KIEAE Journal

최근 전세계는 지구온난화에 따른 기후변화에 대응하기 위한 다양한 대응방법을 모색하고 있고, 이에 대한 대응책으로 화석에너지의 관리를 통해 기후변화에 대처하고자 하고 있다. 하지만 이에 국내에서도 국가의 사회 경제적 상황 등을 고려할 때 산업과 운송관련 에너지의 감축보다는 국가 에너지 소비량의 약 23%, 국가 온실가스 배출량의 약 25% 이상을 차지하고 장기적으로는 선진국 수준인 40%까지 온실가스 배출증가가 예상되는 현시점¹⁾에서 건축분야의 건물에너지 소비량을 줄이기 위해 다양한 연구와 정책 및 제도 등을 실시하고 있다. 이에 국내 또한 2008년 현 정부에서도 녹색성장에 대한 의지 표명 아래 녹색성장을 위한 방법을 다각적으로 모색하고 있지만 주택의 경우 수요계층의 다양함이라는 특징을 가지고 있는 특성상 에너지절감을 위한 자재의 기준 및 제도, 제품 시장의 미활성화로 기존 건축 초기투자비용보다도 더 많은 비용을 지불하게 됨에 따라 소형주택의 실질적 공사를 담당하는 업체 및 건축주들이 필요성을 느끼지 않고 인식의 변화 또한 더디고 있는 실정이다. 특히 현재 건축설계분야에서도 국내 설계시장의 수익 구조상 특수성을 고려한 정량적 기준에 의한 설계보다는 그간의 경험치에 의한 정성적인 설계가 주를 이루고 있어 에너지 저감에 대한 보급 및 인식에 어려움이 있다고 볼 수 있다.

또한 관련 연구분야에서도 건축물 에너지 저감과 관련한 다양한 친환경 제도와 기술연구 그리고 건축물 구성요소별로 다양한 기술적 연구 등이 진행되었고, 일정이상의성과를 가져왔음은 부정할 수 없다 하지만 이들 결과는 제도 및 기술과 관련한 선도적 연구 결과들로서 건축물의 에너지 관련 규제가 공공건축물이나 공동주택에 비해 미비한 중산층이하의 거주로 이루어지는 지방도시근교 소형주택들의 경우 이들 기술을 적용하기에는 현실적, 경제적 무리가 있는 실정이다.

그래서 지방 소규모 설계시장의 경우 에너지 저감 관련 각종 법적 최소기준에 대한 충족된 설계를 할 뿐 적극적인 설계가 다양한 변수에 의해 이루어지지 못하고 있다. 물론 유럽의 경우 패시브하우스라는 사례가 있기는 하지만 이들 기준의 경우 현재의 국내 건축시장 특히 소형주택의 경우에는 시공비의 현실적 괴리 떄문에 이에 대한 적용이 쉽지 많은 않은 상황이다.

따라서 국내의 친환경 에너지 저감형 자재 및 제품 시장의 활성화가 이루어지기 이전의 과도기적 상황인 현재의 여건과 현황을 고려한 적정한 대안을 모색하는 것도 추후 친환경 주거를 보급하는데 하나의 방법일 것이다.

이에 본 연구에서는 지방도시 소규모 건축사사무소의 실무자들을 대상으로 패시브디자인에 있어서 주요한 기술 중 하나인 외피구성의 실제적 설계현황을 조사한 후 그 결과를 바탕으로 현재 사용되는 외피구성방식별 단열성능향상 범위안에서 각각의 열적, 경제적 적정성을 파악함으로서 추후 소형주택 설계 관련 기초자료를 제공하고자 함을 본 연구의 목적으로 한다.

본 연구에서는 광주광역시 경계부 인접 시·군의 건축허가대상이며 약 120㎡의 규모 단독주택²⁾에 대해 일반적으로 건축설계 관련 주도적 참여가 이루어지는 광주광역시 및 인접시군의 3인이하 소규모 건축사사무소에서 건축주와의 의견교환을 통해 설계변수 결정에 주도적 역할을 한다고 판단되는 실무경력 5년 이상인 건축사사무소 실무자를 대상으로 최근 해당 단독주택 설계시 주로 적용하는 외피 설계현황을 설문조사하였다.

이는 현재 단독주택의 경우 해당지역 건축사사무소들은 지방에 밀착된 형태로 설계활동이 이루어지고 있다. 그리고 최근 다양한 연구와 기술개발들을 통해 수 많은 에너지절감을 위한 방안들이 있지만 실제로 단독주택의 에너지절감을 위한 내용을 담당하고 있는 곳은 소규모 설계사무소이기 때문에 단독주택 관련 에너지 절감을 위한 근본적인 실마리는 오히려 소규모 건축사사무소가 가지고 있으며, 설계자에 의한 디자인의 실태를 파악하는 일이 이후의 새로운 개선책을 유도하는 단서가 될 것이라 생각된다.

건축물의 패시브디자인에서 가장 기본이 되는 요소는 외피의 구성이며 외피의 구성에서 가장 우선시 되는 것은 단열재의 사용이다. 그리고 외피에 있어서 창호의 경우 그성능차에 따라 추가투자비용의 증가율이 매우 높기 때문에 적용상에 있어 가격의 현실화가 필요한 실정이다.

따라서 본 연구의 설문조사는 외피 부위 중 외벽, 지붕, 최하층 바닥에 대해 최근 가장 많이 사용하는 구성에 대해 주관식으로 재료마감을 답하도록 하였다.

설문조사는 2012년 12월 1개월간 설문조사를 통해 조사하였으며 총 설문지를 150부를 배포하고, 이중 유효한 설문지는 108부 추출하였다.

그리고 설문에 대한 분석은 Excel을 사용하여, 빈도분석, 평균값 분석을 하였다.

본 연구의 대상인 단독주택은 도시근교 도시가스가 공급되지 않고, 기름보일러를 사용하는 약 120㎡의 규모의 단층형 단독주택으로 한정하였고, 건축물 형태와 외피 마감재의 경우 여타 건축물에 비해 그 다양함을 보이고 있는 관계로 추가적으로 외벽체의 경우는 마감재, 지붕의 경우는 지붕의 형태와 지붕마감재를 고려하였다. 그리고 최하층의 바닥은 공히 온수난방시스템을 사용하고, 있기에 단열재의 종류와 두께만을 고려하였다.

또한 조사결과 가장 많은 빈도를 보이는 건축물 외피의 각 부위별 단열재 종류와 두께를 기준으로 조사된 단열두께 범주 안에서 증가되는 단열재의 추가비용과 난방에너지 절감량³⁾을 고려하여 이들 추가 비용의 회수 여부에 대해 현재가치지수를 반영하여 분석하였다.

패시브의 사전적 의미로는 수동, 피동, 소극적이라는 뜻을 가지고 있다. 그 뜻을 건축적 디자인 측면에서 의역하자면 궁극적으로 유한에너지의 소비적인 이용과 부가적인 환경오염 없이 에너지절감을 목적으로 태양과 바람 비 등 자연 그대로의 에너지를 대지의 특성, 위치, 형태, 방향, 방위, 높이, 식물의 식재와 수공간 등 기후 환경과 건물의 자재, 단열, 창호, 환기 통풍, 재활용 및 인간과 내부 가전기기의 발열을 고려하여 빛과 열, 기류, 우수 등을 자연스럽게 최대한 받아들이고 차단 조절 이용함으로써 가급적 액티브한 고효율 설비나 장치의 의 의존 없이 에너지 사용량을 최소화시키고 동시에 쾌적한 실내환경을 조성하고자 하는 의미를 지닌다.⁴⁾

다시 말해 패시브디자인은 태양열, 태양광, 바람 등의 미시기후의 원리를 설계단계에서 디자인에 적용하여 건축물의 냉난방 부하를 저감시키며 공간의 쾌적성을 향상시키는 기법이다. 이에 반해 액티브디자인은 보다 적극적으로 자연에너지를 물리적 시스템에 연계하여 건축물에 적용하는 기법이다.

즉 패시브 디자인은 자연의 요소만으로 설계하며 다른기계적 시스템을 사용하지 않고 원리를 중심으로 디자인에 포함시켜 설계하는 기법이며 액티브디자인은 이러한 원리를 제품화하여 시스템으로 만들어서 건축물에 사용하는 디자인이다.⁵⁾

그래서 일반반적으로 에너지 저감을 위한 방법으로 패시브한 방법의 사용을 우선시하고 추가적으로 부족한 부분들에 대한 내용을 액티브 디자인으로 보완해가는 접근방법이 일반적이다.

건축물의 패시브디자인과 관련하여 일반적으로 배치 및 대지활용계획, 건축물 형태 및 단면계획, 공간프로그램 및 실내계획, 외피계획, 조경계획 패시브건축물의 주된 계획요소로 볼 수 있다.⁶⁾

이중 외피성능을 최대로 확보하는 것은 통상적인 설계방식에서도 충분히 수행할 수 있는 것이고 에너지 절감전략 수립에서 가장 기본적인 전략은 외피선응 최대화다. 세계 각 국이 불투명자재들의 열관류율과 투명자재들의 태양열 획득계수에 관한 규정들을 제정하고 있는 것은 외피성능이 건축물의 에너지 성능에 있어서의 보편성을 반증한다.⁷⁾

일반적으로 외피최적화에 있어 건축물의 형태와 창호크기 등의 최적화, 건축물 내부의 열 유지와 과열방지에 대한 단열, 열획득과 자연채광 활용이라는 측면에서의 창호성능 부분으로 크게 볼 수 있다.

이들 내용의 현실적용과 관련하여 건축물의 형태와 창호의 크기 등은 건축주의 개인적 취향이나 거주 특성 등의 다양한 변수들에 의해 변화 가능한 내용이고, 열획득 및 자연채광과 관련한 창호의 경우는 비용적 문제가 걸림돌이 되고 있다 하지만 열 유지와 과열방지를 위해 단열성능의 보강의 경우 가장 적은 추가비용으로 온도를 관리할 수 있는 용이한 방법으로 볼 수 있으며 국내 건축시장의 여건을 고려할 때 최우선적 고려사항으로 볼 수 있다.

이에 국외 사례 중 패시브디자인의 실질적 상용화를 이룬 독일의 패시브하우스에서 다루어지는 외피구성의 부위별 단열기준과 국내의 외피관련 부위별 단열기준을 비교해보면 확연한 차이를 볼 수 있다. 특히 국내의 일반 주거용 건축물 단열기준은 패시브하우스의 단열기준에 크게 미치지 못함을 알 수 있다.

따라서 본 연구의 대상이 중산층이하가 거주하는 지방도시근교의 단독주택임을 고려할 때 패시브디자인과 관련 하여 과도기적인 국내 관련 자재시장의 현실을 고려할 때 현실적으로 적정비용을 투자해서 가시적인 성과를 거둘 수 있는 단열성능의 향상을 중심으로 이들의 성능향상에 대한 열적 경제적 적성성을 검토해 보는 것도 의의가 있는 것이라고 생각된다.

본 연구는 건축물 외피 단열성능 관련 최상 조건과 성능에 대한 연구가 아닌 국내 건축시장의 현황을 고려하여 지방 도시근교 단독주택에서의 사용현황을 기준으로 그간 정성적 판단, 법적 최소기준 충족에 의해 외피구성이 결정되고, 있는 현황에 대해 현재의 상황이 반영된 경제적 적정성을 고려한 정량적 판단기준을 검토하고자 연구를 진행하였다.

다음 <표 5>는 설계현황조사에서 사용빈도가 높은 외피 구성에 있어서 외벽체의 경우 마감재 사용과 단열재의 종류와 두께, 지붕의 경우는 지붕의 형태와 단열재의 종류와 두께, 최하층바닥의 경우 단열재의 종류와 두께를 고려하여 사용빈도가 높은 구성을 정리한 것이다.

외피성능의 향상에 따른 에너지 절감량과 초기투자비용 대비 적정성을 검토하기 위한 적용현황에 대한 결과를 바탕으로 주로 사용되는 단열두께와 종류를 고려하여 작성한 평가조건, 실내·외 표면열전달저항⁸⁾은 건축물 에너지 절약 설계기준을 적용하였다.

그리고 부위별 사용빈도가 높은 외피구성에 대한 열관류율값은 에너지관리공단에서 제공되는 열관류율 계산 프로그램을 통해 계산하였고, 그 결과는 다음과 같다.

외벽체의 경우 적벽돌, 화강석, 외단열시스템의 마감구성 순으로 낮은 열관류율 값을 보였고, 지붕의 경우는 경사 지붕의 형태에서는 기와, 아스팔트 슁글, 평지붕의 순으로 낮은 열관류율 값을 보임을 알 수 있었다. 최하층 바닥의 경우는 단열재의 종류 따라 압출법, 비드법 단열재의 순으로 낮은 열관류율 값을 보였다.

앞서 조사한 지방도시 근교 단독주택의 외피 부위별 구성 현황 중 가장 많은 사용을 보이는 단열재와 그 두께를 기준으로 에너지 절감량과 초기투자비용을 고려하여 각각의 사용에 대한 열적 경제적 적정성을 검토하고자 한다.

일반적으로 도시근교 단독주택의 경우 단층형 주거가 많고 건축허가 기준으로 볼 때 100㎡를 상회하는 면적을 갖기 때문에 이를 고려하여 설정한 검토대상 건축물의 가정 규모 및 해당 주택의 기본 외피면적에 대한 내용은 다음과 같다.

구 분	내 용	도 면
규모	지상 1층
건축면적	118.42㎡
연면적	118.42㎡
외벽면적	124.38㎡
지붕면적	143.94㎡(경사) 128.52㎡(평)
바닥면적	128.52㎡

다음으로 단독주택의 외피구성에서의 부위별 각각의 설계현황에 대해 단열재의 종류와 두께를 현재 사용 중인 것으로 조사된 범주 안에서 그 성능 향상에 따른 난방 에너지 절감량(Heating energy savings)의 변화를 계산 하였다. 계산은 기존 최다사용 단열재 두께를 적용한 외피구성열관류율에서 단열성능을 향상시킨 외피구성의 열관류율의 차이에 해당 면적과의 관계를 고려하여 계산하였다.

본 연구는 소형주택의 외피구성에 관한 현황을 기준으로 설계자들의 계획시 초기적 검토를 기반으로 하였기에 특정요소에 대한 상대적 비교 검토를 하였다.

그리고 계산된 난방 에너지 절감량에 도시근교의 경우 일반적으로 도시기반시설의 미비로 기름보일러의 사용이 대부분인 관계로 실내난방유의 kwh당 단가(현재 전국 실내난방유가격이 L당 1300원대를 유지함으로 1350원을 기준으로 하였음)를 적용하여 절감액을 산출하였다.

다음으로 초기투자비용은 단열재와 관련하여 원래는 체적에 의한 단가 이지만 편의상 면적당 단가로 환산한 실질견적을 참고하여 재료비와 노무비를 산출하였으며, 2013년 2월 물가정보를 기준으로 하였다.

절감액에 대해서는 현재가치지수를 적용하여 사용기간 5년, 10년, 15년, 20년에 대해 부위별로 구성항목에서 단열재의 성능 향상에 따른 투자비대비 사용기간에 따른 절감비용을 비교 검토하였다. 그리고 본 연구에서 적용한 명목 이자율은 한국은행 2012년 평균 예금금리인 3.43%를 적용하였다.

지방도시 근교 소형주택의 외피구성 특성별 단열재 두께 증가에 의한 난방에너지 절감량 및 절감액과 초기투자비용 대비 사용기간에 따른 절감비용을 비교 검토해 본 결과 일반적인 내용과 동일하게 전체적으로 단열재의 두께가 증대 될수록 절감액은 증가하지만 초기투자비용의 회수 후 절감액의 증가율은 각각의 구성에 따라 차이를 보이는 것으로 나타났다.

먼저 외벽의 구성에서 마감재별 비드법 단열재의 두께에 따른 절감액의 차이를 살펴보면 기본적으로 5년 사용시 모든 마감재별로 초기투자비용 회수 후 절감액의 증가를 보이고 있는 것으로 분석되었고, 외단열시스템50%～106%, 화강석 41%～89%, 적벽돌 31%～72%의 단열성능 변화별 각각의 절감액 비율이 보였다.

외벽에서 압출법 단열재를 사용한 경우 마감재별로 대부분 10년 사용시 초기투자비용 회수 후 절감액의 증가를 보였고, 외벽 마감재별 절감액 비율은 외단열시스템 53%～109%, 화강석 46%～90%, 적벽돌 38%～81%임을 알 수 있었다. 그리고 외단열시스템의 경우 75mm(14%)와 80mm (13%)로의 단열재 두께 증가시 5년 사용시 초기투자비용 회수 후 절감액의 증가를 보임을 알 수 있었다.

다음으로 지붕에서는 비드법 단열재 성능증가에 따라 전반적으로 15년 사용시 초기투자비용 대비 사용 후 절감액 비율이 증가하는 것으로 나타났다.

그리고 지붕의 형태와 마감재별로 초기투자비용 회수후 절감액 증가율을 살펴보면 기와지붕 6%～32%, 평지붕 15%～49%, 아스팔트 슁글 지붕 10%～54%로 분석되었고 특히 아스팔트 슁글 지붕의 경우 155mm, 160mm로 단열성능 증가될 경우 10년 사용시 각각 3%와 11%의 절감액 증가율을 보였다.

지붕에서 압출법 단열재의 성능 증가시는 기와지붕 4%～22%, 평지붕 13%～34%, 아스팔트 슁글 지붕 19%～ 22%로 20년 사용시 전반적으로 초기투자비용 회수 후 절감액의 증가를 보이는 것으로 나타났으며, 일부 평지붕에 서는 단열재를 125mm로 증가할 때 15년 사용시 9%의 증가율을 보이는 것으로 분석되었다.

다음으로 최하층 바닥의 경우 비드법 단열재의 성능 증가에 따라서는 5년 사용시 41%～119%의 초기투자비용 회수 후 절감액의 증가율을 보였고 압출법의 경우는 10년 사용시 28%～113%의 증가율을 보임을 알 수 있었다. 그리고 일부 압출법에서 단열재를 75mm로 증가시켰을 때 5년 사용시 15%의 초기투자비용 회수 후 절감액의 증가 비율을 보이는 것으로 나타났다.

현재 비드법 단열재의 경우 초기투자비용이 낮음으로 인해 회수후 절감액의 증가 비율 기간이 짧은 반면 압출법 단열재의 경우는 초기투자비용이 비드법 단열재에 비해 높음으로 회수기간이 전반적으로 비드법에 비해 약 5년 정도의 차이를 보이는 것으로 나타났다.

이상을 종합해보면 기본적으로 현재의 단열관련 최소기준에서 노무비의 증가 없이 단열성능을 증가시켰을 경우 특히 지붕부를 제외하고는 비드법 단열재의 경우 초기투자비용에 대한 회수가 5년에서 10년 이내에 가능하다는 것이다 따라서 이는 추후 설계시 건축설계 및 시공상의 특수한 상황이 아닌 경우 단열재의 성능증가 및 추가투자는 전반적으로 에너지적으로나 비용적으로 유리한 것으로 판단된다.

하지만 단열재의 종류별 사용이 가격에 의해서만 이루어지는 것이 아닌 적용 부위 건축적 및 외기 환경별 특성에 따라 선정되는 것이기에 본 연구에서는 압출법과 비드법 간의 회수기간에는 큰 의미를 부여하지 않았다.

상기의 분석은 에너지원의 인상률에 대한 적용이 빠진 계산으로 향후 에너지원의 가격 상승률과 관련 자재시장의 활성화로 인한 단열재의 단가가 낮어짐을 고려한다면 회수기간이 감축될 것으로 보인다.

또한 본 연구에서는 단열재의 두께에서 패시브하우스 등 저에너지 관련 주택들과 같은 고단열에 대한 고민을 하지 않고 현재의 현황을 기준으로 연구한 것은 외벽의 경우 100mm 이상이 될 경우 시공상의 추가비용이 발생하고 이로인해 회수율의 감소를 가져오기 때문에 현재 서민층들의 주택공급가격을 벗어나는 경향이 있다. 따라서 현재의 소형주택의 일반적 시공을 기준으로 하여 사용될 수 있는 범주 내에서의 단열재 두께에 대한 그 적정성을 검토하였다.