패시브하우스

왜 배우는가: 패시브하우스는 제로에너지건축물 정책의 바탕이 되는 개념이라 건축 에너지 분야 문제에서 자주 등장한다. 1교시 용어형과 3교시 요소기술·활성화 논술형에서 모두 다뤄지는 기본 개념이다.

출제 이력: 제117회 3교시 4번, 제93회 1교시 7번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 패시브하우스는 단열·기밀·열회수 환기로 냉난방 에너지 요구량을 최소화한 건축물이다.

핵심 키워드: 패시브하우스, 단열 외피, 기밀성, 열교 차단, 열회수 환기, 연간 난방 요구량, 제로에너지건축물

쉬운 말로는 집에 두꺼운 옷을 입히고 틈을 막아 한번 데운 열을 집 안에 가두는 집이다. 능동적 설비에 기대기 전에 건물 자체의 성능을 먼저 높인다는 것이 핵심이다. 답안에서는 정의 뒤에 기준 수치 세 가지를 붙이면 채점에서 안정적으로 점수를 얻을 수 있다. 세 가지는 연간 난방 요구량, 기밀 성능, 열회수 환기 효율이다.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면 패시브하우스는 보온병처럼 열이 빠져나가는 길을 줄이는 집이다. 겨울에는 열을 붙잡고 여름에는 바깥 열이 들어오는 것을 막는다. 난방기를 세게 돌리지 않아도 실내 온도가 유지되도록 설계한다.

정식 정의는 다음과 같다. Passive House는 독일 패시브하우스연구소(PHI)가 정한 건축 성능 기준으로, 건물 외피의 단열 외피 성능, 기밀성, 열교 차단, 열회수 환기를 종합적으로 높여 능동 냉난방 설비 의존도를 낮춘 건축물을 가리킨다. 기준은 설계 단계의 계산 도구인 PHPP(Passive House Planning Package)로 검증한다.

핵심 기준은 세 가지다. 첫째, 연간 난방 요구량은 중부 유럽 기준으로 15kWh/m²a 이하다. 이는 건물이 1년 동안 필요로 하는 난방 에너지를 면적으로 나눈 값이다. 둘째, 기밀성은 송풍기 문 시험에서 ±50Pa 에서 n50 0.6h⁻¹ 이하를 만족해야 한다. 셋째, 열회수 환기의 열교환 효율은 통상 75% 이상을 요구한다.

최대 열부하는 설계 기준이 정한 값 이하로 정한다. 이 값은 난방 요구량과 함께 설계 성능을 판단하는 보조 지표다. 난방 요구량은 연간 총량이고, 열부하는 가장 추운 순간의 순간 부하라는 점이 다르다.

혼동하기 쉬운 것이 난방 요구량과 1차 에너지다. 난방 요구량은 건물 외피와 환기가 만드는 열 수요다. 1차 에너지는 설비 효율과 에너지원까지 포함한 소비량이다. 패시브하우스는 우선 난방 요구량을 낮추고, 이후 신재생에너지로 1차 에너지를 줄이는 순서로 설계한다.

난방 에너지를 크게 줄이는 것이 패시브하우스의 경제성 근거다. 국내 자료에서는 일반주택 대비 난방비를 10% 수준으로 줄일 수 있다고 설명한다. 다만 이는 기후와 설계 조건에 따라 달라지므로 답안에서는 방향성으로만 쓴다.

3. 등장 배경과 필요성

패시브하우스의 원리는 단열 강화와 기밀 시공 같은 기법에서 출발했다. 이런 기법은 표준이 정해지기 전부터 있었다. 독일 PHI가 정량 기준과 품질 보증 체계를 만들면서 하나의 건축 기준으로 정리되었다. 이후 유럽을 중심으로 확산되었다.

국내에서는 2000년대 후반에 시작되었다. 2012년 기준 30~40채 정도가 등록되어 있었고, 높은 공사비 때문에 대중화되지 못했다. 전환점은 2015년 12월 파리기후변화협약이다. 이후 우리나라는 2030년까지 온실가스 감축 목표를 세우고 제로에너지 건축물 활성화 정책을 시행하고 있다.

이 흐름에서 패시브하우스는 제로에너지건축물을 달성하는 출발점으로 자리잡았다. 「녹색건축물 조성 지원법」은 제로에너지건축물을 에너지 부하를 최소화하고 신재생에너지를 활용해 에너지 소요량을 최소화한 녹색건축물로 정의한다. 패시브하우스는 이 정의 중 에너지 부하 최소화 부분을 담당한다.

실제 사례도 늘고 있다. 2017년에는 충북 청주시 서원구 남이면에 가온누리마을이라는 패시브하우스단지가 건축되었다. 순천에서는 단독·주상복합 건축물을 패시브하우스로 지을 때 공사비를 보조하고 있다. 공공건축물에도 적용이 확대되는 추세다.

필요성은 자연환기의 한계에서도 나온다. 창을 열어 환기하면 외부 온도차와 바람에 따라 환기량이 크게 흔들린다. 겨울에는 열 손실이 커서 창을 열어 두기 어렵다. 그래서 밀폐된 외피 위에 열회수 환기장치를 두어 열 손실 없이 신선한 공기를 공급하는 구조가 필요해진다.

에너지 자립 도시 관점에서도 의미가 크다. 도시화가 진행되면서 건물이 쓰는 에너지를 줄이는 것이 지속 가능성의 핵심이 되었다. 패시브하우스는 설비를 늘리기 전에 수요를 줄이는 접근으로, 이 과제에 가장 직접적으로 답한다.

4. 구성요소·원리·절차

패시브하우스는 능동 설비에 의존하지 않고 건물 외피와 배치로 열 손실을 줄이고 획득을 늘리는 방식이다. 구성요소는 외피 단열, 기밀, 열교 차단, 고성능 창호, 열회수 환기, 잔여 부하 처리의 여섯 가지로 나눈다. 각 요소는 따로 작동하지 않고 함께 작동할 때 난방 부하가 크게 줄어든다. 단열만 높이고 기밀이 깨지면 틈새 침기로 손실이 생겨 설계값이 무너진다.

표의 여섯 요소 중 외피와 기밀이 가장 큰 비중을 차지한다. 열교 차단은 외단열 연속성과 창호 주변 상세로 해결한다. 잔여 부하는 소형 급기 또는 온열 설비로 처리한다.

건물의 열 손실은 전도, 대류, 복사, 침기로 빠져나간다. 외피 단열은 전도를 줄이고, 기밀은 침기를 막으며, 열교 차단은 구조체 부분의 손실을 막는다. 남향 창의 일사 획득은 난방 부하를 상쇄한다. 열 수지식은 다음과 같다.

$Q_h = Q_T + Q_V - \eta(Q_{int} + Q_{sol})$

• Q_h: 연간 난방 에너지요구량(kWh/a)
• Q_T: 외피 전도 손실(kWh/a)
• Q_V: 환기에 의한 손실(kWh/a)
• Q_{int}: 내부 발열(사람·기기 등, kWh/a)
• Q_{sol}: 창을 통한 일사 획득(kWh/a)
• \eta: 획득 이용률(무차원)

이 식의 결과를 연면적 또는 난방면적으로 나눈 값이 연간 난방 에너지요구량이며, 패시브하우스 인증의 핵심 판정값이다. 설계 단계에서는 PHPP 계산 도구로 이 값을 검증한다. 설계 절차는 다음과 같다.

• 기후 자료와 건물 형태를 입력하고 PHPP로 에너지요구량을 1차 계산한다.
• 외벽·지붕·바닥의 단열 두께와 열교 상세를 정한다.
• 방위별 창면적비와 창호 사양을 정하고 일사 획득을 계산한다.
• 기밀층 위치와 시공 상세를 정하고 시공 중 점검 계획을 세운다.
• 열회수 환기장치의 풍량과 덕트 경로를 설계한다.
• 준공 후 기밀시험과 에너지요구량 재계산으로 최종 검증한다.

위 흐름에서 마지막 화살표는 검증 결과가 기준을 넘으면 설계로 되돌아가는 되먹임이다. 구성도 관점에서 보면 외피 안쪽 기밀층과 열회수 환기 루프가 건물 내부 열을 가두는 구조가 된다.

5. 관련 법령·기준·표준

패시브하우스는 법정 의무 제도가 아니라 독일 PHI(Passive House Institute) 기준이 원형이다. 국내에서는 제로에너지건축물 정책과 연계되어 활성화되고 있다. 국내 법령은 「녹색건축물 조성 지원법」이 제로에너지건축물을 '에너지 부하를 최소화하고 신재생 에너지를 활용해 에너지 소요량을 최소화한 녹색건축물'로 정의한다. 다음 표는 패시브 기준의 핵심 수치를 모은 것이다.