세계적으로 전체에너지사용의 1/3이 건축부문에서 소요되고 동시에 방출되는 1/3의 온실가스 또한 이 부문이 원인이다. 게다가 건설부문은 세계적으로 25-40%의 폐기물을 배출하고 이와 더불어 천연자원의 반을 이 부문에서 소비한다. 그래서 신재생에너지를 도입하고 통합적인 설치로 에너지 절약 및 에너지효율을 이끌어야한다. 이 주제는 미국에서 매우 성공적인 결과를 이끈 공모전을 모델 삼아 만든 ‘태양 데카트론 유럽 2010’ (Solar Decathlon Europe 2010) 국제 공모전의 우수 사례를 통해 보고된다.

미래에 태양에너지 사용을 건축적 조형요소로 통합시켜야 하는 주택은 어떻게 보일까? 주택이 스스로 필요보다 더 많은 에너지를 연간 생산할 수 있는 기능적인 주택(최대 연면적 74m2)의 경우 어떤 유형이 요구되어질까? 이것은 에너지소비 뿐만 아니라 기능, 형태, 시장성, 아이디어의 적용과 소통의 향상이 요구된다. 지속가능성은 복합적인 주제로써 다양한 분야와 함께 논의 되어야 한다. 공모전의 주요목적은 에너지 효율적인 건축의 가능성과 신재생에너지 사용에 대한 학생들과 공적인 인식의 증대를 꾀한다. 이를 통해 혁신적인 태양에너지기술의 시장도입을 촉진하고 에너지효율적인 건축이 높은 안락함과 건축적인 품질을 실현할 수 있는 증명 역할을 할 것이다.

소개할 건물은 홈플러스(Home+)로써 슈트트가르트 공대에서 제작했으며 건축, 건축물리, 인테리어, 구조기술, 인프라 매니지먼트, 신재생에너지 학과와 공동으로 작업했으며 지속가능한 에너지기술 연구소의 자문을 얻었다. 설계의 주안점은 콤팩트와 각 모델을 일정간격으로 분리하여 생긴 좋은 단열성이다. 간격을 통해 자연채광, 자연환기, 겨울에 예열, 여름에 패시브적인 냉방효과를 형성할 수 있다. 배기나 냉각에 전기를 사용하지 않고 바람, 응축냉각, 건물 흡기의 냉각과 배기를 작용시키는 에너지굴뚝이 조형적이고 공간적으로 특이할 만한 점이다. 동시에 중동의 아랍이나 스페인의 공간에 널리 퍼진 파티오를 연상하게 하여 전통적인 모델로서 역할을 한다.

실내에서 PCM(Phasenwechselmaterilalien)이 목재로 구성된 모듈로 이루어지고 난방에 효율적인 매쓰를 향상시킨다. 저에너지사용량을 충당시키기 위해 전체 지붕, 동쪽과 서쪽의 입면 건물외피는 태양광 전지판이 통합되어 에너지를 생산한다. 이로써 건물은 플러스에너지하우스가 된다. 에너지외피는 주간에 전기를 생산하고 야간에 냉각을 하게 된다. 이를 위해 태양광 전지판 후면에 설치된 관을 통해 회기냉각체로부터 물이 전달된다. 야간의 태양 전지판이 냉각되면 후면에 흐르는 물로부터 열을 빼앗는다. 이렇게 냉각된 물은 건물 안에 PCM판, 바닥판의 냉각을 위해 그리고 피크부하를 절감시킬 때를 대비한 히트펌프의 사용에 도움이 된다. 이런 태양광 모듈과 축냉체의 콤비는 슈투트가르트 팀 자체에서 개발되었다. 건물의 모듈은 계속적인 증축이 가능하게 되고 특히 간격은 다른 지역의 기후에 따라 적합하게 조절할 수 있다.

에너지굴뚝

수직적으로 공간을 나누는 에너지 굴뚝은 위에서 흐르는 공기를 받아 건물 아래로 이동시킨다. 공모전 규정으로 작게 설치했기 때문에 현장에서 시뮬레이션과 풍동실험을 통해 세밀하게 조사했다. 굴뚝의 안쪽에 젖은 수건을 걸어 굴뚝을 통해 흐르는 공기가 응축하여 냉각되도록 했다. 냉각된 공기는 굴뚝의 기단부에서 실내로 들어오게 된다. 에너지 굴뚝의 기능 측정을 통해 1:1 모델을 갖고 연구하였다. 환기는 굴뚝의 왼쪽, 오른쪽 부위를 통해 가능하다. 태양열을 통해 형성된 태양열집열판이 열을 얻게 된다. 그럼 열을 주위의 공기에 전하고 온도차로 굴뚝으로 공기가 흐를 수 있는 압력차를 만들어 굴뚝의 냉각시스템을 보강하게 된다.

또한 실내의 습도를 최대 25도 55%에 설정하기 위해 흡기습도는 11g/kg의 공기가 넘지 않도록 했다. 각각 측정된 외기습도에 의하면 에너지굴뚝을 통해 공간이 더 냉각될 수 있는 최대 외부온도를 계산한다. 외기가 이미 충분히 습하게 되면 주변온도는 단지 미세하게 실내온도에 영향을 주게 했다. 반면 건조한 외부환경이면 고온의 외부온도라도 좋은 냉각효과를 끌어낼 수 있다.

에너지굴뚝을 통해 흐르는 공기양은 풍향과 풍속에 의존한다. 생성되는 바람 저항계수는 바람터널에서 건물모델을 통해 세밀하게 측정하였다. 저항계수로 주어진 풍속과 풍향에 대한 압력을 계산할 수 있다. 굴뚝을 통해 요구되는 바람의 부피가 건물에서 압력손실에 의존하여 측정된다. 단위 파스칼마다 추진압력은 약 200M3/h의 공기가 필요하다고 분석되었다. 5m 높이의 유형별에서 계수가 결정되고 그 값은 2,24☓10⁻⁸ kg/(㎡ s Pa)이다.

천장패널 안에 설치된 PCM(Phasenwechselmaterial)은 주간에 공간으로부터 열을 흡수한다. 야간에는 물이 천장을 흐름으로써 PCM이 다시 응고된다. 물은 지붕면에 놓인 태양광 모듈 후면 즉, 찬 밤공기에 식혀진 태양광 모듈을 지나감으로써 냉각된다.

실내의 피크부하를 피하기 위한 간단한 방법은 공간의 구조체를 충분히 난방매쓰로 구성하는 것이다. 기존의 거대한 건물구조보다 PCM을 통합한 건물은 축열성을 유지하면서 경량구조를 가능하게 한다. 잘즈하이드라트(Salzhydrate)는 용융점 약 22도로 실내로부터 많은 양의 열을 흡수한다. 그럼 실내온도는 감소하고 PCM이 물에 의해 냉각되면 다시 응고되면서 열을 밖으로 돌려준다.

주간동안 천장에서 축척된 열은 저녁에 가장 적은 에너지로 다시 밖으로 돌려줘야한다. 여기에 필요한 냉각수는 기존의 방식 즉, 압축냉각장치에서 쓰이는 방식이 아닌 재생적인 방법으로 찬 밤공기에 열복사를 통한 방식으로 하였다. 물 온도에 따라 외부온도와 구름의 정도에 따라 냉각성은 약 50-120W/㎡로 실행되었다.

복사냉각의 원리는 온도 감소역할을 하는 다른 물체에 접한 건물의 장파장을 통해 열 방출을 유인한다. 건물냉각의 적용에서 건물의 표면적은 냉각할 수 있는 물체를 표현한다. 바로 상공인데 상공온도는 특히 밤에는 지표위의 물체온도보다 낮은 온도를 유지한다. 한 여름밤에서 상공온도는 0도 이하로 떨어질 수 있고 심지어 맑은 하늘에서는 -10도 이하까지 이를 수 있다. 이런 효과를 활용하기 위해 이번 프로젝트는 복사냉방시스템방식으로 태양광 태양열 복합체를 사용하여 설치했다. 열매로써 물을 사용하는 이 복합체는 주간에 전기와 열을 생산하는데 사용한다. 그래서 필요에 따라 동시에 전기나 열을 현장에서 생산할 수 있다.

결론

이번 공모전의 주안점은 안락함이다. 공기온도는 23-25도, 습도는 40-55%를 유지해야한다. 건물의 냉방은 가장 중요한 역할을 했는데 가능한 적은 에너지를 소모하도록 계획했다. 왜냐하면 건물의 전기에너지적산 또한 다음으로 중요한 주안점이기 때문이다. 건물냉각은 지금까지 재생적인 해결방안을 제시하지 못해 혁신적인 목표가 요구되었다. 건물의 형태에 있어 밴드너비로 절약적인 박스로부터 새로 해석한 전통적인 박공지붕까지 보여주고 있다. 또한 설치된 액티브기술은 설치 가능한 솔라시스템에 좋은 가능성을 제시해 주고 있다. 예를 들어 태양광 태양열 복합체를 들 수 있다.

▣ 원문제목 : Beispiel fuer die Wechselwirkung einer komplexen, energieproduzierenden Gebaeudehuelle mit der Gebaeudetechnik