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전원주택라이프

주택 에너지 다이어트를 위한 열, 공기, 습기 흐름 제어 건축물리학

단열 &기밀 ①

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주택 에너지 다이어트는
쾌적한 주거 공간이 우선, 에너지 절감은 덤

우리나라는 2017년 1월부터 ‘제로에너지 건축물 인증제’를 시행하고 있다. 건축물의 에너지 성능을 정량적으로 평가해 제로에너지 실현 정도에 따라 5개 등급으로 구분해 인증하는 제도다. 이를 바탕으로 2025년부터 모든 신축 건물을 제로에너지로 의무화하겠다는 것이 정부의 목표다. 건축물의 에너지 성능은 가로 1m×세로 1m, 즉 1㎡당 연간 소비하는 난방 등유량으로 평가한다.


한국제로에너지건축협회의 자료를 보면 국내 건축물의 에너지 성능은 2001년을 기준으로 이전에 지은 것은 30ℓ하우스이며, 이후에 지은 것은 17ℓ하우스이다. 저에너지 건물은 1㎡당 연간 에너지(등유) 소비량을 기준으로 7ℓ는 저에너지하우스, 1.5ℓ는 패시브하우스, 0ℓ는 제로에너지하우스로 구분한다. 건물에서 사용하는 에너지 소비를 최소화하고 재생에너지를 적극 활용해야 비로소 제로에너지하우스를 지을 수 있다. 즉, 제로에너지하우스는 쾌적성을 중시하는 패시브하우스를 전제로 한다. 여기에서는 패시브하우스 실현을 위한 요소 기술인 고단열, 고기밀에 대해 살펴본다.


윤홍로 기자

도움말 (사)한국패시브건축협회 www.phiko.kr

           (주)해강인터내셔널 이정현 대표 02-416-1511

독일 패시브하우스연구소[Passive House Institute]의 패시브하우스에 대한 정성적 정의다.

“직접적 난방 설비의 도움 없이 생활에 필요한 최소한의 신선한 공기를 보조적 설비 수단으로 조금 온도를 올리거나 내림으로써 재실자가 열적, 공기질적으로 만족할 수 있는 건물을 말한다.”, “에너지 효율성, 쾌적함, 경제성을 동시에 만족시키는 표준적 건물이며, 이 세 가지 요소 중 한 가지라도 만족시키지 못할 경우 진정한 패시브하우스가 아니다.” 그리고 정량적 정의는 ▲연간 난방 에너지 요구량: 15㎾h/㎡·a 이하 ▲1차 에너지 소요량: 120㎾h/㎡·a 이하(냉방, 난방, 조명, 급탕, 환기, 콘센트) ▲최대 난방 부하: 10W/㎡ 이하 ▲기밀도(n50): 0.6/h 이하 등이다.


이를 통해 패시브하우스가 건물의 에너지 절감보다 인간의 쾌적성을 더 중시하고 있음을 알 수 있다. (사)한국패시브건축협회에서도 “패시브하우스는 에너지 절감을 목적으로 개발된 건물이 아니다.”면서 “인간에게 최대한 쾌적한 주거 환경을 제공해 주기 위한 연구의 결과로 완성된 것인데, 이를 하다 보니 저절로 에너지 절감이 보너스로 따라 왔다고 봐도 무방하다.”고 한다. “신기후 체제(2015년 파리협정) 출범에 따라 건물 부분의 에너지 절약 및 국가 온실가스 감축 목표 달성하기 위한 것이다.”라고 밝힌 정부의 제로에너지하우스 로드맵하고는 접근 방법이 다르다.

인간 중심의 쾌적한 건축물

우리는 어떤 환경일 때 쾌적감, 즉 상쾌하고 즐거운 기분이 들까. 미국 지리학자 워너 터중Werner H. Terjung은 쾌적대快適帶를 상대습도 30∼70%, 유효온도 17.7∼22.2℃ 범위로 보았다. 이 쾌적대는 인간이 나체로 휴식을 취할 때 혈관 운동 반사만으로 체온조절이 가능한 범위이며, 이 이하에서는 신진대사가 증가해 열 생산이 많아지고 발한發汗 작용에 의한 체온조절이 이루어진다고 한다(참고: 《지구과학사전》, 한국지구과학회 편찬, 북스힐).


그러면 열적으로나 공기질적으로 우리가 만족을 느끼는 쾌적한 건물은 무엇일까. (사)한국패시브건축협회에서는 ‘알맞은 온도의 신선한 공기가 하루 종일 들어오는 건물’로 정의하면서, 이것을 다음과 같이 정량적으로 설명하고 있다.


알맞은 온도 _ 패시브하우스에서는 열 교환 환기장치에서 들어오는 공기의 온도를 약 17℃라고 정한다. 이는 두 가지 의미를 지닌다. 첫 번째는 쾌적한 난방 온도가 20℃인데, 이 온도보다 3℃ 이상 차이가 날 경우 쾌적대에서 벗어난다고 보기 때문이다(인간이 통상적으로 쉽게 감지할 수 있는 온도 차이이기도 하다). 두 번째는 열교환 환기장치를 통해서 급기되는 최저 온도를 17℃ 로 설정한다는 뜻이다.


신선한 공기의 양 _ 패시브하우스에서는 매시간 공급돼야 하는 신선한 공기(외기)의 양을 약 30㎥/인·h으로 보고 있다. 이는 이산화탄소 농도를 기반으로 정해진 DIN1946-2에 근거한다. 그리고 우리나라의 1인당 공급 공기량은 25㎥/인·h이다. 일본의 기준을 따른 것인데, 이 값은 유럽 표준과도 동일하다.

우리는 상대습도 30∼70%, 유효온도 17.7∼22.2℃에서 상쾌하고 즐거운 기분이 느낀다.

쾌적한 건축물을 위한 열, 공기, 습기 제어

건축물에서 ‘외피’는 거실 또는 거실 외 공간을 둘러싸고 있는 벽, 지붕, 바닥, 창 및 문 등이다. 즉, 외기에 직접 면하는 부분을 말한다. 이 외피는 에너지(열, 소리, 빛 등)와 유체(공기, 습기 등)의 흐름을 제어하는 역할을 한다. 고단열, 고기밀을 통한 쾌적한 주택의 관건은 북미권에서 HAM이라고 부르는 열[Heat], 공기[Air], 습기[Moisture]의 흐름을 제어하는 데 있다.


경량 목구조 외피의 경우 열의 흐름은 단열재가 제어하며, 단열재의 내측에서 공기와 습기의 흐름은 기밀·방습지가 제어하고 단열재의 외측에서 물, 공기, 습기의 흐름은 투습·방수·방풍지가 제어한다.


열의 흐름 제어 _ 열의 흐름은 전도[Thermal conduction], 대류[Connective heat transfer], 복사[Heat radiation]에 의해서 발생하며, 건물에서 열손실을 줄이려면 이들을 제어해야 한다.   

전도 _ 물질 내에서 열에너지가 고온 부분에서 저온 부분으로 이동하는 것이다. 일반적으로 열전도는 금속, 비금속, 액체, 기체 순으로 작다. 금속은 자유 전자의 운동에 의해서, 액체는 분자의 진동 에너지에 의해서, 기체는 자유 운동을 하는 분자의 충돌에 의해서 에너지가 발생하여 열이 이동한다. 열전도는 단열을 통해서 제어하며, 지구상의 물질 중 열전도에 대한 저항이 가장 큰 재료는 ‘정지 상태의 공기’이다. 대부분의 단열재가 공기층을 형성할 수 있는 재료로 만들어지는 이유이다.

대류 _ 유체(기체, 액체)의 흐름에 의한 열전달, 즉 유체가 뜨거우면 비중이 가벼워져 상승하고 차가우면 비중이 무거워져 하강하는 원리다. 대류는 기밀을 통해서 제어한다.  

복사 _ 태양이 지구를 데우듯 고온의 물체 표면에서 저온의 물체 표면으로 공간을 통한 열전달이다. 재료 표면의 특성에 따라 복사율이 달라지며, 복사는 저방사성[Low Emissivity] 표면을 가진 물질(예: Low-E 유리, 열 반사 단열재)로 제어한다.

이상적인 단열 구조는 생활 주변에서 흔히 볼 수 있는 보온병이다.

①고무로 밀폐한 부분으로 기밀 성능이 높아 대류에 의한 열전달이 발생하지 않는다.

②진공 부분으로 전도와 대류에 의한 열전달이 발생하지 않는다.

③알루미늄 코팅 부분으로 복사에 의한 열전달을 최소화한다.

④단열 부분으로 전도에 의한 열전달이 발생하지 않는다.

이처럼 보온병은 전체적으로 열교熱橋[Thermal Bridge]가 없는 구조이다. 이런 형태의 주택에다 문과 창호를 내고 열 교환 환기장치를 달면 바로 패시브하우스이다. 고단열에서 중요한 것은 콤팩트Compact한 외피 디자인을 통해 열 관류율을 벽, 지붕, 바닥은 0.15W/㎡·K 이하로 하고, 선형 및 점형 열교를 0.01W/m·K로 최소화하는 것이다.


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