공법을 적용하여 설계에 반영하였다. 또한 침기와 누기를 방지하기 위하여 창호주변과 목재 구조목 주변의 기밀층을 형성하도록 위치별 기밀재료를 지정하여 설계하였다.
- 마지막으로 설계를 최종적으로 검토하고 에너지 성능검토를 실시하기 위하여 다음과 같이 구조체별 재료의 성능을 토대로 구조체 열성능 분석을 실시하였다.
- 본 연구는 패시브 하우스 디자인 요소를 적용한 농촌지역 모델을 대상으로 시공 전, 후 에너지 시뮬레이션을 실시하여 분석하고, 일정 기간 동안 실내 환경 모니터링 및 난방에너지 사용량을 실측하여 농촌지역에서 적용 가능한 타열원에 대한 사용량 예측분석을 실시하였다.
- 본 연구에서 난방에너지의 사용량을 분석하기 위하여 상기의 실내 환경 모니터링과 같은 시기에 사용된 난방열원의 사용량을 실측하였고 측정된 열원(LPG)을 기준으로 타 열원을 사용할 경우에 대한 열원사용량을 예측·분석하였다.
- 본 연구에서 패시브 디자인 요소를 적용하여 설계·시공한 모델의 실내 환경 모니터링을 위하여 온도 및 습도, CO2센서를 설치하여 일정기간 내 온·습도 변화 및 난방에너지 사용량을 분석하였다.
- 본 연구에서는 패시브 디자인 요소를 적용한 단독주거 건물의 설계부터 시공, 그리고 에너지 성능 진단과 난방에너지 소비량을 분석하였으나 난방에너지의 소비량 측정에서 연 단위 측정이 이루어지지 않아 전체적인 난방에너지량을 산출하지는 못하였다.
- 선형열교 제거를 위하여 기초부에는 매트기초를 단열하는 방식을 선정하였고, 창호부위에서는 프레임을 5cm감싸는 시공을 실시할 수 있도록 설계에 반영하였다. 지붕부위는 경량 목구조를 선정하여 목재에 의한 열교를 최소화하는 방안으로 목재의 교차시공법을 적용하여 설계에 반영하였다.
- 셋째, 시공모델에 적용된 환기시스템의 가동여부에 따라 일정 기간 동안 사용된 난방에너지의 실질 사용량 및 예상 비용을 분석하고, 타 열원을 적용하였을 경우 발생되는 난방에너지 사용량과 발생비용을 예측·분석한다.
- 실내 온·습도 변화와 정량적 난방에너지 사용량을 측정하기 위하여 건물에너지 성능평가에 적용된 동일 실내 온도 값인 20℃를 기준으로 내부 환경의 변화와 난방에너지 사용량을 모니터링 하였고, 사용열원을 기반으로 열원별 사용량을 예측하였다.
- 실내 환경 모니터링은 모델에 적용된 폐열 회수 환기장치의 가동여부에 따라 기간을 나누어 모니터링 하였고, 각각의 모니터링 기간은 폐열 회수 환기장치를 가동하지 않은 2012년 2월6일부터 2월 27까지를 1차 측정시기13)로 설정하였다.
- 실내 환경 모니터링은 실내 설정온도를 기준으로 일정기간동안 온도 및 습도, CO2의 변화를 분석하고, 폐열 회수 환기장치의 가동 여부에 따른 실내 환경의 변화량과 난방에너지 사용량을 각각 분석하였다.
- 패시브 하우스를 위한 부위별 적용 구체는 외벽 구조체를 단열블럭으로 적용하여 구조체와 단열재의 일체화를 구현한 조립형 양단열 구조체로 시공하였다. 지붕 구조체는 유리섬유 단열재를 적용한 경량 목구조를 적용하였고, 단열재내의 습기 침투 방지와 기밀층 형성을 위하여 실내측에 가변형 투습 방습지를 설치하였다.
- 선형열교 제거를 위하여 기초부에는 매트기초를 단열하는 방식을 선정하였고, 창호부위에서는 프레임을 5cm감싸는 시공을 실시할 수 있도록 설계에 반영하였다. 지붕부위는 경량 목구조를 선정하여 목재에 의한 열교를 최소화하는 방안으로 목재의 교차시공법을 적용하여 설계에 반영하였다. 또한 침기와 누기를 방지하기 위하여 창호주변과 목재 구조목 주변의 기밀층을 형성하도록 위치별 기밀재료를 지정하여 설계하였다.
- 창호부위는 패시브 난방을 위하여 로이코팅이 된 3중 창호8)를 적용하였고, 일사획득을 위하여 남측면을 개방하고 북측면은 닫는 구조로 평면에 적용하였다. 여름철 개방된 남측면 창호로부터 일사차단을 위한 단열셔터를 적용하였다.
- 첫째, 패시브 하우스 디자인 요소를 적용한 건축모델의 에너지 시뮬레이션을 실시하여 기밀 테스트 값을 고려한 시공 전, 후의 에너지 시뮬레이션을 비교 분석한다.
- 최초 설계단계에서의 에너지 성능평가는 기밀 측정값을 제외한 에너지 성능을 분석하였고, 시공이 완료된 시점에서 기밀테스트(Blower Door Test)를 현장 실측하여 실측값을 적용하여 최종 분석하였다.
- 패시브 디자인을 적용하기 위한 설계적 측면의 요소기술로서 건물을 정남향에서 동쪽으로 약 15° 향하도록 배치하였으며, 건물 외피가 외기에 노출되는 면적을 최소화하기 위하여 외벽의 요철을 제거한 형태로 구성하였다.
- 패시브 하우스를 위한 부위별 적용 구체는 외벽 구조체를 단열블럭으로 적용하여 구조체와 단열재의 일체화를 구현한 조립형 양단열 구조체로 시공하였다. 지붕 구조체는 유리섬유 단열재를 적용한 경량 목구조를 적용하였고, 단열재내의 습기 침투 방지와 기밀층 형성을 위하여 실내측에 가변형 투습 방습지를 설치하였다.
- 폐열 회수 환기장치의 미가동 기간인 2012년 2월 6일부터 2월 27일까지(22일간 난방) LPG열원 사용량은 12.05N㎥로 측정되었으며 LPG사용량을 기준으로 각 열원의 순발열량 단가환산을 통하여 과 같이 발생될 수 있는 열원별 사용량을 예측·분석하였다.
- 환기열 손실을 최소화하기 위하여 난방효율이 76%인 폐열 회수 환기장치와 Cool tube를 적용하였고, 태양에너지를 활용하기 위한 PV패널을 적용하도록 설계하였다.
대상 데이터
- 마감재료는 천연재료인 모노쿠쉬를 외부 미장재료로 적용하였고, 황토미장과 천연페인트, 한지, 목재 등으로 내부 재료를 적용하였다.
- 본 연구의 범위는 농촌지역에 패시브 하우스 디자인 요소를 적용한 단독건물을 시공하여 설계 시 계획한 에너지 성능평가와 시공 후 성능평가를 비교 분석하고, 실내 환경 모니터링 및 실질 난방에너지 사용량을 측정하여 분석하는 것을 연구의 범위로 삼는다.
- 를 적용하였고, 일사획득을 위하여 남측면을 개방하고 북측면은 닫는 구조로 평면에 적용하였다. 여름철 개방된 남측면 창호로부터 일사차단을 위한 단열셔터를 적용하였다.
이론/모형
- PHPP:2007을 통한 건축물 에너지 성능평가를 수행하기 위하여 와 같은 기본 경계조건을 적용하였다.
- 본 연구의 적용 모델은 패시브 하우스 디자인 요소를 적용하여 각 구조체의 성능과 요구조건을 만족시키도록 설계·시공하였고, 설계 시 건물 에너지 성능을 검토하기 위하여 독일 PHI(Passive House Institute)에서 개발한 PHPP 프로그램7)을 사용하였다.
성능/효과
- 2012년2월 28일부터 3월 21일까지(23일간 난방)는 폐열 회수 환기장치를 가동하여 실내 20℃를 유지하는 조건으로 난방에너지 사용량을 측정한 결과 LPG사용량이 약 20.15N㎥로 측정되었다. 난방기간 동안 사용된 LPG열원을 기준으로 각 열원을 순발열량의 단가 환산을 실시한 결과 <표 4-11>과 같이 열원별 사용량을 예측하여 산출할 수 있다.
- 각각 약 3주간에 걸친 측정값을 분석한 결과, 실내온도는 약 19∼27℃의 변화폭을 나타냈고, 주간에는 남측면 실들의 온도가 실내 고정온도보다 높아졌다.
- 그러나 과 같이 현장 기밀테스트를 실시한 결과, n50일 때 시간당 1.2회의 성능으로 측정되었으며, 이 측정값을 대입한 난방에너지 요구량은 기밀성능이 0.6회 일 때 보다 약 26% 증가된 19(kWh/㎡a), 1차에너지 소요량은 117(kWh/㎡a)로 패시브 하우스 인증조건에 부합하지 않는 건물에너지 성능으로 평가되었다.
- 그러나 실질적인 현장 측정 시 침기 횟수가 n50pa일 때 약 1.22회/h로 측정되어 실측한 수치를 반영한 최종 난방에너지 요구량은 인증기준치보다 약 26% 증가된 19(kWh/㎡a)로 분석되었다. 따라서 패시브 하우스에서의 기밀성능 유지는 에너지 손실을 줄이는 중요한 요소로 분석할 수 있다.
- 그러나 환기장치의 가동 시 평균적으로 38∼55% 사이의 습도영역을 유지함으로서 쾌적한 수준의 습도에 머무는 것으로 분석되었다.
- 둘째, 시공된 모델의 실내 환경 모니터링을 통하여 실내온, 습도 및 CO2변화량을 분석한 결과 환기장치의 가동여부에 따라 현저한 차이가 나타났다. 환기장치의 미 가동시에는 실내의 온도 진폭이 크고, CO2 수치는 약 300ppm으로 낮았으며, 습도는 약 55∼72%로 상대적으로 높은 습도를 유지하였다.
- 따라서 환기장치에 의한 습도의 변화와 CO2의 변화는 실내와 실외 공기의 희석으로 발생된 결과로 사료되며, 이때 외부의 습도와 CO2농도에 큰 영향을 받는 것으로 나타났다. 온도진폭의 변화는 낮은 온도의 외기가 실내온도와 교환되므로 정체되었던 실내온도보다 더 많은 변화를 보이는 것으로 나타났다.
- 또한 환기장치의 가동여부에 따라 실내 온도의 변화 진폭주기가 낮아지는 현상이 발생되었고 습도의 변화량 또한 현저한 차이를 보였다.
- 마지막으로 CO2의 변화량에서는 환기장치 미가동시 실내 CO2농도가 약 200∼350ppm을 유지하였으나 환기장치의 가동으로 인한 외부공기와의 교환에 따라 외부 CO2농도에 가깝게 약 450∼600ppm정도로 상승하는 것으로 나타났다.
- 반면 환기장치를 가동했을 경우 온도의 진폭이 작아지고 CO2는 450∼600ppm으로 상승하였고, 상대습도가 38∼55%영역으로 쾌적한 범위에 머무는 결과로 나타났다.
- 본 결과는 환기장치에 의한 내·외부의 온도변화가 발생함으로 인해 실내 설정온도 이하로 내려갈 경우 보일러의 가동 횟수가 늘어나는 것으로 판단되며, 이에 따라서 환기장치의 가동 전보다 가동 후의 에너지 사용량이 크게 증가한 것으로 사료된다.
- 산출된 열원별 사용량을 기준으로 발생될 수 있는 예상비용을 예측한 결과, LPG열원은 약 84,600원, LNG열원은 약 28,060원, 보일러등유 열원은 약 44,860원으로 각각 나타났으며, 이것은 환기장치를 가동하지 않을 경우보다 약 167% 더 많은 LPG열원 에너지가 소모되는 것으로 나타났다.
- 셋째, 에너지 사용량 측면에서 환기장치의 가동여부에 따라 에너지 사용량이 LPG열원을 기준으로 가동 전 보다 가동 후가 약 167% 더 많이 사용된 것으로 나타났다.
- <그림 3-1>에서 보는 바와 같이 기밀성능을 제외한 건물에너지 성능은 난방에너지 요구량이 13(kWh/㎡a), 1차에 너지 소요량은 110(kWh/㎡a)로 분석되었고, 기밀 성능 값은 패시브 하우스의 최대 요구 조건인 n50일 때 시간당 0.6회 수치를 대입시켰을 경우 난방에너지 요구량은 15(kWh/㎡a), 1차에너지 소요량은 112(kWh/㎡a)로 패시브 하우스 인증기준에 부합한 성능으로 검토되었다.
- 연구결과에 따라 사용된 LPG열원을 기준으로 타 열원에 대한 사용량을 예측한 결과, 도시가스인 LNG가 가장 저렴한 유지비용을 보였고, 그 다음으로 보일러 등유가 경제적인 열원으로 분석되었다.
- 열원별 사용량에 대한 예상비용은 열원별 사용량과 열원단가(시공모델 지역의 열원별 단가적용)를 적용하여 산출한 결과 LPG열원은 약 50,600원, LNG열원은 약 16,800원, 보일러등유 열원은 약 26,800원으로 각각 산정되었다.
- 따라서 환기장치에 의한 습도의 변화와 CO2의 변화는 실내와 실외 공기의 희석으로 발생된 결과로 사료되며, 이때 외부의 습도와 CO2농도에 큰 영향을 받는 것으로 나타났다. 온도진폭의 변화는 낮은 온도의 외기가 실내온도와 교환되므로 정체되었던 실내온도보다 더 많은 변화를 보이는 것으로 나타났다.
- 마지막으로 CO2의 변화량에서는 환기장치 미가동시 실내 CO2농도가 약 200∼350ppm을 유지하였으나 환기장치의 가동으로 인한 외부공기와의 교환에 따라 외부 CO2농도에 가깝게 약 450∼600ppm정도로 상승하는 것으로 나타났다. 이 결과는 환기장치 가동 시에 실내 CO2농도는 외부환경에 종속됨을 알 수 있었다.
- 첫째, 선정 모델의 설계상 건물에너지 성능 분석에서는 기밀성능 기준에 따라서 각각 다르게 나타났다. 기밀성능을 패시브 하우스 인증 기준치로 적용하였을 경우 난방에너지 요구량은 15(kWh/㎡a)이고, 1차에너지 소요량은 112(kWh/ ㎡a)로 패시브 하우스 인증기준에 부합되게 검토 되었다.
- 환기장치의 미 가동시에는 실내의 온도 진폭이 크고, CO2 수치는 약 300ppm으로 낮았으며, 습도는 약 55∼72%로 상대적으로 높은 습도를 유지하였다.
후속연구
- 따라서 향후 연간 에너지 소비량을 연단위로 측정하여 에너지 성능 분석 결과에서 나타난 난방에너지 요구량과실제 에너지 소비량과의 비교 연구가 진행되어야 할 것으로 사료된다.
- 따라서 환기장치의 열교환 효율에 따라 에너지 사용량의 변화가 있을 것으로 예상되며, 최대한 효율이 높은 장치를 적용해야 환기에 의한 에너지 소비를 줄일 수 있을 것으로 판단된다.
- 즉, 농촌지역의 패시브 하우스 적용을 위해서는 외피의 열성능이 패시브 하우스 인증기준에 부합하게 설계되었다면 건물의 기밀성능과 폐열 회수 환기장치의 열성능에 따라 냉·난방에너지의 소비량이 큰 차이를 보이는바 시공 시 고효율 환기장치의 적용과 기밀시공에 대한 노력이 반드시 뒷받침되어야 할 것으로 사료된다.
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