저에너지 건물에서 경질 우레탄폼 단열재(우레탄보드)의 라이프 사이클 환경과 경제성 분석(2)

저에너지 건물에서 경질 우레탄폼 단열재(우레탄보드)의
라이프 사이클 환경과 경제성 분석(2)

 

벨기에 연방정부는 다른 벽면 디자인에서 열 개의 단열 제품(단열재)이 환경에 미치는 영향을 조사하였습니다.​결과는 단열재에서 더 높이 구현된 영향은 건물 부재의 수준에서 더 높은 영향을 발생하지 않는다는 것을 명확하게 보여줍니다. 예를 들어 말하자면, “기후변화(GWP)”와 “부영양화(수질 오염)”의 영향 분류로부터 운영에너지의 사용과 다른 건물 자재와 단열재로부터 오는 영향 사이의 연결을 보여줍니다. ​연구는 동등하게 관련된넓은 범위의 환경 지표로 사용이 가능합니다.

보고서에서 “A”와 ”D”는 다른 벽 설계에 해결책으로 나타납니다. 또한, 결과는 특정 제품의 성능을 반영하고,​관련 제조업에 의해 생산된, 더 일반적으로 동일한 재료로 만든 모든 단열재는 추정될 수 없다는 것을 주목해야합니다.

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[단열재 종류별 기후변화에서 전체 벽의 영향 비교]

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[단열재 종류별 부영양화에서 전체 벽의 영향 비교]

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4. 연구의 목표와 모델 건물​

1) 연구의 목표

연구의 목적은 저에너지 건물(건물 부분)의 환경적, 경제적 성능에 대한 경질폴리우레탄폼단열재(경질우레탄보드)의 기여도를 정량화 그리고 동일한 적용에서 사용되는 다른 단열재의 사용과 비교하는 것​이었습니다. 다른 단열에서 환경에 미치는 영향은 다음 사용 단계, 즉 수명 주기(라이프 사이클) 이상의 건물 에너지소비의 이익을 비교하였습니다.

자료는 제품 수준에서의 환경 기준을 설정하거나 또는 정확한 건물 설계요건을 알지 못하고 단열재를 비교하면 의미 있는 결과를 유도하지 않는다는 것을 알게 되었습니다. 연구의 혁신적인 요소들은 중량 ​단위 또는 R-값​(열저항 값)마다 환경에 미치는 영향을 비교하였습니다.

처음으로, 연구는 건물 자체에 재료 선택의 파급 효과를 보았습니다(추가적인 서까래, 큰 기초 및 지붕, ​보조 요구사항 등). 이 이유는 건축 자재의 영향은 건축 요소마다 조사된 다양한 단열 해결책이 서로 다르기 때문입니다.

 

2) 모델 건물

BRE는 건축 구성요소와 건물 모형을 설계하고, 자체 데이터베이스에서 건축 재료의 선택과 단열의 해결책을 결정하였습니다. PU 유럽은 전형적인 저에너지 주택 수준에 따라 건물 구성요소에 대해 U-값을 정의합니다.

모델 건물은 피터 레스 에너지 모델링(CR444/98)의 BRE 고객 보고서 표준 주거지에서 거리가 떨어진 곳에 위치하는 주택입니다. 집의 전체 면적은 104㎡이고 이 층으로 되어있으며, 난방 시스템과 조명 등의 고정과 건물은 섬유로만 단열을 하였습니다. 이 모형 건물은 PWC 연구에서 두 번째 부분을 위해 사용되었습니다.

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[주거 및 사업용 건물 기준]

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또한, PWC는 큰 독립된 상업 건물(소매)을 모델로 하였습니다. 유럽에서 기준 상업용 건물 모델의 부족 으로 기준 건물의 정의는 미국 정부에서 수행한 작업을 기초로 하였습니다. 지중해, 온대성 해양기후,  ​차가운 기후 등 세 가지 기후대로 형성되었습니다. 모델의 구성은 연구의 모든 기후대에 대해 적절하고 평범했습니다.

​BRE 연구는 모든 기후대에서 유사한 U-값을 사용하는 동안, PWC는 각 지역의 기후 조건에 따라 U-값을 적용하였습니다.

 

3) 공간 난방과 냉각을 위한 에너지 배출량의 계산

공간 난방에 사용되는 에너지는 서로 다른 외부 기후대에 대한 개정 BRESAP의 버전을 사용하여 계산하였습니다. 에너지는 천연 가스였습니다.

BRE 연구의 경우, 세 가지 외부 기후 각 사이의 공간 난방을 위한 에너지소비에 명확한 차이가 있었습니다.​예를 들어, 기본 소비를 온대성 해양기후를 사용하면, 차가운 기후의 새로운 건물에서 난방 소비는 약 140%​높았습니다. PWC에 의해 대형 상업 건물을 조사한 냉난방 수요는 약간의 조정과 미국 에너지국의 자료를사용하였습니다.

BRE 연구는 세 부분으로 구성되어 있습니다.

(1) 전체 건물의 관점에서 새로운 건물에 단열재의 영향

(2) 두께가 제한될 때 수리에서 단열재의 영향

(3) 평면 지붕의 따뜻한 새로운 건물에서 단열재의 영향

PWC 연구는 두 부분으로 구성되어 있습니다.

(1) 새로운 대형 상업 건물에서 단열재의 영향

(2) 주택의 일반적인 경사 지붕의 수리에서 단열재의 영향

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[하나로마트 경질 우레탄폼 단열재(우레탄보드)]​

 

5. 연구의 결과​

​ 1) 사례 연구 1: 주거용 건물–완전히 새로운 건물

(1) BRE 1: 전체 건물의 관점에서 새로운 건물에 단열재의 영향–열전도도에 미치는 영향 첫 번째 경우는 완전히 새로운 건물을 분석하였습니다.(2층 구조로 3개의 침실과 독립된 주택)

다음과 같이 서로 다른 건물 구성 요소에 대한 U-값은 고정하였습니다.

a) 경사 지붕 : 0.13 W/㎡·K

b) 벽 : 0.15 W/㎡·K

c) 지상 층 : 0.18 W/㎡·K

d) 창문 : 2.10 W/㎡·K

열교와 관련된 열손실: y-값=0.08 W/㎡·K

참고적으로 국내 건축물의 에너지절약설계기준(국토해양부 고시 제2013-587호, 시행 2013.10.1.)에서 열관류율 기준(중부지방)은 거실의 외벽: 0.27 W/㎡·K 이하, 최상층에 있는 거실의 반자 또는 지붕: 0.18 W/㎡·K 이하로 규정하고 있습니다. 외국과 비교했을 때 국내 기준은 벽의 경우 55%, 지붕의 경우는 ​72% 수준에 이르고 있으며, 이는 앞으로도 건축물의 단열성능에 대한 기준은 강화될 것으로 판단됩니다.

내부 거실의 표면적과 부피는 일정하게 유지했으며, 건물 설계는 구성 요소의 두께 차이에 맞게 아래 그림과같이 적용하였습니다.

 

[그림] 경사 지붕의 설계와 단열층의 실제 두께 비율을 반영한 벽 단열

 

목적은 경질 우레탄폼 단열재, 암면 그리고 그라스울에 따라 서로 다른 단열재를 사용하여 각각의 설계 성능을 평가하는 것입니다. 이들은 다른 열전도 수준이므로, 동일한 U-값을 달성하도록 상이한 두께로 사용되어 왔습니다. ​ 실제로 벽의 0.15 W/㎡·K의 U-값을 달성하기 위해서 경질 우레탄폼 단열재는 180mm로 충분하였지만, ​암면과그라스울은 270mm의 단열층을 요구하였습니다.

 

경사 지붕에서 경질 우레탄폼 단열재는 190mm, 그라스울은 300mm, 암면은 310mm를 사용했습니다.

단열재 적용	경질 우레탄폼 단열재		암면		그라스울
	벽	경사지붕	벽	경사지붕	벽	경사지붕
두께(mm)	180	서까래사이 90 서까래에 100	270	서까래사이 220 서까래에 90	270	서까래사이 300
밀도(kg/㎥)	32	32	39	서까래사이 45 서까래에 145	17	17
무게(kg/㎡)	5.76	5.76	10.53	22.95	4.59	4.59
열전도율 (W/mK)	0.022	0.023	0.037	0.038	0.032	0.037
열관류율 (W/㎡K)	0.15	0.13	0.15	0.13	0.15	0.13

 

참고적으로 국내 건축물의 에너지절약설계기준(국토해양부 고시 제2013-587호, 시행 2013.10.1.)에서 열관류율기준(중부지방)은 거실의 외벽: 0.27 W/㎡·K 이하, 최상층에 있는 거실의 반자 또는 지붕: 0.18 W/㎡·K 이하로규정하고 있습니다.

​이것은 경질우레탄폼단열재 열전도율을 0.020W/m·K으로 기준하였을 경우 거실의 외벽은 경질우레탄폼 단열재​75mm, 최상층에 있는 거실의 반자 및 지붕에서는 115mm를 사용하여야 적합한 두께입니다.

 

중부지역: 서울 마곡지구 경질 우레탄폼 단열재 160mm

남부지역: 보령 하나로마트 경질 우레탄폼 단열재 100mm

남부지역: 광주 교통회관 경질 우레탄폼 단열재 160mm

남부지역: 울산 종합사회복지관 경질 우레탄폼 단열재 110mm

지역별 경질우레탄폼 단열재 두께가 상이한 것은 일반 건축물에서는 EPI 65점 기준, 관공서의 경우에 EPI는 74점을 기준으로 하고 있으며, 또한 녹색인증에 따른 경질우레탄폼단열재의 두께는 더 증가될 수 있습니다.

 

(2) 라이프 사이클 분석 

아래의 그림은 경질 우레탄폼 단열재, 암면 및 그라스울 단열재에 대한 선택된 다섯 지표(GWP, AP, POCP, EP 및 ODP) 의 표준화 된 환경에 미치는 영향을 보여줍니다. 표준화된 데이터는 각각 환경 영향의 범주에서 상대적인 크기의 비교를 제공합니다. 이 세 가지 동일한 설계에서, 그 결과는 건물에서 사용 단계에서 소비되는 에너지로부터 환경에 미치는 영향의 기여도는 제외하였습니다.

 

[전체 건물– 영향 범주 당 표준화된 환경에 미치는 영향(온대 해양성 기후)]

도표는 건물에서 성능 수준은 큰 차이가 없는 것을 명확하게 보여줍니다. 세 가지 기후대에서 결과는 유사했습니다. 그러나 이 세 가지의 경우 모두에서 지상 층 0.18 W/㎡·K의 일정한 열관류율 값을 나타내는 경질 우레 탄폼단열재를 주목해야합니다. 독립된 건물의 지상 층에서 경질우레탄폼단열재를 대신해 비드법단열재를 사용하면 같은 결론을 나타낸다는 것을 확인하였습니다. 두 단열재는 환경 성능에 주목할 만한 차이가 습니다. 또한 연구는 세 가지 기후대에 있는 건물의 에너지 사용과 단열재 그리고 건물에서 구현된 환경 영향

의비교를 가능하게 합니다.

  

표준화된 데이터–에너지사용, 건축 재료 및 단열(건축과 단열재의 영향은
세 가지 설계 해결의 평균입니다.

그림 8은 모델하우스의 단열 재료 및 구성은 건물 에너지 사용에 따른 3분의 2정도로, 총 GWP(Global Warming Potential, 지구온난화지수)의 단지 약 3분의 1일 차지하고 있음을 보여줍니다. 이 내용은 다소 모순이 있습니다. 저에너지 설계, 건축 자재의 환경적 영향은 건물의 사용 단계에서 ​그것을 초과할 것입니다.

반면에, 전체 AP(Acidification Potential, 산성화지수), POCP(Photochemical Ozone Creation Potential) ​그리고 건축 및 단열 재료의 EP(Eutrophication Potential, 부영양화지수)가 건물의 에너지 사용에 의한 것보다 더 높았습니다.

또 다른 중요한 결론은 건물의 전체 환경에 미치는 영향에 단열 재료의 비중이 매우 작다는 것입니다.

 

(3) 라이프 사이클 비용

벽 및 지붕에서 LCC 분석은 모든 기후대 및 각각의 경우에 경질 우레탄폼 단열재(우레탄보드)의 해결은 건물의 50년 수명보다 더 비용 효율적인 것을 보여주었습니다. 특히 경질 우레탄폼 단열재 (우레탄보드)를 사용한 경사진 지붕에서는 20% 더 비용을 절약할 수 있다는 것으로 나타났습니다.

​지상 층에서 경질 우레탄폼 단열재(우레탄보드)를 사용한 모든 경우는 조사되지 않았습니다.

 

[온대 해양성 기후에서 경사진 지붕의 해결책과 이중 벽의 LCC(Life Cycle Cost)]

그리스울과 미네랄울을 단열재로 사용할 경우 전반적으로 높은 비용이 소요되고, 건물 자체의 단열 두께에 연쇄적으로 영향을 미치며, 요구하는 열관류율 값을 달성하기 위해 다른 단열재의 필요에 의해 설명될 수 있습니다.

더 많은 외부 벽돌 벽과 긴 벽의 연결은 이중벽의 경우 큰 기초를 필요로 합니다. 경사 지붕의 결과는 깊은 서까래의 필요성과 더 큰 지붕 피복 표면적에 대한 영향을 받았습니다.

[참고] 깊은 새로운 벽의 한 가지 효과는 지붕과 바닥에 추가적인 발자국 영역입니다. 큰 건물의 현장에서 이것은 밀도 또는 현장에서 건설될 수 있는 특성에 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어, 최악의 경우에 각각 시설물에 대한 지붕 면적 4.00㎡의 추가는 단지 9개의 특성을 수용할 수 있지만, 외부 벽이 얇은 경우 10개의 특성을 수용할 수 있다는 것을 의미합니다. 잠재적인 비용과 환경에 미치는 영향은 현재의 연구에서 고려되지 않았으며, 추가적인 연구를 위한 영역을 제공할 수 있습니다.

 

경사진 지붕에서 경질 우레탄폼 단열재(우레탄보드) 시공

 

 

(4) BRE 1부의 결론:

a) LCA(Life Cycle Assessment, 라이프 사이클 분석)

분석은 건물 수준에서 모든 단열 해결책은 전반적으로 매우 유사한 환경성과를 보여줍니다. ​또한 건물의전체적인 환경 부담에 대한 단열 재료의 기여는 매우 제한적임을 입증할 수 있습니다.  

심지어 저에너지 건물도 건물의 사용 단계에서 소비되는 에너지는 건축 및 단열 재료보다 훨씬 더 높은 지구온난화에 기여합니다. 한편 재료의 AP(산성화지수), EP(부영양화지수) 및 POCP(광화학오존생성 지수)는 건물의 에너지 사용으로 발생된 것을 초과합니다.

b) LCC(Life Cycle Cost, 라이프 사이클 비용)

BRE 연구에 적용되는 모든 설계 해결책의 경우, 경질 우레탄폼 단열재(우레탄보드)는 낮은 수명 비용을보였습니다.

​이 결과는 모든 가능한 설계 해결책으로 확장할 수는 없지만, 반면에 그것은 경질 우레탄폼단열재 ​(우레탄보드)의 원가 경쟁력을 나타내는 지표입니다.

 

품질 안정을 위하여 숙성실에서 숙성 중인경질우레탄폼단열재

 

2) 사례 연구 2: 주거용 건물–경사 지붕의 리모델링

PWC 파트 B: 주거 건물의 전형적인 경사 지붕 리모델링에서 단열재의 영향 PWC는 단독 주택의 동일 모델로 경사진 지붕을 리모델링하는 것을 모의 시험으로 사용하였습니다. 지붕은 서까래 사이에 이미 8㎝ 두께로 미네랄울 단열재가 설치되어 있습니다. 리모델링 건물의 측정은 가열에너지 소비의 14%가 감소되었습니다. 다른 모든 건물 요소와 장비는 변화가 없었습니다. 물론 공기 침투를 발생시키는 단열이 안 되는 기존 벽과슬래브는 고려되었습니다. 이것은 더 나아가 열손실의 결과와 리모델링과 글로벌 접근법에 대한 필요성을강조하였습니다.

a) 외부 지붕의 열관류율 값: 0.52 W/㎡·K

b) 리모델링 지붕의 열관류율 값: 0.16 W/㎡·K

이것은 PWC 연구가 다른 단열 재료에 의해 추진된 설치 해결책에 따른 경사진 지붕 설계를 모델화 하는 것으로주목하는 것이 중요합니다.

구분	경질우레탄폼 단열재	Wood Fibre	락울	그라스울
전체 두께 (mm)	100	225	235	200
밀도 (kg/㎥)	32	55 서까래 사이 140 서까래	70 서까래 사이 165 서까래	28
열전도율 (W/m·K)	0.023	0.038 서까래 사이 0.042 서까래	0.036 서까래 사이 0.040 서까래	0.036
열관류율 (W/㎡·K)	0.16	0.16	0.16	0.16
설치	서까래에 배치	서까래 위에 180mm ,사이 125mm: 서까래 사이에 존재하는 단열층을 완전히 제거하고 WF로 채움	서까래 위에 135mm ,사이 100mm: 서까래 사이에 존재하는 단열층을 완전히 제거하고 SW로 채움	서까래 아래와 사이에 100mm: 서까래 사이에 존재하는 단열층을 완전히 제거하고 그라스울로 가득 채움

  

[경질 우레탄폼 단열재(우레탄보드) 사용과 내·외부 온도 변화]