KIEAE Journal

2008년 기준, 국내 건물 에너지소비는 국가 전체 에너지소비의 22.2%를 차지하고 있으며, 주거용 건물의 에너지소비 비중은 53%, 2000∼2006년간의 연평균 에너지소비 증가율은 주요 선진국에 비해 훨씬 높은 3.9%(독일 0.0%, 일본 -0.2%, 미국 -1.6%)에 달해, 국가 온실가스 감축 목표 달성을 위해서는 주거용 건물에서의 에너지절약이 필요함을 알 수 있다. 이러한 상황을 반영, 정부에서는 주거용 건물의 연간 에너지소비량을 2009년 수준 대비 2017년에 60% 감축(패시브 하우스 수준), 2025년에 제로에너지 의무화를 정책 목표로 보고한 바 있어, 이제 저에너지 주거용 건물은 선택사항이 아닌 국가 정책으로 강제되는 필수사항이 되었다[1].

한편 선진 외국에서는 열교부위의 선형 열관류율(Linear Thermal Transmittance) 상한치 규정 혹은 건물 거래시 첨부되는 에너지효율등급인증서(Energy Performance Certificate) 발급을 위한 건물 에너지성능 평가시 열교를 통한 손실열량 포함 등과 같은 방법으로 건물 외피에서의 열교제거를 의무화하거나 강화해 가고 있다. 반면 국내 대표적 주거용 건물인 공동주택에는 거의 대부분 내단열시스템이 적용되고 있어 외벽-바닥, 외벽-내벽 접합부 등에서 단열재가 불연속되어 다수 열교부위가 반복적으로 발생하고 있다. 이에 정부에서도 인허가를 위한 EPI(Energy Performance Index, 에너지성능지표) 점수 계산시 가점 부여, 건축물에너지효율등급인증서 발급을 위한 에너지성능 평가시 가점 부여, 녹색건축인증제(G-SEED)상에 외피 열교제거 항목 신설을 통한 점수 부여 등의 방법으로 외피 열교제거에 대한 요구를 강화해 가고 있어, 외단열시스템 적용이 거의 유일한 대안으로 고려되고 있는 상황이다.

국내 대표적 주거용 건물인 공동주택은 거의 대부분 고층이며, 따라서 국가 정책 목표로 삼고 있는 패시브 및 제로에너지 공동주택을 효과적으로 구현하기 위해서는, 일반단열재 적용시 300∼400mm에 달하는 외벽두께를 줄일 수 있는, 고성능 외단열시스템 적용이 필수적일 것으로 판단된다. 이에 본 연구에서는 진공단열재 적용으로 단열두께를 현저히 감소시키고, 기존 공동주택의 설계 시공조건 수용이 가능하며, 열교제거가 가능할 것으로 기대되는 진공 외단열시스템의 성능을 평가해 봄으로써, 향후 고성능 외단열시스템이 좀 더 효과적으로 활용될 수 있게 하고자 하였다. 이를 위해, 건식 시스템¹⁾에 비해 국내 시공사례가 많아 현장에서의 시공노하우 확보 측면에서 유리하고, 시공비용 절감 측면에서도 이점이 있는 습식 시스템²⁾을 대상으로 단열재 레이어 구성에 따른 대안들을 설정한 후, 기존안과 대안들에 대한 3차원 정상상태 전열해석을 통해 에너지성능을 평가하고, 시공비용 및 시공성능을 함께 평가하였다. 그리고 각 성능항목들에 대한 가중치 조합별로 가장 우수한 대안을 결정하였다.

진공단열재는 이미 오래 전부터 냉장고와 같은 가전제품 등에 적용되어 왔으며, 건물의 경우 벽, 지붕, 바닥, 문 등 여러 부위에 적용되고 있다. 국내에서는 저에너지 시범건물³⁾ 뿐만 아니라 일반 건물⁴⁾에서도 적용사례가 증가하고 있으며, 국외의 경우 진공단열재 1 혹은 2레이어, 진공단열재+일반단열재 2레이어, 일반단열재+진공단열재+일반단열재 3레이어 등 다양한 방식으로 다수 건물에 적용되고 있음을 확인할 수 있다[2][3][4].

진공단열재의 중앙부 열전도율은 0.0045W/mK 수준으로 매우 낮아, 일반단열재 적용시 패시브 및 제로에너지 하우스에 요구되는 외벽두께(300∼400mm)를 약 1/10 수준으로 감소시킬 수 있다는 장점이 있다. 진공 처리 후 내부 형태 유지를 위한 심재(Core)에는 흄드실리카, 침강실리카, 글라스울, 우레탄 폼, 폴리스티렌 폼 등이 있으며, 이 중 흄드실리카와 글라스울이 주로 사용되고 있다 (Fig. 1 참조). 진공단열재는 고가이고, 경년변화에 따른 틈 발생시 내부 압력 높아지고 열저항 낮아지게 되므로 취급시 파손에 대한 주의가 필요하다. 또한 단열재 외부를 방사율은 매우 낮지만 열전도율은 매우 높은 알루미늄 박막 등으로 감싸게 되므로 단열재간 조인트에서 열교가 발생할 수 있어, 이에 대한 주의가 필요하다.

Fig. 1. 
Composition of VIPs(Vacuum Insulation Panels)

국내 대표적 주거용 건물인 고층 공동주택에서 2017년 60% 감축(패시브 하우스 수준), 2025년 제로에너지 의무화라고 하는 국가 정책 목표를 효과적으로 달성하기 위해서는, 일반단열재 적용시 300∼400mm에 달하는 외벽두께를 줄이고 열교를 제거할 수 있는, 고성능 외단열시스템 적용이 필수적일 것으로 판단된다. 이에, 진공단열재 적용으로 단열두께를 현저히 감소시키고, 기존 공동주택의 설계 시공조건 수용이 가능하며, 열교제거가 가능할 것으로 기대되는 습식 진공 외단열시스템 대안들을 설정하고, 기존안과 대안들에 대한 에너지성능, 시공비용 및 시공성능 평가 후, 각 성능항목들에 대한 가중치 조합별로 가장 우수한 대안을 결정함으로써, 향후 고성능 외단열시스템이 효과적으로 활용될 수 있게 하고자 한 본 연구의 결론은 다음과 같다.

(1) 기존안과 대안들의 외벽 열관류율이 유사함에도 불구하고, 대안들은 기존안에 비해 손실열량이, 60% 절감형의 경우 54.3～57.7%, 100% 절감형의 경우 54.6～57.7% 감소되는 것으로 나타났다. 이는 주로 외벽-바닥 접합부 열교가 제거되어 나타난 결과이다. 이를 통해 60%, 100% 절감형과 같이 외벽 단열성능이 매우 높을 경우, 기존안의 외벽-바닥 접합부 열교를 통한 손실열량 비중이 매우 큼을 알 수 있었고, 따라서 외단열 적용이 필수적임을 확인할 수 있었다. 60% 및 100% 절감형 모두에서 손실열량은 P-B-3 < P-B-1-② < P-B-1-① < P-B-2로, P-B-3(60% 절감형 비드법2종 보온판 30mm + 진공단열재 20mm + 비드법2종 보온판 40mm, 100% 절감형 비드법2종 보온판 35mm + 진공단열재 30mm + 비드법2종 보온판 40mm, Covered Type 3레이어)의 에너지성능이 가장 우수하게 나타났다.

(2) 대안들은 기존안에 비해 시공비용이, 60% 절감형의 경우 157～177%, 100% 절감형의 경우 171～188% 증가하는 것으로 나타났다. 이는 주로 진공단열재 가격이 높아 나타난 결과이다. 60% 및 100% 절감형 모두에서 시공비용은 P-B-1-② < P-B-2 < P-B-3 < P-B-1-①로, P-B-1-②(60% 절감형 진공단열재 20mm + 비드법2종 보온판 70mm, 100% 절감형 진공단열재 30mm + 비드법2종 보온판 75mm, 2레이어)의 시공비용이 가장 낮게 나타났다. 한편, 단열재 생산성 및 취급성, 시공 공정수, 시공 난이도 등의 시공성능 측면에서는 P-B-2(60% 절감형 비드법2종 보온판 30mm + 진공단열재 20mm + 비드법2종 보온판 40mm, 100% 절감형 비드법2종 보온판 35mm + 진공단열재 30mm + 비드법2종 보온판 40mm, Encapsulated Type 3레이어)가 가장 우수하게 나타났다.

(3) 에너지성능, 시공비용, 시공성능의 각 성능항목별 가중치를 달리하여 각 대안들을 종합 평가한 결과, 성능항목별 가중치를 동일하게 한 경우와 에너지성능에 높은 가중치 부여한 경우는 P-B-3, 시공비용에 높은 가중치를 부여한 경우는 P-B-1-②가 우수한 것으로 나타났다.

에너지성능, 시공비용, 시공성능의 각 성능항목별 가중치를 달리하여 각 대안들을 종합 평가한 결과는, 각 성능항목별 순위에 따라 단순히 1점 간격으로 부여한 점수에 근거한 것으로, 순위별 적정 점수 간격까지 고려된 것은 아님을 밝힌다. 그리고 진공 외단열시스템의 경우 에너지성능 측면에서는 매우 우수하나, 아직까지는 진공단열재 가격이 고가인 관계로 시공비용 상승폭이 큼을 확인할 수 있었으며, 따라서 향후 진공단열재 가격을 낮출 수 있는 기술개발 및 시장형성 등이 필요할 것으로 판단된다.