KIEAE Journal

온실가스 중, 육불화황 (Sulfur Hexafluoride: SF₆)은 다른 온실가스보다 대기 중에 극소량으로 존재한다. 그러나 지구 온난화 영향지수는 이산화탄소 (Carbon dioxide: CO₂)의 약 23,900배 수준이며 그 증가율 또한 6대 온실가스 중 가장 높다. 이러한 가스는 1,200 ℃이상에서 분해되는 매우 안정적인 분자 형태를 가진다. 이로 인해 일단 SF₆ 가스가 대기 중으로 배출되면 자연분해 되는데 걸리는 시간이 매우 길며 인위적인 처리 또한 상당한 기술력을 필요로 한다[1]. 특히, 최근까지 SF₆에 대한 정확한 농도 측정뿐만 아니라 산업 활동 과정에서 배출되는 SF₆의 포집 및 저장 기술이 타 가스와 비교하여 매우 낮은 수준에 머물러 있다. 따라서 이러한 가스의 사용은 지구 온난화 방지를 위해 국내외적으로 다른 온실가스와 비교하여 더욱 강력하게 통제되고 있다. 그러나 최근 SF₆에 대한 정밀한 농도 측정과 더불어 분리회수, 전기가온, 연소, 산화, 그리고 플라즈마 분해 기술 등 산업으로부터 배출되는 과정에서 이를 포집 및 저장하는 기술들의 수준이 지속적으로 향상되고 있다[2-3]. 만약 SF₆ 가스에 대한 포집 및 저장 기술이 CO₂ 가스처럼 완성단계에 이른다면, 대기 중의 SF₆ 가스를 포집하여 지구 온난화를 완화시키데 큰 기여를 할 수 있을 것이다. 동시에 CCU (Carbon dioxide Capture & Utilization) 분야와 같이, SF₆ 가스를 자원화 시키기 위한 SCU (Sulfur hexaflouride Capture & Utilization) 산업 또한 빠르게 발전할 것으로 보인다.

이러한 관점에서, 본 연구에서는 SF₆ 가스를 자원화하기 위한 연구의 일환으로서 건물에서 SF₆ 가스를 활용해보고자 한다. SF₆ 가스는 절연 성능이 우수하기 때문에 온실가스로 통제되기 이전까지는 전기 및 통신, 그리고 반도체 분야에서 주로 이용되어왔다[1]. 그리나 순수한 SF₆ 가스는 그 자체로도 단열 성능이 우수하기 때문에, 기체 상태의 단열재를 필요로 하는 건축적 요소로의 적용이 가능하다. 건물에서 단열 재료로서 가스층이 이용될 수 있는 요소들은 그리 많지 않다. 그러나 벽체의 중공 층이나 창호의 복층유리에 SF₆을 삽입하는 것은 가능할 것이다. 이중, 벽체의 중공 층은 완전한 밀폐상태로 유지하는 것이 어렵기 때문에, 이러한 가스를 삽입하더라도 대기 중으로 다시 배출될 위험성이 매우 높다. 반면에, 창호의 복층유리는 단열 가스를 삽입하고 이를 밀폐시킬 수 있는 Edge sealing 기술을 적용하기 때문에, 완전한 밀폐 상태를 유지하면서 SF₆을 주입하는 것이 가능하다.

따라서 본 논문에서는 건물에 적용되는 창호의 복층유리에 단열가스로서 SF₆ 가스를 주입하여 본 가스의 단열 성능에 따른 건물의 에너지 소비량을 검토하고자한다. 이를 위해 현재 복층유리의 단열가스로서 폭넓게 활용되고 있는 air, Argon (Ar), Krypton (Kr) 가스 및 SF₆ 가스의 단열 성능을 서로 비교하였다. 이러한 분석을 위해 컴퓨터 시뮬레이션 방법이 도입되었다. 사용된 프로그램은 유리 및 창호 해석 프로그램인 Therm & Window 프로그램과 건물 에너지 분석 프로그램인 EnergyPlus이다. 시뮬레이션 과정의 경우, 우선 Therm & Window을 이용하여 SF₆ 가스를 주입한 복층유리를 형성한 후, 이를 EnegyPlus에서 모델링된 가상 건물에 적용하였다. 비교대상인 air, Ar, Kr 가스의 경우도 이와 동일한 과정을 적용하였다. 분석을 위해 도출된 데이터는 (1) 유리의 실내 측 표면온도 (2) 유리에 의한 에너지 손실 (3) 건물의 총 난방에너지 소비량 이상의 3가지 데이터이다. 아울러, 시뮬레이션에서의 모델링 과정과 결과 도출에 관한 전반적인 이론은 Therm & Window의 Technical and Programming과 EnergyPlus의 Engineering Reference를 참고하였다[4-5]. 특히, 에너지 소비의 관점에서 유리 시스템을 개발하기 위해서는 두 가지 측면으로 접근이 이루어져야 한다. 하나는 실내외 온도차와 유리 시스템의 열관류율 (U-value)에 따른 실내의 열손실 및 열취득의 분석이다. 다른 하나는 유리를 통해 실내로 직접 투사되는 유리의 일사투과, 즉 태양열 획득 계수 (Solar Heat Gain Coefficient: SHGC)에 대한 분석이다. 그러나 현재의 연구 단계에서는 SF₆ 가스의 단열 성능을 검증하는 것에 중점을 두었다. 따라서 일사의 직접 획득에 관한 SHGC의 분석은 본 연구의 검증이 마무리 된 이후, 수행될 것이다.

Fig. 1.은 SF₆을 주입한 복층유리의 구조 및 부위별 세부 사항을 나타낸다. 일반적인 복층유리와 같이, SF₆ 복층유리 또한 두 장의 판유리, 가스 층, 그리고 Edge sealing으로 형성된다. 특히, Edge sealing은 스페이서 바(Spacer bar) 및 흡습제 (Desiccant)를 포함한 1차 Sealing, 그리고 실리콘 재질의 2차 Sealing을 갖는다. 유리의 표면은 외부 측으로부터 내부 측 순으로 4개가 존재한다. 아울러, 유리 표면은 Edge sealing에서 열 손실이 가장 많이 일어나고 결로가 시작되는 부분인 유리의 Edge 부분과 표면 온도 분포가 비교적 동일한 유리의 Center부분으로 구분된다.

Fig. 1. 
The structure of the double paned glazing with SF₆ gas

EnergyPlus와 Therm & Window 프로그램에서 복층유리에 대한 계산 알고리즘은 동일하다. 또한 EnergyPlus에서는 Therm & Window의 입력 값들에 대한 ‘Import’기능을 제공한다. 따라서 이러한 복층유리를 EnergyPlus에서 분석하기 위해서는 Therm & Window를 통해 유리 및 프레임 부분이 우선 모델링되어야 한다. Table 1., 2., 3., 4.는 Therm & Window에서 모델링된 SF₆ 복층유리 및 프레임의 요소별 물성 값들을 나타낸다. 우선, 유리의 선택에서 Therm & Window 프로그램을 배포하는 LBNL (Lawrence Berkeley National Laboratory)은 세계 각국의 기업에서 생산되는 유리의 종류 및 특성들을 제공하고 있으며, 주기적으로 변경된 데이터를 배포하고 있다.(Windows & Daylighting, 2017) 본 시뮬레이션에서는 이러한 유리 중, ‘Pilkinton Ltd.’에서 생산하는 ‘5 mm low-emission glass’를 선정하였으며, 유리의 열적 및 광학적 특징은 Table 1.과 같다.

여기서, Tsol,1 및 Tsol,2은 유리 전후 면에서의 일사 투과율이며, Rsol,1 및 Rsol,2은 일사의 반사율을 나타낸다. 또한 Tvis,1 및 Tvis,2은 유리 전후 면에서의 가시광선 투과율을 의미하며, Rvis,1 및 Rvis,2는 가시광선 반사율이다. 아울러, Emis.1 및 Emis.2 는 유리 전후 면의 표면 방사율을 나타낸다.

또한 Table 2.는 표준대기압에서 SF₆ 가스 및 비교 가스들에 대한 열적 및 물리적 특성을 나타낸다. SF₆ 가스에 대한 단열 및 에너지 성능의 수준을 평가하기 위해, 기존의 복층유리에서 단열가스로서 폭넓게 이용되어온 air, Ar, Kr 가스를 주입한 복층유리가 비교대상으로서 모델링되었다.

아울러, Table 3., 4.는 복층유리의 가스층을 밀폐시키는 Edge sealing과 프레임에 대한 재료 및 특성을 나타낸다. 이러한 조건 하에 형성된 복층유리의 총 두께는 20 mm이며, 프레임의 돌출길이를 포함한 총 두께는 220 mm이다.

Fig. 7.은 난방기인 12월 1일 0:00부터 12월 4일 0:00까지 난방 및 비난방 시간대에서 실내 온도변화를 보여준다. 실내 설정온도를 22 ℃로 적용하였으며, 난방 시간대인 18:00부터 익일 8:00까지 22 ℃로 제어되는 것이 확인된다. 또한 비난방 시간대인 8:00부터 18:00까지 10 ℃이상을 유지하도록 설정하였으며, 이 역시 정상적으로 제어되는 것으로 나타났다.

Fig. 7. 
Hourly changes of indoor temperatures

난방기간 동안 실내에서 복층유리를 통한 에너지 손실 과정은 실내 공기로부터 내측 유리, 가스층, 그리고 외측 유리까지 순차적인 열전달을 통해 이동된다. 이러한 에너지 손실을 줄이기 위해서는 최조의 열전달 과정인 실내 공기와 내측 유리 사이에서의 열전달을 줄이는 것이 중요하다. 만약, 유리 및 실내외 환경 조건이 모두 동일하다면, 실내 공기와 내측 유리의 온도차를 최소화 시키는 것이 필수적일 것이다. 그러나 실내 공기 온도 즉, 난방 설정온도는 난방 시간대에서 거의 동일하게 유지된다. 따라서 유일한 변수인 내측 유리의 표면온도를 높게 유지하는 것이 유리를 통한 에너지 손실을 최소화 하는 방법이라 할 수 있다. 특히, 내측 유리의 온도를 높게 유지하기 위해서는 차가운 실외 환경이 내측 유리에 미치는 영향을 최소화 하는 것이 필요하다. 이때 복층유리에 주입된 가스의 단열 성능에 따라 내측 유리에 대한 실외 환경의 영향과 유리의 표면온도가 달라질 것이다. 다시 말해, 가스의 단열 성능이 우수할수록 내측 유리의 표면온도는 높게 유지시킬 수 있다. 이러한 관점에서, 시뮬레이션의 결과 중, 주입 가스에 따른 내측 유리의 표면온도를 비교하는 것은 복층유리 및 전체 창호에 의한 난방에너지 손실을 예측하는데 중요한 요소가 될 수 있다. 이러한 관점에서 내측 유리의 시간별 표면온도를 분석한 내용이 Fig. 8.에 나타나있다.

Fig. 8. 
Hourly changes of the surface temperatures

우선, 12월 1일 0:00부터 08:00까지 air, Ar, Kr 가스가 주입된 복층유리의 표면온도 분포는 각각 9.5~10.0 ℃, 10.2~10.6 ℃, 10.9~11.3 ℃인 것으로 나타났다. 또한 12월 1일 18:00부터 12월 2일 08:00 까지는 각각 7.5~9.0 ℃, 8.1~9.8 ℃, 8.8~10.5 ℃로 분석되었으며, 12월 2일 18부터 12월 3일 08:00까지는 각각 9.5~11.1 ℃, 10.0~11.6 ℃, 10.5~12.3 ℃로 분포되었다. 마지막으로 12월 3일 18:00부터 12월 4일 0:00까지 표면온도 분포는 각각 9.0~10.0 ℃, 9.5~10.5 ℃, 10.1~11.2 ℃인 것으로 나타났다. 이와 반면에, SF₆ 가스가 주입된 복층유리의 표면온도는 12월 1일 0:00부터 08:00까지는 9.9~10.3 ℃의 분포를 보였으며, 12월 1일 18:00부터 12월 2일 08:00까지는 7.8~9.3 ℃, 그리고 12월 2일 18:00부터 12월 3일 08:00까지는 9.8~11.7 ℃로 분포되었다. 아울러, 마지막 날인 12월 3일 18:00부터 12월 4일 0:00까지의 표면온도는 9.3~10.3 ℃사이에 분포한 것으로 나타났다. 결론적으로, 시뮬레이션 기간인 12월 1일 0:00부터 12월 4일 0:00까지 3일간의 난방 시간대에서 air를 주입한 복층유리의 표면온도는 최소 7.5에서 최대 11.3 ℃사이에 분포한 것으로 확인되었다. 또한 Ar 가스가 주입된 복층유리는 최소 8.1℃에서 최대 11.9 ℃사이에 분포하였으며, Kr 가스가 주입된 복층유리의 경우는 최소 8.8 ℃부터 최대 12.5 ℃사이에 분포하는 것으로 분석되었다. 이와 대조적으로, SF₆ 가스를 주입한 복층유리의 표면온도는 최소 7.8 ℃부터 최대 11.7 ℃까지의 범위를 나타냈으며, 이러한 온도 분포는 air와 Ar 가스를 주입한 복층유리의 표면온도들 사이에 위치하는 것으로 확인되었다. 따라서 SF₆ 가스의 단열 성능은 air와 Ar 가스의 중간 수준으로 판단할 수 있으며, 미세한 차이지만 air보다 Ar 가스에 좀 더 가까운 단열 성능을 발휘하는 것으로 분석되었다.

Fig. 9.는 SF₆ 및 air, Ar, Kr 가스가 주입된 복층유리에 의한 시간별 에너지 손실양을 나타낸다. 시뮬레이션 기간 중, 모든 난방 시간대에서 각 복층유리의 에너지 손실양은 약 0.3~0.8 kWh의 범위에 분포하였다. 각 가스별 분석의 경우, Kr 가스를 주입한 복층유리의 에너지 손실양이 가장 낮게 분포되었다. 그 외 Ar, SF₆, air 순인 것으로 나타났다. 특히, SF₆ 가스는 앞서 분석된 표면온도의 결과와 같이, air와 Ar 가스의 중간 수준으로 에너지 손실이 발생되는 것으로 나타났으며, Ar 가스의 경우에 좀 더 근접한 분포를 보였다.

Fig. 9. 
Hourly energy losses

또한 Fig. 10.은 이러한 4가지 가스의 복층유리가 적용된 건물에서 시뮬레이션 기간인 약 3일 동안 사용된 총 난방에너지 소비량를 나타낸다.

Fig. 10. 
Total heating energy consumed by the building

우선, air의 복층유리가 적용된 건물의 총 난방에너지 소비량은 265.08 kWh로서 가장 많은 에너지를 소비한 것으로 나타났다. 또한 SF₆의 경우는 263.87 kWh, Ar의 경우는 262.87 kWh, 그리고 Kr의 경우는 가장 낮은 260.51 kWh의 난방에너지를 소비한 것으로 분석되었다. 앞서 분석된 표면온도 및 시간별 에너지 손실의 결과와 같이, 총 난방에너지 소비에서도 SF₆ 가스의 경우는 air와 Ar 가스의 중간 수준인 것으로 확인되었으며, Ar 가스의 경우에 좀 더 근접한 것을 확인할 수 있었다.

이상의 결과를 종합할 때, SF₆ 가스는 단열가스로서 복층유리에 적용이 가능할 것으로 사료된다. 또한 air 및 Ar 가스의 중간 수준 혹은 Ar 가스와 유사한 단열 성능을 발휘할 수 있을 것으로 판단된다. 만약 SF₆ 가스의 포집 및 저장 기술의 개발 수준이 현재의 CO₂ 가스의 수준으로 향상된다면, 기존 창호에서 이용되어온 air 및 Ar를 SF₆ 가스로의 교체가 가능할 것으로 보인다. 아울러, 이러한 온실가스가 건물의 창호에서 이용된다면, 포집 혹은 저장된 온실가스를 자원으로 활용하는 것이 가능하다. 이와 더불어 산림이 CO₂를 흡수하는 온실가스 흡수체인 것처럼 건물 자체가 SF₆을 흡수하는 온실가스 흡수체로서 활용될 수 있을 것이다. 건물에서 복층유리는 필수적인 요소이다. 현재 보급된 총 건물에서 복층유리의 면적을 고려한다면, 건물이 SF₆ 가스를 흡수한 양이 상당할 것으로 보인다. 아울러 SF₆ 처리를 위한 비용 절감에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 단, SF₆ 가스는 지구온난화 지수가 상당히 높은 가스임으로, SF₆ 복층유리의 생산과 폐기 과정에서 가스가 대기 중으로 배출되지 않도록 완벽한 가스의 주입 및 회수 기술이 확보되어야 할 것으로 사료된다.