주택 단지 제로 에너지 하우스 모델에 관한 연구

A Study on Zero Energy House Model of Housing Complex

Abstract

지구촌 곳곳에서 기후 온난화로 인하여 엄청난 환경적 재난이 매년 되풀이되고 있다. 에너지의 주공급원인 화석연료 과다 사용으로 지구 환경변화에 영향을 끼쳐 지구 생태계를 파괴하고 자원을 고갈시키고 있다. 이를 극복하기 위해서 신재생에너지의 개발을 통하여 탄소 배출량을 줄이려는 노력이 국내외적으로 활발히 연구되고 있는 게 현실이다. 이미 해외에서는 탄소 배출량을 줄이려는 신기술들이 심심치 않게 보도되고 있다. 제로 에너지 하우스는 고단열재 고기밀성 재료사용으로 저탄소 배출 및 에너지 사용량을 줄어들게 하고 최소한의 요구하는 에너지는 신재생에너지를 통해 공급받아 실거주가 가능한 모델이다. 이를 국내에서도 적용하려 노력 중이나 경제성이 떨어지기 때문에 보편화 되기는 어려운 실정이다. 본 연구의 목적은 친환경적 요소인 탄소 배출을 제로화 하고, 환기 시스템과 열교환기 및 에너지 저장장치를 공용으로 사용하여 제로 에너지 하우스의 시공 경제성을 확보하고, 창호 개방/폐쇠에 자동화 시스템을 부착하여 실내 적정온도 유지가 가능한 모델을 연구하고자 한다.

In many parts of the world, climate warming has caused tremendous environmental disasters to repeat every year. Overuse of fossil fuels, the main source of energy, has affected the global environment, destroying the global ecosystem and depleting resources. To overcome this, efforts to reduce carbon emissions through the development of renewable energy are being actively studied at home and abroad. Already, new technologies are being reported abroad to reduce carbon emissions. Zero Energy House is a model that reduces low carbon emissions and energy use due to the use of high-density materials for high-heated materials, and can live in real life by receiving the minimum required energy through renewable energy. Although the government is trying to apply this in Korea, it is difficult to become common because of the lack of economic feasibility. The purpose of this study is to study models that can zero carbon emissions, which are eco-friendly elements, secure construction economy of zero energy house by using ventilation system, heat exchanger and energy storage system for public use, and attach automation system to window opening/closing to maintain indoor temperature.

Ⅰ. 서론

전 세계 사용하는 에너지 중 36%를 우리가 주거하는 집이나 건물에서 소비한다. 특히 우리가 생활하는 주거용 건물의 에너지 사용 중 난방이 큰 비중을 차지한다. 기후 변화를 막기 위해 탄소 배출량을 줄이려는 노력이 세계 각국 이곳저곳에서 일어나고 있는 가운데 기존의 건축방식은 천재지변 등으로 안전하게 견딜 수 있는 구조적 안전성과 기능성 또한 미관성을 상당히 중요하게 생각해왔다. 하지만 현대건축에서는 구조적 안전성에 에너지를 절감할 수 있는 건축 재료와 각종 건축 기기의 효율성을 중요시하는 요소가 되고 있다. 기후 변화의 대안으로 에너지 사용량 0(Zero)에 도전하는 탄소 배출제로 하우스가 좋은 모델로 연구되고 있다. 본 연구는 탄소 배출제로 하우스가 고기밀 고단열재와 신재생에너지를 사용하여 에너지 사용량을 줄이고, 탄소 배출 제로화를 구현하고 환기 시스템과 열교환기를 공용으로 사용하여 시공비를 절약하여 경제성을 갖추고 자동화 시스템으로 효율적인 에너지 관리가 가능한 제로 에너지 하우스 시스템 모델을 제안하고자 한다.

Ⅱ. 관련 연구

1. 제로 에너지 하우스

제로 에너지 하우스는 자체적 에너지를 생산하고 사용하며 에너지 손실을 최대한 차단해 에너지를 절약하는 집을 의미한다. 우리나라는 온실가스 감축 및 에너지 수요와 같은 환경변화에 대응하기 위해서 신기술 개발을 위한 여러 가지 대책 방안들에 대한 담론이 이어지고 있다. 특히 최근에는 제로 에너지 하우스에 관한 관심이 점점 늘어나고 있다. 국토교통부는 2018년부터 ‘제로 에너지 건축물 인증제’를 도입하고 1등급부터 5등급으로 나누고 있다. 등급이 높을수록 신재생에너지 설비 보조금을 지원하는 등 정부 지원을 우선으로 받는 등 여러 방면에서 지원해주고 있다.⁽⁵⁾ 공공건축물은 2020년, 민간 건축물 및 아파트를 포함하여 2025년까지 에너지 제로 주택 건설을 의무화하는 방침을 통해 제로 에너지화 목표를 이룰 기반을 다지고 있다.⁽⁴⁾ 제로 에너지 하우스를 연구하기에 앞서 구성요소인 패시브 하우스와 액티브 하우스에 관해 연구하여야 한다.

그림 1. 제로 에너지 하우스 개념

Fig. 1. zero energy house concept

2. 패시브 하우스

패시브 하우스는 고단열 고기밀성을 가진 건축물을 뜻하는 말로 난방에너지 소비를 95%까지 줄인 저에너지 건축물을 말한다.

패시브 하우스는 집 내부의 열이 외부로 새나가지 않도록 고단열, 고기밀성을 바탕으로 에너지 손실을 줄이는 수동적인 방식으로 실내온도를 유지하는 형식의 주택을 말한다. 자연 에너지인 태양열 및 풍력 등으로부터 얻은 능동적인 에너지를 끌어 쓰는 액티브 하우스와 대응하는 개념으로 단열공법을 사용해서 에너지효율을 높일 수 있다.

그림 2. 패시브 하우스의 구도

Fig. 2. Diagram of passive house

패시브 하우스의 성립조건 중 가장 기본이 되는 기준은 냉방과 난방을 사용하기 최대 부하가 10W/㎡를 초과하면 안 된다. 이 기준은 쾌적한 실내 공기 온도를 유지 및 실현하기 위해 소비해야만 하는 최소의 에너지값을 연구하던 가운데 도출된 것이다.

모든 건물은 그것이 어떤 용도로 사용하는가와 관계없이 패시브 하우스처럼 건축될 수 있다. 난방 부하를 최소로 유지 하기 위해 기밀성, 단열 및 열 회수 환기 시스템에 세심하고 정밀한 주의를 기울이고 열교를 최소화해서 외부로 노출되는 열을 최대한 줄이면 어떤 건축물이라도 패시브 하우스 형태로 실현할 수 있다. 이미 주거용 건물은 물론이고 상업용, 공장, 사무용 등 건물도 패시브 하우스의 기준에 맞는 건물이 선을 보였다.

패시브 하우스를 시공하기 위해 여러 가지 건축기법이 쓰이지만, 크게 분류해서 단열 및 환기로 나뉜다.

(1) 단열 : 열관류율의 단위는 “W/m²K”이다. 열관유율이 적을수록 단열 정도가 더 좋다. 일반적인 단열재가 0.04 정도라면 패시브 하우스의 단열재는 평균 0.015 정도를 사용한다.

(2) 환기: 패시브 하우스에는 열 회수 환기장치를 통한 환기 방법을 사용하여 틈새 환기와 에너지 사용을 막기 위한 최대한의 기밀환경에 초점을 맞춘다.

가. 고기밀성 단열재

패시브하우스형 고기밀 패시브 단열재는 콘크리트와 단열재를 일체타설하는 방법을 덕분에 단열 우수성은 물론 건축물의 안전성을 향상하게 시키는 장점을 갖출 수 있다.

일체타설 공법의 경우 기존 판상단열재를 사용하여 시공을 많이 하지만 이는 시공 시 시멘트의 압에 의해 밀려나는 경우 그림 3과 같이 균열이 쉽게 생길 수 있다.

그림 3. 판상단열제의 부적합 요소

Fig. 3. Nonconforming element for plate insulation

그림 4와 같이 3중 차단 단열재를 사용하여 틈이 없이 초 기밀 시공이 가능하다. 아울러 단열재 연결 틈이 없고 표면 평활도가 우수해 건축물 심미성까지 향상하게 시켰다. 또한, 시공성도 뛰어나 상하 결합 방식으로 수직, 수평 작업이 빠르다. 이중으로 단열재끼리 결합하여 기밀성을 높인 것이 큰 장점이다. 덕분에 시멘트 반죽도 흘러나오지 않는다는 강점이 있다.

그림 4. 3중 차단 단열재

Fig. 4. Triple barrier insulation

나. 3중 창호

난방장치 없이 외피 근처에서 쾌적성을 확보하기 위해서는 부수적인 성능이 필요로 하다. 패시브 하우스의부수적인 고성능 창호는 실내에서 난방장치와 같은 기능을 한다.

그림 5를 보면 중 창호는 고단 열 제 틀과 맞물려 있어 외부로 쉽게 열이 빠져나가지 않도록 한다.

그림 5. 3중 창호 열 보존 효율성

Fig. 5. Triple window heat preservation efficiency

창호는 제로 에너지 하우스에서 에너지에 효율성을 가장 극대화 할 수 있는 장치로써 창호 관리의 효율성을 극대화 해야 한다.

3. 액티브 하우스

액티브 하우스는 태양열 또는 풍력 등 재생에너지를 통하여 에너지를 얻는 방법인데 태양광 및 풍력을 받으면 전자의 흐름으로 발생한 직류전기를 이용하여 전기에너지로 생산하여 난방이나 온수를 사용할 수도 있고, 태양열 에너지를 이용하여 온수로 바꾸어 축열조에 저장하여 급탕에도 사용할 수 있다. 현재는 주로 태양 에너지를 활용한 시스템이 많이 사용되나 점차 풍력, 바이오매스 등 신재생에너지를 활용한 액티브 에너지 하우스가 개발되고 있다.⁽²⁾⁽⁷⁾

4. 라즈베리파이

온도 데이터를 비교하여 폐쇄/개방에 대한 여부를 자동으로 판단하여 판단된 데이터를 전송시켜주기 위해서 통신 수단이 필요로 한데 라즈베리파이 3.0은 자체적으로 WIFI가 내장돼 있고, 또 여러 가지 액추에이터를 제어할 수 있으므로 라즈베리파이를 사용했다. 3.0보드에는 기본적으로 WIFI 모듈이 연결돼 있으므로 언제 어디서든 인터넷망이 있는 곳이라면 어떤 사물이든 제어할 수 있다는 장점이 있고, 간편한 사용 방법 때문에 라즈베리파이를 사용했다.

그림 6. 라즈베리파이 3.0 Wifi 지원

Fig. 6. Raspberry 3.0 Wifi Support

Ⅲ. 제로 에너지 하우스 단지 모델 및 온도 유지시스템

프로젝트 구성요소는 기존 에너지 제로 하우스 구성을 기반으로 하여 가구마다 열교환 환기장치를 설치하는 것이 아닌 중앙 열 회수 환기장치를 설치하여 통합으로 배관 시스템이 작동되고 중앙 에너지 저장장치를 설비하여 각 각의 가구에서 축전된 태양 에너지를 부재중 시 최대량을 저장해 놓는 것이 아닌 다른 가구에서도 서로 끌어다 쓸 수 있도록 하고 설계비용 측면에서 비용 절감에 목적을 둔 모델이다.

그림 7. 제로 에너지 하우스 단지 구상 및 온도 유지시스템

Fig. 7. Zero Energy House Complex Planning and Temperature Maintenance System

1. 열 회수 환기장치

실내 공기는 시간이 지날수록 오염되기 때문에 주기적인 환기가 필요하다. 하지만 환기를 통해 많은 열이 손실되기때문에 그만큼 에너지를 사용해야 한다.

제로 에너지 하우스는 에너지 손실을 줄이기 위해 열회수 환기장치를 사용하는데 가구별 설치를 하는것이 아닌 통합으로 중앙에서 통합으로 열 환기장치를 하나 두고 설비 비용을 줄이고자 한다.⁽¹⁾

그림 8. 열 회수 환기장치

Fig. 8. Heat recovery ventilation

제로 에너지 하우스는 에너지의 효율성을 극대화 시켜야 하는데 창호 혹은 열교환기의 개방/폐쇄가 굉장히 수동적이다. 사람이 직접 물리적인 제어를 해야 하므로 번거로울뿐더러 에너지 관리 효율에 있어서 굉장히 부자연스러운 생활 방식이 만들어지고 불편할 수 있다. 그러므로 각각의 장치마다 각 사물을 라즈베리파이에 부착하고 WIFI 모듈을 사용하여 에너지 관리와 관여된 패시브 적 요소들을 묶어 웹에서 제어하거나 자동으로 일정 온도에 따른 폐쇄/개방 여부를 점검하여 관리가 가능한 시스템이다.

그림 9. 공용 열 회수 환기장치 시스템

Fig. 9. common heat recovery ventilation system

2. 온도 유지시스템 자동제어

그림 10처럼 창호에 라즈베리파이와 통신 가능한 모듈을 부착하여 집안 내부 온도에 따른 창호 폐쇄/개방 여부가 결정되게 된다. 실내 적정온도는 21도에서 25도 정도이고, 수면 시에는 16도에서 20도 정도가 가장 적합 온도라고 한다. 창호는 라즈베리파이의 연결된 센서를 통해 25도 이상일시 자동으로 개방하여 온도를 낮추고, 25도보다 온도가 낮으면 자동으로 창문을 폐쇄하여 현재 온도를 유지할 수 있도록 한다.

그림 10. 자동화 시스템 창호

Fig. 10. automation system window0

위 처럼 창호처럼 블라인드도 자동으로 제어할 수 있고 블라인드는 겨울철은 외부 기온이 아주 낮으므로 열교환기로 열을 유지하면서 실내온도가 너무 20도 이하로 내려가면 자동으로 블라인드가 오픈되면서 태양열 에너지로 집 온도를 자연스레 상승시킬 수 있다.

그림 11. 자동화 시스템 블라인드

Fig. 11. automation system blind

Ⅳ.결론 및 기대효과

에너지 제로 주택 건축 설비 비용은 일반 목조주택 평당 설비 비용보다 2~3배가량 많은 설비비를 요구하고 있고 또한 이에 경제적인 부담이 되기 마련이다. 장기적으로 10년, 20년 거주한다고 생각하면 경제적인 이득이지만 사실 먼 미래까지 고려하며 높은 입주비용을 들여 거주하는 사람은 많지 않을 것이다. 정부에서도 적극 지원 중이나 일반 주택보다 경제성이떨어지는 것은 사실이다. 그러므로 앞에 본 내용과 같이 설비 비용을 최대한 줄이고, 제로 에너지 하우스에 개념에 제일 중요한 에너지 사용의 효율성을 극대화 시킨다면 머지않은 미래에는 제로 에너지 하스의 여러 가지 형태들이 상용화되는 날이 올 것으로 생각한다. 추후에는 에너지의 더 효율적인 관리 유지를 위하여 거주자의 생활 방식을 AI 분석을 통해 생활 방식에 따른 가전 제어 및 불필요한 에너지 소비가 없도록 인공지능 분석적 요소와 결합하여 더욱더 상용 가능성 있는 모델이 나오도록 연구를 진행하고자 한다.