현대 흙 건축재료의 열물성 분석 및 축소 모형 실험을 통한 열환경 및 에너지성능 평가

Abstract

주거환경의 유해성 차단 및 친환경 건축물에 대한 사용자의 요구가 증가함에 따라 인간 활동의 기본 공간이 되는 건축물에서의 친환경 추구를 위한 다방면의 노력이 많아지고 있으며, 환경적 측면에서 문제가 발생된 시멘트 건축재료를 대체하기 위한 친환경 건축재료의 개발 및 적용도 활발하게 진행되고 있다. 친환경 건축재료 중에서 최근 부각되고 있는 것이 흙을 이용한 건축재료이다. 흙은 국내·외에서 매우 오래 전부터 사용되어 온 가장 전통적이고 일반적인 건축재료로서 주로 주택에 적용되고 있으며, 별도의 가열에 의한 소성과정을 거치지 않아 시멘트나 콘크리트 등 기존 건축재료에 비해 내재에너지 절감을 통한 환경오염 감소에 효과적이고, 별도의 처리 없이 재활용이 가능하며, 자원 절약과 운송비용 절감에도 효과적이다. 국내에서 현대화된 흙 건축재료는 비교적 다양한 형태로 생산되고 있으나 아직 개발 및 보급 초기단계에 있다고 할 수 있다. 그리고 구조적 성능 분석은 비교적 많이 이루어졌으나 그 외의 관련 연구가 폭넓게 이루어지지 않은 관계로, 흙 건축재료의 적용에 따른 실내 열환경 및 에너지성능은 그 중요성에 비해 분석이 미흡하여, 보급 활성화에 장애요인이 되는 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 현대 흙 건축재료 적용에 따른 계절별 실내 열환경 및 에너지성능을 분석해보고자 하였다. 이를 위해 국내 유형별 현대 흙 건축재료 현황과 흙집의 설계 및 시공 현황을 파악하였다. 주요 흙 건축재료들에 대한 열환경(열전도율, 비중, 비열) 측면에서의 물성을 측정하고 기존 건축재료와 비교 분석함으로써, 현대 흙 건축재료의 객관적 성능자료를 도출하고자 하였다. 또한 실제 흙 건축재료와 시멘트 건축재료를 적용하여 축소 모형 실험체를 제작하고 하계, 추계, 동계의 열환경 및 에너지 소비량을 측정함으로써 현대화된 한국형 흙집에서의 계절별 온도 조절 기능 및 에너지성능을 비교 분석하였다. 흙 및 시멘트 건축재료의 단열성능 및 축열성능을 비교한 결과, 고강도흙벽돌과 재래식흙벽돌은 시멘트벽돌(0.4577W/mK, 1,695.6kJ/㎥K)과 비교시 각각 단열성능 9.5% 감소, 7.0% 증가, 축열성능 16.3% 증가, 1.5% 감소로 나타났다. 흙다짐재, 고강도흙타설재A 및 고강도흙타설재B의 경우 각각 콘크리트(1.4000W/mK, 2,024.0kJ/㎥K)와 비교시 각각 단열성능 66%, 70.7%, 63.7% 증가, 축열성능 0.7%, 4.3%, 21% 감소로 나타나 콘크리트에 비해 단열성능이 매우 우수한 것을 알 수 있다. 흙미장재의 경우 시멘트몰탈(0.4116W/mK, 1,676.3kJ/㎥K)과 비교시 단열성능 30.5% 감소, 축열성능 14% 감소로 나타났다. 입자흙단열재(0.2823W/mK)의 경우 스티로폴(0.0400W/mK)에 비해 상당히 큰 열전도율을 가지고 있어 동일 두께 적용시 기존 단열재의 대체재가 아닌 흙집에서 단열 보조재로 사용 가능할 것으로 판단된다. 흙 및 시멘트 건축재료를 적용한 축소 모형 실험체를 제작하여 하계, 추계, 동계의 열환경 및 에너지 소비량을 측정한 결과 하계 열환경의 경우 case1(콘크리트, 시멘트몰탈)과 case2(콘크리트, 흙미장재, 고강도흙타설재A)는 서로 거의 같으며, case4(고강도흙벽돌, 고강도흙미장재, 고강도흙타설재A)와 case5(재래식흙벽돌, 흙미장재, 고강도흙타설재A)는 case3(시멘트벽돌, 시멘트몰탈)에 비해 약간 유리하나 그 차이가 크지는 않은 것으로 나타났다. 추계 및 동계난방 미실시시 열환경의 경우 case1과 case2는 서로 거의 같으며, case3, case4, case5 역시 서로 거의 같은 것으로 나타났다. 동계 에너지성능의 경우 동일 설정온도와 동일 스케줄로 각각 난방을 실시한 실험 결과 case2가 case1보다 우수하며, case5, case4가 case3보다 우수한 것으로 나타났다. 이는 case2의 경우 주로 난방시 바닥 마감재인 고강도흙타설재A의 종합적 에너지성능이 시멘트몰탈A보다 우수하여 나타난 결과인 것으로 판단된다. case5, case4의 경우는 역시 바닥 마감재인 고강도흙타설재A와 더불어 고강도흙벽돌 및 재래식흙벽돌 벽체의 종합적 에너지성능이 우수하여 나타난 결과인 것으로 판단된다. 이상의 결과를 통해 흙 건축재료를 적용하게 되면 기존 시멘트 건축재료 적용시와 년중 거의 같은 수준의 열환경을 확보할 수 있고, 특히 흙 건축재료의 바닥 마감재 적용을 통해 동계 바닥난방시 에너지성능 향상이 가능한 것으로 판단된다.;With the increase in the demand for sustainable and environment-friendly development, the preference for earth construction material increases more and more. Earth construction material is used for the house and it is known to have a low impact on the environment due to its low embedded energy consumed to make an end use product. However, there is only littledata on the indoor thermal environment and end use energy performance of the modern earth house constructed with current earth construction material because the modern earth house was introduced into the Korean construction market recently. In this study, the present conditions of earth construction material and earth house in Korea were investigated. Thermal properties(thermal conductivity, density, specific heat) of current main earth construction materials were measured for comparison of difference between cement and earth construction materials. Indoor thermal environment and heating energy performance of the modern earth house were evaluated through the scaled model test for 3 seasons (summer, fall and winter). Five scaled models with cement or earth construction material were installed in the test room. Cases 1 and 2 with concrete wall structure were selected to compare the difference between the cases where cement mortar (case 1) as an inside finish material of the wall and floor was replaced with earth plaster (wall, case 2) and high strength earth concrete (floor, case 2). Cases 3, 4 and 5 with brick wall structure were selected to compare the difference in the cases where cement brick and mortar (case 3) of the wall were replaced with high strength (case 4) and normal (case 5) earth brick and plaster, respectively. Cement mortar (case 3) as an inside finish material of the floor was replaced with high strength earth concrete (cases 4 and 5). The inside and outside air and surface temperatures were measured to evaluate the thermal environment. The electricity consumption for radiant floor heating was measured to evaluate the heating energy performance. In view of indoor thermal environment, the results show that there is little difference in the cases for all seasons without cooling and heating, except that cases 4 and 5 with earth construction material show slightly better than case 3 with cement construction material in the summer. In view of heating energy performance, the results show that cases 2, 4 and 5 with earth construction material are a little better than cases 1 and 3 with cement construction material.