Cool Roof Database 분석을 통한 스테인리스 지붕재의 요구 성능에 관한 연구

A Study on the Required Performance of Roof Panels Using Stainless Steel Based on Cool Roof Database Analysis

Article information

J. Korean Soc. Hazard Mitig. 2017;17(1):313-322
Publication date (electronic) : 2017 February 28
doi : https://doi.org/10.9798/KOSHAM.2017.17.1.313
박상우*, 양종민**, 이은택
* Member, Graduate School, Architectural Engineering, Chung-Ang University
** Graduate School, Architectural Engineering, Chung-Ang University
***Corresponding Author, Member, Professor, Architectural Engineering, Chung-Ang University (Tel: +82-2-820-5380, Fax: +82-2-813-8052, E-mail: etlee@cau.ac.kr)
Received 2016 July 06; Revised 2016 July 08; Accepted 2016 August 05.

Abstract

본 연구에서는 국외에 등록된 Cool Roof 제품들의 태양 반사율, 열 방사율, SRI 등을 통해 Coor Roof 제품들의 특성을 분석하여 스테인리스 지붕재 및 국내 지붕재의 현 Coor Roof 성능을 평가하였다. 국외 Coor Roof 제품들의 Datebase를 Product Type, Color 등으로 분류 및 분석하여 현 Coor Roof 제품들의 성능을 파악하였다. 이를 기준으로 국내 지붕재의 Cool Roof 성능이 어느 수준에 위치하는지, 지붕재의 태양 반사율 및 열 방사율을 측정하여 주요 Cool Roof 성능 기준과 비교 및 분석하였고, 나아가 국내 Cool Roof 적용을 위한 스테인리스 지붕재 및 국내 지붕재의 요구성능을 분석하였다.

Trans Abstract

In this study, we analyzed the characteristics of the cool roof products through solar reflectance, thermal emittance and SRI of the cool roof products registered in foreign countries, and evaluated the current cool roof performance of the roof panels of stainless steel and the domestic roof panels. We investigated the performance of the current cool roof products while sorting the databases of the cool roof products into product type, color, etc, and analyzing them. Based on them, we measured solar reflectance and thermal emittance of the stainless steel’s roof panels and the domestic roof panels. And we compared them with major cool roof performance standards and analyzed them to figure out where the level of cool roof performance of them is at. Futhermore, we analyzed the required performance of the stainless steel’s roof panels and the domestic roof panels for domestic application of Cool Roof.

1. 서론

전 세계적으로 저에너지, 저탄소 및 지속가능성 사회구현을 위하여 각 분야 별로 에너지 절약과 장수명화가 요구되어지고 있다. 건물 분야는 생활수준의 급격한 향상과 건축물의 수요증대 및 에너지 절약 정책의 미흡 등으로 인하여 에너지 효율 향상을 통한 절약의 가능성이 가장 큰 분야이다.

건축물에서 에너지 소비의 가장 큰 부분을 차지하는 것은 냉난방 부하이며, 냉난방 부하를 적절히 예측하여 설비를 줄이는 것만으로도 층고 감소, 설비용량 감소 및 설비시설 중량감소로 인한 자중 감소 등의 이점이 있다. 특히 건물 최상층의 과다한 냉난방부하는 에너지 소비 증가와 함께 재실자의 쾌적도를 저하시키고 동시에 도시 열섬 현상의 원인이 되는 상황이다. 따라서 지붕재를 통한 최상층의 취약한 열환경 개선을 위해 에너지 저감 방안에 관하여 지속적으로 연구와 함께 장수명화와 리 사이클화를 만족하는 친환경재료인 스테인리스강의 활용방안도 요구되어 진다.

본 연구의 목적은 국외에 등록된 Cool Roof 제품들의 태양 반사율, 열 방사율 및 SRI 등의 성능을 분석하고 국내 스테인리스 지붕재 및 기타 지붕재의 냉방부하에 따른 Cool Roof 성능을 평가하는데 있다. 본 연구를 통하여 국내 스테인리스 지붕재 및 기타 지붕재의 현 Cool Roof 성능 수준을 파악할 수 있으며, 국내의 Cool Roof 도입을 대비하여 국내 지붕재의 보완할 요구 성능을 예측할 수 있다.

연구에서는 스테인리스 지붕재 및 Cool Roof에 대하여 이론적으로 고찰하고, Cool Roof와 관련된 국내외 기존 연구 문헌을 검토한다. 또한 국외에 적용되고 있는 Cool Roof의 성능기준에 대해 파악한 후, 이러한 Cool Roof 성능기준을 토대로 제조되고 있는 국외 Cool Roof 제품들의 Database를 Product Type, Color 등으로 분류 및 분석하여 현 Cool Roof 제품들의 성능을 파악한다. 이를 기준으로 국내 지붕재의 Cool Roof 성능이 어느 수준에 위치하는지, 지붕재의 태양 반사율 및 열 방사율을 측정하여 주요 Cool Roof 성능 기준과 비교 및 분석하고, 나아가 국내 Cool Roof 적용을 위한 스테인리스 지붕재 및 국내 지붕재의 요구 성능을 분석한다.

2. 기존 연구 동향

2.1 스테인리스 지붕재

스테인리스강은 약 10.5% 이상의 Cr(크롬)성분을 함유한 특수강으로 표면이 미려하고 내식성이 우수하여 도장, 도색 등의 표면처리를 하지 않고도 다양한 용도에 사용할 수 있는 철강재료이다. 주성분인 Cr이 강 표면에 매우 얇은(2∼3mm의 두께) Cr2O3 층을 형성하여 금속기지내로 침입하는 산소를 차단시키는 부동태피막(Passivily Layer)의 역할을 함으로써 녹이 잘 발생하지 않는 특성이 있으며, 금속모재와의 반응 생성물이기 때문에 긁힌 홈 등으로 일부 파괴되더라도 금방 재생되는 성질을 갖고 있다. 또한 스테인리스강은 보통강에 비하여 항복내력 이후의 내력 상승이나 신장성능이 극히 우수하다. 더불어 보통강에서 볼 수 있는 천이온도(충격특징이 급격히 저하되는 온도)가 보이지 않고 저온영역까지 우수한 충격특성을 나타내는 등 소재성능 측면에서는 보통강에 비하여 월등한 성능을 나타내고 있다.

2.2 Cool Roof

전체 태양 에너지 스펙트럼 중 많은 양의 적외선을 반사시켜, 건물의 지붕을 통해 유입되는 태양 에너지를 저감할 수 있는 지붕 마감재를 통칭하여 Cool Roof라 한다. Cool Roof는 일반적으로 흰색이나 밝은 색으로 이루어져 있어, 태양반사율과 열 방사율이 높은 특징을 갖고 있으며, Fig. 1과 같이 열적 물성으로 인해 일반적인 지붕에 비해 지붕의 표면온도를 낮게 유지할 수 있다.

Fig. 1

Cool Roof Concept

Cool Roof 성능을 나타내는 요소로서 태양 반사율, 열 방사율, SRI를 들 수 있다. 태양 반사율은 0∼1의 값으로 설정되며, 0은 모든 태양 복사를 흡수하는 표면이고, 1은 유입되는 에너지를 모두 반사하는 표면을 뜻한다. 열 방사율도 0∼1의 값으로 설정되며, 흑체에서 방사하는 에너지 값과 비교하여 측정된다. 방사율 값이 높은 물체가 더 많은 에너지를 방출한다. SRI(Solar Reflectance Index)는 전형적인 하절기 오후 지붕표면의 온도에 관련한 상대적인 지표로, 깨끗한 검은 지붕의 경우(태양 반사율 0.05, 열 방사율 0.90)를 0으로 규정하고, 깨끗한 흰색 지붕(태양 반사율 0.80, 열 방사율 0.90)은 100으로 규정하여 계산된 지표이다. 온도가 높은 지붕 표면의 경우 낮은 SRI를 가지고 차가운 표면은 높은 SRI를 가진다.

2.3 Cool Roof에 관한 국내⋅외 연구동향

국내 건물 지붕의 에너지 절약 방안에 관한 연구는 주로 옥상녹화 시스템의 적용에 따른 에너지 저감방안에 관한 연구였으나, 최근 들어 에너지 소비 절감을 위한 연구는 이루어지고 있지만, 국내에는 Cool Roof에 대한 성능 평가나 기준이 마련되어 있지 않다.

김옥(2010)은 Cool Roof 적용에 따른 에너지 성능실험을 실시한 결과, Cool Roof와 옥상녹화마감 시 지붕의 표면온도가 낮아 도심의 열섬현상을 저감할 수 있을 것으로 판단했다. 에너지 해석 시뮬레이션을 활용하여 국내 Cool Roof 도입 시, 국내 지역별 적정 태양반사율과 열 방사율, 단열성능을 제안하고 있고, 국외에서는 Cool Roof 성능 기준과 적용 프로그램 등을 개발하여 건물 지붕에서의 에너지 저감방안을 활발히 모색하고 있다.

Akbari(2008, 2012) 등은 세계 도심지역에서 흰 지붕 또는 Cool Color로 개선할 경우, 240억 톤의 CO2를 절감할 수 있음을 나타냈으며, 이를 20년 동안 지속 시 세계 전체 차량의 절반을 제거하는 효과와 동일함을 나타냈다. 이러한 Cool Roof를 통한 에너지 절감 가능성은 온대기후에서 170∼500 kWh/year, 열대기후에서 700∼1000 kWh/year로 추정되며 경제적 가치는 $3.7∼15/yr/m2로 추정했다.

Cool Roof에 관한 일부 인식으로, 난방부하의 증가로 인하여 에너지 절감 가능성이 낮다는 견해가 있으나 Gentle(2011) 등은 Cool Roof의 기능을 높인 지붕이 일반적으로 온대기후 지역에서 겨울철 난방 평균 수요량에 지배적인 영향력을 끼치지 않음을 나타냈다.

또한 Synnefa(2007) 등은 각 지역별 연구를 통해, 난방부하의 증가량은 냉방부하의 감소량보다 적은 것으로 측정되어 Cool Roof의 에너지 절감 효과를 증명했다.

3. Cool Roof의 국외 성능기준

국외의 Cool Roof 성능기준을 Energy Code, State & City Code, Green Building Program으로 분류하여 그 내용을 파악하였고, 자세한 내용은 Table 1과 같다.

Cool Roof of International Standards

3.1 Energy Codes

ASHRAE Standard 90.1은 상업용 건물의 공조 에너지 사용 저감을 위한 방안으로, ASHRAE Standard 90.2는 저층 주거용 건물을 위한 에너지 절약 설계기준으로 태양 반사율이 높은 지붕 재료인 Cool Roof를 건물에 적용하기 위해 미국의 다양한 기후대에서 사용할 수 있도록, Cool Roof 적용 시 에너지 저감량에 관한 평가 및 지붕 재료 등에 대한 기준을 제시하였다. ASHRAE Standard 90.1-2007은 Cool Roof와 관련하여 설정한 규정으로 초기 태양반사율 0.70 이상, 열 방사율 0.75 이상, 또는 SRI 82 이상으로 하고, ASHRAE Standard 90.2-2007은 초기 태양 반사율 0.65 이상, 열 방사율 0.75 이상 또는 SRI 75 이상으로 한다.

International Energy Conservation Code는 ICC에 의해 만들어진 국가 에너지 코드이다. 코드는 지침과 성능위주의 접근방식을 제공하며 주거용, 상업용 건물에 대한 최소의 효율적 에너지 공급을 담고 있다. IECC(2006)에서는 상업용 건물을 위해 ASHRAE Standard 90.1의 Cool Roof 성능 규정을 유지하도록 하고, 주거용 건물을 위해 Cool Roof의 기준 성능을 명확하게 제공한다. 이에 따라 2006 IECC 주거용 건물의 지붕 태양 반사율은 0.52, 열 방사율은 0.90로 한다.

3.2 Green Building Programs

Leadership in Energy and Environmental Design(LEED)은 지속가능한 건물을 위한 자발적인 인증 프로그램이다. LEED Version 4은 ‘Sustainable sites Credit 7.2 열섬현상’에서 Cool Roof의 기준을 제공하며, Cool Roof를 건물 지붕에 적용하는 것에 관해 하나의 등급 포인트로 지정하고 있다. Cool Roof 요구사항은 지붕재가 지붕표면의 75%를 덮고 있으며, low slope 지붕에서 SRI 값이 78 이상이어야 하고, steep slope 지붕에서는 29 이상이어야 한다. 만약 지붕의 75% 이상이 덮여있다면, 가중치를 적용하는 다음 식을 사용하여 기준을 만족하면 Cool Roof로 인증된다.

 AreaRoofMettingMinimum TotalRoofArea× SRIofInstalledRoof  RequiredSRI75%

일반적으로 미국 EPA Energy Star Label을 위한 자격으로 낮은 경사(2:12를 초과하지 않는 기울기를 갖은 지붕)로 이루어진 지붕의 초기 태양 반사율과 3년경과 후 태양 반사율은 각각 0.65와 0.50 이상 되도록 요구한다. 급경사 지붕(2:12 이상의 높은 기울기 비로 설치된 지붕)의 경우에는 반드시 초기 태양 반사율과 3년경과 후 태양 반사율이 각각 0.25와 0.15 이상되어야 한다.

New York City Building Code의 Chapter 15에서는 지붕 slope가 3:12 이하인 경우의 모든 건물의 지붕은 white roof 이거나, 지붕면적의 75% 이상을 덮고 있는 지붕재가 ENERGY STAR의 기준에 의해 평가된 것이어야 한다.

Dallas City 의회는 모든 주거용 상업용 건물에 있어서 에너지와 물의 소비를 줄이는데 초점을 맞춘 green construction 법령을 2008년에 만장일치로 채택했다. 50,000ft2 미만인 모든 low slope 상업용 프로젝트의 지붕은 ENERGY STAR의 low- slope 지붕 요구사항(최초 태양반사율이 0.65 이상, 3년 경과된 태양반사율이 0.5 이상)을 만족해야 한다. 50,000ft2 이상인 모든 상업용 프로젝트의 지붕은 그 건물 타입에 맞는 LEED 승인을 얻기 위한 점수의 85%를 충족해야 한다.

4. CRRC 및 ENERGY STAR의 Cool Roof Database 분석

스테인리스 지붕재 및 국내 지붕재의 Cool Roof 성능을 평가하기 위한 기초자료로 활용하기 위해, Cool Roof 제품이 다수 등록되어 있는 CRRC와 ENERGY STAR의 Cool Roof Database를 Product Type, Color, 시간 경과에 따라 분석하였다.

4.1 CRRC, ENERGY STAR의 Database 개요

본 논문에 사용된 CRRC Products List는 2012년 7월 13일까지 등록된 자료이며, 총 2435개의 제품 Data를 사용하였다. ENERGY STAR에서 인용한 Database는 2012년 9월 5일까지 ENERGY STAR에 등록된 자료이며, 등록된 총 4601개의 모든 제품 Data를 사용하였다. 본 논문에서 분석된 CRRC 및 ENERGY STAR의 Database 구성은 Table 2와 같다.

The Percentage of Roofing

4.2 Product Type에 따른 Database 분석

태양 반사율의 평균은 Single-Ply(0.73), Coating(0.5), Modified Bitumen(0.48), Metal(0.38), Tile(0.33), Shingles (0.28) 순으로 높았다.

Coating, Modified Bitumen 제품은 태양반사율이 높은 제품과 낮은 제품으로 분리되어 분포하고 있으며 Metal, Shingles, Tile 제품은 대부분의 제품들이 Steep 용도로 태양반사율이 낮은 0.2∼0.4에 집중되어 있다. Single-Ply 제품은 대부분 평지붕에 주로 사용되고 White 및 밝은 계통의 Color가 많기 때문에 전반적으로 태양반사율이 높은 0.7∼0.9에 분포하고 있다.

열 방사율의 평균은 Shingles(0.91), Tile(0.88), Single- Ply(0.87), Coating(0.85), Metal(0.84), Modified Bitumen (0.82) 순으로 높았다. 등록된 모든 제품이 평균0.8 이상의 높은 열 방사율을 나타내고 있으나, Coating(0.85), Metal (0.84), Modified Bitumen(0.82) 제품이 타 제품에 비해 다소 낮은 열방사율을 나타냈다. SRI의 평균은 Single-Ply(89.5), Coating(56.3), Modified Bitumen(54.2), Metal(40.5), Tile (35.2), Shingles(29.5) 순으로 높았다. SRI는 태양반사율과 열 방사율의 조합으로 계산된 지표이지만, 열 방사율보다 태양반사율에 대한 영향이 큰 지표이기 때문에 전체적으로 태양반사율의 통계 경향과 비슷한 경향을 보이고 있다. Fig. 2는 Product Type에 따른 SRI의 히스토그램이다.

Fig. 2

SRI Distribution Histogram of the Roofing

다음 Table 3은 Database에서 LEED 성능기준을 만족하는 제품들의 Cool Roof 성능을 파악하기 위하여, LEED 성능기준을 만족하는 제품들의 각 기울기 별 평균값에 표준편차를 가감하여 그 범위를 도출하였다.

Materials that Meet the LEED Standards of Thermal Emissivity and Solar Reflectance Range

4.3 Color에 따른 Database 분석

태양 반사율은 전 제품군에 있어서 White 색상이 높은 값을 나타내고 있으며, Black 색상이 가장 낮은 값을 나타냈다. 그러나 제품별로 White 색상의 평균 차이가 큰 것으로 보아, 제품의 재질 및 기타 요소의 영향도 무시할 수 없음을 나타냈다. 스테인리스강의 고유 색상인, Metallic 색상은 Metal 제품 내에서 White 색상 다음으로 높은 수치를 나타냈으며, 타 제품에서도 비교적 높은 수치를 나타냈다. 이를 근거로 Metal 제품 내에서도 Metallic 색상인 스테인리스 강재가 비교적 높은 태양 반사율을 나타낼 것으로 판단된다.

열 방사율은 대부분의 Color에서 0.8 이상의 높은 수치를 나타냈으나, Metallic 색상은 타 색상과 비교해 현저히 낮은 수치를 나타냈다. 따라서 스테인리스강과 같이 Metallic 색상을 사용하는 지붕재는 열 방사율을 확인한 후, 이를 고려하여 사용해야 할 것으로 판단된다.

SRI는 태양 반사율과 비슷한 결과를 나타냈다. 따라서 Metallic 색상을 사용하는 스테인리스 지붕재의 경우, Metal 제품 내에서 타 색상에 비해 비교적 높은 Cool Roof 성능을 확보할 것으로 판단된다.

4.4 시간 경과에 따른 Database 분석

시간 경과에 따른 태양반사율의 저하율을 분석하기 위하여, 최초 태양 반사율로부터 3년 경과후의 태양반사율이 몇 퍼센트 저하되었는지 알아보았으며, 그 결과는 다음 Table 4와 같다.

After 3 Years, Reduction of the Solar Reflectance

Single-Ply 제품이 성능 저하율이 가장 컸으며, Shingles 제품은 3년 경과 후 태양반사율이 초기 태양반사율보다 향상되는 경향을 나타냈다. 이는 태양반사율이 낮은 제품은 시간이 경과됨에 따라 향상되는 경향이 있기 때문이다. Metal 제품은 태양반사율이 상승한 Shingles제품을 제외한 모든 제품 중에서 가장 낮은 저하율을 나타내었으며, 이는 타 제품에 비해 Cool Roof 성능 측면에 있어서도 우수한 장점으로 판단된다.

5. 스테인리스 지붕재 및 국내 지붕재의 Cool Roof 성능 평가

스테인리스 지붕재 및 국내 지붕재의 Cool Roof 성능 수준을 평가하기 위하여, 지붕재로 쓰이고 있는 스테인리스강의 3가지 강종(304, 445NF, 446M) 및 국내에서 일반적으로 가장 많이 사용되고 있는 지붕재(기와, 아스팔트 싱글, 징크, 칼라강판)의 태양 반사율과 열 방사율을 측정하였고, 주요 Cool Roof 성능기준과 비교 및 분석하였다. 또한 국내 Cool Roof 적용을 위한 요구 성능을 분석하여, 스테인리스 지붕재에 요구되는 Cool Roof 성능을 파악하였다.

5.1 Cool Roof 성능 측정

5.1.1 Cool Roof 성능 측정 개요

국토해양부의 지붕재 사용현황(2010년 6월 기준)을 살펴보면, 콘크리트(43.3%)를 제외하고 슬레이트(18.1%), 기와(16.3%)가 국내에서 가장 많이 사용되고 있는 지붕재 임을 알 수 있다. 그러나 현재 국내에서 가장 많이 사용되고 있는 슬레이트 지붕재는 향후 점차적으로 폐기될 것으로 판단되어, 본 Cool Roof 성능 평가의 대상에서는 제외시켰다. 본 Cool Roof 성능평가에서는 S형 오지기와(주황, 청색, 녹색, 갈색), 전통 한식기와(검정), 시멘트 개량 한식기와(회색), 라파즈 기와, 아크빌드 기와, 테릴 점토 기와, 금속기와(검정), 동기와(구리)를 선정하여 그 성능을 측정하였다. 그 외에, 지붕재로 널리 쓰이고 있는 아스팔트 싱글(적색, 녹색)과 칼라강판(청색, 녹색, 적색, 검정, 구리), 그리고 ZINC(전기분해 된 아연에 소량의 티타늄과 구리를 첨가한 합금제품)를 선정하여 Cool Roof 성능을 측정하였다.

스테인리스 지붕재의 Cool Roof 성능을 평가하기 위하여, 스테인리스 강종 가운데 현재 지붕재로 쓰이고 있는 강종인 304, 445NF, 446M를 선정하였다. 또한 표면처리에 따른 영향을 파악하기 위하여, 건축 외장재에 주로 쓰이는 표면처리에 따라 304 강종을 4가지 강종(304 BA, 304 No.4, 304 HL, 304 2B)으로 세분화하여 선정하였다.

선정된 각 지붕재의 태양 반사율은 Fig. 3과 같이 분광측색계 Spectro Photo Meter CM 700d로 측정하였고, 열 방사율은 FLIR i5(열화상 카메라)를 통하여 측정하였으며, 측정사진은 Fig. 4와 같다. 위 측졍결과를 ‘Heat Island Group’에서 제공하는 SRI 계산 프로그램을 사용하여 SRI 값을 얻었다.

Fig. 3

Solar Reflectance and Thermal Emissivity Measuring Device

Fig. 4

The Measuring Device and Measuring Appearance

5.1.2 Cool Roof 성능 측정 결과

스테인리스 지붕재 및 국내 지붕재의 Cool Roof 성능을 측정한 결과는 다음 Table 5와 같으며, 태양 반사율, 열 방사율, SRI의 평균 및 Database에서 해당 제품의 평균은 다음 Table 6과 같다. 스테인리스 지붕재 및 국내 지붕재의 Database에서의 해당 제품과의 비교는 Table 5와 같다.

Solar Reflectance, Thermal Emissivity and SRI Measurement

Solar Reflectance, Thermal Emissivity, SRI’s Average and The Average of those Products in the Database

태양 반사율을 측정한 결과, 스테인리스강(0.55), 징크(0.22), 기와(0.16), 칼라강판(0.13), 아스팔트 싱글(0.04) 순으로, 스테인리스 지붕재가 다른 지붕재와 비교하여 월등히 높은 수치를 나타내고 있었다. 스테인리스 지붕재 내에서는 304 강종이 446M, 445NF보다 다소 높은 값을 나타냈으며, 이는 304강종이 446M, 445NF보다 광택도가 더 높기 때문인 것으로 판단된다. 스테인리스 지붕재의 표면처리에 따른 영향을 살펴보면, 강종별 큰 격차가 없는 것으로 나타나, 표면처리가 태양 반사율에 미치는 영향은 미미하다고 판단된다. 기와, 아스팔트 싱글의 태양 반사율은 Database에 등록된 동종의 제품과 비교하여도 그 수치가 낮은 상태임을 알 수 있으며, 징크, 칼라강판도 금속성 지붕재 임을 감안할 때 낮은 수치를 나타내고 있다.

열 방사율을 측정한 결과, 기와(0.92), 징크(0.91), 아스팔트 싱글(0.87), 칼라강판(0.85), 스테인리스강(0.80) 순으로, 전반적으로 모든 제품이 높은 수치를 나타내고 있으나, 스테인리스 지붕재가 다른 지붕재와 비교하여 다소 낮은 수치를 나타내고 있었다. 그러나 Database의 Metal 열 방사율 평균(0.84)과 비교하였을 때, 큰 격차는 없으므로 Cool Roof 성능에 큰 영향은 없을 것으로 판단된다.

SRI를 계산한 결과, 태양 반사율과 동일하게 스테인리스강(62.0), 징크(21.5), 기와(15.5), 칼라강판(7.33), 아스팔트 싱글(-1.0) 순으로 높았으며, Fig. 5와 같이 스테인리스강 대비 징크는 35%, 기와는 25%, 칼라강판은 12%, 아스팔트 싱글은 -2%로, 스테인리스 지붕재가 타 지붕재보다 현저히 높은 Cool Roof 성능을 나타냈다. 또한 스테인리스 지붕재 SRI의 평균은 Database에 등록된 Metal의 SRI 평균(40.52)보다 약 1.5배 높은 수치로서, 국외의 Cool Roof로 등록된 Metal 제품 내에서도 상위권에 속하는 수치를 나타내고 있다. 한편 기와, 징크, 아스팔트 싱글, 칼라강판은 Database 제품 대비, SRI 지수가 현저히 떨어지는 것을 볼 때, Cool Roof 성능 측면에 있어서 국내 지붕재의 성능이 상당히 뒤쳐져 있는 것으로 판단된다.

Fig. 5

Stainless Steel and Domestic Roofing Compare

5.1.3 주요 Cool Roof 성능기준과의 비교 분석

스테인리스 지붕재 및 국내 지붕재의 Cool Roof 성능에 주요 Cool Roof 성능기준(LEED, ASHRAE 90.1(2007), CA Title24)을 적용한 결과, 국내 지붕재는 대체적으로 주요 Cool Roof 성능기준에 미달되는 수준을 나타냈다. 한편, 스테인리스 지붕재는 LEED와 CA Title 24의 Steep(지붕 기울기가 2:12 초과) 성능기준에 모든 강종이 적합함을 나타냈다. 따라서 현 스테인리스강의 경우, Steep Slope 적용 시 별도의 마감처리 없이도 Cool Roof 성능 확보가 가능한 상태로 판단된다.

5.2 Cool Roof 성능 확보를 위한 요구 성능

스테인리스 지붕재 및 국내 지붕재의 Cool Roof 성능측정을 바탕으로 국내 Cool Roof 적용을 위한 요구 성능을 파악하여 스테인리스 지붕재의 요구 성능을 알아보고, 더불어 국외의 Cool Roof 성능기준 가운데, 국내에서도 친환경 건축물 인증제도로 각광받고 있는 LEED의 Cool Roof 성능기준 가운데, 국내에서도 친환경 건축물 인증제도로 각광받고 있는 LEED의 Cool Roof 성능 기준을 목표로 하여 보완하여야 할 사항을 파악하였다.

5.2.1 국내 Cool Roof 적용을 위한 요구 성능

김옥(2010)의 연구에서는 지역별 지붕의 적정 열성능을 마련하기 위해 ‘서울시 친환경 건축물’ 인증 기준을 기본으로 하여 건물의 에너지 절감률이 40%인 Platinum(I)등급을 활용하였다. 건물 전체의 에너지 절감률을 각각의 요구되는 에너지량 중 동일한 비율로 절감한다고 가정하고, 지붕을 통해 절감되는 에너지를 40%로 설정한 후 그에 따라 지붕의 적정 열성능을 제안한 결과, 우리나라 지역별 지붕의 적정 열성능 기준은 다음 Table 7과 같다.

The Criteria for Optimal Thermal Performance of the Roof by Region in Korea

5.2.2 국내 Cool Roof 도입 시 스테인리스 지붕재의 요구 성능

‘LEED의 Cool Roof 성능 기준’, ‘LEED의 Cool Roof 성능기준에 적합한 Metal 제품’, ‘국내 Cool Roof 적용을 위한 요구 성능’을 목표로 하여 스테인리스 지붕재의 보완할 사항을 파악한 결과, 다음 Table 8과 같다.

Complementary Performance Criteria of Stainless Steel’s Roof Panels for Cool Roof

‘LEED의 Cool Roof 성능 기준’과 비교한 결과, Low Slope(기울기 2:12 이하)의 경우, SRI 기준치인 78에 대부분의 강종이 약 15∼30% 미달되는 것으로 나타나, 경사가 완만한 지붕의 Cool Roof 적용을 위해서는 태양 반사율을 향상시킬 필요가 있다고 판단된다. Steep Slope의 경우, SRI 기준치인 29에 대부분의 강종이 약 1.5배∼2.5배 초과하는 것으로 나타나, Cool Roof 성능이 확보 가능한 상태인 것으로 판단된다.

‘국내 Cool Roof 적용을 위한 요구 성능’과 비교한 결과, 스테인리스 지붕재의 태양 반사율은 중부지방의 경우 0.03∼0.09, 남부⋅제주지방의 경우 0.13∼0.19 향상이 요구되며, 열 방사율은 각 지역별 대비 모두 적정 수준을 나타내고 있어 요구될 성능은 없는 것으로 판단된다.

6. 결론

본 연구에서는 최근 국외에서 기술개발 및 보급이 본격화되고 있는 Cool Roof에 대하여 이론과 연구동향을 고찰하고, 성능기준을 파악하였다. 또한 국외에 등록된 Cool Roof 제품들의 태양 반사율, 열 방사율, SRI 등을 통해 Cool Roof 제품들의 특성을 분석하였고, 그에 따라 냉방부하에 따른 스테인리스 지붕재 및 국내 지붕재의 현 Cool Roof 성능을 평가하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.

(1) CRRC 및 ENERGY STAR의 Database를 Product Type에 따라 분석한 결과, 스테인리스 지붕재가 속한 Metal Type의 제품들은 대체로 Steep용도로, 태양반사율이 낮은 0.2∼0.4에 집중되어 있었고, 열 방사율은 타 제품들보다 0.01∼0.07 낮은 수치(평균 0.84)를 나타냈다.

(2) Color에 따라 Database를 분석한 결과, 스테인리스강 고유 색상인 Metallic 색상은 Metal 제품 내에서, White 색상 다음으로 높은 수치를 나타냈으며, 타 제품에서도 비교적 높은 수치를 나타냈다. 열 방사율은 대부분의 색상에서 0.8이상의 높은 수치를 나타냈으나, Metallic 색상은 타 색상과 비교해 현저히 낮은 수치를 나타내어 스테인리스강과 같은 Metallic 색상을 사용하는 지붕재는 이를 고려하여 사용해야 할 것으로 판단된다. SRI는 태양 반사율과 비슷한 결과를 나타내어, Metallic 색상을 사용하는 스테인리스 지붕재의 경우 Metal 제품 내에서 타 색상에 비해 비교적 높은 Cool Roof 성능을 확보할 것으로 판단된다.

(3) 시간 경과에 따라 Database를 분석한 결과, Metal 제품은 태양반사율이 상승한 Shingles 제품을 제외한, 모든 제품 중에서 가장 낮은 저하율을 나타냈다. 이는 타 제품에 비해 Cool Roof 성능 측면에 있어서도 우수한 장점으로 판단된다.

(4) 스테인리스 지붕재 및 국내 지붕재의 Cool Roof 성능에 주요 Cool Roof 성능기준(LEED, ASHRAE 90.1(2007), CA Title24)을 적용한 결과, 국내 지붕재는 대체적으로 주요 Cool Roof 성능기준에 미달되는 수준을 나타냈다. 한편, 스테인리스 지붕재는 LEED와 CA Title 24의 Steep성능기준에 모든 강종이 적합함을 나타냈다. 따라서 현 스테인리스강의 경우, Steep Slope 적용 시 별도의 마감처리 없이도 Cool Roof 성능 확보가 가능한 상태로 판단된다.

(5) ‘LEED의 Cool Roof 성능 기준’, ‘LEED의 Cool Roof 성능기준에 적합한 Metal 제품’을 목표로 하여 스테인리스 지붕재의 보완할 사항을 파악한 결과, SRI 지수는 Low Slope의 경우, 기준대비 15∼30% 미달되는 것으로 나타났으며, 이를 보완하기 위해 태양반사율 0.14∼0.25 향상이 요구된다. ‘국내 Cool Roof 적용을 위한 요구성능’을 목표로 할 경우, 중부지역은 태양반사율의 0.03∼0.09 향상이 요구되고, 남부/제주 지역은 태양반사율의 0.13∼0.19 향상이 요구된다.

향후, 본 연구를 토대로 한 스테인리스강의 Cool Roof 성능인 단열성 향상과 방수성을 고려하여, 향상된 스테인리스 지붕재의 패널 상세 개발이 요구되며 국내의 미흡한 Cool Roof 기준 마련이 시급한 것으로 판단된다.

감사의 글

이 논문은 2012년도 정부(교육과학기술부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구 사업(No.2012R1A2A2A01013006)의 지원으로 이루어졌습니다.

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USGBC. Leadership in Energy and Environmental Design Green Building Rating System for New Construction and Major Renovations, USA 2009;

Article information Continued

Fig. 1

Cool Roof Concept

Table 1

Cool Roof of International Standards

Codes and Programs Year Slope Sol. Reflect. Sol. Reflect. 3yr Therm. Emit. Therm. Emit. 3yr SRI SRI 3yr Note
Energy Codes ASHRAE 90.1 2007 0.7 0.75 82 S.R.≥0.65, T.E.≥ 0.75 or SRI≥75
90.2 0.65 0.75 75
IECC commercial 2006 0.7 0.75
residential 0.52 0.90
Green Building Programs LEED Ver. 4 2016 Low (≤2:12) 78
Steep (>2:12) 29
ENERGY STAR 2007 Low (≤2:12) 0.65 0.5
Steep (>2:12) 0.25 0.15
Green Globes 2004 0.65 0.9
ASHRAE 189.1 2010 Low (≤2:12) 78
Steep (>2:12) 29
State & City Codes CA Title 24 2008 Low (≤2:12) 0.55 0.75 64
Steep (>2:12) 0.2 0.75 16 Roofweight<5lb/ft2
Steep (>2:12) 0.15 0.75 10 Roofweight≥5lb/ft2
City of Chicago Energy Conservation Code 2009 Low (2:12 or less) 0.72 0.5 S.R.≥0.72 or S.R.3yr≥0.5
Medium (2:12 to 5:12) 0.15
Steep (greater than 5:12) exemption from any initial reflectance requirements
New York City Building Code 2008 Low (≤3:12) 0.65 0.5 must have a white roof, or a roof that is ENERGY STAR rated
City of Dallas Green Construction Ordinance 2008 0.65 0.5 commercial projects less than 50,000ft2

Table 2

The Percentage of Roofing

Product Type CRRC ENERGY STAR TOTAL
n % n % n %
Built-up roofing 7 0.3 8 0.2 0 0
Coating Factory-Applied Coating 750 30.8 1870 40.6 3167 45.1
Field-Applied Coating 547 22.5
Metal 313 12.9 2416 52.5 2729 38.9
Modified Bitumen 138 5.7 52 1.1 190 2.7
Shingles 82 3.4 68 1.5 159 2.3
Single-Ply Single-Ply-Thermoplastic 115 4.7 85 1.8 212 3.0
Single-Ply-Thermoset 12 0.5
Tile 471 19.3 102 2.2 564 8.0
Total 2435 100 4601 100 7021 100

Fig. 2

SRI Distribution Histogram of the Roofing

Table 3

Materials that Meet the LEED Standards of Thermal Emissivity and Solar Reflectance Range

Products Solar Reflectance Thermal Emittance
Low Steep Low or Steep Low Steep Low or Steep
Coating 0.78~0.88 0.31~0.55 0.69~0.93 0.83~0.92 0.82~0.88 0.85~0.91
Metal 0.72~0.76 0.3~0.52 0.58~0.8 0.85~0.89 0.79~0.91 0.78~0.92
Modified Bitumen 0.74~0.84 - 0.7~0.86 0.52~1.0 - 0.46~1.0
Shingles - 0.24~0.4 - - 0.88~0.94 -
Single-Ply 0.73~0.87 0.28~0.34 0.67~0.91 0.85~0.91 0.86~0.88 0.83~0.91
Tile - 0.31~0.53 - - 0.83~0.91 -

Table 4

After 3 Years, Reduction of the Solar Reflectance

Product Type Coating Metal Modified Bitumen Shingles Single-Ply Tile
Rrate/3yr Mean (%) 6.7 3.4 9.7 -4.8 13 3.9
Min Rratio 0.48 0.43 0.61 0.89 0.58 0.70
Max Rratio 1.64 1.86 1.04 1.12 1.17 1.38
Rratio Average 0.93 0.97 0.90 1.05 0.87 0.96
Rratio Standard deviation 0.10 0.10 0.08 0.05 0.09 0.10
Solar reflectance (avg) 0.791 0.372 0.442 0.266 0.653 0.385
Solar reflectance 3 years (avg) 0.7 0.369 0.396 0.273 0.56 0.368

Fig. 3

Solar Reflectance and Thermal Emissivity Measuring Device

Fig. 4

The Measuring Device and Measuring Appearance

Table 5

Solar Reflectance, Thermal Emissivity and SRI Measurement

Type Brand Solar Reflect. Therm Emit. SRI
Stainless Steel POSCO 304 2B 0.57 0.78 64
POSCO 446 M 0.53 0.8 59
POSCO 445 NF 0.51 0.8 56
HYUNDAI BNG 304HL 0.58 0.82 67
HYUNDAI BNG 304 No.4 (W) 0.57 0.82 66
HYUNDAI BNG 304 BA (EA) 0.54 0.77 60
Tile S-shaped glazed roofing tile (orange) 0.15 0.92 14
S-shaped glazed roofing tile (blue) 0.12 0.87 7
S-shaped glazed roofing tile (green) 0.05 0.9 0
S-shaped glazed roofing tile (brown) 0.08 0.92 5
Traditional Korean tile (black) 0.07 0.95 5
Improved cement Korean tile (gray) 0.16 0.92 15
Lafarge tile - 1 0.18 0.93 18
Lafarge tile - 2 0.19 0.93 19
TEJAS BORJA tile 0.16 0.93 15
GCI tile 0.18 0.94 18
Terreal clay tile - 1 0.21 0.93 22
Terreal clay tile - 2 0.15 0.94 15
Metal tile (black) 0.05 0.93 2
Copper tile (copperish) 0.53 0.88 62
Zinc RKD Zinc 0.22 0.9 22
GKD Zinc 0.22 0.92 22
G-ROOF Zinc 0.22 0.91 22
Kumho roof Zinc 0.21 0.9 20
Shingle Asphalt Shingle (red-1) 0.04 0.87 2
Asphalt Shingle (red-2) 0.04 0.85 -4
Asphalt Shingle (green) 0.05 0.88 -1
Color Steel Sheet Kilin roof (blue) 0.1 0.87 5
Kilin roof (green) 0.07 0.88 1
Kilin roof (red-gloss) 0.1 0.9 6
Kilin roof (red-matt) 0.11 0.8 2
Kilin roof (black) 0.04 0.75 -10
Kilin roof (copperish) 0.37 0.88 40

Table 6

Solar Reflectance, Thermal Emissivity, SRI’s Average and The Average of those Products in the Database

Type Solar Reflectance Thermal Emittance SRI
Mt Md Mt/Md Mt Md Mt/Md Mt Md Mt/Md
Stainless Steel 0.55 0.38 1.45 0.80 0.84 0.95 62.0 40.5 1.53
Tile 0.16 0.33 0.48 0.92 0.88 1.05 15.5 35.2 0.44
Zinc 0.22 0.38 0.57 0.91 0.84 1.08 21.5 40.5 0.53
Shingle 0.04 0.28 0.14 0.87 0.91 0.96 -1.0 29.5 -0.03
Color Steel Sheet 0.13 0.38 0.34 0.85 0.84 1.01 7.33 40.5 0.18

* Mt: Material average

* Md: Material average of Database

Fig. 5

Stainless Steel and Domestic Roofing Compare

Table 7

The Criteria for Optimal Thermal Performance of the Roof by Region in Korea

Central Region Southern Region Jeju Region
Optimal K-vlaue K=0.127W/m2K K=0.159W/m2K K=0.157W/m2K
Optimal Solar Reflectance Above 0.6 Above 0.7 Above 0.7
Optimal Thermal Emittance Above 0.7 Above 0.7 Above 0.7

Table 8

Complementary Performance Criteria of Stainless Steel’s Roof Panels for Cool Roof

Comparison with LEED’s Cool Roof Performance Criteria Comparison with Metal Products which is sui표 for LEED’s Cool Roof Performance Criteria Comparison with the Criteria for Optimal Thermal Performance in Korea
SRI Solar Reflectance Thermal Emittance Solar Reflectance Thermal Emittance
Low Steep Low Steep Low Steep Cen-tral Sou-thern, Jeju Cen-tral Sou-thern, Jeju
15~30% Shortfall Opti-mum Level need to improve (0.14~0.25) Opti-mum Level Opti-mum Level Opti-mum Level need to improve (0.03~0.09) need to improve (0.13~0.19) Opti-mum Level Opti-mum Level