에너지 절약형 외단열 공동주택의 설계 상세도 도출 및 에너지 성능 분석

Abstract

The IIS(Internal Insulation System) is typically applied in most Korean apartment buildings. Consequently, there exist many thermal bridges at the wall-slab and wall-wall joints in the envelope. These joints become thermal bridges where the risk of heat transfer increases. In particular, the amount of heat loss is significant at the wall-slab joints. It is expected that the EIFS(External Insulation and Finish System) is the solution to this problem. The aim of this study is to suggest external insulation design schemes suitable for Korean apartment buildings in order to facilitate the application of EIFS. After making 25 alternatives for 10 parts, each alternative's relative insulation performance and constructability were then evaluated. As results, 25 design schemes for 10 parts were suggested. annual heating and cooling energy demands of apartment buildings with IIS and EIFS were compared using PHPP 2007(Passive House Planning Package) program adopting the monthly calculation method of ISO 13790 as a calculation algorithm. Heat transfer through thermal bridge was modelled using the linear thermal transmittance. Heat capacity difference caused by the difference of insulation location was modelled using the effective heat capacity considering the effective thickness of materials in direct thermal contact with the internal air. As results, the EIFS could improve the linear thermal transmittance of thermal bridges by 75.1~93.0%, compared to the IIS. Apartment building with EIFS-1 showed 17.7% less annual heating demand but 6.5% more annual cooling energy demand. Apartment building with EIFS-2 showed 16.% and 0.1% less annual heating and cooling demand. The sum of annual heating and cooling energy demands with EIFS-1 showed decline by 12.4% and the sum of annual heating and cooling energy demands with EIFS-2 showed decline by 13.0%, compared to the IIS.;공동주택은 외피부하 지배형 건물로 에너지절약을 위해서는 외피 단열이 무엇보다 중요하다고 할 수 있다. 하지만 국내 공동주택에는 거의 대부분 단열재가 구조체 실내측에 위치하는 내단열이 적용되고 있으며, 이로 인해 벽-슬라브, 벽-벽 접합부 등에서 단열재가 불연속 될 수밖에 없어 필연적으로 매우 많은 열교(Thermal bridge)가 발생하여, 에너지 손실 및 결로 등의 여러 문제가 발생하고 있다. 특히, 국내 공동주택의 경우 난방용 온수배관이 바닥에 설치되므로 구조체를 통한 실외로의 전도 열손실 방지가 매우 중요함에도 불구하고, 벽-슬라브 접합부 열교부위를 통해 매우 큰 전도 열손실이 발생할 수밖에 없어 난방에너지 손실이 매우 큰 실정이다. 반면, 외단열의 경우 구조체 실외측에 단열재가 설치되므로 열교발생을 근원적으로 차단해주며 콘크리트 벽체등과 같은 축열채가 단열재로부터 실내측에 위치하므로 난방열 축열에 의한 난방효율 향상이 가능하다는 이점도 있다. 국내 공동주택의 경우 정형화 된 형식으로 설계, 시공되고 동일 혹은 유사 부위가 대부분의 공동주택에서 반복적으로 나타나므로, 외단열 적용에 의한 에너지 절약 가능성은 매우 클 것으로 기대되며 국가 온실가스 감축안이 확정되고, 국가 정책적으로 초 에너지 절약형 공동주택을 추진중인 현재 상황을 고려할 때, 열교 제거를 통해 상당한 에너지 절약 효과가 기대되는 외단열 설계안을 국내 규정과 공동주택의 특성을 반영하여 개발하는 것이 시급한 상황이다. 따라서 본 연구에서는 국내 규정과 공동주택 여건을 반영하여 주요부위별로 외단열 설계 대안을 작성하여, 대안간의 단열성 및 시공성 등에 대한 상대적 우열을 평가 후, 효과적인 설계안을 도출하고자 하였으며, 기존 내단열 공동주택과 외단열 공동주택간의 열교부위 손실열량과 열용량 차이를 반영한 냉난방 에너지 요구량을 산출, 비교하여 외단열 공동주택 보급 활성화를 위한 근거자료로 제시하고자 하였다. 단위세대 전용면적이 국민주택 규모인 85㎡로 구성된 공동주택 프로토 타입을 설정하여 국내외 외단열 하자사례 및 설계관련 규정의 검토 결과를 반영하여 외피의 단열성 및 외관등에 미치는 영향이 클 것으로 판단되는 10개의 주요 부위(지면경계부위, 창턱부위, 창호 프레임 주위, 내벽 하부 방수, 발코니 부위, 파라펫 부위, 방화 처리, 코어 부위, 필로티 부위, 외벽 몰딩 부위)를 선정하였다. 그리고, 외단열 시스템별(외부 마감재가 일반 외단열 마감재인 경우 습식 시스템, 외부 마감재가 석재인 경우 통기식 시스템), 창호 조건별(단창/이중창), 확장조건별(비확장형/확장형/혼합형)로 구분하여, 총 25개 부위에 대한 84개 외단열 설계 대안을 작성하였으며, 설계 대안간의 단열성, 시공성 등에 대한 상대적 우열로 각 대안을 평가하였다. 단열성이 우수한 대안 중 시공성 및 유지관리성 등이 우수한 대안을 적정 설계안으로 하여 총25개 부위에 대해 설계안을 도출하였다. 프로토타입 공동주택(판상형 1개동, 14층 56세대, 발코니 확장형, 습식 외단열 시스템)을 대상으로 기존 내단열인 경우, 외단열인 경우(외단열 1), 외단열이고 적정 외단열 상세 설계도 적용에 따라 창면적이 6.8% 감소한 경우(외단열 2)의 세가지 경우에 대해 열교부위의 손실열량과 열용량을 반영하여 년간 냉난방 에너지요구량을 분석하였으며, 열교부위의 손실열량을 산출하기위해 2차원 정상상태 전열해석 프로그램(Physibel Bisco 8.0W)으로 열교부위 선형 열관류율(열교부위 단열성능 지표)을 산출하였으며, 외단열 적용 대안이 내단열 적용 대안보다 선형 열관류율이 75.1~93.0%까지 낮아져 단열성능이 크게 향상되는 것으로 나타났다. 선형 열관류율을 반영, 열교부위 전열량까지 포함하여 에너지 해석할 수 있는 프로그램(PHPP 2007)으로 년간 냉난방 에너지요구량을 산출한 결과, 내단열 공동주택과 창면적이 동일한 외단열 1 공동주택은, 열교 제거와 열용량 증가를 통해 내단열 공동주택 보다 년간 난방 에너지요구량은 17.7% 감소하고, 냉방 에너지요구량은 6.5% 증가하는 것으로 나타났다. 외단열 1 공동주택에서 냉방모드의 경우, 열교제거를 통한 외피 단열성능 향상으로 총 획득열량(내부발열량, 일사열획득량)의 외피를 통한 손실이 감소하여 오히려 년간 냉방 에너지요구량은 약간 증가하였으나, 그 증가량은 난방 에너지요구량 감소량에 비해 매우 작으며, 외단열 1 공동주택의 년간 냉난방 에너지요구량 합은 내단열 공동주택 대비 12.0% 감소하는 것으로 나타났다. 적정 외단열 상세설계안을 적용, 내단열 공동주택에 비해 창면적이 6.8% 감소한 외단열 2 공동주택은, 열교 제거와 열용량 증가 및 창면적 감소(외피 전열량 감소, 일사 열획득량 감소)의 복합적인 작용을 통해 내단열 공동주택 보다 년간 난방 에너지요구량은 16.9% 감소하고, 냉방 에너지요구량도 0.1% 감소하는 것으로 나타났으며, 외단열 2 공동주택의 년간 냉난방 에너지 요구량 합은 내단열 공동주택 대비 12.9% 감소하여 냉난방 에너지 절약에 매우 효과적인 것으로 나타났다.