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문제 정의
- 본 연구에서는 실제 패시브 디자인 요소가 적용된 ICF공법의 단독주택을 대상지로 선정하고, 패시브 디자인 공법에 따른 난방에너지 요구량과 열손실·열획득 부위를 분석하여 패시브하우스 계획 및 시공시 고려해야 할 사항을 제시하고자 한다.
- 본 연구에서는 패시브 디자인 요소를 적용한 4곳의 대상 주택의 난방에너지 요구량 및 열손실과 열획득을 비교하여 패시브하우스 설계 시 고려해야 할 사항을 분석하였다.
- 이에 본 연구에서는 패시브 디자인이 적용된 주택 4곳의 난방에너지 요구량을 비교·분석하여 문제점을 파악하고 패시브하우스를 계획하는데 있어 기초자료 제공에 목적이 있다.
- 난방에너지 요구량분석에서 1차에너지 소요량은 패시브하우스 기준인 120kWh/㎡·a이하의 기준을 만족하는 반면 난방에너지 소비량은 23kWh/㎡·a(PH-1), 19kWh/㎡·a(PH-2), 19kWh/㎡·a(PH-3), 18kWh/㎡·a(PH-4)로 기준인 15kWh/㎡·a을 모두 초과하였다. 이에 열손실과 열획득 부분을 비교하여 손실에 취약에 부분이 어디인지, 그것을 상쇄할 수 있는 부분은 어디인지 살펴보았다.
가설 설정
- 1%라는 높은 증가 추세를 보이고 있다.2) 건물 분야의 에너지소비 증가는 삶의 질 향상에 따른 것이며 이렇게 향상된 삶의 질을 고려하지 않고 절약만으로 에너지소비를 줄이는 것은 역부족일 것이다.
제안 방법
- PH-4 역시 앞의 평가모델들과 마찬가지로 양단열에 무거푸집 형태의 단열블럭을 이용하여 외벽을 구성하였고 철근 콘크리트 구조로 시공하였다. 이러한 EPS단열재로 구성된 단열블럭을 적용하면 단열재와 구조체의 분리를 방지할 수 있는 장점이 있다.
- ① 기본조건으로 에너지 요구량 분석을 위해 실내온도를 20℃로 설정하고 세대구성원은 4인 가족을 기준으로 설정하였다.
- ② 분석을 위해 사용된 기후데이터는 PHPP에서 인정하고 있는 METEONORM6.1의 충주지역기후와 원주지역기후, 성남지역기후를 적용하였다.9)
- 구조체별 열관류율은 지붕 0.117W/㎡K, 외벽 0.119W/㎡K, 바닥 0.106W/㎡K, 창호 0.5W/㎡K, 문 1W/㎡K로 문을 제외한 나머지는 패시브하우스 기준 이하로 설계하였다.
- 구조체별 열관류율은 지붕 0.125W/㎡K, 외벽 0.119W/㎡K, 바닥 0.110W/㎡K, 창호 0.7W/㎡K, 문 0.764W/㎡K로 역시 패시브하우스 기준 이하로 설계하였다.
- 환기장치는 난방효율 76%인 전열교환기를 적용하였으며, 지중열교환방식인 쿨튜브를 프리히팅장치로 결합하여 설치하였다. 그리고 태양전지(3kWp)을 설치하여 전기에 필요한 에너지는 자연에너지로 대체하였다. 창문은 고효율 3중 창호 및 단열문으로 시공하였으며 지붕면의 축열 효과 및 주변 미기후조절을 위하여 지붕녹화를 실시하였다.
- 이러한 EPS단열재로 구성된 단열블럭을 적용하면 단열재와 구조체의 분리를 방지할 수 있는 장점이 있다. 기초는 매트기초 형태로 XPS단열재를 이용하여 외벽단열과 끊어지지 않도록 시공하였고 지붕은 박공지붕에 경량목구조로 유리섬유단열재를 교차로 설치된 서까래와 장선 사이에 채워 열교가 차단될 수 있도록 하였다.
- 벽체는 무거푸집의 단열블럭을 이용하여 양단열 방식으로 외벽을 구성하였고 구조는 철근콘크리트 구조를 적용하였다. 기초는 매트기초 형태에 XPS단열재를 이용하여 외벽단열과 이어지도록 단열하였고, 지붕은 경량목구조의 박공지붕 형태로 유리섬유단열재를 서까래 사이와 장선 사이에 채우고 교차 시공하여 목재의 열교를 차단하였다.
- 기후데이터는 METEONORM6.1을 적용하였으며, 실내온도는 20℃로 설정하고 세대 구성인원은 4인으로 한정하여 건축물에서의 에너지 절감을 위한 설계디자인단계부터 고려해야 할 사항을 제시하는 것으로 연구범위를 설정하였다.
- 4%)를 차치하여 가장 많은 열획득을 보였고 특히 남측창의 경우 3,197kWh/a로 가장 높게 나타났다. 또한 내부발열과 외피면 흡수도 열손실을 상쇄 시킬 수 있는 부분으로 각각 1,211kWh/a, 361kWh/a을 획득하였다.
- 환기시스템은 난방효율 75%제품과 쿨튜브를 적용하였으며 고효율 3중 창호와 단열문으로 시공하였다. 또한 하절기 외부의 일사를 적극적으로 차단하기 위하여 창호 일체형 셔터를 장착하였다.
- 외부마감은 외단열 미장마감을 적용하였고 내부는 습도조절 및 공기질을 위한 황토미장 및 천연페인트로 마감하였다. 벽체는 내력벽이 아닌 부분을 칸막이 벽체로 시공하여 향후 유동이 가능한 구조로 설계하였고, 3층 다락에는 천창을 설치하여 지붕창을 통한 패시브난방과 자연채광을 유도하였다.
- 벽체는 무거푸집의 단열블럭을 이용하여 양단열 방식으로 외벽을 구성하였고 구조는 철근콘크리트 구조를 적용하였다. 기초는 매트기초 형태에 XPS단열재를 이용하여 외벽단열과 이어지도록 단열하였고, 지붕은 경량목구조의 박공지붕 형태로 유리섬유단열재를 서까래 사이와 장선 사이에 채우고 교차 시공하여 목재의 열교를 차단하였다.
- PH-3은 2011년에 시공된 단독주택이며 대지 형태에 따라 정남향에서 서쪽으로 10˚ 치우쳐 배치하였다. 벽체는 양단열 무거푸집 형태의 단열블럭을 이용하여 외벽을 구성하였고 철근콘크리트 구조로 건축되었으며 기초는 매트기초형태에 XPS단열재를 적용하여 외벽단열과 끊김 없이 시공하였다. 지붕은 박공지붕 형태에 경량목구조로 유리섬유단열재를 교차 시공하여 목재의 열교를 차단하였다.
- 본 연구는 충북·강원·경기도 지역에 패시브 디자인을 적용한 단독주택 4곳을 선정하여 난방에너지 요구량 및 열손실량을 비교·분석하였다.
- <표 13>에서 각 지역의 패시브 디자인 요소를 적용한 4곳을 대상으로 난방에너지 요구량 및 구조체를 통한 열손실 및 열획득량을 비교하여 정리하였다. 분석결과를 요약하면 다음과 같다.
- 3㎡에 방 3개, 화장실 2개, 다용도실, 거실, 부엌, 보일러실 다락으로 실을 구성하였다. 외부마감으로 천연몰탈인 모노쿠쉬를 적용하였으며 내부마감은 축열을 위하여 시멘트몰탈마감 위 천연페인트로 마감하였다.
- 외부마감은 외단열 미장마감을 실시하였고 외피면의 칼라는 흡수를 고려하여 적용하였으며 내부는 실내공기질을 고려한 황토미장과 천연페인트를 이용하여 디자인하였다.
- 주 구조는 철근콘크리트 구조이며 양단열 무거푸집 형태인 단열블럭을 이용하여 외벽을 구성하였고, 기초의 형태는 헌치구조를 가지는 매트기초로 XPS단열재를 이용하여 외벽단열과 끊어짐이 없도록 시공하였으며 지붕구조는 EPS 단열재를 이용한 외단열 공법을 적용하였다.
- 주택의 냉·난방을 위하여 지열히트펌프(난방용5RT)를 설치하였고, 태양전지(3kWp)를 적용하여 냉·난방 및 전기에 필요한 에너지를 대부분 자연에너지로 대체하였다.
- 주택의 외부마감은 천연재료인 모노쿠쉬를 이용한 외단열 미장마감을 실시하였고 내부의 실내 공기질과 습도조절을 위하여 황토미장 및 천연페인트와 목재, 목화솜을 사용하여 다양한 내부 디자인을 구현하였다.
- 그리고 태양전지(3kWp)을 설치하여 전기에 필요한 에너지는 자연에너지로 대체하였다. 창문은 고효율 3중 창호 및 단열문으로 시공하였으며 지붕면의 축열 효과 및 주변 미기후조절을 위하여 지붕녹화를 실시하였다.
- 패시브하우스 계획 시 두 가구의 벽을 맞벽으로 하는 듀플렉스(Duplex)형태로 계획하면 에너지 효율적 측면에서 유리하나, 소음과 프라이버시를 고려하여 건물사이를 이격하여 계획하였다. 외부마감은 외단열 미장마감을 적용하였고 내부는 습도조절 및 공기질을 위한 황토미장 및 천연페인트로 마감하였다.
- 환기설비는 난방효율 75%를 가지는 폐열회수환기 유닛을 설치하였고, 난방과 냉방을 위해 지열히트펌프(용량 5RT)를 통합·적용하였으며 태양전지(3kWp)를 설치하여 전기가 필요한 에너지를 대부분 자연에너지로 대체가능하도록 하였다.
- 주택의 냉·난방을 위하여 지열히트펌프(난방용5RT)를 설치하였고, 태양전지(3kWp)를 적용하여 냉·난방 및 전기에 필요한 에너지를 대부분 자연에너지로 대체하였다. 환기시스템은 난방효율 75%제품과 쿨튜브를 적용하였으며 고효율 3중 창호와 단열문으로 시공하였다. 또한 하절기 외부의 일사를 적극적으로 차단하기 위하여 창호 일체형 셔터를 장착하였다.
- 환기장치는 난방효율 76%인 전열교환기를 적용하였으며, 지중열교환방식인 쿨튜브를 프리히팅장치로 결합하여 설치하였다. 그리고 태양전지(3kWp)을 설치하여 전기에 필요한 에너지는 자연에너지로 대체하였다.
- 환기장치는 난방효율 80% 유닛을 설치하였으며 고효율 3중 창호 및 3중 유리문을 적용하였고 연료전지를 설치하여 전기에너지를 얻을 수 있도록 하였다.
대상 데이터
- 모델은 대지면적 약 1192㎡에 건축면적은 178㎡으로 실은 총 방 3개와 다용도실 1개, 화장실 2개, 부엌 및 거실, 창고 및 보일러실로 구성되었다.
- 본 모델은 2010년에 시공된 평지붕 형태의 1층 단독주택으로 남향에 묘원이 있어 정남향에서 서쪽으로 15˚ 치우친 형태로 배치되었다.
- 본 모델은 대지면적 826㎡, 건축면적 164.76㎡에 다락을 별도(연면적 제외)로 구성하고 있는 2층의 단독주택으로 1층은 주방과 다용도실, 보일러실, 화장실, 게스트룸, 거실등으로 계획되었으며 2층은 침실 3개와 화장실, 다용도실, 가족실로 이루어져 있다.
- 본 연구에서는 평가모델의 선정을 위하여 2010년부터 2012년까지 패시브디자인을 적용한 주택을 지역별로 선정하였다. 선정된 지역으로는 충북제천과 강원도 둔내, 경기도 용인을 선정하였고, 충북제천 도화리 주택을 PH-1, 제천 신월동 주택을 PH-2, 경기도 용인주택을 PH-3, 강원도 둔내주택을 PH-4로 각각 지정하였다.
- 본 연구에서는 평가모델의 선정을 위하여 2010년부터 2012년까지 패시브디자인을 적용한 주택을 지역별로 선정하였다. 선정된 지역으로는 충북제천과 강원도 둔내, 경기도 용인을 선정하였고, 충북제천 도화리 주택을 PH-1, 제천 신월동 주택을 PH-2, 경기도 용인주택을 PH-3, 강원도 둔내주택을 PH-4로 각각 지정하였다.
- 이 실험 주택은 농촌지역의 저에너지 주택을 목표로 건축된 단독주택으로 대지면적 988㎡에 건축면적 84.12㎡이다. 실의 구성은 방 3개, 화장실, 다용도실, 거실, 부엌, 보일러실과 거실 좌우에 다락을 구성하고 있다.
이론/모형
- 본 연구에서는 각 모델의 난방에너지 및 열손실량을 분석하기 위하여 독일 패시브하우스 연구소에서 개발한 PHPP 2007프로그램을 이용하였다. PHPP(Passive House Planning Package)는 패시브 하우스 설계를 위하여 독일 PHI(Passive House Institute)에서 제공하는 에너지 해석프로그램으로서 Passive House의 연간 에너지 요구량 산출 프로그램으로 개발되었으며, 주거용 건물 및 비주거용 건물의 에너지 요구량을 정확히 산출하여 결과를 얻을 수 있도록 하고 있다.
- 연구의 방법으로는 독일 패시브하우스 설계 시뮬레이션 프로그램인 PHPP 2007를 사용하여 건축물 에너지 성능평가를 실시하였다.
성능/효과
- PH-1의 구조체별 열손실량을 분석하면 연간 7,591kWh/a의 열손실이 발생하는 것으로 분석되었고 가장 많은 손실이 발생한 곳은 창문으로 1,954kWh/a(25.7%)의 손실을 보여 열손실에 있어 가장 취약한 것으로 분석되었다. 창문에 이어 외벽 1,691kWh/a, 환기 1,663kWh/a로 많은 손실이 나타났다.
- PH-2의 기밀성 테스트 결과 1.22h-1로 측정되었고, 이에의 PHPP 분석을 보면 난방에너지 소비는 19kWh/㎡·a, 1차 에너지 소요량은 117kWh/㎡·a로 나타났다.
- PH-3의 구조체별 열손실량을 분석하면 연간 6,253kWh/a의 손실을 보이며 가장 많은 손실은 외벽을 통한 손실로 2,593kWh/a(41.5%)로 나타났고 창문은 1,311kWh/a로 외벽 다음으로 많은 손실을 보였다. 이는 벽체보다 상대적으로 열손실에 취약한 창호의 면적이 작기 때문에 외벽에서의 열손실이 증가한 것으로 분석된다.
- PH-4는 기밀성 테스트 결과 0.79h-1로 패시브하우스 기준에 미치지 못하였으며, 의 PHPP 분석 결과 난방에너지 소비도 17kWh/㎡·a로 패시브하우스 기준보다 2kWh/㎡·a 의 초과 소비를 보였다.
- 구조체별 열관류율은 지붕0.110W/㎡K, 외벽0.119W/㎡K, 바닥0.109W/㎡K, 창호0.7W/㎡K, 문0.764W/㎡K로 패시브 하우스 기준 이하로 설계하였고, 기밀성 테스트 결과 역시 0.48h-1로 패시브하우스 기준인 0.6h-1을 만족하였다.
- 구조체에서 열손실이 가장 많은 곳은 창문이며 다음으로 외벽과 지붕, 바닥순으로 많은 손실이 있는 것을 확인할 수 있었다. PH-3 경우에는 창문(1,311kWh/a)보다 외벽(2,593kWh/a)에서의 손실이 높게 나타났는데 이는 창호면적이 작아 상대적으로 외벽의 면적이 넓어진 결과이다.
- 그 결과 기존에 내단열 공동주택의 선형 열관류율보다 외단열 시스템 적용시 선형 열관류율이 65.1∼86.4%가 절감되었고, 열교 제거에 의한 외피 전열량 감소와 단위면적당 유효 열용량 증가에 의한 획득 및 손실열량 활용계수 증가의 복합 작용을 통해 연간 난방에너지요구량은 10.2% 감소하고, 연간 냉방에너지 요구량은 1.3% 감소하는 것으로 나타났다.
- 그 결과 창문이 면적 대비 열손실에 가장 취약한 부분으로 분석되었고, 다음으로 지붕과 외벽에 손실이 높은 것으로 나타났다. 또한 환기 부분도 폐열회수장치의 효율이나 주택의 내부볼륨에 따라 열손실에 있어 큰 부분을 차지하였다.
- 기밀성 테스트에서는 1.28h-1로 패시브하우스 기준인 0.6 h-1에 미치지 못하였으나 일반 주택에 비해서는 우수한 기밀성능을 보였다.
- 위의 자료를 바탕으로 의 PHPP 분석 결과, 난방에너지는 23kWh/㎡·a를 소비하는 것으로 나타났고 1차 에너지는 97kWh/㎡·a로 측정되었다.
- 이에 단위 면적당 난방에너지 소비는 패시브하우스 기준보다 8kWh/㎡·a를 초과하였지만 1차에너지는 기준치인 120kWh/㎡·a에 비해 23 kWh/㎡·a를 적게 소비하는 것으로 나타났다.
- 패시브하우스 기준에 비해 난방에너지는 4kWh/㎡·a를 초과하는 결과를 보였지만 1차에너지는 패시브하우스 기준인 120kWh/㎡·a에 비해 3kWh/㎡·a를 적게 소비하는 것으로 분석되었다.
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