제로에너지건축물

기술의 정의

• 햇빛을 활용하여 조명의 역할을 대신해 불필요한 조명의 사용을 줄여주는 기술
• 자연채광을 활용하여 조명 에너지의 35% 이상을 절약 가능
• 채광을 통하여 적정 조도를 제공하는 동시에 조명 역할을 대신해 불필요한 에너지 소비를 줄이는 기술
• 실내로 햇빛을 끌어들임으로써 조명을 사용하지 않고 실내 빛 환경을 개선하는 기술

기술의 원리 및 적용방법

• 채광방식은 주로 창의 위치에 따라 분류되며 천창, 아트리움과 같은 구조적인 계획을 통해 더 많은 자연채광을 얻을 수 있음
• 구조적인 계획 방법 외에도 광덕트, 광선반 등 을 활용한 자연형 조명 설비의 적용을 통한 자연채광 계획도 가능함
• 빛과 열을 수반하는 일사(햇빛)의 유입이 많을 경우 현 및 실내의 불균질한 조도 분포 등을 발생시키며(빛 측면), 냉방 부하의 증가로 이어질 수 있으므로(열 측면) 창호 및 차양 계획과 연계하여 적절한 채광 계획이 필요함
• 밝은 색상의 실내 마감재료를 적용하면 자연채광 효과를 극대화 할 수 있음
• 채광을 위한 창호는 겨울철 창을 통한 과도한 열 손실 발생의 원인이 될 수 있으므로, 방위별 적절한 크기의 계획이 필요함

기술의 정의

• 자연에너지인 바람의 통로를 설계하고 공기의 압력차이를 활용하여 실내 공기가 실외 공기와 교환되도록 유도하는 기술
• 외부의 신선한 공기를 이용한 실내 공기질 개선과 에어컨과 같은 냉방장치를 사용하지 않고 자연 냉방효과를 갖는 것이 주요 목적
• 시설 내외부의 압력 차이로 인하여 발생하는 풍력환기와 온도차이에 의한 부력으로 발생하는 중력환기 구분

기술의 원리 및 적용방법

• 바깥의 시원한 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 유리함
• 바람이 불어오는 방향과 풍속, 크기, 형상에 따라 자연환기의 효율성이 다르기 때문에 건물의 형상을 바탕으로 한 효과적인 자연환기 계획이 필요함
• 공간 특성에 맞는 환기방식과 개폐 방법, 개폐 면적 등의 고려가 필요함 개구부와 배출구의 크기를 다르게 하여 큰 압력 차이를 유도함 개구부를 한 면에만 위치시키는 경우, 개구부 높이를 조절하여 자연환기 도입 성능을 조절함 똑같은 개폐면적을 갖는다 하더라도 수평으로 넓은 개구부수직으로 넓은 개구부가 더 효과적임

• 맞통풍 구조와 굴뚝 환기구조 등을 활용하여 자연 환기 효율을 극대화 할 수 있는 환기 경로의 설계가 중요함
• 고층건물에서 주로 사용되는 프로젝트창은 유효 개폐면적이 작아 자연환기 도입에 효과적이지 못함

기술의 정의

• 태양 에너지를 열로 흡수하여 에너지로 이용하는 기술
• 태양열을 이용하여 물을 가열한다면 가스나 전기를 사용하지 않아도 난방 또는 급탕용 온수를 얻을 수 있으며, 소음과 공해가 없는 장점이 있음
• 태양열 에너지는 에너지밀도가 낮고 계절별, 시간별 변화가 심하므로 집열과 축열기술이 가장 기본이 되는 기술임

기술의 원리 및 적용방법

• 광전효과로 전기를 생산하는 태양광 발전과 달리 태양열 기술은 집열판을 통해 집열판 내의 물 등의 온도를 직접 올려 건물 난방이나 온수로 사용하는 기술임
• 태양열 시스템은 집열부, 축열부, 이용부, 제어장치 등으로 구성되며 태양열 집열기술, 축열기술, 시스템 제어기술, 설계기술 등이 핵심 기술임
• 구성 요소간 열전달 방법에 따라 설비형(Active) 시스템과 자연형(Passive) 시스템으로 구분
• 설비형 시스템은 별도의 집열기와 열매체 구동장치를 활용하여 태양열을 집열하는 방식으로 열매체 구동장치의 유무에 따라 자연 순환형과 강제순환형으로 구분
• 자연형 시스템은 동력 또는 기타설비를 설치하지 않고 건물 구조물을 활용하여 태양열을 집열하는 방식임

태양열 시스템 구성도

• 집열 또는 활용 온도에 따라 저온용, 중온용, 고온용으로 분류되며, 이용분야는 태양열 온수급탕시스템, 태양열 냉난방시스템, 태양열 산업공정열시스템, 태양열 발전시스템 등이 있음
• 태양열 집열기는 평판형 집열기가 가장 많이 사용되는 형태이며, 그 외에 진공관형 집열기, PTC형 집열기, CPC 집열기, Dish형 집열기, CRS 등이 있음

기술의 정의

• LED 조명은 성향이 다르 ㄴ반도체간 결합으로 ((-)성향의 반도체와 (+)성향의 반도체), 전류를 흘렸을 때 전자와 정공이 결합하면서 발산하는 빛을 이용하는 조명임
• LED조명의 사용 전력은 일반 조명 대비 1/5 수준이며, 수명도 15배에 달하기 때문에 에너지 및 자원절약 측면에서 우수함

기술의 원리 및 적용방법

• LED(Light Emitting Diode)는 발광 다이오드의 약자로 전류를 가하면 빛을 발광하는 반도체 소자임
• LED는 전기의 정공(+)이 움직이는 P형 반도체와 전자(-)가 움직이는 n형 반도체를 접합시켜 전기를 흐르게 하며, 정공과 전자가 결합하여 빛의 형태로 발광하는 원리임
• 정공과 전자가 결합하면서 에너지를 발산하는데 에너지에 따라 빛의 색상이 결정됨. 에너지가 크면 보라색 계통의 빛을, 에너지가 작으면 붉은색 계통의 빛을 발생함
• LED 조명은 빛을 발광하는 광원부(LED 소자), 전압을 인가하는 구동회로부(컨버터), 조명의 기구부(렌즈 및 반사판)와 방열부(방열판)로 구성됨

태양열 시스템 구성도

• 구동 회로부는 컨버터를 통해 공급된 교류(AC)를 직류(DC)로 변환하여 전력을 공급하는 역할을 함
• 방열부는 방열판(Heat sink)을 통해 LED램프의 온도를 일정온도로 유지시켜 수명저하를 방지하는 역할을 함
• 기구부는 렌즈 및 커버 등으로 광원으로부터 나오는 빛을 효과적으로 배광하는 부분이며, 형태나 모양에 따라 다양한 모양의 빛 구현이 가능함

기술의 정의

• 실내와 실외의 열의 이동을 차단하는 것을 단열이라고 하며, 건물의벽에는 열손실을 줄이기 위하여 단열재가 설치되어 있음
• 단열재는 설치되는 위치에 따라 내단열, 중단열, 외단열로 구분됨
• 외단열이란 단열재를 건물 구조체의 외부에 설치하여 단열재가 건물을 감싸도록 설치하는 방법을 의미하며, 다른 단열 방법에 비하여 단열 효과가 뛰어나고, 열교 현상이 적음

기술의 원리 및 적용방법

• 외부차양은 건물에 설치하는 처마나 블라인드 등을 이용하여 실내로 들어오는 태양광을 차단하는 기술을 의미함
• 많은열을 가지고 있는 태양광은 실내로 들어오기 전에 차단해야 하므로 내부보다는 외부에 차양을 계획하는 것이 효과적임
• 외부차양을 이용하여 냉방에너지의 5~15%를 절감 가능함

차양 핀의 형태에 따른 차양 효과

• 건물의 용도와 방위를 고려하여 건물의 불필요한 에너지 소비를 줄이고 쾌적한 열 환경을 조성할 수 있는 적절한 차양 계획을 수립해야 함
• 방위별 태양의 입사각과 적절한 차양 면적을 고려하여 외부차양의 위차, 종류, 길이를 계획해야 함
• 남향 건물의 경우, 냉방 부하만 고려하면 고정 수평 차양을 계획해야하며 창 너비보다 크게 외부차양을 설치해야 남동, 남서의 직달일사를 차단할 수 있음. 냉난방 부하를 모두 고려하면, 가변 차양을 계획해야 함
• 동서측 방위의 건물의 경우, 남향과 달리 돌출된 차양으로 일사를 차단하기 어렵기 때문에 창을 최소한으로 계획해야 하며 수직 차양 핀의 각도조절로 일사를 차단해야 함

기술의 정의

• 외부에서 유입되는 차가운 공기와 실내에서 외부로 버려지는 더운 공기의 열교환을 통해 실내에 공급되는 공기의 온도를 올려주는 장치
• 실내의 오염된 공기와 실외의 신선한 공기를 직접 혼합하지 않고 열만 교환하는 방식
• 폐열회수 환기장치를 거친 외부 공기는 열교환을 통해 일정 온도로 상승되어 실내로 공급되기 때문에 보일러 혹은 기타 난방 장치의 사용으로 인한 난방에너지를 절감할 수 있음

기술의 원리 및 적용방법

• 일반적으로 환기장치는 판형 열교환기와 원형(로터리) 열교환기로 나뉨
• 판형 열교환장치는 다수의 관으로 이루어진 판을 서로 엇갈린 방향으로 여러 겹 쌓아 그 사이로 실내에서 배출되는 공기와 실내로 유입되는 공기를 통과시켜 서로 열을 교환하도록 설계한 장치임
• 원형(로터리) 열교환장치는 원형의 열교환소자가 지속적으로 회전하면서 절반구간에서 실내공기가 통과되어 나갈 때 열기와 습기를 저장해 두었다가, 다른 쪽 절반구간에서 외부공기가 그 원판을 통과해 들어올 때 이를 다시 전달해주는 방식
• 열교환기는 열만 교환하는지 수증기까지 교환하는지에 따라 현열 교환기와 전열 교환기로 구분할 수 있음

차양 핀의 형태에 따른 차양 효과

• 급기 측에 필터를 설치하여 오염물질을 제거한 신선한 공기를 실내로 공급할 수 있으나 필터의 효율이 좋을수록 압력 손실이 발생하여 공기를 끌어들이는데 더 많은 동력이 필요하므로 적절한 설비 계획이 필요함

기술의 정의

• 건물이 햇빛으로부터 받는 열을 차단(하절기일 때)하거나 방출하는 열을 흡수(동절기일 때)하기 위하여 옥상에 식물을 심는 기술
• 옥상에 심은 식물들이 증산 작용 시 주변의 열을 흡수하기 때문에 건물의 열을 흡수하는 효과가 있음
• 옥상녹화를 적용 시 기존건물의 옥상에 비하여 최고 3℃ 낮은 온도를 유지 가능하며 건물의 냉난방에너지를 최대 15%까지 저감이 가능함

기술의 원리 및 적용방법

• 옥상녹화는 이용목적과 건축공학적 조건, 조성방식에 따라 중량형 녹화, 경량형 녹화, 혼합형 녹화 등으로 구분됨
• 옥상녹화는 방수층, 방근층, 배수층, 여과층, 식재기반층, 식생층 등으로 구성됨
• 식물의 뿌리가 방수층을 방해할 수 있으므로 적절한 방근대책이 필요함
• 건물 하중의 부담을 줄이기 위하여 경량토를 사용함
• 그외 옥상 녹화 시 고려해야할 사항은 아래 그림과 같음

옥상녹화 유형

옥상녹화 시 고려해야할 물리적 측면

기술의 정의

• 창문은 유리로 되어있어 단열재가 사용된 벽보다 일사의 유입이 많고 공기의 유입이 쉽기 때문에, 창문을 통한 일사차단과 공기유입을 막는 성능을 높인 창문을 고성능 창문(창호)라고 함
• 고성능 창문은 유리를 여러 겹 사용하여 공기의 유입을 차단하거나 유리에 특수한 코팅을 입혀 일사의 유입을 차단하는 방법으로 제작함
• 고성능 창문의 사용 시 냉난방에너지를 10% 이상 절감하는 효과를 얻을 수 있음

기술의 원리 및 적용방법

• 고성능 창문은 3중창으로 마들거나, 유리에 특수 코팅(로이유리)을 하여 열을 차단하는 효과를 높이는 방법 등으로 높은 성능을 낼 수 있음
• 로이유리(low-E Glass)는 유리를 금속산화물로 코팅하여 적외선을 차단할 수 있는 유리로 겨울에는 실내의 난방열이 빠져나가는 것을 차단하고, 여름에는 바깥의 열기를 차단하는 역할을 함
• 일반적으로 주거용 건물은 높은 일사 열획득을 위해 로이유리를 안쪽에 사용하고, 비주거용 건물은 낮은 일사 열획득을 위해 로이유리를 바깥쪽에 사용함
• 고성능 창문은 차폐계수 (SC), 태양열취득계수(SHGC), 창틀의 열관류율 및 기밀성을 확인하여야 하며, 창틀에서 발생하는 열교를 예방해야 함

고성능 창문(고성능 창호)

• 창호 및 문의 단열성능은 「건축물의 에너지 절약 설계 기준」을 참고하며, 외피에 위치한 창호는 1등급 수준의 성능을 확보하도록 함
• 패시브 디자인을 위해 권장되는 창호의 선응은 열관류율 0.80W/㎡k 이하 및 투과율 50% 이하임

기술의 정의

• 창문이나 문을 닫았을 때 발생하는 틈이나 창문과 벽체에서 열이 빠져나가는 틈을 최소화하여 바깥 공기가 침투하거나 실내공기가 빠져가는 것을 차단하는 기술
• 틈새로 빠져나가는 열을 차단하여 실내 온도 유지 및 난방에너지 소비 절감이 가능하며 습기로 인한 곰팡이 발생을 방지 가능함

기술의 원리 및 적용방법

• 건물틈새를 막기 위하여 기밀층을 설치하거나 침기(누기) 부위에 기밀 시공을 하여 외피의 기밀성 확보를 해야함
• 건물의 기밀성능을 확보하기 위해서는 창과 문에 대한 기밀 계획이 필요함
• 기밀성0등급 이상의 제품을 사용하고, 창호 설치 후 구조체와 창 사이의 빈공간에 경화되지 않는 연질의 우레탄 폼이나 팽창 밴드를 사용하여 기밀을 확보해야 함
• 기밀성 및 침기(누기) 부위를 측정하여 해당 부분에 기밀 보완 시공이 이루어져야 함

• 전기, 통신 설비를 위해 설치된 배관에 기밀테이프를 사용하여 틈새를 차단해야 함
• 기밀테이프 사용 시 부착력이 좋은 테이프를 사용하며, 외부에 붙이는 테이프의 경우 투습 기능이 있는 제품을 사용해야 함

기술의 정의

• 실내와 실외의 열의 이동을 차단하는 것을 단열이라고 하며, 건물의벽에는 열손실을 줄이기 위하여 단열재가 설치되어 있음
• 단열재는 설치되는 위치에 따라 내단열, 중단열, 외단열로 구분됨
• 외단열이란 단열재를 건물 구조체의 외부에 설치하여 단열재가 건물을 감싸도록 설치하는 방법을 의미하며, 다른 단열 방법에 비하여 단열 효과가 뛰어나고, 열교 현상이 적음

기술의 원리 및 적용방법

• 단열재 설치 이음부위의 틈새가 발생하지 않도록 밀착 시공해야 함
• 이음부위나 모서리 부위는 통줄눈이 발생하지 않도록 엇갈리게 교차시공을 해야함
• 외벽의 모든 부위에 일정 기준 이상의 단열성능 확보가 필요하며, 단열재가 중간에 끊어져서 발생하는 열교 현상을 방지해야 함
• 외단열을 적용한 건물의 경우 단열재가 불쏘시개 역할을 할 수 있으므로 불연소재 및 난연소재를 검토하여 화재를 근본적으로 차단하는 것이 필수적이며, 외부에 노출되기 때문에 기후에 대한 대비가 필요함

단열재 설치 위치에 따른 단열 방법

• 창호 부위의 외단열 공법 시, 단열재의 연속성을 위하여 창호의 설치
• 위치는 구조체의 외측선을 기준으로 하고, 프레임까지 단열재를 설치하거나 단열재가 충진된 프레임을 사용해야 함
• 부착형 발코니는 건물에 단열재 시공 후 경량 구조의 발코니를 벽체에 연결하여 단열재 끊김 형상이 없도록 해야 함
• 외단열은 실내의 열을 구조체에 가장 많이 저장하여 활용할 수 있는 방법이면서 구조체에 저장된 열을 시간이 지남에 따라 천천히 흡수하거나 방출하여 실내온도를 일정하게 유지하므로 제로에너지건축물의 핵심기술임

기술의 정의

• 가정에서 사용하는 전체 에너지 중 1/3 이상을 차지하는 난방 에너지의 절약을 위하여 실내난방과 온수공급 두 가지 역할을 동시에 하면서 높은 효율을 가진 보일러를 사용하는 기술

기술의 원리 및 적용방법

• 고효율 보일러는 배기가스에 포함된 수증기의 열을 여러 번 재사용하는 콘덴싱 열교환 기술과, 수증기에 포함된 열을 회수하여 재활용하는 폐열 회수 기술 등을 이용하여 효율을 높임
• 콘덴싱 열교환 기술은 배기가스의 수증기에 포함된 열을 응축, 회수하여 배기가스 온도를 낮추는 기술이며, 폐열 회수 기술은 배기가스와 연소용공기를 열교환시킴으로써 연소용공기를 예열하는 기술임
• 동일한 성능의 보일러라도 부분부하 운전 시 운전 효율이 달라질 수 있으므로 과설계가 되지 않도록 적정 용량의 기기를 계획해야함

단열재 설치 위치에 따른 단열 방법

기술의 정의

• 에너지 효율이 높은 가전 제품으로 더 적은 에너지를 사용하는 뛰어난 성능의 제품들을 의미함
• 가전제품 중 에너지 사용량이 큰 에어컨의 경우 5등급 제품보다 1등급 제품을 사용할 시 약 30~40% 가량 에너지 절약이 가능함

기술의 원리 및 적용방법

• 고효율 가전기기는 일반 가전제품들 중 에너지소비효율등급이 높은 제품들로 각 제품마다 에너지 효율을 높이기 위한 별도의 기술을 적용함
• 보일러의 경우 앞서 고효율 관련 기술로 콘덴싱 기술, 폐열 회수 기술 등이 있으며 조명 기구의 경우 LED 조명 등이 있음
• 가전제품별 에너지소비효율등급은 "효율관리기자재 운용규정"에 의거하여 결정되며, 제품별로 다른 기준이 적용됨
• 에너지소비효율등급 라벨은 아래 그림과 같으며 라벨을 통해 효율등급, 소비전력량, 이산화탄소 배출량, 세부 제품정보, 연간 에너지 비용을 확인할 수 있음

에너지소비효율등급 라벨 상의 정보

기술의 정의

• 수소와 산소의 화학반응을 통해 직접 전기에너지를 생산하는 기술
• 현재는 수소의 가공이 어려워 천연가스를 연료로 사용하며, 항상 일정한 열이 필요한 곳에서 사용해야 높은 효율을 얻을 수 있음
• 수소와 산소를 이용하여 오염물질을 배출하지 않는 친환경 기술로 날씨와 환경에 상관없이 항상 전기를 생산 가능하며, 설치 장소에 제한이 없음
• 전기를 생산하면서 발생한 열을 온수 및 난방으로 이용 가능함

기술의 원리 및 적용방법

• 수소와 산소가 전기화학 반응에 의해 직접 발전하는 원리
• 연료전지의 단위전지는 연료극, 전해질층, 공기극으로 이루어져 있으며 연료극(+극)에 공급된 수소는 수소이온과 전자로 분리됨
• 수소이온은 전해질층을통해 공기극으로 이동하고 전자는 외부회로를 통해 공기극으로 이동함
• 공기극(-극) 쪽에서 산소이온과 수소이온이 만나 반응 생성물(물)을 생성함
• 최종적인 반응으로 수소와 산소가 결합하여 저기, 물 및 열을 생성함
• 발전효율이 30~40%, 열효율 40% 이상으로 총 70~80%의 효율을 갖는 발전 기술임
• 연료전지는 전해질의 종류에 따라 알카리, 인산형, 용융탄산염형, 고체산화물형, 고분자전해질형, 직접메탄올형 등으로 구분됨

연료전지의 구조

기술의 정의

• 지열에너지는 토양, 지하수, 지표수 등이 태양복사열 또는 지구 내부의 마그마 열에 의해 보유하고 있는 에너지를 의미함
• 지열에너지의 열을 이용하여 난방/냉방을 하는 경우를 직접 이용 기술, 지열에너지의 열을 이용하여 전기를 생산하는 경우, 간접 이용 기술로 분류함
• 날씨, 계절 등 외부 환경의 영향을 크게 받지 않는 장점이 있음

기술의 원리 및 적용방법

• 지하 100~150m 길이는 외부 온도에 상관없이 약 15℃로 일정한 온도를 유지하고 있으므로 여름에는 땅속이 지상보다 시원하고, 겨울에는 지상보다 땅속이 따뜻함
• 여름철에 지상보다 지중의 온도가 낮고, 겨울철에 지상보다 지중의 온도가 높은 계절별 온도차를 이용하는 것이 지열에너지의 원리임
• 지중 열교환기를 설치하여 겨울에 땅속에 저장된 열을 건물로 전달하고, 여름에는 건물로부터 열을 빼앗아 땅속으로 열을 보내는 일을 수행함
• 건물 냉난방 부하 및 지역 여건에 따라 다양한 종류의 지중 열교환기 설치가 가능하며, 지열을 회수하는 파이프(열교환기)회로 구성에 따라 밀폐형(closed-loop)과 개방형(open-loop)으로 구분됨

• 밀폐형은 파이프 내에는 지열을 회수하기 위한 열매가 순환되며, 루프의 형태에 따라 수직, 수평 루프시스템으로 구분
• 밀폐형은 수직으로 100~150m, 수평으로는 1.2~1.8m정도 깊이로 묻히게 되며 상대적으로 냉난방부하가 적은 곳에 사용
• 개방형은 수원지, 호수 등에서 공급받은 물을 운반하는 파이프가 개방되어 있는 것으로 풍부한 수원지가 있는 곳에서 적용 가능함
• 개방형은 파이프 내에서 직접 지열이 회수되므로 열전달 효과가 높고 설치비용이 저렴한 장점이 있으나 밀폐형에 비해 운전 유지보수 주의가 필요함