[강원권_그린 매거진] 제로에너지빌딩 적용기술

[강원권_그린 매거진] 제로에너지빌딩 적용기술 - 자연환기에 대해 알아보자!

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by 강원 그린리모델링 기자단 김성수 2021. 7. 30. 17:24

[강원권_그린 매거진] 제로에너지빌딩 적용기술 – 자연환기에 대해 알아보자!

1. 자연환기란

자연에너지인 바람의 통로를 설계하고 공기의 압력차이를 활용하여 실내 공기가 실외 공기와 교환되도록 유도하는 기술이다. 외부의 신선한 공기를 이용한 실내 공기질 개선과 에어컨과 같은 냉방 장치를 사용하지 않고 자연 냉방효과를 갖는 것이 주요 목적이다. 자연환기는 주로 시설 내외부의 압력 차이로 인하여 발생하는 풍력환기와 온도 차이에 의한 부력으로 발생하는 중력환기로 구분할 수 있다.

2. 기술의 원리 및 적용방법

바깥의 시운한 공기(상대적으로 무거운 공기)의 유입을 위해서는 아래쪽에 개구부를 위치시키고, 실내의 더운 공기(상대적으로 가벼운 공기)의 배출을 위해 배출구는 벽 상단이나 천장 쪽으로 설치하는 것이 유리하다. 바람이 불어오는 방향과 풍속, 개구부의 위치와 크기, 형상에 따라 자연환기의 효율성이 다르기 때문에 건물의 형상을 바탕으로 한 효과적인 자연환기 계획이 필요하다.

공간 특성에 맞는 환기방식과 개폐 방법, 개폐 면적 등의 고려가 필요하다. 예를 들어 ① 개구부와 배출구의 크기를 다르게 하여 큰 압력 차이를 유도, ② 개구부를 한 면에만 위치시키는 경우, 개구부 높이를 조절하여 자연환기 도입 성능을 조절, ③ 똑같은 개폐면적을 갖는다 하더라도 수평으로 넓은 개구부보다 수직으로 넓은 개구부 구성 등이 있다.

3. 자연환기 적용사례

1) 창호 일체형 자연환기

창호 일체형 자연환기란 창호에 환기창을 추가로 설치하여 창호를 개방하지 않아도 상시 환기가 가능한 설비이다. 주로 구조적인 문제로 창문 개방이 불가능한 건물 등에 주로 사용한다.

「건축물의 설비기준 등에 관한 규칙」(제11조)에 의거 100세대 이상 공동주택의 경우 0.5회/h 이상의 환기가 이루어지도록 자연환기설비 또는 기계환기설비를 설치해야한다. LH는 공공임대와 분양주택의 경우 바닥열 이용 급기시스템인 기계환기시스템을 적요하고 있으며 영구임대 및 국민임대, 행복주택 등 대다수 사업의 경우 자연환기 설비를 적용하고 있다. 이때 적용하는 것이 창틀형 자연환기, 현관문 포켓형환기, 발코니 루버형 환기장치가 적용되고 있다. 자연환기를 적용하고 있는 사업은 LH가 유일하며 대부분의 민간건설사의 경우 열교환을 이용한 급배기기계환기설비를 적용하고 있다.

LH 사업에 창호 일체형 자연환기가 적용되는 만큼 LH에서 창호 일체형 자연환기의 환기 성능에 대해 연구를 진행한 바 있다. 환기 성능 실험은 단일창 및 이중창에 필터를 각각 다르게 적용한 총 8개의 case를 실험하였다.

KS F 2921에 의한 시험방법은 자연환기설비 단위길이가 500mm 기준이나 이중창형태의 시험과 다양한 필터형식이 시험을 병행하기 위해 시험체 형식을 카트리지 타입으로 제작하여 실험하였다. 카트리지 타입은 단위길이가 300mm로 제작되어 단일유니트 500mm 길의 성능으로 환산하였으며 시방기준(50CMH/m)과 비교하였다.

25CMH(50mm기준) 시방기준 대비 동일조건인 case2의 경우 84.7%(21.19 CMH) 수준의 성능시험 되었으며 부직포프리필터의 경우(case3) 62.32%(15.58CMH), 미세먼지에 유리한 정전필터의 경우(case4) 76.38%(19.1CMH)로 나타났다.

이중창 형태인 이중유니트 실내외 모두 일반필터(매쉬) 적용시(case6) 500mm로 환산시 59.45%(14.8CMH)로 나타났으며, 실내쪽 자연환기설비에 정전필터 설치 유형(case 7)의 경우 500mm 환산시 53.97%(13.5CMH)로 나타났다.

실제 단위세대에 설치되는 이중창간 공간의 체적을 동일하게 scale down 하여 시험한 경우(case8)의 경우는 시험시료자체가 무거워 단일유니트 시험규격(KS F 2921) 장비에 밀착하여 붙이기 어려운 구조문제로 기밀성에 문제가 생겨 누기량이 상당 발생하여 이중창과 실내쪽 정전필터 설치 유형임에도 불구하고 152%의 성능을 보여 본 실험결과에서는 유의미한 결과로 나타나지 않았다.

단창의 경우에서 미세먼지에 유용한 정전필터와 미듐필터 적용의 경우 미듐필터는 환기성능이 35.8% 정도까지 떨어져 적용가능성이 떨어지나 정전필터의 경우 76.38% 수준으로 자연환기설비를 24% 정도 길이를 상승 할 경우 적용이 가능한 것으로 나타났고, 이중창의 경우는 내외창 환기설비 모두 일반매쉬필터 적용 및 외창 환기설비 일반매쉬필터_내창-정전필터 적용시 각각 59.45%, 53.97% 수준으로 성능이 저하되어 각각 정도 41%, 47% 자연환기설비를 상승하면 적용이 가능한 것으로 판단되어 현재 한쪽 창에만 설치되고 있는 자연환기설비를 양쪽창 모두에 설치하면 환기기준 0.5회/h를 만족하는 것으로 나타났다.

2) 이스트게이트 쇼핑센터

이스트게이트 쇼핑센터는 짐바브웨에 위치한 자연 냉방 건물로써, 굴뚝효과를 이용하는 흰개미집 구조를 모방하여 설계하였다. 굴뚝효과란 고층 건축물이나 굴뚝 등에서 부력에 의해 공기가 흐르는 현상으로 건물 저층부에 차가운 공기가 유입되어 상대적으로 뜨거운 건물 상층부로 공기가 이동하면서 옥상 배기구로 빠져나가는 원리다.

이스트게이트 쇼핑센터는 이런 굴뚝 효과를 최대한 활용하도록 설계하여 한 여름 뜨거운 한낮에도 섭씨 24도의 실내온도를 유지할 수 있다. 또한 동일한 규모의 건축물의 10%에 불과한 전력 사용량으로 연간 350억원 가량의 비용을 절감하고 있다.

3) Sekisui House Kudan-minami 빌딩

Kajima 건설이 설계 시공한 Sekisui House Kudan-minami 빌딩에서 에코 샤프트 개념을 처음 도입하였다. 에코 샤프트란 굴뚝효과와 비슷한 개념으로 건물 내부에 굴뚝 역할을 하는 에코 샤프트 공간을 구성하여 실내 공기가 건물 상층부를 통해 빠져나가게끔 설계한 것이다. Sekisui House Kudan-minami 빌딩은 바닥면적 약 30m^2의 에코 샤프트 2개를 설치하여 이중외피 -> 사무실 -> 에코 샤프트 -> 외부의 순서로 공기가 빠져나가게 설계하였다.

이처럼 다양한 방법으로 건물에 자연환기를 적용하여 에너지 소비량을 줄이려는 노력을 하고 있다. 하지만 우리나라에 자연환기를 적용하기에는 다소 어렵고 해결해야하는 문제가 있다. 우리나라는 최근 미세먼지 농도가 높아 외부의 공기를 그대로 실내로 유입하기에 적합하기 않다. 또한 여름철 습도가 높아 외부공기를 유입 시 제습을 따로 해야한다. 이런 문제점들로 인해 국내의 경우 건물 전체를 순환하는 대규모 자연환기 보다 부분적인 소규모 자연환기를 많이 이용하는 편이다. 따라서 국내 환경에 맞게 자연환기와 기계환기를 적절히 사용하여 설계하는 것이 필요하며, 그린리모델링에서도 이런 자연환기를 적절히 설계하는 대상지가 많아지길 기대한다.