1. 서 론
2. 연구 방법
3. 북측에 면한 실의 열환경 검토
3.1 자연실온 상태에서의 열환경과 냉·난방시의 열부하
3.2 방위별 벽체단열 보강 효과에 대한 검토
4. 판상형 아파트의 북측 벽면에 대한 단열 보강 효과
5. 결 론
금후의 연구
1. 서 론
기상청은 세계기상기구(WMO)의 자료를 인용하여, 2024년 전지구의 CO2 농도는 423.9 ppm이고, 2023 ~ 2024년의 연간 증가폭은 3.5 ppm으로서 역대 1위를 기록했다고 보고하였으며, 이는 가뭄 및 해수면 온도 상승으로 인한 CO2 흡수 감소와 인위적 CO2 배출에 기인한 것으로 분석하였다1). 국내에서는 CO2 배출량의 가장 큰 부분을 차지하고 있는 건물의 냉난방 에너지를 줄이기 위해 2017년부터 제로에너지건축물(ZEB) 인증제가 시행되었으며, 2025년 6월부터 민간 공동주택도 제로에너지 빌딩 설계 의무화 대상에 포함되었다2).
건물에너지 절약을 위한 수단으로서는 고효율 설비 시스템을 포함하여 여러 가지 방법이 있을 수 있으나, 건물 외피의 단열은 가장 기본적인 고려 사항이라 할 수 있을 것이다. 건물 외피의 단열과 관련한 연구로서는, Koo et al. (2010)3)은 내·외단열 공동주택의 동단위 연간 냉·난방부하를 에너지 플러스(Energy plus) 프로그램을 사용하여 시뮬레이션 하였으며, 외단열이 내단열에 비해 연간 난방부하는 2.4%, 연간 냉방부하는 4.1% 감소하는 것으로 평가하였다. Park et al. (2015, 2017)4,5)은 내단열과 외단열에 따른 온열환경 변화에 대해 검토하였으며, 외단열의 경우가 실내온도 변화폭을 더 작게 줄여주고, 냉·난방부하는 4.3% 절감되는 것으로 평가하였다. Al-Sanea et al. (2012)6)은 건물 외피 구조체의 열용량이 열전달 특성에 미치는 효과에 대해 사우디 리야드의 기상데이터를 사용하여 검토하였으며, 중량 구조 벽체의 두께를 최적화 함으로써 냉·난방 부하를 각각 17%, 35%까지 줄일 수 있다고 평가하였다. Jang et al. (2009)7)은 가변난방도일법을 이용하여 창호와 외벽의 열관류율 변화와 아파트 세대 위치에 따른 난방부하의 변화에 대한 관계를 검토하였으며, 창호의 열관류율 변화에 따른 난방부하 민감도가 차폐계수 변화에 따른 영향보다 크게 작용하는 것으로 분석하였다. Božiček et al. (2023)8)은 오피스 건물을 대상으로 외벽의 열관류율, 열관성과 실의 방향이 냉·난방 부하에 미치는 영향을 검토하였으며, 실의 방향에 따라 최대 7%까지 부하가 달라지는 것으로 분석하였다. 이상의 연구들이 건물의 외피 전체에 대한 단열 강화를 다룬 것에 비해, Axaopoulos et al. (2014)9)은 그리스 아테네의 주거용 건물을 대상으로 외벽의 방향, 단열방식, 주풍향에 따른 최적의 단열 두께를 산정하였다. 검토 결과, 단열재의 두께와 단열방식에 상관없이 북측에 면한 벽체의 단열이 경제적으로 가장 이익이 크다고 평가하였다.
우리나라의 공동주택은 전통적으로 남향 위주의 배치가 일반적이고, 발코니를 확장하는 경우가 매우 많다. 남향 세대의 남측 면은 겨울철 태양의 남중고도가 낮아 일사 획득에 유리하고 이로 인해 난방부하가 작은 반면, 북측 면은 직달일사가 닿지 않아 열손실이 다른 방향에 비해 클 수밖에 없다. 따라서 북측에 면한 실의 열적 특성에 대해 검토하고, 북측 벽면의 단열 보강 효과에 대해 정량적으로 규명하는 것은 신축은 물론 리모델링 계획시의 에너지 절약을 위한 전략 수립에서 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 판단된다. 이에 본 연구에서는, 판상형 아파트의 단위세대를 대상으로 하여 북측에 면한 실의 열환경과 난방시의 열 출입에 대해 상세히 검토하고, 북측 벽면의 단열 보강에 의한 난방에너지 절약 효과에 대해 기초적인 연구를 진행하고자 한다.
2. 연구 방법
본 연구의 검토 대상인 판상형 아파트의 주동 평면도와 대상 세대(좌측)의 평면도를 Fig. 1에 나타낸다. 대상 세대는 인천시 부평구에 위치한 A 아파트로서, 84 m2의 3-베이(Bay) 구조를 취하고 있으며, 거실과 주방 및 3개의 방으로 구성되었다. RM-1은 남쪽에 면해 있으며, RM-2는 북쪽에 면해 있다. 에너지 시뮬레이션은 에너지 플러스 기반의 DesignBuilder3)를 사용하였다. DesignBuilder로 구현한 건물 모델을 Fig. 2에 나타낸다. 온수온돌이 설치된 바닥구조체와 천장구조체에서의 축열과 방열 특성이 구현될 수 있도록 3개 층을 모델링하였다. Fig. 1(b)에 나타낸 대상 세대와 코어 부분 및 인접세대의 일부를 모델링하였으며, 시뮬레이션 결과에 대한 검토는 2층의 대상 세대에 대해서만 수행한다.
시뮬레이션 조건을 Table 1에 나타낸다. 지역은 서울이며, 기상데이터는 서울 지방의 2009 ~ 2023년 TMY2 데이터10)를 이용하였다. 난방 설정온도는 20.0℃이며, 냉방 설정온도는 26.0℃이다. 국내의 아파트가 열용량이 큰 콘크리트 벽식구조로 이루어졌다는 점을 고려하여 시뮬레이션의 예열기간(Warmup days)을 60일로 충분히 길게 설정하였다. 내부 발열조건과 각각의 스케쥴을 Table 2에 나타내며, 아파트 구조체의 사양을 Table 3에 나타낸다. 아파트 외벽과 창의 열관류율은 현행의 ‘건축물의 에너지절약 설계 기준’을 만족하도록 설정하였다.
Table 1
Energy simulation conditions
| Location | SEOUL, Republic of Korea |
| Weather data | Seoul (2009 ~ 2023) |
| Setpoint temperatures |
Heating : 20.0℃ Cooling : 26.0℃ |
| Time steps per hour | 4 |
| Minimum number of warmup days | 60 |
Table 2
Internal heat generation
Table 3
Specifications of apartment building structures
3. 북측에 면한 실의 열환경 검토
3.1 자연실온 상태에서의 열환경과 냉·난방시의 열부하
냉·난방이 없는 자연실온 상태에서의 북측에 면한 실과 남측에 면한 실의 열환경을 비교·검토 하였다. Fig. 3은 겨울철의 외기온도가 가장 낮은 1월 23 ~ 25일과 여름철 외기온이 가장 높은 8월 5일 ~ 7일에 대한 RM-1과 RM-2의 실내 온도변화를 나타낸다. 겨울철 검토 기간중, 남측에 면해 있는 RM-1의 평균온도는 약 18℃이며, 북측에 면한 RM-2의 평균온도는 약 13℃로서 RM-1이 약 5℃ 높은 값을 나타낸다. RM-1은 남쪽 면에 유리창이 설치되어 있어 실내온도가 낮 시간대에는 최고 약 21℃를 나타내며 야간에는 최저 약 15℃를 나타내어, 실내온도 변화 폭이 최대 약 6℃를 나타낸다. 이에 비해 북측에 면한 RM-2는 실내 최고온도 약 13℃, 최저온도는 약 12℃로써 실내 온도변화는 1℃ 이내로 작은 편이다. RM-1은 남중고도가 낮은 겨울철 직달일사의 영향으로 RM-2에 비해 실내 최고온도가 약 6℃ 높은 값을 나타내며, 열용량이 큰 콘크리트 구조체의 축열 및 방열 특성이 반영되어 RM-1의 최저 온도는 RM-2에 비해 3℃ 높은 값을 나타내는 것으로 사료된다.
여름철 검토 기간중에는, RM-1의 평균온도는 약 37℃로서 RM-2의 약 36℃보다 1℃ 정도 높은 값을 나타내어 겨울철에 비해 그 차이가 크게 줄어들었다. RM-1의 최고 온도는 약 39℃, 최저 온도는 약 36℃를 나타내어 실내 온도 변화 폭이 3℃ 정도로서 겨울철의 변화 폭에 비해 1/2 수준으로 줄었다. RM-2는 최고 온도가 약 37℃, 최저 온도가 약 35℃로서 실내 온도 변화 폭(2℃)이 겨울철 보다는 1℃ 정도 커졌다. 여름철에 RM-1과 RM-2의 차이가 겨울철에 비해 작게 나타난 것은 태양의 남중고도가 높아 일사의 영향이 모든 방향으로 두루 미치기 때문으로 추정된다.
남측에 면한 실과 북측에 면한 실의 냉·난방 부하 패턴의 차이를 검토하기 위해 냉·난방을 가동하여 대상 세대에 대한 연간 에너지 시뮬레이션을 수행하였다. RM-1과 RM-2에 대한 냉·난방 부하를 Fig. 4에 나타낸다. RM-1과 RM-2의 면적이 서로 다르므로 단위면적당 부하량으로 나타낸다. 북측에 면한 RM-2가 1, 2, 3월에 각각 6 kWh/m2, 3 kWh/m2, 0.4 kWh/m2와 12월에 약 5 kWh/m2의 난방부하를 나타내는 것에 비해, RM-1은 1월과 12월에만 약 0.1 kWh/m2를 나타냈다. 즉, 남측에 면한 방은 겨울철에도 난방을 거의 필요로 하지 않음에 비해 북측에 면한 방은 1 ~ 2월과 12월에 많은 양의 난방을 필요로 하는 것으로 나타났다. 한편, 냉방부하는 RM-1이 약 62 kWh/m2로서 RM-2 (약 33 kWh/m2)의 2배 정도이다.
북측에 면한 실 RM-2의 난방부하에 대한 상세한 현황을 확인하기 위해 검토 기간(1월 23 ~ 25일)중의 열의 출입을 Fig. 5에 나타낸다. 20℃로 난방할 때에, 낮 시간대의 천공일사에 의한 일사열 유입이 최고 약 0.2 kW로서 가장 크다. 내벽 구조체는 낮 시간대에 최대 약 0.06 kW의 축열(열손실)이 이루어지고 야간에는 약 0.07 kW의 방열이 지속적으로 이루어진다. 바닥과 천장에서는 이 보다 작은 0.02 kW 내외의 축·방열이 이루어진다. 열손실이 가장 큰 부분은 침입외기(환기회수 0.7회/h로 설정)로서, 외기온도의 변화에 따라 최대 약 0.23 kW의 난방부하가 발생한다. 북측에 면한 벽에 설치된 유리창에서도 외기온의 변화에 따라 최대 약 0.13 kW의 난방부하가 발생하며, 북측 벽면(창면적 제외)에서는 약 0.03 kW의 난방부하가 시간에 관계없이 지속적으로 발생한다.
3.2 방위별 벽체단열 보강 효과에 대한 검토
아파트 북측 벽면의 단열 보강 효과에 대한 검토에 앞서, 보다 단순한 형태의 건물을 대상으로 하여 방위별 단열 보강 효과에 대해 검토해 볼 필요가 있다. 아파트에서는 방위와 위치에 따라 서로 다른 크기의 창문이 설치되고, 이에 따라 일사 유입량의 변화라는 큰 변수가 발생하며, 관류열의 출입량도 달라지게 된다. 또한 열용량이 큰 내벽에 의해 실내공간이 구획되고, 외기에 직접 면하는 벽체와 간접 면하는 벽체 등이 설치되면 단위 세대 내부에서의 열전달 상황이 너무 복잡해져서 검토하고자 하는 결과가 어떤 요인에 의한 것인지 분석하기가 매우 어려워진다. 따라서 본 분석에 앞서 Fig. 6에 나타낸 바와 같은 간단한 테스트 건물 모델에서의 각 방위별 단열 보강 효과에 대한 기본적 특성을 먼저 파악하고자 한다.
테스트 건물은 10 m × 10 m의 평면과 높이 2.85 m로 구성되었고, 바닥 구조체와 천장의 축·방열 효과가 반영될 수 있도록 3개층을 모델링 하였다. 열적 특성에 대한 해석은 2층 부분에 대해서만 수행한다. 벽체와 바닥 구조체 및 천장의 구성은 Table 3과 동일하다. 동, 서, 남, 북의 각 벽면에 단열재 50 mm를 추가하였을 경우의 냉·난방 부하 절약 효과에 대한 시뮬레이션을 수행하였으며, 그 결과를 Table 4에 나타낸다. Table 4의 하단에는 각 벽면에 대한 단열 보강이 없는 경우를 기준 케이스로 하여, 각각의 경우에 대한 냉·난방 부하 절감 효과를 괄호 안에 나타낸다.
Table 4
Heating / cooling load of a test unit
북쪽 벽면을 보강한 경우가 기준 케이스에 비해 난방부하가 3.5% 감소되어 가장 큰 난방에너지 절약 효과를 나타내었으며, 냉방부하는 0.1% 감소하는 것으로 나타났다. 서쪽 벽면에 대한 단열 보강은 난방부하에서 3.1% 감소, 그리고 냉방부하에서 0.4% 감소 효과가 있는 것으로 나타났다. 동쪽 벽면도 서쪽 벽면과 매우 유사하며, 난방에서 3.0% 감소, 냉방에서 0.4% 감소되는 것으로 나타났다. 남쪽 벽면의 효과가 가장 작게 나타났으며, 난방 부하는 2.2% 감소, 냉방부하는 0.4% 감소하는 것으로 나타났다. 이상의 검토에서와 같이, 북쪽 벽면에 대한 단열 보강이 난방부하 절감에 가장 효과가 큰 것으로 나타났다. 이는 겨울철 직달일사의 영향이 전혀 미치지 못하는 북측 벽면의 온도가 다른 세 벽면에 비해 가장 낮고, 건물구조체가 열용량이 큰 콘크리트의 벽식구조로 이루어져 있기 때문으로 판단된다.
4. 판상형 아파트의 북측 벽면에 대한 단열 보강 효과
Fig. 7에 표시한 바와 같이 검토 대상 아파트의 북측에 면한 RM-2와 부엌(K)에서, 외기에 직접 면한 벽체에 테스트 모델에서와 같은 50 mm Polystyrene 단열재를 보강하였으며, 유리창의 단열성도 보강(SHGC : 0.414, Visible transmittance : 0.603, K-value : 0.784 W/m2·K)하여 에너지 시뮬레이션을 수행하였다. 대상 세대에 대한 시뮬레이션 결과를 Table 5와 Fig. 8에 나타낸다. 단열 보강이 없는 경우를 기준 케이스로 하여, 50 mm Polystyrene을 내단열로 보강한 경우와 외단열로 보강한 경우에 대해 검토하였다.
Table 5
Heating / cooling load of a dwelling unit
내단열 방식의 보강에서는 난방부하에서 7.2% 감소하였으며, 냉방부하는 0.2% 감소하는 것으로 나타났다. 아파트 리모델링시에 적용성이 좋은 외단열의 경우는 난방부하가 7.9%, 냉방부하가 0.2% 감소하는 것으로 나타났다. 단열 보강을 실시한 외벽의 길이가 검토대상 세대의 전체 외벽 길이에 비해 매우 짧다는 점을 고려하면 기대 이상으로 큰 난방부하 감소 효과라고 생각되며, 본 논문의 3.2에서 검토한 테스트 건물의 북측 벽면 단열보강 효과(3.5%)에 비해서도 두 배 이상 크게 나타났다. 그 원인으로서는, 테스트 건물과 달리 대상세대에는 남측 벽면에 큰 창문이 설치되어 있어 겨울철 일사의 유입량이 매우 크나, 내부 칸막이 벽에 의해 실내공간이 구획되어 있기 때문에 북측에 면한 RM-2에는 일사 유입의 영향이 거의 미치지 못하고, 따라서 북측에 면한 방이 다른 방들에 비해 상대적으로 난방부하가 클 수 밖에 없을 것으로 사료된다. 이와 같은 추정은 단열 보강의 효과를 RM-2에 국한하여 살펴 본 Table 6와 Fig. 8로부터 그 개연성이 뒷받침된다. 북측 벽면에 대한 내단열 보강시, RM-2의 난방부하는 15.8%, 냉방부하는 1.6% 감소하고, 외단열 보강시에는 난방부하 17.2%, 냉방부하는 1.6% 감소하는 것으로 나타났다.
Table 6
Heating / cooling load of RM-2
5. 결 론
본 연구에서는 84 m2의 판상형 아파트 단위세대를 대상으로 하여, 건물 전체가 아닌 북측 벽면의 단열 보강에 의한 난방부하 감소 효과에 대해 검토하였다. 본 연구의 주요 내용을 정리하면 다음과 같다.
1) 북측에 면한 실은 남쪽에 면한 실에 비해 직달일사의 영향을 거의 받지 않아 겨울철 실내 평균온도가 약 5℃ 더 낮고, 실내온도 변화 폭은 1℃ 이내로 매우 작다.
2) 남측에 면한 실은 겨울철에도 난방부하가 거의 발생하지 않는 것에 비해, 북측에 면한 실은 1 ~ 2월과 12월에 각각 3 ~ 6 kWh/m2의 난방부하가 발생하였다. 반면, 냉방부하는 남측에 면한 실이 북측에 면한 실에 비해 2배 정도 큰 것으로 나타났다.
3) 난방시, 북측에 면한 실의 난방부하는 침입외기가 가장 크고, 유리창에서의 관류열 손실, 그리고 외벽에 직접 면한 벽에서의 관류열 손실의 순으로 크게 나타났다.
4) 검토 대상 아파트에서, 북측 벽면의 단열 보강(Polystyrene 50 mm 사용, 창호의 K-value : 0.99 → 0.784 W/m2·K)에 의해 난방부하가 7.2 ~ 7.9% 감소하는 것으로 나타났으며, 북측에 면한 실에 국한해서는 15.8 ~ 17.2%의 난방부하 감소 효과가 있는 것으로 나타났다.
5) 이상의 결과로부터, 북측 벽면에 대한 단열 보강이 난방에너지 절약에 효과가 클 것으로 기대 된다.
