[논문]노후화된 대학 건물의 단열성능 향상 실험 및 경제성 평가

이정민; 소원호; 조경찬; 최동녁; 이권영

doi:10.5762/kais.2020.21.8.287

초록
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본 연구는 노후화된 대학 건물의 내부 단열 성능 향상에 대한 것으로, 대학교 건물 내 재실자의 생산성을 높이고 노후화된 건물의 단열효과를 높이기 위해 진행됐다. 본 논문은 한동대학교 느헤미야홀 건물 내 오피스 재실자의 단열 성능 향상에 대한 지속적인 요청에 응답하여 문제해결을 위해 진행된 연구라는 차별성을 가지고 있으며, 내부온도가 인접건물의 내부온도와 비교했을 때 낮음을 확인하여 연구 필요성에 대한 타당성을 검증하였다. 학교라는 건물의 특성을 고려해 내외부 단열 중 내부 단열을 주제로 단열재를 선택했다. 대학교 교수 오피스를 소형화시킨 모형 방을 만들어 시장에서 사용되는 내부 벽면 단열재를 설치해 실험을 진행했다. 실험 결과를 바탕으로 가열 시간과 실제 열전달 계수를 측정하여 단열효과를 분석하는 경제성 평가를 실시했다. 경제성 평가는 실험과 이론에 의해, 겨울철과 여름철 기준으로 각각 실시되었다. 연구결과, 느헤미야홀 60 개의 오피스에 아이소핑크(30 T)를 내 단열재로 도입하였을 때, 한 달에 겨울철에는 최대 총 1,071,600 원을 절약 할 수 있으며, 여름철에는 총 109,200 원을 절약할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study examined ways of improving the internal insulation performance of aging university buildings, and to enhance the convenience of occupants in university buildings and the insulation effect of aging buildings. This research was conducted to solve the problem of continuous requests for impro...

This study examined ways of improving the internal insulation performance of aging university buildings, and to enhance the convenience of occupants in university buildings and the insulation effect of aging buildings. This research was conducted to solve the problem of continuous requests for improving the insulation performance of office workers in the Nehemiah Hall building of Handong University. The results showed that the internal temperature of Nehemiah Hall was low compared to the internal temperature of the adjacent building. Considering the characteristics of the building, the university chose insulating materials under the theme of internal insulation. The experiment was conducted by installing internal wall insulation used in the market by producing a model room that miniaturized the university professor's office. Based on the experimental results, an economic evaluation was conducted to analyze the insulation effect by measuring the heating time and actual heat transmission coefficient. An economic evaluation was conducted by experiment and theory and on a winter and summer basis. According to the research, when an Isopink (30 T) was introduced as an internal insulation material in 60 offices of Nehemiah Hall, it could save up to 1,071,600 won in total during the winter season and 109,200 won during the summer season.

주제어

표/그림 (23)

그림 Fig. 1. Exterior of Nehemiah Hall
그림 Fig. 2. the inner corridor of the Nehemiah Hall.
표 Table 1. Thermal Flow Rate Table for Building Exterior Walls by Region[1]
표 Table 2. Thickness of Insulation Material in Southern Korea[1]
그림 Fig. 3. Small sized model room design for insulation testing
표 Table 3. Example of the calculation of total heat perfusion rate
그림 Fig. 4. Figure of chambers under experiments
그림 Fig. 5. Variation of T_air in the basic chamber
표 Table 4. Experimental variables
그림 Fig. 6. Variation of T_air, T_floor, T_s1, T_s2 in the Styrofoam(40 T) insulation chamber
표 Table 5. Results of basic chamber insulation experiment
표 Table 6. Results of the Styrofoam(40 T) insulation chamber experiment
표 Table 7. Results of the Isopink(30 T) insulation chamber experiment
그림 Fig. 7. Variation of T_air, T_floor, T_s1, T_s2 in the Isopink(30T) insulation chamber
표 Table 8. Types and areas of walls of Nehemiah Hall's office
표 Table 9. Heat transmission coefficient of no insulation Nehemiah Hall's office
표 Table 10. Heat loss rate according to types at no insulation
표 Table 11. Economic evaluation table by experiment
표 Table 12. Heat transmission coefficient table of Isopink(30 T) insulated in Nehemiah Hall's office
표 Table 13. Heat loss rate according to types at Isopink(30 T) insulated
표 Table 14. Economic evaluation table by substituting actual heat transmission coefficient of insulation materials
표 Table 16. Economic evaluation table by substituting actual heat transmission coefficient of insulation materials in the summer season
표 Table 15. Heat loss rate according to insulation in the summer season

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 외벽, 천장, 그리고 바닥의 단열 공사보다는 내벽 단열 시공을 통해 벽체 단열의 효율성을 높이는 연구가 가장 타당하다고 판단하였다. 이에 본 연구는 실제 사용되는 단열재로 내벽 단열 공사를 할 때, 단열 성능과 경제성을 판단하는데에 도움이 되는 자료를 제공하는 것을 목적으로 한다.

가설 설정

1. 벽의 균열을 통한 열 손실이 없다고 가정한다.
3. 실외 온도는 0 ℃로 가정한다.
4. 히터의 효율을 100%라고 가정한다.
5. 옆 방의 실내 온도는 10 ℃이며, 외부 공기에 영향을 받지 않는 단열 상태로 가정한다.
6. 실제 열전달 계수를 통한 경제성 평가 시, 내벽을 구성하는 재료를 최소한으로 가정한다.
입력 열량은 히터의 입력 열량에서 전체 벽을 통한 열 손실을 빼서 계산할 수 있다. 가정된 히터의 소비 전력은 4.5 KW 이다. 느헤미야 홀의 단열성능이 최소로 가정되어 많은 열 손실이 있기 때문에 히터의 용량은 계산의 편의를 위해 4.
(6))을 도입 하였다. 기본 챔버의 c_saving는 1이라고 가정하였다. c_saving은 단열이 된 챔버의 측정된 #을 단열이 되지 않은 기본 챔버의 #의 값으로 나눈 값으로 정의한다.
여름철에는 총 109,200 원을 한 달에 절약할 수 있다. 사무실과 더불어 강의실도 함께 단열한다면 절약 비용이 증가할 것이다. 실험 및 분석이 주어진 실험실 조건에 대해 간단하게 이루어졌지만, 단열재의 필요성은 사무실을 사용하는 재실자에게 미치는 편의성과 학교가 얻을 수 있는 경제적인 이익을 충분히 도출함을 통해, 확인할 수 있었다.

제안 방법

단열재를 부착하지 않은 기본 챔버와, 스티로폼(40 T), 아이소 핑크(30 T)로 단열한 챔버로 각 3~4회의 주기를 가지고 실험을 진행하여 단열재가 챔버의 미치는 단열 효과를 확인하였다. #는 아이소 핑크(30 T), 스티로폼(40 T), 기본 챔버 순서대로 짧았고, 주기는 아이소 핑크(30 T), 스티로폼(40 T), 기본 챔버 순서대로 시간이 길었다.
본 실험에서는 3 개의 챔버를 제조하고 2 개의 챔버를 각각 아이소 핑크(30 T)와 스티로폼(40 T)로 단열하여 3개의 챔버 사이의 온도 변화를 비교하였다. 기본 챔버는 Fig.
실험에 의한 경제성 평가와 동시에 단열재의 실제 열전달 계수를 이용하여 벽의 총 열전달 계수를 도출한 뒤 경제성 평가를 다시 수행하였다. Table 12.
Table 2. 와 같이 단열재의 허용 두께는 법적으로 정의된 표준에 기초하여야 하지만, 이 실험에서는 단열의 효과를 알아보는 것이 목표이기 때문에 시중에서 구할 수 있는 단열재를 이용하여 실험한 뒤 경제성 평가를 진행하였다.

대상 데이터

실제 크기의 축소 비율과 비례한 히터가 존재하지 않아 가열시간이 실제와 차이가 발생하지만, 내벽 단열효과의 여부를 측정하는데 문제가 없다고 판단되어진다. 내부 단열재로는 스티로폼(40 T)와 아이소 핑크(30 T)로 선정하였다. 그 이유는 시중에서 쉽게 구할 수 있는 단열 재료이며, 이 실험은 내부 단열의 타당성과 에너지 저감 효과를 확인하기 위함이므로 두께 선정에는 의의를 두지 않았기 때문에 당시 시중에서 구할 수 있는 두께로 선정하였다.
느헤미야 홀을 실현할 수 있는 챔버를 설계하여 단열 실험을 진행하였다. 스티로폼(40 T)와 아이소 핑크(30 T)를 단열재로 사용하였다.
그러나 20여 년 전 준공된 건물이라 단열 성능 기준표와 단열계획이 기록되어 있지 않았다. 따라서 2019년 건설된 한동대학교의 Ban Ki-moon Global Education Institute in Support of UNAI(GEI) 건물 단열 성능기준표와 단열 계획표를 참조하여 현재의 연구·실험 기준 조건을 선정했다[6].
본 실험은 앞서 언급했듯이 느헤미야 홀 교수 오피스의 단열성능저하 및 재실자의 편의성을 개선시키기 위해 교수 오피스를 실험 대상으로 선정하였다. 실험은 작은 크기의 모형 방으로 구현하여 진행하였다.
선택된 단열재는 아이소 핑크(30 T)와 스티로폼(40 T)이다. 두 재료 모두 저렴한 가격에 상업적으로 이용할 수 있는 단열재이다.
느헤미야 홀을 실현할 수 있는 챔버를 설계하여 단열 실험을 진행하였다. 스티로폼(40 T)와 아이소 핑크(30 T)를 단열재로 사용하였다. 실험 결과, 단열효과는 아이소 핑크(30 T)가 가장 좋았다.

데이터처리

단열이 되지 않은 경우의 t_heat와 실험에서 얻은 c_saving을 이용하여 경제성 평가를 진행하였다. Table 11.

성능/효과

2. 실내의 초기 온도는 10 ℃이고 목표 온도는 25 ℃이다.
#는 아이소 핑크(30 T), 스티로폼(40 T), 기본 챔버 순서대로 짧았고, 주기는 아이소 핑크(30 T), 스티로폼(40 T), 기본 챔버 순서대로 시간이 길었다. 결과적으로 아이소 핑크(30 T)가 실험군 중 가장 좋은 단열 효과를 나타낸다는 것을 확인하였다. 본래 아이소 핑크(30 T)와 스티로폼(40 T)의 열전달 계수는 동일하지만, 실험에서는 약간의 차이가 발생했다.
372 MJ/Day, 비용 절감은 91 Won/Day이다. 결과적으로 여름철에 아이소 핑크(30 T)로 단열할 경우 사무실에서 한 달에(냉각기 가동일 수 : 20 일) 1,820원을 절약할 수 있다. 계산 결과는 Table 15.
또한 천장(지붕)과 바닥의 공사는 내벽 단열 공사보다 비교적 복잡하다. 따라서, 외벽, 천장, 그리고 바닥의 단열 공사보다는 내벽 단열 시공을 통해 벽체 단열의 효율성을 높이는 연구가 가장 타당하다고 판단하였다. 이에 본 연구는 실제 사용되는 단열재로 내벽 단열 공사를 할 때, 단열 성능과 경제성을 판단하는데에 도움이 되는 자료를 제공하는 것을 목적으로 한다.
스티로폼(40 T)와 아이소 핑크(30 T)를 단열재로 사용하였다. 실험 결과, 단열효과는 아이소 핑크(30 T)가 가장 좋았다.
사무실과 더불어 강의실도 함께 단열한다면 절약 비용이 증가할 것이다. 실험 및 분석이 주어진 실험실 조건에 대해 간단하게 이루어졌지만, 단열재의 필요성은 사무실을 사용하는 재실자에게 미치는 편의성과 학교가 얻을 수 있는 경제적인 이익을 충분히 도출함을 통해, 확인할 수 있었다. 하지만, 본 논문은 에너지 저감 효과만을 연구의 범위로 한정한 한계가 존재하여 추후 연구의 실용성을 위해 단열재별의 재료, 시공비 등의 요소가 고려된 경제성 평가가 이루어져야 할 것이다.

후속연구

한동대학교 개교 당시 건립된 느헤미야홀은 현재의 ‘건축에너지 절약설계기준’에 비해 20년 정도 이전의 설계구조로 구성되어 있다. 따라서, 느헤미야 홀의 최적 단열 설계는 현재의 에너지 절약 설계 기준에 따라 연구되어야 한다. 이에 앞서, 느헤미야 홀의 기존 단열 시공 계획도와 단열 성능이 파악되어야 한다.
하지만, 복도에 햇빛이 들어오지 않아서 인접한 뉴턴홀과 비교해 보았을 때, 3 ℃가량 온도가 낮았고, 낮은 복도 온도의 영향을 받아 교수 오피스 역시 온도가 낮아짐을 알 수 있다. 이러한 이유를 바탕으로 느헤미야 홀 단열재의 필요성에 의해 연구를 제안한다. 기존 연구[5]에서는 공공 건축물 외벽의 단열 성능을 분석하고 단열 리모델링 시기를 제공하는 연구가 주로 진행되었다.
실험 및 분석이 주어진 실험실 조건에 대해 간단하게 이루어졌지만, 단열재의 필요성은 사무실을 사용하는 재실자에게 미치는 편의성과 학교가 얻을 수 있는 경제적인 이익을 충분히 도출함을 통해, 확인할 수 있었다. 하지만, 본 논문은 에너지 저감 효과만을 연구의 범위로 한정한 한계가 존재하여 추후 연구의 실용성을 위해 단열재별의 재료, 시공비 등의 요소가 고려된 경제성 평가가 이루어져야 할 것이다. 또한, 실제 단열 시공을 할 때, 지역별 허용 열 관류율 표를 확인하고 단열재의 두께와 종류를 선정할 필요가 있으며, 바닥 단열에 적합한 단열재도 선택해야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내에서 2018년 9월 1일 시행되어 건축물의 단열기준을 패시브하우스 수준으로 높이게 한 것은?	에너지 수입과 사용은 나라의 경제에 큰 영향을 미치고 있으며, 건물 단열성능 향상과 에너지 절약 기준 제고를 위한 노력이 이루어지고 있다. 국내에서는 2018년 9월 1일 시행된 "건축에너지절약설계기준"으로 건축물의 단열기준을 독일의 에너지 절약형 주택 모델인 패시브하우스 수준으로 높이고, 지역을 보다 더 세부적으로 구분하여 지역 요건에 맞게 설계할 수 있도록 하였다[1]. 이것은 건물 단열재를 통한 에너지 절약을 위한 국가적 노력이 이루어지고 있음을 보여준다.
	경제성 평가를 수행하기 위해 세운 가정은?	1. 벽의 균열을 통한 열 손실이 없다고 가정한다. 2. 실내의 초기 온도는 10 ℃이고 목표 온도는 25 ℃이다. 3. 실외 온도는 0 ℃로 가정한다. 4. 히터의 효율을 100%라고 가정한다. 5. 옆 방의 실내 온도는 10 ℃이며, 외부 공기에 영향을 받지 않는 단열 상태로 가정한다. 6. 실제 열전달 계수를 통한 경제성 평가 시, 내벽을 구성하는 재료를 최소한으로 가정한다.
	2020년까지 온실가스를 30% 감축하기 위해 시행한 것은?	이것은 건물 단열재를 통한 에너지 절약을 위한 국가적 노력이 이루어지고 있음을 보여준다. 또한, 2020년까지 온실가스를 30% 감축하기 위해 2009년 11월 ‘온실가스 에너지 목표 관리 시스템’을 시행했다[2]. 이러한 측면에서, 에너지 손실을 줄이기 위해 냉난방기기를 제한하여 재실자의 편의성을 저해하기보다, 노후화된 단열재를 재조정하여 편의성과 에너지 손실을 동시에 해결하는 방안이 추진되고 있다[3].

참고문헌 (7)

Ministry of Land. Infrastructure and Transport (Green Architecture), "Standard for Energy Saving Design of Buildings", Notice No. 2014-520 of the Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2014.
Ministry of Environment, "Guidelines for the operation of greenhouse gas and energy target management in the public sector", January. 2018.
M-S. Mohsen, B-A. Akash, "Some prospects of energy savings in buildings", Journal of Energy Conversion and Management, vol. 42, no.11, pp. 1307-1315, July. 2001. DOI: https://doi.org/10.1016/S0196-8904(00)00140-0

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R. Lollint, B. Barozzi, G. Fasano, I. Meroni, M. Zinzi, "Optimization of opaque components of the building envelope Energy economic and environmental issues", Journal of Building and Environment, vol. 41, no.8, pp. 1001-1013, August. 2006. DOI: https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2005.11.011

상세보기
S-H. Ryu, J-H. Ryu, W-H. Hong, "A Study on Timing Estimation for the Thermal Insulation Remodeling by AnalyzingAnnual Variation of Exterior Walls Thermal Insulation Performance in Public Buildings", Journal of the architechtural institute of Korea, vol. 31, no.7, 8, pp. 163-171, July. 2015. DOI: https://doi.org/10.5659/JAIK_PD.2015.31.7.163
M four Architecture, "Standard table of insulation performance1", Handong Global University GEI New Construction, Drawing number. A0.43-44, 2018.
E-J. Huh, H-G. Jeong, D-S. Song, "A Study on the Field Test Method for Thermal Performance of Building Envelope", Journal of the Korea Society of Mechanical Engineers 2012 Summer Conference, pp. 185-189, May. 2012

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