Journal of the Korean Solar Energy Society. December 2018. 37-49
https://doi.org/10.7836/kses.2018.38.6.037


ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 이론적 고찰 및 사례조사

  •   2.1 문헌고찰

  •   2.2 재난시 모듈형 주택의 국내외 사례분석

  • 3. 개발 모듈화 주택의 특성

  •   3.1 개발 모듈화 주택의 개요

  •   3.2 Mock-up 모듈주택의 환경성능 시험평가

  • 4. 개발모듈화 주택의 부하 매칭 분석

  •   4.1 시뮬레이션 개요

  •   4.2 시뮬레이션 결과

  • 5. 결 론

서론

최근 전 세계적으로 재난의 발생 빈도가 급증하고 있다1,2).재난은 국민의 생명ㆍ신체ㆍ재산과 국가에 피해를 주거나 줄 수 있는 것으로서 자연재난과 사회재난으로 정의된다3). 2017년도 전세계 재난 발생에 관한 통계를 살펴보면, 유럽의 경우 한파 및 폭설, 미국의 경우 총 81건의 토네이도와 캘리포니아 대형 산불, 일본의 경우 대설, 태풍, 지진 등의 자연재해 및 피해가 발생하였다1,2). 국내에서도 한파, 폭염, 열대야, 태풍 등 재해의 발생 빈도가 빈번해지고 있으며 산불, 밀집시설대형화재, 건축물 붕괴등 대규모 인명·재산피해가 발생하여 국민의 안전을 위협하고 있다. 대표적으로, 2017년 11월 15일 포항지역에서 발생한 지진으로 공동주택은 전파되고 이주민이 대거 발생한 사례를 들 수 있다.

재난 발생 시 이재민에게는 식량과 임시거주공간의 신속한 제공이 요구되며, 현재까지는 임시거주 시설로 학교, 종교시설, 공공청사 등 지역의 공공시설을 우선적으로 활용하였다. 한편 임시거주 시설이 제공되기 어려운 상황에서는 비상용 텐트, 컨테이너 등의 간이시설이 이용되어졌다. 임시 주거 시설로 활용되고 있는 또 다른 형태로 공업화주택이 있는데, 이는 대량생산이 가능하고, 경량화된 재료로 운반이 용이하며 조립이 간단하기 때문에 비교적 손쉽게 건축물을 완성 할 수 있다는 장점이 있다. 따라서 전후 도시 복구문제와 주택난 해결의 주요 수단으로 활용 될 수 있어 임시거주 시설의 좋은 대안으로 평가되고 있다. 하지만 상기의 임시거주 시설, 간이시설, 공업화주택과 같은 시설은 전기, 수도, 도시가스 등의 인프라 공급 시설이 갖춰지지 않는 경우 안정적이고 쾌적한 생활을 지속하기는 어렵다. 따라서 재난 발생 시 이주민들이 안심하고 주거 할 수 있는 임시주택과 인프라 공급이 없는 상태에서도 임시적으로 주거생활이 가능한 인프라 대응형 주거모델의 개발이 필요하다고 판단된다.

본 연구에서는 재난 대응을 위한 Flexible-unit형(모듈공법) 인프라 프리 주거 개발을 목적으로 한다. 이를 위해 첫째, 재난 상황에서 임시주택으로써 사용되고 있는 모듈형 주택의 국내외 현황을 조사하고, 둘째, 임시주택 Mock-up 모델을 대상으로 에너지적 관점에서의 건축성능을 평가한다. 건축 에너지적 성능 강화의 주요 기술인 단열, 기밀, 결로를 대상으로 한다. 셋째, 인프라가 없는 상황에서도 에너지 자립형 주택으로 발전하기 위한 요소기술 개선을 통하여 에너지 절감성능 및 자립가능성 확인하고자 한다.

2. 이론적 고찰 및 사례조사

Ryan E.Smith4)에 따르면 공업화주택은 건축 필요성 및 요구에 따라 발전했다고 한다. 16세기 17세기 대영제국의 세계 식민지화의 역사 속에서 인도, 중동, 아프리카, 캐나다, 미국에의 정착은 급속한 건축계획이 요구되었으며, 영국에서 구성품(목재키트)을 제작하여 전 세계에 배로 운반했다. 최초기록은 1624년이다. 이후 구성품인 패널을 현장에서 조립하는 On-site방식과 공장에서 조립하여 이동하는 Out-site 방식으로 발전되어 모듈화 방식이라고 불리어지고 있다. 모듈식의 건축은 거주용 및 상업용으로 분류 할 수 있으며, 거주용인 경우 임시용(재난 임시주택)과 영구용(다층, 다가구주택)으로 분류된다. 상업용 모듈러 건축의 경우 임시용은 건설현장 트레일러, 이동식 교실, 통신포드, 전시실이다.

영구용은 기숙사, 헬스케어시설, 호텔, 정부건물, 학교 등으로 분류된다. 해외 모듈화 건축 시장은 유럽, 일본, 미국, 호주, 캐나다 등의 선진국을 중심으로 시장이 형성되어 있으며 가장 큰 시장규모를 가지고 있는 영국의 경우 전체 건설시장의 2.1%를 모듈러 건축이 점유하고 있다. 시장규모는 최소 1.34조원 규모에서 최대 4.2조원 규모로 추정되고 있다5).

2.1 문헌고찰

국내의 경우 재난 대비 구호주택의 연구는 임시주거 시설의 계획적인 필요사항, 주거 방법론, 필요성 등에 대한 건축 계획적 연구가 주를 이루었다. Kim et al.6)은 재난 이재민들의 건축적 대응방안을 제안하기 위하여 임시주거 구호의 유형과 계획안을 제시하였다. 시계열별(임시, 단기, 중장기 구호주거유형), 구조, 공법별 분류하여 검토하였으며 오픈 시스템 모듈러 주택(open system modular housing)을 적합한 구호주택으로 제안하였다. Moon et al.7)은 임시주거는 기후, 구조, 재료, 기간에 대한 영향을 받으며 가장 중요요소로 구조를 언급하였으며, 구조적 특성에 따라 고정식, 이동식 형태로 분리하였다. 실제적인 개발의 연구는 Lim et al.8)연구그룹의 구호주택 개발을 대표적으로 볼 수 있다. 모듈형 표준입면 타입의 구호주택을 개발하였다. 지하철 임시 거주공간 활용을 통한 시범 적용을 검토하였다. Wang et al.9)은 모듈러공법을 적용한 임시 주거의 개발에 관하여 수평 확장 결합방법을 제안하였으며, 설계안과 Mock-up 모듈 제작을 통하여 접합시의 기밀성 강화, 유닛접합시의 수평레벨 맞춤, 유닛과 유닛의 체결방식에 대한 추가 기술 개발 필요성을 언급하였다. 이처럼 재난 대비 구호 주택의 계획 및 임시 모듈형 주택이 개발되고 있지만 계획, 구조적인 측면, 모듈간의 체결을 위한 기술개발에 한정되고 있다. 주택의 환경성능 측면의 단열성능, 기밀성능 나아가 신재생에너지 적용 및 에너지저장시스템을 활용한 설비측면의 에너지자립성능에 대한 연구 사례는 미비하다.

2.2 재난시 모듈형 주택의 국내외 사례분석

Table 1은 국내 · 외의 재난 모듈형 주택의 기후, 외형(타입), 수직 · 수평 확장에 대한 조사결과를 요약하고 있다. 외형의 구분은 모듈형, 컨테이너, 컨테이너와 텐트 조합, 조립식, 박스 유닛 타입이 대표적으로 조사되었다. 각각의 타입은 외형특성에 따른 구조적인 차이로 수평적 또는 수직적 공간 확대형 으로 나뉜다. 구조부분의 안정성이 확보되지 않는 경우는 수평적 확대가 일반적이며, 강구조를 가지는 모듈형, 컨테이너형은 수직적 확장 구조가 가능하였다. 기후의 특성에 따라서도 외피부분 외장재의 마감, 디자인 등의 특색이 다르게 나타났다. 상세적으로 살펴보면 다음과 같다. 국내의 A타입은 모듈형타입으로 수직, 수평 확장이 가능하며 세대원수에 따른 유닛구성(거실유닛, 유틸유닛)이 가능하도록 되어있다. 강재구조로서 외부재료는 스틸 패널을 사용하였다. 미국A 타입은 컨테이너 외형의 수직 확장이 가능한 볼팅조립형이며 오클라호마 태풍피해 이재민에게 공급하였으며 임시 컨테이너에 주택, 화장실, 부엌 등을 가진 장방향 평면이다. 미국 B 타입은 컨테이너 및 텐트식의 수직 확장성을 가지고 있으며 각 실의 구획과 텐트가 변형이 용이하도록 내장되어 있어 부엌, 화장실, 창고 등 자유롭게 공간 확장이 용이하며 최대 4인 가족기준 2가구까지 수용이 가능하다. 미국 C 타입은 모듈러 방식이며 사전제작 시스템이다. 수직, 수평의 공간 확장 기능은 가지고 있지 않지만 폭풍에 견딜 수 있도록 설계되었다. 미국 D 타입은 조립식 방식으로 수직, 수평 확대가 가능하다. 공구 없이 손쉽게 조립 및 확장이 가능하며 평탄하지 않은 지형에도 설치가 가능하다. 알루미늄 절연 패널을 사용하므로 재사용이 용이하며, 조립식주택 뿐만 아니라, 교실, 사무실 임시 공간 등의 여러 가지 타입으로 확장이 용이하다.

Table 1 Case study of modular housing

Nation Names Types Extand Function Images
Climate Area
Korea- A Temporary relief housing Modular Horizon (○)
Vertical (○)
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Temperate
rainy
9 m2, 18 m2,
27 m2, 36 m2
USA - A MODS international shipping
container homes and shelters
Container Horizon (×)
Vertical (○)
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Monsoon 29.7 m2
USA - B Transportable emergency dwelling Container /
Tent
Horizon (○)
Vertical (×)
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Mediterranean -
USA - C House arc Prefab Horizon (×)
Vertical (×)
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Subtropical 13.9m2
USA - D Rapidly deployable
emergency modular living unit
Prefab Horizon (○)
Vertical (○)
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Subtropical -
JAPAN - A EX-container project Container Horizon (○)
Vertical (×)
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Temperate rainy 24 m2
JAPAN - B Multi-storey temporary
housing by shigeru Ban
Container Horizon (○)
Vertical (○)
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Temperate rainy 12.3 m2,14.1 m2,
29.4 m2,42.6 m2
EU - A
(Sweaden)
Ikea develops flat-pack
refugee shelters
Prefab Horizon (× )
Vertical (× )
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Ocean climate -
EU - B
(England)
DH1 flat-pack disaster house Prefab Horizon (×)
Vertical (×)
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West coast oceanic -
EU - C (Italy) Gabriele aramu: sliding hub Box unit Horizon (○)
Vertical (× )
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Mediterranean -

일본 A타입은 컨테이너 방식으로 수평적 확대가 가능하다. 지진과 쓰나미 난민을 대상의 임시주택으로 사용 후 영구적인 건축물로 변환이 가능하다. 두 개의 컨테이너를 연결하여 공간 확장이 가능하다. 일본 B 타입은 컨테이너 방식으로 수직, 수평의 확대가 가능하다. 경사가 있거나 좁은 대지에서도 기본 컨테이너 면적만 확보되면 최대 3층 이하로 설치가 가능하다. 컨테이너의 프레임을 활용하기에 우수한 내장성능 및 영구적 사용이 가능하며, 공간확대가 용이하여 수용에 맞는 다양한 면적이 확보 가능한 구조이다.

유럽 A 타입은 조립식 구조로 수평 확대가 가능하다. 각 재료를 패널화하여 설치가 쉽고 공간 확장이 용이하다. 해양성 기후 지역에 맞게 태양열을 반사하여 실내의 온도 유지를 용이하게 하기 위한 특색을 가지고 있다. 유럽 B 타입은 조립식으로 수평 확장이 가능하다. 나무재질의 합판패널을 못이나 접착제 없이 설치 가능하도록 하였으며, 대피소나 작은 단위의 주택으로 사용가능하다. 유럽의 C 타입은 박스유닛 형태로 수평적 확대가 가능하다. 운반 및 설치, 유닛간 연결 및 단일 분리가 용이하여 공간 확대의 장점을 가지고 있다.

대제목

3. 개발 모듈화 주택의 특성

3.1 개발 모듈화 주택의 개요

Fig. 1에 재난 대응을 위한 Flexible-Unit형 인프라 프리 (임시)주거의 개념도를 나타낸다. 각 모듈형 유닛은 3 × 3 m 크기로 유닛 구조를 가지는 특징을 가지고 있다. 총 4개의 기능적 유닛으로 거주공간유닛, 에너지(전력공급)유닛, 워터유닛(중/하수도), 코어유닛(계단/복도)으로 구성된다. 모듈형 유닛으로 제작되어 이동과 운반이 편리하며, 정육면체 형태로 수직, 수평적 공간 확장이 우수하다. 사용기간에 따라 임시시설, 영구시설로 사용이 가능하다. 각 유닛의 1개 조합은 하나의 주택이 되며 에너지 고립지역, 재난 지역 등의 소요에 따라 독립적으로 이동하여 설치 가능하고 필요기능성에 따라 유닛을 확장 조합 가능한 특징이 있다.

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Fig. 1.

Concept of flexible-unit infra free module housing

인프라가 없는 상황에 에너지 생산-저장이 가능하도록 태양광, 에너지저장장치(Energy storage system, ESS) 를 에너지유닛에 구성하였다. 워터유닛은 기존 상수도의 저장 및 우수, 중수재활용을 위해 패키지 수처리 시스템을 도입하여 생활용수로 활용가능하다. 생활환경 유지를 위한 냉방, 난방, 급탕시스템은 전기를 소비하여 에너지를 생산하는 시스템으로 구성하였다. 코어유닛은 사용자 및 관리자의 건축유닛, 에너지유닛, 워너유닛 간 수평, 수직 이동 목적의 유닛으로 모듈화주택의 확장성과 증축 가능성을 실현시키는 조립유닛이다.

3.2 Mock-up 모듈주택의 환경성능 시험평가

(1) 개요

본 논문에서는 현 수준의 Flexible-Unit형 모듈러 주택(이하 모듈형주택)에 대하여 건축적 성능을 평가한다.

이러한 주택에서 요구되는 성능에는 국토교통부령 제 362호(2016.9.12.)10)의 「주택건설기준 등에 관한 규칙 제13조 (공업화주택의 성능 및 생산기준)」에는 “[별표 6] 공업화주택의 성능 및 생산기준” 을 정의하고 있다. 본 절에서는 그중 에너지소비에 영향을 미치는 기밀성능, 단열성능을 평가한다. Table 2에 공업화주택의 기밀성, 단열성 평가 표준 및 결로 요구사항을 나타낸다.

Table 2 Performance standard of industrialized housing (House)

Item Standard Requirement
Air Tightness KS L ISO 9972 Airtightness 1.5 times/h, at 50 Pa pressure difference
Insulation KS F 2278 Suitable for heat loss prevention standard
Condensation ISO 10211 Temperatuew difference ratio less than 0.20 TDR=Ti-TmTi-ToTi = Indoor air temperature (°C) Tm = Indoor minimum surface temperature (°C) To = Outdoor air temperature (°C)

기밀성의 경우 “KS L ISO 9972 단열-건물기밀성측정 - 팬가압법”11)로 평가 하며 압력차 50 Pa 기준으로 시간당 1.5회/h 기밀성을 유지해야 한다. 단열성의 경우 “KS F 2278 창호의 단열성 시험방법”12)로 평가하며 지역별 열 손실방지 기준에 적합하여야 한다. 결로방지성능의 경우 ISO 1021113)결로방지의 성능시험방법 등 국제 표준에 적합한 프로그램을 사용하여 실시한 건축물 결로방지성능 시뮬레이션에 의하여 측정하되, 접합 부위의 표면 온도와 실내·외 온도의 온도차이 비율(TDR: Temperature Difference Ratio)이 0.20 이하이어야 한다10).

대상 모듈형주택은 지상 2층의 단독주택 타입으로 건축면적 8.12 m2 ,연면적 16.25 m2 , 층고 5.99 m이다. Fig. 2에 모듈형주택의 제작 과정을 나타낸다. Fig. 3은 대상벽체의 구성을 나타낸다. 외부면부터 복합패널, 단열재, 투습방수지, 합판, 글라스울, 석고보드 순으로 구성되었다. 기초 기둥 조립후 벽체 패널의 조립, 창호의 설치, 내외장재의 마감 순으로 실시하였다.

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Fig. 2.

Manufacturing process of module house

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Fig. 3.

Construction of walls

Fig. 4에 기밀성측정 장비의 설치 모습을 나타낸다. 미니에폴리스 블로어도어(Minieapolis blower door) 장치를 문에 연결하고 장비와 건물의 이음부가 누설되지 않도록 하였다. 주방후드, 콘세트 등 기밀에 영향을 미치는 부분은 기밀하게 처리하였다. 기밀성 측정시 영향을 미치는 실외온도, 풍속, 실내온도도 측정하였다. 본 모듈형주택의 단열성능평가를 위해서 외벽의 시편은 2×2 m으로 구성하였다. Fig. 5에 KS F 2278 에따라 구성된 열관류율 측정장비 및 벽체의 설치 모습을 나타낸다. 또한, 모듈형주택의 벽체 연결부위의 열교진단을 위하여 자연상태의 외기온과 실내온도차를 10℃ 이상 유지하기 위하여 실내 복사난방장치를 설치하였다.

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Fig. 4.

Schematic of installed air-tightness measurements devices

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Fig. 5.

Schematic of U-value test devices and items

(2) 환경성능 측정결과

Table 3은 압력차에 따른 누기량 및 기밀성능 측정 결과를 나타낸다. 50 Pa의 압력차가 작용시 누기량은 (426 ± 6) m3/h이며 기밀성능 ACH@50은 12.13 1/h으로 측정되었다. 본 결과는 공업화주택의 성능 및 생산기준에서 제시하고 있는 기밀성능 ACH@50은 1.5 1/h을 만족하지 못하고 있는 것으로 검토 되었다. Fig. 6에 차압에 따른 누기량의 관계를 나타낸다.

Table 3 Results of air-tightness

Items Times Pressure difference Results
Measure results 1 29.2 Pa 329 m3/h
2 24.6 Pa 304 m3/h
3 20.1 Pa 274 m3/h
4 15.1 Pa 240 m3/h
5 10.0 Pa 197 m3/h
Test results Leakage 50 Pa (426 ± 6) m3/h
ACH @50 12.13 1/h

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Fig. 6.

Specification of measurement results

본 평가대상의 모듈형주택은 구조부터 구성부재 등이 건식형으로 결합부위에 대한 기밀시공을 하지 않으면 기밀성능 확보가 어려울 것으로 판단된다. KS F 2278에 따른 벽체의 열관류율은 0.180 W/(m2․K)로 측정되었다. 창호성능은 별도의 시험성적서(RK2014-0103) 값을 참조하면 열관류율은 0.996 W/(m2․K)이다. 건축물의 에너지설약기준(국토교통부 고시 제 2017-881호) 중부2지역 공동주택 외 기준 거실의 외벽 0.240 W/(m2․K)이하, 창 및 문 기준 1.500 W/(m2․K) 이하와 비교하면 제시하는 기준을 만족하고 있는 것으로 판단된다.

열화상카메라를 이용한 열교부위의 진단은 외부온도 (7.8 ± 0.3)℃, 실내온도는 (26.3 ± 1.8)℃, 내외부 온도차 (18.5 ± 1.5)℃로 온도차에 의한 열교가 발생 할 수 있는 조건에서 실시하였다. Fig. 7에 모듈형 주택의 열교부위 진단 결과를 나타낸다. 벽체 모듈간의 결합부위, 모서리 부위에서 열교가 발생하는것이 확인되었다. 결로의 발생평가는 ISO 10211에 의한 프로그램 평가가 규정되어 있으나, 본장에서는 TDR 계산식을 이용하여 측정치 결과로 계산을 실시하였다. 공업화 주택의 결로평가 기준의 요구값은 TDR 0.02 이하이어야 한다. 천장부분 접합부의 TDR은 0.37, 바닥부분의 접합부 TDR 0.79 로 결로 방지를 위한 성능 확보가 필요한 것으로 검토 되었다. 상기의 결로 검토 결과는 내외부 온도차(18.5 ± 1.5)℃ 조건의 측정치를 이용한 TDR 계산 결과이며 ISO 10211의 방법과 해석조건(내외부 온도차 40℃)에 따른 추가 검토를 진행중에 있다. 종합적으로 벽체부재간의 접합 시공의 개선을 통한 기밀성능, 열교(결로)발생 방지 방안 등이 요구된다. 특히, 기밀의 경우 건축구조상의 창호-벽체, 문-벽체, 창호프레임, 창문과 창틀부위, 문짝과 문틀의 만나는 부위등의 기밀성능 개선을 위한 기밀선에 따른 기밀설계, 올바른 시공 설치, 기밀가스켓등의 기술 적용이 검토된다.

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Fig. 7.

Diagonosis results of thermal bridge

4. 개발모듈화 주택의 부하 매칭 분석

4.1 시뮬레이션 개요

모듈화 주택은 건축구성재의 부품화, 조립화를 통해 공사기간을 단축하고 현장인건비 절감이라는 큰 장점을 가지고 있지만, 공법이 가지고 있는 차음성, 내화성, 기밀성의 문제개선의 중요요소가 되고 있다. 본 연구의 3장에서는 모듈형주택을 대상으로 건축요소의 현 수준의 기밀, 단열, 열교부위의 성능평가를 실시하였다. 최종개발 모듈형 주택은 선행된 연구의 결과를 바탕으로 에너지 자립을 위한 모델설계안 성능개선 중에 있으며 본 논문에서는 설계안 중 3~4인 기준 주거 모델을 이용하여 냉난방 에너지 요구부하 해석을 실시하였다. 본 해석은 두가지의 검토를 위하여 진행한다. 기밀성 개선을 통한 에너지 절감 가능성과 신재생에너지 도입을 위하여 설치면(지붕면, 남향벽면, 동향벽면)과 설치면적의 확장에 따른 연간발전량 분석을 해석하여 단위면적 에너지 소비량과의 부하 매칭분석을 실시한다. 해당 주거용 모델은 3 m ×3 m ×3 m의 기본모듈 8개를 수직형으로 조립하여 구축된 연면적 72 m2 (공조면적 65 m2)의 2층 규모 주거용 모델로 주방, 거실 욕실 및 3개의 방으로 구성하였다. 대상 건물의 평면도는 Fig. 8에 나타낸다. 해석은 TRNSYS 17을 사용하였다. 태양광패널의 발전량 해석은 Type 562 모듈을 이용하였다. 기상데이터와 건물모델(Type 56),태양광패널(Type 562)연동해석을 하였다. 에너지 부하 해석 시 기밀성, 단열의 열관류율 경계조건은 3장의 결과를 적용하였다. 본 해석에대한 경계조건은 Table 4와 같다. 해석지역은 포항지진 이재민들의 주택 해결을 우선과제로 고려하여 근접한 울산의 표준기상데이터를 이용하였다. 현 수준의 모듈형주택은 기밀개선이 필요 할 것으로 판단되었기에 해석의 케이스는 기존의 연구결과를 근거로 다음과 같이 결정하였다14). Case 1은 현수준으로 12.13 1/h, Case 2는 목조 모듈러 주택으로 9.0 1/h, Case 3은 공동주택수준으로 3.08 1/h, Case 4는 공동주택 기밀수준으로 1.80 1/h 선정하였다. 냉ㆍ난방 부하분석을 위한 설정온도는 동절기 22℃, 하절기 26℃로 설정하였으며 주거용 건물의 재실시간을 고려하여 20시부터 다음날 08시까지 냉난방을 이용하는 것으로 하였다.

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Fig. 8.

Floor plan of flexible-unit infra free module housing

Table 4 Simulation conditions

Weather conditions Ulsan (Meteonorm)
Gross floor area 72 m2 (Air conditioning areas 65.3 m2 / Non air conditioning areas 6.7 m2)
U-Value Wall 0.180 (W/m2K), Windows 0.996 (W/m2K)
Air-Tightness Case 1 12.13, Case 2 9.00, Case 3 3.08, Case 4 1.80 (1/h)
Internal heat 4 Persons (Body heat emissions 100 W/person, ISO 7730)
Set temperature (Heating/ Cooling) Heating set temperature 22°C / Cooling set temperature 26°C
Solar photovoltaic Module : TYPE 562/ Efficiency factor : 16%

4.2 시뮬레이션 결과

(1) 현수준에 따른 냉난방요구 부하량 검토결과

Fig. 9는 울산지역의 년간 외기온도분포를 나타낸다. Fig. 10은 3~4인 모델 설계안의 단위면적당 월간에너지소비량을 나타낸다. 모듈형주택의 단위면적 당 연간 전력소비량은 약 700 kWh/m2yr로 검토되었다. 월별 단위면적당 소비전력은 실내온도와 평균온도의 차이가 큰 1월(평균 외기온도 0.84℃)과 12월(평균 외기온도 3.31℃)에서 128.6 kWh/m2와 115 kWh/m2로 가장 크게 나타났으며, 실내온도와 외기온도의 차이가 작은 7월(평균 외기온도 24.65℃)과 8월(평균 외기온도 25.83℃)에서는 각각 6.08 kWh/m2와 5.05 kWh/m2를 보여 큰 차이를 나타내었다. 시뮬레이션 결과에서도 낮은 기밀성능에 의해 발생하는 손실열량의 영향으로 대상건물의 설정온도를 유지하는데 큰 냉난방에너지가 요구되는 것으로 나타났으며, 실내 설정온도와 외기온도의 차이가 큰 겨울철에 요구되는 에너지의 소비량 또한 증가하는 것으로 확인되었다.

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Fig. 9.

Outside air temperature

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Fig. 10.

Rquirement heating and cooling energy demand

(2) 기밀성능 개선에 따른 냉난방요구에너지량 검토결과

Fig. 11은 기밀성능 개선에 따른 연간 필요냉난방 부하를 나타낸다. 현 모듈형주택 수준의 침기량(Case 1, 12.13 1/h)의 냉난방에너지 연간요구량은 701 kWh/m2yr로 높게 나타났다. 기밀성능을 기존연구의 공동주택 수준(Case 3, 3.08 1/h) 개선 시 냉난방부하요구량은 71 kWh/m2yr이다. 기존연구15,16)에서는 공동주택의 연간 단위면적당 에너지소비량은 173.1 ~ 441.3 kWh/m2yr로 분석되었다. 상기결과는 냉난방, 급탕, 콘센트 부하가 포함된 것으로 냉난방부하를 52.6%(냉방 21.8 %, 난방 30.8 %)14)로 고려 시 91.1 ~ 232.1 kWh/m2yr 수준으로 볼 수 있다. 본 해석모델의 냉난방부하요구량은 71 kWh/m2yr과 기존연구의 동일 수준 건물의 단위면적 연평균에너지소비량중 냉난방 부하를 52.6%로 역산치 91.1 kWh/m2yr은 22% 오차 유의성 이 있는 것으로 판단된다. 본 해석대상은 건축물에너지설계기준을 중부지방 2 의 단열성능을 가지고 있는것이기에 냉난방부하요구량이 작게 계산된것으로도 해석된다. 본 비교결과는 냉난방부분의 기기효율, 부하패턴 등의 여러 가지 조건은 상이하지만 기밀성 요소의 개선 시 에너지절감 가능성을 확인한 것으로 사료된다.

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Fig. 11.

Energy demand results for the target environment by improved air-tightness cases

(3) 신재생에너지 도입에 따른 에너지 자립 분석

태양광 발전설비는 모듈화주택의 에너지 자립을 목적으로 대상주택의 외피에 설치하는 것으로 계획되었으며, 모듈화주택의 수직적, 수평적 확장 시의 상황을 고려하여 지붕부분의 수평설치, 남향과 동향의 벽체에 수직으로 설치하는 조건을 고려하였다. 태양광 모듈은 발전효율 16.0%의 결정질 모듈로, 태양광 발전설비 주변조건 및 일사조건은 기상데이터 값을 반영하였다. Fig. 12는 단위 모듈당 연간 발전량을 나타낸다. Fig. 13은 태양광 설치면과 방향에 따른 연간 발전량 해석결과를 나타낸다. 모듈형 주택에 대한 냉난방에너지, 급탕, 콘센트 부하를 포함한 연간에너지소비량은 실제 데이터 확보에 어려움이 있기에, 참고자료의 공동주택수의 연간에너지소비량과 태양광 발전에 따른 에너지 부하매칭을 검토하였다. 공동주택수준14,15) 연간에너지소비량은 최저 173.1 kWh/m2yr과 해석모델의 지붕면 태양광 설치에 따른 발전량 162.9 kWh/m2yr과 비교하면 94%의 에너지 자립은 가능 할 것으로 해석할 수 있다. 본 해석결과로 기밀성 개선과 태양광 발전을 통하여 에너지 자립이 가능성을 검토 할 수 있었다. 그러나 태양광 패널의 종류, 설치방법에 따라 발전량이 변동될것으로 예상되며, 안전, 운반을 고려한 올바른 설치방법, 설치면적의 검토가 필요하다. 또한 태양광의 설계 용량을 늘리는 방법 이외 실제 사용자의 에너지 수요 특성을 제한하는 것으로 에너지 밸런싱을 맞추어 자립화를 실현하는것도 하나의 대안으로 판단된다. 추후 에너지 밸런싱에 대해서는 상세한 부하분석을 통하여 설계 패턴에 따른 기초데이터를 확보할 예정이다.

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Fig. 12.

Result of solar power generation depending on the surface direction

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Fig. 13.

Result of solar power generation depending on the surface direction and areas

5. 결 론

본 연구에서는 재난대응을 위한 Flexible-Unit형(모듈공법) 인프라 프리 주거 개발을 목적으로 국내외 현황을 조사하였다. 또한, 현수준 Mock-up 모듈형주택에 대하여 국토교통부 공업화주택의 건축환경적 성능요소로 구분되어 있는 기밀, 단열, 열교부위 진단을 실시하였다. 검토 결과를 토대로 개선 모델설계안의 기밀성개선에 따른 냉난방에너지 요구량 절감량 및 신재생에너지 도입에 따른 에너지 자립 가능성을 검토하였다. 연구결과를 요약하면 다음과 같다.

(1)Mock-up 모듈형 주택의 기밀성능 ACH@50로 12.13 1/h, 벽체의 열관류율은 0.180 W/(㎡․K)로 공업화 주택의 성능 및 생산기준에서 제시하고 있는 기밀성능은 만족하지 못하고 있으나 단열성능(중부지역 2)은 기준을 만족하는 것으로 검토되었다. 재난상황의 시기별 대응을 위해서는 공업화 주택의 기밀성능을 만족할 만한 기술 개선이 요구된다고 판단된다.

(2)모듈형 주택의 기술요소중 기밀성을 공동주택 수준(Case 3, 3.08 1/h) 개선 시 냉난방부하요구량은 현 수준 701 kWh/m2yr(aCase1)에서 개선 71 kWh/m2yr 으로 서울시 공동주택의 단위연면적당 냉난방 에너지 소비량 최저 91.1 kWh/m2yr 보다 낮게 검토되었다. 기타 조건이 결과에 영향을 미칠 수 있으나 기밀성 요소의 개선 시 에너지절감 가능성을 확인한 것으로 사료된다.

(3)모듈형 주택의 단위연면적당 에너지소비량과 태양광패널의 설치면(지붕, 남쪽벽면, 동쪽벽면)에 따른 에너지 밸런싱 검토결과 지붕면에 설치시 94%의 에너지 자립 가능성이 검토되었다.

본 연구의 검토에서는 현 수준에 한정된 검토를 토대로 모듈화 주택의 기밀성 개선과, 태양광 설치면적 및 향에 따른 발전량으로 에너지자립 가능성에 대하여 분석하였지만, 추후 상세한 기술 검토가 요구된다. 또한 장기적인 기술 향상을 위하여 설계단계의 정량적 기준 확립 및 열교차단, 기밀, 단열재 시공가이드 북 작성 등 기술 고도화를 위한 노력이 필요하다. 또한, 신재생에너지 ESS 전력 분배에 대하여 재난 시나리오를 반영한 기술 검토가 필요하다.

Acknowledgements

본 연구는 2018년도 국토교통부의 재원으로 국토교통기술사업화지원사업 지원을 받아 수행한 연구 과제입니다(과제번호 : 18TBIP-C144010-01).

References

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Kim, M. K., 2013, An Estimation Model of Residential Building Energy Consumption in Seoul, The Seoul Institute.

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