KIEAE Journal

우리나라의 에너지 총 조사 보고서에 의하면 건축 분야의 에너지 소비는 총 에너지 소비량의 25%를 차지하고 있다. 이에 따라 벽체 및 창호의 열관류율 등의 규제를 통해 제도적으로 건축 분야의 에너지 소비량을 줄이기 위한 노력이 시도되고 있다. 특히 창호는 벽체나 지붕의 열손실에 비해 약 8배 정도의 열손실이 크므로 이에 대한 대책이 필요하다. 이에 따라 주요 선진국의 단열기준에서 창호는 집중 관리되고 있는 부분이며 고단열, 고기밀성 창호의 개발은 물론 <그림 1>에서 보는 바와 같이 국가에서 요구하는단열성능의 수준도 상당히 강화되고 있다. 특히, 독일, 네델란드, 핀란드 등 유럽 일부 국가의 신규 건축물은 0.7W/㎡K 대의 초단열 건축물을 선보이며, 제로에 가까운 에너지 성능향상에 중점을 두고 있는 추세이다. 이에 에너지자원이 부족한 우리나라에서도 2013년 8월부터는 기존의 단열 기준의 10∼30% 강화한 설계기준을 제시하였고, 창호의 열관류율 기준값은 선진국 수준인 1.5 W/㎡K대로 강화한다고 고시하였다. 이에 새로 적용되는 법적 기준에 부합하고 우리나라 창호 업체들의 세계 시장으로의 진출을 위해 글로벌 스케일의 창호설계 분석이 필요한 시점이다.

그림 1. 
각 국가별 창호 열관류율 기준현황 (단위：W/㎡K, 2010)

창호의 성능을 평가할 수 있는 지표로는 유럽 ISO가 규정한 열성능인 총열관류율(U-value)과 미국에서 주로 사용하는 광학적 성능인 일사취득계수(SHGC: solar heat gain coefficient)가 있다. U-value는 실내외 온도차에 의한열손실을 반영한 개념으로 실내외 온도차가 큰 겨울철 난방부하에 적용하기 유용한 반면, SHGC는 일사에 대한 개념으로 창호에 직접 투과된 태양에너지의 비율과 창호에 흡수되었다가 재방사 된 태양에너지의 비율의 합으로 냉방중심의 냉방부하에 적용하기 유용한 지표라 할 수 있다.(박률, 2010) 이 지표들은 외부에 도달한 일사량과 실내에 투과된 일사량을 기준으로 산정하기 때문에 창호가 설치된향(Orientation)과 건물이 위치한 위도가 중요한 요소이다.

본 연구에서는 상이한 위도 및 기후에 따른 창호의 에너지 효율을 파악하기 위하여 창호가 설치되는 향, 열관류율(U-value), 일사취득계수(SHGC)을 변화시켜 그에 따른 에너지 증감효과를 규명해 보고자 한다. 이에 따라 창호의 물성 및 설치방식과 에너지 증감효과의 상관성에 대한 분석을 통해 국가별, 지역별로 최적창호설계 기준설정에 일조하고, 향후 우리나라 창호제작 업체의 세계 진출을 고려할때 시장 선점을 위한 토대를 마련하고자 한다.

Joshua의 연구 결과에 따르면, 난방부하가 큰 지역인 Boston(MA)과 Seattle(WA)의 경우 일사취득이 높은 창호를 적용하고, Phoenix(AR)와 Jacksonville(FL)와 같은 냉방부하가 큰 지역에서는 일사취득이 낮은 창호를 사용할경우 창호에 의한 에너지 소비량을 약 40% 절약할 수 있는 것으로 나타났다.[2] Dariush의 연구에 의하면, 난방과 냉방이 모두 존재하는 지역에서는 낮은 U-value보다 SHGC를 조절하는 것이 에너지 측면에서 효율적이라 했다.[3] 신재규의 연구에 따르면 U-value의 감소에 따라 주거공간의 경우 난방에너지는 71%가 감소하고, 냉방에너지는 58% 증가하는 것으로 나타났다.[4] 윤재훈의 연구 결과에 따르면, 냉방부하는 창유리의 U-value가 감소할수록 증가되며 상승폭도 U-value 값이 낮을수록 높은 것으로 나타났다. 또한, 창유리의 U-value와 SHGC의 상관관계를 보면, U-value가 향상될수록 SHGC 변화에 따른 난방부하변화율은 증가하고 냉방부하 변화율은 약 42%로 일정하게 나타났다. 변화량은 난방부하는 약 1.6～2.1배 줄어들고 냉방부하는 약 1.1～1.5배 늘어나며, 최대와 최소의 차이도 냉방부하가 난방부하보다 약 2배 정도 더 큰 것으로 분석되었다.[5] 이승복의 연구에 따르면, 한국의 단독주택에서 유리의 종류(Single, Double clear, Low-e clear 창유리)가 냉방부하보다는 난방부하에 큰 영향을 미치고, 에너지 절약을 위해서는 Low-e의 사용이 필요함을 언급하였다.[6]

이상과 같이 기존의 연구는 특정 국가를 바탕으로 창호의 U-value 과 SHGC 의 값 그리고 건축물의 향 변화를 통해 에너지 소비량을 측정하는 지엽적인 연구가 대부분을 이루고 있다. 또한, 현재 창호 성능의 향상에 대한 결과를 반영하지 못함을 알 수 있다.

본 연구는 창호가 설치되는 방향, 열관류율(U-value), 일사취득계수(SHGC) 등 창호 주요 성능지표의 최적값이 위도나 기후조건에 따라 달라지는 영향에 대하여 시뮬레이션분석을 수행한 것으로, 도출된 주요 결론은 다음과 같다.

1) 사계절이 뚜렷하고 최한월의 평균기온이 10 ～ 15℃인 대한민국(위도 35.56)의 총 에너지 소비량을 비교하였을때 남향이 에너지 소비량이 작은 것으로 나타났다. 이는 우리나라가 북반구에 위치하여 남향이 여름에는 태양고도가 높기 때문에 건물 안으로 태양복사량이 작아 냉방비를 절약할 수 있고, 겨울에는 태양고도가 낮으므로 태양복사량이 많아 난방비를 절약할 수 있기 때문이다.

2) 적도를 중심으로 대한민국과 반대에 위치한 아르헨티나(위도 –34.6)는 냉방 에서는 남향이, 난방에서는 북향이 에너지 소비량이 작은 것으로 나타났다. 난방 에너지 소비량이 한국보다 작게 나타났는데, 이는 아르헨티나의 연평균기온이 18℃으로 한국보다 높기 때문으로 나타난 결과라 판단된다.

3) 연평균 기온이 27℃이고 일교차가 5℃이하로, 매우덥고 비가 많이 내리는 특성을 보이는 열대기후의 싱가포르는 냉방 에너지 소비량만 측정할 수 있었다. 동서남북 모두 비슷한 소비량을 나타났으나 남향이 다른 향에 비해 약간 냉방 에너지 소비가 작은 것으로 나타났다. 특히, 싱가포르는 U-value 보다 SHGC의 영향이 큰 것으로 나타났다. 이는 SHGC는 일사취득량과 직결되므로 수치가 높을수록 냉방부하에는 부정적 영향을 미치는 것으로 분석된다.

4) 북반구에 위치한 그린란드는 남향에서의 일사취득량이 다른 향에 비해 많았고, 이는 남향에서의 난방 에너지소비를 감소로 이어졌다. 이와 반대로 남반구에 위치한 칠레는 북향에서의 일사취득량이 많아 북향에서의 난방 에너지 소비 감소를 가져왔다. 이는 SHGC가 일사취득량과 직결되므로 수치가 높을수록 난방부하에는 긍정적 영향을 미치는 것으로 분석된다.

5) 위도에 따른 최적의 향은 북반구 남향, 남반구는 북반구와는 반대로 북향에서 에너지 소비량이 작은 것으로 나타났다. 동향, 서향에 배치된 건물은 일사취득량은 큰 차이는 없었고 이에 냉난방 에너지 소비량의 패턴은 같은 것으로 나타났다. 또한, 적도와 가장 근접한 싱가포르(1.37)는 냉방에서 남향이 가장 좋은 효율을 나타나는데 이는 지구가 자전축을 기준으로 23.5° 기울어져 있기에 나타나는 현상으로 판단된다.

6) 열관류율(U-value)은 낮을수록 난방의 에너지 소비량을 줄일 수 있었다. 열관류율은 온도차에 의한 열의 이동을 나타낸 것으로 겨울철 차가운 외기가 열저항이 큰 유리를 잘 통과할 수 없기에 난방비를 절약할 수 있는 것으로 판단된다. 또한 SHGC는 낮을수록 냉방의 에너지 소비량감소에 유리하고, 높을수록 난방의 에너지 소비량을 줄일 수 있었다.

7) 일사량은 적도에서 가장 큰 일사량 값을 나타났고, 대한민국, 아르헨티나, 극지방 순으로 나타났다. 이는 SHGC값과 가장 큰 관련 있는 요소로 냉방부하에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.

최적화 창호설계와 관련하여 국제적 비교분석의 대상으로 선정한 5개 지역의 위도별 에너지 소비량의 시뮬레이션 값에 따르면 U-value값과 SHGC값의 성향은 비슷하나 위도, 계절, 방향에 따라 다른 것으로 나타났다. 향후 연구에서 이러한 요소를 토대로 위도, 계절, 기후대 및 방향에 따라 에너지소비량의 경제성 평가를 함께 수행할 예정이다. 한편, 향후 위도, 계절, 향에 따라 U-value와 SHGC값의 가변화가 가능한 창호가 등장할 경우 본 연구는 이렇듯 지구상의 여러 다른 위도 및 기후조건에서도 최적화 조절이 가능한 지능형 창호의 어셈블리 혹은 실시간 제어를 위한 실험적 기초를 제공할 수 있다고 판단된다.