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2-5. 패시브하우스의 난방 부하와 1.5리터의 근거

M 관리자 18 14,346 2012.06.03 18:16
2013.07.31 : 환기장치의 급기온도에 대한 설명 추가
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패시브하우스는 앞선 글에서 밝힌 바와 같이 에너지절감을 목적으로 개발된 건물이 아니다. 인간에게 최대한 쾌적한 주거환경을 제공해 주기 위한 연구의 결과로 완성된 것인데, 이를 하다 보니 저절로 에너지 절감이 보너스로 따라 왔다고 봐도 무방하다.

쾌적함이라 함은 대체적으로 열과 공기질을 말한다. 열적으로 쾌적해야 하고, 공기질적으로도 그러해야 한다. 이를 만족하기 위해서 결과적으로는 다음의 짧은 글로 쾌적한 건물을 정의할 수 있을 것이다. 

"알맞은 온도의 신선한 공기가 하루 종일 들어오는 건물"

이를 정량적으로 설명하기 위해서는 "들어오는 온도"와 "들어오는 공기량"을 정의해야 한다.

1. 온도
패시브하우스에서는 열교환환기장치에서 들어오는 공기 온도의 온도를 약 17℃ 라고 정한다. 
이는 두가지 의미를 지닌다.

첫번째는 쾌적 난방온도가 20℃ 인데, 이 온도보다 3℃ 이상 차이가 날 경우 쾌적범위에서 벗어난다고 보기 때문이다. (인간이 통상적으로 쉽게 감지할 수 있는 온도차이 이기도 하다.)

두번째는 열교환환기장치를 통해서 급기되는 최저 온도를 17℃ 로 설정한다는 뜻이다.
여기는 몇가지 전제조건이 맞아야 하는데, 설명글이 너무 글어 질 듯 하여, 열교환환기장치의 급배기온도 부분에서 다를 것이 좋을 듯 하다.
 
2. 신선한 공기의 양
패시브하우스에서는 매시간 공급되야 하는 신선한 공기(외기)의 양을 약 30㎥/인 으로 보고 있다. 이는 이산화탄소농도를 기반으로 정해진 DIN1946-2 에 근거한다. 

<출처 : DIN1946-2 01-94 >


<출처 : luftungstechnik, Univ.-Prof. Dr.-ing. Gerhard Hausladen, 1999, 번역:phiko>





**우리나라의 1인당 공급공기량은 25㎥/인·h 이다. 일본의 기준을 따른 것인데, 이 값은 유럽표준과도 동일하다.
참고로 유럽표준의 환기기준은 다음과 같다.

<출처 : European standard EN 13779 "Ventilation for buildings 
- Performance requirements for ventilation and air conditioning">

즉, 독일의 환기기준은 유럽표준 EN 13779 에서 표준치와 최선치의 중간 정도되는 값이다.


3. 면적당 공급공기의 량
독일에서 주거시설의 1인당 점유면적은 30㎡(전용면적기준)이다. 
1인당 단위시간당 필요공기량이 "30㎥/인" 이고, 점유면적은 "30㎡/인" 이므로 1㎡ 당 필요공기량은 30/30 = 1㎥/㎡ 으로 계산된다.
즉, 한 시간동안 단위면적당 들여와야 할 필요공기량이 1㎥ 라는 뜻이다. 천정고를 2.5m로 하면 체적이 2.5㎥이므로 약 0.4회/h 가 된다.

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이 공기(17℃)를 가지고 난방을 하기 위해서는 공기의 온도를 올려야 한다. 이 때 최대 가열할 수 있는 공기의 온도를 약 52℃로 보고 있다. 이는 공기의 온도가 52℃를 넘어가는 경우 공기중의 미세먼지가 열분해되기 때문이다. (전기난로를 켜면 탄내 비슷한 냄새가 나는 것과 같은 원리이다.)

이를 근거로 부하계산을 하면 다음과 같다.

공기의 열용량 :
Cp = 1.005 kJ/(kgK) = 0.279 Wh/(kgK)

공기의 밀도 :
Ρ = 1.204 kg/㎥

난방코일에서 최대 공기가열온도 : 
Θ ≒ 52 ℃

열교환환기장치에서 공급되는 온도 : 
Θ ≒ 17 ℃

가열에 필요한 온도차이 : 
ΔΘ ≒ 52 ℃ - 17 ℃ = 35 K

1인당 공급 공기량 :
Vp = 30㎥/인·h

1인당 점유면적 :
V = 30㎡/인

그러므로, 단위면적당 공기의 온도를 올리는데 필요한 최대 열량 (피크부하)는 다음과 같다.
P(난방)/㎡ = (Vp/V) · ΔΘ · Cp · Ρ = 1㎥/㎡·h x 35K x 0.279Wh/(kgK) x 1.204kg/㎥ 
                 = 11.757 W/㎡

이를 전체 주택에서 난방이 필요한 면적으로 보면 전체면적의 약 85%이므로 
P(난방면적)/㎡ = 11.757 W/㎡ x 0.85 = 9.9935 W/㎡ ≒ 10 W/㎡

이 것이 패시브하우스에서 이야기하는 난방부하 10W/㎡ 의 근거이다.

보통 머리를 말리는데 사용하는 드라이기가 내는 열량이 약 850 W/h 정도이므로, 약 30평 주택(100㎡)을 패시브하우스로 짓는 다면, 집 전체를 난방하는데 드라이기 한대로 난방이 가능하다는 이야기가 된다.
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패시브하우스의 정의로 이야기되는 년간단위면적당 난방에너지요구량의 상한선인 15kWh/㎡a 가 나오게 된 배경이 이 난방부하이다.

즉, 패시브하우스는 난방설비없이 열교환환기장치를 통해 들어오는 공기를 조금 데우는 것 만으로 실내온도를 적정하게 유지할 수 있도록 고안되었다. 이 때 필요한 최대 열량을 계산해 보았더니, 바로 위에 적은 것과 같은 난방부하가 나왔고, 이 최대부하를 만족시키기 위해 건물을 설계한 것이다.

기존에 이미 독일에서 사용되고 있던 난방 최대부하계산법을 통해 10 W/㎡를 만족하는 집을 지은 것이 바로 Darmstadt Kranichstein 에 지어진 최초의 패시브하우스이다. 

이 때 실내온도 성층범위(실 중간의 온도와 바닥의 온도차)가 2℃ 이내에 들도록 하고, 불쾌감을 느끼지 않게 하기 위한 실내 공기의 온도와 유리표면의 온도 차이가 최대 3.5℃ 이내에 들도록 하기 위해 창호의 열관류율이 0.85W/㎡·K로 정해지고, 곰팡이 생성온도에서 완전히 자유롭기 위한 벽체의 열관류율이 0.15W/㎡·K로 정해 졌으며, 이 열관류율 하에서 열교로 인해 부분적으로 열이 과다하게 손실되어 발생할 수 있는 문제를 방지하기 위해 선형열교의 제한치가 0.01W/m·K로 정해진 것이다.

물론 이 부분적인 제한치는 10W/㎡ 라는 최대난방부하를 만족시키기는 성능치이기도 한다. (건물이 최대한 단순해 진다는 가정하에 중부유럽기후에서)

이 기준으로 1991년에 Professor Bott/ Ridder/ Westermeyer 에 의해 4세대 조합 (세대당 156m²)로 지어진 최초의 패시브하우스에 사람이 거주하면서 지속적으로 난방에너지를 측정해 보았더니, 평균적으로 년간단위면적당 9.2 kWh/㎡a 를 넘지 않았다는 것이다. 



<Darmstadt Kranichstein 패시브하우스의 준공 후 14년 동안의 난방에너지사용량, 출처 : passiv.de>


Darmstadt Kranichstein에 지어진 패시브하우스의 개별 성능은 다음과 같다.

구분 설명 시공사진 U-value
W/(m²K)
지붕
잔디 지붕 : 방근방수 멤브레인,
50mm 無 포름 알데히드 칩 보드;
목구조, 석고 plasterboard 12.5 mm,
전체 지붕두께(445mm)를  미네랄 울 단열재로 채움.
1.jpg
0.1
외벽
발포폴리스티렌단열재 (EPS) : 275mm
(150+ 125mm, 두 겹으로 설치), 
구조 : 175mm 모래-석회 벽돌조
2.jpg
0.14
거실의
바닥
250mm 폴리스티렌 단열재,
콘크리트 160mm,
40mm의 폴리스티렌 층간소음방지재,
50mm 시멘트몰탈 바닥,
마감:목재 마루(8~15mm, 접착제: 無솔벤트)
3.jpg
0.13
창호
로이코팅삼중유리(Krypton가스 충진)
유리열관류율 : 0.7 W/(m²K).
폴리우레탄폼으로 보강한 목재창(수제)
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0.7
열교환
환기장치
DC 팬모터를 장착하고, 겨울 평균 9°C 의 온도를 유지하는 지하층에 설치
5.jpg
효율 : 80%
기밀성 (n50-value) 50pa : 0.3회/h
(2001년 10월에 재측정에서도 같은 성능을 유지함)


이를 근거로 1997년 부터 좀 더 경제적으로 목표를 달성하기 위해 기밀성과 창호/ 환기장치의 성능의 발란스를 맞추면서 기존 주거시설의 에너지계산법이었던 DIN 4108-6 의 알고리즘에 몇가지를 첨부하고 수정하여 만들어 낸 것이 PHPP(passive house plannig package) 이다. (물론 그 중간에 통합 에너지계산 알고리즘인 DIN v 18599 가 발표되기도 하였다.)

이와 함께 외벽성능, 창호성능, 기밀성능 등의 구체적 부분값이 확정되었다.

이 PHPP를 통해서 10W/㎡의 난방부하를 충족시키고, 각 부분(자재)의 성능목표를 만족하면, 중부유럽기후조건으로 연간난방에너지요구량이 15 kWh/㎡·a ( = 1.5리터/㎡·a )를 넘지 않는 건물이 될 것이며, 이 것이 "패시브하우스"라는 정의가 나온 것이다. 이것은 전형적인 중부유럽의 기후에서의 개략적인 기준이며, 서로 다른 기후대에서 연간난방에너지요구량은 서로다른 값을 가진다. 예를 들면 스톡홀름 같은 추운 지방은 20 kWh/㎡·a 이상이 나올것이고, 로마같은 좀더 따스한 지방은 10 kWh/㎡·a 정도까지 낮아질 수 있다. 그러므로 패시브하우스에서 연간난방에너지요구량은 부차적인 것이며, 결정적인 필수적인 기준이 된다.

그래서 패시브하우스의 Heat Demand 1.5리터/㎡·a 라는 제한선은 통계적 결과론인 것이며, 하나의 선언적 수치이다. (이를 두고 미국에서 이 수치가 너무 통계적이다. 라고 이야기를 하고 있는 것이다. - 컬럼 및 보도자료 중 "미국내의 패시브하우스에 대한 논쟁" 참조 - 그러나, 이 선언적 수치는 설명했다시피 결코 하늘에서 어느 날 갑자기 떨어진 것이 아니며, 이미 독일에서 주거용 부하계산 알고리즘인 DIN 4108-6 이 있었기 때문에 가능한 결론이다. 즉, 충분한 근거가 있는 선언적 수치라고 말할 수 있을 것이다.)
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그렇기 때문에 패시브하우스에서 이야기는 15kWh/㎡·a는 엄밀히 "요구량"도 "소요량"도 아니다. (우리나라에서 PHPP의 "Heat Demand"는 지금까지 "난방수요"라는 단어로 번역되었음 - 필자주) 이 경계가 모호한 것은 난방을 위한 설비없이 들어오는 공기의 온도를 조금 덥히는 목적으로 계산되고 실험되었기 때문이다. 

 이 히터는 사실상 효율이 거의 100%(크롬선의 저항에 의한 발열)이므로 추가적 열량은 무시해도 좋을 만큼 작다. 그러나 적당히 선을 긋자면, "요구량"에 더 가깝다고 봐도 무방할 것이다. 이유는 최초의 패시브하우스가 난방설비를 가동한 가스에너지 사용량으로 측정되었기는 하지만 이를 PHPP로 옮기는 과정에서 열원설비부분을 분리해서 계산되도록 했기 때문이다. 물론 1994년에 창문에 추가적 야간단열을 설치하고 난방설비의 가동을 정지시킨 후에도 쾌적한 실내 온도 유지가 가능하다는 것을 입증하기도 하였다.

 PHPP가 사용자를 혼동시키는 점은 실험적 선언치를 축출한 과정과는 다르게 PHPP에서는 건축적 요소만 입력하고 15kWh/㎡·a를 판정하기 때문이다. (DIN v 18599 에서는 건축만의 성능이 "요구량", 설비가 입력이 된 결과가 "소요량"이다.-우리나라도 동일한 기준을 따른다.) 이 의견은 본 협회의 추론이기 때문에 앞으로 다양한 논의가 있었으면 하는 바램이다.
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마지막으로 항상 "우리는?" 이라는 것이 숙제로 남는다.

패시브하우스의 15kWh/㎡·a는 독일을 중심으로 한 중부유럽의 표준기후를 바탕으로 하고 있다. 물론 각 지방의 표준기후를 PHPP에 입력하여 결과를 도출하기 때문에 결론적으로 우리나라 지역 기후데이타를 넣고 계산한 PHPP의 산출결과는 우리나라에서도 충분히 유효하다고 할 수 있다.

하지만, 우리는 공기로 난방하지 않는다. 비록 열량의 개념으로는 바닥난방, 공기열 난방, 라지에이터 난방이 거의 동일한 결론에 도달할 수도 있다 하더라도, "근거에 의한 결론"은 반드시 필요하다. (또한 우리는 바닥에 누워서 잔다.)

그렇기에 우리나라도 최소 4세대 이상 실제로 거주하고 모니터링되는 실험(?) 주택이 있어야 하며, (공동주택을 위해서라면 더 큰 세대수) 이를 최소 다년간 측정해야 한다. 이 중간에 DIN 4108-6 (또는 DIN v 18599) 같은 알고리즘도 보유(다행인 것은 한국건설기술연구원에서 DIN v 18599의 한글화를 이루어내었다. 시작은 된 것이다.) 하고 있어야 하고, 실험치를 바탕으로 우리나라 바닥난방에 최적화(경제적으로)된 계산프로그램을 만들어야 한다. 이 것이 보통 너무 쉽게 이야기되고 있는 진정한 한국형 패시브하우스일 것이다. 갈 길이 아주 멀다.

  

Comments

1 차동광 2012.12.03 08:03
DIN 18599의 한글화판은 구할수 있나요
있다면 방법을 좀 알려주세요
M 관리자 2012.12.03 08:51
한글판은 없습니다. ㅠ
G 최광정 2013.10.15 17:54
한가지만 여쭙겠습니다. 본문중에서
"1인당 필요공기량이 "30㎥/인" 이고, 점유면적은 "30㎡/인" 이므로 1㎡ 당 필요공기량은 30/30 = 1㎥/㎡ 으로 계산된다.
즉, 단위면적당 들여와야 할 필요공기량이 1㎥ 라는 뜻이다. 천정고를 2.5m로 하면 약 0.4회/h 가 된다"
이중에서 0.4회/h 라는 숫자가 의미하는 바가 무었인가요?
환기횟수를 의미한다면 0.4의 역수인 2.5회/h가 맞지 않은가요?
M 관리자 2013.10.15 21:03
환기횟수를 뜻하는 것은 맞습니다.
1㎡당 1㎥의 공기가 필요하므로, 층고 2.5미터를 가정하면 0.4회/h 가 맞습니다. 1㎡ x 2.5m x 0.4 = 1㎥ 이 나오므로, 0.4회/h로 명기한 것입니다.
2.5회/h 라면 말 그대로 체적의 2.5배의 공기가 들어온다는 뜻이므로, 2.5m 층고의 경우 6.25㎥ 이 들어오는 결과가 됩니다.
감사합니다.
1 최광정 2013.10.16 09:51
답변감사드립니다.
제가 생각하는 2.5회/h는 1회분이 공기량 1m3를 의미하며 2.5회/h라는 의미는
방의 체적 2.5m3만큼의 공기를 유입하기위해서는 한 회에 1m3씩 한시간동안 2.5회를
환기해야 방의 체적만큼(2.5m3)의 공기를 교체할 수 있다는 의미입니다.
본문에서 "단위면적당 들어와야 할 필요공기량이 1m3다"라고 하여서 환기횟수 1회에
들어와야 할 공기량 1m3라 생각하면 시간당 방의 단위면적당 체적(2.5m3)의 공기를
전부 교체할려면 환기횟수가 2.5회필요하다 생각을 했습니다.
제 생각이 잘못되었는지 모르겠지만 약간 헷갈리는 점이 있네요
M 관리자 2013.10.16 13:35
네. 그게.. 한시간동안 1㎡당 1㎥이 필요하다는 의미이므로, 2.5㎥ 은 2시간30분에 교체가 되면 되는 것입니다.
본문글의 "단위면적당 들어와야 할 필요공기량이 1m3다" 를 "한시간동안 단위면적당 들어와야 할 필요공기량이 1m3다" 고치는 것이 좋을 듯 합니다.
의견감사드립니다.
1 최광정 2013.10.18 11:16
답변에 감사드립니다.
자꾸 귀찮게 해드리는 것같아 죄송스럽지만 마자막으로 여쭙겠습니다.
본문에서 예를 천정고 2.5m로 들었는데 이 보다 높은 천정고,예를 들어 높이
5~6m,또는 그 이상의 높이(최악의 경우 무한대...는 너무 비약이 심하지만..)
일 경우에도 "한시간당 단위면적당 들어와야 할 필요공기량이 1m3로 봐야 하나요?
체적이 커지면 커질수록 반입공기로 인한 환기효과가 떨어질텐데....
M 관리자 2013.10.18 18:12
네. 필요공기량은 동일합니다.
결국 기존 공기 속의 신선한 공기 비율의 관점보다는, 인간의 시간당 호흡량을 따르기 때문에 표준 층고 2.5미터 이상은 큰 의미가 없다고 보고 있습니다. (물론 누기량과는 관계가 생깁니다만, 경우의 수가 많아지므로 이번 답변에서는 배제하겠습니다.)
감사합니다.
G 최광정 2013.10.15 18:26
본문중에서
"공기의 열용량 :
Cp = 1,005 kJ/(kgK) = 0.279 Wh/(kgK)"
제가 알기로는 1kwh = 3.6MJ로 알고 있는데
3.6MJ = 3,600KJ = 1,000wh  ===>  1KJ = 1/3.6 wh  => 0.279wh
이 경우 1,005KJ = 279wh가 되는거 아닌가요?
아니면 제가 잘못알고 있는지 모르겠네요
M 관리자 2013.10.15 21:18
아.. 아닙니다. 1,005 의 컴마는 소숫점의 표현을 제가 독일식으로 적은 후 수정 하는 것을 잊어서 그렇습니다. "점"으로 변경되어야 합니다. 즉, 1,005 => 우리나라표현으로 1.005 가 되어야 합니다.
본문 수정해 놓겠습니다.
알려주셔서 감사드립니다.
1 최광정 2013.10.16 09:51
답변감사드립니다
G 신성율 2013.12.09 17:17
최광정님이 디테일하게 여쭤봐도 성의있게 답변해주시는 모습이 정말 보는이로서도 기분이 좋네요...^^ 항상 좋은 자료 좋은글귀 감사드립니다...넙쭉
1 류승균 2014.07.01 21:38
난방부하를 계산하는 과정중에 단위가 이해가 안되서 질문을 하려는데요
공기의 열용량이 wh/kgk 인데 난방부하의 단위가 w/m2으로 나오는지 이해가 안됩니다.
단위만 계산하면 wh/m2으로 나와야 정상이 아닐까요?
제가 맞다는게 아니라 이해가 안되서물어봅니다.
M 관리자 2014.07.01 21:58
네.. 죄송합니다. 위의 식에서 단위하나가 잘못되어 있었습니다.

"1인당 공급 공기량 : Vp = 30㎥/인·h"  인데.. "30㎥/인" 으로 되어 있었네요.. 본문은 수정해 놓았습니다.
G 김소라 2014.10.18 16:54
자료 잘 보았습니다^^
난방부하에 대한 설명 중 잘 읽어봐도 이해가 되지 않는 부분이 있는데요
1.5L에서 단위인 리터가 의미하는 바를 잘 모르겠습니다..
15kwh/㎡·a가 1.5L/㎡·a와 같아진다는 뜻이 무슨 뜻인지 이해가 안 돼서요..
해당 부분에 대한 지식이 별로 없어서 질문합니다.
M 관리자 2014.10.18 20:24
리터는 난방등유를 의미합니다.
즉, 15kwh 를 난방등유로 환산하면 1.5L 라는 의미입니다.
3 손태청 2014.12.29 15:37
비밀글입니다.
M 관리자 2014.12.29 22:10
아.. 네.. 의도보다는 국내 부하계산과 일치시키려는 생각이었는데.. 단위계산과는 맞지 않아. 시간될 때 고쳐 놓는다는 것을 잊고 있었습니다.
감사합니다. 수정해 놓겠습니다.