Research Article

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. 30 December 2023. 354-365
https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20230030

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 연구방법

  •   연구대상

  •   실내공기질 현장측정 개요

  •   실내공기질 평가방법

  •   CLT 건축물의 에너지 사용량 분석 방법

  • 실내공기질 측정 결과

  •   총휘발성유기화합물(TVOC) 측정결과

  •   폼알데하이드(HCHO) 측정 결과

  •   총부유세균 측정 결과

  • 단열성능 및 CLT 건축물의 에너지 사용량 분석 결과

  •   CLT 건축물의 건물에너지 성능 평가 결과

  •   CLT 건축물의 건물에너지 성능 평가 결과

  • 결 론

서 론

우리나라뿐만 아니라 전 세계에서 지속적으로 배출되고 있는 온실가스로 인해 기후 문제가 발생하고 있다(Shin and Choi, 2021). 현대 사회에서는 기후 변화가 전 세계적으로 심각한 문제로 부상하며 탄소중립이라는 개념이 강조되고 있으며, 국내 도심 건물의 온실가스 배출량이 전체의 약 68.7%에 달해 큰 문제가 되고 있다(Park et al., 2022a). 건축분야는 2030년까지 2018년 대비 온실가스 배출량을 32.8% 감축하는 것을 목표로 제로에너지건축, 그린리모델링 등의 다양한 탄소중립 건축 정책이 시행되고 있다(Munkhbat et al., 2021; Shim and Lee, 2021; Lee and Lee, 2022; Park and Choi, 2022). 2020년 7월에는 한국판 뉴딜과 종합계획을 발표하면서 그린뉴딜 주요과제의 일환으로 국민생활과 밀접한 공공시설의 제로에너지화 촉진을 강조하고(Lee, 2023b), 공공부문 연면적 5백 m2 이상 신축건축물의 제로에너지건축물 인증 의무화를 2025년에서 2023년으로 앞당겼다(Shim and Lee, 2021). 이에 따라 제로에너지건축 의무화를 위한 건축물의 에너지 효율을 높일 수 있는 방안을 마련할 필요가 있다.

목재는 우수한 단열성능으로 건물에너지 효율을 개선할 수 있을 뿐만 아니라 탄소흡수원으로써 2050년 탄소중립에 기여할 수 있는 지속 가능한 천연재료이다(Park et al., 2022b; Lee, 2023a). 탄소저장량이 우수한 목재는 탄소중립을 위해 다양한 방법으로 건축물에 적용되고 있다(Park and Oh, 2021). 그중 저급 목재 활용을 위해 1990년 초 유럽 오스트리아와 독일에서 개발된 구조용 교차집성재(Cross Laminated Timber; CLT)는 새로운 방식의 목조건축 자재로 기존의 석조나 콘크리트와 비교하여 높은 탄소저장량과 낮은 탄소배출량을 갖는 친환경적이고 쾌적한 주거환경을 제공한다(Yoo and Lee, 2020; Yeo et al., 2023). CLT는 넓은 집성판을 합판과 같이 교차하여 적층하기 때문에 넓은 판상형 재료로써 활용이 가능할 뿐만 아니라 기존의 섬유 방향으로 평행하게 적층된 집성재의 단점을 보완할 수 있는 장점도 가지고 있다(Karacabeyli and Douglas, 2013; Chang et al., 2017). 고층 건물의 주요 구조재료로서 최근 많이 쓰이기 시작하는 CLT의 제조 공정은 우리나라의 삼림 환경에서도 풍부하고 지속해서 생산될 수 있는 비교적 작은 나무들을 공학적 방식으로 접합하여 습도와 화재에 대한 저항과 뒤틀림, 강도 등을 향상시켜 도시의 고층 건축 방식에 경제적이고 안정적인 대입이 가능하다(Jin et al., 2023). 최근 CLT는 국내외로 다른 복합소재와의 혼합 적층을 통하여 CLT의 생산 비용 절감 등에 대한 시도가 점차적으로 증가하고 있다(Chang et al., 2017; Kim et al., 2018). 국내는 합판을 코어로 이용한 Ply-lam CLT가 신기술을 획득하고 단체 표준을 인정받는 등 새로운 국산 제품에 대한 기대 가치 높아지고 있으며, 현재 합판을 층재로 사용하였을 때 물리적, 기계적 특성 결과를 통하여 단체표준이 제정되어 있다. 해외의 경우 배향성 스트랜드보드, 단판적층재 등과 같은 목질재료를 층재로 적용하는 사례가 증가하고 있으며 각 국가의 목재산업에 맞는 CLT를 제조하고 있다. 국내 또한 목재산업을 고려한 Ply-lam CLT 외 추가적으로 사용 가능한 층재 모색이 필요하다.

이에 본 연구는 다양한 목질재료를 이용한 복합 구조 CLT를 대상으로 공기질과 건물에너지 사용량 변화를 비교 검토하고자 하였다. 우선, 실험을 위해 제작된 목업동은 72 mm의 두께를 가진 CLT를 5개의 벽면과 1개의 지붕으로 구성하여 제작되었으며, 해당 목업동을 활용하여 코어층 재료에 따른 실내공기질 및 건물에너지 사용량 변화 검토를 통해 다양한 코어층의 CLT를 활용한 건축물의 건축성능 평가를 진행하였다.

연구방법

연구대상

집성재와 CLT는 목조건축물의 구조재로 사용되는데 현재 국내 목조주택시장에서는 대부분의 목재를 국산재보다는 수입품 목재에 의존하고 있는 실정이다(Chang et al., 2017). 수입에 의존하고 있는 국내 시장이 국산 목재를 이용한 국산목재제품의 개발 목표를 가지고 있으며(An et al., 2013; Kim et al., 2022), 현재 국내 여러 업체에서 구조용 집성재를 생산 및 판매하고 있다. CLT는 배향성 스트랜드보드, 단판적층재 등과 같은 목질재료를 층재로 적용하는 사례가 증가하고 있으며, 각 국가의 목재 산업에 맞는 구조용 직교 집성판을 제조하고 있다(Kim et al., 2018; Kang et al., 2022). 이에 따라 본 연구는 코어층 재료가 다른 CLT 목업 테스트를 기반으로 실내공기질 및 건물에너지 평가를 진행하였으며, CLT 적용에 따른 건축 성능 평가를 진행하였다. CLT는 3가지의 목업동을 통해 건축 성능 평가를 진행하였으며, 코어층에 각 낙엽송 집성재(Larch Wood, LW), 파티클보드(Particle Board, PB), 합판(Ply-Wood, PW)이 적용된 크기 1.2x1.2x1.2 m3, 두께 72 mm의 3-ply CLT 목업으로 Figure 1과 같다. 목업은 6면의 CLT가 박스 형태 이루어져 있으며, CLT 목업의 건축성능 평가를 위해 입구 부분은 분리될 수 있도록 제작되었다.

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Figure 1.

Mock-up image of the measurement target

실내공기질 현장측정 개요

코어층 종류가 다른 3가지 CLT 목업의 실내공기질 시료 채취는 2023년 공정시험 기준 ‘신축공동주택 실내공기질 측정법’(ES 02130.f(NIER), 2023)에 따라 채취하였다. 시료의 채취는 바닥면으로 부터 1.2 ~ 1.5 m 높이의 중앙을 기본 측정점으로 하였으며, 측정 시기의 경우 겨울철인 1월 중으로 측정하였다. Table 1과 같이 총휘발성유기화합물(TVOC), 폼알데하이드(HCHO), 총부유세균(TAB)를 대상으로 신축공동주택 공정시험 기준에 따라 실내공기질 측정 전 30분 이상 환기 후 5시간 밀폐 과정이 이루어졌으며, 오후 1시 ~ 오후 7시 사이에 시료 채취를 진행하였다. 밀폐 과정에서 외부 공기 유입을 막기 위해 기밀 테이프를 이용하여 밀폐하였다.

Table 1.

Indoor air quality measurement method

Indoor air pollutant Total Volatile Organic Compound; TVOC (μg/m3)
Formaldehyde; HCHO (μg/m3)
Total Airborne Bacteria; TAB (CFU/m3)
Measurement Method 30-minute ventilation → 5 hours of confinement → Measurement start
Measurement Period 2023.01.18. ~ 2023.01.24.
Measurement Time 1:00 PM to 7:00 PM

실내공기질 평가방법

코어층 종류가 다른 3가지의 CLT 목업은 환경부의 실내공기질 관리법 시행규칙 ‘실내공기질 유지기준’, ‘실내공기질 관리기준’(ME, 2023)에 따라 실내공기질을 평가하였다.

총휘발성유기화합물(Total Volatile Organic Compounds, TVOC)는 Figure 2(a)와 같이 Mini Pump for VOC 장비와 Tenax-TA 고체흡착관을 이용하여 일정한 유속(0.1 L/min)으로 30분/1회씩 연속 2회 채취하였다. 흡착관은 흡착제의 열적 안정성을 고려하여 Tenax-TA와 Carbotrap 2B를 조합한 Stainless Steel 소재의 튜브를 사용하였다.

폼알데하이드(Formaldehyde, HCHO)는 Figure 2(b)와 같이 Mini Pump for HCHO 장비와 DNPH Cartridge, Ozone Scrubber을 이용하여 일정한 유속(0.3 L/min)으로 30분간 연속 2회 CLT 목업 내부의 공기를 포집하여 각 유기화합물의 구성 및 농도를 분석하였다. DNPH Cartridge는 오존과 빛에 의해 영향을 받기 때문에 Cartridge 앞쪽에 Ozone Scrubber를 연결하고, 측정과 운반하는 과정에서 은박지를 이용하여 Cartridge가 햇빛에 노출되지 않도록 하였으며, 총휘발성유기화합물과 폼알데하이드는 공기를 포집하여 각 유기화합물의 구성 및 농도를 분석을 위해 서울대학교 농생명과학공동기기원(NICEM)에 분석을 의뢰하였다.

총부유세균은 Figure 2(c)와 같이 실내공기질 공정시험기준에 따라 제조된 일반세균 분석을 위한 TSA (Tryptic Soy Agar) 배지를 이용하였으며, 에어샘플러(Spin-air)를 이용한 충돌법으로 현장의 공기를 채취하였다. 시료채취량 250 L 이하를 만족하도록 60 LPM 으로 5분간 채취하였으며, 20분 간격으로 3회 연속 측정하였다. 채취가 완료된 배지는 뚜껑을 덮고 파라필름으로 밀봉하여 직사광선을 피해 실온에서 실험실로 운반하여, 시료를 채취한 배지는 35±1°C에서 48시간 동안 배양기에서 배양하였다. 배양 후 배지에 증식한 집락수를 센 후 평균 집락수를 구하여 측정 대상 실내공간의 총부유세균 수로 하며, 보정된 집락수를 이용하여 공기 중 총부유세균의 농도(CFU/m3)를 식 (1)를 통해 산출하였다. 식 (1)에서 C는 실내 공기 중 총부유세균의 농도를 의미하며, 측정 대상 실내공간의 총부유세균의 보정된 집락수 CFU와 환산된 채최공기량 V(25°C, latm)를 통해 산출하였다.

(1)
C=CFUV(25,latm)

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Figure 2.

Indoor air quality measurement equipment; (a) TVOC, (b) HCHO, (c) TAB

CLT 건축물의 에너지 사용량 분석 방법

건물에너지 해석 프로그램 DesignBuilder를 통해 CLT 건축물의 에너지 사용량 분석을 진행하였다. DesignBuilder는 DOE (미국에너지부)의 EnergyPlus를 기반으로한 통합 건물 에너지해석 시뮬레이션 프로그램으로, LEED와 ASHRAE 90.1 데이터 값(위치, 날씨, 재실자 사용 스케줄, 창호 타입, 기계 환기 및 급탕 스케줄 등)이 탑재되어있다. DesignBuilder는 3D로 건물을 모델링 하여 시각화할 수 있고, 작성한 모델에 대해서 빛, 온도, CO2 등의 환경을 동적 시뮬레이션한다. 기상데이터는 DesignBuilder에 탑재된 중부1지역, 중부2지역, 남부지역, 제주도 4개의 기상데이터를 통해 해석을 진행하였다. 건물 모델링의 경우 1930년에 준공된 지상 2층의 폐교를 대상으로 모델링하였으며, 대상건물은 Table 2와 같다. 대상건물을 효율적인 에너지 사용과 건물의 재활용하기 위한 방안 도출을 위해 3가지의 지역(중부 1지역, 중부 2지역, 남부지역)과 3가지의 용도(학교, 기숙사, 사무공간)로 재구성하여 건물에너지 사용량을 분석하였다. 건물 구조는 본 연구에서 제작된 목업과 같이 LW, PB, PW로 구성하였다. 본 연구의 목업은 72 mm 두께의 3-Ply CLT 이다. 실제 CLT 가 내력벽으로 사용될 경우 5-Ply CLT 정도의 두께가 요구되며, 건축물로 사용하기에는 부족한 건축 성능이기 때문에 본 연구는 선행연구(Kim et al., 2013; Chang et al., 2017)를 통해 도출된 열전도율 값을 이용하여 3-Ply CLT를 5-Ply CLT로 산출하였다. 산출된 열관류율 값을 통해 CLT 건축물의 건물에너지 사용량을 DesignBuilder를 이용하여 알아보았으며, 추가로 5-Ply CLT를 대상건물에 적용하여 지역별 건축 성능에 필요한 단열재 두께와 단열재 적용을 통한 건물에너지 사용량을 알아보았다.

Table 2.

Characteristics of Target Building

Location Jinju
Usage Educational facilities
Completion year 1930
Building size Floors: 2 ground levels / Total floor area : 1,753 m3
Construction Masonry (envelope), wooden structure (roof)
Window system 6-mm clear glazing + wooden frame
Purpose Empty building

실내공기질 측정 결과

총휘발성유기화합물(TVOC) 측정결과

총휘발성유기화합물은 대표적으로 접착제, 도료 등 건축자재에서 많이 발생하는 인공 휘발성유기화합물(Anthropogenic Volatile Organic Compounds, AVOC)과 나무, 풀 등 식물에서 배출되는 생물학적 휘발성유기화합물(Biogenic Volatile Organic Compounds, BVOC)로 구분된다. AVOC는 부타디엔(Butadiene), 벤젠(Benzene), 톨루엔(Toluene), 자일렌(o,m,p-Xylene), 스티렌(styrene), 에틸벤젠(Ethylbenzene) 등이 있으며, 발암성을 가지고 있는 유해물질로 5VOC(벤젠, 톨루엔, 자일렌, 스티렌, 에틸벤젠)가 대표적이다. BVOC의 종류는 일반적으로 이소프렌(isoprene), 모노테르펜(monoterpene), 세스퀴테르펜(sesquiterpenes), 기타 반응성 VOC (other reactive VOC, ORVOC), 기타 VOC (other VOC, OVOC)와 같이 총 다섯 가지로 구분된다. CLT 목업의 코어층에 적용된 낙엽송 집성재(LW), 피티클보드(PB), 합판(PW) 자재에 따른 5VOC (벤젠, 톨루엔, 자일렌, 스티렌, 에틸벤젠), BVOC (모노테르펜) 배출 특성을 분석하여 Figure 3으로 나타내었다. LW, PB, PW의 AVOC 배출량은 각각 3088.4 μg/m3, 2210.6 μg/m3, 3725.9 μg/m3을 나타내며 특히 자일렌, 스티렌, 에틸벤젠의 배출량이 많이 나타났다. ‘신축 공동주택의 실내공기질 권고기준’(자일렌 700 μg/m3, 스티렌 300 μg/m3, 에틸벤젠 360 μg/m3)보다 높은 배출량을 보였으나 CLT 목업의 경우 환기가 되지 않는 밀폐된 공간에서 측정이 진행되어 높은 경향을 보인 것으로 판단된다. 건축 목재 실내 적용 시 실내 쾌적성 측면에서 높은 수준을 유지하기 위해서는 접착제 등의 관리 수준 및 충분한 환기를 통해 개선이 필요하다. CLT 목업에서 배출된 모노테르펜의 화학성분은 알파-피넨(α-pinene), 베타-피넨(β-pinene), 미르센(Myrcene), 리모넨(Limonene), 캄펜(Camphene), 사비넨(Sabinene) 등이 있으며, 측정 시 배출량이 많은 α-pinene, Myrcene, Limonene, phellandrene, Geraniol, Boneol을 대표 물질로 선정하여 분석하였다. 모노테르펜 총배출량은 LW, PB, PW 각각 100.5 μg/m3, 130.4 μg/m3, 212 μg/m3 배출되었으며, 모든 CLT 목업에서 α-pinene이 전체 모노테르펜의 70% 이상을 차지하고 있으며, 특히 PW의 경우 83% 이상 차지했다. 모노테르펜은 건조 목재에서도 배출되어 건축 목재로 적용 시 실내환경에 발생하는 유해물질 감소 및 긍정적인 성분 배출로 인해 실내 공기질을 개선할 수 있을 것이라 판단된다.

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Figure 3.

TVOC measurement results; (a) 5VOC, (b) Monoterpene

폼알데하이드(HCHO) 측정 결과

목업의 알데히드 중 폼알데하이드, 아세트알데하이드, 아세톤, 프로피온알데히드 및 아크롤레인이 주요 오염물질인 반면, 프로피온알데히드, 크로톤알데히드, 부틸알데히드 및 벤즈알데히드의 농도는 0으로 분석되지 않았다. 따라서 본 측정 분석에서는 관련 요인 평가시 폼알데하이드, 아세트알데하이드, 아세톤, 프로피온알데히드 및 아크롤레인에 대한 결과만을 제시하여 Figure 4로 나타내었다. 실내공기질 주요물질 오염특성을 파악하기 위하여 Aldehydes의 구성비를 살펴보았으며, 알데하이드물질 중 폼알데하이드가 가장 높게 나타났다. 세가지 목업의 폼알데하이드 평균은 40.89 μg/m3 으로 실내공기질 권고기준인 210 μg/m3 과 유지기준인 100 μg/m3 이내로 나타났다. 이러한 농도는 49 μg/m3 (0.04 ppm) 이상이면 아토피성 피부염이 발생하는 농도 이하로 인체에 미치는 영향은 미비할 것으로 판단된다. 알데히드 중 가장 높게 나타난 폼알데하이드의 농도는 LW, PW, PB 각각 31.24 μg/m3, 45.16 μg/m3, 46.28 μg/m3로 실내공기질 권고기준과 유지기준인 210 μg/m3 과 100 μg/m3 이내로 나타났으며, LW 목업에 비해 PW와 PB 목업의 경우 PW는 약 1.45배, PB는 약 1.48배로 비교적 높은 농도를 나타냈으며, 이는 합판과 파티클보드 제조 시 사용된 접착제에 의한 것으로 판단된다. 아세톤의 평균 농도는 28.3 μg/m3으로 폼알데하이드 다음으로 높은 농도를 나타냈으며, 이는 아세톤이 다른 카르보닐화합물에 비해 수명이 길어 광분해나 -OH와 반응에 의해 분해되기까지의 긴 시간이 걸리므로 높은 농도를 나타내는 것으로 판단된다. 아세톤의 화학물질 노출 기준은 TWA(시간가중평균노출기준)는 500 ppm (614,032 μg/m3), STEL(단시간노출기준)은 750 ppm (921,048 μg/m3)으로 본 실험에서 측정된 농도는 28.3 μg/m3으로 소량의 농도를 가지며, 이는 인체에 미치는 영향이 적을 것으로 판단된다.

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Figure 4.

HCHO measurement results; (a) Aldehyde, (b) HCHO

총부유세균 측정 결과

CLT 목업의 총부유세균 집락수는 1차 ~ 3차까지의 배양 후 평균값으로 계산하여 Table 3으로 나타내었으며, 공정시험기준에 따라 총부유세균 농도는 48시간 이후 LW 4 CFU/m3, PB 2.7 CFU/m3, PW 2.4 CFU/m3로 나타났다. 목업 중 LW가 가장 높은 농도지만, 실내공기질 관리법에 따른 유지기준(800 CFU/m3) 이하를 보이고 있다. 총부유세균은 습기가 많을 때(상대습도 70% 이상)와 20 ~ 35°C의 온도에서 번식이 빠르며, CLT 목업 측정 당시의 LW, PB, PW의 평균 온도는 각 4.94°C, 4.55°C, 5.12°C였으며, 습도는 53.92%, 56.67%, 58.25%로 총부유세균이 번식하기에는 낮은 온·습도를 보이고 있다.

Table 3.

Total Airborne Bacteria measurement results

24 hours 48 hours
Colony-forming units (CFU) Concentration Colony-forming units (CFU) Concentration
1st 2nd 3rd CFU/m3 1st 2nd 3rd CFU/m3
LW 4 2 4 2.7 6 5 4 4
PB 2 4 1 1.9 4 4 2 2.7
PW 2 2 2 1.6 3 2 4 2.4

단열성능 및 CLT 건축물의 에너지 사용량 분석 결과

CLT 건축물의 건물에너지 성능 평가 결과

건축물의 건물에너지 성능 평가를 위해 선행연구(Kim et al., 2013; Chang et al., 2017)의 목질 재료 열전도율 값을 이용하여 5-Ply CLT로 산출하여 Table 4로 나타내었다. 산출된 목업의 열관류율은 LW 1.418 W/m2K, PB 1.346 W/m2K, PW 1.360 W/m2K이며, 해당 열관류율 값을 건물의 구조체를 구성하여 3가지의 지역(중부 1지역, 중부2지역, 남부지역)과 3가지의 용도(학교, 사무공간, 기숙사)를 통해 건물에너지 시뮬레이션을 진행하여 건물에너지 성능평가를 진행하였다.

Table 4.

The thermal conductivity of CLT constituent materials and the thermal transmittance of a 5-Ply CLT

CLT components 5-Ply CLT
LW PB PW LW PB PW
CLT
Composition
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Thickness
(mm)
24 120
Thermal
Conductivity
(W/mK)
0.170 0.15 0.154 - - -
Thermal
transmittance
(W/m2K)
- - - 1.418 1.346 1.360

DesignBuilder를 통해 적용된 각 건물의 점유밀도는 기숙사 0.2153 People/m2, 사무공간 0.0538 People/m2, 학교 0.3767 People/m2로 적용되었으며, 기숙사의 경우 18시 ~ 05시, 사무공간 08시 ~ 18시, 학교는 09시 ~ 17시에 재실자의 비율이 높았다. 5-Ply CLT 건축물의 건물에너지 성능 평가 결과는 Table 5와 같다. LW, PB, PW 중 PB가 가장 적은 에너지를 사용하며, LW가 가장 많은 에너지를 사용함을 알 수 있다. PB가 적용된 중부 1지역의 대상건물은 학교 128.9 kWh/m2, 사무공간 124.1 kWh/m2, 기숙사 96.9 kWh/m2의 에너지를 사용하며, 중부 2지역은 학교 150.0 kWh/m2, 사무공간 141.2 kWh/m2, 기숙사 109.9 kWh/m2, 남부지역은 학교 136.6 kWh/m2, 사무공간 129.8 kWh/m2, 기숙사 102.0 kWh/m2의 에너지를 사용한다. 대상건물을 PB로 구성된 학교와 사무공간으로 활용할 때보다 기숙사로 활용할 때 가장 적은 에너지를 사용할 수 있었으며, 점유밀도와 재실 스케줄의 차이로 인해 에너지 사용량의 차이가 나타난 것으로 판단된다. 중부2지역의 경우 중부1지역과 남부지역보다 기온이 낮기 때문에 난방에너지 사용량이 많아 3가지 지역 중 가장 많은 에너지를 소비한다. 지역별로 5 ~ 8 kWh/m2 만큼 에너지 사용량 차이가 나며, 대상건물을 중부 1지역의 PB 구조체로 할 경우 가정 적은 에너지를 사용한다.

Table 5.

The building energy consumption of a 5-Ply CLT structure (kWh/m2)

Parameters School Office Dormitory
Central region 1 LW 129.7 124.9 97.6
PB 128.9 124.1 96.9
PW 129.1 124.3 97.0
Central region 2 LW 151.2 142.4 111.0
PB 150.0 141.2 109.9
PW 150.2 141.4 110.1
Southern region LW 137.3 130.5 102.7
PB 136.6 129.8 102.0
PW 136.8 130.0 102.1

CLT 건축물의 건물에너지 성능 평가 결과

대상건물의 외벽 열관류율은 LW 1.418 W/m2K, PB 1.346 W/m2K, PW 1.360 W/m2K로 하여 건물에너지 평가를 진행하였지만, 국내 건축물 에너지절약설계기준에 맞지 않는 단열성능을 가졌다. 본 연구는 Table 6과 같이 지역별 열관류율 기준(중부1지역 0.17 W/m2K, 중부2지역 0.24 W/m2K, 남부지역 0.32 W/m2K)에 맞는 단열성능을 가지기 위한 CLT 건축물에 필요한 단열재 두께를 알아보았다. 가장 적은 에너지를 사용한 기숙사를 대상으로 에너지 절감량을 검토하여 Table 6으로 나타내었다. 단열재 두께의 경우 PB가 95.3 ~ 205.6 mm로 비교적 얇은 두께의 단열재를 통해 국내 건축물 에너지절약설계기준의 단열 기준을 달성할 수 있으며, PB의 경우 LW, PW에 비해 가장 얇은 두께의 단열재를 사용된다. 단열재를 적용함으로써 중부 1지역은 84.4 kWh/m2, 중부 2지역 92.4 kWh/m2, 남부지역 92.3 kWh/m2의 에너지가 사용되며, 기존에 비해 중부 1지역은 12.5 kWh/m2, 중부 2지역 17.5 kWh/m2, 남부지역 9.7 kWh/m2 만큼 에너지가 절감되는 것을 알 수 있다.

Table 6.

Regional comparison of Insulation thickness by building type and analysis of energy consumption

Parameters Energy consumption
(kWh/m2)
Thickness (mm)
LW PB PW
Central region 1
(0.17 W/m2K)
84.4 207.1 205.6 205.9
Central region 2
(0.24 W/m2K)
92.4 138.5 137.0 137.3
Southern region
(0.32 W/m2K)
92.3 96.8 95.3 95.6

결 론

본 연구는 코어층 재료가 다른 3가지의 CLT 목업 테스트를 기반으로 CLT 적용에 따른 건축성능 평가를 진행하였다. CLT는 코어층에 낙엽송 집성재(Larch Wood, LW), 파티클보드(Particle Board, PB), 합판(Ply-Wood, PW)이 적용되었으며, 건축 성능 평가로 실내공기질 및 건물에너지 평가의 결과는 다음과 같다.

(1)실내공기질의 경우 환경부의 실내공기질 관리법 시행규칙에 따라 비교 검토하였으며, 측정인자는 총휘발성유기화합물, 폼알데하이드, 총부유세균을 측정하였다. 측정 결과 AVOC 외 모든 인자들이 다중이용시설의 권고기준, 유지기준 및 신축공동주택의 권고기준의 수치보다 낮은 수치로 측정되었으며, CLT를 건축에 적용할 시 인체에 미치는 영향이 적을 것으로 판단되었다.

(2)목업의 두께는 72 mm의 3-Ply CLT로 해당 CLT는 건축물 외벽으로 사용하기에는 부족한 건축성능을 가졌기 때문에 5-Ply CLT로 구성하여 건물에너지 분석한 결과 LW, PB, PW 중 PB가 가장 단열성능이 좋아 비교적 적은 에너지를 사용함을 알 수 있다. 또한 건축물을 중부 1지역의 PB 구조체로 기숙사로 활용할 시 96.9 kWh/m2의 에너지를 사용함으로써 가장 효율적인 에너지를 사용할 수 있다.

(3)5-Ply CLT 건축물을 국내 단열성능 기준인 건축물에너지절약설계기준에 맞추기 위해 필요한 단열재 두께를 비교 검토하였다. PB의 경우 중부 1지역 205.6 mm, 중부 2지역 137.0 mm, 남부지역 95.3 mm로, LW, PW에 비해 가장 얇은 두께의 단열재를 사용된다. 단열재를 적용함으로써 중부 1지역은 84.4 kWh/m2, 중부 2지역 92.4 kWh/m2, 남부지역 92.3 kWh/m2의 에너지가 사용되어 기존에 비해 9.7 ~ 17.5 kWh/m2의 에너지가 절감된다.

이상의 결과를 통해 코어층의 재료가 다른 CLT의 단열 및 실내공기질 등 건축성능 결과를 통하여 소비자 인식 개선 및 목조건축의 장점 홍보로 목조건축산업 활성화를 기대한다. 또한 본 연구는 단기간의 목업 테스트를 통해 분석하였기 때문에 실내공기질의 측정 한계가 있었으며, 실제 건축물 적용을 통한 장기적인 추가 연구로 실내공기질 평가와 단열성능 평가를 진행하여 코어층 적용 재료에 따른 CLT 건축물의 성능을 검증할 필요가 있다.

결 론

이 성과는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No. NRF-2021R1C1C1004635). 본 연구는 산림청(한국임업진흥원) 산림과학기술 연구개발사업‘(FTIS 2022466B10-2224-0201)’의 지원에 의하여 이루어진 것입니다.

References

1
An, K.W., Park, K.S., Ahn, Y.S. (2013). Feasibility Study on the Construction of a Wood Industrialization Services Center for a Wood Industry Cluster Establishment in Jeollanam-do. Korean Society of Forest Science, 104(4), 506-514. 10.14578/jkfs.2013.102.4.506
2
Chang, S.J., Wi, S., Lee, J., Lee, H., Cho, H., Kim, S. (2017). Analysis of Cooling and Heating Energy Demands of Wooden Houses with Cross-laminated Timber (CLT) Using Domestic Plywood as Core Materials. The Korean Society of Living Environmental System, 24(6), 752-759. 10.21086/ksles.2017.12.24.6.752
3
Jin, K., Kim, B., Kustanov, A., Kim, Y.H. (2023). CLT and Concrete Structures for Vertical Expansion of Aging Apartments - Through Inventory of Carbon and Energy (ICE) -. Architectural Institute of Korea, 39(6), 223-234.
4
Kang, Y., Ryu, J., Shim, I., Kim, S. (2022). Analysis of Used Area Indoors for Evaluating the Impact of Wood Products on Indoor Air Environment. The Korean Society of Living Environmental System, 29(2), 200-205. 10.21086/ksles.2022.4.29.2.200
5
Kim, D.H., Won, H.K., Min, J.A., Lee, C.J., Kim, E.G. (2022). The Effect of Changes in the Log Supply Policy of National Forests on the Domestic Log Market. Journal of Agriculture & Life Science, 56(6), 55-65. 10.14397/jals.2022.56.6.55
6
Kim, K., Yang, S., Kim, J., Choi, G., Kang, S. (2018). Study on Improvement of Insulating Performance of Ply-lam Core CLT. Journal of the Korea Furniture Society, 29(4), 277-283.
7
Kim, S., Yu, S., Seo, J., Kim, S. (2013). Thermal Performance of Wooden Building Envelope by Thermal Conductivity of Structural Members. Journal of the Korean Wood Science and Technology, 41(6), 515-527. 10.5658/WOOD.2013.41.6.515
8
Lee, J.H. (2023a). Carbon Neutral and Importance of Wood Utilization. Architectural Institute of Korea, 67(2), 21-24.
9
Lee, S., Lee, S. (2022). Improvement of Greenhouse Gas Emissions Calculation Considering the Life Cycle of Embodied Carbon of Buildings. Journal of Climate Change Research, 13(5), 557-565. 10.15531/KSCCR.2022.13.5.557
10
Lee, S.J. (2023b). A Study on the Role of Public Housing Operators to Secure the Performance of Zero Energy Buildings -Focusing on Energy Conservation and Efficiency Improvement-. Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, 24(2), 465-476. 10.5762/KAIS.2023.24.2.465
11
Munkhbat, U., Byun, S.Y., Lee, D.H. (2021). A Study on the Prediction of Achieving of Zero Energy Building Certification in an Apartment House according to Early Adoption of Zero-energy Buildings. Journal of KIAEBS, 15(4), 313-325.
12
Park, H.D., Yeo, S.H., Park, J.Y., Chang, S.J. (2022a). A Retrofit Proposal for the Utilization of a Closed School with Historical Value. The Korean Society of Living Environmental system, 29(6), 634-643. 10.21086/ksles.2022.12.29.6.634
13
Park, J., Yeo, S.H., Lee, J.H., Chang, S.J. (2022b). Development of Hybrid Cross- laminated Timber with Phase Change Material/Biochar to Improve Thermal Storage Performance of Structural Wood. The Korean Society of Living Environmental System, 29(6), 563-572. 10.21086/ksles.2022.12.29.6.563
14
Park, J.L., Choi, J.K. (2022). Analysis of the Awareness Difference between Designers and Builders on Zero-Energy Building Certifications. KIEAE Journal, 22(2), 55-61. 10.12813/kieae.2022.22.2.055
15
Park, K.S., Oh, K. (2021). A Flexural Performance Evaluation of CLT–Concrete Composite Floors Used Steel Shear Connectors. Architectural Institute of Korea, 37(10), 211-218.
16
Shim, H.S., Lee, S. (2021). A Study on the Performance Increase in Building Energy Technology according to the Korea's Zero Energy Building Policy. Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, 22(5), 543-553. 10.5762/KAIS.2021.22.7.559
17
Shin, H.P., Choi, J.M. (2021). A Study on the Characteristics of Greenhouse Gas Emissions by Building Use - Based on Green Together data from 2018 to 2021 -. Architectural Institute of Korea, 38(8), 237-246.
18
Yeo, S.H., Park, J., Park, H., Chang, S.J. (2023). Emission Evaluation of VOC according to the Wood Application Rate of a Scale Model for Elementary School Classrooms. The Korean Society of Living Environmental system, 30(1), 10-19. 10.21086/ksles.2023.2.30.1.10
19
Yoo, D.W., Lee, T.G. (2020). Analysis of the Types of External Wall and Roof Structure Layer Composition of CLT Building. Korean Institute of Rural Architecture, 22(4), 71-78. 10.14577/kirua.2020.22.4.71
20
Karacabeyli, E., Douglas, B. (2013). CLT handbook; US edition FPInnovations Special Publication SP-529E.
21
Ministry of Environment (ME). (2023). Enforcement Rules of the Indoor Air Quality Control Act (Ministry of Environment Command No. 918. Effective Date : 2023.1. 1.).
22
ES 02130.f. (2023). Indoor air sampling and evaluation method, National Institute of Environmental Research (NIER).
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