에너지 효율을 높이는 설계방식 패시브 디자인과 액티브 디자인.

앞서 제로 에너지 빌딩에 대해 이야기를 하던 도중 에너지 효율을 높이는 설계방식이 어떤 것들이 있는지 궁금하게 되어 찾아보게 되었다. 에너지 효율을 높이는 설계방식에는 건물에서 발생하는 에너지 소비율을 최소화하고 외부환경과 조화를 이루도록 설계하는 것이 아주 중요하다. 이번 이야기는 에너지 효율을 높이는 설계 방식 중 패시브 디자인과 액티브 디자인에 대해서 알아보자.

자연 환기방식을 AI로 이미지화.

에너지 효율을 높이는 설계방식

1. 패시브 디자인(Passive Design)

패시브 디자인은 외부 환경을 최대한 활용하여 에너지를 절감하는 건축 설계 기법이다.

고성능 단열재 사용 및 단열 기밀성 강화

• 진공단열재 또는 에어로젤 같은 고성능 단열재 사용한다. 진공단열재는 단열재 내부의 공기를 제거하여 진공상태를 만들어 열전도율을 극도로 낮춘 초고효율 단열재인데, 최근 신축 아파트의 단지 내 어린이집 또는 스카이로비(고층 아파트에서 중간에 비워두는 층)에 사용되고 있으며 일반 폴리우레탄 단열재보다 최대 10배 이상 뛰어난 단열성능을 제공한다. 단, 시공의 까다로움이 있다. 에어로젤은 우주복, 항공기 등에 사용되기도 하는데 젤에서 액체 성분을 제거하고 공기로 대체한 초경량 구조체다.
• 벽, 지붕, 바닥에 단열층을 두껍게 적용하여 열손실 최소화 한다. 우리나라는 지역마다 열관류율(건축물 외벽 또는 지붕 바닥을 통해서 1시간 동안 빠져나가는 열량을 나타내는 값)이 달라서 단열재를 사용하는 두께가 모두 다른데 지정된 두께의 단열재 보다 이상을 사용하는 방법이다. 또한 건물의 틈새를 막아 불필요한 냉 난방 에너지 낭비를 방지한다. 보통 현장에서는 기밀하게 단열한다고도 얘기한다.

패시브 환기 시스템 (자연환기 와 열회수 환기 시스템)

• 자연 환기(바람길 설계)를 고려하여 에너지 소비 없이 공기 순환 유도한다. 건축물 구조체 구조설계에서부터 자연적으로 환기가 가능한 바람길을 만드는 데 대표적인 예로 벤트를 생각하면 된다. 벤트는 보통 박공지붕 용마루에 망으로 덮어서 외부에서 벌레가 들어오지 않게 시공을 한다. 벤트가 중요한 이유 중 하나는 외부와 내부의 온도 차이로 발생하는 결로현상을 방지하기도 하고 외벽 벤트의 경우 외부에서 발생한 누수 또는 결로로 발생한 수분이 외벽아래에 설치된 벤트를 통해 빠져 나가게 된다. 이것은 건물의 노후화에도 큰 연관성이 있다.
• 열회수 환기 시스템(ERV, HRV) 적용하여 실내 공기를 신선하게 유지하면서도 열손실 방지하는 방법이다. 열회수 환기 시스템은 최근 들어 아파트 및 단독주택 등 주거공간에 많이 시공되고 있는 방법 중 하나인데 최근 미세먼지로 인해서 창문을 여는 자연환기를 할 수 없어서 선호하는 환기 시스템이다. ERV는 에너지 회수 환기, HRV는 열 회수 환기 방식으로 자세한 내용은 나중에 다뤄 보기로 하자.

창호 및 차양 설계 최적화

• 고성능 창호(삼중 유리, 로이(Low-E) 코팅 유리) 적용한다.
• 여름철 일사량을 조절하는 차양(루버, 캐노피, 블라인드) 설치한다.
• 남향 창문 배치를 통해 겨울철 태양열을 적극 활용한다. 이것은 거주자들이 예전부터 선호하는 남향 이라고 생각하면 이해하기 쉽다. 보통 남향에 큰 창과 거실을 배치하고 주방을 북향애 배치 한다.

2. 액티브 디자인(Active Design)

액티브 디자인은 고효율 기계 전기 시스템을 적용하여 에너지 사용을 최적화하는 방법

고효율 HVAC 시스템 적용

• 고성능 냉 난방 시스템(히트펌프, 지열 냉난방, 복사 냉난방 등)을 사용하는 방법으로 비용적인 부담이 있다.
• 에너지 소비를 줄이는 스마트 온도 조절 시스템 도입하는 방법으로 하단의 스마트 빌딩 관리 시스템과 밀접해있다.

고효율 LED 조명 및 스마트 조명 시스템

• 자연광을 최대한 활용하고, 필요할 때만 조명이 켜지도록 조명 자동 조절 시스템 적용한다. 자연광 활용은 설계변경이 어려운 공동주택 보다 단독주택에 주로 사용되는 방식이다.
• 동작 감지 센서 및 밝기 조절 기술 활용

스마트 빌딩 관리 시스템(BEMS, Building Energy Management System) 적용

• AI와 IoT 기술을 활용하여 실시간으로 에너지 사용을 분석하고 최적화한다.
• 사용자 습관을 학습하여 자동으로 에너지 절약 모드 설정한다.

에너지 저장 시스템(ESS, Energy Storage System) 활용

• 태양광 풍력 등으로 생산한 에너지를 배터리에 저장하여 필요할 때 사용한다. 하지만 배터리를 안전하게 보관해야하는 공간을 별도로 마련해야 하기 때문에 설계 단계에서 관심을 갖고 설계가 진행되어야 한다.
• 전력 사용이 적은 시간대에 에너지를 저장하고, 피크 시간대에 활용하여 비용 절감한다.

간단한게 설명하자면 건물 자체의 에너지 소비를 줄이는 것을 패시브 디자인이라고 하며 에너지 사용 및 저장 시스템을 최적화하는 것을 액티브 디자인이라고 할 수 있다. 건축물에서 소비되는 에너지 사용량을 줄이고 자체생산 및 소비하는 것을 스마트한 시스템을 적용하여 효율적으로 운영하는 것을 에너지 효율을 높이는 방식이라고 보면 된다. 어릴 적 미술 시간에 그리던 미래의 모습이 실제로 현재에 많이 적용되고 있음을 알 수 있다.