1.서론

이 내용은 미국 보스턴지역 1960년대 정부보조금이 지원된 교외주거단지에 건설된 500세대 규모 대규모 리노베이션 프로젝트 조사분석이다. 기존주택에 대한 에너지저감수준에 관한 기술적인 자료를 제공하고, 향후 한국의 저에너지주택 리모델링에 도움이 되는 자료로 판단된다. 이 기술자료에서 콘크리트 골조와 단열이 안된 조적벽체로 구성된 저층 및 중층 규모세대로 구성된 주거단지를 중심으로 실내환경 특히 공기의 질과 에너지 성능에 특별한 초점을 맞추어서 리노베이션을 하고 주택총에너지 저감 결과를 분석한 내용이다. 이 프로젝트에서는 기밀성능과 창호교체가 건물개축의 범위이며 기밀성과 창호교체 부분에 대한 평가에 초점을 맞추고 있다.

2. 배경

미국 DOE Building America 프로그램 목표는 개보수 전 주택대비 15% 기존주택의 에너지 사용량 저감이다. 이 프로젝트에서는 설계팀이 주택 총에너지평가수준을 예측하고, 저층건물의 경우 약 30%의 에너지 저감을 기대하였다. 이 프로젝트에서 측정된 사례와 지침은 난방이 필요한 기후지역에서 비 단열 조적조 공동주택에 적용이 가능하다. 특별하게 흥미를 끄는 부분은 정부보조금을 받았던 주택과 거주하고있는 상태에서 주택의 리노베이션이라는 맥락이다. 더군다나, 저층아파트 리노베이션에서 수행된 방법은 대표적으로 건물의 생애주기동안 보수가 필요하거나, 교체되어야할 요소들을 설명하고 있다.

3. 데이터 출처와 방법

기밀성능은 기밀성시험(blower door testing)을 통해 측정되었다. 리노베이션 초기에는 기밀성 시험이 수차례 반복적으로 수행되기도 했다. 리노베이션 완료후 전체 아파트건물 외피의 기밀성능은 리노베이션 아파트 세대들 중 31세대에서 선별적으로 수행되었다.

기밀성능 평가기준은 50 파스칼(pa) 압력에서 실내 또는 실외 유동공기량(CFM50)을 건물체적(ft²) 으로 나눈 값을 이용하여 시간당 환기횟수를 산정하는 방식(ACH 50)이 있고, 이 방식(ACH 50)에 교정상수 20을 나눈 값을 이용하여 평균 침기횟수로 나타내는 방식(ACH 50/20)이 있는데, LBL (Lawrence Berkeley Lab.) 침기모델에서는 ACH50/N 방법을 제안하고 있다. 이 프로젝트 시방서에서 언급된 성능기준에서는 효율적인 누설면적(ELA, effective leakage area)으로 표현하는데, LBL 방식을 따르고 있으며, 바닥면적 100ft² 를 표준으로 계산하였다.

일반적으로 특정아파트 건물내에서 보수 전/후의 실내 공기 기밀성능을 직접적으로 계측비교하는 방법은 비현실적으로 보기 때문에, 기밀성능의 감소 정도는 보수 전/후에 대한 누설율을 계측하여 통계적인 분석방법에 의해 수행된다.

4. 보수 조치

에너지 성능에 영향을 미치는 보수 수단은 공기 기밀성, 창호 교체, 기계장치 교체하거나 기계장치 재배치를 고려한다. 이 기술자료에서는 기밀성능 제어와 창호교체 수단에 대해서만 설명하고, 난방과 온수난방시스템의 재배치와 같은 부분은 평가에서 제외하였다.

5. 평가 수행

기밀성능의 작업범위가 설정된 후, 그리고 리노베이션 작업이 수행되기 전, 견본 주택세대로 빈 아파트 1세대를 추가해달라고 요청 하였는데, 견본주택을 첫 현장조사에서 확인하였던 누설부위 보다 많은 보수작업이 수행되었다. 견본주택 세대에서 확인된 추가 현황은 쥐와 같은 설치류가 아파트 실내에 존재한다는 사실이었으며 설치류에 의해 누설부위가 파괴되지 않도록 기밀성 작업을 수행하였다.

기밀성능 시험을 위해, 창틀 부위, 외벽틈새와 같은 부위에도 기밀성능을 유지하도록 아래 그림1 과 같은 작업을 수행했다.

다음 표는 기밀성능에 대한 보수 전/후에 대한 시험결과를 보여준다.(표-1. 표-2)

6. BEopt 모델링

에너지 모델링은 아파트의 기존층 세대와 최상층 외곽세대에 대한 에너지 성능을 예측 및 분석하기위해 이용되었다. 대표적인 모델링 사례는 복층 아파트세대이었고, 모델링 수행시 어려운 점은 기계적인 환기장치가 공동주택의 경우 여러 세대간 공유하고 있다는 점이다. 건물외피 모델링은 단열표면으로 가정되어야하나 BEopt에서는 이러한 경계조건을 정확하게 표현하는 방법이 없었고, 모든 벽체조건을 동일건설조건으로 가정하여야 했다. 단열벽체의 제한적인 요소를 해결하는 방법으로 복층세대를 단일 층으로 가정하여 모델링을 수행했다. 추상적인 개념의 모델링은 최적화에 이르는 결정과정에서 오류를 최소화할 수 있을 것으로 기대된다. 그러나, 단일 층으로 모델링하기위해 복층 슬래브면적을 바닥면적으로 산정하였고, 따라서 지붕면적과 바닥면적이 2배로 증가되었고, 증가된 바닥면적 때문에, 실제건물과 비교하여 모델의 열손실이 증가될 것으로 예상된다.

BEopt 프로그램은 창호면적을 동, 서, 남, 북 방향별로 설정할 수 있어서, 건물외형이 기하학적으로 형성되어있더라도 비교적 정확하게 태양열 획득량을 산정할 수 있다.

기계환기 장치는 소프트웨어에서 적용 가능한 시스템 형태를 적용하여, 실제 시스템과 유사한 효율을 가진 시뮬레이션 도구로 수행된다. 고효율 가스보일러는 공간난방과 급탕온수를 여러 세대에 동시에 공급하고 있다. 1개의 보일러와 1개의 저장탱크는 2~4세대 아파트에 집단으로 공급하고 있다. 각각의 세대는 보일러와 연결된 온수 코일을 가진 공기조화기를 갖고 있다. BEopt 프로그램에서는 위와 같은 시스템을 정확하게 모델링하지 못한다. 따라서, 공간난방과 급탕온수를 유사한 효율을 가진 가스공급보일러 시스템으로 선정 적용하였다.

7. 향후 작업을 위한 제안

7.1 실내 공기질 평가

주택거주자와 소유주가 주택보수를 통해 추구했던 목표중 하나가 바로 실내공기질 개선이다. 주택 보수를 하기 전에는, 이웃세대로부터 풍기는 요리냄새때문에 거주자들은 실내공기질에 불만족한 상태였다. 요리냄새는 일반적으로 공기오염의 대표적인 매체로 인식되어왔다. 실내공기질 관련하여 거주자들의 인식조사, 모니터링 및 계측활동은 실내공기질 개선을 위한 보수작업의 성공을 증명하는데 기여하였다. 거주자의 만족도와 상호 연관성이 있는 쾌적성과 실내공기질 개선은 에너지 저감보다 더욱 중요하게 인식되었다. 거주자들에 대한 사전 피드백을 통해 아파트 세대간 냄새이동의 문제를 인식하여, 공기질의 향상에 노력하여 냄새전달문제가 감소되기는 했지만, 완전히 제거하지는 못했다.

7.2 열적 쾌적성과 환기

보수작업 중 첫 겨울철 동안, 밤 시간대에 환기시스템에서 온도를 낮추어 한기를 제공하는 원인이 되고있다는 불만을 접수했다. 특히, 화장실에 있는 공급환기조절기가 밤 시간대에 차가운 공기를 공급한다는 것이다. 이런 이유 때문에 아파트 실내온도가 현저하게 낮춰진 것인지, 또는 공기분배기에서 온열을 감지하였기 때문인지 그 원인은 정확하게 규명되지 않았다. 신형 디지털 온도계를 통해 감지된 프로그램으로 한밤중 시간대에 난방가동때 필요한 환기팬 작동 횟수를 감소할 수 있었다.

7.3 일반적인 디테일

주택 보수 프로젝트의 특별조건에 부응하는 기술디테일과 이행절차가 개발되었다. 일반적인 건물형태에 창호교체를 위한 반복적인 요구사항에 대응하여, 건물형태에 따른 에너지사용량을 줄이는 목표에 이익이 되도록 창호교체 상세가 개발되었다. 뿐만 아니라, 조적조 신축과 같은 부분의 일반적인 창호 인방보, 턱, 창호주변 개구부 틈새와 배수구에 대한 상세에 관한 기술지침이 개발되었다.

8. 결론

창호교체를 통해, 공동주택 외피에서 15%정도 열전도율을 줄이고, 기밀성능을 40%정도 줄였다. 건물 전체적인 보수측면에서는 기밀성능을 추가하여 기계적인 시스템 개선과 창호교체를 수행하였고, 보수이후 주택의 총에너지는 기존주택과 비교하여 대략 30%의 에너지 저감을 기대된다고 보고하였다. 이 자료는 창호교체에 관한 상세기술과 효과적인 기밀성능 전략에 관한 전문정보를 제공하고 있다. 또한, 내구성, 쾌적성, 실내 공기질과 에너지 성능에 관한 보존과 유지관리 활동에 관한 다양한 교훈을 전달하고 있다.