정오의 무더운 날씨 속에 있는 주거용 건물을 상상해보자. 건물의 셔터는 닫혀 있고 바람도 없으나 실내의 공기는 그리 답답하지 않다. 이러한 일은 지난밤 저장하였던 신선한 공기를 순환하는 환기용 파사드(Ventilated Façade)를 이용하여 가능하다. 이제 기온이 0도 이하로 낮아지는 야간의 추운 날씨를 생각해보자. 동일한 기술을 적용하면 주간의 열을 저장하였다가 야간에 활용할 수 있다. 이러한 기술은 거주자들에게 환영받을 것이다. 극한의 날씨 환경 속에서 살고 있는 사람들은 편안함을 유지하는 일이 얼마나 어렵고 많은 비용을 필요로 하는 것인지를 알기 때문이다.
이러한 문제를 해결하기 위해 난방비의 30%, 에어컨 사용 비용을 10%까지 절약해 줄 수 있는 기술이 등장하였다고 상상해보자. 사실 이는 차세대 패시브 태양발전 기술(Advanced Passive Solar Technology)의 혜택이자 유럽에서 진행되는 MeeFS 프로젝트의 에너지 효율 목표이기도 하다. 연구진은 에너지 흡수 및 순환을 위해 새롭게 장착할 수 있는 두 개의 신규 설비를 개발하고 있으며, 현재 스페인 엑스트레마두라(Extremadura) 지역의 한 거주건물에서 테스트가 진행되고 있다.
마드리드를 기반으로 하는 Technological Centre of ACCIONA Infrastructure의 Isabel Lacave는 "우리의 첫 번째 목표는 거주자들이 편안함을 느낄 수 있게 하는 것이다. 그리고 에너지 비용 절감의 효과도 있어야 한다"고 설명하였다. 이번 장치의 설계 및 개발을 담당하는 Julen Astudillo는 "우리는 알고리즘 제어를 도입하여 건물 내부 및 외부에서 모니터링이 가능하도록 하였으며, 날씨에 따라 공기 순환 장치의 전원을 켜거나 끄게 한다"고 설명하였다.
독일 올덴버그대학(University of Oldenburg)의 Herena Torio는 이러한 접근방법의 장점을 다음과 같이 설명하고 있다. Torio는 "패시브 태양발전 기술은 두 가지 효과로 인해 열 사용에 대한 수요를 줄여준다. 이들은 절연 효과가 있으며, 건물 외부에 근접하여 우호적인 양호한 열층(Favourable Thermal Layers)을 형성한다. 예를 들어 그린 파사드 모듈(Green Façade Modules) 내의 증발에 의하여 순환 태양발전 파사드(Ventilated Solar Façades)나 냉각 공기층의 공기 순환이 발생하게 된다"고 설명하였다. 또한 "그리고 이러한 효과는 건물 내 사용자에게 편안한 환경을 조성하는데 기여하여 에너지 비용 및 심신의 웰빙(Well-being)에 영향을 주게 된다"고 덧붙였다.
이러한 장점들에도 불구하고 일부 우려는 남아 있는데 이는 심미적인 측면이다. Lacave는 "우리는 최상의 미적 요구사항에 따라 설계하고자 노력하였다. 그렇지만 스마트 파사드를 적용하는 일은 극심한 외형적 변형이 있음을 의미한다. 따라서 거주자들은 이들의 건물 표면에서 보게 될 것에 대해 처음부터 올바른 정보를 받아야 한다"고 말했다. 현장 테스트가 진행되고 있는 엑스트레마두라 지역의 건물 거주자들은 지역 정부로부터 에너지 비용 절감과 관련한 모든 정보를 제공받았으며, 이를 통해 외형적 변형으로 혼란이 생기지 않을 것이라 믿고 있다.
Lacave는 다양한 기상 조건에 의해 발생하는 잠재적인 구조 및 기계적 문제에 대한 테스트는 이미 실행되었다고 확신한다. 이러한 기술에 있어 일부 다른 추가 혜택이 있다. 예를 들면 순환 시스템이 각각의 거주자들에게 개별적으로 활용될 수 있다는 것이다. Astudillo는 "시스템은 언제라도 최적의 옵션을 선택할 것이다. 그러나 거주자들은 연결을 끊기 위해 이러한 모드를 변경할 수 있으며, 외부의 조명이나 신선한 공기를 원한다면 단순히 창문을 열면 된다"고 설명하였다. Astudillo의 연구진은 건물의 어느 부분에 자동화된 센서를 장착할 것인지 결정할 계획이다. 그는 "우리가 실행하려는 것과 관련한 모든 변화를 거주자들에게 설명하여 동의를 얻는 작업은 정말 중요하다"고 말했다.
A smart faсade that saves energy and reduces bills
Imagine a hot climate in a residential building at noon: the shutters are down. There is no breeze but the air is not stifling. This is possible thanks to a ventilated façade that circulates fresh air saved the previous night.
Now, imagine the scenario of in a cold climate at midnight, when the ambient temperature is below zero. The same technology can make the façade return heat absorbed from sunlight during the day.
Such technology can bring residents welcome relief. Indeed, people living in places with extremes of temperatures may find it difficult and expensive to maintain a certain level of comfort.
Now, imagine that the technology also saves nearly 30% on heating bills and up to 10% on the cost of air conditioning. These are typical values for advanced passive solar technologies and these figures represent the energy-efficiency targets of the European project MeeFS .
The researchers are developing two new retrofitting units for energy absorption and ventilation, which are currently being tested in a social residential building in Mérida, in Extremadura, Spain.
"Our first goal is to make residents optimally comfortable. And they will also have the advantage of reduced energy bills", says Isabel Lacave, architect at the eco-efficiency group of Technological Centre of ACCIONA Infrastructure, based in Madrid, which designed and produced the energy absorption unit.
"We will install an algorithm control which will monitor both the inside, the outside and the air ventilation unit through sensors to switch the units on or off during hours when it is required and in the best conditions according to the weather," explains Julen Astudillo, the architect at the technological division of Tecnalia, responsible for the design and development of this unit.
One expert explains the advantages of the approach. "Solar passive technologies greatly contribute to reduce the thermal demands due to two effects: They have an insulating effect and they create favourable thermal layers close to the building envelope. For example, air circulation in ventilated solar façades or cooler air layers due to evaporation in green façade modules," says Herena Torio, a renewable energies engineer, researcher at the Institute of Physics, at the University of Oldenburg in Germany. "This second effect might also contribute to improve the comfort conditions for the user inside the building, influencing not only their energy bills, but also their well-being," says Torio.
Despite these advantages, some concerns remain, including the aesthetic impact. "We are trying hard to design according to the best aesthetic requirements. But this is an acute transformation. So residents need to be informed right from the start about what they can expect to see in front of their apartments," says Lacave. Residents have been informed by the government of Extremadura about all of the advantages of reduced energy costs and assured they will not be disturbed by the retrofitting.
Some residents have been asking about the possible appearance of fissures on the envelope. Lacave assures that tests of potential structural and mechanical problems caused by different weather conditions, such as hurricane-strong rain and wind as well as fire, have already been carried out.
There are some other added advantages to such technology. Adding to comfort, the ventilation system can be personalised for each resident. Astudillo explains: "The system will choose the best option at any time. But residents will be able to change the mode to disconnect it and simply open the window, if they want to get some light or fresh air." Such freedom of operation should help win residents over.
With a real map of these needs on their hands, Astudillo's team will be able to decide in which parts of the building to install each automated sensor. "It is really important to explain to inhabitants all the changes that we are going to implement to get real acceptance by the neighbourhood," concludes the architect.
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