④ 에너지 효율, 패시브 건축으로 공략하기

[예수님은 구원자요 임금님이십니다]

에너지 효율, 패시브 건축으로 공략하기

저자 M. Lechner 교수 | Auburn University
역자 고배원 | Innovative Design 공동대표, AIA, USGBC Faculty, LEED AP BD+C

성공적인 패시브 난방, 합리적 비용과 에너지 효율이 핵심
효과적인 장치 활용 통해 연중 최적의 디자인 도출해내야

건물의 에너지 사용량을 줄이기 위한 기본적인 디자인 기술들 중 가장 쉬운 것이 태양의 자연법칙에 순응하는 디자인이다. 이 방법은 태양을 이용한 건축이라고 할 때, 사람들이 흔히 생각하는 태양열 급탕이나 태양광 발전 전기 패널보다 훨씬 더 돈이 적게 들고, 심지어 대부분의 경우 전혀 돈을 더 들일 필요가 없는 경우도 많다. 이번 회에서는 패시브(passive) 태양열을 이용한 난방 기술을 중점으로 소개하고자 한다.

▲ 사진1. 시온 국립공원(Zion National Park)의 방문자센터는 아주 훌륭한 태양열 건축을 보여준다. 상층부 측창과 남측창을 이용한 직접적인 일사량 유입, 반투명유리와 결합한 트롬브 벽체, 자연채광, 그리고 태양광 발전 패널(photovoltaics)등이 사용되었다.

패시브 디자인과 태양열 난방 기술
패시브 난방 기술은 세 가지 주요 기술로 나눌 수 있는데, 첫째는 남향창호를 이용한 직접적인 일사량 확보, 둘째는 남향의 창호가 두꺼운 매스를 가진 벽을 덮는 트롬브 벽체(Trombe Wall), 그리고 세 번째는 온실(Sunspace)을 이용하는 방식이다.
트롬브 벽체 방식은 채광을 하지 못하고 오직 난방만을 실내에 제공하는 제약이 있다. 온실(Sunspace) 방식이 세 가지 중 가장 효율적이지 못하고 비용도 비싼데도 불구하고 널리 사용되고 있다. 온실의 고비용은 기본적인 시공비뿐만 아니라, 단열과 차양에 드는 비용에서 발생한다. 가장 친환경적인 온실은 동쪽이나 서쪽 그리고 천정 쪽으로는 유리를 사용하지 않은 디자인이다. 사실 온실(Sunspace)은 남향이 모두 유리로 덮인 실내공간을 말하며, 기계적으로 냉난방을 하지 않는 공간이다. 때로는 1층 높이 이상의 공간이 되기도 한다. (역자 추가 의견 : 국내에서는 건축을 전공한 전문가들뿐만 아니라 일반인들에게도 남향의 중요성이 문화 속에 깊이 자리하고 있다. 남향 주거 아파트가 강조되는 것은 우리 건축 문화가 갖는 강점이다. 하지만 최근 발코니를 터서 주거공간으로 사용하는 추세는 위에서 Lechner 교수가 지적한 온실의 기능을 없애버리는 것으로, 에너지 절약 및 실내 열적인 쾌적성 측면에서 보면 발코니를 온실로 활용하여 여름에는 직사광선에서 오는 열을 차단하고 겨울에는 난방효과를 가져올 수 있는 기능을 없애버리는 행위인 것이다.)

‘태양열 에너지’하면 비싸다는 인식은 잘못된 것이다. 어떤 시스템을 말하는가에 따라 다르다. 기본적인 패시브 태양열 난방은 디자인 단계에서 잘 융합돼서 반영된다면 전혀 비용이 발생하지 않을 수 있음을 명심하길 바란다. 가끔 기본적인 디자인에서 조금 더 발전된 패시브 디자인의 경우도 몇 년 안에 그 추가비용을 상쇄하게 되는 것이 보통이다. 온실(Sunspace)은 보통 비용적인 부분을 정당화하기가 쉽지 않다.
난방이 필요한 빌딩이라면 어느 건물이든지 패시브 태양열 디자인을 채용할 수 있는데, 이는 친환경적이라는 윤리적 이유에서뿐만 아니라, 비용을 추가로 들이지 않고도 할 수 있는 기술이기 때문에 경제적으로도 타당한 이유가 뒷받침된다.

모든 남향 창은 겨울동안에 에너지 측면에서 보면 이득(net gainer of energy)이다. 왜냐하면 평균적으로 하루 24시간동안 잃는 에너지의 양보다 낮에 일사량을 통해 얻는 에너지의 양이 더 많기 때문이다. 따라서 남측 창호가 패시브 태양열 난방의 가장 기본이 된다.
지구와 태양의 자연법칙에 의해 남쪽 수직 창문에 겨울에는 최대의, 여름에는 최소의 일사량을 도달하게 한다. 이는 정확하게 건물이 필요로 하는 점이다(그림1 참조). 반면에 수평이거나 거의 수평에 가까운 창호와 – 예를 들면 천창(skylight) – 동쪽 혹은 서쪽으로 난 창은 여름에 최대, 겨울에 최소가 되어 건물이 필요로 하는 반대의 열량을 전달해 준다.

▲ 그림1. 오로지 남측창만이 겨울에는 최대의, 여름에는 최소의 일사량을 유입한다. 천창(수평적인 창호)과 동측 및 서측 창호는 이와 정반대이다. 여름에는 최대의, 겨울에는 최소의 열량을 받아들인다. 이 그래프는 위도 32도의 경우를 보여주지만, 이 원칙은 온화한 기후에 해당되는 모든 지역(역자 주 : 한국 전역을 포함)에 해당된다.

 
결론적으로 건축사가 디자인 단계에서 신경 써야 할 부분은 동쪽과 서쪽으로 난 창호의 면적을 최소화하고 남측으로 그것들을 배치하는 것이다. 이는 비용이 전혀 들지 않는 디자인상의 결정일 뿐이다. 남측 창을 최대화할수록 더 많은 열량이 겨울동안에 들어온다는 것을 기억하길 바란다. 만약 창문들이 겨울의 태양에 충분히 노출되지 않으면 패시브 난방은 실패할 것이다. 성공적인 패시브 난방을 구현하기 위해서 건축사는 남측창의 크기를 잘 결정해야 하는데, 사이트의 조건을 평가해 주는 도구들을 이용하면 된다. 건축사 스스로 할 수 있는 간단한 툴부터 비용을 주고 구입해야 하는 복잡한 툴까지 다양하게 나와 있다. - 두 개의 DIY(Do-It-Yourself) 툴이 내가 저술한 책, 『Heating, Cooling, and Lighting: Sustainable Design Methods for Architects, 3rd Edition』에 수록되어있다.

패시브 난방의 과제는 합리적인 비용을 들여 빌딩의 에너지 소비를 줄이는 데에 있으므로, 축열체(thermal mass), 고단열 창호, 야간 단열, 하계절 차양 시설 등의 태양열 이용을 효과적으로 증대시켜줄 수 있는 장치들을 고려하는 것이 중요하다. 이제 이 장치들을 하나하나씩 살펴보자.

열(熱) 저장하기
겨울철 맑은 날에는 남측 창을 통해 들어오는 열의 양이 대개 실내를 충분히 덥히고도 남을 만큼 많다. 실내가 더워진다고 해서 창문을 열어 다시 식히는 것은 피해야하며, 대신에 그 남은 열을 어딘가에 축적해서 밤에 사용하면 이상적이다. 축열체(thermal mass)가 바로 그 역할을 효과적으로 해낼 수 있다. 콘크리트 구조체를 가진 빌딩이라면 그 구조체가 카펫이나 다른 단열효과를 가진 커버로 덮어져있지 않는 한, 훌륭한 축열체 역할을 할 수 있다. 특히 슬라브의 경우 창을 통해 들어온 햇살이 직접 슬라브 바닥에 닿는다면, 그 슬라브의 축열효과는 최상이 된다. 기본적으로는 축열체의 양이 많을수록 좋지만, 대개 1층의 지면에 닿는 슬라브 외에 축열체를 추가로 하는 것을 조심스럽게 고려해야 하는데 이는 설치비용 때문이다. 축열체를 디자인 할 때는 축열체의 표면적을 넓히는 것이 축열체의 두께를 늘리는 것보다 더 효율적이다. 왜냐하면 열은 축열체의 상부 표면 몇 인치 내에 낮 동안 저장되었다가 밤에 배출되기 때문이다. 

▲ 사진2. 노스캐롤라이나 주 Carrboro에 위치한 주택들로 주요 패시브 디자인 요소들을 잘 보여준다. 모든 집들이 동-서 방향을 축으로 남쪽 면이 길게 디자인되어 남측 창의 면적을 최적화하였고 동서향 창을 최소화했다. 패시브 디자인에 반(反)하게 주로 저지르는 실수가 노란 색의 주택에서 잘 나타난다. 너무 깊게 디자인된 차양시설 및 파란색 빌딩에 의해 만들어지는 그늘은 겨울철 오후의 햇빛을 차단해버리는 결과를 낳고 있다.

열손실을 최소화하고 열 획득은 최대화하기
유리와 메탈 프레임으로 이루어진 창호는 남쪽이라 하더라도 열을 얻기도 잃기도 하므로, 열효율 측면에 있어서는 비효율적인 자재이다. 따라서 열손실을 최소화하고 열 획득은 최대화하는 방안을 찾아야 한다.
단열 성능이 높은 창호는 열손실을 줄여주기도 하지만, 반대로 받아들이는 열의 양 또한 줄어든다. 일반적인 투명유리 한 겹은 약 10퍼센트의 태양열을 차단한다. 더군다나 고단열 성능 유리는 비용도 크다. 이상적인 방법은 중간정도의 단열성능(moderate R-value)을 가지는 동시에 열 획득 효율(solar heat gain)이 큰 창호와 야간 차열 장치(night insulation)를 함께하는 것이다. 야간 차열 장치는 여름철 실내에 사람이 없는 낮 동안에도 열이 들어오는 것을 차단해 주는 장치로도 활용이 가능하다.
열전도(conduction)와 대류(convention)에 의한 열손실을 막기 위해서는 야간 차열 장치 주변을 기밀(氣密)하게 막아야 한다. 예를 들면 롤러타입의 창 가리개가 현재 제품으로 나와 있다. 하지만 금속제 반사 코팅이 입혀진 롤러타입 음영장치나 반사율이 높은 금속으로 만들어진 베니션 블라인드(Venetian Blind)와 같은 복사열을 차단하는 방식이 더 간단하다. 복사열 차단 코팅이 된 창호나 복사열 차단막(radiant barrier)이 추가된 벽체는 열 흡수 및 손실을 20mm 두께의 단열재(R-4)를 사용한 것과 같은 효과로 줄여준다. 좀 더 비용이 저렴하며 효율이 좋은 야간 단열 장치가 개발되기를 기대해 본다.

▲ 사진3. 영국 런던에 위치한 Beddington Zero Energy Development 빌딩은 남향의 파사드를 최대한 활용하여 패시브 난방과 태양광발전(photovoltaics)을 도입한 좋은 예를 보여준다.

눈부심 현상과 자연채광의 양 조절하기
패시브 태양열 난방을 도입할 때 간과해서는 안 되는 부분이 눈부심 현상과 자연채광의 양이 너무 초과되는 케이스다. 상업건물과 교육시설에 있어서 눈부심 현상은 2개의 상하로 나뉜 블라인드를 사용해 조절할 수 있다. 상부(눈높이보다 높은 부분)는 흰색의 각도 조절이 가능한 블라인드를 사용하여 자연의 빛을 천정 쪽으로 반사시켜 내부로 깊숙이 끌어들인다. 반면 하부는 한 면은 흰색, 다른 면은 어두운 색을 가진 날개들로 구성된 블라인드를 통해 눈부심을 조절할 수 있다.
또한 겨울철에는 이 하부의 블라인드를 조절하여 빛을 실내 바닥으로 향하도록 만들고, 아니면 어두운 부분을 바깥으로 향하도록 조절해서 태양의 열을 흡수, 그 에너지를 실내로 다시 복사․방출하도록 하는 것이다. 단 건물 내에서 높은 조도의 햇빛이 들어오는 부분에는 색이 퇴색될 수 있는 물건들은 배치하지 않는 것이 좋다.
만약 이와 같은 방법이 가능하지 않다면, 그 대안으로 트롬브 벽체가 사용될 수 있다(그림2 참조). 벽체의 두께는 열 흡수와 방출의 시간차(time lag) – 벽체에 열이 햇빛으로부터 흡수되는 시점부터 실내로 방출되기까지 벽체에 저장되어 지체되는 시간차를 말함 – 를 결정하는 요소이다. 대개의 경우 남향 창으로부터의 직접적인 열 획득과 트롬브 벽체를 결합한 형태의 전략이 최상의 결과를 나타낸다. 

▲ 그림2. 트롬브 벽체는 직접광(Direct Sunlight)이 없이도 눈부심이나 변색현상을 최소화하고 난방효과를 낮으로부터 밤으로 지연시키는 효과를 제공한다. 창호를 향하는 벽체의 표면은 어두운 색일수록 혹은 고기능성 코팅 재료일수록 좋다. 유리는 반드시 투명유리이어야 할 필요는 없으며, 때로는 반투명 유리가 사용되기도 한다. 직접적인 열 흡수와 트롬브 벽체를 동시에 채택하는 것이 가장 효율적인 방법이다.

연중 최적의 운영성능을 위한 차양방식
비록 남측창이 여름에 받아들이는 열의 양이 겨울보다는 적다고 하나, 그것은 여전히 필요 없는 열량이다. 따라서 연중 에너지 성능을 높이기 위해서는 남측창을 비롯하여 동측과 서측 창들의 차양이 되어야 한다.
고정된 처마가 남측창의 차양에 효과적이라는 것은 주지의 사실이다. 하지만 처마의 깊이가 너무 깊으면 겨울철 해를 차단하는 누를 범하게 되고, 너무 얕으면 여름의 햇빛이 실내로 너무 많이 유입된다. 가장 적합한 처마의 깊이를 분석해서 찾아내어 겨울의 필요한 일사량은 실내로 유입시키고 여름의 불필요한 일사량은 차양하는 디자인을 하는 것이 최적의 방법이다(그림3 참조).

▲ 그림3. 춘분(春分)과 추분(秋分)인 3월 21일과 9월 21일은 태양의 고도는 같으나, 춘분은 아직 춥고 추분은 아직 더운 경우가 대부분이다. 따라서 고정된 차양이나 처마는 추분에 태양광을 모두 차단하고 춘분에는 모두 유입할 수 있는 장치가 되지 못한다. 온화한 기후지역(한국 포함)에서는 지면의 열 축적 효과에 의해 태양의 시간(solar year)과 지구 열환경 시간(thermal year)에 차이가 발생한다. 따라서 차양의 깊이 조절이 가능하거나 루버를 열고 닫을 수 있는 동적인 장치가 최적의 효과를 가져 올 수 있다.

조절 가능한 차양 장치 - 예를 들면 기계적 냉방이 발명되기 전의 중세 때 사용하던 수동식 천막차양(awning) - 는 더욱 훌륭한 해결책이 될 수 있다. 1년에 단 두 번만 조절하더라도 거의 100퍼센트에 가까운 겨울철 일사량 흡수와 여름철 일사량 차단을 이뤄낼 수 있다. 아마 어느 독자이든지 여름철 햇볕아래 놓인 차안에 들어가 본적이 있다면, 패시브 난방이 여름철에 얼마나 더 강력한지를 알고 있으리라 본다. 다시 말해. 여름철 일사량을 차단하지 않으면 겨울철에 열 흡수에서 얻는 난방의 효과를 다 상쇄하고 마는 것이다. 따라서 여름철에 모든 창호와 트롬브 벽체, 온실(sunspace)의 유리를 차양하는 것이 아주 중요하다. 어느 기후지역에 위치하건 간에, 모든 건축물은 한 계절만이 아닌 한 해 전체를 통합적으로 이해한 디자인이 이루어져야 한다. 다음에 더 기회가 주어진다면, 다양한 디자인의 효과적인 차양 장치들을 소개할 기회를 갖고자 한다. 

네 번째 글을 맺으며(역자의 글)
경각심을 일깨우기 위해 다소 경고성 이야기로 시작했던 첫 회(본지 180호, 2014.5.19. 발행)를 시작으로 친환경 기획 시리즈도 어느새 4개월째에 접어들었다. 미국의 상황과 한국의 상황이 다소 다를 수 있음에도 불구하고 이번 회에서 Lechner 교수의 기고문을 싣기로 결정한 것은 독자들께 미국의 교수가 바라보는 친환경 건축에서의 패시브에 대한 견해를 있는 그대로 보여드림으로써, 차이점이라는 렌즈를 통해 바라보는 어쩌면 신선한 시각이 느껴질 수도 있겠다는 기대에서이다. 만약 이번 회의 기고문이 한국의 실정을 무시한 지면 낭비로 읽혀졌다면 독자들께는 죄송할 따름이다. 세부적인 적용성의 현실적 차이에 관점을 고정시키기 보다는 각 문화의 차이와 현실적 차이에도 불구하고, 전문가들이 그 현실에 맞는 최적의 해결방법들을 찾아가고 있는 트렌드를 이해하는 관점으로 바라보는 아량을 간곡히 요청하는 바이다.

다섯 번째 글 예고
다음 회에서는 ‘모듈러 건축의 친환경성과 미래’란 제목으로 친환경 건축의 한 흐름인 모듈러 건축에 대한 소개와 미국에서 시행되고 있는 모듈러 건축의 트렌드 및 시공 사례 등을 소개할 예정이다. 특히 다음 회는 미국 Western Carolina University Construction Management Department 소속인 안용한 교수의 특별기고문이 실릴 예정이니 독자 여러분의 많은 기대를 바란다. 

역자 주1) 저자인 Lechner 교수의 남향 창호의 장점에 대해 설명한 부분은 이미 우리나라에서는 건축가들뿐만 아니라 일반인들도 이해가 깊은 부분이지만, 미국이나 서양에서는 이에 대한 이해도가 현저히 떨어져서 건축사들조차도 그 기본을 이해하지 못하고 있다. 따라서 패시브 디자인과 친환경 설계를 교육할 때, 이러한 남향에 대한 이론을 가장 먼저 강조하고 있는 것이다.

※ 저작권 공지 : 위의 글은 미국 태양에너지학회(American Solar Energy Society)의 ‘Solar Today’ 매거진 2012년 2월호에 실린 글을 학회 및 저자의 허락 하에 번역한 것이며, 본 학회가 저작권을 소유하고 있다. 따라서 학회의 허락 없이 무단으로 재 인쇄 및 사용하는 것이 법적으로 금지되어 있다.  

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Norbert M. Lechner 교수(lechnnm@auburn.edu)는 건축가 겸 Auburn University의 건축대학 명예교수로 재직 중이다. 또한 LEED 인증 전문가와 미국 태양에너지 협회의 최고명예회원(fellow)으로, 특히 태양열 이용 건축을 비롯한 고에너지효율 건축의 전문가이다. Lechner 교수가 저술한 『난방, 냉방, 조명: 건축가를 위한 디자인 방법론(Heating, Cooling and Lightning : Design Methods for Architect)』 이라는 책은 미국 및 전 세계 3분의 1에 이르는 대학에서 교재로 사용되고 있으며, 곧 네 번째 편집본(4th edition)이 John Wiley & Sons 출판사에 의해 발간될 예정이다. Lechner 교수는 각종 컨퍼런스와 워크샵에서 기조연설이나 디자인 기술적인 주제 발표를 미국을 비롯한 세계 여러 국가에서 해오고 있는 존경받는 연설가이기도 하다.

친환경 건축설계 및 컨설팅 회사인 Innovative Design에서 현재 디자인 담당 공동대표(Principal, Director of Design)로 미국에서 활동 중인 고배원 대표(미국 건축사AIA)는 그린빌딩 및 인텔리젼트 빌딩을 전공하였으며, 1999년부터 미국에서 활동하고 있다. 미국 그린빌딩협의회(US Green Building Council)에서 100여명의 전문가를 위촉하여 USGBC의 공인 Faculty로서 LEED교육을 맡기고 있는데, 고 대표는 한국인으로는 유일하게 Faculty로서 2010년부터 활동 중이며, 미국 및 한국에서 현재까지 약 60여개의 컨퍼런스나 학회에서의 강연활동을 통해 친환경 건축의 보급에 기여하고 있다. 대표작 중 다수가 그린빌딩 및 친환경 건축과 관련한 상을 수상하였으며, 대표작으로는 Northern Guilford Middle School, Andrew H. Wilson Charter School, Creative Arts Building at Haywood Community College 등이 있다. 

http://m.archinews.net/view.php?ns_id=11106 

건축사신문