최근 에너지다소비형 건물을 포함해 공공건물, 상업용, 주거용 등에서 동계 난방에너지뿐만 아니라 하계 냉방에너지 수요와 소비가 지속 증가하고 있다.
건물부문은 비용대비 에너지절약 효과가 가장 큰 부문으로 정부에서는 건물에너지 설계기준 강화 및 각종 인증제도 의무화를 통해 에너지소비를 절감하기 위해 노력하고 있다. 특히 건물부문에서 에너지손실·취득이 가장 많아 중요하게 고려되는 창호의 성능기준은 점차 강화되고 있으며 건물에너지설계기준의 강화 및 창세트 에너지효율등급 운영 등을 통해 제도적 장치가 마련돼있다.
건물에너지에 관련되는 창호성능은 크게 2가지 요소로 나눈다. 온도차에 의한 손실열량을 나타내는 열관류율(U-value)과 태양에너지의 광학적 투과특성에 따른 일사획득량을 나타내는 일사획득계수(SHGC: Solar Heat Gain Coefficient)다.
현재 창호의 열관류율값을 결정하는 이론적 계산방법 및 실험방법과 측정장치는 정립돼 운영되고 있으나 SHGC의 경우 비교적 최근에 측정방법이 마련돼 폭넓은 논의가 이뤄지지 못하는 실정이다.
김홍욱 한국태양에너지학회 기획부회장은 “현재 SHGC관련 의무적 인증제도는 운영되고 있지 않으며 많은 우리나라 연구자들의 노력에도 불구하고 SHGC에 대한 관심도가 낮은 상황”이라며 “다만 해마다 증가하고 있는 냉방부하, 빈도와 강도가 심해질 것으로 예상되는 폭염 등에 따라 점차 관련연구가 활발해지고 있다”고 밝혔다.
이번 기획에서는 건물의 냉방에너지 저감을 위한 창호의 SHGC관리제도 현황을 알아보고 바람직한 적용방안을 모색한다.
국내·외 표준, SHGC 측정법 정립
SHGC는 창호를 통과하기 전의 일사량에 대해 투과체를 통과하고 난 후의 일사획득열량의 비로 정의한다. 이는 투과체의 태양복사 스펙트럼 특성 및 입사각에 따른 SHGC계산이 가능하기 때문에 고기능·고성능 융복합창호의 정량적 평가가 가능하다.
한국건설기술연구원, 한양대 등이 2014년 발간한 ‘창호의 태양열 취득률 평가법 정립을 위한 국내·외 시험방법 및 측정장치 개발특성 분석’ 논문을 통해 정의한 바에 따르면 투과체에서 태양열 취득열량은 광학특성에 따라 직접 실내로 유입되는 투과성분, 투과과정에서 유리에 흡수된 태양에너지가 실내측으로 전도·복사에 의해 재방사되는 성분으로 나뉜다.
태양복사의 투과, 반사, 흡수성분의 합은 1이 돼야하며 흡수성분은 투과체의 온도를 상승시킨다. 투과체에서 흡수된 태양에너지는 양 표면으로부터 실내측, 실외측으로 재방출되며 결과적으로 투과체를 통해 직접 투과된 성분과 재방사되는 성분의 합이 냉방에너지부하를 상승시킨다. 하계의 경우 투과체를 통해 유입되는 관류열량을 제외하면 순수 태양열취득열량을 산출할 수 있다.
SHGC는 2017년에야 비로소 측정법에 대한 ISO규격이 마련됐으며 국내에서는 이보다 앞선 2014년 KS가 제정됐다. 이전에는 계산법에만 의존하던 실정이었다. SHGC 계산법은 미국 ASHRAE standard 142가 제안돼 ISO 15099에 적용됐으며 계산알고리즘을 바탕으로 시뮬레이션에 의한 분석을 수행했다.
측정법은 1960년대부터 실험적으로 산정할 수 있는 다양한 형태의 측정장치를 개발해왔지만 기존에는 시험법이 정립되지 않았다. 창호는 태양에너지 유입을 제어할 수 있도록 일사조절이 가능한 고기능성 유리, 스마트유리, 단열필름, 차양장치를 포함하는 고기능·고성능 융복합형 제품으로 진화함에 따라 계산법만으로 SHGC를 결정하는데 어려움이 있다.
이에 따라 정량적 SHGC를 평가하기 위해서는 시험방법을 정립하고 측정장치를 개발함으로써 평가기술을 확립할 필요성이 대두됐다.
국가기술표준원은 건설연, 한국건설생활환경시험연구원 등과 함께 2014년 KS L 9107 ‘솔라시뮬레이터에 의한 태양열 취득률 측정 시험방법’을 개발해 솔라시뮬레이터에 의한 창호 및 유리의 SHGC 측정시험방법을 규정했다.
이를 바탕으로 국내 연구진은 국제표준 개발작업을 추진했으며 2011년부터 주도해 온 ISO TC163 WG17(SHGC 측정) 신설 이후 2013년 이광호 고려대 교수가 의장(Convenor)에 선임되자 2017년 SHGC 측정법에 대한 첫 표준인 ISO 19467-1(Thermal Performance of Windows and Doors-Determination of Solar Heat Gain Coefficient Using Solar Simulator: 창호 및 문의 열성능-솔라시뮬레이터를 활용한 SHGC 측정)을 출판했다.
이어 2021년에는 기존 ISO 19467-1에서 다루지 못했던 태양고도변화에 따른 측정법과 커튼월 등에 사용되는 대형판유리의 중앙부에 대한 SHGC 측정법을 다룬 ISO 19467-2(Thermal Performance of windows and doors-Determination of solar heat gain coefficient using solar simulator Part2: Centre of glazing: 창호 및 문의 열성능-솔라시뮬레이터를 활용한 SHGC 측정 파트2: 대형창호시스템의 중앙부)가 출판됐다.
이는 미국, 독일, 일본 등을 비롯한 국제사회에서도 그간 완결짓지 못했던 SHGC측정법을 우리나라가 선도적으로 제정한 것으로 관련분야의 글로벌표준을 주도함으로써 세계시장을 이끌어나갈 수 있는 토대가 됐다는 평가를 받고 있다. 현재 우리나라는 국제표준의 토대가 됐던 KS를 ISO 수준과 부합하도록 개정하려는 절차를 준비 중이다.
단열중심·임의인증 ‘한계’
최근 패시브건축물 수준으로 단열기준이 강화됨에 따라 신축건축물은 단위면적당 난방에너지사용량이 지속적으로 감소하는 추세를 보이고 있다. 다만 통계가 확인된 주거용건축물의 경우 냉방에너지사용량이 점차 증가하는 추세이며 난방보다 냉방위주 에너지사용특성을 보이는 비주거건축물은 냉방에너지사용이 더욱 증가할 전망이어서 냉방에너지 수요저감을 위한 기준마련이 요구된다.
국토교통부는 이와 같은 필요성에 따라 2019년 발표한 ‘제2차 녹색건축물 조성 기본계획’에 냉방에너지 저감기준을 마련해 SHGC 등 저감요소의 설계가이드 개발·보급 추진을 포함했다.
그러나 최근까지 SHGC와 관련한 뚜렷한 장려정책은 발표되지 않는 상황이다. 현재 창호의 SHGC는 KS L 9107과 KS L 2514(판유리의 가시광선 투과율, 반사율, 태양열취득률, 자외선 투과율 시험방법) 등 KS와 에너지소비효율등급 표시제, 건축용 고효율에너지기자재 등을 통해 관리되고 있다.
KS L 9107은 솔라시뮬레이터를 활용해 창호의 SHGC를 측정하는 시험방법을 규정한 것이며 KS L 2514는 판유리의 태양에너지관련 성능을 측정하는 시험방법을 규정한 것으로서 성능기준은 포함하지 않는 임의인증이다.
창세트 에너지소비효율등급표시제는 2012년 시행돼 창호의 열관류율 및 기밀성을 기준으로 등급을 부여해 창호라벨에 표시함으로써 소비자가 창호에 대한 성능평가 및 제품구입 시 의사결정 자료로 사용토록 한 제도다. 의무인증이지만 열관류율, 기밀성을 중심으로 한 단열관련 성능인증으로서 SHGC와 같은 냉방중심 지표로 사용하기는 어렵다.
건축용 고효율에너지기자재는 2021년 시행돼 냉방용 창유리필름, 금속제 커튼월 등을 대상으로 가시광선투과율, SHGC 등을 평가, 기준치 이상인 제품에 부여하는 인증제도다. 냉방용 창유리필름은 △가시광선투과율 50% 이상 △SHGC 0.5 이하 △색차 변화 등 성능 이상이어야 하며 금속제 커튼월은 △열관류율 1.5W/㎡·K 이하 △기밀성 1등급 △SHGC 0.4 이하 △가시광선 투과율 20~40% 이상 등 성능을 만족해야 한다. SHGC를 다루고 있으나 성능기준이 다소 느슨하고 자발적 인증제도라는 한계가 있다.
이처럼 현행 SHGC 관리제도는 계산법에서 나아가 측정법으로 인증기준이 발전했지만 임의인증 중심이며 의무인증은 창호의 단열·기밀성에 국한돼있다. 이에 따라 지속적으로 증가하고 있는 냉방부하에 대응하기 위해 SHGC를 보다 체계적으로 관리하는 한편 상용화된 제품의 성능을 향상시키기 위한 기준강화 필요성이 제기되고 있다.
국내 열차단필름 글로벌 신기술을 확보한 한 기업의 관계자는 “현행 창유리용필름 건축용 고효율에너지기자재는 SHGC 0.5 이하의 느슨한 기준을 적용하고 있으며 에너지성능지표(EPI)도 냉방부하 저감을 위한 창유리용필름은 품목으로 선택하지 않는 등 적극적으로 관리하지 않고 있다”라며 “SHGC, 가시광선 반사율(VLR), 가시광선 투과율(VLT), 차폐계수(SC) 등 성능을 규격화해 건축물인증제도에 포함하는 등 정책·제도적 기반을 넓혀야 한다”고 밝혔다.
컨버터블시스템, 냉난방 부하저감 최적
SHGC는 태양에너지를 얼마나 취득하는가에 대한 지표이기 때문에 냉방부하 저감을 위해 무조건 SHGC 성능을 향상시킬 경우 난방부하는 오히려 증가한다는 반론도 있다. 이에 따라 냉난방을 종합적으로 고려해 적정한 수준의 SHGC가 마련될 필요가 있다는 것이다.
다만 이에 대해 일각에서는 특정수준으로 SHGC를 고정시킨다는 것은 창호를 통해 유입되는 태양에너지 취득 측면에서 냉난방부하 저감을 위한 노력을 더 이상 하지 않겠다는 것이므로 건물부문 탄소중립이라는 어려운 목표를 달성하기 위해 난방은 난방대로, 냉방은 냉방대로 최대한 부하를 저감하려는 노력이 필요하다는 의견도 제기된다.
김홍욱 부회장은 “SHGC를 무작정 낮춰 냉방부하를 획기적으로 낮추게 되면 양극화되고 있는 계절적 기후상황에 따라 겨울철 난방부하를 감당하기 어려워질 수도 있다”라며 “이러한 상황을 감안하면 결국 컨버터블시스템이 적합하다고 판단된다”고 밝혔다.
즉 실내·외 차양 또는 블라인드를 상황에 맞게 개폐조작·제어함으로써 원하는 계절별, 시간대별로 태양에너지의 유입을 허용·차단함으로써 최적의 냉난방부하 관리가 가능하다는 것이다. 특히 수동조작, 경험기반 조작의 한계를 극복하고 내·외부환경 변화에 따른 최적제어를 위해 전동시스템을 적용할 경우 효과를 극대화할 수 있을 전망이다.
다만 실내에 재실자가 다수이며 많은 수의 전자제품, 사무기기 등으로 내부발열이 많아 난방부하가 상대적으로 적은 사무용 건물, 다중이용시설 등은 대부분 커튼월을 선호하는 경향이 크다. 이와 같이 태양에너지 유입이 상당한 형태로 건축되는 경우 겨울철에도 냉방설비를 가동할 정도로 냉방부하가 크다.
이러한 건축물에 개폐가 가능한 컨버터블 시스템을 적용하는 것은 경제적 측면에서 효율적이지 않으므로 높은 수준의 SHGC 성능을 갖췄으며 조망권도 양호한 특성을 갖춘 열차단필름 등 시공이 유리할 것으로 예상된다.
이에 더해 인증제도 개선필요성도 제기된다. 현재 국제표준인 ISO 19467-1·2은 국내표준인 KS L 9107을 토대로 개선한 제도로서 보다 발전된 형태의 국제표준을 KS에 재반영할 필요성이 제기된다. 이에 따라 KS 역시 ISO와 같이 태양고도변화에 따른 SHGC 측정과 커튼월 대형유리판의 중심부 측정이 가능토록 표준 제·개정이 추진될 전망이다.
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