패시브하우스에서의 난방부하 ( 원문 :Heating load in Passive Houses)

패시브하우스는 열효율이 아주높기 때문에, 패시브하우스의 난방에너지요구량(일반적으로 15 kWh/(m²a) 이하)은무시해도 될 정도로 낮다. - 이는 일반건물에서 사용되는 에너지의 약10%에 불과하다. 이는 실측을 통해 몇 번이나 재확인되었다: 패시브하우스 기준으로 시공함으로써, 일반건물과 비교하여 실질적으로약 90% 에너지의 저감이 가능해졌다 [AkkP-28]. 그렇지만, 항상 낮은 에너지요구량을 보장한다 하더라도, 건물난방에너지요구량은패시브하우스의 기능을 적절하게 보장하는 부차적인 요소일 뿐이다.

이런 측면에서 보면, 결정적인 요소는 난방부하이다: 패시브하우스 환기시스템을 사용하여공기를 공급할 때 아주 쉬운 방법으로 일정한 양의 열을 공급할 수 있다.

그래서, 환기 시스템을 사용하여 두 가지의 기능(신선공기와 난방)을 제공하고 최소한의 열공급만을 필요로하기 때문에 설비투자비용를 줄일 수 있다.

이렇게 절감된 비용을 환기시스템은물론, 에너지효율적인 장치들에 재투자 할 수 있다. 그러나, 추가적인 비용이 필요없는 신선공기공급창치를 통해서 공급할 수 있는 열의 양은 한계가 있다. 주택의 평균점율이 주거공간 30m²당 1인일때, 기후에 상관없이 공급 가능한 열의 양은 단위면적당 약 10W(/m²)이다(표 참조).

난방 부하를 표현한 값은 (킬로와트시(kWh)로 측정되는) 에너지를표현하는 값과 다르다. 난방부하는 다음을 보면 좀 더 쉽게 이해할 수 있다.

패시브하우스를 정의하는 난방에너지요구량의제한값 15kWh/(m²yr)는 전형적인 중부유럽의 기후에서 10W/m²의 난방부하와 관련이 있다. 그러나, 이는 단지 개략적인 기준으로 제안된 것이며, 다른 기후 조건하에서는난방에너지요구량이 다양하게 나타날 수 있다. 예로 스톡홀름에서는 난방부하가 10W/m²인 주택이 20kWh/(m²yr) 이상의 난방에너지를 필요로 할 것이고, 로마에서는 10kWh/(m²yr)만큼이나 낮을 것이다.

난방에너지요구량 15kWh/(m²yr)이거나 난방부하 10W/m² 중 하나를 만족한다면 패시브하우스 기준은 충족되었다고 본다.

최대난방부하가 공급공기분배장치의유효능력을 초과하지 않는 건물은 환기 시스템만 있으면 되며, 그 외의 다른 열분배관과 복사난방장치가더 이상 필요하지 않다.(아마도, 욕실의 소규모 보조 난방장치는 제외일 것이다). 이는 결과적으로, 설비시스템을 단순화시키므로, 패시브하우스에서는 설비시스템을 위한 총 투자비용이 일반건물의 투자비용보다 필연적으로 더 많아질필요가 없다. 그럼에도 불구하고, 그것들은 보통 좀 더 효율이높은 열생산기기와 열회수 기능을 가진 환기장치들이 통상적인 건물의 설비시스템보다 일반적으로 더 비싸기 때문에 어느면에서는 더 많이 든다.

난방 부하 계산

앞서 설명한 기능적인 단순화가특정 프로젝트에서 실질적으로 현실화 될 수 있을지, 없을지는 특정 상황에서 필요한 최대열생산능력(즉, 난방부하)에 따른다. 따라서 반드시 사전에 난방부하를 확실하게 파악하는 것이 특히 중요하다. 오늘날 패시브하우스 소유자들은 석유위기 직전의 주택 소유자들과 유사한 상황에 그들이 놓여있다는 것을 깨달았다. 비록 산출된 연간난방에너지요구량이 (석유위기 이전의 낮은 석유가격혹은 패시브하우스의 적은 에너지사용량 때문이건 간에) 상당히 낮은 비용으로 나오더라도 난방시스템은 정확하게계획되어야 한다. 그것이 난방부하를 결정하기 위한 신뢰할 수 있는 방법이 왜 필요한가에 대한 극히 중요한이유이다.

이러한 방법을 위해 다음의조건들이 적용된다.

◾ 난방부하는 반드시 보수적으로 산출되어야 한다.즉, 난방부하는 계획된 건물의 난방 쾌적수준을 반드시 만족시켜야 한다.

◾ 계산된 난방부하는 안전율이 너무 과하지 않도록 한다. 과도한 안전율은 구조적, 기술적 요구사항들을 충족시키는데 있어 불합리하며, 아주 적은 난방부하를 가진 건물들 특유의 장점들을 드러내주지 못하기 때문이다.

◾ 만약 가능하다면, 적용 방법을 단순화하라.

◾ 특정 디자인을 위한 경계조건은 쉽게 적용 가능하여야 한다. 공간난방부하[EN 12831]를 계산하기 위한 기존의 기준을 사용하는것은 적절한 듯이 보이지만, 이 표준화된 기준은 패시브하우스처럼 고효율의 건물들인 경우에는 극단적으로과잉계획된다는 것은 확실하다.

그 이유들(게다가 특이하게 선택된 추가적인 상황과 관련된 쉽게 변경할 수 있는 “특별한 특성”이긴 하지만 최소 0.3W/(m²K)로 항상 적용되야만 하는 열관류율과 같은, 방법 그 자체는 아니다, )은 다음과 같다.

◾ 외기온도가 매우 낮은 기간동안 특별히 중요한 내부발열과 태양열의 획득은 EN 12831에서 적절하게 계산되지 못한다. 그러나, 계획된 경우에서는, 특히 매우 적은 난방 부하를 가지고 있는 건물에서이러한 공짜열의 획득은 아주 중요한 역할을 한다. “내부부하가 없다는 것”은 현재 거주자가 없을 때에만적용되며, 그것은 결과적으로는 최소 요구량으로 이어진다. 만약높은 수준의 쾌적을 요구하는 거주자가 있다면, 내부 열 획득은 아주 적은 양이지만 항상 존재한다. 이는, 특히 단열이 잘된 건물일 경우에 결정적인 차이를 만든다.

◾ 매우 적은 난방부하를 가지고 있는 건물은 일반적으로 높은 시간 상수를 가진다 (어느 곳에서나 5일에서 30일혹은 그 이상). 이로 인하여, 기간동안의 극한 기후조건들은패시브하우스에 별다른 영향을 주지 못하며(이들은 사실상 건물에 의하여 없어진다), 설계 매개변수들이 훨씬더 장시간에 걸쳐서 주로 언급된다. 더 오래된표준을 만든 고안자들은 이러한 사실을 알았지만, 매우 긴 시간상수를 가진 건물들에 적용되지 못했고, 결국에, 새로운 표준에서도 무시되기 조차 하였다.

◾ 일반적인 건물에서조차 난방부하의 실별 계산은 고도의 불확실성과 연관되어 있으며, 실들간의 상대적으로 적은 온도 차이로 인해 발생하는 내부열의 흐름은 외기로 손실되는 열보다 더욱 중요해 질수도 있다는 사실로 귀결된다. 패시브하우스에서 이러한 효과는 훨씬 더 중요하다.

이러한 이유로, 난방부하의 실별 계산은 일반적으로 패시브하우스에서는 의미가 없다;각 아파트나 건물에 대한 개별 계산이 더 신뢰성이 있고 그것만으로 충분하다. 자세한 내용은 [AkkP 25]에서 확인할 수 있다.

◾ 난방 부하 계산은 일반적으로 내부 치수에 따라 산정된 바닥면적을 기반하기 때문에, 열교 효과가 무시되고 나머지의 전반적인 계획 진행에 있어서 불리하기 때문에 외부치수를 사용하는 것이 정착되었다.

매우 잘 단열된 건물의 난방 부하를 계산하는 것의 문제점

과학적인 모니터링 프로젝트를통해 측정된 매우 단열이 잘된 건물의 열 출력이, 심지어 극도로 낮은 외기온도에도, [DIN4710] 기준에 따라 설계된 출력보다 매우 낮은 출력 상한선을 가지고 있는 것이 나타나 있다. 이것은 Darmstadt-Kranichstein의 패시브하우스에서 측정된 일간 열소비 값을 기반으로 한[Feist/Werner 1993]에 처음 출간되었다. 이러한 결과에따르면, 측정된 약 0°C이하일간평균 난방부하에 대한 수평 곡선에 뒤틀림??꼬임??이 있다.동절기 기간의 태양에너지 획득으로 인한 이러한 상관관계는 [Feist/Werner 1993]에서정확하게 설명되어있으며, [Feist 2005]에 더 자세히 논의되어 있다. 정확한 난방부하 결과는, 특히 잘 단열되어있는 건물에서 태양에너지획득을 고려하지 않고는 단순히 얻을 수 없다.

그렇기 때문에, 기존의 방법과 비교해 볼 때, 난방 부하 계산을 위한 더 나은알고리즘을 개발하는 것이 필수적이었다. 건물 열적특성의 과잉상태 시뮬레이션은 항상 체계적으로타당하다. 난방 부하뿐만 아니라, 연간 소요량이 이러한 방법으로 신뢰성있게 산출될 수 있다. 이러한 과도상태 산출모델의 타당성은 실내, 표면그리고 건물 요소 온도의 시간에 따른 변화에 기반하여 [Feist/Loga 1997] 및 [Kaufmann/Feist 2001]의 측정된 값들과 비교하여 검증된다.

이러한 검증들은, 측정된 결과들과 시물레이션 결과 사이에 매우 좋은 상관관계가 있는 것으로 나타났다. 그러므로, 건물의 열적 시뮬레이션 방법으로 기본 검사를 수행하는것이 허용된다. 물론, 결과들이 일반적인 견해와 다를 경우에는특히실험적으로 검증되어야 한다. 건물의 과잉열적상태 시물레이션의 주요 단점은, 기반이 되는 모델에 대한 높은 복잡도이다. 또한, 그러한 시뮬레이션 산출의 준비와 평가를 위해 요구되는 상당한 양의 작업을 제외하고도, 비교적 높은 오류 비율을 초래한다.

시뮬레이션 모델에 사용된매개변수의 수가 매우 많기 때문에, 오류의 잠재적인 소스는 모델의 생성과정에서 증가한다. 그러므로, 난방 부하를 확인하는 기존의 ISO 13790을 따라 연간 난방과 냉방 요구량을 판단하는 방법과 유사하게,사용가능한 다른 단순한 방법을 만드는 것이 바람직했다.

평가모델의 개발

본 주제는 비용-효율적인 패시브하우스의 연구 그룹에 의해 다뤄졌으며, 슈투트가르트대학 (열역학 및 열 공학 연구소)와 ebök 기술 컨설턴트와 협력하여 해결되었다.

주요 방법들은 Carsten Bisanz [Bisanz 1999]의 논문의 과도상태 모델DYNBIL을 이용하여 검사되었다. 이 협력기간 동안 개발된 모델은 DIN EN 832에 따른 에너지 균형에 주로 기반하였으며, 연간혹은 월간 데이터를 대신하여, 지역의 주요 기후기간을 고려하는 것을 경계조건으로 하였다.

적어도 두 개의 다른 기후데이터 설정을 근거로 하는 측정이 필수적인 것으로입증되었다(맑고 추운 설계 기간과 적당히 춥고 흐린 기간). 매우작은 난방요구량을 가지고 있는 건물의 경우에는 특히, 극히 추운기간 혹은 매우 흐리긴 하지만 단지 적당히추운기간 동안에 최대 난방 부하가 실제적으로 발생할지는 매우 불확실하다. 관련 있는 설계 경계조건은실험 데이터 세트를 사용하여 동적 건물 시물레이션을 사용하여 각 기후에 대하여 함수적으로 측정되어야 한다. 이것은 [Bisanz 1999]에서 독일 평가 표준년을 위해서 완료되었으며, 방법의초기 이론적인 검증은 시물레이션을 사용하여 수행하였다.

[Bisanz 1999]에서 개발된 절차는 각 경계조건의 단순화및 쉬운 사용성을 위한 요구조건들을 충족시킨다; 그러므로 1999년에는이러한 절차와 선택된 경계 조건들이 Passive House Planning Package [PHPP 1999]의두 번째 버전에 실험적으로 채택되었다. 당시, 이 절차는 성공적인 이행에 의존되었지만, 이후에는수천개의 성공적인 패시브하우스 프로젝트에 적용되었다.

난방부하법의 검증: 모델/ 실제적인경험

IEA SHC의TASK 28 / ECBCS ANNEX 38 연구 프로젝트의 틀 내에서, 건물의 온도 특성과난방소비의 과학적으로 입증된 학적 연구들로부터 세밀화된 시분해적 데이터가 얻어졌다.[총 200채가 넘는 주거용 패시브하우스에서, Feist 2005]. 이데이터는 평균 및 최대 난방 부하에 더하여, 난방소비, 다른에너지 소비 지표, 열쾌적 매개변수를 포함한, 다양한 측면에대한 다양한 연구에서 분석되었다.

현장 결과

현장 결과는 균일한 평가를가져온다.

■ 실제적으로 지어진, 품질이 보증된 패시브하우스는시물레이션과 혹은 균형 절차의 방법으로, 이전에 산출된 극히 작은 연간 난방 요구량을 만족할 뿐만 아니라, 실용적 치수 기입으로부터 기인된 극히 낮은 난방부하는 이러한 건물들을 난방하기위해 충분하다.

■ 측정된 값을 기반으로, 내부 획득열과 패시브 태양에너지 획득이 난방 부하 계산에 고려되었다는 사실[특히, 단열이 잘된 건물에서]을 확인하는 것이 가능하다.

■ 특별한 상황에서의 성능은구체적인 개별 사례에서 측정 된 온도 및 난방 부하를 사용하여 계측학적으로 검증 할 수 있다(예: 겨울동안 비난방하는 비어있는 아파트). 이러한 측정들은 시물레이션또한 확인한다.

■ 뛰어난 단열을 가진 건물(특히, 패시브하우스)에서의매우 안정적인 온도가, 시물레이션과 사례연구들을 통해 확인되었다. 이것은치수 기입에서 오류와 극한의 기상 현상(100년만의 한파)에대한 허용 오차를 증가시킨다. 물론, 이러한 지식은 매우조심스럽게 다뤄져야한다: 누적 오차가 일정 수준을 초과하고, 패시브하우스의허용한계가 초과된다면, 오류들은 더 큰 효과를 가질 것이다. 그러므로, 정확하게 계획되고 건설된 패시브하우스로부터 기인한허용한계를 사용하기 위해서 계획작업과 품질보증을 심각하게 다루고, 주거 행동거동에서 변화을 설명하고보증하는 것이 바람직하다.

■ 본 연구의 가장 주요한문제에 관해서는, [Bisanz 1999]에 게시 된 방법에 근거한 계산방식은 모든 고려되는 건물에 대하여 매우 성공적인 것으로 증명되었다. 본 방법은 태양복사와같은 영향이 미치는 요인들에 특히 민감한, 극히 작은 난방부하를 가진 패시브하우스 건물로, 특별한 성능 시험을 거쳤다. 상당히 낮은 난방부하를 가진 건물들만이이러한 방법의 시험이 허용되며, 그러한 작은 영향들은 일반적으로 높은 난방부하의 건물에서 다른 영향들로인해 가려진다.

본 연구는 빈틈없는 현장 측정이 과학적으로 입증된 평가와 결합하여 어떻게 결과를 제공할 수 있는지의하나의 예시이다.

이러한 결과는 직감에 의존한일반적인 추정을 뛰어넘어 통계적으로 입증되었다. 이러한 결과는 전문가들을 위한 사용하기 위한 방법으로변형 될 수 있으므로, 전문가들의 작업을 용이하게 한다.

다음을 참조하시오

열전달

열쾌적

<번역: 조민구 / 출처 : PASSIPEDIA http://www.passipedia.org/>

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* 본 글은 중부유럽의 기후와 문화를 기준으로작성되었으므로 국내의 실정과 맞지 않을 수 있습니다.