1.1 연구배경 및 목적

국내 주택의 에너지 고효율화를 위해 국토교통부에서는 제로에너지 조기 활성화 방안 로드맵⁽¹⁾을 발표하였다. 2020년부터는 소형 공공건물과 공공임대주택의 제로에너지 의무화를 통해 60%의 냉난방 에너지를 절감하며 2025년부터는 신축건물의 제로에너지를 실현하겠다고 발표하였다. 또한 문재인 정부 국정 운영 5개년 계획⁽²⁾에서는 2020년까지 제로에너지 건물 확대, 공공임대주택과 소형주택 에너지 성능기준을 Passive 수준으로 강화하고, 공공기관에는 ESS(Energy storage system) 설치 의무화를 발표하였다. 2020년 7월 14일 한국판 뉴딜⁽³⁾의 구체적 전략에서는 10대 추진 과제로 Green remodeling과 Green energy에 대한 정책, Passive house 성능수준의 고효율주택의 필요성을 논하고 있다. 이러한 국가정책에 맞추어 신축건물에 적용되는 벽체의 열관류율, 창호 및 각종 설비의 효율성은 Passive house 기준에 따라 성능이 향상되고 있다. 그러나 열회수환기장치 가동으로 전기료 부담이 가중될 것이라는 인식과 신선한 공기를 공급하지 못할 것이라는 신뢰성 부족에 기인한 창호 개방을 통한 환기는 건물의 에너지 사용량을 증가시키고 있으며, 공동주택 등에 적용되는 내단열 벽체구성으로 인한 내부 결로는 열손실을 증대시키고 내부 거주자의 건강과 쾌적성를 악화시키고 있다.

본 연구에서는 국가정책과 Passive 성능기준에 맞는 열적 성능을 보유한 복합단열벽체를 주택에 적용하는 방안을 연구하여 에너지 성능과 재실자의 쾌적성이 향상된 고효율 및 제로에너지주택을 실현하고자 한다. 이에 복합단열벽체 모형을 제작하고 실물크기의 주택모형에 적용하여 봄과 여름철 내/외부의 온도와 습도를 측정하여 데이터분석을 통해 성능을 분석한다. 실험 주택은 Design Builder로 모델링되어 EnergyPlus 시뮬레이션 프로그램으로 해석하고 그 결과는 실험과 비교분석을 통해 시뮬레이션의 타당성을 우선 검증한다. 검증과정을 통해 일치 조건을 확인한 후, 복합단열벽체 외 3가지 다른 벽체를 선정하고 시뮬레이션을 수행하여 열관류율, 결로 발생 여부, 실내 열 쾌적성을 벽체별로 비교한다. 연구흐름도는 Fig. 1과 같다.

Fig. 1 Research flow.

1.2 연구방법

본 연구에서는 복합단열벽체를 실물크기의 주택에 적용하여 여름 기간 동안 내/외부의 온도와 습도 변화를 측정하고, Design Builder와 EnergyPlus 동특성 에너지 시뮬레이션 프로그램으로 변동하는 외기 조건에서 복합 단열벽체와 다른 3종류의 벽체의 실내 열환경 차이를 비교 검토하고자 한다. 연구의 세부적인 방법은 다음과 같다. 1) 단열재와 각종 마감재 구조체가 복합된 복합단열벽체를 제작하여 경기도 설악면에 위치한 실제 주택 건물에 적용한다. 2) 모형건물의 내/외부의 온도와 상대습도를 봄과 여름 기간 동안 측정한다. 3) 모형건물을 Design Builder로 모델링하고 동특성 시뮬레이션 프로그램 EnergyPlus로 실내 열환경을 해석한다. 4) 복합단열 벽체가 적용된 모형건물의 온도와 습도 측정값과 시뮬레이션 결과를 비교하여 시뮬레이션 프로그램의 신뢰성을 확인한다. 5) 복합단열벽체를 이용한 모형건물은 시험군, 다른 3종류의 벽체는 비교군으로 선정하여 기본연구를 통해 열관류율과 결로 발생여부를 확인하고, EnergyPlus 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 모델링과 시뮬레이션을 수행한다. 6) 각 벽체별 실내 열환경 차이를 비교분석하고, 문제점을 고찰하고 개선 방향을 제시한다.

2.1 벽체 종류별 특성

건축물에 사용되는 외부 벽체는 구조응력의 분담 여부에 따라 내력벽과 비내력벽으로 구분된다. 내력벽 구조는 벽체의 형태에 따라 벽식 구조와 기둥식 구조로 구분되며, 사용 재료에 따라 철골과 철근콘크리트, 블록조, 브릭조 등으로 구분한다. 비내력벽 구조는 구조응력은 부담하지 않으며 자중과 단열성능, 외관을 고려하여 다양한 마감 재료를 복합화하여 벽체를 구성한다. 이러한 비내력벽을 대별하는 커튼월은 사용 재료에 따라 금속 커튼월과 PC 커튼월 등으로 구분되며, 외관디자인에 따라 Mullion, Spandrel, Grid, Sheath Type으로 구분하며, 설치방법에 따라 Window wall, Unit, Semi unit, Knock-down(Stick wall) 방식으로 구분하고, 구조방식에 따라 Mullion, Panel, Cover system으로 구분한다. 본 연구에 적용되는 복합단열벽체는 구조적으로는 수평하중과 연직하중을 부담하는 내력벽 구조이며, 설치방법은 Unit Wall, 구조방식은 Panel system을 채택하고 있다.

2.2 패시브 건축물 성능 인증기준

고효율주택의 대표적인 건축물인 패시브 하우스는 설계단계부터 건축물을 남향으로 배치함으로써 여름에는 태양에 의한 열취득을 적게, 겨울에는 많게 한다. 또한 외부 온도변화에 의한 영향을 최소화하기 위해 벽체 단열성능을 높이고 열교를 차단하며 기밀성능이 뛰어난 창호를 설치하는 등, 에너지소요량 최소화를 위해 패시브적 요소를 적극 반영하여 고효율주택을 실현하고 있다. 이러한 패시브 하우스의 성능인증기준은 국토교통부의 정책방향인 제로에너지의 기본사항이며 국정운영계획의 적용기준이다.

(사)한국패시브건축협회가 제시하는 패시브 건축물은 등유환산 기준 연간난방에너지 요구량이 바닥면적 1 m$^{2}$당 1.5 L 이하 사용 시 A0 등급, 3.0 L 이하 사용 시 A1 등급, 5.0 L 이하 사용 시 A2 등급으로 구분하여 성능기준을 제시하고 있다. 이중 A0 등급의 패시브하우스 성능인증 기준⁽⁴⁾은 Table 1과 같다. 1) 연간 냉난방 에너지요구량 15 kWh/(m$^{2}$y) 이하, 2) 연간 1차 에너지소요량 15 kWh/(m$^{2}$y) 이하, 3) Area/Volume 값 ≤ 1 m$^{2}$/m$^{3}$(주거), 4) 벽체 열관류율 U ≤ 0.15 W/m$^{2}$K, 5) 기밀 n50 ≤ 0.6 회/h, 6) 환기장치 유효전열효율 85% 이상, 7) 창호 유리의 열관류율 Ug ≤ 0.7 W/m$^{2}$K, 창호 프레임 열관류율 Uf ≤ 1.0 W/m$^{2}$K(중부 1, 2), 가시광선투과율 VLT ≥ 0.4, 8) 열교 선형 0.010 W/mK, 점형 0.010 W/mK, 부득이한 경우 ISO 13788 조건에 의한 열교 해석 시 내부표면 온도가 12.6℃ 이상이 되도록 할 것.

3.1 복합단열벽체의 구성

본 연구에서 사용하는 복합단열벽체의 구성은 Fig. 2와 같이 외부로부터 CRC 보드 9 mm, 우레탄 방수도포 0.1 mm, 내장용 CRC 보드 9 mm를 아연도금 각 파이프(45 mm×75 mm×2.3 mm) 구조틀 위에 스크루 나사못을 이용하여 일체화시킨다. 내측으로부터 석고보드 12.5 mm, 내장용 CRC 보드 9 mm를 아연도금 각 파이프에 스크루 나사못을 이용하여 일체화시킨다. 아연도금 각 파이프 구조틀의 중심부는 공기층으로 이루어져 공기의 낮은 열전도율 특성에 의한 단열성을 활용한다. 제작된 내측과 외측 판을 구조용 목재인 낙엽송(30 mm×30 mm)를 이용하여 내부 순 간격 332 mm를 유지하고 일체화 시킨다. 내부를 방습지가 부착된 난연재 그라스울 24 k 300 mm를 설치하여 단열층을 확보하고 벽체 전체 두께가 375 mm가 되도록 복합단열벽체를 제작하였다.

3.2 복합단열벽체의 주택 적용

본 연구를 위하여 경기도 가평군 설악면에 116.17 m$^{2}$ 규모의 주택 모형을 복합단열벽체를 적용하여 건축하였다. 복합단열벽체의 적용부위는 외기와 직접 면하는 외부벽체 전체에 적용하였으며 제작과정은 1) 기초 작업을 위해 대지를 정리하고, 잡석지정 후 PE필름(0.1 mm) 2겹 설치. 2-1) 버림 콘크리트 타설 후 매트기초 철근배근과 함께 복합단열벽체 설치위치에 앵커 16 mm를 1,2000 mm 간격으로 설치하고 콘크리트 두께 300 mm로 타설. 2-2) 매설된 앵커와 아연도금 L 형강(60 mm×60 mm×6~4.5 mm) 두 개 라인을 복합단열벽체 하부가 들어갈 수 있도록 내부간격 330 mm을 확보하고 볼트로 일체화. 3) Fig. 2와 같이 제작된 복합단열벽체를 매립되어있는 L 형강에 따라, 수직도를 확인하며 설치. 4) 지붕재를 설치할 수 있도록 내부에 브래킷 설치. 5) 창호 공사를 진행하며, 고효율 알루미늄 프로젝트 창호을 선정하여 설치하고, 벽체와 창호 간 접합부위에 그라스울 설치상태를 확인하고, 부족한 부분은 추가 설치. 6-1) 지붕은 전면이 높고 후면이 낮은 경사지붕으로 전면부의 단면높이는 720 mm, 후면부의 단면높이는 400 mm로 구성. 6-2) 지붕재의 상/하부는 데크플레이트를 설치하고 내부에 난연재 그라스울 24k 300 mm 이상으로 설치. 6-3) 지붕과 복합벽체사이의 열교/냉교 브릿지가 생성되지 않도록, 지붕재 하부의 데크플레이트는 복합벽체의 내부 구조체에, 상부 데크플레이트는 복합벽체의 외부 구조체에 아크용접으로 일체화시켜 내/외부의 마감재 교차로인한 열교/냉교가 발생하지 않도록 함. 6-4) 지붕을 설치하고 캐노피 부분과 코너 부위는 후레슁 마감. 7) 벽체 Unit 간 접합부, 지붕과 벽체 접합부, 창호와 벽체 접합부는 단열결손을 막기 위해 발포우레탄을 충진 하고, 3면 접착이 이루어지지 않도록 백업재를 설치하고 코킹작업 진행. 8) 경량벽체를 이용하여 내측 칸막이벽을 설치. 9) 전기/설비공사 진행. 10) 바닥 판넬히팅 작업 진행. 11) 인테리어 마감공사 진행. 12) 각종 설비로 바닥 난방을 위한 35 kW(30,000 kcal/h) 출력의 보일러 설치, 냉방은 스탠드형 에어컨 용량 7,000 W 설치, 에너지 절감과 환기를 목적으로 열회수형 환기장치를 설치하였 으며, 벽체공사 진행사진은 Fig. 3과 같다. 또한, 설치완료 후 bake out을 2주간 반복하여 내부의 유해물질을 배출하는 과정을 거쳐 연구에 사용할 주택 제작을 완료하였다.

Fig. 2 Complex insulation wall configuration.

Fig. 3 Test house construction process.

Fig. 4 Measuring instruments and measurement locations.

3.3 온도 측정 및 데이터 보정

내/외부 온도와 상대습도를 측정하기 위해 기록형 온습도계를 설치하였다. 외부의 설치 위치는 직사광선이 닿지 않는 북측 벽면의 지면으로부터 1.2 m 높이에 설치하였으며, 내부의 설치 위치는 직사광선이 닿지 않는 내측 칸막이벽의 바닥으로부터 1.2 m 높이에 설치하여 1주일을 주기로 측정결과를 취합하고 분석 하였다. 먼저 자기 온/습도계의 검증을 위해 연구실에서 검․교정을 마친 자기 온/습도계(PMV측정기-Testo400)와 계측 시 사용될 기록형 온/습도계(Temperature/RH Data logger)를 실내 측정 위치에서 1주간 작동시험을 실시하고, 2주간 본시험을 실시하였다. 시험결과 계측기로 사용할 기록형 온/습도계가 연구실 온/습도계 보다 1.17℃ 낮은 것으로 확인되었다. 수집되는 측정결과는 기상청 계측온도와 비교분석하기 위해 매시 정각 취합하는 것을 원칙으로 하며, 연속된 계측자료가 매 시각이 아닌 경우 선형보간법을 사용하여 1차 보정을 하고, 2차로 계측기 온도 편차(1.17℃)를 추가하여 계측 데이터 보정을 완료하였다. 본 연구에 사용된 계측기와 설치위치는 Fig. 4와 같다.

4.1 시뮬레이션 개요

건축물의 에너지 성능평가를 위한 컴퓨터 시뮬레이션 개발은 1960년대부터 가속화 되면서 건축물의 동적 에너지 시뮬레이션이 시작되었다. 나아가 초기 프로그램의 문제점을 보완하고 1970년대 후반 건물 부하를 해석하는 BLAST(Building Loads Analysis & System Thermodynamics)와 DOE-2의 장점을 살린 EnergyPlus가 1995년에 출시되었다. EnergyPlus는 프로그램언어로 FORTRAN 90을 사용하며 모듈구조로 되어있어 시스템과 건축물 간 발생하는 열적 거동을 시간별, 단계별 수치해석 방식을 사용하는 프로그램으로 많은 장점을 보여주었다. 그러나 입출력 형식을 텍스트 형식으로 사용하는 EnergyPlus는 결과물에 대한 해석과 가시성의 어려움이 있어 이를 보완코자 구글 스케치업을 사용하였으나 HVAC 분석을 위해서는 시스템을 새로 만들어야 하고 모델링이 어려워진다는 점과 UI가 복잡하다는 단점이 발생하였다. 이러한 단점을 보완하기 위해 Design Builder를 사용하게 되었다. Design Builder는 그래픽 표현으로 가시성이 뛰어나고, 모델링이 쉬우며 많은 템플릿을 보유하고 있고 Detailed modeling 또는 Simple modeling을 선택할 수 있으며 ASHRAE 90.1을 포함하는 등 사용자의 필요에 따라 모델링의 정확도를 선택하여 사용할 수 있는 장점이 있다.

연구 대상 건축물을 Design Builder로 모델링하여 EnergyPlus 시뮬레이션 프로그램으로 해석하였다. 측정데이터와 시뮬레이션 결과를 비교하여 동특성 에너지 시뮬레이션 프로그램의 신뢰성을 검증하고, 시뮬레이션 프로그램을 활용하여 변동하는 실제 외기 조건에서 복합단열벽체와 타 벽체와의 차이를 비교하였다.

4.2 주택 모델링과 입력 조건

복합단열벽체를 사용한 모형의 평면도를 Auto-CAD를 이용하여 작성하고, Design Builder 프로그램을 이용하여 Fig. 5와 같이 건물형상을 모델링 하였으며, EnergyPlus 시뮬레이션을 통해 데이터를 도출한 후 M&V (Measurement and Verification) 과정을 거쳐 현장 계측 온도와 시뮬레이션의 데이터 결과가 일치하는지를 확인하였다. 시뮬레이션 입력조건으로 필요한 외기 기상자료는 해당 지역이 기상청에서 제공하는 자료가 없어 입지 조건이 가장 비슷한 홍천군 기상자료⁽⁵⁾를 활용하여 2020년 5월 1일부터 9월 30일까지 현장에서 측정한 외기 온도와 비교/확인 후 측정외기 온도를 입력하였으며, 시뮬레이션 결과값인 내부온도와 실측온도를 비교/평가 하였다. Ground reflectance는 Default 값인 0.2, Direction은 건물의 배치에 따라 South를 입력하였다. 시뮬레이션 기간은 봄부터 여름까지 5개월로 하였다. 본 연구에서는 복합단열벽체의 에너지 성능을 확인하는 것이 목적이므로 실험과 동일하게 재실자의 활동과 인체발열, 재실 밀도, 등기구 발열, 장비 발열 등의 Internal heat gain과 온도 설정값(Setting point)은 설정하지 않았다. 복합단열벽체에 사용된 재료의 두께와 열전도율, 대류열저항을 확인하여 식(2)에 따라 총열관류율을 계산 후 그 결과 값 0.108 W/m$^{2}$K를 입력하였으며, 지붕과 바닥은 각각 0.115 W/m$^{2}$K, 0.123 W/m$^{2}$K을 입력하였다. 내부의 환기는 공조조건으로 자연환기는 고려하지 않았다. 침기량은 1.5 ACH로 입력하였다. 외기에 직접 면한 창은 0.786 W/m$^{2}$K, 세대현관문은 1.492 W/m$^{2}$K, 태양열 취득률 SHGC는 로이복층유리를 감안하여 0.474를 입력하였다. 실험 조건과 동일하게 공조기기의 냉방 및 난방은 없다고 가정하였다.

Fig. 5 House modeling for dynamic energy simulation.

4.3 시뮬레이션 검증

실측 데이터와 시뮬레이션 결과의 정합성 검증은 2020년 6월 15일부터 7월 15일까지의 온도 실측 자료를 대상으로 분석하였다. 시뮬레이션 입력 조건 중 침기량은 (사)한국패시브건축협회 요구 성능기준에 따른 0.6 ACH와 독일 EnEV 2014(Energieeinsparverordnung EnEv, 독일 에너지절약조례)⁽⁶⁾와 DIN V 18599-2:2007⁽⁷⁾ 기준에 따라 공조 및 환기 시스템을 갖추고 있으므로 1.5 ACH, 2가지를 입력하였다. 그 결과 Fig. 6과 같이 실내 실측 온도와 Simulation results 2값이 오차범위에 근접하게 되어 표준오차 RMSE와 표준오차의 변동계수 CVRMSE를 통해 데이터 분석내용의 사용 가능성을 확인하였다. 분석기준은 ASHRAE Guideline-14의 기준을 적용하였다. 적용기준과 결과는 Table 2와 같이 2020년 6월부터 7월까지의 실측 내부온도와 Simulation results 2의 오차 수준은 MBE(Mean bias error) 3.71%, CVRMSE(Coefficient of variation, root mean square error)는 6.02%로 각각의 허용 기준 ±5%와 15% 이내로 확인되었다.

본 M&V 과정을 통해 실측 데이터와 EnergyPlus 시뮬레이션 프로그램 결과가 부합되므로 프로그램의 신뢰성을 확인하였다. 신뢰성이 검증된 동특성 에너지 시뮬레이션 프로그램을 활용하여 복합단열벽체를 시험군으로 하고 타 벽체를 비교군으로 하여 연구를 진행하였다.

5.1 벽체별 기본 연구

5.1.1 벽체 종류별 구성

건축물의 벽체 종류 중 내단열벽체를 Alt 1, 중단열벽체를 Alt 2, 외단열벽체를 Alt 3, 복합단열벽체를 Alt 4로 구분한다. 구성된 벽체의 열관류율을 비교하기 위하여 시험군인 Alt 4의 벽체두께 기준에 따라 전체 두께가 375 mm가 되도록, 기성화 되어있는 건축자재의 두께는 유지하고 변경이 가능한 콘크리트의 두께를 변경하여 벽체 전체 두께가 375 mm가 되는 조건으로 각 벽체를 구성하였다. 1) 내단열벽체 Alt 1은 콘크리트 구조체를 기준으로 내부에는 단열재(비드법 2호) 120 mm와 미장용 몰탈 18 mm, 석고보드 9.5 mm를 설치하고, 외부에는 붉은벽돌 100 mm 설치. 2) 중단열벽체 Alt 2는 콘크리트 구조체를 기준으로 내부에 단열재(비드법 2호) 120 mm와 시멘트벽돌 90 mm, 미장용 몰탈 18 mm, 석고보드 9.5 mm 설치. 3) 외단열벽체 Alt 3은 콘크리트 구조체를 기준으로 내부에는 미장용 몰탈 18 mm, 석고보드 9.5 mm를 설치하고, 외부에는 단열재(비드법 2호) 120 mm와 스톤코트마감재 51 mm 설치. 4) 복합단열벽체 Alt 4는 실물 크기 모형실험 시 사용한 Fig. 2와 동일하게 벽체를 구성하였다. 벽체유형별 구성층은 Table 3과 같다.

Table 2 MBE and CVRMSE of simulation results

Data interval	Error type	ASHRAE G14	Simulation error
Hourly	MBE	±5%	3.71%
	CVRMSE	15%	6.02%

Fig. 6 Simulation results of indoor temperatures of house with complex insulation walls.

5.1.3 벽체별 결로 발생 확인

벽체 내부의 결로 발생은 단열층을 손상시키고 각종 세균과 곰팡이균 등의 서식으로 인해 건축 재료의 성능 저하 및 마감 재료의 손상과 악취를 유발하므로 벽체 구성 시 건물의 내/외부와 벽체 내의 결로 발생여부를 확인하고, 벽체 구성 재료의 순서를 변경하거나, 불투습층을 추가하는 등, 사전조치를 취하는 것이 중요하다. 따라서 본 연구에 앞서 기본연구를 통해 다음과 같은 과정을 거쳐 벽체 내 결로 발생여부를 확인하였다. 1) 건물의 내/외부 조건으로 내부는 재실자의 열쾌적도를 감안하여 25℃, 상대습도 50%, 노점온도 13.9℃, 수증기압 3.17 kPa, 내측 대류열전달계수는 8 W/m$^{2}$K, 외기는 설악면의 기후조건과 강가, 심야시간을 고려하여 5℃, 상대 습도 70%, 노점온도 0℃, 수증기압 0.87 kPa, 외측 대류열전달계수는 20 W/m$^{2}$K로 설정하였다. 2) 벽체 단위 면적당 열전달량을 확인하기 위해 내/외부의 온도차를 Rtot값으로 나누어 산정하였다. 3) 벽체 총열전달량과 재료구간별 열저항을 이용하여 온도구배를 계산하였다. 4) 노점온도구배는 Table 4 재료별 투습저항계수 $\mu$를 활용하여 식(3), (4)를 통해 재료별 등가 공기층 두께와 합을 산정하고 식(5)에 의해 재료별 수증기압차를 계산하였다. 재료별 수증기압차를 외부의 수증기압에 가산하여 지점별 노점온도를 산출하였다. 5) 계산된 온도와 노점온도 분포를 Fig. 7과 같이 나타내었다. 6) 온도가 노점온도보다 낮은 지점에서 결로가 발생한다. 확인결과 내단열벽체 Alt 1, 중단열벽체 Alt 2는 콘크리트 벽면과 단열재 접합 부위에 결로가 발생하는 것으로 확인 되었으며, 외단열벽체 Alt 3, 복합단열벽체 Alt 4는 결로가 발생하지 않는 것으로 확인되었다.

(3)

$S_{d,\:i}=\mu_{i}L_{i}$

(4)

$S_{d,\:tot}=\sum_{i}^{n}S_{d,\: i}$

(5)

$\triangle P_{i}=\dfrac{S_{d,\:i}}{S_{d,\:tot}}\left(P_{in}-P_{out}\right)$

그러나 복합단열벽체 Alt 4는 단열재를 그라스울을 사용함에 따라 시공 중 접합부위 정밀시공이 반드시 필요 하며, 접합부 선형열교 발생 시 해당 부위 결로 발생과 그라스울의 자중 증가로 장기 처짐을 가속화 시킬 수 있으므로 주의가 필요하다.

Fig. 7 Condensation occurrence check of each wall type.

5.2 프로그램을 활용한 벽체 종류별 모델링

각 벽체별로 모델링하여 에너지 특성을 시뮬레이션 하였다. 외기 조건으로는 Table 5와 같이 현장에서 실측한 데이터와 기상청에서 제공하는 홍천군 자료⁽⁵⁾를 비교/평가하고, 현장에서 실측한 외기온도 중 2020년 6월 15일부터 7월 15일 자료를 변환하여 Design Builder에 입력하였다. Ground reflectance는 Default값인 0.2, Direction은 South, Activity중 Schedule은 5개월(24 h), Internal heat gain과 Setting point는 설정하지 않았다. 지붕과 바닥 열관류율은 각각 0.115 W/m$^{2}$K, 0.123 W/m$^{2}$K을 입력하였다. 환기는 0, 침기량은 1.5 ACH로 입력하였다. 창은 0.786 W/m$^{2}$K, 현관문은 1.492 W/m$^{2}$K, SHGC는 0.474를 입력하였다. 기기의 난방 및 냉방은 0으로 동일한 조건을 입력하였으며, 각 벽체별 열관류율로 Alt 1은 0.271 W/(m$^{2}$K), Alt 2는 0.269 W/(m$^{2}$K), Alt 3는 0.276 W/(m$^{2}$K), Alt 4는 0.108 W/(m$^{2}$K)로 적용하여 종류별 벽체 모델링을 실시하였다. Alt 4의 열저항 9.26 m$^{2}$K/W은 비교군인 타 벽체 평균 열저항 3.68 m$^{2}$K/W 대비 2.5배 높다. Table 6에 벽체별 열관류율, 기밀성능, 결로 발생여부를 정리하였다.

5.3 벽체 종류별 시뮬레이션 결과 분석

5.3.2 열 쾌적성

재실자의 쾌적성은 온도, 상대습도, 기류의 영향을 받는다. 이중 온도의 변화가 가장 큰 영향을 미치므로 벽체별로 실내 온도가 쾌적 구간을 차지하는 비율을 산출하여 재실자의 열쾌적도를 분석하였다. 시뮬레이션 결과, 내단열, 중단열, 외단열 벽체는 평균 29.1℃를 기준으로 비슷한 변화 패턴을 보이고 있으며, 복합단열 벽체는 평균 26.3℃의 온도를 보여주고 있다. 재실자 열 쾌적성 범위와 관련하여 Moon and Kim⁽¹⁰⁾은 쾌적제어 알고리즘 기반 VRF 시스템의 냉방기 제어특성 실험을 통해 Fig. 8과 같이 냉각 시 초기 공기 조건에 따른 열 쾌적 범위 및 제어구역을 24.5~26.6℃ 습도 40~55%를 제시한 바 있다. 실내온도를 객관적으로 평가하기 위해 본 연구에서도 Moon이 제시한 해당 범위를 재실자의 열쾌적 범위로 적용하여 벽체별로 실내 온도 변화를 확인한 결과, 내단열 Alt 1은 10.37%, 중 단열 Alt 2는 10.64%, 외단열 Alt 3은 4.09%, 복합단열 Alt 4는 39.02%로 벽체별 열쾌적성은 Table 7과 같이 확인되었다. Alt 4가 타 벽체 평균 8.37% 대비 4.7배의 높은 열쾌적성을 보이고 있다.

Fig. 8 Thermal comfort range and temperature change by wall type in control zone.

Table 7 Thermal comfort analysis of each wall type

Type	Unit	Alt 1 Internal	Alt 2 Intermediate	Alt 3 External	Alt 4 Complex
Inspection time	hour	733	733	733	733
Thermal comfort time	hour	76	78	30	286
Thermal comfort ratio	%	10.37	10.64	4.09	39.02