1. 서 론
2. 연구 방법 및 범위
3. 시뮬레이션
3.1 GR 창호 시스템
3.2 건물 에너지 소요량 시뮬레이션
4 . 실물 실험
4.1 실험 공간
4.2 실험 장비
4.3 실험 결과
5. 결 론
1. 서 론
국제에너지기구(IEA)에 따르면 전 세계 에너지 관련 이산화탄소 배출량은 2024년 약 380억 톤으로 사상 최고치를 기록했으며, 각국의 정책 시나리오 역시 중장기적으로 높은 배출 수준이 지속될 것으로 전망하고 있다1). 특히 건물 부문은 전 세계 최종 에너지 소비의 약 30%를 차지하기 때문에, IEA는 건물 부문 에너지 효율 향상을 온실가스 감축 수단의 핵심 전략으로 강조하고 있다2). 이러한 글로벌 에너지 절감 요구에 대응해 국내에서도 건물 부문의 에너지 사용 저감을 위한 정책적인 노력이 지속적으로 추진되고 있다.
대한민국은 국가 탄소중립 정책에 따른 건물 부문의 에너지 절감 목표를 기준연도(’18년) 대비 ’30년까지 32.8% 감축으로 설정하였으며, 이를 달성하기 위해 기존 건축물의 에너지 성능 개선이 필수적으로 요구되고 있다3). 국토교통부 통계에 따르면 2024년 기준 전국의 건축물은 740만여 동에 이르며, 이 중 준공 후 30년 이상 경과한 노후 건축물의 비율은 44.4%에 달한다4). 이는 전년 대비 1.8% 증가한 수치이며, 이러한 노후 건축물의 지속적인 증가로 인해 국가 탄소중립목표 달성을 위해서는 해당 건물의 그린리모델링이 필수적으로 요구되고 있다.
건축물의 그린리모델링을 위한 요소기술은 여러 가지이나 현재까지는 주로 창호의 교체나 벽체 단열보강과 같은 외피 단열성능 강화를 위한 기술들이 보편적으로 적용되고 있다5). 특히 창호는 열손실이 가장 높은 부위로 외피의 평균적인 단열성능에 큰 영향을 미치며, 그린리모델링시 에너지 절감 효과가 뛰어나 우선 공사 대상이 되어왔다6). 그러나 그린리모델링으로 많이 활용되는 삼중유리 창호 등 다복층 창호의 경우 중량이 크기 때문에 시공성 저하 및 기존 건물 구조체에 대한 하중 증가 문제로 활용이 어려울 수 있는 한계를 가지고 있다7).
이에, 단열성능 향상을 위한 유리의 다복층 구현을 위해 필름을 활용한 제품이 개발되었다. 선행 연구에 따르면 Suspended film을 적용한 창호는 중량이 매우 가벼우며, 해당 필름은 유리층의 역할을 수행할 수 있는 것으로 보고되었다. 필름은 유리보다 얇고 가벼워 창호 중량 저감이 가능하며, 동일한 창 두께 조건에서도 더 넓은 가스층 확보가 가능하고, 실제 유리와 유사한 단열 성능을 확보할 수 있는 것으로 확인되었다8).
필름을 활용한 다복층 유리는 그린리모델링에 유용한 재료로 판단되지만 관련 연구가 매우 드물고, 특히 현장 실험은 전 세계적으로도 제한되어있는 편이다9). 이에, 본 연구에서는 필름 삽입형 다복층 유리를 활용한 그린리모델링 전략을 제시하고 그 효과를 검토하기 위해 Window 7.8을 활용한 열관류율 시뮬레이션과, ECO2-OD를 활용한 난방 에너지 시뮬레이션, 그리고 실제 현장에서의 성능을 파악하기 위한 현장 실험 분석을 실시하였다.
2. 연구 방법 및 범위
필름 삽입형 유리를 활용한 기존 건물 그린리모델링 시스템(이하 GR 창호 시스템, GR glazing system) 의 에너지 절감 효과 및 단열 성능을 분석하기 위해 본 연구에서는 다음과 같은 순서로 연구를 진행하였다.
(1) 기존 창호(복층유리)를 현재 신축 비주거 건축물 단열수준으로 끌어올리기 위한 시스템을 구상하였다. 이를 위해 NFRC (National Fenestration Rating Council Incorporated)의 시뮬레이션 기반 창호 성능 평가 도구인 LBNL (Lawrence Berkeley National Laboratory)의 WINDOW 7.810)을 활용하였다. 해당 프로그램은 ISO 1509911)에 기반한 창호의 열성능 분석 도구이다.
(2) GR 창호 시스템을 기존 건물에 적용했을 경우 기존 건물의 에너지소요량 절감량을 분석하기 위해 시뮬레이션을 통해 에너지소요량을 분석하였다. 활용 프로그램은 ECO2-OD이며, 이는 한국에너지공단에서 배포 및 관리하는 건물 에너지 시뮬레이션 프로그램으로 그린리모델링 대상 건축물의 건축물 에너지 소요량 평가서 제출 시 활용된다12).
(3) 동일한 기존 창호 조건을 가지는 두 개의 테스트베드 공간을 구축하고, 한 실에만 그린리모델링을 실시하여 창호의 단열성능을 보강하였다. 그 후, 동계 난방 실험을 실시하여 3일간 두 실의 에너지 사용량 및 실내 쾌적에 영향을 미치는 내·외부 유리 표면 온도 측정을 실시하여 그 효과를 분석하였다.
3. 시뮬레이션
3.1 GR 창호 시스템
1979년 단열 기준이 도입된 이래로13), 신축 건축물에는 복층 유리창을 설치하게 되었다. 이에, 건축물의 수명을 고려할 때14), 약 50년 이상 흐른 현재 존재하는 건축물은 거의 복층유리창이 설치된 상황으로 볼 수 있다.
복층 유리창의 열관류율은 로이코팅 유무, 공기층의 두께, 열교차단재의 유무, 프레임의 종류 등에 따라 다양하나 건축물의 에너지절약설계기준 별표4에 따르면 1.8 ~ 4.0 W/m2·K 수준으로 알려져 있다15). 현재 서울 지역에서 건축물 신축 허가를 위한 법정 창호 열관류율 기준은 주거용 건축물의 경우 약 1.0 W/m2·K 수준이며 비주거 건축물의 경우 약 1.5 W/m2·K 수준이다. 본 연구에서는 비주거 건축물에 많이 적용되는 알루미늄 프레임의 커튼월 복층유리창을 대상으로 그린리모델링 전략을 구상하였다. 준공 후 10년 이상 경과된 건물의 경우 그린리모델링 사업의 대상이 될 수 있다16). 단, 창호의 경우 준공 후 15 ~ 20년 이상 된 경우 단열성능에 저하가 발생하는 것으로 알려져 있으므로17), 2011년 비주거 건축물 허가 수준인 2.1 ~ 2.4 W/m2·K의 복층 유리창을 기존 창호의 조건으로 설정하였다. Fig. 1은 기존 창호인 복층 창호와 그린리모델링 창호의 구성을 보여준다. 기존 창호 시스템은 5 mm 유리 + 12 mm 공기층 + 5 mm 로이유리로 구성된 22 mm 복층 유리를 사용하였고, 그린리모델링 창호 시스템은 기존 복층 창호의 커튼월 바 위에 스페이서를 설치하여 15 mm 공기층을 구성한 후 필름 삽입형 삼복층유리(5 mm 로이유리 + 16 mm 공기층 + 필름 + 16 mm 공기층 + 5 mm 로이유리)를 추가한 유리를 사용한 초고단열 시스템으로 구성하였다.
위와 같은 창호 시스템의 열관류율 계산을 위해 Window 7.8 프로그램을 활용하였다. 해당 시스템의 열관류율 계산을 위한 시뮬레이션 인풋데이터는 Table 1과 같다.
Table 1
Details of Window simulation
시뮬레이션은 두 창호 시스템의 유리만 다른 유리로 설정하였으며, 나머지 설정 조건은 동일하다. 시뮬레이션 대상 창호의 타입은 Custom Dual Vision Horizontal을 이용하였고 유리의 사이즈는 2x2 m이며 , 프레임은 윈도우에서 제공하는 알루미늄 프레임인 Al w/break를 활용하였으며, 유리는 복층 창호 시스템의 유리 와 그린리모델링 창호 시스템의 유리를 이용하였다. 분석을 위한 환경조건은 국내에서 창의 열 성능을 평가하는데 사용하고 있는 KS F 2278 ‘창 및 문의 단열성능 측정 방법’을 활용하여 실내·외 경계조건을 설정하였다.
시뮬레이션 결과는 Table 2와 같다. 복층 창호 시스템 유리의 열관류율이 1.62 (W/m2·K)일 때, 그린리모델링 창호 시스템의 유리는 0.60 (W/m2·K)로 나타났으며, 프레임을 포함한 창호 전체의 경우 그린리모델링 시스템은 1.60 (W/m2·K) 복층 창호 시스템의 경우 2.36 (W/m2·K)로 분석되었다. 복층유리 대비 그린리모델링 유리의 열관류율이 62.9% 낮았고, 프레임을 포함한 창호 전체의 열관류율은 그린리모델링 시스템 창호가 복층 창호보다 32.2% 낮은 것으로 분석되었다.
Table 2
Simulation result
| Component | Item | GR glazing system | Double glazing system |
| Glazing system | U-value (W/m2·K) | 0.60 | 1.62 |
| SHGC | 0.20 | 0.41 | |
| VT | 0.37 | 0.68 | |
| Total Window system | U-value (W/m2·K) | 1.60 | 2.36 |
| SHGC | 0.22 | 0.38 | |
| VT | 0.32 | 0.60 |
3.2 건물 에너지 소요량 시뮬레이션
3.1 섹션에서 분석한 두 창호의 열관류율을 활용하여 분석 대상인 기존 건축물의 그린리모델링 전후 동계 난방 에너지 소요량을 분석하였다. 시뮬레이션에 활용된 프로그램은 ECO2-OD이며, 인풋데이터는 Table 3과 같이 2011년 비주거 건축물 허가 수준인 외벽(외기직접) 0.36 W/m2·K , 지붕(외기간접) 0.29 W/m2·K이하 , 바닥(외기 간접) 0.58 W/m2·K을 입력하였다(Fig. 2). 시뮬레이션 공간의 모델링은 테스트베드와 동일한 크기로 구성하였다.
Table 3
ECO2-OD simulation input data
Fig. 2에서 인접한 두 실험실 사이 경계는 실제 실험 조건과 동일하게 단열재로 완전히 분리되어 열교환이 발생하지 않는 것으로 가정하였으며, 이를 Adiabatic 조건으로 적용하였다. 또한 외기 조건은 서울시 기후 데이터를 반영하였다.
시뮬레이션 분석 결과(Table 4), 기존 복층유리 창호를 적용한 공간의 단위 면적당 연간 난방 에너지 소요량은 87.6 kWh/m2·yr, 그린리모델링 창호 시스템을 적용한 공간은 76.2 kWh/m2·yr, 로 분석되었다. 즉 해당 조건의 기존 건물에 그린리모델링 창호를 적용할 경우 연간 13%의 난방 에너지 소요량 저감 효과를 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
4 . 실물 실험
4.1 실험 공간
두 창호 시스템의 난방 에너지 사용량 비교 실험을 위해 폭 7.2 m, 깊이 5.4 m, 천정고 2.7 m의 테스트베드 가운데에 100 mm 압출법 단열재로 칸막이를 설치하여 열적으로 분리하였다. 두 실의 전면 커튼월은 초기에 동일한 복층유리(5CL + 12A + 5LE)로 구성되어 있었으나, 필름 삽입형 삼복층 유리를 추가 설치하여 그린리모델링 창호 시스템(5CL + 12A + 5LE + 15A + 5LE + 16A + Film + 16A + 5LE)을 구축하였다. 실험실의 사진은 Fig. 3에서 확인할 수 있으며, Fig. 4에서는 표면 온도 측정을 위한 T형 열전대의 모습을 나타낸다. 또한 Fig. 5에서는 실험실의 평면도와 이에 대한 상세한 설명을 확인할 수 있다.
본 실험실 외벽은 두 실험실 모두 동일하게 스타코 마감에 90 mm PF보드로 구성되어 있고, 지붕, 바닥 모두 동일한 단열 조건이다. 바닥면적 역시 동일하게 약 20 m2이며, 전면 창호만 복층 창호 시스템과 그린리모델링 창호 시스템으로 차이가 난다. 본 테스트베드의 외부 공간은 별도의 난방을 하지 않는 실내 공간이나, 외부에 직접 면해 외부 공기 온도의 영향을 받는다. 해당 실험실은 건물 내부에 설치한 공간으로 일사의 영향을 받지 않는다. 실험 기간 동안 외부 공기 온도는 –7.5 ~ 7.0℃일 때, 테스트베드 외부 공기 온도는 약 –2.0 ~ 3.0℃로 측정되었다.
4.2 실험 장비
동일한 조건의 두 실험 공간 중앙에 난방기를 설치하고, 9시 30분부터 17시 30분까지 8시간 난방 환경을 조성하였다. 기존 연구에 따르면, 실내 온도는 작업 성능에 영향을 미치며 약 22℃에서 최대 생산성을 나타낸다고 보고되었다18). 이에 따라 본 연구에서는 실내 온도를 22℃로 설정하였다. 실험에 활용된 난방기는 V사의 전기 온풍기(Fig. 6)이며, 회전이 가능한 온풍기 이다. 해당 난방기는 설정 온도 도달 전까지는 2000 W로 운전되고, 설정 온도 도달 이후에는, 1000 W로 운전되어 실내 온도를 설정 온도로 유지한다. 온도 측정을 위한 장비는 G사의 다채널 데이터 로거(Fig. 7)이며 T형 열전대(Fig. 4)를 활용하여 창호의 내·외측 표면 온도 및 실내 공기 온도를 측정하였다. 메이커가 제공하는 G사의 데이터 로거에 K형 열전대를 연결한 온도 측정 시스템의 측정 오차는 ±1.0℃이다. 또한 난방 장치의 에너지 사용량 모니터링을 위해 T사의 제품인 P110M 모델을 활용하였으며, 이를 활용해 시간대별 에너지 사용량 데이터를 수집하였다.
4.3 실험 결과
(1) 실내 공기 온도
Fig. 8은 실험 기간 동안 실내 공기 온도의 분포를 보여준다. 복층 창호 실험실의 실내 공기 온도가 그린리모델링 창호 시스템 실험실보다 평균 약 1.53 K 낮은 상태에서 실험이 시작되었지만 두 실 모두 12시 30분경 목표 설정 온도인 22℃에 도달하였다. 목표 설정 온도 도달 후 두 실험실의 실내 공기 온도 차이는 평균 0.2 K로 두 실험실의 실내 공기 온도가 유사하게 유지되었음을 보여준다. 단, 난방기가 꺼진 후 두 실의 실내 공기 온도는 점점 벌어져서 10시간 후 평균 1.5 K의 차이를 보였는데, 이는 복층 창호 실험실의 열손실이 더 크기 때문으로 분석된다.
(2) 유리 표면 온도
Fig. 9는 실험 기간 동안 유리 표면 온도의 분포를 보여준다. 창 중앙부 내부 표면온도는 난방 시간(9:30 ~ 17:30) 동안 그린리모델링 창호 시스템 유리의 온도가 복층 창호 유리보다 높게 나타났다. 목표 설정 온도 도달 후 난방 가동 정지 시(12:00 ~ 17:00) 동안 그린리모델링 창호 시스템 유리의 표면 온도는 평균 20.57℃, 복층 창호 시스템 유리 표면 온도는 평균 17.9℃이고, 1일차, 2일차, 3일차의 평균 온도 차이는 각각 2.24 K, 2.37 K, 2.34 K로 나타났다. 실외 유리 표면 온도의 경우 그린리모델링 창호 시스템 유리가 복층 창호 시스템 유리의 온도보다 낮게 나타났으며 각각 평균 4.48℃, 6.15℃로 나타났다. 내·외부 온도 차이(Fig. 10)는 그린리모델링 창호 시스템 평균 15.3 K, 복층 창호 평균 11.39 K로 나타났으며, 그린리모델링 창호 시스템이 복층 창호에 비해 평균 온도 차이가 3.91 K 높은 것으로 분석되었다.
창의 엣지부 실내 유리 표면 온도(Fig. 11)의 경우에도 그린리모델링 창호 유리가 복층 창호 유리보다 높으며, 각각 평균 20.49℃, 17.66℃로 나타났다, 1일차, 2일차, 3일차의 온도 차이는 각각 평균 2.87 K, 3.04 K, 3.00 K로 측정되었다. 또한, 실외 유리 표면 온도의 경우 그린리모델링 창호 유리가 복층 창호 유리보다 낮게 나타났으며, 각각 평균 4.48℃, 6.11℃이며, 각 일차의 온도 차이는 1.43 K, 1.56 K, 1.60 K로 측정되었다.
또한 그린리모델링 창호 엣지의 유리 내·외부 표면 온도 차이(Fig. 12)는 3일간 난방 시간 동안 평균 15.26 K의 온도 차이를 보였으며, 복층 창호의 경우 3일간 약 10.76 K의 온도 차이를 보였다. 그린리모델링 창호 시스템이 복층 창호에 비해 평균 내외부 온도 차이가 4.5 K 높은 것으로 분석되었으며 중앙부에 비해 온도 차이가 더 크게 나타났다. 이는 복층 창호의 경우 유리를 통한 열손실이 그린리모델링 창호 시스템에 비해 더 크게 발생함을 의미한다.
Fig. 13은 테스트베드 실외 측에서 촬영한 열화상 이미지이며, Fig. 14는 실험실 외부 창호의 실제 모습을 나타낸 것이다. 실외 측에서 측정한 이미지의 경우 복층 창호에서 더 높은 표면 온도를 확인할 수 있다. 이러한 열화상 이미지의 결과는 앞서 말한 표면 온도 측정 결과와 동일한 경향을 보인다.
(3) 에너지 사용량 비교
Fig. 15에 나타난 시간대별 온풍기의 난방 에너지 사용량 변화를 보면, 그린리모델링 실험실이 기존 실험실에 비해 전반적으로 낮은 경향을 보이는 것을 확인할 수 있다. 또한 Fig. 8에서 나타난 바와 같이, 실내 온도가 난방 설정온도(22℃)에 도달하는 약 11시부터 그린리모델링 창호 시스템이 적용된 실험실의 난방 에너지 사용량은 초기 가동 구간에 비해 감소하는 것으로 나타났다.
Table 5에서는 3일 동안 두 실험실의 난방 에너지 사용량 및 절감량을 확인할 수 있다. 테스트베드 외부 공기 온도가 –2.0 ~ 3.0℃일 때, 복층 창호 시스템 실험실은 13.67 ~ 14.12 kWh, 그린리모델링 창호 시스템 실험실은 12.20 ~ 12.53 kWh의 에너지를 사용하였으며, 3일간 복층 창호 실험실 대비 그린리모델링 창호 실험실의 에너지 절감률은 평균 11.05%로 나타났다.
5. 결 론
본 연구에서는 필름 삽입형 유리를 활용한 기존 커튼월 건물의 그린리모델링 창호 시스템을 제안하고 단열성능 및 에너지 절감 효과를 분석하기 위해 시뮬레이션을 하였고, 이후 총 3일간의 실물 실험을 진행하였다. 해당 연구의 결과는 다음과 같다.
첫째, 기존 알루미늄 복층유리 커튼월의 단열성능을 프레임 보완없이 현재 신축 건물 수준으로 향상시키기 위해서는 삼복층 이상의 다복층 유리 적용이 필수적인 것으로 나타났다. 이에, 기존 커튼월 창호의 단열성능 향상을 위한 그린리모델링 창호 시스템을 제안하였다. WINDOW 7.8 시뮬레이션을 활용한 결과, 복층 창호 시스템의 열관류율은 2.36 W/m2·K, GR 창호 시스템의 열관류율은 1.60 W/m2·K으로 나타났다.
둘째, 본 연구에서 그린리모델링 타겟으로 선정한 2011년 준공 건축물을 대상으로 ECO2-OD시뮬레이션을 실시한 결과, 기존 복층 유리 창호 건축물 대비 그린 리모델링 창호 시스템을 적용한 건축물의 연간 난방 에너지 소요량이 약 13% 저감되는 것으로 분석됐다.
셋째, 외기온도가 –2 ~ 3℃이고 실내 난방 설정 온도가 22℃인 조건에서 수행된 3일간의 실물 실험 결과, 난방 가동 시간 동안 실내 유리 중앙부의 표면 온도는 그린리모델링 창호 시스템이 복층 창호의 유리 표면 온도보다 평균 2.32 K 높고, 실외 유리 표면 온도는 평균 1.6 K 낮은 것으로 나타났으며, 엣지부의 경우 각각 2.97 K, 1.53 K의 온도 차이를 보였다. 그린리모델링 창호 중앙의 내·외부 표면 온도 차는 15.3 K, 복층 창호의 경우 11.39 K로 나타났으며 엣지부의 경우 각각 15.26 K, 10.76 K의 차이를 보였다. 이는 그린리모델링 창호 시스템의 열 손실이 복층유리 시스템에 비해 적으며, 창호 근처의 재실자가 느끼는 온열 환경 만족도는 높을 것으로 분석된다. 해당 기간동안 그린리모델링 창호 시스템 실험실의 에너지 사용량은 복층 창호 실험실 대비 평균 11.05% 낮은 것으로 확인되었다.
본 연구 결과는 필름 삽입형 삼복층 유리를 활용한 기존 건물 그린리모델링 시스템의 적용을 통한 기존 건축물의 탄소 배출량 절감 효과 예측 등에 활용될 수 있을 것으로 판단 된다. 다만 본 실험은 일사가 없는 조건에서 수행되어 난방기간 에너지 사용량에 큰 영향을 미치는 일사열 취득 효과가 충분히 반영되지 않았고, 실제 외부 환경에서 실험하지 않았다는 한계를 가진다. 또한 본 연구는 재실자가 없는 실험실 환경에서 수행되었으며, 실험 기간이 3일이라는 한계를 가진다. 따라서 실제 운용 조건에서의 에너지 성능을 정확히 평가하기 위해서는 일사 조건을 포함한 실물 실험과 다양한 외기 조건에서의 추가적인 분석이 필요하다.
