건물 외피의 U-value 현장 측정 방법 연구

Abstract

현재 한국의 에너지 소비구조 중 25%가 건물에너지로 사용되고 있다. 한국 정부에서도 건물 분야에서의 에너지 절감 및 온실가스 감축을 위한 다양한 정책을 시행하고 있다. 하지만 대부분의 정책 방향성은 신축 건물 대상으로 국한되는 내용으로 시행되고 있으며 기존에 구축된 건물 부문에서의 에너지를 절감할 수 있는 범위가 제한되어있다. 2012/27/EU의 지침에서는 건물 에너지 부문에서 에너지 절약을 위한 가장 큰 잠재력을 가지고 있는 부문이 기존에 구축된 건물이라고 명시되어 있다. 이 지침에서는 신축 건물보다 기존에 구축된 건물에서의 에너지 절감을 통해 C〇2 배출 감축 노력이 필요하다고 설명하고 있다. 실제로 현재 건물 에너지 사용량 중에서 약 18% 이상 차지하고 있는 기존 건물에서의 에너지 절감이 절실히 요구되고 있다. 특히 에너지 손실이 많이 발생하는 기존 건물에서의 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 방안이 요구되고 있다. 기존 건물의 에너지 효율은 리트로핏을 통해 향상시킬 수 있다. 리트로핏을 수행하기에 앞서 현재 기존 건물이 가지고 있는 에너지 성능을 분석하는 사전 단계가 필요하다. 이를 위해 기존 건물의 외피 U-value를 측정하여 현재 에너지 성능을 분석해야 한다. 리트로핏 설계 단계에서 건물의 에너지 요구 사항을 계산할 때 가장 중요한 매개 변수 중 하나가 건물 외피를 통해 손실되는 값이다. 그러나 대부분 건물 설계단계에서의 데이터 또는 법적 기준 대비 경년변화율을 적용한 추정값을 산정하여 기존 건물의 U-value를 파악하고 있다. 그렇기 때문에 실제로 추정 값 혹은 이론상의 U-value는 실제 측정값과 차이가 발생한다. 이러한 측정 결과는 건물의 에너지 성능을 과대평가할 수 있는 요소이며, 기존 건물 외피의 U-value를 현장에서 측정하는 방법이 매우 중요하다. 본 연구에서는 기존의 건물 외피 U-value를 현장에서 측정하는 방법들(ISO 9869-1:2014의 HFM법[Heat Flow Meter], ISO 6946의 Calculation법, ISO 9869-2의 IR법[Infrared camera])과 선행 연구에서의 문제점 및 단점을 극복할 수 있는 건물 외피 U-value 현장 측정 방법인 ASTR(Air-Surface Temperature Ratio)법을 제안하였다. ASTR 현장 측정 방법은 다른 현장 측정 방법들에 비해 건물 외피의 U-value를 간단하고 신속하게 측정할 수 있다. 본 연구에서는 다양한 실험을 통해 ASTR법의 측정 원리 및 측정 가설을 증명하였으며 ASTR법의 적용성에 대해 검토하였다. 또한 ASTR법의 측정 상대 오차율을 통해 측정 오차 발생 원인을 분석하고 측정 정확도에 영향을 미치는 요인들을 분석하였다. ASTR법의 측정 상대 오차율 및 측정 정확도는 ISO 9869-1의 HFM 법과 비교하여 분석하였다. 마지막으로 실제 건물에 ASTR법을 적용하여 건물 외피의 U-value를 측정하여 U-value가 가장 취약한 부분을 정량적으로 분석하고 리트로핏 작업을 수행하였다. 이에 현장에서 측정된 결과값과 준공 당시 법적 설계값과의 비교하여 벽체의 U-value 저하율을 분석하였으며 리트로핏 전·후에 따른 건물 외피 U-value 향상율을 분석하였다. 그리고 ISO 13790 에너지해석 프로세스를 적용하여 연간 난방 에너지 요구량 및 절감 비율을 산출하여 리트로핏 개선 효과에 대해 분석하였다.

(1) ASTR(Air Surface Temperature Ratio) 측정 방법 가설 증명

본 연구에서는 수치 모델과 현장 실험을 통해 ASTR법의 측정 원리 및 이론 가설을 증명하였다. 그리고 실내·외 온도가 일정하고 열 흐름이 한 방향으로 일정하게 흐르는 준 정상 상태 측정 조건을 만족할 경우 대류와 복사에 의한 단위면적당 열전달량과 전도에 의한 열류밀도가 동일하다는 것을 증명할 수 있었다. 이를 통해 실내 표면 종합 열절달계수를 적용하여 건물 외피의 U-value를 현장에서 측정 할 수 있는 ASTR법의 가능성에 대해 분석하였다. (2) ASTR법의 적용성 검토

ASTR법의 적용성 검토를 위해 실내․외 온·습도를 일정하게 유지할 수 있는 실험 챔버를 구축하여 실험을 수행하였다. 기존의 현장 측정 방법인 ISO 9869-1:2014의 HFM법과 본 연구에서 제안한 ASTR법을 통해 챔버의 외피 U-value 측정하고 측정 결과들을 비교하여 측정 상대 오차율과 측정 정확도에 대해 분석하였다. 다음으로 KS F 2278의 규격이 적용된 창호 단열성능 시험 챔버에서 창호의 U-value를 측정한 결과값과 ASTR법을 통해 측정된 결과값을 비교하여 창호의 U-value 측정 상대 오차율과 측정 정확도에 대해 분석하였다. 실험 챔버에서 수행한 첫 번째 시험으로는 실내 표면 종합 열전달계수 기준에 따른 벽체 U-value를 분석하였으며, 두 번째 실험은 실외 온도 변화에 따른 측정 결과를 분석하여 측정 오차 원인에 대해 분석하였다. 세 번째 실험으로는 계절별로 챔버 벽체 U-value를 측정하여 실내·외 온도차가 측정 정확도에 어떠한 영향을 미치는지에 대해 분석하였다. 마지막 실험으로는 센서 측정 위치에 따른 측정 결과를 분석하여 측정 적정 위치 선정 방법에 대해 검토하였다. 다음으로는 창호의 U-value 측정 적용성 검토를 위해 창호 단열 성능 실험 챔버에서 측정하였다. 첫 번째 실험은 IR 카메라를 사용하여 측정한 ASTR_IR법(Infrared)과 온도 센서를 통해 측정한 ASTR_OP(One-point)법을 비교 분석하여 창호 측정 방법론에 따른 측정 상대 오차율 및 측정 정확도를 분석하였다. 두 번째 시험은 벽체 실험과 동일하게 실내 측 표면 종합 열전달계수 기준에 따른 창호 U-value 결과를 분석하였다. 이를 통해 측정 정확도에 기여하는 요인에 대해 분석하였으며 ASTR법의 적용성에 대해 검토하였다.

(3) ASTR법 정확도 기여 요인 분석

본 연구에서는 ASTR법의 측정 정확도 기여 요인에 대해 분석하였으며 측정 상대 오차율을 줄이고 정확도를 향상시키기 위한 방안에 대해 분석하였다. 먼저 측정 정확도 기여 요인 분석 결과 실내 측 표면 종합 열전달계수가 ASTR법의 측정 정확도에 가장 큰 영향 미치는 것으로 분석되었다. 이에 국내 주택의 대표적인 난방 방식인 바닥 복사 난방 시스템이 적용되어 있는 건물에 적합한 실내 측 표면 종합 열전달계수의 필요성에 대해 서술하였다. 두 번째로 실외 온도가 일정하지 않는 조건일 경우 측정 정확도가 저하되는 현상이 발견되었으며 ASTR법의 측정 불확도를 높이는 유의한 요인으로 분석 되었다. 그리고 계절 별 측정 결과 ASTR법의 현장 측정은 실내·외 온도차가 약 10 ˚C 이상 차이가 나는 기간(늦은 가을 및 동절기)에 수행하는 것이 가장 적합한 것으로 분석되었다. 마지막으로 측정 포인트에 따른 측정 결과 1.2 m 지점에 설치할 경우 유효한 U-value를 취득할 수 있는 것으로 분석되었다. 다음으로는 측정 정확도 기여 요인 분석을 통해 측정 상대 오차율을 줄이고 측정 정확도를 향상시키기 위한 방안에 대해 분석하였다. ASTR법의 측정 정확도를 향상시키기 위한 첫 번째 방안으로 국내 주거 건물 난방 방식인 바닥 복사 난방 방식에 부합되는 열전달계수를 재산출하여 측정 정확도를 향상시켰다. 두 번째 방안으로는 준 정상 상태의 측정 조건 구축 작업(일정한 실내 온도 제어)을 통해 측정 정확도를 향상시켰다. 이는 외기 온도의 변화 폭이 1 ˚C 미만인 날을 대상으로 측정하는 것이 중요하며 이 기간에 건물 외피 U-value의 유효한 결과값을 얻을 수 있었다. 마지막으로 ASTR법의 측정 조건인 실내 온도(20 ˚C 유지), 실외 온도 변화 폭(1 ˚C 미만)이 매우 작은 준 정상 상태 구간의 데이터를 추출하여 분석한 결과 ASTR법의 측정 정확도를 향상 시킬 수 있었다. 본 ASTR법의 측정 정확도를 향상 시킬 수 있는 방안들을 적용하여 ASTR법의 단기간 측정 가능성에 대해 분석하였다. 먼저 HFM법을 사용하여 장기간에 걸쳐 측정한 U-value와 단기간에 ASTR법을 사용하여 측정한 U-value와 비교·분석하였다. 결론적으로 위의 측정 정확도를 향상시키는 방안들을 ASTR법에 반영할 경우 하루 동안 측정한 결과만으로도 유효한 벽체 U-value가 도출되었다.

(4) ASTR법에 의한 외피 U-value 현장 검증

본 연구에서는 ASTR법을 적용하여 15개의 기존 주택 외피의 U-value를 정량적으로 측정하여 분석하였다. ASTR법을 통해 현장 검증 대상 주택 외피의 규범적인 U-value를 정확하고 신속하게 측정할 수 있었다. 또한 정량적으로 측정된 외피 U-value 측정 결과를 통해 실제 현장 검증 주택에 외피 리트로핏 작업을 수행하였다. 이를 통해 리트로핏 전·후의 에너지 효율 개선 효과 및 ISO 13790을 통해 난방 에너지 요구량 및 절감량에 대해 분석하였다.

본 연구에서는 ASTR법의 현장 측정법의 다양한 실험과 검증 작업을 통해 측정 정확도 및 신뢰성을 확보할 수 있었으며 현장에서 건물 외피의 U-value를 신속하게 측정할 수 있음을 검증하였다. 이를 통해 본 ASTR법을 건물 외피의 U-value를 측정할 수 있는 측정법으로 제안하고자 한다.