단열성능 탁월 열손실 크게 줄여
건물 외피 융복합 모듈 기술개발
오성덕 기자 (기사입력: 2010/02/08 09:31)

건기연 신관에 적용 본관 대비 에너지 50% 절약
기능성유리 복합단열프레임 등 기술 10여종 개발
콘크리트 벽체 외단열 설계 ‘외벽 열관류율’ 높여



지난달 5일부터 8일까지 4일 연속 최대전력수요를 경신, 1993년 이후 16년 만에 동계 전력수요가 하계수요를 초과하는 상황이 발생, 예비전력율이 크게 낮아지는 사태가 벌어졌다.



이런 상황과 관련, 건물의 냉난방으로 인한 에너지소비량을 줄일 수 있는 핵심 기술 개발에 대한 관심이 증가되고 있다. 국내 전체 에너지 소비 중 약 25%를 차지하고 있는 건물에서 소비하는 에너지양이 큰 폭으로 증가하고 있다.



특히, 건물에서 소비하는 에너지의 80%이상은 냉난방과 전기설비 운영에 사용되고 있으며, 이 중 냉난방이 차지하는 비중은 전체 에너지 가운데 60%이상으로, 올 겨울에는 추운 날씨로 난방 수요가 급증하자 전력 수급에 한때 차질이 생기기도 했다.



이에 정부는 ‘공공기관 긴급 전력소비 절감 추진 지침’을 내려 실내 온도를 19도 이하로 유지할 것, 개인 전열기 사용을 자제할 것과 같은 에너지 절약시책을 지시했지만 이는 개인차를 고려하지 않은 일률적 적용으로, 업무효율 저하와 직원 건강 악영향 등 많은 문제점을 내포하고 있다는 지적이 일고 있다.



따라서 실내 냉난방 온도를 무리하게 올리거나 낮추는 방법이 아닌, 에너지 소비효율을 높임으로써 사용량을 줄일 수 있는 근본적이고 실용적인 기술 연구와 실질적 적용 방안 모색이 절실하다는 의견이 대두되고 있다.



한편, 현재 국내의 저에너지 건물을 위한 수준은 세계 최고 수준에 비해 아직 부족한 점이 많다. 건물 외피의 경우 벽체 단열과 창호산업부문 냉난방 부하저감 기술개발이 진행되고 있지만 개별 요소기술로는 경제성, 신뢰성 등의 문제로 실용화가 낮은 실정이다.



특히, 국내 대부분의 건물은 내단열 공법을 채택해 냉난방 부하 저감측면에서 불리한 구조적 특성을 지니고 있다. 이에 고효율 신소재 기술로 유효열 활용을 위한 PCM, 초단열 복합소재, 기능성 유리 등의 개발이 시도된 적이 있지만 첨단 원천기술과 상용화 기술 미확보로 사실상 국내 산업 기술력은 미미한 실정이며 현재 선진국의 기술과 제품에 의존하고 있다.



이에 에너지절감 요소기술의 융복합 실용화 기술이 개발, 한국건설기술연구원 신관에 적용돼 혹한기 동안 동일 실내온도 18℃를 유지하는 조건에서 인접 본관 대비 50% 내외의 에너지절약 효과를 실증적으로 검증하고 있어 관심이 집중되고 있다.


 


연구내용
냉난방에 사용되는 에너지양 증가는 기후변화와 생활수준 향상 때문이기도 하지만 건축물의 대형화․고층화 추세 등 건설 환경 변화에도 큰 영향을 받는다. 예를 들어 건물의 창호는 가장 많은 열 손실을 발생시키는 부분이지만 외피면적당 창호 비율은 지속적으로 증가하고 있는 추세이다.



특히, 하중의 지지 없이 칸막이 구실만을 하는 벽체인 커튼월 방식은 시공성․경제성․디자인 등이 우수해 고층 또는 초고층 건물 대부분에 사용되지만 넓은 유리면과 강재 구조물의 열전도 특성, 높은 열손실 등으로 냉난방 에너지 낭비가 심하다.



따라서 커튼월은 유가 상승과 화석 에너지소비로 인한 환경문제가 이슈화됨에 따라 건물의 냉난방에너지를 절감할 수 있는 보다 다양한 새로운 기술적 접근이 매우 필요하며, 이를 통해 외피를 포함한 건물 에너지성능이 시급히 개선될 필요가 있다.



이에 연구에서는 건물에너지 효율화를 위한 요소기술적용에 따른 사무 건물과 설계개선 전 기존 요소기술이 적용된 건물을 건축부문의 적용요소기술을 개선에 따른 에너지성능지표를 비교하는 연구를 진행하고 있다.



에너지성능지표 비교 연구를 위한 건물은 2009년 10월 신축한 한국건설기술연구원 신관 건물로 고기능성 유리, 복합단열 프레임, 자동 차양시스템, 자연환기시스템, 열교환 환기시스템, 고단열 문, 등 건물에서 소비하는 에너지양을 줄일 수 있는 요소기술 10여종을 직접 시공․설치하고 융복합 기술의 에너지효과에 대한 실증 검증을 실시하고 있다.


 


커튼월 핵심요소


 


적용 융복합 요소 기술
요소기술간 융복합에 의한 시너지효과는 상당한 의미를 지니다. 그동안 건물에너지를 절감하기 위한 기술개발은 각각의 개별 요소기술에 집중돼 왔다고 할 수 있다. 즉, 외피에서 벽체의 경우 전도열 손실 방지를 위한 단열성능 향상에 초점을 두고 각종 기술이 개발돼 왔으며, 창호의 경우 소재와 시스템이 각각 열저항과 기밀성능 내지 기능성 향상을 중심으로 개별적 기술개발이 진행돼 왔다.



또한, 차양시스템은 최근 일사 차단에 의한 냉방부하 저감을 목적으로 비교적 단기간에 집중적인 기술개발이 이뤄져 왔으나 외피를 구성하는 다른 요소기술 내지 성능과의 기술적, 설계적, 성능적 융복합은 사실상 전무한 실정이다.



따라서 외피를 구성하는 각각의 요소기술에 대한 에너지 절약적 기술성과는 이제 어느 정도 선진화 수준에 이르렀다고 할 수 있으나 장애요인인 경제성, 기술적 완성도, 신뢰성 등의 측면에서 결국 대중적 실용화 정도는 그리 높지 않은 것이 현실이다.   



따라서 건물 에너지 효율화를 위한 요소기술의 실용화와 상용화를 촉진하기 위해서는 종래의 단위 요소기술에서 요소 기술간 융복합 내지 융복합 기술간의 다중 융복합을 통해 건물로의 통합성을 높여야 한다는 목소리가 높다.



특히, 성능과 기능의 종합적, 실질적 향상을 검증과 개발의 필요성이 제기되고 있다. 또한 융복합 기술은 모듈화 된 구조를 취함으로서 다양한 건물 용도와 기능에 따라 각 필요 요소기술의 접목이 용이하도록 개발할 경우 새로운 시장진입과 창출에 상당한 시너지 효과를 얻을 수 있다고 할 수 있다.



이에 이 연구에서는 이러한 요소기술들의 융복합 적용에 초점을 맞춰 진행됐다.



우선 복합구조 프레임창호인 ABS복합구조 프레임을 적용했다. 알루미늄과 ABS 복합구조 프레임 창호는 알루미늄이 지니고 있는 구조적 측면의 이점과 플라스틱 재질이 가지고 있는 열성능 측면에서의 이점을 결합하고자 하는 것이다.



또한 기존 플라스틱 창호에 대부분 사용되고 있는 PVC재질의 문제가 개선된 친환경 재료인 ABS수지를 적용한 제품이다. ABS는 충격을 가해도 기계적 물성 밸런스, 표면광택, 내화학품성, 가공성이 우수하며 열성능이 PVC와 유사한 친환경 재료이다.



이어, PVC커튼월형 복합 재질 시스템 창호를 적용했다. 기존 알루미늄 커튼월 대비, 단열성능 향상과 에너지절감 효과를 거둘 수 있다.



또한, 기존 발코니 창호와 동일하게 적용 가능한 펀치드 윈도우 타입과 상업용 건축물에 주로 적용됐던 커튼월 윈도우 타입 모두 시공이 가능하며, 22∼24mm 또는 30∼35mm의 다양한 기능성 유리에도 적용이 가능하다.


 


한국건설기술연구원 신관 조감도



한편, 커튼월 부착형 환기시스템도 적용돼 있는데 이는 커튼월의 프레임에 환기시스템을 부착할 수 있는 공간을 두고 그 부위를 통해 환기가 이루어질 수 있도록 구성된 것으로 24시간 연중개방이 가능해 환기효과를 거둘 수 있다.



또, 고기밀 외피구조 발포단열 사춤공법이 적용됐다. 이 공법은 내부 PE코팅된 부직포 튜브내 친환경 단열재인 드림폼의 A, B원료액을 분리포장, 튜브 안에서 혼합과 발포를 시켜, 사춤공간에 삽입․충진 하는 2액형 단열 사춤공법이다.



특히, 알루미늄 커튼월 바 내부에 2액형 수성 연질폼으로 충진해 단열성능과 결로 방지 성능을 향상시켰다.



이외에도 기존 저방사율 유리에 비해 보다 낮은 저방사율의 고효율 유리를 채용, 일사 투과율을 낮춘 차폐특성을 지닌다. 여기에 비금속계와 금속계의 복합프레임 기술을 융복합해 구조성과 단열성을 향상시켰다. 이 중 핵심기술은 보급형 고반사 박막코팅 기술과 고효율 로이유리 성능 최적한 구성화했다.



또한, 외단열 방식을 적용해 구조체 외측에 단열재가 설치되므로 벽-슬라브, 벽-벽 접합부 등에서도 단열재가 연속돼 열교 발생을 근원적으로 차단할 수 있어 에너지 절약 효과가 크다.


 


실험결과
건물 콘크리트 벽체에 내단열 설계 보다 외단열로 설계하는 것이 외벽의 평균 열관류율이 높아 EPI점수에 큰 영향을 가져온다는 실험 결과를 도출했다. 또한, 고효율 단열창호 사용 시 설계사무소에서 제시한 일반창호보다 단열성능이 뛰어나 열손실을 줄여줄 수 있을 것으로 예상된다. 



특히, 에너지성능지표 건축부문을 에너지성능지표 검토결과 요소기술 적용 전 25.7점, 기술적 요소 적용 후 39.3점 결과로 외단열과 고효율 창호의 영향이 크다는 결론을 도출했다.


 


 


인 / 터 / 뷰


 


환기 등 핵심요소기술 10여 종
실증 테스트베드 거쳐 ‘제품화’



강재식 책임연구원(한국건설기술연구원)
“건물 냉난방에너지의 최대 30% 절감 목표 달성을 위해 최선을 다하고 있습니다”



에너지 절약을 위한 요소기술 개발에 주력하고 있는 한국건설기술연구원 강재식 책임연구원은 “에너지다소비형 건물인 초고층 건물과 대규모 건축물의 경우 대부분 커튼월 구조를 취하고 있어 근본적으로 취약한 에너지소비 특성을 갖고 있다”고 지적하며, “실제 건물의 에너지소비를 현행 대비 30% 이상 절감할 수 있는 다양한 요소기술은 상당수 개발되고 있거나 상품화돼 있지만, 건설현장에서 외면 당하고 있는 현실이 안타깝다”고 말했다.



강 연구원은 “외피와 환기, 조명 등 요소기술에 대한 융복합과 모듈화 기술개발을 통해 에너지 효율성을 극대화 시킬 것”이라고 말하며, “특히, 10여 종의 보급 가능한 에너지 핵심 요소기술을 정비, 적용 사례별, 요구 성능 수준별 융복합 표준모델 개발을 통해 우수기술 활성화가 이뤄질 것”이라고 전망했다.



이어 그는, “요소기술에 대한 최적화와 함께 요소기술간 융복합 모듈, 모듈 간 다중 융복합 된 기술은 단계별로 실증 테스트 베드를 실시해 각각의 실용화 기술과 제품을 도출할 예정”이라고 말하며, “이러한 일말의 결과를 위해 현재 전문 기술개발팀과 시공팀, 제조 전문팀 등 산학연 공동개발 체계 속에서 진행되고 있으며, 이를 통해 현장 적용성과 상용화 완성도를 제고하고 있다”고 언급했다.



한편, 강 연구원은 “요소기술이 적용된 신관과 기존 구관의 에너지 소비량 비교 측정 결과, 신관의 경우 에너지 소비가 많은 커튼월을 적용했음에도 커튼월을 사용하지 않은 구관에 비해 단위 면적당 난방 에너지 사용량은 50% 내외까지 절감되는 것으로 나타났다”고 강조하며, “순수공사비 5% 증가로 50%의 에너지 소비량을 절약할 수 있는 획기적인 기술”이라고 소개했다.