Research Article

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. February 2020. 1-9
https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20200001


ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 베트남 건물에너지 관련 현황 조사

  •   베트남 건설시장

  •   베트남 에너지정책

  •   베트남 기후분석

  •   연구의 목적 및 절차

  • 솔라 시뮬레이터를 활용한 건물 외피 태양열 취득열량 측정

  •   태양열 취득열량 측정시험 개요

  •   태양열 취득열량 측정장비 개요

  •   태양열 취득열량 산출방법

  •   벽체 태양열 취득열량 측정시험

  •   창호 태양열 취득열량 측정시험

  •   벽체 태양열 취득열량 측정결과

  •   창호 태양열 취득열량 측정결과

  • 단열패키지 적용효과 분석을 위한 시뮬레이션

  •   시뮬레이션 모델링 방법

  •   시뮬레이션 결과

  • 결 론

서 론

베트남의 건설업은 국가 전체 산업의 33.34% 수준에 도달하는 주요 산업으로 자리잡고 있으며 건설부(MOC, Ministry of Construction)는 일반 건축 자재에 대한 수요가 매년 10~12% 증가할 것으로 예상하고 있다. 또한, 베트남 건축자재 협회(IBM, Institute for Building Material)는 에너지 절약, 기후적응력, 비용 등을 고려한 친환경 건축자재들의 개발 필요성을 강조했다. 에너지 관련 정책으로 국가 에너지 절감 및 관련 인재양성을 목표로 하는 VNEEP Ⅲ를 통해 관련 산업 육성 및 환경 개선 의지를 뚜렷이 나타내고 있다.

베트남 정부는 건물에너지가 국가 에너지 절감 요소 중 상대적으로 효과가 큰 것으로 분석하고 건물에너지 절감에 국가 역량을 집중하고 있다(조경주와 조동우, 2017). 건물에너지 절감을 위해서는 건축물의 용도 및 재실환경 분석, 설비 시스템 제어 전략 수립, 단열성능 확보 등 다각적인 검토가 요구되지만 그 중 건축물에 적용되는 패시브 기술의 적용, 즉 건축 부재의 에너지 성능 확보는 선행되어야 할 가장 주요한 사항이며 추가적인 건물에너지 절감을 위한 기초 프로세스로 평가된다. 선행연구 결과에 따르면 건물 외피의 에너지 성능 향상을 통해 건물에너지 절감효과를 기대할 수 있는 것으로 분석되었으며 패시브 요소기술에 대한 꾸준한 관심과 함께 활발한 관련 연구가 진행되고 있다(방아영 외, 2015). 베트남의 신축 건물의 경우 건설부에 제정한 건물에너지 규정(QCVN 09:2017/BXD)에 만족하는 수준으로 건축되지만 국가 건물에너지 절감을 위해선 기존 건축물의 에너지 성능 향상이 필수적으로 요구됨에 따라 이에 대응하기 위한 방안으로서 고효율 패시브 요소기술을 활용한 개보수가 효과적일 것으로 판단된다. 또한 개보수 단계에서 적용되는 패시브 요소기술이 베트남 현지 기후조건이 고려된 최적 요소기술일 경우 건물에너지 절감 효과를 극대화시킬 수 있을 것이다.

베트남 건물에너지 관련 현황 조사

베트남 건설시장

앞서 언급된 바와 같이 베트남 내 건설업은 국가 전체 산업의 1/3에 해당하는 주요 산업으로서 건설시장의 규모는 계속해서 증가하고 있다. 베트남 통계청에서 건설시장 규모에 대해 분석한 자료에 따르면 2017년 기준 8.7% 증가한 127억 달러를 기록하였으며 BMI 보고서에 따르면 2015~2025년 동안 베트남의 인프라 및 건설시장은 연평균 10.4%의 성장률을 보일 것으로 예측하였다(KOTRA, 2019). 베트남 정부에서 추진하고 있는 건설·인프라 주요 사업 중 건축부문과 관련된 내용으로는 1군(District 1)을 비롯한 중심업무지구(CBD, Central Business District)의 혼합 문제를 해소하기 위해 2군(District 2) 개발이 요구됨에 따라 교육부문, 주거부문, 의료부문, 업무부문에서 개발될 계획으로 여러 투자자들의 관심이 집중되고 있다. 개발 과정에서 국가 에너지 절감 정책을 실현할 수 있는 다양한 검토가 이루어질 것으로 예상되며 건물에너지 절감을 위한 신기술 및 확장된 인프라가 투입될 수 있을 것으로 기대된다.

베트남 에너지정책

베트남 산업부 분석 자료에 의하면 베트남의 에너지 수입량이 수출에 비해 약 20% 높은 수치를 기록하였으며 전력 에너지 소비량의 경우 매년 약 10%의 증가율을 보이는 것으로 나타났다. 이에 베트남 정부는 에너지 절감 대책을 통해 국가 에너지 소비량을 2019년부터 2025년까지 5~7%, 2025년부터 2030년까지 8~10% 절감할 것으로 결정하였다. 에너지 정책의 일환으로 실행되고 있는 VNEEP (Vietnam National Energy Efficiency Programs)는 국가 에너지 절감을 목표로 기간별로 시행되며 현재 VNEEP Ⅲ(2019년~2030년)가 시행되고 있다. 이전에 시행된 VNEEP Ⅰ,Ⅱ는 에너지 라벨링 프로그램, 건물 및 교통부문 에너지 절감 등의 성과를 보였으며 국가 에너지 절감 목표 수치 대비 성공적인 절감효과를 보였다.

국내에서 시행되고 있는 ‘건축물의 에너지절약설계기준’과 유사한 성격을 갖는 건물 에너지 관련 규정으로는 QCVN 09:2017/BXD이 있으며, 업무용, 병원, 학교 등 6가지 용도의 건축물 중 2,500 ㎡ 이상의 건물에 대해 건물 외피, 환기 및 공기조화 시스템, 조명, 기타 전기 기기에 대해 제시하고 있다. 2007년에 설립된 베트남 그린빌딩위원회(VGBC : Vietnam Green Building Council)는 국외 친환경 인증 프로그램을 기반으로 베트남에 적용 가능한 친환경 인증시스템인 LOTUS를 개발했으며, 현재까지 총 21건의 프로젝트가 인증을 획득하였다.

베트남 기후분석

베트남의 국토의 특성으로 인해 열대, 아열대 및 온대 기후를 가지고 있으며 상대적으로 문순 기후의 영향을 강하게 받아 강우량이 많고 습도가 높다. 베트남의 수도이자 북부지방에 위치한 하노이의 경우 연말 연초 기후는 한국의 늦가을 날씨와 유사하며 미묘하지만 4계절의 변화가 일어난다(한국환경산업기술원, 2017). 베트남과 한국의 하절기 표준기상데이터를 활용하여 하절기 외기 온습도를 비교 분석한 결과 하절기 평균 외기 온도의 경우 베트남이 29.3℃, 한국이 24.15℃로 베트남이 17% 높은 온도분포를 보였다. 습도의 경우 베트남이 하절기 평균 80.2%, 한국이 71.7%로 베트남이 11% 높은 수치를 나타내는 것으로 나타났다.

연구의 목적 및 절차

본 연구는 열반사 단열재, 차열도료, 필름으로 벽체 및 창호 모듈을 구성하고, 물리적 시험과 시뮬레이션을 활용하여 베트남 건물에 적용시 에너지 절감 효과를 분석한다. 재료의 종류 및 구성에 따라 벽체 3종, 필름 적용방법에 따라 창호 2종을 KS L 9107에 따라 물리적 시험 후, 단열성능이 우수한 벽체 및 창호 모듈의 조합을 단열 패키지로 명칭하여 단열 패키지 적용시 냉방에너지 절감효과를 시뮬레이션으로 분석한다.

솔라 시뮬레이터를 활용한 건물 외피 태양열 취득열량 측정

태양열 취득열량 측정시험 개요

고기능성 외피의 여름철 일사에 의한 냉방부하 저감성능 평가를 위해 시뮬레이션 또는 시험장비를 활용한 기술 개발 및 표준 정립을 위한 연구가 국내·외에서 추진되고 있다. 우리나라는 인공광원인 솔라 시뮬레이터를 활용한 태양열 취득률 시험방법(KS L 9107, 2014)을 제정하였으며, 국제표준(ISO) 또한 개발되고 있다. KS L 9107은 인공광원의 조사강도와 실내·외 공기온도를 변수로하여 시험체의 광학특성에 따라 SHGC를 측정하는 방법에 대해 규정하고 있다(김태중 외, 2014). KS L 9107의 적용범위는 태양광의 직접 유입에 의한 부하변동이 매우 큰 창호 및 유리로 한정하고 있으나, 벽체의 단열성능에 따른 부하변화 또한 고려될 필요성이 있다. 본 연구에서는 Table 1과 같이 KS L 9107의 환경조건 중 여름철 기준 조사 강도, 온도 조건에 노출된 벽체 3종류와 창호 2종류를 대상으로 각 시험체별 일사에 의한 투과열량을 측정결과를 비교한다.

Table 1. Composition of Test sample

Type Composition
Wall-1 9 mm CRC board + 50 mm General insulation + 2 mm AL.Sheet
Wall-2 9 mm CRC board + 50 mm Thermal reflective insulation + 30 mm Air + 2 mm AL.Sheet
Wall-3 9 mm CRC board + 50 mm Thermal reflective insulation + 30 mm Air + 2 mm AL.Sheet + 1 mm Anti-heat paint
Window-1 6 mm Clear + 12 mm Air + 6 mm Clear + Film blind
Window-2 6 mm Clear + 12 mm Air + 6 mm Clear + Glass-attached form film

태양열 취득열량 측정장비 개요

태양열취득율 측정 챔버는 KS L 9107에서 규정하고 있다. 인공 광원을 모사하는 솔라 시뮬레이터와 실내외 환경 조건을 모사하는 환경챔버와 열량수집상자로 Figure 1, Figure 2와 같이 구성되어 있으며, 이밖에 표준에서 규정된 조건을 충족시키는 장비들을 포함한다.

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Figure 1.

Composition of testing apparatus

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Figure 2.

Pictures of Solar heat gain coefficient measurement equipment

열량수집상자는 열류량 측정장치와 함께 열의 이동을 유도하도록 냉각패널로 구성되어 있다. 시험체 크기는 1,500 mm×1,500 mm이며, 두께는 시험체의 구성재에 따라 달리할 수 있다.

태양열 취득열량 산출방법

Figure 3은 SHGC 측정원리를 나타내며, ISO 15099에 근거하여 산출된다. 일사취득열량은 실내외 공기온도 차에 의한 관류열량과 유리와 같은 투과체로 일사가 통과되어 실내로 직접 유입되는 일사열량의 합으로 산출된다. KS L 9107의 SHGC 산출방법은 계절에 따라 여름, 겨울로 시험환경 조건을 달리하며, 본 연구의 시험조건은 Table 2와 같이 수직면 일사량 500 W/㎡, 실외 공기온도 30±1℃, 실내 공기온도 25±1℃이다. 환경조건 구현 후, 2시간 동안 실내에 유입된 태양열 취득열량을 각 모듈별로 산출·비교한다.

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Figure 3.

Principle of KS 9107 test method (Kim et al., 2014)

Table 2. Experiment condition

Element Temperature Heat flow rate of incident solar radiation
Climate chamber 30 ± 1℃ 500 W/㎡
Metering box 25 ± 1℃
Chamber external environment 30 ± 1℃

벽체 태양열 취득열량 측정시험

벽체는 구성재에 따라 Figure 4와 같이 총 3가지로 분류되며, 일반형(Wall-1), 열반사형(Wall-2), 차열 및 열반사형(Wall-3)으로 구성된다. 일반형은 CRC보드 내장재, 단열재, 알루미늄시트 및 외장재로 구성되며, 열반사형은 일반형에서 중공층이 추가된 형태, 차열 및 열반사형은 일반형에서 중공층, 차열도료가 도포된다.

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Figure 4.

Types of wall specimens

창호 태양열 취득열량 측정시험

창호는 22 mm 복층 유리에 설치되는 단열필름의 유형에 따라 2가지로 분류되며, 유리 실내측 표면에 직접 필름을 부착한 부착형 단열필름 창호(Window-1)와 단열필름이 부착된 롤 블라인드를 유리의 실내측에 설치한 블라인드형 단열필름 창호(Window-2)로 Figure 5와 같이 구성된다.

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Figure 5.

Types of window specimens

벽체 태양열 취득열량 측정결과

벽체 시험체별 취득열량 산출 결과는 Figure 6과 같다. Wall-1은 평균 35 W로 총 4.2 kWh, Wall-2 평균 28 W, 총 3.3 kWh, Wall-3는 평균 9 W, 총 1.1 kWh로 산출되었으며, Wall-1 대비 Wall-2는 20.9%, Wall-3은 73.4%까지 취득열의 절감효과를 보였다.

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Figure 6.

Test result of walls

창호 태양열 취득열량 측정결과

창호 시험체별 취득열량 측정결과는 Figure 7과 같다. Window-1은 평균 406 W, 총 49.2 kWh, Window-2는 평균 252 W, 총 30.5 kWh 태양열 취득열량을 나타냈다. 차양이 없는 실험에 사용된 일반 커튼월의 경우 시뮬레이션상의 태양열취득률은 0.75로 일반 커튼월 대비 Window-1은 45%, Window-2는 46%의 저감 효과를 나타냈다. 조사면적 1.25 ㎡에 도달한 일사강도 1,125 W로 SHGC를 산출할 경우 Window-1은 0.36, Window-2는 0.22로 산출된다.

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Figure 7.

Test results of windows

단열패키지 적용효과 분석을 위한 시뮬레이션

시뮬레이션 모델링 방법

본 연구는 동적 에너지해석 프로그램 eQEUST를 활용하여 베트남에 위치한 사무용 건축물을 모델링하였으며, 입력데이터는 Table 3과 같다. 베트남의 건물에너지 효율화 규정은 연면적 2,500 ㎡ 이상, 2층 이상인 건물에 대한 벽과 지붕 열저항, 조명밀도, 설비효율, 창의 향과 면적비별 SHGC을 제시하고 있으며(QCVN 09:2017/BXD, 2017), 환기 관련 기준(QCXDVN : 05/2008/BXD, 2008)은 20l/s로 제시되어 본 모델에 ACH 0.6으로 적용하였다. 건물의 형상, 규모, 스케줄은 DOE의 면적 2,500 ㎡이상인 사무용 건물(Medium office)을 참고하였고, 기상데이터는 DOE의 하노이 지역에 대한 표준기상데이터를 활용하였다. 창호의 단열성능은 베트남의 LOTUS 인증제도에서 에너지 효율검토를 위한 시뮬레이션 Baseline의 입력값을 적용하였다(조경주와 조동우, 2017). 창호의 SHGC는 앞서 창호 태양열 취득열량 시험결과 중 SHGC값이 더 낮은 Window-2의 결과를 활용하였다.

Table 3. Overview of simulation model intput data

Classification Contents Reference
Site/Type Hanoi, Vietnam
Type Office
WWR 30%
Floor Area 4,950 ㎡ (width 50 m, depth 33 m) DOE
Height (Ceiling) 2.7 m (2.3 m)
Schedule Reference daily schedule
Cooling temp 24℃
Thermal resistance (U-value) Reference Wall : 1.0 ㎡·K/W (1.0 W/㎡·K), Reference Roof : 0.56 ㎡·K/W (1.76 W/㎡·K), Reference Window : 0.14 ㎡·K/W (6.81 W/㎡·K) Insulated Package Wall : 1.72 ㎡·K/W (0.58 W/㎡·K) QCVN 09:2017/BXD
SHGC Reference North 0.64, South 0.7, East 0.58, West 0.58
Blind : 0.22 (Window-2) Test result
LPD 11 W/㎡
Ventilation 20l/s (ACH 0.6 in this case) QCXDVN : 05/2008/BXD

본 연구는 벽과 창호의 성능조건에 따라 총 4가지 모델에 대한 냉방에너지 소비량을 비교하며, 베트남의 효율화 규정에 따른 모델(Reference)을 기준으로 솔라 시뮬레이터 시험에서 단열 성능이 가장 우수한 Wall-3 모델(Package Wall), Window-2 모델(Blind), 벽체 및 블라인드 모두 적용된 모델(Package Wall+Blind)의 냉방에너지 저감효과를 비교한다.

시뮬레이션 결과

연간 냉방에너지 소비량은 Table 4, 월별 냉방에너지 소비량은 Figure 8과 같다. 단열패키지 적용시 벽체 2.7%, 블라인드 적용시 12.7%만큼 절감되었다. 벽체와 블라인드를 모두 적용할 경우 15.1%까지 절감되었다. 벽체의 월별 냉방에너지 절감률은 8월 3.5%, 2월 0.4%이며, 8월을 기준으로 상승, 감소하는 패턴을 보면 단열성능 향상으로 실내외 공기온도 차이에 따른 냉방부하 절감효과가 일사열 차단에 의한 절감효과보다 큰 것으로 판단된다. 블라인드 적용시 월별 에너지 절감률은 1월 22.1%, 7월 10.4%로 태양고도가 낮아짐에 따라 증가된 실내 유입일사량 차단에 따른 절감효과가 큰 것으로 보인다.

Table 4. Simulation results of each test specimens (annual cooling energy consumption)

Classification Annual cooling energy consumption (kWh/㎡·yr) Energy Saving (%)
Reference 58.7
Package Wall 57.1 2.7
Blind 51.3 12.7
Package Wall + Blind 49.8 15.1

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Figure 8.

Simulation results of each test specimens (monthly cooling energy consumption)

결 론

본 연구는 일사가 건물 외피 열성능에 미치는 영향을 평가하기위해 KS L 9107 시험규격에 근거하여 진행하였고, 개발 기술에 대해 각각 비교 군을 제작하여 기술의 적용/미적용에 따른 태양열 취득열량을 비교 분석하였다.

벽체의 경우 열반사 외단열 구조와 차열도료+열반사 외단열 구조 모두 태양열 취득열량 저감 측면에서 효과를 보였으나, 차열도료 적용 했을 시의 저감 효과가 열반사 외단열 구조보다 훨씬 큰 것으로 나타났고 이는 차열도료의 일사 반사율에 대한 영향으로 벽체 표면온도가 큰 폭으로 저감되고 이로 인해 벽체 투과열량이 감소하게 되는 것으로 보여진다.

창호의 경우 일반 커튼월 창호에서 필름 부착형과 필름 블라인드형의 차양 기술을 각각 적용하여 일사에 의한 태양열 취득열량을 비교 평가하였다. 비교 군인 일반 커튼월 창호에 대한 태양열 취득열량은 ISO 15099의 해석방법인 Window 6.1의 시뮬레이션 값을 활용하였고, 선행연구를 통해 KS L 9107에 근거한 실물시험 값과 비교적 일치하고 있음을 확인하였다. 비교 결과 필름을 활용한 기술은 기존 대비 저감 효과가 크게 보여졌으며, 타 기술 대비 필름의 시공성, 가격경쟁력과 에너지 저감 효과과 높아 추후 베트남 건물 에너지 저감 시장에서 큰 경쟁력으로 작용할 것으로 보여 진다. 본 연구를 통해 얻어진 벽체와 창호에 대한 모듈단위 성능데이터 및 기술 정보를 활용하여 베트남 건설 시장을 대상으로 베트남 기후 대응 공간단위 에너지 저감 효과 분석에 대한 연구를 진행할 예정이다.

Acknowledgements

본 연구는 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구 과제입니다(No. 20162010104270).

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