시대적 요청에 부합하다. 캐나다 Super-E house

[아브라함]

  시대적 요청에 부합하다. 캐나다 Super-E house

시대적 요청에 부합하다. 캐나다 Super-E house

1970년대 중반에 갑자기 전 세계를 휩쓸었던 ‘오일 쇼크’는 경제뿐 아니라 모든 산업분야에 큰 영향을 미쳤다.
그 중 건축분야. 목조건축의 선도국이라 할 수 있는 캐나다에서는 1970년대부터 단열재 사용을 의무화했다. 이를 통해 스티로폼과 같은 단열재와 복층유리를 사용하게 되었다. 하지만, 그 효과는 미비했다. 하지만 이를 시작으로 난방시스템의 고효율화, 태양에너지의 사용, 무공해 건축자재, 통합된 기계시스템, 태양전지의 활용, 물의 효율적 사용, 조명과 가전제품의 고효율화 등에 초점을 맞추어서 캐나다 건축은 진화한다.
이 중 고도로 밀폐한 주택은 습도가 높아지고, 실내 공기가 오염되어도 배출되지 않아서 주거환경이 악화되기 때문에 높은 에너지 효율을 유지하면서도 환기가 가능한 열 회수 환기장치(HRV-hert recovery Ventilator)를 사용하게 된 것은 중요한 기술적 발전이다.
이러한 기술의 집약을 통해 탄생한 것이 바로 Super-E house라 할 수 있다.



Super E-house는?

Super-E house는 쉽게 말해 에너지효율이 높은 친환경 건강주택으로 흔히 말하는 패시브하우스의 일종이라 할 수 있다. 여기서 E는 Energy-effcient(에너지효율), Economical(경제성), Environmentally responsible(친환경성), Enhances homeowner's quality of life(거주자의 삶의 질)를 의미한다.

Energy-effcient

Super E-house는 전 세계적으로 영국, 일본, 아일랜드, 프랑스, 스페인, 중국, 한국 등에 소개되었으며, 특히 영국에서는 정부가 주택의 에너지 효율기준을 대폭적으로 상향 조정했음에도 불구하고 Super-E house의 에너지 효율은 그것을 쉽게 능가함으로 주택시장에서 환영 받고 있다. Super-E house는 설계과정에서 HOT 2000이라는 컴퓨터 프로그램에 건축 예정지의 기후 데이터를 입력해서 그 건물의 에너지 효율을 미리 설정하는 정형화작업(Modeling)을 한다. 따라서 Super-E house는 지역적 기후특성에 맞게 집을 설계할 수 있다.
우리나라에서는 기초의 단열에 별로 관심을 보이지 않으나 캐나다에서는 열 손실이 건물의 기초를 통해서 크게 발생한다는 사실이 연구 결과로 밝혀졌기 때문에 Super-E house는 기초에도 단열시공을 철저히 한다. Super-E house는 캐나다에서 짓고 있는 일반적인 경골 목조주택보다 난방비용이 33% 적게 든다는 통계가 있다.


냉/난방 설비는 효율이 높은 것을 선택하는 것도 중요하지만, 주택의 냉/난방 수요에 맞는 (너무 크거나 작지 않은) 적절한 크기의 기기를 설치함으로써 높은 에너지 효율을 달성할 수 있다. 그러나 여기서 말하는 에너지 효율은 단지 냉/난방비용이 적게 드는 것만을 뜻하는 것이 아니다. 세면대, 싱크대, 샤워, 양변기 등도 절수형 제품을 사용하며, 전등기구와 가전제품은 에너지 등급이 높은 제품을 사용함으로써 에너지 효율을 높인다.

Economical

유지관리 비용이 적은 것과 높은 내구성을 의미한다. 시공을 잘못하거나, 공법을 잘못 적용해서 건물을 자주 보수를 해야 하며, 건물의 수명이 짧다면, 건축주는 매우 불만스럽고, 경제적 손실이 커지게 된다. 내구성을 높이기 위한 한 가지 예로써, Super-E house에는 비바람막이(rainscreen) 공법을 적용 한다. 강한 비바람이 불 때 그 바람의 압력으로 인해서 인해서 빗물이 외벽 속으로 침투하는 것을 방지하기 위함이다.
따라서 이 공법은 외벽 마감재와 목 구조체의 내구성을 높일 뿐만 아니라 사이딩과 같은 치장벽에 도장한 페인트의 재 도장 시기도 늦출 수 있어서 경제적으로 이득 발생한다.

Environmentally responsible

천연자원은 유한한 것이다. 현 세대가 절약하지 않는다면, 다음 세대 그리고 그 다음 세대들은 자원의 부족으로 인해서 많은 고통을 받게 될 것이다. 목재는 대표적인 지속 가능한 자원이다. 그뿐만 아니라 목재의 생산에 드는 에너지는 철강을 비롯한 다른 건축자재에 비해 월등히 낮아서 친환경적이다. 그러나 캐나다의 통계에 의하면 주택건축에서 목재가 차지하는 비율은 총 건축자재량의 20%에 해당하지만 건축 폐기물의 비율은 40%를 차지한다. 폐기물을 줄이는 것은 앞으로 건축분야의 큰 숙제이며, 작업에 꼭 필요한 양만을 주문해서 알뜰하게 사용하는 것이 자원의 절약과 함께 경제성을 높이는 길이다.


Super-E house는 자원을 절약하는 공법을 사용한다. 일반적으로 외벽에 2” x 6” 구조재를 사용하는 것은 2” x 4” 구조재를 사용하는 것보다 단열을 더 강화하기 위함이며, 구조적 강도와는 무관하기 때문에, 우리나라에 처음 도입된 Super-E house에는 외벽용 구조재를 절약하기 위해서 2” x 6” 대신에 2” x 4” 목재를 사용했다. 샛기둥 사이의 공동에는 유리섬유 대신에 이소시아누레이트 (isocyanurate, 상품명- 아이시닌) 폼(foam)을 충전했고, 벽 덮개 위에 1-1/2” 이소시아누레이트 경질 단열판 2장을 부착함으로써 2” x 6” 샛기둥을 사용하는 일반적 공법보다 더 높은 단열치를 얻을 수 있었다.


Super-E house에는 다량의 공학목재를 사용한다: 공학목재는 속성수이면서 과거에는 용도가 별로 없어서 상업적 가치가 낮았던 포플러, 사시나무, 자작나무 등과 같은 수종을 사용해서 제조하기 때문에 목재자원의 보호에 많은 기여를 한다. 오랫동안 자란 직경이 큰 원목을 사용해서 생산하는 제재목이나 합판과 비교해서 공학목재는 물리적 특성이 더 좋거나 동일하다. 예를 들면, 합판과 동일한 용도로 사용하는 OSB가 있으며, I-장선, LSL, LVL, glulam, parallam, timber strand 등은 강도가 높고, 더 긴 경간(span)에 사용이 가능하며, 처짐이 적고, 습도에 덜 민감한 것과 같은 장점이 있기 때문에 비록 가격은 더 비싸지만 사용할 만한 가치가 충분하다. 종전에는 결점으로 인해서 폐기했을 목재를 결점을 제거한 후에 핑거 조인트(finger-joint)해서 생산한 샛기둥이나 몰딩으로 사용하는 것도 자원의 낭비를 방지하는 좋은 방법인 것이다.



Super-E house는 에너지 효율이 높아서 전기 혹은 화석연료를 적게 사용해서 온실가스의 배출을 줄일 수 있다는 점에서 자원과 환경 보호에 기여한다. 그뿐만 아니라 절전형 조명등과 가전제품, 절수형 위생기구 등과 재생 건축자재 등을 사용해서 주택을 보다 친환경적으로 만든다.
경골 목조주택에서는 실내를 내화구조로 만들기 위해서 주로 석고보드를 사용해서 벽과 천장을 마감하며, 벽 표면에는 페인트를 도장하는 경우가 많다. 현재 페인트 회사들은 급속히 까다로워지고 있는 환경기준에 맞도록 유해 성분을 줄여서 저공해 내지 무공해 페인트를 개발하려고 노력하고 있지만, 대부분의 페인트에는 과거보다는 양은 적을지 모르지만 휘발성 유기화합물들(VOC)이 포함되어 있어서 밀폐된 공간인 주택의 실내에 사용하면, 거주자가 페인트로부터 배출되는 유해 가스에 지속적으로 노출되기 때문에 건강에 해롭다. 일부 페인트는 대기오염을 일으키며, 페인트를 잘못 폐기해서 하천으로 흘러 들어가면 수생식물에 피해를 줄 수 있다. 따라서 Super-E house에는 저공해 내지는 무공해 수용성 페인트만을 사용한다.    


건축적으로는 공해를 최소화한 주택을 짓는다 해도 가구, 붙박이장, 벽지와 접착제 등을 선택할 때 다시 한번 주의해야 한다. 요즈음 가구를 만드는 데는 파티클보드, MDF 등을 흔히 사용하는데 이 재료들은 발암물질로 규정된 포름알데히드를 배출하는 경우가 많으며, 가구의 표면에 사용한 도장재와 용재 등도 건강에 피해를 줄 수 있다. 벽지와 벽지를 부착하는데 사용하는 접착제도 친환경적인 것을 잘 선택해야만 공해가 없는 생활환경이 조성된다.

Enhances homeowner's quality of life

“건강주택” 이라는 용어는 과연 어떻게 정의하는 것이 옳을까? 병에 걸린 사람을 낫게 하는 주택이란 말인가? 사람마다 다른 견해를 가지고 있을 수 있겠지만, 필자는 “건강에 해를 끼치지 않는 주택”이라고 정의하고 싶다.
우리는 열악한 생활환경 속에서 살기 때문에 “건강” 혹은 “웰빙”이라는 단어에 큰 매력을 느낀다. 그러나 상업화 된 사회에 사는 우리 소비자들은 상업적 목적으로 위장한 잘못된 광고에 의해서 무의식 중에 세뇌될 뿐만 아니라 판단력을 잃게 된다. 이와 같은 문제는 우리나라의 주택문화에서도 쉽게 발견할 수 있다. 과연 아파트 이름을 외국어로 “건강”이라고 짓는다고 그곳에 사는 사람들의 주거환경이 건강에 특별히 더 좋은 것일까?


우리는 공해 없는 주거환경을 간절히 추구하지만 사실상 건강에 100% 무해한 주택을 짓는 것은 불가능에 가깝다. 주택을 건축하려면 매우 다양한 자재들을 사용하게 되는데, 소비자 혹은 건축업자가 그 자재들의 품질이나 공해물질의 사용여부를 정확히 판단해서 선택하는 것이 불가능하다.  이와 같은 어려움은 식품을 선택할 때에도 경험하게 되며, 국가에서 품질검사와 인증제도를 엄격하게 체계화해야 어느 정도 해결될 수 있는 문제들이다.


Super-E house에는 무공해 자재들을 최대한 사용한다. 제재목은 걱정하지 않아도 되겠지만, 공학목재는 목질과 접착제를 주원료로 사용하기 때문에 무공해 내지는 저공해 자재를 선별해서 사용하는 것이 중요하다. Super-E의 인증에 필요한 조사서에는 건강에 좋지 않은 것으로 알려진 카펫(carpet)의 면적이나 건물의 바닥면적과의 비율까지도 항목에 포함되어 있다는 사실을 보더라도 주택에 사용하는 자재들에 대한 철저한 선별이 중요하다.  


Super-E house는 에너지 효율을 높이기 위해서 건물외피(building envelope)를 고도로 단열하고 밀폐함으로써 실내의 공기질(IAQ)이 일반주택에 비해서 더 쉽게 악화된다. 아무리 고도로 단열을 해도 건물외피에 수많은 구멍이 존재해서 많은 공기가 건물 내부로 유입되거나 건물내부에서 외부로 유출된다면 건물의 에너지 효율이 낮아질 수밖에 없다. 최악의 경우에는 에너지 효율이 50%까지 손실이 생긴다는 연구결과가 있다. 이와 같은 건물에서는 실내의 공기 질을 크게 걱정할 필요가 없을 것이다. 그러나 Super-E house에서는 실내의 공기 질을 항상 신선하게 유지하는 것이 매우 중요한 과제이다.


우리는 흔히 신축 혹은 개축 건물에 사용한 건축자재에 휘발성 유기 화합물(VOC)을 사용했는지 여부와 그것들의 배출가스로 인한 실내공기의 오염을 걱정한다. 그 문제를 걱정하는 것은 매우 당연한 일이지만, 환기설비가 없는 건물에 살면서 적절하게 환기를 하지 않는 생활습관도 건강에 해를 줄 수 있다는 사실에는 별로 관심을 보이지 않는다.  


Super-E house에는 에너지 손실을 최소화 하면서도 지속적으로 환기를 할 수 있는 열 회수 환기장치(HRV-Heat Recovery Ventilator)를 설치한다. 이 환기장치는 외부로부터 흡입하는 신선한 공기와 외부로 배출하는 옥내공기와 사이에 열 교환이 이루어 지도록 함으로써 에너지 손실을 최소화한다. 창문이나 문을 열지 않아도 지속적으로 환기가 가능하며, 환기장치에 부착된 필터가 옥내로 유입되는 공기에 포함된 먼지를 상당량 제거하기 때문에 실내를 자주 청소하지 않아도 되는 장점이 있다.


그 밖에도 건강에 도움이 되고 에너지 효율이 높은 주택을 짓기 위해서 가능하면 건물의 방위를 남향이 되도록 하는 것도 중요하며, 방의 용도에 따라서 창문의 위치와 크기를 적절히 설계해서 겨울에 충분한 햇빛을 실내로 받아들이도록 하는 것은 정신건강에 도움이 된다. 또한 건강주택의 중요한 요소 중에 하나는 물이다. 주택에 오염되지 않은 깨끗한 물을 공급하는 것은 건강과 직결된 문제이기 때문이다.

혁신적 냉/난방 시스템  

Super-E 표준(standard)에는 Super-E 하우스를 짓기 위해서는 반드시 어떤 특정한 공법을 채택해야만 한다는 규정이 없다. 철근 콘크리트 공법을 사용해도 가능하지만 캐나다에서는 주택건설에 주로 목재를 사용하기 때문에 Super-E 하우스를 경골 목구조로 지을 다름이다.






Super-E에는 냉/난방 설비의 유형도 규정되어 있지 않다. 우리는 조상대대로 주택의 바닥을 따뜻하게 해서 그 복사열을 이용하는 “온돌”방식을 이용해 왔고, 온돌난방을 매우 자랑스럽게 생각한다. 그러나 온돌은 이제 우리의 전유물이 아니다. 미국과 캐나다에서도  “radiant heating”, “in-floor heating” 등과 같은 몇 가지 명칭을 사용하면서 그 인기가 점증하고 있다.      


목조주택을 짓는 분들 가운데는 과연 온돌을 어떻게 목 구조에 응용하는 것이 좋을지 고민하는 분들이 있을 것이다. 건축자재 전시회에 가보면 새로운 건식공법을 선보이기도 하지만, 대부분의 경우에는 우리가 살고 있는 아파트에서와 같이 파이프를 적절한 간격으로 바닥에 깔고 더운 물을 흘려 보내서 바닥을 덥히는 온수난방 시공방식을 사용한다. 이 시공방식을 그대로 경골 목구조에 적용하게 되면 바닥장선 위에 콘트리트 슬래브(slab)를 시공하게 된다. 이런 경우에는 콘크리트의 하중에 견디도록 바닥 장선을 크게 보강해야 하는 경제적 손실이 생기며, 구조부재들의 변화로 인해서 슬래브에 균열이나 부동침하가 생길 수도 있다.


필자가 시공한 Super-E 하우스는 모든 면에서 매우 캐나다적인 요소가 많지만 난방 만은 우리의 정서와 생활방식에 맞는 온돌방식을 채택하기로 했다. 그래서 이 프로젝트의 기획단계에서 앞서 언급한 것과 같은 온수난방의 시공법을 캐나다 측의 기술자들에게 알려주었다. 그들은 콘크리트 슬래브로 인한 하중의 증가가 목 구조에서는 바람직하지 않다는 점을 지적하면서, 따뜻한 공기에 의한 복사열 난방방식을 대안으로 제시했다. 비록 그들의 방식이 실험적인 면도 있어 보였으나 이론적으로 매우 타당해 보였기 때문에 채택하기로 했다.


그와 같은 시스템을 설치하려면 집을 지을 때, 공기 분배통(plenum) 역할을 하는 바닥밑 공간(crawl space)과 또 다른 공기 분배통(plenum) 역할을 하는 다락 공간을 샤프트(shaft)로 연결하고, 샤프트의 밑에 팬 코일(fan coil)을 부착하도록 설계해야 한다 .

    
이 Super-E 프로젝트의 주안점 가운데 하나는 캐나다의 첨단기술과 자재를 이 주택에 적용하는 것이었기 때문에 머지 않아 고갈될지도 모르며, 가격이 급상승하는 화석연료에 의존하기 보다는 미래지향적으로 태양열을 난방의 주 에너지 원(source)으로 사용하기로 했다. 따라서 지붕 위에 태양 집열판을 설치하고, 바닥밑 공간에 설치한 솔라 보일러(solar boiler)와 서로 파이프로 연결한 후에 그 회로에 열 매체인 부동액을 넣는다.


솔라 보일러는 순환펌프와 열 교환기로 구성되어 있는데 순환펌프의 동력은 집열판 옆에 부착한 태양전지(solar cell)에서 발생하는 전류를 이용한다. 집열판에서 가열된 부동액은 순환펌프에 의해서 솔라 보일러 안에 있는 열 교환기를 통과하면서 보온 물탱크에 있는 물을 가열하며, 이와 같은 과정이 지속되면서 축열이 이루어진다. 해가 지거나 햇빛이 약한 경우에는 집열판이 열을 획득하지 못할 뿐만 아니라 동시에 태양전지도 전류를 생산하지 못함으로 시스템의 가동이 자동적으로 멈추게 되어서 열 손실이 방지된다.  




보온 물탱크에 들어 있는 더운 물은 팬 코일을 통과한 후에 보온 물탱크로 다시 돌아오도록 순환시킨다. 이때, 팬 코일의 팬(fan)을 아래 방향으로 회전시키면 샤프트를 통해서 공급되는 공기가 팬 코일을 통과하면서 따뜻해 진다. 바닥밑 공간은 이 따뜻한 공기로 인해서 온도가 상승하게 되면서 바닥 장선, 바닥 덮개, 바닥 마감재 등이 따뜻해 짐으로써 바닥에서 복사열이 발생하여 온돌과 같은 난방효과를 얻게 된다. 또한 따뜻한 공기는 가볍기 때문에 위로 상승해서 2층도 따뜻한 공기에 의해서 덥혀진다.  


냉방의 경우, 전기를 사용하는 냉방기 대신에 온도가 낮은 지하수를 기존의 팬 코일을 통과시킨 후에 하수도로 배출한다. 팬 코일을 통과하면서 냉각된 공기를 팬(fan)이 샤프트를 통해서 다락 공간으로 밀어 올린다. 이 찬 공기는 더운 공기와는 반대로 무겁기 때문에 2층 천장에 있는 레지스터들을 통해서 마치 샤워하듯이 아래층으로 내려가면서 자연스럽게 건물의 내부 전체를 냉각시킨다 .


이와 같은 냉/난방 방식은 비록 약간의 전기를 사용하는 것이 불가피하지만 많은 양의 값비싼 전기를 사용하지 않기 때문에 경제적 부담이 적고, 가격이 급등하는 화석연료를 사용하지 않기 때문에 경제적이며, 탄소, 온실가스 등을 배출하지 않는 친환경적 장점이 있다.




Super-E house는 주택을 어떻게 짓느냐가 아닌 주택이 어떻게 성능을 발휘하는가에 초점을 맞추고 있다. 그렇기 때문에 우리나라의 기후조건과 미적 감각에 맞도록 설계할 수 있는 융통성을 부여하고 있다. 예를 들면, 겨울철에는 복사열 난방 시스템으로서 바닥 밑 공간이 따뜻한 공기를 공급하는 플리넘(Plenum)의 역할을 한다. 그렇게 함으로써 방바닥이 따뜻해지고 더운 공기가 주택의 상층부로 골고루 분배된다. 여름철에는 냉방을 위해 이 시스템을 역으로 작동시키며, 2층 천장 위에 있는 냉방용 플리넘은 냉가된 공기를 아래층을 향해 분배한다. 주택의 중앙부에 있는 커다란 수직형 덕트(Shaft)와 팬이 공기의 흐름을 바꿔준다.


이런 Super-E house의 기술표준은 캐나다 R-2000 기술표준에 기반을 두고 있다. 이는 건축법에 맞게 시공한 일반 목조주택보다 에너지 효율이 40%이상 높은 주택을 만들어낸다. 모든 Super-E house는 표준에 부합하는지 여부를 확인하기 위해 등록 및 시험절차를 거치며 캐나다 정부가 인정하는 인증서를 수여받게 된다.

Super-E house의 효율성을 높이는 데에는 경골목구조 주택이 한 몫 거든다. 경골 목조주택은 연중 낮은 에너지 비용으로도 쾌적한 생활을 영위할 수 있기 때문이다. 실제로 북아메리카에 있는 대부분의 주택은 목재로 지어지고 있으며, 철저한 시공/유지관리를 통해 100년 이상 보존할 수 있는 튼튼한 주택이라 할 수 있다.
또한, 목재는 세포로 이루어진 구조로 인해 좋은 단열재가되며 목재 구조물은 열교량작용과 차가운 표면에 발생하는 결로문제를 극복해야하는 콘크리트 혹은 강철 구조물보다 포괄적인 성능면에서 우수하다. 또한, 여러 차례 실험을 통해 내진/내화 성능을 인정받은 바 있고, 층간 소음문제 해소를 위한 노력도 끊임없이 이어지고 있어 구조재로서의 우수성은 그 어떤 자재와 견주어도 손색이 없다 할 수 있다.