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문제 정의
- 본 실험을 위해 구축된 Mock-up은 건물의 열손실을 줄임으로써 효과적인 난방이 가능하도록, 저에너지 하우스 수준의 에너지 성능을 목표로 계획·시공되었다.
- 본 연구에서는 온실과 태양열에 의해 데워진 열을 실내로 공급하기 위해 열교환기, 환기장치 등의 액티브(Active)한 방식을 이용하지 않고, 온실과 건물 사이에 설치된 창문을 통한 자연대류에 의하여 온실의 열을 실내로 공급하고자 한다.
- 반면 Case2(창문 개방)의 경우 태양열 획득량이 많은 오전 10시~오후 5시까지의 시간 동안 건물의 온실측 창문을 열어 온실의 열을 실내로 유입시키고, 이에 따른 실내 온도 변화를 측정하였다. 이에 두 경우의 외부 온도조건이 유사할 경우 Case1(창문 미개방)과 Case2(창문 개방) 의 온도 변화량 차이는 온실로부터 획득한 열이라고 할 수 있으며, 이를 통해 온실을 통한 난방효과를 알아보고자 한다.10)
- 이에 본 연구는 ‘온실을 이용한 난방시스템 개발’을 위한 기초 연구 단계로서, 태양열에 의해 데워진 온실의 공기를 건물 내부로 유입시키고, 그에 따른 실내 온도 변화 모니터링을 통해 난방 효과를 분석함으로써, 친환경 난방시스템 개발에 필요한 기초 데이터로서 제공하고자 한다.
가설 설정
- 둘째, 온실 온도가 상승하면서 온실 내부의 식물에서 증발산 작용이 일어난다. 셋째, 증발된 고온의 습공기가 대류 현상에 의해 지붕의 집열기까지 상승한다. 넷째, 태양열 집열기에서 2차 가열된 고온·다습한 공기는 덕트(Duct)를 통해 열교환기로 유입된다.
제안 방법
- 본 연구를 위한 Mock-up은 크게 건물과 온실로 구성된다. 건물은 패시브하우스 디자인 요소7)를 적용하여 설계하였으며, 친환경 건축재료를 사용함으로써 건축재료 제작 시 발생되는 이산화탄소를 절감하고, 폐기 시 재료의 재사용 및 재활용이 가능하도록 계획하였다. 이에 건물의 구조체는 목재를 이용하였으며, 단열재로는 파쇄 종이를 주원료로 하는 셀룰로오스 단열재를 구조체 내부에 충전하였다.
- 이에 건물의 구조체는 목재를 이용하였으며, 단열재로는 파쇄 종이를 주원료로 하는 셀룰로오스 단열재를 구조체 내부에 충전하였다. 건물의 구조는 국내의 잦아지는 지진에 대비하고, 일반 경량목구조에 내구성을 보완하기 위해 중량 목구조와 경량목구조를 혼합한 구조로 설계하였다.
- 첫째, 기초 및 바닥 단열공사이다. 건물의 기초는 터파기 및 잡석다짐 후 100mm 압출법 단열재를 2겹으로 교차 시공하여 열교를 최소화했으며, 그 위에 매트기초를 시공하였다. 온실의 기초는 식생이 뿌리내릴 수 있는 깊이 등을 고려하여, 매트기초가 아닌 줄기초로 시공하였다.
- 건물의 내구성을 높이기 위해 경량목구조와 중량목구조를 혼합한 구조를 사용하였으며, 기둥·보를 구성하고, 샛기둥(Stud) 세워 외벽을 구성하였다.
- 건물의 평면은 에너지 효율 및 실용적인 공간 활용을 위하여 요철이 없는 직사각형의 단순한 형태로 계획하였으며, 1층은 ‘온실을 이용한 난방시스템’에 필요한 설비들이 위치할 설비실을 구성하고, 2층은 모니터링 및 연구 회의를 위한 공간으로 설계하 였다.
- 넷째, 여름철 온실 내부가 과열되어 건물의 냉방부하가 높아지는 것을 방지하기 위해 온실의 상·하부 창문을 모두 개폐가 가능하도록 계획하여, 과열된 공기가 온실 상부의 개폐창호를 통해 나가고, 상대적으로 차가운 공기는 온실 하부를 통해 유입되어 공기의 순환이 이루어지도록 계획하였다.
- 첫째, 실험을 위해 필요한 Mock-Up을 계획·설계·시공하여 구축한다. 둘째, 4주(2016.03.15 ~ 2016.04.11)의 모니터링 기간 동안, 태양열에 의해 데워진 온실의 공기를 실내 난방에 사용하지 않은 경우(Case1)와 사용한 경우(Case2)의 실내 온도 변화를 모니터링 하였다. 셋째, 모니터링 기간 동안 측정된 Case1(창문 미개방)과 Case2(창문 개방)의 실내 온도 데이터를 비교·분석하여 온실을 이용한 건물의 실내 난방 효과를 분석한다.
- 첫째, 남향을 하고 있는 건물의 전면에 온실을 계획하여 건물과 온실 모두 남향함으로써 충분한 일사량을 획득할 수 있도록 설계하였다. 둘째, 온실 내부를 식재 및 조경공간으로 조성하고, 온실과 건물이 면한 벽체의 일부를 녹화함으로써 온실 내부에서 증발산이 활발히 일어날 수 있도록 계획하였다. 이는 겨울철에도 푸르른 건물의 외관을 이룰 수 있는 미적 기능을 함께 갖기도 한다.
- 건물의 실내 온도는 2층 회의실에 온도 측정 장비를 설치하여 측정하였으며, 실외 온도는 실험 당일의 기상청 기온 데이터(제천)를 이용하였다. 또한 실내 표면온도는 실내의 남측벽 중 햇빛이 직접적으로 비치지 않는 벽을 대상으로 열화상카메라를 이용하여 측정하였다.
- 외부는 통기층을 만든 후, 삼목 사이딩(Siding)으로 마감하였으며, 오일 스테인 (Oil stain)을 2회 바름으로써 목재가 부식되는 것을 방지하였다. 또한 실내는 목재 플로어링(Flooring) 및 흙 등 친환경적인 재료를 이용하여 마감하였다.
- 식재는 여름철 직사광선에 내성을 가지고 있으며, 증발산량이 많은 활엽수종의 식물을 식재하였다. 벽면녹화는 건물 전면의 일부에 벽돌과 현무암 판석을 쌓아 올려 식재가 생육할 수 있는 공간을 만들어 식재를 심었으며, 벽 면녹화의 상부로부터 물이 흘러내릴 수 있는 관로를 설치하여, 펌프를 이용해 식물에 물을 공급할 수 있도록 구성하였다.
- 식재는 여름철 직사광선에 내성을 가지고 있으며, 증발산량이 많은 활엽수종의 식물을 식재하였다. 벽면녹화는 건물 전면의 일부에 벽돌과 현무암 판석을 쌓아 올려 식재가 생육할 수 있는 공간을 만들어 식재를 심었으며, 벽 면녹화의 상부로부터 물이 흘러내릴 수 있는 관로를 설치하여, 펌프를 이용해 식물에 물을 공급할 수 있도록 구성하였다.
- 본 시스템에 적용될 온실은 태양열 획득, 활발한 증발산 작용이 일어날 수 있는 환경 조성, 열손실 방지를 위한 단열 성능 확보, 여름철 온실 과열 방지 등을 위한 방안이 필요하였으며, 이를 계획단계에서부터 고려하여 설계에 반영하였다.
- 본 연구에서는 하나의 Mock-up을 가지고, 두 가지 경우로 나누어 실험하였다. Case1(창문 미개방)의 경우 건물의 모든 창문을 닫은 상태에서 실내 온도 변화를 측정하였다.
- 셋째, 모니터링 기간 동안 측정된 Case1(창문 미개방)과 Case2(창문 개방)의 실내 온도 데이터를 비교·분석하여 온실을 이용한 건물의 실내 난방 효과를 분석한다.
- 이는 겨울철에도 푸르른 건물의 외관을 이룰 수 있는 미적 기능을 함께 갖기도 한다. 셋째, 온실의 내구성 및 단열 성능을 확보하기 위하여 Low-E 코팅 복층유리와 단열 프레임을 이용해 온실을 구성하였다. 넷째, 여름철 온실 내부가 과열되어 건물의 냉방부하가 높아지는 것을 방지하기 위해 온실의 상·하부 창문을 모두 개폐가 가능하도록 계획하여, 과열된 공기가 온실 상부의 개폐창호를 통해 나가고, 상대적으로 차가운 공기는 온실 하부를 통해 유입되어 공기의 순환이 이루어지도록 계획하였다.
- 건물의 기초는 터파기 및 잡석다짐 후 100mm 압출법 단열재를 2겹으로 교차 시공하여 열교를 최소화했으며, 그 위에 매트기초를 시공하였다. 온실의 기초는 식생이 뿌리내릴 수 있는 깊이 등을 고려하여, 매트기초가 아닌 줄기초로 시공하였다.
- 외부 및 실내 천연재료 마감공사이다. 외부는 통기층을 만든 후, 삼목 사이딩(Siding)으로 마감하였으며, 오일 스테인 (Oil stain)을 2회 바름으로써 목재가 부식되는 것을 방지하였다. 또한 실내는 목재 플로어링(Flooring) 및 흙 등 친환경적인 재료를 이용하여 마감하였다.
- 본 실험을 위해 구축된 Mock-up은 건물의 열손실을 줄임으로써 효과적인 난방이 가능하도록, 저에너지 하우스 수준의 에너지 성능을 목표로 계획·시공되었다. 이에 본 Mock-up의 건물에너지 성능을 평가하기 위해 독일 PHI(Passive House Institute)에서 개발한 PHPP(Passive House Planning Package)8)프로그램을 이용하였으며, 다음(Table 7)과 같은 기본 경계 조건을 적용하여 에너지 성능을 평가하였다.
- 이에 본 연구는 크게 3단계로 나누어 실험을 진행하였다. 첫째, 실험을 위해 필요한 Mock-Up을 계획·설계·시공하여 구축한다.
- 이에 본 연구에서는 저에너지 건물의 전면에 온실을 구성하여, 태양열에 의해 데워진 온실의 열을 실내 난방에 이용하였을 때의 난방효과를 분석하였다. 그 결과 실내 온도를 최고 평균 27.
- 태양열 집열부의 온도를 극대화하기 위해 검은색의 열흡수판을 설치하고, 집열부에서 2차 가열되어 고온·다습해진 공기가 실내에 위치한 열교환기로 유입될 수 있도록 지붕과 집열부를 연결해주는 덕트(Duct)를 설치한다. 이후 집열기 주변을 유리온실과 동일하게 온실 프레임과 유리를 설치하여 집열부를 구성하였다.
- 건물의 내구성을 높이기 위해 경량목구조와 중량목구조를 혼합한 구조를 사용하였으며, 기둥·보를 구성하고, 샛기둥(Stud) 세워 외벽을 구성하였다. 지붕은 유럽식 온 지붕(Warm roof) 방식으로 구성하였으며, 외벽 및 지붕의 외피면에 투습방수지를 설치하여 단열재를 물로부터 보호하고, 목재인 구조체의 내구성을 보안하였다.
- 넷째, 창호 및 기밀공사이다. 창호 설치 시 창호 주변의 단열 및 기밀한 시공이 이루어져야 하기 때문에, 본 Mock-up에서는 수성 연질 폼을 창호 주변 틈에 주입하여 단열시공하였고, 창호 주변을 따라 윈도우 랩을 부착하여 기밀한 시공을 하였다. 창호 뿐만 아니라 건물을 관통하여 외부로 연결되는 설비라인 주변이나, 특히 목조건물에서 부재와 부재가 만나는 부분 등 침기·누기가 발생할 수 있는 부분에 대해서는 모두 기밀 자재를 이용하여 기밀하도록 시공하였다.
- 첫째, 온실 구조체 공사이다. 철채프레임으로 된 가로 부재와 세로 부재의 맞댄이음과 볼트 고정을 통해 온실을 지지하는 구조체를 구성하고, 온실 지붕의 형태는 건물 지붕의 경사면을 따라 내려와 동일한 형태로 구성하였다.
- 첫째, 온실 구조체 공사이다. 철채프레임으로 된 가로 부재와 세로 부재의 맞댄이음과 볼트 고정을 통해 온실을 지지하는 구조체를 구성하고, 온실 지붕의 형태는 건물 지붕의 경사면을 따라 내려와 동일한 형태로 구성하였다.
- 첫째, 남향을 하고 있는 건물의 전면에 온실을 계획하여 건물과 온실 모두 남향함으로써 충분한 일사량을 획득할 수 있도록 설계하였다. 둘째, 온실 내부를 식재 및 조경공간으로 조성하고, 온실과 건물이 면한 벽체의 일부를 녹화함으로써 온실 내부에서 증발산이 활발히 일어날 수 있도록 계획하였다.
- 첫째, 실험을 위해 필요한 Mock-Up을 계획·설계·시공하여 구축한다.
- 다섯째, 난방 시스템 및 환기 설비 공사이다. 태양열 집열기에서 집열된 공기를 송풍시키기 위한 송풍기, 고온 다습한 공기의 열과 습기를 분리하기 위한 기수분리기와 열을 추출하기 위한 열교환기, 난방 공기를 공급하고 건물 내 환기를 위한 폐열회수환기장치, 열을 저장할 축열 탱크 등의 시설을 설치하고, 설비라인을 통해 연결하였다.
대상 데이터
- 1주일 중 3일은 Case1(창문 미개방) 실험을 진행하고, 이후 3일은 Case2(창문 개방) 실험이 진행되었으며, 나머지 하루는 Case2(창문 개방) 실험 이후 아직 내부에 잔열이 남아있을 경우 다음 이어질 실험의 실내 온도에 영향을 미칠 수 있는 상황을 고려하여, 실험을 진행하지 않았다. 건물의 실내 온도는 2층 회의실에 온도 측정 장비를 설치하여 측정하였으며, 실외 온도는 실험 당일의 기상청 기온 데이터(제천)를 이용하였다. 또한 실내 표면온도는 실내의 남측벽 중 햇빛이 직접적으로 비치지 않는 벽을 대상으로 열화상카메라를 이용하여 측정하였다.
- 본 연구를 위한 Mock-up은 크게 건물과 온실로 구성된다. 건물은 패시브하우스 디자인 요소7)를 적용하여 설계하였으며, 친환경 건축재료를 사용함으로써 건축재료 제작 시 발생되는 이산화탄소를 절감하고, 폐기 시 재료의 재사용 및 재활용이 가능하도록 계획하였다.
- 건물은 패시브하우스 디자인 요소7)를 적용하여 설계하였으며, 친환경 건축재료를 사용함으로써 건축재료 제작 시 발생되는 이산화탄소를 절감하고, 폐기 시 재료의 재사용 및 재활용이 가능하도록 계획하였다. 이에 건물의 구조체는 목재를 이용하였으며, 단열재로는 파쇄 종이를 주원료로 하는 셀룰로오스 단열재를 구조체 내부에 충전하였다. 건물의 구조는 국내의 잦아지는 지진에 대비하고, 일반 경량목구조에 내구성을 보완하기 위해 중량 목구조와 경량목구조를 혼합한 구조로 설계하였다.
이론/모형
- 셋째, 단열공사이다. 셀룰로오스 단열재를 벽체 내부에 충전하기 위해 내벽을 타공한 후, Blow-in 공법을 이용하여 벽체 내부에 셀룰로오스 단열재를 충전한다. 충전이 완료되면 단열재가 흘러나오지 않도록 타공 부위를 기밀테이프로 마감하였다.
성능/효과
- 1 ℃ 상승하였다. 결국 Case1(창문 미개방)과 Case2(창문 개방)에서 각자 상승한 실내 온도의 차이가 순수 온실의 열이 실내로 공급됨으로써 내부 온도가 상승한 수치라고 볼 수 있으며, 본 실험 결과 온실의 열을 통해 해당 건물의 실내 온도를 최고 6.8 ℃ 상승시키는 효과를 얻었다.
- 4도 상승한 것으로 나타났다. 결국 온실의 열을 난방에 이용함으로써 공기의 온도뿐만 아니라 구조체의 온도까지 평균 5.1 ℃ 상승시키는 것으로 나타났다.
- 이에 본 연구에서는 저에너지 건물의 전면에 온실을 구성하여, 태양열에 의해 데워진 온실의 열을 실내 난방에 이용하였을 때의 난방효과를 분석하였다. 그 결과 실내 온도를 최고 평균 27.8 ℃까지 상승시켰고, 온실의 열을 난방에 사용하지 않았을때 보다 최고 평균 6.8 ℃ 상승시켰으며, 실내 표면 온도 평균 5.1 ℃ 상승시킨 것으로 나타났다. 이는 3~4월의 경우 온실 열의 난방 활용가능성을 보여주는 결과로 판단되고, 저에너지하우스나 패시브하우스와 같은 에너지 저감형 건물의 경우 겨울철 18~20 ℃를 유지하기 때문에 겨울철에도 온실 열을 이용한 난방 활용 가능성이 있다고 판단되며, 추후 연구에서는 집중 난방기간인 12월~2월 기간의 실험을 진행할 예정이다.
- 넷째, 태양열 집열기에서 2차 가열된 고온·다습한 공기는 덕트(Duct)를 통해 열교환기로 유입된다.
- 첫째, 태양열에 의해 건물 전면에 구축된 온실의 내부 온도가 상승한다. 둘째, 온실 온도가 상승하면서 온실 내부의 식물에서 증발산 작용이 일어난다. 셋째, 증발된 고온의 습공기가 대류 현상에 의해 지붕의 집열기까지 상승한다.
- 5 ℃)까지의 구간을 말한다. 본 실험 결과 오전 10시~오후 2시까지 획득한 온실의 열이 모두 손실되는데 총 14 시간이 소요되었다.
- 셋째, 비난방 구간(오전 4시~오전 10시)으로, 온실을 통해 획득한 열이 모두 손실된 오전 4시부터 온실을 통한 열 획득이 가능한 오전 10시까지의 구간을 말하며, 본 실험 결과 난방이 이루어 지지 않는 시간이 총 6시간인 것으로 나타났다.
- 실내 표면 온도를 측정한 결과 오전 10시에는 평균 18 ℃, 오후 5시에는 평균 19.3 ℃로, 오전 10시 ~ 오후 5시까지 평균 실내 표면 온도가 1.3 ℃ 상승한 것으로 나타났다.
- 실내 표면 온도를 측정한 결과 창문을 개방하기 직전인 오전 10시에는 평균 16.9 ℃, 창문을 닫기 직전인 오후 5시에는 평균 23.3 ℃로, 오전 10시부터 오후 5시까지 평균 실내 표면 온도가 6.4 ℃ 상승한 것으로 나타났다.
- 1 ℃)까지 온도가 점차 하강했다. 오후 5시에 창문을 닫은 후부터는 계속해서 실내의 온도가 하강하는 모습을 보였으나, 오후 2시~오후 5시 구간에서의 실내 온도 하강 속도보다 느린 것을 확인할 수 있었다. 이는 오전 11시부터 오후 2시까지 온실의 열을 획득함으로써 따뜻해진 실내 온도가 오후 2시부터 오후 5시 구간에는 온실 온도와 비슷해지면서, 반대로 단열성능이 높은 건물의 실내 열이, 상대적으로 단열성능이 낮은 온실로 개방된 창문을 통해 열손실이 이루어지는 상황으로 볼 수 있으며, 이는 온실측 창문을 닫은 오후 5시 이후의 실외 온도는 점점 빠르게 하강하지만, 오히려 실내 온도는 오후 2시~ 오후 5시 구간보다 온도 하강 속도가 느린 것을 보면 그 결과를 더욱 명확히 판단할 수 있다.
- 이를 바탕으로 Mock-up의 건물에너지 성능을 분석한 결과 연간 난방에너지 요구량이 47 kWh/㎡·a인 것으로 평가되었으며, 이는 계획 당시 목표로 했던 저에너지하우스 수준9)의 에너지 성능을 만족한 결과라고 할 수 있다.
- 5 ℃의 차이를 보이는 것으로 나타났다. 이를 통해 Case1과 Case2가 매우 흡사한 외부 온도 조건에서 이루어진 실험 결과임을 확인할 수 있다. 이를 바탕으로 Case1(창문 미개방)과 Case2(창문 개방)의 실내 온도 변화를 비교한 결과 온도 변화 구간을 크게 세 가지로 나눌 수 있었다.
- 5 ℃의 큰 온도 변화폭을 보였으며, 하루 평균 실외 온도는 9 ℃인 것으로 나타났다. 이에 반해 당시 실내 온도 변화를 분석한 결과 실내 평균 최저 온도 18.6 ℃(오전 7시), 실내 평균 최고 온도 21.4 ℃(오후 5시)로 2.8 ℃의 작은 온도 변화폭을 보였으며, 하루 평균 실내 온도는 20 ℃인 것으로 나타났다. 시간별로 평균 실내 온도 변화를 살펴보면 크게 온도 상승 구간 (오전 10시~오후 6시)과 하강 구간(오후 6시~오전 10시)으로 나뉜다.
- ‘온실을 이용한 난방시스템’ 기본 원리는 7단계로 이루어져 있다. 첫째, 태양열에 의해 건물 전면에 구축된 온실의 내부 온도가 상승한다. 둘째, 온실 온도가 상승하면서 온실 내부의 식물에서 증발산 작용이 일어난다.
후속연구
- 4) 결국 효과적인 온실가스 감축을 위해서는 건물에서의 냉·난방에너지 소비량을 최소화할 수 있는 건축적 기술과 더불어, 친환경적인 에너지를 이용한 냉·난방 방안이 필요하다.
- 1 ℃ 상승시킨 것으로 나타났다. 이는 3~4월의 경우 온실 열의 난방 활용가능성을 보여주는 결과로 판단되고, 저에너지하우스나 패시브하우스와 같은 에너지 저감형 건물의 경우 겨울철 18~20 ℃를 유지하기 때문에 겨울철에도 온실 열을 이용한 난방 활용 가능성이 있다고 판단되며, 추후 연구에서는 집중 난방기간인 12월~2월 기간의 실험을 진행할 예정이다. 하지만 본 연구결과 에서도 볼 수 있듯이 태양열을 많이 획득할 수 있는 낮 시간과 태양열을 획득하지 못하는 밤 시간의 실내 온도 격차가 크고, 날씨가 흐린 경우 충분한 난방효과를 얻지 못한다는 것은 본 연구의 한계이다.
- 이는 3~4월의 경우 온실 열의 난방 활용가능성을 보여주는 결과로 판단되고, 저에너지하우스나 패시브하우스와 같은 에너지 저감형 건물의 경우 겨울철 18~20 ℃를 유지하기 때문에 겨울철에도 온실 열을 이용한 난방 활용 가능성이 있다고 판단되며, 추후 연구에서는 집중 난방기간인 12월~2월 기간의 실험을 진행할 예정이다. 하지만 본 연구결과 에서도 볼 수 있듯이 태양열을 많이 획득할 수 있는 낮 시간과 태양열을 획득하지 못하는 밤 시간의 실내 온도 격차가 크고, 날씨가 흐린 경우 충분한 난방효과를 얻지 못한다는 것은 본 연구의 한계이다. 이에 낮 시간 동안 최대한의 열을 획득할 수 있도록 온실의 열을 증폭시킬 수 있는 2차 가열장치, 열을 저장하여 이용할 수 있는 축열탱크, 필요한 만큼의 열을 조절하여 공급할 수 있는 공급 장치 등의 기술을 온실과 접목한다면 효과적인 난방이 가능할 것으로 판단되며, 현재 관련 연구가 진행 중에 있다.
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