KIEAE Journal

우리나라의 연간 에너지 소비량은 IEA 2009년 기준으로 총 229.2 백만toe¹⁾로 세계 11위에 해당하며²⁾, 이 중 가정부문과 상업공공부문을 합하여 건축물에서 사용되는 에너지소비량은 국가 전체 소비량의 약 25%에 달한다.³⁾

건축부문에너지 소비량 중에서 약 50%(전체 에너지소비원의 12.9%)의 에너지를 가정 부문에서 소비하며, 약 32%의 에너지를 단독주택에서 소비하고 있는 것으로 나타났다⁴⁾. 또한 사용되는 주거용 건물의 에너지원 중 약 91%가 석유류에서 비롯됨으로써 화석연료에 크게 의존하고 있다.

뿐만 아니라 단독 주거 형태가 주를 이루고 있는 농촌지역이 도시지역보다 등유계 열원소비를 더 많이 소비하는 것으로 나타나고 있다. 즉 유가상승에 대한 직접적인 영향을 농촌지역에서 더욱 민감하게 받고 있다는 반증이기도 하다.

따라서 단독 주거 건물의 에너지 절감을 위해서는 기존건물에서 난방에너지를 90% 이상 절감할 수 있고 주거의 쾌적성을 확보할 수 있는 패시브 하우스 디자인 요소를 고려하여 건물에서의 유지 관리 비용과 에너지 사용비용을 절감하는 방안을 모색할 필요성이 있다.

이러한 건축물 에너지 절감방안을 적용하기 위해서는 패시브 하우스 디자인 요소를 고려한 주거건물의 난방에너지 소비량의 실질모니터링 분석이 필요하며, 실질적인 국내 기후에 적용 가능성에 대한 분석이 뒷받침되어야 한다.

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.

본 연구의 범위는 농촌지역에 패시브 하우스 디자인 요소를 적용한 단독건물을 시공하여 설계 시 계획한 에너지 성능평가와 시공 후 성능평가를 비교 분석하고, 실내 환경모니터링 및 실질 난방에너지 사용량을 측정하여 분석하는 것을 연구의 범위로 삼는다.

연구의 방법은 다음과 같다.

첫째, 패시브 하우스 디자인 요소를 적용한 건축모델의 에너지 시뮬레이션을 실시하여 기밀 테스트 값을 고려한 시공 전, 후의 에너지 시뮬레이션을 비교 분석한다.

둘째, 에너지 시뮬레이션 시 적용된 실내온도를 적용하여 실제 주택의 실내 환경 변화를 모니터링하고 폐열회수 환기장치의 가동 유무를 고려한 실내 환경 변화를 분석한다.

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.

본 연구에 앞서 관련 연구동향을 고찰한 결과 패시브 디자인 요소를 적용하여 난방에너지 소요량에 대한 모니터링을 실시한 연구는 국외에서 진행된 독일 최초의 패시브 하우스인 다름슈타트 패시브 하우스를 시작으로 유럽 각지에서 패시브 하우스 시범보급사업인 CEPHEUS(Cost Efficient Passive House as European Standards)프로젝트가 2001년에 완료된 사례가 있다. 본 CEPHEUS 프로젝트에서는 유럽 5개국(독일, 스웨덴, 오스트리아, 스위스, 프랑스)이 참여하여 모니터링이 이루어진 프로젝트이다.

반면 국내에서는 한국 패시브 하우스 구축을 위한 단열구조체를 선정하여 난방에너지 소비특성(강재식 외 3인, 2009)을 분석한 연구와 농어촌 주택 표준모델의 설계 도서를 기반으로 냉·난방에너지 요구량을 분석(이찬규 외 1인, 2012)하는 연구가 진행되고 있는 수준이다.

즉 국내 선행 연구들은 대부분 패시브 하우스를 위한 요소의 적용 가능성과 개별 구조체에 대한 시뮬레이션 연구가 진행되고 있는 실정이며, 실질적인 패시브 하우스 디자인 요소를 적용한 주택의 시뮬레이션과 실질에너지 소요량을 비교하기 위하여 모니터링을 실시한 연구는 미흡한 상태이다.

따라서 패시브 하우스 디자인을 적용한 주택의 에너지저감 타당성 제시를 위하여 패시브 하우스 보급에 중추적인 역할을 수행했던 CEPHEUS 프로젝트와 같이 에너지 시뮬레이션과 실질 에너지 소비량 모니터링을 실시하여 비교분석하는 연구가 필요한 실정이다.

패시브 하우스는 독일 PHI (Passive House Institute)에서 처음 정의된 개념으로써 건축물의 외피를 고기밀, 고단열 형태로 구축하여 ‘전통적인 기계 냉・난방 설비가 필요없이 여름철과 겨울철에 쾌적한 실내 환경을 제공하는 건물’로 정의하였다.

보다 구체적으로 패시브 하우스는 연간 난방 에너지 요구량이 15kWh/㎡·a⁵⁾ 이하이며, 냉·난방·급탕·전기를 포함한 1차에너지 소요량은 120kWh/㎡.a 이하를 필수조건 (prerequisite)으로 규정하고 있다. 또한 <표 2-1>과 같이 세부적인 구조체의 열성능과 설비유닛의 효율을 요구조건 으로 명시하고 있다.

본 연구에서는 건물의 에너지 성능을 분석하기 위하여 계획단계에서 적용된 각 구조체의 열성능 및 시공 시에 적용된 재료의 시험 성적서를 기반으로 최종 에너지 성능을 분석하였다.

최초 설계단계에서의 에너지 성능평가는 기밀 측정값을 제외한 에너지 성능을 분석하였고, 시공이 완료된 시점에서 기밀테스트(Blower Door Test)를 현장 실측하여 실측값을 적용하여 최종 분석하였다.

따라서 건물 에너지 성능평가는 기밀 측정값의 적용 유무에 따라 비교 분석하였으며 실내온도 및 습도변화에 의한 난방에너지 사용량 분석도 기밀테스트를 측정한 이후 부터 실내 환경모니터링을 실시하였다.

PHPP:2007을 통한 건축물 에너지 성능평가를 수행하기 위하여 <표 3-5>와 같은 기본 경계조건을 적용하였다.

다음 <그림 3-1>부터 <그림 3-3>까지는 기밀 측정값의 유무에 따른 건물 에너지 성능 평가를 실시한 내용이다.

그림 3-1. 
기밀 측정값을 배제한 건물 에너지 성능평가

그림 3-2. 
기밀 성능 0.6회/h을 적용한 건물 에너지 성능평가

그림 3-3. 
현장 기밀 측정값을 적용한 건물 에너지 성능평가

<그림 3-1>에서 보는 바와 같이 기밀성능을 제외한 건물에너지 성능은 난방에너지 요구량이 13(kWh/㎡a), 1차에너지 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 하우스인증기준에 부합한 성능으로 검토되었다.

그러나 <그림 3-3>과 같이 현장 기밀테스트를 실시한 결과, n50일 때 시간당 1.2회의 성능으로 측정되었으며, 이측정값을 대입한 난방에너지 요구량은 기밀성능이 0.6회 일때 보다 약 26% 증가된 19(kWh/㎡a), 1차에너지 소요량은 117(kWh/㎡a)로 패시브 하우스 인증조건에 부합하지 않는 건물에너지 성능으로 평가되었다.

따라서 설계 계획상의 건물 에너지 성능 평가는 패시브 디자인 요소를 적용하였을 경우 패시브 하우스 인증기준에 부합하였으나, 시공과정에서 발생한 시공오차에 의한 기밀성능 저하로 인하여 패시브 하우스 인증 기준을 만족하지 못하였다.

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.

<표 4-2>에서 <표 4-7>까지는 각 위치별 실내 환경 모니터링 결과 값을 나타낸 그래프이다.

각각 약 3주간에 걸친 측정값을 분석한 결과, 실내온도는 약 19∼27℃의 변화폭을 나타냈고, 주간에는 남측면 실들의 온도가 실내 고정온도보다 높아졌다. 이는 창호의 일사획득에 의한 패시브 난방이 이루어진 것으로 사료된다. 반면 설정온도보다 낮은 실들은 화장실과 다락층으로서 대부분 일사획득이 직접적으로 일어나지 않고 직접난방이 없는 공간에서 온도의 편차가 발생된 것으로 사료된다.

또한 환기장치의 가동여부에 따라 실내 온도의 변화 진폭주기가 낮아지는 현상이 발생되었고 습도의 변화량 또한 현저한 차이를 보였다.

상기 <표 4-8>과 같은 결과의 원인은 환기장치 미가동시 기밀한 건물 조건 때문에 외부의 건조한 공기와 교환이 이루어지지 않아 상대적으로 높은 습도를 유지한 것으로 사료된다.

환기장치의 가동시에는 유입공기의 온도편차에 의한 잦은 난방기기의 작동이 발생된 것으로 사료되며, 습도의 변화는 외부의 낮은 습도 교환으로 인한 실내습도의 변화로 분석된다.

환기장치의 미가동시 약 55∼72%의 내부습도는 실내 쾌적 범위 습도를 넘어 자칫 상대적으로 열성능이 낮은 부위 또는 단열재 내부에 결로가 발생될 수 있는 상당히 높은 습도 수준이다. 그러나 환기장치의 가동 시 평균적으로 38∼55% 사이의 습도영역을 유지함으로서 쾌적한 수준의 습도에 머무는 것으로 분석되었다.

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.

본 연구에서 난방에너지의 사용량을 분석하기 위하여 상기의 실내 환경 모니터링과 같은 시기에 사용된 난방열원의 사용량을 실측하였고 측정된 열원(LPG)을 기준으로 타열원을 사용할 경우에 대한 열원사용량을 예측·분석하였다. 난방에너지 분석을 위해서 각 열원의 순발열량과 발열량별 단가를 고려하여 최종 사용량을 산출하였다.¹⁵⁾

<표 4-9>과 <표 4-10>는 열원별 순발열량 기준과 폐열회수 환기장치의 가동여부에 따른 LPG열원의 사용량을 나타낸 표이다.