KIEAE Journal

최근 지구온난화로 인해 지구촌 곳곳에서는 다양한 이상기후들이 나타나고 있으며, 이로 인한 대규모 인명 및 재산상의 피해가 발생하고 있다. ‘IPCC¹⁾ 제5차 평가 종합 보고서’에 따르면, 전 세계적으로 인위적 온실가스 배출량은 계속해서 증가해왔으며, 이 온실가스가 20세기 중반 이후부터 관측된 지구온난화의 주원인일 가능성이 대단히 높다고 발표하였다. 이에 에너지와 환경문제가 지구적 차원의 주요 이슈로 다루어지고 있으며, 우리나라는 2009년 국가 중기 온실가스 감축 목표(2020년 BAU 대비 30 % 감축)를 대내외에 발표하고, 국가 로드맵을 수립하여 온실가스 배출량을 감축해 나가고 있다.

2013년 기준, 국내 온실가스 총배출량(LULUCF 제외)은 694.5 백만 톤 CO₂eq.으로, 이 중 87.3 %(606.2 백만 톤 CO₂eq.)가 에너지 분야²⁾에서 배출되고 있다.³⁾ 이에 국내 총에너지 소비량의 약 1/4을 차지하는 건물부문에 대한 에너지 저감의 필요성이 대두되고 있으며, 특히 건물에서 가장 많이 소비되는 냉·난방에너지(69 %)에 중점을 두고 관련 연구 및 정책들이 이루어지고 있다.⁴⁾ 결국 효과적인 온실가스 감축을 위해서는 건물에서의 냉·난방에너지 소비량을 최소화할 수 있는 건축적 기술과 더불어, 친환경적인 에너지를 이용한 냉·난방 방안이 필요하다.

이에 본 연구는 ‘온실을 이용한 난방시스템 개발’을 위한 기초연구 단계로서, 태양열에 의해 데워진 온실의 공기를 건물 내부로 유입시키고, 그에 따른 실내 온도 변화 모니터링을 통해 난방효과를 분석함으로써, 친환경 난방시스템 개발에 필요한 기초 데이터로서 제공하고자 한다.

본 연구에서는 온실과 태양열에 의해 데워진 열을 실내로 공급하기 위해 열교환기, 환기장치 등의 액티브(Active)한 방식을 이용하지 않고, 온실과 건물 사이에 설치된 창문을 통한 자연대류에 의하여 온실의 열을 실내로 공급하고자 한다.

이에 본 연구는 크게 3단계로 나누어 실험을 진행하였다. 첫째, 실험을 위해 필요한 Mock-Up을 계획·설계·시공하여 구축한다. 둘째, 4주(2016.03.15 ~ 2016.04.11)의 모니터링 기간 동안, 태양열에 의해 데워진 온실의 공기를 실내 난방에 사용하지 않은 경우(Case1)와 사용한 경우(Case2)의 실내 온도 변화를 모니터링 하였다. 셋째, 모니터링 기간 동안 측정된 Case1(창문 미개방)과 Case2(창문 개방)의 실내 온도 데이터를 비교·분석하여 온실을 이용한 건물의 실내 난방 효과를 분석한다.

독일에서는 건물의 전면에 온실을 설치한 건물들을 쉽게 찾아볼 수 있다. 이는 겨울철 낮에 태양열에 의해 30 ℃ 이상 데워진 온실의 따뜻한 공기를 집안으로 들여보내 실내 온도를 높이는 역할을 하며, 단열이 잘 이루어지고 온실의 규모를 적정하게 설치할 경우에는 겨울 낮 시간 동안 특별한 난방 없이도 20 ℃ 이상의 실내 온도를 유지할 수 있도록 해주기 때문이라고 한다.⁵⁾ 독일에서는 이러한 온실을 겨울정원(Wintergarten)이라고 한다. 이는 건물 내부와 외부의 완충공간으로서의 역할을 하며, 온실 공간에 화초나 정원을 꾸밈으로써 겨울철에도 항상 식물들의 푸르름을 집안에서 느낄 수 있도록 해준다.

패시브하우스는 1988년 Prof. Bo Adamson과 Prof. Wolfgang Feist의 공동 협력 연구를 통해 처음 정의된 개념으로, 정성적 의미의 패시브하우스는 ‘직접적 난방설비의 도움 없이 생활에 필요한 최소한의 신선한 공기를 보조적 설비 수단으로 조금 온도를 올리거나, 내림으로써 재실자가 열적, 공기질적으로 만족할 수 있는 건물’⁶⁾이라고 정의하고 있으며, 정량적인 의미의 패시브하우스는 연간 난방 에너지 요구량 15 kWh/㎡·a 이하, 냉·난방·급탕·전기를 포함한 1차 에너지 소요량 120 kWh/㎡.a 이하인 건물을 말한다. 이러한 패시브하우스는 유럽을 중심으로 발전해왔으며, 현재는 전 세계적으로 건축물의 에너지 사용량을 최소화할 수 있는 주요 건축기술로서 평가받고 있다.

‘온실을 이용한 난방시스템’ 기본 원리는 7단계로 이루어져 있다. 첫째, 태양열에 의해 건물 전면에 구축된 온실의 내부 온도가 상승한다. 둘째, 온실 온도가 상승하면서 온실 내부의 식물에서 증발산 작용이 일어난다. 셋째, 증발된 고온의 습공기가 대류현상에 의해 지붕의 집열기까지 상승한다. 넷째, 태양열 집열기에서 2차 가열된 고온·다습한 공기는 덕트(Duct)를 통해 열교환기로 유입된다. 다섯째, 열교환기에서 고온·다습한 공기의 열을 추출한다. 여섯째, 비 난방 기간의 경우 추출한 열을 축열탱크에 저장하고, 난방 기간의 경우 추출한 열과 축열탱크에 저장되어 있는 열을 폐열회수 환기장치에 공급하여 난방에 이용한다. 일곱째, 열교환기에서 열이 추출되어 저온 건조해진 공기는 온실로 배출시켜 재순환 되도록 한다.

순 서	Conceptual diagram
①	Internal temperature in greenhouse rises due to solar heating
②	Evapotranspiration of plants in the greenhouse
③	Humid air with high temperature rises and moves to solar collector
④	After second heating in the solar collector, it moves to heat exchanger
⑤	Extraction of latent heat within humid air having high temperature through the heat exchanger
⑥	Use for the extracted heat for heating & Heating using heat stored in summer
⑦	Emission of hypothermal dry air to greenhouse hrough a heat exchanger
참 고	Design to open both upper and lower in greenhouse in order to avoid overheating of internal temperature in greenhouse in summer

본 실험을 위해 구축된 Mock-up은 건물의 열손실을 줄임으로써 효과적인 난방이 가능하도록, 저에너지 하우스 수준의 에너지 성능을 목표로 계획·시공되었다. 이에 본 Mock-up의 건물에너지 성능을 평가하기 위해 독일 PHI(Passive House Institute)에서 개발한 PHPP(Passive House Planning Package)⁸⁾프로그램을 이용하였으며, 다음(Table 7)과 같은 기본 경계조건을 적용하여 에너지 성능을 평가하였다.

이를 바탕으로 Mock-up의 건물에너지 성능을 분석한 결과 연간 난방에너지 요구량이 47 kWh/㎡·a인 것으로 평가되었으며, 이는 계획 당시 목표로 했던 저에너지하우스 수준⁹⁾의 에너지 성능을 만족한 결과라고 할 수 있다.

Fig. 1. 
The result on building energy performance evaluation of mock-up

본 연구에서는 하나의 Mock-up을 가지고, 두 가지 경우로 나누어 실험하였다. Case1(창문 미개방)의 경우 건물의 모든 창문을 닫은 상태에서 실내 온도 변화를 측정하였다. 반면 Case2(창문 개방)의 경우 태양열 획득량이 많은 오전 10시~오후 5시까지의 시간 동안 건물의 온실측 창문을 열어 온실의 열을 실내로 유입시키고, 이에 따른 실내 온도 변화를 측정하였다. 이에 두 경우의 외부 온도조건이 유사할 경우 Case1(창문 미개방)과 Case2(창문 개방)의 온도 변화량 차이는 온실로부터 획득한 열이라고 할 수 있으며, 이를 통해 온실을 통한 난방효과를 알아보고자 한다.¹⁰⁾

Division	Case 1			Case 2			X
	1Day	2Day	3Day	4Day	5Day	6Day	7Day
1 Weeks							●
2 Weeks
3 Weeks
4 Weeks
Temperature measurement positions				➀ Internal temperature
				→ Meeting room (2F)
				→ Internal surface temperature
				→ South internal wall of meeting room (2F)
				➂ Outdoor temperature
				→Korea meteorological administration climate data (Jecheon)

본 실험은 총 4주(2016.03.15 ~ 2016.04.11)간 진행되었다. 1주일 중 3일은 Case1(창문 미개방) 실험을 진행하고, 이후 3일은 Case2(창문 개방) 실험이 진행되었으며, 나머지 하루는 Case2(창문 개방) 실험 이후 아직 내부에 잔열이 남아있을 경우 다음 이어질 실험의 실내 온도에 영향을 미칠 수 있는 상황을 고려하여, 실험을 진행하지 않았다. 건물의 실내 온도는 2층 회의실에 온도 측정 장비를 설치하여 측정하였으며, 실외 온도는 실험 당일의 기상청 기온 데이터(제천)를 이용하였다. 또한 실내표면온도는 실내의 남측벽 중 햇빛이 직접적으로 비치지 않는 벽을 대상으로 열화상카메라를 이용하여 측정하였다.

Case1(창문 미개방)과 Case2(창문 개방)의 실외 온도 차이는 0~1.7 ℃이며, 평균 0.5 ℃의 차이를 보이는 것으로 나타났다. 이를 통해 Case1과 Case2가 매우 흡사한 외부 온도 조건에서 이루어진 실험 결과임을 확인할 수 있다. 이를 바탕으로 Case1(창문 미개방)과 Case2(창문 개방)의 실내 온도 변화를 비교한 결과 온도 변화 구간을 크게 세 가지로 나눌 수 있었다.

첫째, 온실열 획득 구간(오전 10시~오후 2시)이다. 이는 오전 10시경 Case1(창문 미개방)과 Case2(창문 개방) 모두 실내 온도가 19.7 ℃로 동일해지는 지점을 기점으로, Case2(창문 개방)의 실내 온도가 급상승하여 최고온도를 기록하는 오후 2시(27.8 ℃)까지의 구간을 말한다. 이 구간에서 Case1(창문 미개방)의 경우 실내 온도가 1.3 ℃ 상승한 반면 Case2(창문 개방)의 경우 8.1 ℃ 상승하였다. 결국 Case1(창문 미개방)과 Case2(창문 개방)에서 각자 상승한 실내 온도의 차이가 순수 온실의 열이 실내로 공급됨으로써 내부 온도가 상승한 수치라고 볼 수 있으며, 본 실험결과 온실의 열을 통해 해당 건물의 실내 온도를 최고 6.8 ℃ 상승시키는 효과를 얻었다.

둘째, 획득열 유지 구간(오후 2시~ 다음날 오전 4시)으로, 온실의 열을 획득하여 실내 최고 온도를 기록하게 되는 오후 2시(27.8 ℃)부터 이후 계속적인 실내 온도의 하락을 보이다 Case1(창문 미개방)과 Case2(창문 개방)의 실내 온도가 같아지는 다음날 오전 4시(19.5 ℃)까지의 구간을 말한다. 본 실험 결과 오전 10시~오후 2시까지 획득한 온실의 열이 모두 손실되는데 총 14시간이 소요되었다.

셋째, 비난방 구간(오전 4시~오전 10시)으로, 온실을 통해 획득한 열이 모두 손실된 오전 4시부터 온실을 통한 열 획득이 가능한 오전 10시까지의 구간을 말하며, 본 실험 결과 난방이 이루어지지 않는 시간이 총 6시간인 것으로 나타났다.

Case1(창문 미개방)과 Case2(창문 개방)에서의 평균 실내 표면 온도의 변화(오전 10시~ 오후 5시)를 분석한 결과 Case1(창문 미개방)의 경우 1.3 ℃, Case2(창문 개방)의 경우 6.4도 상승한 것으로 나타났다. 결국 온실의 열을 난방에 이용함으로써 공기의 온도뿐만 아니라 구조체의 온도까지 평균 5.1 ℃ 상승시키는 것으로 나타났다.

Fig. 3. 
The graph on heating effect comparison analysis through greenhouse