패시브하우스 건축계획 요소의 이해

국내에서는 최근 들어 패시브하우스가 적극적으로 보 급되기 시작하였으며, 주택을 비롯하여 업무시설 등 약 15여 채의 패시브하우스가 완공되었다. 아직 시작단계 에 불과하지만 국내에서도 패시브하우스의 보급은 더 욱더 활성화될 것이다. 그 움직임으로 한국패시브건축 협회의 발족과 더불어 지속적인 보급을 위한 협회 교육 등이 이루어지고 있다.

유럽에서 보편화되고 국내에서도 적극적으로 도입되고 있는 패시브하우스는 일반적으로 난방을 위한 설비없 이 겨울을 지낼 수 있는 건축물을 말한다. 건물 내부 에서 발생하는 열(태양빛, 사람의 인체열, 조명기기, 기 계의 발열 등)을 가두어 난방을 하는 개념의 건축물 인 것이다.

이런 패시브하우스가 되기 위해서는 고단열, 고기밀, 고성능창호, 외부차양, 열교환환기장치의 기술이 적용 되어진다. 2회에 걸쳐 소개될 내용은 앞서 언급한 패시

Trend Report

패시브하우스

건축계획 요소의 이해

최초 패시브하우스의 아이디어는 1988년 Prof. bo Adamson (Lund 대학, 스웨덴)와 현재 독일의 패시브하우스 연

구소 소장인 Dr. Wolfgang Feist에 의해서 계획되어 졌으며, 이후 독일 헤센(Hessen)주 경제부의 지원하에 1991

년 Prof. Bott / Ridder / Westermeyer의 설계로 독일의 Darmstadt 북쪽의 Kranichstein에 최초로 완공되었

다. 그 이후 Wuestenrot-Stiftung와 헤센주 환경처의 지원아래 여러분야의 검사와 측정이 이루어 짐으로써 실현

되어 졌으며, 그 후 독일에 약 13,000여채의 패시브하우스가 보급되었고, 여러 용도(주택, 학교, 사무실, 기숙사 등)

에 적용되며 발전하고 있다.

2011 May + Jun 55

■ 패시브하우스의 건축계획 요소

패시브하우스라고 특별한 건축계획 요소가 있는 것은 아니다. 패시브하우스는 일반적인 건축물과 동일한 건축계획 요소가 동일하게 적용되나 특히 주의하는 요소들이 있을 뿐이다. 패시브하우스의 기본 개념인 내 부의 열을 최대한 효율적으로 가두는 것이 힌트가 된다.

패시브하우스에서 가장 중요시 될 사항은 건물의 향으로 햇빛에서 얻을 수 있는 열이 무척 크기 때문에 취 득과 손실의 상관관계에 있어서 향이 절대적인 요소를 차지하기 때문이다. 다행인 것은 국내의 정서상 향 의 고려가 이미 중요한 인자(남향배치)로 작용되고 있었다는 점이다.

또한 외기와 접하는 면적을 최소화하는 것이 열손실을 막는데 중요한 인자로 작용하므로 되도록 단순한 형태를 지향하는 것이 좋다. 그렇기 때문에 평면의 면적대비 외기에 접하는 입면적의 비율(AV값)이 최소 화되도록 형태계획을 한다.

★ 다음의 예는 심플한 주택이 얼마나 에너지를 더 절약하느냐에 대한 계산 값이다. 둘 다 평면의 면적은 동일한 100

㎡ 이며, A주택은 평면적대 입면적의 비(AV값)가 1.43, B주택은 AV값이 1.63이다.(수치가 낮을수록 단순한 형태임)

<Darmstadt 패시브하우스>

각각 주택모형의 난방에너지요구량 계산을 해보면 다음과 같다. 단열과 환기조건 등은 모두 현행 건축관 련법에 적합한 것으로 하였고 해석프로그램은 CE3™를 사용하였다.

A주택 결과 : 14.9리터 주택

B주택 결과 : 16.3리터 주택

결과만 본다면 A주택은 년간 1㎡당 14.9 리터로 나왔고, B주택은 16.3 리터로 계산되었다.

결과적으로 약 1.4리터 차이이다. 이 정도 차이면 사실 아무런 차이가 없다고 말할 수 도 있다. 그러나 패시 브로 가기위해 단열을 강화할 경우 이야기는 달라진다. 또한 100㎡이면 1년에 140 리터 차이이다.

단열조건을 패시브하우스에서 권고하는 수준까지 맞추면 B주택은 결코 도달할 수 없는 수치에 다다르게 된다. 즉, 한계점이 일찍 발생한다는 이야기이다.

- 건축물에서 외피의 면적이 곧 에너지 손실과 직결된다.

사실 B주택의 평면만 하더라도 매우 간결한 형태 축에 속한다. 아래는 흔히 전원주택으로 디자인되는 평

합계 1월 2월 3월 4월 5월 6월 7월 8월 9월 10월 11월 12월

난방에너지

요구량

14,907,468 3,748,785 2,883,875 1,984.77 688,733 54.36 0 0 0 0 392,149 1,958.311 3,196.,485

단위면적당

요구량

^{149.075 37.488 28.839 19.848 6.887 0.544 0 0 0 0 3.921 19.583 31.965}

합계 1월 2월 3월 4월 5월 6월 7월 8월 9월 10월 11월 12월

난방에너지

요구량

16,353.407 4,162.317 3,168.333 2,164.548 691,639 45,169 0 0 0 0 410.124 2,160.919 3,550.358

단위면적당

요구량

^{163.534 41.623 31.683 21.645 6.916 0.452 0 0 0 0 4.101 21.609 35.504}

A

AV=1.48

B

AV=1.63

2011 May + Jun 57

라는 말의 의미는 현실적인 범위 내에서의 단열을 뜻한다. 주택에 단열재를 1미터두께로 할 수는 없는 노 릇이다.)

C주택의 단열과 기밀성능을 독일의 패시브하우스 단열기준까지 올린 후 다시 계산 해보면 (열관류율조 건 - 벽체:0.15W/㎡k, 지붕:0.11W/㎡k, 창호:0.8W/㎡k, 기밀성능 - 50Pa, 0.6회/h) 결과는 약 3.9리터 주택으로 나타난다. (외부 차양의 조건에 따라 결과가 다소 변동할 수 있다.)

즉, 바닥면적 대비 외피의 면적이 과다할 경우 패시브주택 기준에 맞춘 단열을 하더라도 기준이 되는 1.5리 터에 도달하지 않는다. 그러므로 단열만 고도로 강화한다고 해서 패시브주택이 될 수 없는 이유가 바로 여 기에 있는 것이다. (C주택은 북향의 창도 무척 크다)

C주택과 B주택의 난방성능의 차이는 약 15% 정도 차이가 난다. 또한 외벽면적의 차이(AV값)로 인해 C주 택 대비 B주택의 공사비가 더 저렴하다. 두 주택 외벽 면적의 차이가 약 30㎡ 이므로, 구조체와 내외부 마 감재를 비용으로 환산하면 큰 금액 차이가 날 수도 있다. (C주택의 AV값은 1.94이다) 이렇기 때문에 주택 에서 평당 공사비라는 것은 참 부질없다.

결론은 명백하다. 공사비를 비싸게 치르고도 더 춥게 살 것인가?

합계 1월 2월 3월 4월 5월 6월 7월 8월 9월 10월 11월 12월

난방에너지

요구량

18,142.413 4,717.069 3,534.938 2,385.243 682,705 36.601 0 0 0 0 369.351 2,396.82 4,019.686

단위면적당

요구량

^{181.424 47.171 35.349 23.852 6.827 0.366 0 0 0 0 3,694 23,968 40,197}

합계 1월 2월 3월 4월 5월 6월 7월 8월 9월 10월 11월 12월

난방에너지

요구량

3,895.159 1,224.551 769.626 376.253 35.711 0 0 0 0 0 12.117 458.757 1,018.144

단위면적당

요구량

^{38,952 12.246 7.696 3.763 0.357 0 0 0 0 0 0.121 4.588 10.181}

■ 패시브하우스의 단열

패시브건축물에 있어서 중요인자 중 하나는 물론 단열이다. 그러나 이 원칙은 다른 모든 건축물도 마찬가 지이다. 패시브건축물은 이것을 정밀하게 정량화했을 뿐이다. 패시브하우스에 관하여 흔히 잘못 알려진 오 해는 단열만 충분히 하면 패시브가 되는 듯 생각하는 것이다. 패시브하우스가 단열을 강화하는 것은 맞지 만, 단열을 강화한다고 패시브가 되는 것은 아니다. 대게 여기서 일반화의 오류가 벌어진다.

겨울에는 두꺼운 옷을 입어야 한다. 건물에서의 단열도 마찬가지 개념이다. 한겨울에 얇은 옷만 걸친 채 안 에다 발열내의를 입고 다는 것이 얼마나 낭비인가를 생각해 보면 결론은 단순하다. 옷은 버릴 때까지 계 속 입을 수 있다.

문제는 국내에서 건물이 입고 있는 옷이 과연 두꺼운 옷인지 얇은 옷인지 알 도리가 없다는데 있는 것이다.

건축법에서 정한 단열재의 두께가 절대 치수인 것처럼 생각하고 계시는 분들이 많은데, 대게 모든 법이란 것이 그렇듯이 최소한의 기준을 정해 놓은 것 뿐이다.

즉. 법에서 정한 단열은 그 이하 치수로 할 경우 문제가 되기 때문에 하한선을 정해 놓은 것 뿐이다. 당연 히 그 이상의 두께를 반영해야 따뜻한 집이 되는 것이다.

패시브하우스의 단열에 대한 독일 PHI의 규정은 우리나라 건축법의 단열규정에 비해 약 3배정도 강화되 어져 있다. 즉 국내 중부지방의 단열규정이 비드법보온판1호 기준으로 75mm 라고 한다면 패시브하우스 는 약 200mm 이상의 비드법1호 단열재를 써야 한다. 그러나 이 수치는 절대수치가 아니다. 앞서 이야기를 했듯이 건물의 형태나 지역에 따라 그 수치는 가변적이다.

즉, 바닥면적에 따른 외벽면적의 비율이 커질수록 동일한 단열이라 할지라도 열손실이 많아지게 되며, 또 한 동일한 형태, 동일한 단열이라 할지라도 지역의 표준 기상데이터에 따라 그 열손실 정도가 다르다는 뜻 이다. 패시브하우스의 핵심이 바로 이것이다.

■ 단열재 종류별 검토사항

1. 비드법 단열재

통상 EPS로 통용되는 단열재로써 스티로폼은 특정회사의 상호명이므로 도면에는 비드법단열재 혹은 EPS 단열재로 기재되어야 한다. 비드법 단열재는 그 밀도에 따라 등급을 구분할 수 있으며 통상 30kg/㎥이 가 장 단단하며 열전도특성도 가장 뛰어나다. 비드법 단열재의 장점은 현장에서 절단 등의 가공이 쉽다는데 있으며 시공방법에 따른 단열성능의 오차가 적다는데 있다. 단점은 열에 취약하고 화재 시 인체에 해로운 가스를 발생시킬 수 있으므로 내단열재로의 사용은 피해야 한다. 주의점은 흡수율이 약 2~4%대로 상대적 으로 흡수율이 높으며, 이에 따라 단열성이 급격히 저하될 수 있으므로 직접 물에 닿는 부위에 시공은 불 가하다. 그러므로 주로 지상층 외벽에 적용 되어야 한다.

2011 May + Jun 59

통상 XPS라고 불리며, 아이소핑크 역시 특정 회사의 상표이므로 도면표기 시 주의하여야 한다. 여타의 특 징은 비드법 단열재와 같으나 통상적으로 흡수율이 거의 없다. 그러므로 직접 물에 닿는 부위에 적용하여 도 단열성능을 보장받을 수 있으므로 지하층 외벽에 적용이 가능하다.

통상의 경우 동일한 밀도의 비드법 보온판보다 단열성능이 높다. 그래서 벽체두께를 줄이거나 동일한 두 께로 단열성능을 더 신경쓰는 건축주의 경우 비용이 더 들어라도 압출법 보온판으로 외벽의 단열을 원하 거나 설계에 반영하는 경우가 있다.

그러나 압출법 보온판에서 한가지 매우 중요한 사실이 있다. 압출법 보온판은 시간이 경과하면 단열성능 이 떨어진다는 것이다. (이를 경시효과라고 한다)

위 그림에서 보다시피 압출법보온판1호 두께 50mm 로 335일 동안 시험을 한 결과 약 60일이 경과를 한 시점에서 법이 정한 단열성능 이하로 떨어지는 것으로 실험되었다. 압출법보온판은 셀 속의 기체가 아주 서서히 빠져나가면서 단열성능이 떨어지는 것이다.

같은 논문에서 압출법보온판 특호의 경우는 하강속도가 조금 덜한 것으로 실험되었지만 결국 성능이 법적 성능 이하로 떨어지는 것은 동일하다. 특호의 경우 약150일이 경과하면 법적 성능 이하로 떨어지는 것으로 실험되었다. 동일한 논문에서 비드법보온판과 글라스울을 동일한 조건, 동일한 기간 동안 실험을 했는데 두 제품은 시간경과에 따른 단열성능에 변화가 없는 것으로 실험되었다.

3. 열반사단열재

열반사단열재는 특수단열재이다. 이는 열전달의 세가지(복사, 전도, 대류) 중에서 복사열만을 막는데 쓰이 는 것이다. 열반사단열재의 경우는 시험성적서의 확인 이외에도 열반사단열재의 작용원리를 충분히 이해

<출처 : 이승언,강재식,정영선,최현중, 환경 및 시간경과에 따른 건축용 단열재의 열전도율 변화에 관한 실험적 연구, 대한건축학회논문집 19권 12호, 2003년 12월>

2.6 2.4 2.2 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0

Th er m a R es is ta nc e [ ㎡ K /W]

1 10 100 1000

압출법 폴리스티렌 [1호] 유리창측 압출법 폴리스티렌 [1호] 벽체측

KS 1호 ―― 선형 (KS 1호)

하고 적용해야 한다. 세가지 열전달 중에 복사열만 대응하는데, 복사열조차 제대로 막지 못한다면 한 장의 얇은 스폰지에 불과하기 때문이다.

대부분의 열반사단열재는 여타의 부피단열재처럼 여러 겹을 겹쳐 사용한다고 하여 그 특성이 배가 되는 것 이 아니다. 두 장이든 세 장이든 복사열의 차단성능은 거의 변하지 않는다. (물론 각 열반사단열재의 단면 형상에 따라 단열성능이 조금씩 올라갈 수도 있다. 하지만 이 역시 겹쳐진 장

수에 정비례하지는 않는다)

이는 복사열을 차단하고자 하는 목적으로 개발된 열반사단열재의 특성상 단열 재표면과 외장재 사이에 일정 폭 이상의 중공층이 존재해야 하기 때문이며 중 공층의 두께는 각 열반사단열재 회사별로 지니고 있는 특기 시방서을 확인하여 설계에 반영되어야 한다. (통상적으로 25mm 이상)

우리가 쉽게 범하는 실수는 <사진1>과 같이 콘트리트 면에 열반사단열재를 붙

이고 조적도 깔끔하게 공간 없이 붙여버린 경우이다. 시공성은 좋겠지만 단열의 효과는 없다. 앞서 언급한 대로 단열성능은 전혀 기대할 수 없으며 단지 5mm 스폰지를 넣은 것과 같을 뿐이다.

<그림1>처럼 바닥 슬라브와 온돌사이에 열반사단열재를 넣는 것도 무의미하다.

또한 대부분의 열반사단열재의 경우 투습이 전혀 되지 않는 구조로 되어 있으므로 통기성이 요구되는 부위 에 사용할 경우 내부 습기가 배출되지 않아 문제가 발생될 수 있으므로 주의하여야 한다.

또한 스터드 등에 의해 표면에 직접 부재가 닿을 경우 단열 성능을 거의 기대할 수 없으므로 부분 결로에 의한 곰팡이 발생 우려가 있으므로 주의하여야 한다.

<사진1> 잘못 시공된 열반사단열재 사례 <그림1>

<출처 : 송승영, 대한건축학회논문집 계획편 제25권 제6호, 2009년 6월>

되어 있는 것을 볼 수 있다.

열반사 단열재는 외장재료의 선정에도 숙고를 해야 하는데 이는 열반사단열재는 표면이 오염되면, 오염된 부분의 반사율이 떨어지며 그에 따라 단열성능도 저하되기 때문이다.

결론적으로 열반사단열재만으로는 패시브하우스에 서 요구하는 열관류율 값을 맞출 수 없기 때문에 타 단열재와 혼용해서 사용해야 한다.

마지막으로 열반사단열재에 대해 고려할 사항은 표 면의 반사 정도가 곧 반사율을 나타내지 않는다는 것이다. 열반사단열재는 장파(자외선)에 대한 반사 율을 고려해야 하기 때문에 가시광선의 반사율은 큰 의미가 없다. 즉, 표면의 반사도가 높아 보이는 것과 실제 복사열의 반사기능과는 등가관계가 아니라는 뜻이다. 육안으로 보이는 표면의 반사가 척도가 된다면 최고의 단열재는 거울이 되어야 한다.

■ 열교(Heat Bridge)

열교에 관하여서는 인터넷에서도 많은 글을 만날 수 있으므로 특별히 언급을 길게 할 필요는 없을 듯 하 다. 단열을 아무리 두껍게 해도 열교부위가 많으면 아무 소용이 없게 되고, 오히려 아이러니하게도 단열이 강화될수록 열교는 큰 문제가 될 수 있다. 열교는 건물의 내구성 및 재실자의 환경에 큰 영향을 주기 때문 에 한번쯤은 꼭 언급해야 한다.

겨울에 실내에서 발생하는 벽면 곰팡이발생의 원인인 결로(이슬맺힘)현상은 단열을 강화하면 줄어드는데, 결로가 준다고 해서 실내습기가 어디 가는 것이 아니므로 단열이 강화된 실내에 열교부위가 있다면 그 곳 이 습기의 주 공격 대상이 되어서 부분적 결로가 더 심하게 된다. 물론 에너지손실도 막대함은 물론이다.

현재 우리나라의 공동주택의 경우는 내단열을 사용하게 됨으로써 필연적으로 열교를 피할 수 없게 된다.

실제로 우리나라 공동주택을 리모델링하려고 내단열재를 뜯었을 때 단열재와 구조체 사이에 무수히 많게 곰팡이가 핀 것을 어렵지 않게 볼 수 있다.

그러한 이유로 패시브하우스에서는 열교부위를 막기 위한 디테일을 무엇보다 중요하게 생각할 수밖에 없 다. 대개의 경우 내단열만 열교가 문제가 되는 것처럼 이야기를 하는데 불행하게도 외단열도 열교로부터 완전히 자유롭지는 못하다. 아래 그림은 내단열과 외단열 공히 대표적인 열교부위를 나타낸 것이다.

왼쪽의 열교부위를 보면 우리가 얼마나 현재 열교에 대한 고민없이 건물을 짓고 있는지 알 수가 있다. 열 교는 건물과 사람 모두의 건강과 직결되며, 마지막으로 주택에서의 결로부위와 그로 인한 곰팡이균의 사 진을 끝으로 글을 맺고자 한다.

건강한 주택은 뜬구름 잡는 말로 이루어지는 것이 아니다. 더욱이 패시브하우스는 기 초적 지식으로 이루어진 세밀한 계획과 그 실천방안이 수립되어야 실현될 수 있는 것 이다.

2011 May + Jun 61

<출처 : BINE informationsdienst>