[6월호 특집] 05. 패시브와 액티브의 만남, 제로에너지하우스

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[6월호 특집] 05. 패시브와 액티브의 만남, 제로에너지하우스

2017년 6월 1일 (목) 00:00:00 | 지면 발행 ( 2017년 6월호 - 전체 보기 )

패시브와 액티브의 만남, 제로에너지하우스

문제는 패시브하우스 보급 확산이다

우리나라 주택에서 사용하는 필요 에너지 중 80% 정도가 냉난방과 급탕이며, 이 가운데 단독주택용 에너지만 국가 총 에너지 소비량의 10%를 웃돈다. 우리나라뿐만 아니라 다른 나라도 이와 비슷한 실정이어서 선진국을 중심으로 이미 오래 전부터 주택 에너지 소비를 최소화하기 위한 다양한 시스템 개발에 한창이다. 슈퍼 단열과 슈퍼 윈도우 그리고 여기에 자연형과 설비형 태양광 시스템 등을 적용한 제로 또는 로우 에너지 솔라하우스Low Energy Solar House이다. 즉, 패시브 공법을 바탕으로 액티브 기술을 적용하고 있다. 하지만 우리나라는 패시브 요소보다 기계, 설비 위주의 액티브 기술에만 초점을 맞추고 있다. 제로에너지하우스는 패시브하우스라는 관문을 통과해야만 실현할 수 있다. 따라서 어느 단계부터 정책적으로 지원해야 하는지 재검토가 필요하다. 제로에너지하우스로 가는 패시브의 구성 요소와 액티브 설비에는 무엇이 있는지 살펴보고자 한다.

정리 윤홍로 기자

도움말 이태구(세명대 건축공학과 교수), 이정현(㈜해강인터내셔널 대표이사) 02-416-1511

참조 《신재생 기반 친환경에너지타운 기술개발》 한국에너지기술연구원

패시브하우스 구성 요소

패시브하우스 계획 단계부터 대지의 특성과 기후 환경에 대한 이해를 바탕으로 자연 에너지의 활용도를 높이고 에너지 사용량을 최소화하는 디자인이 중요하다. 즉, 열과 빛, 통풍 등 자연 에너지를 효과적으로 활용해 화석 에너지 사용을 최소화하는 디자인이다. 이를 위해 건축물의 배치, 대지 활용, 건축 형태, 공간 계획, 창호, 차양, 단열, 조경 계획 등이 활용되며, 이들 기법은 각기 다른 요소 기술과 상호작용을 통해 최적의 쾌적성을 만든다.

미기후 조절 시스템

미기후微氣候란 지표면에서 지상 1.5m 정도의 기층氣層 기후를 말한다. 미기후는 지형과 표면의 재질, 입면적인 건축 요소 등에 영향을 받는다. 이들로 인해 빛과 그림자, 바람 등에 의한 노출 정도가 달라지기 때문이다. 건축 계획 시 미기후를 활용하고, 여기에 고단열과 고기밀, 공기 순환, 자연 환기, 차양 시설 등의 요소를 조합하면 에너지 소비를 줄이면서 쾌적성이 높은 공간을 조성할 수 있다.

좌향坐向_기본은 태양 에너지를 이용한 난방과 자연 채광에 의한 조명이다. 따라서 주택을 태양 에너지를 적극 활용할 수 있는 방위에 배치해야 한다. 일반적으로 우리나라에선 남향이 수직으로 도달하는 일사량이 겨울철에 가장 많고 여름철에 가장 적다. 즉, 남향으로 주택을 배치하면 냉난방에 대한 부담을 덜 수 있다.

풍향_바람은 여름철엔 긍정적이지만 겨울철엔 부정적인 요소로 작용한다. 바람의 자연적인 조절 효과를 볼 수 있는 이상적인 대지는 남면을 향한 경사지다. 여기에 겨울철 바람을 막기 위한 수목과 인공 구조물을 조합해 설치하면 방풍 효과를 볼 수 있다.

평면_에너지의 효율은 평면 형태의 장단면 비율에 따라서 달라진다. 동일한 면적의 평면일 경우 장단면비가 1:1인 정방형이 적합하다. 그러나 공간의 기능과 구성 요소, 일조, 일사 등으로 정방형 디자인이 어려울 경우 동서로 긴 형태가 유리하다. 동서축으로 길어질수록 겨울철 수열량이 많아지고 여름철의 수열량이 적어지기 때문이다. 또한, 주택의 외피 면적이 증가할수록 에너지 소비도 증가한다. 그러나 무조건 표면적을 적게 만든다고 모두 유리한 것은 아니다. 태양의 고도나 방위 등을 고려해 표면적을 크게 했을 때 유리한 경우도 있다.

건축물의 향과 에너지 절약.

건축물의 장단면 비율과 에너지 절약.

건축물의 평면 형태 변화에 따른 에너지 절약.

고단열, 고기밀 시스템

단열을 이해하려면 열전달과 제어 방법을 알아야 한다. 열전달은 전도, 대류, 복사 세 가지 방법으로 이뤄진다. △전도_물질의 이동이 없이 고온의 분자로부터 저온의 분자로 열이 이동하는 것이다. 전도는 단열을 통해 제어한다. △대류_유체(기체, 액체)의 흐름에 의한 열전달이다. 유체가 뜨거우면 가벼워져 상승하고 차가우면 무거워져 하강하는 원리이다. 대류는 재료나 시공의 정확성에 의존하는데 기밀을 통해 제어한다. △복사_태양이 지구를 데우듯 고온의 물체 표면에서 저온의 물체 표면으로 공간을 통한 열전달이다. 재료 표면의 특성에 따라 복사율이 달라지며, 복사는 저방사성 표면을 가진 물질로 제어한다. 우리가 로우-이Low-E 유리라고 부르는 것이 바로 저방사성 유리다.

단열이란 겨울철엔 실내에서 실외로 새는 열 손실을, 여름철엔 실외에서 실내로 들어오는 열 취득을 효과적으로 제어하는 것을 말한다. 단열을 하는 목적은 첫째, 실내 열 환경을 개선해 쾌적감을 높이는 데 있다. 내벽의 표면 온도를 실내 온도와 비슷하게 조절해 불쾌감을 없애고 외기의 변화와 일사日射에 의한 외벽의 영향을 줄임으로써 쾌적감을 높이는 것이다. 둘째, 내벽의 표면 온도를 이슬점 온도 이상으로 유지해 결로를 방지하는 데 있다. 셋째, 에너지 절약으로 내·외부 간 열전달을 차단해 에너지 사용량뿐만 아니라 냉난방 설비의 부하를 줄이는 데 있다.

※ 일반적으로 제로에너지하우스를 실현하기 위해 충족해야 하는 열관류율의 범위는 벽은 0.09∼0.15W/㎡·K, 바닥은 0.08∼0.15W/㎡·K, 지붕은 0.07∼0.15W/㎡·K이다. 주어진 열관류율 값 중에서 최저값은 북쪽 기후의 고립된 단독주택들에 적용되고, 최고값은 중부 유럽의 집합주택이나 아파트에 적용된다.

공기의 흐름은 밖에서 안으로 들어오는 침기浸氣와 안에서 밖으로 나가는 누기漏氣로 구분한다. 공기의 흐름은 내외부의 압력 차에 의해 다공질, 틈, 크랙 등을 통해 발생하며, 공기가 흐른다는 것은 열 손실을 뜻한다. 이를 줄이려면 정확하고 세밀한 기밀 시공이 필요하다.

건식구조에서 열 손실 메커니즘은 침기·누기 발생 ⇒ 외력에 의한 대류 ⇒ 자연 대류 ⇒ 단열재 내부 공기 흐름 ⇒ 단열재 주변 틈을 통한 공기의 흐름이다. 일례로 풍속이 14mph일 때 투습·방수용 하우스 랩을 대지 않은 단열재는 70% 정도 단열 성능을 잃는다. 건식구조에서 단열재를 중심으로 바깥쪽에 투습·방수용 하우스 랩을 대는 이유 가운데 하나가 바람으로부터 단열재의 성능을 보호(방풍)하기 위한 것이다.

공기는 습기를 품고 있는데 온도가 높을수록 더 많은 습기를 품는다. 온도에 따라 품을 수 있는 최대 습기는 20℃일 때 17.3g/㎥, 15℃일 때 12.8g/㎥, 10℃일 때 9.4g/㎥, 5℃일 때 6.8g/㎥, 0℃일 때 4.8g/㎥로, 이 때문에 결로가 발생하는 것이다. 즉, 20℃일 때 습기를 최대 17.3g/㎥ 품는데, 이때 온도가 15℃로 떨어지면 품을 수 있는 습기의 양이 최대 12.8g/㎥이므로, 그 차액인 4.8g/㎥만큼 물로 뱉어낸다. 이것이 바로 결로로, 따듯한 곳에 있는 공기가 찬 공기 또는 찬 표면과 만났을 때 즉각적으로 발생한다. 결국 내·외부 온도 차로 발생한 결로는 단열재를 적셔 열전도 저항값을 떨어뜨려 열 손실을 일으킨다. 따라서 단열재 안쪽에 기밀·방습용 하우스 랩을 설치해야 한다.

★패시브 용어 사전★
·열전도_열을 재료 앞쪽 표면에서 뒤쪽 표면으로 전달하는 것.
·열전도율_균일한 두께(1m)와 면적(1㎡)의 재료 앞쪽 표면에서 뒤쪽 표면으로 1℃ 온도 차로 1시간 전달된 열량(단위 W/mk 또는 ㎉/m.h.℃).
·열관류_벽체 같은 고체를 통해 공기층에서 공기층으로 열이 전해지는 것.
·열관류율_특정 두께를 가진 재료의 열전도 특성. 연관류율=열전도율÷두께(단위 W/㎡k 또는 ㎉/㎡.h.℃).
·열저항_여러 가지 재료가 혼합된 경우 열관류율을 구하기 위해 사용한다. 재료의 두께를 열전도율로 나눈 값(㎡k/W)이다. 결국 열관류율의 역수이며, 여러 재료가 혼합된 구조체의 열관류율을 구할 때는 각 재료마다 두께(m)를 열전도율로 나눈 열저항값을 더한 뒤에 1로 나누면 열관류율이 나온다.
·투습 저항(sd)값_습기가 어떤 재료를 통과할 때의 저항을 공기층 두께로 환산한 것. PE 필름(200micron)은 sd값이 20m이다. 즉, 습기가 PE 필름을 통과할 때 걸리는 저항이 공기층 20m를 통과할 때 저항과 같다는 뜻이다. 또한 석고보드의 sd값은 0.1m로 습기가 석고보드를 통과할 때 걸리는 저항이 공기층 10㎝ 정도밖에 안 된다.

고성능 창호 시스템

창호는 쾌적성을 좌우하는 전체적인 열적 성능 향상과 에너지 절감에 크게 영향을 미친다. 따라서 창호를 통한 열손실을 최소화하는 것이 중요하므로 선택 시 다중 구조의 창호, 로이 코팅 유리, 가스 충진, 단열 간봉, 단열 창틀 등을 고려해야 한다.

겨울철 난방 요구량의 1/3이 창호를 통한 태양열 획득으로 이뤄진다. 따라서 유리의 햇빛 투과율 값(g-value)이 50% 이상인 적절한 크기의 창호를 선택해 남향으로 설치하는 것이 좋다. 또한 여름철 과열 방지를 위해 개폐가 가능해야 하며 열관류율이 0.8W/㎡·K 이하여야 한다. 이 값을 충족하려면 삼중 로이 유리 또는 진공 복층 유리를 사용해야 한다. 가스(아르곤, 크립톤)를 충진할 경우 열관류율을 0.6W/㎡·K까지 낮추면서 공기층 두께도 줄일 수 있다. 또한 로이 코팅은 유리 안쪽 표면에 코팅되며 복사열 손실의 96%(e=0.04)까지 줄일 수 있다.

고성능 슈퍼 창호를 구현하는 간단한 방법은 가스 충진된 로이 코팅 유리를 다중 구조(삼중 이상)로 구성하는 것이다. 다중 구조 창호 적용 시 가시광선 투과율은 낮아지지만, 전체 열손실은 매우 낮아지므로 순열손실은 감소한다.

전동 블라인드 시스템

태양광은 직사광선, 확산광선, 반사광선으로 구성된다. 직사광선은 외부 차양 장치로 조절하고 확산광선은 입사 각도가 광범위해 대개 내부 차양 장치로 조절하며 반사광선은 표면 반사각을 줄여서 조절한다. 이상적인 차양 장치는 조망과 환기를 허용하면서 태양광선을 최대한 차단하는 것이다. 따라서 외부 차양 장치가 내부 차양 장치보다 효과가 우수하며 미적인 면에서도 좋다.

차양 장치를 설치하면 창호의 단면이 넓은 현대식 건물의 온실 현상을 방지하며 여름철 냉방비를 25∼35%까지 절약할 수 있다. 또한 직사광선과 인접 건물의 빛 반사에 의한 눈부심을 적절히 관리할 수 있다. 즉, 빛의 강도와 건물의 방향, 주위의 장애물 등을 제어해 눈부심과 반사광을 없애고 시각적 편안함을 준다.

제로에너지하우스

제로에너지하우스는 일반 주택에 순수 부하 저감 기술을 적용한 패시브하우스를 기반으로 태양광, 태양열, 지열 등의 신·재생에너지 설비 시스템을 적용한 것이다.

코오롱글로벌(주) 에너지플러스 그린홈.

태양열 시스템

태양 에너지를 주택 난방, 급탕 또는 냉방에 이용하는 설비로 크게 집열부, 축열부, 분배·활용부로 이뤄진다. 이들 구성 요소 간 열전달 방법에 따라 기계적 강제 순환 방식에 의한 설비형(Active)과 자연 순환 방식에 의한 자연형(Passive)으로 분류하며 설비형에 약간의 기계적인 순환 방식을 병용한 혼합형(Hybrid)도 있다. 일반적으로 주택의 난방과 급탕에 직접 적용 가능한 저온용(60℃ 이하)은 자연형 태양열 시스템이나 공기식 태양열 집열 시스템에, 100℃ 이하는 설비형 태양열 시스템에 해당한다.

태양광 시스템

태양전지(Solar Cell)는 보통 검은색을 띠며 반도체 등 전자부품용 실리콘으로 구성돼 있다. 일반적으로 반도체에 빛이 입사하면 흡수돼 빛과 반도체를 구성하는 물질과 상호작용이 일어난다. 그리고 음전하와 양전하를 띤 전자와 정공(전자가 빠져나간 구멍)이 발생해 전류가 흐르거나 전기 그 자체가 발생하기도 한다. 태양전지를 이용한 발전의 장점은 에너지원인 태양광의 수명이 영구적이고 연료비가 필요하지 않다는 점이다. 또한 화석연료와 같이 환경을 오염시키는 배기가스와 유해물질을 배출하지 않으며 소음도 전혀 발생하지 않는 청정 에너지원이다. 태양전지를 주택에 설치하면 그 자체가 일종의 개미 발전소가 되며, 이것이 모이면 화력이나 원자력 발전소를 줄여나갈 수 있다.

지열 히트 펌프 시스템

지열 히트 펌프는 지열 한 가지로 냉난방과 온수 급탕이 가능한 설비다. 지열이란 지구가 내부에 지닌 열을 총칭하지만, 실제 우리가 이용할 수 있는 지열 에너지는 지각 내 수 km 심도 이내의 것을 말한다. 우리가 이용하는 지열은 주로 지표로부터 150m 이내(경제적인 깊이)의 토양, 암반, 지하수로 온도는 15℃ 전후이다. 지열은 태양이나 강우로부터 얻는 열과 지구 내부와의 열전달이 지속적으로 일어나기에 태양과 지구가 존재하는 한 계속 생성되는 무한대의 청정에너지다.

지열의 열원은 지중 열교환기를 통해 히트 펌프로 들어오는 열매체가 연중 일정한 온도의 액체(부동액 또는 지하수)이다. 특히 난방 기간인 동절기엔 외기보다 온도가 높고, 반대로 냉방 기간인 하절기엔 외기보다 온도가 낮기에 히트 펌프의 작동 성능이 좋아진다. 초기 투자비가 많이 들지만 히트 펌프의 성능이 높아서 운전비가 적게 들고, 외부에 실외기라든가 냉각탑 등이 필요 없어 외관상 좋으며, 소음이 없고 환경 공해를 유발하지 않는다. 또한 지중에 매설되는 지중 열교환기는 HDPE(High Density Poly Ethylene) 파이프로 설치가 용이하고 부식, 내구성 등에서 거의 반영구적이므로 보수비용이 거의 필요 없다. 더불어 기존의 보일러나 공조 시스템에 비해 설치 공간이 적게 들며 기기가 상당히 단순하다는 이점이 있다.

정부는 “일반 건축물 대비 제로에너지하우스는 건축비가 23.9% 상승하지만, 에너지비용을 64.6% 절감해 10년 6개월이면 초기 투자비를 회수할 수 있다”고 한다.

제로에너지하우스로 나아가는 관문이 패시브하우스이므로 그 종주국인 독일의 사례를 들여다볼 필요가 있다. 독일은 2005년부터 패시브하우스를 정책적으로 적극 지원했다. 지자체별로 다르지만 약 5만 유로를 1.5% 저리로 융자해 주는데 7년 만에 초기 투자비를 회수하고, 그 다음부터 이익이 발생하자 패시브하우스 건축붐이 일어났다. 또한 초기 패시브하우스 건축비가 일반 건축비에 비해 15∼20% 높았으나 기술 개발과 실증 단계에서 시행착오를 겪으면서 추가 건축비를 5% 정도까지 낮췄다. 우리나라도 고효율의 총체인 패시브 단계에서부터 다양한 인센티브를 제공함으로써 패시브하우스 건축붐을 조성해야 한다. 그래야만 여기에 기계, 설비 등 액티브 기술을 결합해 자연스럽게 제로에너지하우스 단계로 진입할 수 있다.