KIEAE Journal

지속 가능한 사회 구현과 더불어 기후변화와 환경위기에 전략적으로 대응하기 위해 정부는 2021년 7월 한국판 그린뉴딜 계획을 발표하였다[1]. 특히, 녹색 친화적인 도시 · 공간 · 생활 인프라 환경 조성을 위해 기존 노후 건축물의 에너지 성능개선과 재실자의 쾌적한 거주환경 제공을 위해 그린 리모델링 사업이 추진되고 있다. 그린 리모델링 사업은 지속적으로 확대되고 있으며, 2022년에 공공건축물 1천 35동, 공공임대주택 8만 2,000가구를 대상으로 에너지 성능개선을 추진할 예정이다[2].

한편, 2016년 경상북도 경주에서 규모 5.8, 2017년 경상북도 포항에서 규모 5.4의 지진이 발생하였다. 1978년 지진 관측 이래 두 차례의 대규모 지진이 발생하였다. 행정안전부에서 발간한 2017 포항지진 백서[3]에 의하면 경주지진의 6배 수준인 850억 원의 피해가 집계되었다. 또한, 135명의 인명 피해와 3만여 개소의 시설물 손상과 1,797명의 이재민이 발생하였다. 특히, 1988년 이전에 준공된 건축물은 내진설계가 반영되지 않았기 때문에 지진 재해에 더 큰 피해를 받았다. 또한, 국내에서 1990년대 초반까지 비보강 조적조 건축물이 신축되었으며, 현재에도 저층 주거용 건축물에 다수 적용되고 있다. 조적조는 지진과 같은 횡력에는 저항능력이 없어 지진에는 큰 피해를 입을 수 있다. 1999년 대만에서 발생한 규모 7.6의 치치지진에 의해 손상된 건축물 중 철근콘크리트조 건물은 전체 건물의 약 9%, 조적조 건물은 약 23%의 피해를 입었다[4]. 따라서, 노후화되거나 조적조를 적용한 건축물은 지진에 취약하여 내진성능 개선이 시급하다.

정부에서는 노후화된 건축물의 에너지 및 내진성능 개선을 위해 그린 리모델링 사업과 내진보강사업에 대해 적극적으로 지원하고 있다. 그러나, 대부분의 성능개선 사업과 지원은 개별적으로 수행되고 있어 발주자, 설계자, 엔지니어 등의 서로 간 소통의 혼잡성이 발생된다. 또한, 공정 프로세스의 중첩, 공사의 복잡화 및 예산비용의 증대를 야기한다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 정부에서는 노후 건축물의 에너지 및 내진성능을 동시에 개선할 수 있는 사업 프로세스 구축을 수행하고 있다[5]. 또한, 에너지 및 내진성능을 동시에 개선할 수 있는 기술과 동시 개선에 따른 이점에 대해 국내 · 외로 활발히 연구되고 있다.

Takeuchi et al.[6]은 에너지 및 내진성능 뿐만 아니라 외관 및 환경적 디자인을 개선할 수 있는 통합 파사드(Integrated Façade)의 개념을 제안하였다. 통합 파사드는 건물의 바닥 슬래브(Floor Slab)에 내진 성능 보강재 역할을 하는 BRB(Buckling Restrained Brace)를 이용하였다. 또한, 외측에는 루버를 설치하여 유리로부터 입사되는 일사량 제어를 통해 냉난방 부하를 저감시킬 수 있다. D.A. Bournas[7]은 모르타르 내 고강도 격자형 보강재(High Strength Lightweight Textile)를 삽입하여 기존 조적조의 벽체의 내진 보강을 도모하였다. 모르타르 외측에는 내화성을 가진 단열재를 덧대어 에너지 성능개선을 보강하였다. 기존 외벽을 물리적 변형없이 그대로 유지하면서 한 번의 공사과정으로 에너지와 내진성능을 모두 개선시킬 수 있었다.

Manganelli et al.[8]은 기존 건축물의 에너지 및 내진성능을 동시에 개선했을 때의 경제적 이점을 평가하였다. 경제성은 기존 건물과 동시 성능개선을 적용한 건물을 대상으로 지진 피해 복구 비용과 에너지 비용을 비교하고 평가하였다. Pohoryles et al.[9]은 유럽의 4개의 기후대와 5개의 지진대에 대해 에너지 및 내진 보강 대상을 결정하고, 기후 및 지진 시나리오에 따른 에너지 효율성과 지진에 의한 손실비용을 산출하였다. 건물 에너지 성능개선을 적용했을 때, 냉난방 에너지 수요를 최대 70%까지 감소할 수 있었다. 더불어 2030년까지 CO2 배출량을 30% 감축할 수 있음을 확인하였다. 특히, 내진설계가 반드시 필요한 지역(Seismic Zone 3 이상)에서는 에너지 및 내진성능을 동시에 개선하는 것이 에너지 비용과 지진에 의한 손실을 크게 줄일 수 있음을 확인하였다. Menna et al.[10]은 철근콘크리트 건축물을 대상으로 에너지 및 내진성능 개선을 위해 3단계의 개선방안을 제안하였다. 또한, 개선방안에 따른 투자비용은 산출하여 관련 이해 관계자들에게 솔루션을 제안하였다. 1단계는 소형 부품 교체, 창 및 지붕 단열 강화 등 미미한 수준에서 에너지 및 내진 성능을 개선한다. 2단계는 건축물의 지붕, 벽체 등의 외피 일부(50% 미만) 및 저효율 냉난방 공조기 교체하여 에너지 성능을 개선시키고 내진성능 개선을 위해 충전재 및 철근콘크리트 프레임 강화를 수행한다. 3단계는 내진설계 기준을 완전히 충족시키고 에너지 소비량을 기존 건축물 대비 60% 이상 감축을 목표로 한다. 투자비용 분석결과, 건물 유형과 개선단계에 따라 투자비용이 약 2.5배의 차이를 나타냈다. Table 1.은 기존 건축물 에너지 및 내진성능 개선방안에 대한 선행연구를 정리한 내용이다.

선행연구[11]에서는 기존 건축물의 에너지 및 내진성능 개선을 위해 보강재의 설계방안을 제안하고 지역 및 개선방법 등에 따른 에너지와 내진성능을 분석하였다. 그러나, 대부분의 연구는 시뮬레이션이나 수식을 이용한 해석적 접근을 통해 개선방법의 에너지 및 내진성능을 분석하였다. 개선방법의 성능에 대해 정확한 검증을 위해서는 현장조건을 반영한 실험실 또는 실제 규모에서의 실증실험이 필요하다.

본 연구에서는 조적조의 건축물 에너지 및 내진성능 개선을 위해 선행연구[11]에서 개발된 외벽보강 패널(TCP, Textile and capillary tube composite panel)을 이용하였다. 외벽보강 패널의 내진성능은 정적반복가력 실험을 통해 선행연구[11]에서 검증하였다. 에너지 성능에 대한 검증을 위해 실제 건축물에 외벽보강 패널을 설치하고 모세관 튜브에 열을 공급할 수 있는 태양광열 모듈(PVT, Photovoltaic-thermal)과 가스 보일러를 결합한 시스템을 구축하였다.

본 논문에서는 실제규모의 실험을 통해 태양광열 모듈과 결합한 외피보강 시스템의 동절기 에너지 성능과 실제 적용 가능성에 대해 분석하였다. 분석결과에 근거하여 기존 건축물의 에너지 및 내진성능 동시 개선방안에 관한 기초연구로 활용하고자 한다.

본 연구에서는 선행연구[11]에서 개발된 외벽보강 패널에 태양광열 모듈, 축열조(HST, Heat storage tank) 및 가스 보일러를 추가로 설치하였다. 이를 통해, 태양광열 모듈이 결합된 외벽보강 시스템의 에너지 성능과 실제 적용 가능성 검토를 위해 실제 건물에 실제 규모의 실험 플랜트를 구축하여 실험을 수행하였다. Table 2.는 외벽보강 시스템에 이용된 장비들의 사양과 설계조건을 나타낸다.

Fig. 4.는 외벽보강 시스템의 개요를 나타낸다. 외벽보강 패널은 건물의 크기를 고려하여 길이 0.68m, 높이 0.83m 규모로 설치하였다. 외벽보강 패널의 기본구성은 선행연구[11]에서 제시한 바와 같이 조적벽체, 모르타르, 탄소 섬유 시트, 실리콘 재질의 모세관 튜브로 구성하였다.

Fig. 4. 
Schematic diagram of TCP system

태양광열 모듈은 1.012 m × 1.972m 크기의 모듈이 10개가 건물의 옥상에 설치되었다. 모듈의 후면에는 구리 재질의 태양열 흡수기(Solar absorber)를 설치하여 흡수한 열을 부하측에 공급할 수 있도록 하였다. 태양광열 모듈과 외벽보강 패널 사이에 0.3m³ 의 용량을 가진 축열조를 설치하여 태양광열 모듈이 주간에 생성한 열을 축열조를 통해 저장하고, 야간에 외벽보강 패널에 열 공급할 수 있도록 설정하였다.

한편, 태양광열 모듈의 열 생산량은 외기온도와 일사량과 같은 외기조건에 의해 크게 영향을 받기 때문에 흐리거나 매우 추운 날씨에서는 외벽보강 패널에 충분한 열을 공급하기 어려운 경우가 발생한다. 따라서, 보조 열원으로 등유 보일러를 설치하여 태양광열 모듈로만 충분한 열을 공급하기 어려울 때는 보일러를 통해 외벽보강 패널이 열을 공급하고자 하였다.

Fig. 5.는 외벽보강 패널의 실험개요를 나타낸다. 외벽보강 패널은 실내측에 설치되어 난방효과에 대한 가능성을 검토하였다. 난방기간의 실내설정온도(Indoor setpoint temperature)를 고려하여 태양광열 모듈에 의해 축열조에 저장되는 온도를 실내설정온도 보다 높게 설정하였다. 태양광열 모듈에 의해 저장된 열은 축열조를 통해 외벽보강 패널의 모세관 튜브로 전달된다. 외벽보강 패널은 복사열을 이용하여 실내난방을 수행하고, 난방 에너지 저감을 도모한다.

Fig. 5. 
Overview of the TCP experiment

Table 3.은 외벽보강 시스템의 실험조건을 나타낸다. 본 실험에서는 야간 실내 난방을 수행하는 것으로 가정하여 온풍기로 실내설정온도를 유지되도록 난방을 실시하였다. 실내설정온도는 건축물의 에너지절약설계기준에서 제공하는 별표 8의 공동주택 기준을 참조하여 20°C로 설정하였다[12]. 축열조의 설정온도는 외벽보강 패널이 난방부하에 적합하게 대응할 수 있도록 실내설정온도 보다 높은 온도인 25°C로 설정하였다.

태양광열 모듈의 축열운전은 동절기의 일사조건을 고려하여 오후 2시부터 오후 6시까지 수행하였다. 또한, 외벽보강 패널의 운전은 ASHRAE 90.2-2004에서 제공하는 주거용 건축물(Residential building)의 재실자 스케줄[13]을 참고하여 오후 6시부터 오전 6시까지로 설정하였다.

외벽보강 시스템의 실험기간은 2월 15일 오전 8시부터 16일오전 6시까지 수행되었다. 태양광열 모듈은 15일 오전 2시부터 오후 6시까지 축열운전을 하였고, 외벽보강 패널의 운전은 15일 오후 6시부터 16일 오전 6시까지 수행되었다.

Fig. 6.은 2월 15일 오전 0시부터 16일 오전 6시까지의 태양광열 모듈의 입출수온도, 축열조 온도, 외기온도 및 일사량을 나타낸다. 태양광열 모듈의 출수온도는 오후 2시 부터 서서히 가열되어 오후 3시 30분에 28°C까지 도달하였다. 축열운전이 끝난 시점에 축열조 온도는 25°C를 나타내었다. 태양광열 모듈의 입출수 온도는 오전 10시부터 오후 12시까지 급격하게 상승하므로 태양광열 모듈의 충분한 축열시간이 확보될 경우 더 높은 온도를 외벽보강 패널에 공급할 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 6. 
The temperatures of the PVT module and HST

한편, 외벽보강 패널의 운전이 시작되는 오후 6시부터 축열조의 온도는 지속적으로 감소하였다. 외벽보강 패널의 운전이 종료되는 시점의 축열조 온도는 16.4°C로 확인되었다.

Fig. 7.은 외벽보강 벽체의 실내측 및 실외측 표면온도와 모세관 튜브의 입출수 온도를 나타낸다. 외벽보강 벽체의 운전이 시작되는 오후 6시에 축열조로부터 약 24°C 수준의 온도를 공급받았다. 따라서, 오후 7시에 실내측 벽체표면 온도는 19.3°C까지 상승하였다. 그러나, 실내측 벽체표면 온도는 열을 지속적으로 공급받았음에도 불구하고 오후 7시 이후부터는 점차 감소하였다. 이는, 실내측 벽체에 설치된 모세관 튜브가 상대적으로 온도가 낮은 실외측 벽체와 실내에 전도와 복사의 형태로 열을 전달하기 때문에 실내측 벽체표면온도가 감소되는 것으로 사료된다.

Fig. 7. 
Indoor and outdoor-side wall surface temperatures

한편, 실험기간 동안의 실내온도는 설정온도 범위와 유사하였다. 평균 실내온도는 19.9°C로 측정되었다. 이를 통해, 외벽보강 시스템이 난방부하 저감을 도모할 수 있음을 확인하였다.

Fig. 8.은 외벽보강 패널의 입출수 온도를 나타낸다. 외벽보강 시스템의 운전이 시작되는 15일 오후 6시에 외벽보강 패널에 23.7°C의 온도를 공급하였다. 오후 6시 이후에 외벽보강 패널에 입수되는 온도(EWT, Entering water temperature)는 지속적으로 감소하였다. 16일 오전 1시에는 패널의 입수온도 보다 출수온도(LWT, Leaving water temperature)가 더 높게 측정되었다. 이는, 외벽보강 패널이 충분히 가열되어 정상상태에 도달한 것으로 판단되며, 온수의 공급이 필요하지 않음을 나타낸다.

Fig. 8. 
EWT and LWT of the TCP

Fig. 9.는 외벽보강 패널 공급한 열량을 나타낸다. 공급 열량(Heat exchange rate)은 아래 (Eq. 1)에 근거하여 산출하였다.

Fig. 9. 
Heat exchange rate of the TCP

여기서, Q˙TCP는 외벽보강 패널에 공급된 열량(W), m˙은 순환수의 유량(L/min), c는 순환수의 비열(kJ/kg · K), t_e는 외벽보강 패널의 입수온도(°C), t_l은 외벽보강 패널의 출수온도(°C)이다.

외벽보강 패널이 정상상태에 도달하기 전까지(2월 15일 오후 6시부터 16일 오전 1시까지) 평균 87W를 방열하였다. 정상상태에 도달한 이후에는 패널의 입수온도가 출수온도 보다 높기 때문에 방열량이 음수의 값으로 계산되었다.