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연재기획

건축물 탄소중립 핵심 ‘패시브하우스’②

칸 kharn‧한국패시브건축협회 공동기획

패시브하우스 설계 시 최대 난제
열교‧기밀성 극복 최선의 대안은
열관류율 관리, 단열성‧열교차단‧기밀성 확보 Key
패시브 기준 제시할 제로에너지건물설계기준 필요
각 요소별 ‘디테일’ 점검해 설계효과 극대화 추구


패시브하우스의 지향점은 에너지절감을 통한 건물의 에너지효율 극대화에 있다. 이를 위해 기존 자연적 조건을 최대한 활용해 화석연료 등의 사용을 최대한 배제하는 것이 중요하다. 

이번 연재를 통해 패시브하우스를 화제로 다룬 주요 이유 중 하나는 건축물 탄소중립 달성을 위해 패시브하우스가 갖는 상징성에 있다. 검증된 환경친화적 자재 등을 사용해 환경에 미치는 영향이 극히 낮은 건축양식이기 때문이다. 또한 집안 전체 온도가 일정하게 유지될 뿐만 아니라 열회수형 환기장치로 실내 쾌적성 등을 유지할 수 있다. 

또 다른 측면에서는 패시브하우스 건축양식은 엄격한 기준을 만족시키기 위해 특별한 조건을 설정하기 때문에 설계 및 건축 프로세스에 있어 많은 공정을 추가해야 한다는 것을 의미하기도 한다. 

최근 상승세를 보이는 난방비 증가세를 봐도 패시브하우스 설계 측면의 가치는 충분하다. 패시브하우스가 에너지절감을 이뤄내니 부동산 거래 시 낮은 운영비용으로 인해 부동산시장에서 프리미엄을 얻을 수 있다. 

이렇듯 패시브하우스는 친환경건축의 근간이자 제로에너지건축의 시작이므로 가장 기본이면서도 중요하게 다뤄야 할 화제다. 결코 간과할 수 없는 설계 양식인 것이다.  

이번 기획에서는 현재 패시브하우스 기술 수준과 비견한 설계현황을 파악하고 설계상 난제 및 그로 인한 설계상 개선책을 알아본다. 또한 국내 패시브하우스 설계에 대한 전문가 의견을 청취하고 국내 패시브하우스 설계분야를 전망해본다. 

현행 패시브 설계기준, 요소별 평가방법 필요
지난 2006년부터 5년간 연세대학교 주관으로 수행된 ‘저에너지 친환경 공동주택기술 개발 연구(한국건설교통기술평가원 연구용역 발주)’의 성과로 저에너지 친환경 공동주택 통합설계 가이드 및 시공매뉴얼이 발간됐다. 통합설계 매뉴얼은 공동주택을 외부환경계획, 건물계획, 설비시스템 계획 등으로 구분해 설계가이드 및 체크리스트를 제공하고 있다. 

서울시는 세계 녹색경쟁력 선도도시 구현을 위한 ‘그린디자인 서울 건축물 설계 가이드라인’을 수립해 시행하고 있다. 이 가이드라인은 일정 규모 이상 건축물을 대상으로 외피 열관류율, 창호면적, 기밀성 등을 규제하고 있으며 에너지성능지표, 에너지효율등급 등을 의무화해 인센티브를 주고 있다. 

인천시는 저탄소 녹색성장을 위한 ‘친환경 건축물 설계 가이드라인’을 수립해 시행하고 있다. 공공건축물, 공동주택, 에너지절약 대상 건축물에 대해 태양광과 LED조명 설치 의무화, 외피 및 창호 단열기준강화 등의 내용이 포함돼 있다. 

패시브설계 가이드라인은 일반적인 설계기준보다 강화된 외피 및 기밀성을 요구하고 있다. 관련 연구들은 패시브설계요소별 냉난방 부하저감 비율을 계산, 제시하고 있다. 건물의 방향, 기밀성, 창면적비, 외단열 등 건물 에너지절감에 큰 영향을 미치는 패시브설계요소에 대한 평가방법을 마련, 프로그램에 반영해 결과에 따라 설계 가이드라인을 제시해야 한다. 

제로에너지건물설계기준 신설 필요성 제기
건축물 에너지절약을 위한 부위별 단열기준 강화 및 세분화한 건축물 단열기준이 단열재 두께 기준에서 열관류율 기준으로 전환됨에 따라 단열재의 구체적 성능에 대한 건설사의 자료 요청 증가 및 단열재별 성능 차별성이 대두되고 있다. 

건축물의 단열성능은 외부로 유출되는 냉난방에너지를 차단하며 외부 열기나 냉기가 내부로 유입하는 것을 방지하기 위해 필요하다. 벽체에 필요한 단열성능은 냉난방을 위해 투입된 에너지가 실내에서 외부로 유출되는 것을 방지하기 위해 요구되는 성능으로 벽체 열관류율이 낮을수록 에너지절감에 유리하다. 

건축물 에너지절감의 약 40%를 담당하는 열교차단은 패시브하우스에서 가장 이루기 어려운 숙제로 꼽힌다. 그래서 열교방지 설계방법이 무엇보다 중요하다. 

열교에 대한 국내 기준은 지난 2017년 6월 개정된 ‘건축물의 에너지절약설계기준’에서 권장사항으로 고려되고 있다. 다만 정량적인 해석 방법이 아니라 다양한 부위에 대한 열교값을 목록으로 제시하고 있다. 그 값들을 종합적으로 계산해 에너지성능지표에서 배점을 받을 수 있도록 돼 있지만 선형 열관류율 합계가 최소 배점기준에 해당하는 0.55W/m‧K 미만을 만족하지 못하면 배점을 받지 않아도 된다. 

반면 패시브 기준에서는 국내 기준과 달리 열교부위 선형 열관류율을 0.01W/m‧K 이하로 아주 엄격하게 권고하고 있다. 또한 이러한 열교방지설계를 하지 않으면 2차원 열관류율에 0.1W/m‧K을 더한 값으로 갖는 적합성을 고려할 것을 제안하고 있다. 

패시브 기준은 일반적으로 저층 주택을 대상으로 하기에 대부분 외단열이 적용돼 열교방지설계가 가능하다. 다만 국내의 경우 고층 공동주택을 대상으로 하기 때문에 외단열 시공기술 적용 한계로 인해 대부분 내단열이 적용되는 상황에서 어쩔 수 없이 발생하는 열교로 인한 결로를 방지해야 한다. 이에 따라 결로방지를 위한 설계기준을 별도 운용하고 있으며 근본적으로 외단열 구조로 설계되지 않는 한 상대적으로 열교부위를 처리하기 어려운 내단열구조를 감안해 선형열관류율을 고려해야 한다. 

국내 기준에서 기밀성능은 창호 및 문 제품 단위로 이뤄지고 있는데 KS F 2292(창호 기밀성 시험방법)에 따라 통기량을 측정한 후 기밀성 등급으로 평가한 값을 이용하도록 규정하고 있다. 반면 패시브 기준에서는 건축물을 준공한 후 기밀테스트를 실시해 50Pa 압력조건에서 시간당 0.6회 이하 공기교환이 이뤄지는 것을 확인하도록 규정하고 있다. 

국내에서 에너지효율등급 본인증을 받을 때 현장에서 Blower Door와 같은 압력팬을 이용한 기밀성 테스트를 실시해 해당값을 해석할 때 이용하도록 규정하고 있지만 한계 요구값을 규정하고 있지 않다. 또한 임의로 운영되고 있어 인증을 신청한 건축물에 한해 실시하고 있다. 
 
최근 건축분야에서 제로에너지건축정책 시작과 맞물려 제로에너지건물설계기준 신설이 필요하다는 의견이 나오고 있다. 
 
강재식 한국건설기술연구원 선임연구위원은 “지난 20여년간 에너지절약을 위한 설계기준을 바탕으로 반영했다면 이제 올해와 내년 사이 반드시 제로에너지건축설계기준을 정책적 차원에서 만들어야 한다”라며 “이를 바탕으로 제로에너지건축 설계부문에서 적극적으로 활용하지 못한다면 큰 문제가 될 수 있다”고 지적했다. 

또한 “국토부에서 시행하는 패시브건축정책은 지난 2018년 9월 사실상 종료됐다”라며 제로에너지설계기준 마련은 탄소중립 녹색건축이라는 슬로건에 맞춰 정확한 목표와 정의가 변화하는 것“이라고 말했다. 

이어 ”제로에너지건물 설계기준이 놓쳤던 부분 중 가장 대표적인 것은 열교공법상 외단열 문제“라며 ”제로에너지건물이라고 하면 제로에너지컨설팅을 할 때 제일 중요한 게 열교와 기밀에 의한 환기 개념“이라고 밝혔다.    

건물E효율, 진공단열재‧열관류율 등이 좌우  
패시브 5요소 가운데 가장 변화가 영향력이 큰 3요소는 단열, 열교, 창호 등이다. 이 요소들은 건축물의 에너지절감과 효율화에 약 70% 이상 기여할 수 있다. 

특히 기밀성과 열교차단 등은 패시브하우스 설계에서 가장 완성도를 이루기 까다롭다.
 
단열재의 경우 최근 건설기술연구원이 민간기업과 함께 진공단열재 개발을 활발히 주도해오고 있다. 건설기술연구원은 진공단열재를 개발해 서울시가 시행하는 ‘노후건물 저비용 간편시공 추진사업’에 적용했다. 


노후건물과 같은 기축 건축물에 진공단열재를 적용하면 단열성능을 향상시킬 수 있기 때문에 실내 공기도 외기온도에 큰 영향을 받지 않아 새로운 대안이 되고 있다. 
   
진공단열재가 값이 저렴하며 건축물 벽두께를 감소시키는 한편 에너지효율 증대, 난방비 절감, 열교현상 감소 등으로 결로발생을 줄일 수 있다. 이에 따라 건설기술연구원은 현재 에너지절약과 난방비 절감 등을 효과적으로 시행할 수 있는 진공단열재를 적극 보급할 계획이다. 

또한 최근 강화된 건축법과 관련 고시인 ‘건축자재 등 품질인정 및 관리기준’으로 인해 품질인정제 등이 신설되며 기존 건축용 단열재는 난연성능과 단열성능을 동시에 유지해야 하는 상황이 됐다. 이에 따라 선제적으로 제품개발 및 외벽 복합마감재료와 샌드위치패널 등에 대한 실물화재시험 2가지를 모두 통과해야 한다. 

또한 단열재의 초기열전도율이 아닌 장기열전도율을 측정해 단열재 성능을 올바르게 평가해 건물 에너지성능 관리에 집중해야 한다. 단열재 등의 자재는 오랜 시간에 걸친 경시변화를 극복하는 것도 관건이다.   

열교는 크게 △기하학적 열교 △재료적 열교 △혼합적 열교 등으로 나눌 수 있다. 기하학적 열교는 구조적 열교현상을 ‘기하학적 열교현상’이라고도 부른다. 그 영향은 열을 흡수하는 표면적과 열을 뺏기는 외부면적의 관계에 따라 달라진다. 보통 벽과 천장, 바닥 등 3개 구조체가 만나는 3D지역이 해당한다. 또한 라디에이터 설치를 위해 벽체 두께가 달라지는 경우도 구조적 열교현상에 속한다. 

서로 맞대어 있는 부위가 여러 가지 재료로 시공되면(열전도율이 다를 경우) 재료적 열교가 발생한다. 조적조와 콘크리트 기둥 또는 철골 기둥과의 조합이 대표적인 예이다. 슬래브와 연결된 발코니의 경우도 이에 해당한다. 

혼합적 열교현상은 보통 앞서 예를 든 2가지 경우가 복합된 경우를 말한다. 실질적으로는 혼합 형태가 많이 생긴다. 개구부의 연결 부위가 복합적 열교현상의 대표적인 예라고 할 수 있다. 

열교현상으로 인한 손실은 △냉난방에너지 증가 △기존 난방장치로 추운 겨울철 충분한 난방 제공 어려움 △실내 열적 쾌적감 하락 △결로현상 및 곰팡이 서식으로 인한 실내 공기질 하락 △습기 유입으로 구조체 및 마감재의 구조적, 시각적 문제 △건물가치 하락과 내구성 저하로 인한 경제적 손실 등이다.

건축물 단면을 계획할 때 무엇보다도 단열층과 구조층 무엇보다도 방습층과 기밀층이 어디에 있는지를 명확히 해야 한다. 이를 위해서는 전체적이고 간단한 상세계획이 무엇보다도 우선시 돼야 한다. 


재료적 열교현상을 최소화하는 방법은 콘크리트 기둥 앞에 단열을 하는 것이다. 이때 보통 기둥의 폭과 같은 길이로 해 열교현상을 줄이지만 양쪽 기둥의 얇은 조적조를 통해 열류가 흘러 충분하지 않다. 콘크리트는 일반 조적조보다 4배 이상 열전도율을 가진다. 또한 한 가지 더 유의할 점은 외벽 마감재료의 선택이다. 마감재료와 바닥이 서로 다른 재료이기 때문에 연결 부위 특히 단열재와 외벽이 만나는 곳에 균열이 생길 수 있다. 경제성을 고려한 가장 좋은 해결책은 외단열이지만 시스템 선택에 주의해야 한다. 또는 단열성능이 있는 조적의 벽돌을 사용하는 것이다. 그 다음으로 생각할 수 있는 대안은 흔히 사용하는 치장 벽돌 마감을 고려할 수 있다. 

창호를 이용해 열교를 줄이기 위한 방법은 열교를 고려한 창호 배치다. 또한 합당한 고정재의 선택과 함께 기밀층 형성을 위한 올바른 시공이 이뤄져야 한다. 

특히 창호 자체 열관류만을 계획단계에서 거론할 것이 아니라 예상되는 시공에 따른 열교를 고려해야 한다. 

창호가 구조체면에서 벗어나 열교를 줄이기 위해 단열재면에 시공되는 경우 가장 보편적으로 L자 형태의 철물을 사용하게 된다. 

단열재면에 창호가 설치되는 경우는 기밀이나 방습테이프 혹은 팽창형 밴드만 시공하면 된다. 다만 미장면이 창문 프레임과 만나는 부위는 이질재료이므로 팽창형 밴드를 단열재면에 설치하고 미장메쉬를 설치하거나 미장메쉬에 팽창형 밴드가 설치된 것으로 마감해야 한다. 


발코니 및 기타 돌출 부위에서 유발되는 열교차단도 중요하다. 발코니를 위 아래로 단열하는 방법이 있다. 시공이 어렵고 재료비 면에서 경제적이지 못한 것이 단점이지만 구조적으로는 안전하다. 열교현상을 줄이기 위해 구조 안정성을 간과해서는 안된다는 게 건축업계의 정설이다. 

발코니에서 열교 최소화를 위한 좋은 방법은 패시브하우스와 같은 소규모 주택에서 발코니 슬래브 부분을 제거하고 가벼운 경량구조를 벽체에 연결함으로써 열교부위를 최소화할 수 있다.  
   
이밖에 열교현상을 극복하기 위한 방법으로 열교차단재 사용이 고려된다.
  
국내 열교차단재 전문기업 스타빌엔지니어링이 개발해 사업화를 준비 중인 열교차단브라켓은 조적앵글주위에 단열끊김을 보완하고 시공자의 편의성을 높인 제품이다. 또한 기존 조적앵글대비 단열효과, 하중지지력 및 내진효과가 뛰어난 제품으로 한국발명진흥회에서 사업지원을 받아 여러 가지 성능시험을 진행 중이다. 

창호 주위 열교차단재는 창호 주위 단열 결손을 보완하고 창호 주변 기술자들이 외장마감을 할 수 있는 작업공간을 확보해 건물 품질을 높인다. 이 열교차단재를 적용한 건물은 창호 주변 선형열관류율을 약 82.13% 절감하는 효과가 있는 것으로 나타났다. 기존대비 단열효과가 뛰어나 실내평균온도를 약 3℃ 가량 향상시켜 난방비 절감이 가능하다. 

올해 연면적 1,000m² 이상 공공건축물을 시작으로 2030년까지 단계적으로 제로에너지건축물 의무화가 진행된다. 이에 따라 창호시장을 선도하고 있는 주요 대기업인 LX하우시스, KCC, 현대 L&C 등은 이미 2020년부터 고기능성 유리 적용 등을 통해 현재까지 다수 물량을 차지하는 슬라이딩 이중창 고도화에 집중하고 있다. 또한 유럽형 시스템창호 수요증가를 통해 국내시장에도 도입돼 상용화되고 있다. 


이 기업들이 만든 시스템창호가 주목받는 이유는 패시브요소를 구현하기 위해 에너지소비효율 1등급 이상 단열성능을 충족하면서도 프레임 두께는 기존대비 슬림해졌다는 점이다. 창호의 단열성능을 높이기 위해 창틀의 입변 폭을 두껍게 보강하는 게 일반적인 개발 방식임을 감안하면 두드러진 성과로 평가받고 있다. 

지난 2020년 10월 기준 한국에너지공단에 등록된 열관류율 0.8 이하 초고단열 창호는 총 737종이 존재했다. 이는 1등급 제품 3,542종 중 20.8%에 해당되며 전체 등급등록 모델 9,195종 중 약 8%를 차지한다. 

창호시장도 열관류율을 0.7대 수치로 만들기 위해 삼중유리를 적용한 시스템창호가 다수 쓰이고 있다. 앞으로도 열관류율을 만족시키기 위해 개량된 형태의 시스템창호가 나올 가능성이 높다.