기존 재고 주택의 재조성은 기후변화를 직면하고 있는 국제적인 활동 증 중대한 도전과제이다. 현재 안정적인 경제력을 갖춘 북반구지역의 30% 이상의 주요에너지는 주택분야에 사용되고 있다. 이 보고서에서는 기존주거용 건물의 개축과 관련하여, 신재생에너지에 근거한 효율적인 에너지 공급으로 에너지 수요를 조합한, 상당한 에너지 저감에 접근하기 위한 기술적인 과정, 보수 대상의 기술적 항목, 진보된 설계 방안 등에 관해 각국에서 수행된 60개의 사례연구를 통해 제시하고 있다.

제 2장에서, 건물의 미래 발전을 위한 모든 측면에서 준비되어야할 방법론 4 단계를 포함하고 있다. 1 단계는 건물의 에너지 지표를 설정하고, 건물에너지를 저감하기위한 공조설비를 교체한다. 2 단계는 적절한 시기에 최적 공조시스템을 결정하고, 비용-성능비를 고려하여 가장 적용 가능한 기술을 구성한다. 3 단계는 두 번째 단계에서 결정한 공조시스템 연계하여 비용-성능비, 에너지 개발비용 결과를 고려한 최적 건물외피를 구성한다. 4 단계는 비용-성능비, 에너지 개발 비용 결과와 2단계에서 시스템 변경의 영향을 고려하여 최적 공조시스템을 결정한다. 이 방법들은 몇 가지 중요요인들에 의해 좌우되는데, 그 요인들은 다음과 같이 3가지로 구분된다. 에너지 개발 비용에 대한 정확한 예측, 신기술 개발에 대한 에너지 측면 지식, 기술개발과 관련하여 비용개발에 대한 지식이다.

제 3장에서는 건물외피의 형식, 문제점과 해결책을 다루고 있다. 건물외피는 열손실에 대한 저항성을 높이기 위해 약 0.15 W/㎡K 의 최대 열관류율을 확보하여야 한다. 지붕 또는 천정이 높은 건물요소에서 열적 단열재를 사용하는 것이 외려 비용적으로 효율적이었다. 지붕 위 단열패널을 설치하는 공법은 수십 년간 시행되어온 방식이었다. 지붕서까래를 이중으로 설치하는 방법도 또한 매우 적용 가능한 방법이었고, 이러한 방식이 가장 비용측면에서 효과적이었고 안정된 건설 방법이었다. 창호는 건물외피의 결정적인 요소 중 하나이다. 유리와 창틀의 실내표면 평균온도는 훌륭한 열적 안정성을 유지하는 전제조건이다. 이런 이유로, 전체 창호의 평균 열관류율은 유럽중부지역과 같은 온화한 기후지역조건의 경우에, 0.8 W/㎡K 이하가 되어야 한다. 이러한 열관류율은 3중 창호, 가스충진, 한쪽면의 로이코팅과 같은 방법으로 이뤄질 수 있다. 창호 프레임에 대해서는 열관류율이 0.75 W/㎡K 이하가 되어야 한다.

열적으로 최적화된 건물외피를 계획할 때, 열교현상은 가장 중요한 주제이다. 잘못 설계된 건물의 각 접합부와 연결부에서 건물의 열에너지 수요를 크게 증가시킬 수 있다. 또한, 건물외피의 요소에 대한 열적 품질이외에도, 전반적인 건물의 형태가 건물의 후속 열성능에 결정적인 영향을 미친다. 건물외피는 기밀성능이 뛰어나야, 건물에너지를 보존할 수 있고, 최종적으로 열에너지를 줄일 수 있다.

<그림1> 상대습도 50%, 온도 20도C 조건에서 각 표면온도

기존 콘크리트 슬래브에 20mm 두께 폴리우레탄 단열층을 올리고, 그 위에 20mm 두께의 진공단열재를 설치하였는데, 진공단열재의 정상패널 크기는 1.2m×1m 이며, 가장 소규모 패널크기는 0.3m×0.25m였다. 열성능 측정 위치는 폴리우레탄의 상부, 하부, 진공단열재의 상부, 하부 등으로 다양하게 구성하였으며, 그 측정위치를 단면으로 <그림3>과 같고, 표면온도 측정결과를 비교한 데이터는 <그림4>와 같다. 바닥에 진공단열시스템을 추가 했을 때 열 전도성능 측정 종합결과는 다음<표1>과 같다.

<표1> 독일 Ulm-Bofingen 커뮤니티 센터

에어로겔은 약 97%의 기공성과 3%의 낮은 고체성분으로 구성된 고체이며, 기공의 직경은 약 20나노미터로 작다. 현재까지 에어로겔은 가장 경량이며, 가장 열전도성의 낮은 고체재료 이다.

제 4장에서는 환기에 대해 다루고 있다. 건물 개축을 수행하는 과정에서 건물외피의 기밀성능을 높이는 이유는 주로 열손실을 저감하기 위함이지만, 적절한 공기질을 확보하기위해, 기계적인 환기가 부수적으로 필요하며, 이 때 이산화탄소 농도는 600ppm 이하로 제어한다. 오스트리아의 환기시스템에 대한 현장 조사가 주거용 건물을 대상으로 4개 기관에서 2002년~2003년 시행되었으며 총 92개의 환기시스템이 조사 분석되었다. 조사결과, 기계환기시스템의 만족도가 87%에 이르렀는데, 실제, 저효율, 청정하지 않은 공기질과 같은 많은 결함요인들 예를 들면, 환기용 필터 오염, 또는 덕트 주변에 열단열이 적용되지 않았음에도 불구하고, 사용자 들은 그 사실을 인지하지 못했다. 또한, 2006년 덴마크에서는 에너지관련 연구프로젝트, “열회수 자연형 환기”가 수행되었다. 이 새로운 냉난방 방식은 기존의 공간난방과 급탕온수를 위해, 자연 환기되는 배출공기로부터 열에너지를 회수하는 개념을 소개하고 있다.

제 5장 공급시스템에서는 리모델링 프로젝트에서 수행된 넷제로 에너지 건물 개념을 소개하고 있다. 2019년부터, 새로운 유럽연합 건물은 신축건물인 경우, 넷 제로에너지건물을 위한 표준규정을 의무화하였다. 유럽의 공동주택용 개축 실제사례들이 제 8.2장에 제시되었고, 주택에너지 사용량을 상세 측정한 결과가 분석되었다. 이 분석 자료에 따르면, 난방에너지는 25 kWh/㎡/a 이하수준까지 낮출 수 있었다. 또한, 현재기술을 이용하여 여러 종류 건물별 표준분석하였고, 전기공급시스템인 열병합발전과 히트펌프를 평가하였고, 전력망 연계와 넷제로에너지 개념의 잠재성을 평가하였다. 2009년 7월부터 2010년 10월까지 Blaue Heimat 건물의 난방에너지 요구량에 대한 모니터링을 수행하였고, 그 결과, 프로젝트 목표치인 12.5 kWh/㎡/yr 에 적합한 11kWh/㎡/yr 이었다. 에너지평형 원칙에 따르면, 급탕온수와 난방에너지 분배를 하는 동안 높은 열에너지 손실이 있었다. 그 이유는 열병합 유니트의 열효율이 56%로 상대적으로 낮았기 때문이며 다른 한편으로는 건물바닥 난방배관길이가 200m 이상으로 너무 길었기 때문이었다. 배관마찰저항과 저장손실 에너지(12.5kWh)가 급탕온수로 사용된 에너지보다 오히려 더 많았다. 1차 에너지 수준에서 판단하면, 이 건물성능은 아주 우수하지만, 가정용 가전기기의 전력량은 29 kWh/㎡/yr 으로, 독일평균 연간사용량 107 kWh/㎡/yr 보다 약간 높은 수준이다. 이 건물은 2019년 European Commission에서 제안한 신축건물수준인, 거의 제로에너지 건물의 요구조건을 만족하고 있으며, 지붕에 설치된 추가적인 태양광발전에 의한 전기생산으로 <그림 5>와 같이 넷 제로에너지를 도달하고 있다.

<그림 5> 월별 1차 에너지사용량과 생산량 비교(2009/2010)

신축건물과 비교하여, 기존건물을 리모델링할 때 건물구조, 형상, 역사적인 보존의 이유와 같이 획득할 수 있는 에너지는 한계가 있다. 그러나 최근 몇 개의 프로젝트를 수행하면서, 패시브하우스 수준의 에너지저감이 기존건물 리모델링 분야에서 가능함을 확인하였다. 열교현상을 저감하고, 창호를 3중창호로 업그레이드하고, 열 회수형 환기시스템을 사용한 건물외피를 단열함으로써, 현재의 기술만으로도 기존건물을 리모델링할 수 있다.

제 6장은 태양열 시스템을 기존건물에 적용하는 방법에 관한 내용이다. 오스트리아는 전통적으로 건물군에 태양열 에너지 적용하기위한 많은 노력을 수행해왔다. 오스트리아의 관련기관 통계자료에 따르면, 2007년 말까지 유리 덮게형 평판과 튜브형 집열기 가동량이 인구 1,000명당 251.9 kWth 이었다. 이 숫자는 주거인구 대비, 설치된 태양열 발전설비용량 측면에서 이스라엘, 사이프러스에 이어 세계 3번째에 해당한다. 오스트리아는 2008년 태양열 집열기의 판매실적이 25% 증가되었는데, 이는 362,923㎡ 면적의 태양열 집열기가 설치되었고, 설치된 열발전용량 254 MWth 에 해당한다. 설치된 태양열 집열기의 95%는 수 난방과 공간난방용으로 유리덮게가 있는 집열기였다. 기술적인 생애주기를 고려할 때, 2008년 태양열 집열기는 대략 3억 9600만㎡ 면적에서 운영중이며, 열 발전용량 2,775 MWth 에 해당한다. 오스트리아에서 태양열 집열기는 1,330 GWhth 열 에너지를 생산했고, 이 용량은 CO2배출 545,150 톤 감축하는 효과가 있다. 2007년에 태양열 집열기 수출비율은 79.8%였다.

제 7장은 한층 진보된 설계 해결책을 덴마크와 스위스 사례를 통해 제안하였다. 덴마크의 일반적인 주택형태는 단독주택이다. 대표적인 덴마크의 주거의 난방면적은 대략 3억㎡ 면적이며, 이중, 51%이상이 단독주택이다. 두 번째 규모가 큰 주거형식은 공동주택이다. 이 형식은 전체 주거의 27%를 차지한다. 테라스하우스와 농장 하우스는 각각 14%와 8%를 점유하고 있다. 1931년부터 1950년까지, 공동주택 대표적인 건설방식은 이중벽돌조 구조로 상부 슬래브에 이중 중공층(70mm 또는 130mm)을 가진 총 600mm 두께 외벽을 형성하였다. 바닥층은 목구조로 구성되었으나, 일부는 콘크리트조 였다. 이런 이유 때문에, 외벽과 바닥사이는 심각한 열교현상을 발생할 수밖에 없었다. 이 시대의 주택의 총에너지성능은 188.7 kWh/㎡ 이었고, 연간 전기소요량은 0.7 kWh/㎡ 이었다. 1961년부터 1972년까지 공동주택 대표적인 건설방식은 프리캐스트 콘크리트 패널형식을 사용하였다. 외벽과 내벽은 하중벽으로 축조되었고, 이후의 외벽쪽 단열을 더욱 강화할 수 있었다. 외벽의 구성은 보통, 내벽은 120~180mm 두께, 중간에 단열재 100mm 미네랄 울, 그리고 외벽마감은 80mm 두께로 구성되었고, 강재행거로 각각의 내/외벽체를 조립 설치하였다. 이 시대의 주택의 총에너지성능은 101.9 kWh/㎡ 이었고, 연간 전기소요량은 4.0 kWh/㎡ 이었다. 급탕요구량은 덴마크주거에서 요구되는 사용량인 연간 250 리터/㎡와 동등한 수준이었는데, 급탕용 온수소요량은 15.4 kWh/㎡ 이며, 전체 연간에너지소요량의 12.6% 수준이었다. 덴마크 건물규정에 따르면, 신축건물이나, 건물외피의 25% 이상 개축하는 건물의 경우에는, 에너지 1등급과 주거용 저에너지 2등급을 만족하도록 요구하고 있다. 따라서 덴마크에서는 건설에 요구되는 건물구조 및 형태별 현재, 미래의 열관류율을 각각 결정하고 건물에너지 저감을 할 수 있는 몇 가지 복합적인 방안(기본적인 설계안+ 능동형 설비부착형)을 제시하였다.

제 8장에서는 건물에너지 성능에 대한 배경과 방법론에 대한 내용을 설명하고 있다. 에너지성능을 만족하는지 여부를 실제 프로젝트를 통해 수행하고 그 성능목표에 달성여부를 각각의 사례에 대하여, 연간에너지원단위 기준으로 평가 분석한 결과를 종합하였다.

▣ 원문제목 : Advanced in Housing Retrofit - Process, Concepts and Technologies

▣ 원문의 주요목차********************************************************************

1. 소개

2. 과정

3. 건물 외피

4. 환기

5. 에너지 공급 시스템

6. 태양열 시스템의 개축 이행

7. 진보된 설계 해결책 - 덴마크와 스위스 사례

8. 성능