건물외피 단열성능 규정에서의 열교영향 반영 필요성 분석

Abstract

2015년 제21차 유엔 기후변화협약 당사국총회에서 2020년 이후 기후체제를 다루는 더반플랫폼 특별작업반 협상이 완결될 것으로 예정된 가운데, 전 세계적으로 온실가스 감축에 대한 부담은 더욱 커질 것으로 전망된다. 기후변화 대응을 위해 우리나라도 2020년까지 온실가스 배출전망치(BAU, Business As Usual) 대비 30% 감축안을 발표하는 등 지구 온난화 방지를 위해 여러 노력을 경주하고 있다. 온실가스 감축에 대한 부담이 커지면서 건축물에서의 에너지 절약이 이슈화되고 있다. 건물부문의 온실가스 배출량은 국내 전체 온실가스 배출량의 26%를 차지하고 있으며 장기적으로 35%(2030년)까지 증가할 것으로 예상된다. 에너지다소비 대형건물의 수 증가와 이상기온 등으로 인해 건물에서의 에너지 소비가 점점 증가하고 있으며, 앞으로 건물의 에너지 소비 절감의 중요성은 더욱 커질 것으로 예상된다. 건물의 전체 에너지 소비에 있어서 건물 외피의 단열성능이 미치는 영향은 매우 큼을 볼 때, 건물 에너지 절약을 위해서는 단열성능 강화가 필수적이다. 이에 따라 국가에서는 가정 및 상업 부분에서 26.9% 온실가스 감축률을 확정하였고, 이행계획으로 단열강화를 강조하며 단계적 단열강화 로드맵을 발표한 바 있다. 하지만, 국내 건물 외피 단열 규정에서는 실내외 방향으로 1차원 열전달을 가정하여 열교가 없는 이상적인 상태로 계산된 부위별 열관류율 혹은 단열재 두께 준수만을 요구하고 있어, 여러 열교부위로 인한 추가적인 열손실은 전혀 고려되고 있지 않은 실정이다. 이로 인해 실제 건물의 단열성능은 단열 규정에서 정하고 있는 단열성능과는 상당한 차이가 있게 된다. 건물에서 외피는 그 유형에 따라 시공방식 및 단열재가 불연속되거나 관통되는 열적 취약부위 등이 많이 달라져, 동일 단열재를 설치한다고 하더라도 실제 단열성능은 외피 유형에 따라 달라진다. 따라서 건물 외피 유형별로 발생하게 되는 열교부위에 대한 정확한 인식 및 방지대책과 열교 영향을 포함한 외피 단열성능에 대한 종합적인 평가를 통해, 적정 단열성능을 확보하는 것이 필요하다. 이미 국외 다수 국가들은 건물 외피 단열성능 평가 시 건물 외피 유형별로 발생하는 열교부위를 고려하고 있으며, 열교를 고려한 단열성능 규정을 통해 건물 외피의 성능 확보를 위해 노력하고 있다. 이에 본 연구에서는 국내외 건물 외피 단열 규정을 조사하고 상호 비교함으로써, 국내 규정의 한계를 파악해 보고자 하였다. 또한 국내 건물의 외피 유형을 대상으로 열교가 실제 건물 외피의 단열성능에 미치는 영향을 평가하여, 열교의 영향을 반영할 수 있는 건물 외피 단열성능 규정 개선의 필요성을 검토해 보고자 하였다. (1) 건물 외피의 열교와 관련한 국내외 기존 연구 및 열교의 영향을 반영한 건물 외피의 단열성능 관련 표준을 고찰하였다. 건물 외피 열교와 관련한 기존 연구로는 열교 영향분석, 열교부위 전열평가 방법 또는 열교 영향을 고려한 외피의 단열성능 평가방법 등과 관련한 연구가 주로 많이 수행되었다. 열교의 영향을 반영한 건물 외피 단열성능 계산법과 관련한 표준에는 ISO 10211, ISO 14683, ISO 13790, BS EN ISO 6946, EN 13947 등이 있으며, 국제 표준 기구에서는 오래 전 부터 열교 부위의 단열성능을 평가할 수 있는 지표로 선형 열관류율(Linear Thermal Transmittance)을 제시해 왔고, 선형 열관류율 계산 방법 및 이를 활용한 열교 부위의 전열량 계산, 대표적인 열교 유형별 선형 열관류율 값 등을 제시해 왔다. (2) 국외 다수 국가들은 건물 외피 단열성능 평가 시 열교부위를 고려하고 있으며, 몇몇 국가들은 열교와 관련한 사항을 법적으로 규정하고 있다. 이에 국내 및 국외 각 국가들은 어떠한 방식으로 건물 외피의 단열성능을 규정하고 있는지 현황을 파악해보고, 국내 건물의 외피 단열성능 평가 방법과 비교해 보고자 하였다. 미국, 영국, 독일, 덴마크, 뉴질랜드의 건물 외피 단열 규정을 조사한 결과, 열교 발생 수준이나 열용량 등이 달라지는 외피 유형별로 열관류율 요구수준을 달리하고 평가방법을 별도로 제시하거나, 열교부위의 선형 열관류율 요구수준 및 평가방법, 참고 단열상세 등을 제시하고 건물 전체 에너지성능 평가 시 반영하게 하는 등의 방법으로 열교 영향을 고려해 주고 있었다. 반면, 국내의 경우 건물 외피 단열성능 평가 시 단순히 실내∙외 방향으로의 1차원 열전달을 가정한 구조체 부위별 열관류율이나 단열재 적용 두께만을 규정하고 있고, 열교에 대한 영향을 반영한 규정은 없으며, 열교 제거를 위한 구체적인 방안도 전혀 없는 실정이다. (3) 열교가 실제 건물 외피의 단열성능에 미치는 영향을 평가를 위해, 국내 건물의 외피 유형을 분류하여 각 외피 유형별로 발생하는 모든 열교부위에 의한 외피의 단열성능 저하 수준을 파악해 보았다. 이를 위해 3차원 정상상태 전열해석 프로그램인 Physibel Trisco 12.0을 이용하였으며, 에너지 성능 측면을 고려하여 단열성능을 평가하였다. 평가 대상은 페인트 외장(내단열) 콘크리트 외벽, 석재 외장(내단열) 콘크리트 외벽, 메탈시트 외장(외단열) 콘크리트 외벽, 석재 외장 스틸 트러스 커튼월 외벽, 메탈시트 외장 스틸 트러스 커튼월 외벽으로 총 5가지로 나누어 평가하였다. 외피 유형별로 실제와 동일하게 모든 열교부위를 포함한 경우(Case1)와 건물 단열설계 기준의 요구 단열성능 만족 여부 평가 시 적용되는 열교가 전혀 없는 이상적인 경우(Case2) 각각에 대해 3차원 전열해석을 실시하여, 열교부위에 의한 전체적인 단열성능 저하 수준을 파악해 본 결과, 실제 시공 시와 동일하게 모든 열교부위를 포함하는 경우 다섯 개 외피 유형의 유효 열관류율(Case1)은 0.329~0.848W/m2K로 Case2 대비 23.7~218.8%나 크게 나타나 열교로 인한 단열성능 저하가 상당함을 확인할 수 있었다. 따라서 현행 건물 단열설계 기준에서와 같이 열교가 전혀 없는 것으로 가정하여 계산되는 열관류율로 건물 외피의 요구 단열성능 만족 여부를 평가할 경우, 설계 단열성능을 전혀 확보할 수 없고, 이를 방지하기 위해서는 건물 외피 단열성능 규정 보완이 반드시 필요함을 확인하였다.;In Korea, the domestic energy consumption in the building sector in 2008 accounted for 22.2% of the country’s total energy consumption. Since 2008, there has been a growing trend in the energy consumed in this sector. The thermal insulation performance of a building envelope has a significant influence on the total building energy consumption. Therefore, when aiming to reduce building energy consumption, it is essential to enhance thermal insulation performance and remove thermal bridges that degrade the local thermal insulation performance of a building envelope. In Korea, thermal transmittance calculations are performed to determine whether the building insulation meets the required insulation performance. These calculations assume that there is only one-dimensional heat transfer and that there are no thermal bridges in the Code for Energy-efficient Building Design. However, there is actually additional heat transfer through the thermal bridges. Thus, the thermal insulation performance of the actual building is quite different from the thermal transmittance prescribed by the code. For example, in the United States building insulation standards, i.e., ASHRAE Standard 90.1-2013, the exterior wall type is classified into the mass, metal building and steel framed, and the required insulation performance of metal building and steel framed exterior wall is much higher than the mass exterior wall. In Korea, the green building certification system (G-SEED) reinforces the demand to remove thermal bridges; however, since the area of a exterior insulation and finish system on the building envelope is only evaluated, the criteria for determining the influence of thermal bridges are insufficient. Therefore, to ensure better thermal performance, it is necessary to complement the existing design criteria, e.g., by employing the criteria used in the United States. The aim of this study was to consider the necessity of korea building envelope insulation performance regulation reflecting the influence of thermal bridges. For this, three dimensional steady-state heat transfer simulation was performed to analyze the influence of thermal bridging effects on the building envelope insulation performance in terms of the energy performance. And Korea and many foreign countries regulation about the building envelope insulation performance was reviewed.