서 론

연구의 배경 및 목적

전 세계적으로 온실가스 감축이 중요해지면서, 정부도 국제사회에 선언한 감축목표 이행을 위해 분야별 온실가스 감축 로드맵을 설정하고 이에 따른 정책을 시행중이다. ´15년 12월 파리 기후변화 협정회의 후 정해진 1차 2030 국가 온실가스 감축로드맵이 최근 조정되면서 건물부문의 2030 BAU 대비 감축률이 18.1%에서 32.7%로 크게 증가하였다. 따라서 건물 분야의 신규 감축수단이 필요하게 되었고, 이에 정부에서는 ´30년부터 모든 신축건물에 대하여 제로에너지인증제도 의무화를 목표로 관련 정책을 진행하고 있다.

´18년 현재 제로에너지건축물 인증제도는 연면적 3,000 ㎡ 이상의 시장형, 준시장형 공기업에 한해 업무시설, 교육연구시설을 의무대상으로 시행하고 있다. 또한 국토부 제로에너지건축물 인증제도 의무화 추진 안에 의하면 ´20년에는 연면적 3,000 ㎡미만의 국민 생활밀착형 중·소규모 공공건축물, ´25년에는 연면적 5,000 ㎡ 미만의 신재생에너지설치 의무화 대상의 민간·공공 건축물, ´30년에는 모든 민간·공공 건축물에 의무화 확대를 목표로 하고 있다.

이렇듯 제로에너지건축물 인증제도는 소규모 건물을 대상으로 시행한 후 점차 용도와 규모를 확대해 나갈 예정이다. 일반적으로 소규모 건물은 단위면적 당 에너지 소요량이 적고 태양광 등 신재생 설치 가용면적이 커 제로에너지건축물(이하 ZEB) 실현 가능성이 높다고 알려져 있다. 예를 들어, 김기태 외(2017)는 ´13~´17년 기간에 에너지효율등급 1++등급 이상의 인증을 받은 공공업무시설을 대상으로 에너지 자립률을 분석하였다. 대상 건물은 주로 중·소규모로 확인되었다. 이는 규모가 큰 대형건물은 펌프나 팬 동력으로 인해 추가 에너지가 소요되기 때문에 대부분 1++등급에 미치지 못했으며, 반면에 소규모 건축물은 설비시스템이 단순하고 고단열, 고효율시스템 적용이 용이하기 때문이라고 주장하였다.

Figure 1은 ´18년 기준 공공시설과 관련된 인증제도 및 정책을 연면적으로 구분하여 나타낸 것이다. 현재 시행 중인 ZEB의무대상은 시장형 준시장형 공기업 대상 교육연구시설 위주로 해당 공기업은 별도로 정해두었다. ´20년 의무화는 국민생활밀착형 공공건물로 ZEB 홍보와 앞서 언급한 실현 가능성을 목표로 소규모 건물을 우선 대상으로 하고 있다. 의무화 대상은 ´25년 연면적 5000 ㎡이하의 민간·공공 건축물로 확대된다. ZEB 로드맵을 볼 때, 연면적 3,000 ㎡-5,000 ㎡의 규모는 연면적 3,000 ㎡이하보다 상대적으로 ZEB 달성이 어렵다고 판단한 것으로 볼 수 있다. 하지만 ´18년 현재 공공건물 대상으로 개별 의무제도 등이 시행 중이어서 연면적 3,000 ㎡-5,000 ㎡ 규모의 공공시설의 경우, 오히려 현재로도 ZEB인증제도 취득이 가능할 수 있다.

Figure 1.

Various energy certification systems and regulations for public facilities according to total floor area

예로, 공공기관에서 어떠한 정해진 용도의 건축물을 신축·증축·개축하고 이에 해당하는 연면적이 1,000 ㎡ 이상일 경우, 예상 에너지사용량의 일정 비율 이상을 신재생에너지를 이용하여 공급하도록 하는 공공기관의 설치 의무화 제도 및 ‘신재생에너지 개발·이용·보급 촉진법 시행령(2017)’이 현재 시행 중이다. 따라서 ´25년 시행 예정인 3000-5000 ㎡사이의 공공시설의 경우 건축물에너지효율등급, 신재생설치 의무화 대상에 ´18년 현재 모두 포함된다. 즉 현재 의무기준 충족만으로 ZEB 인증 달성이 용이해 보인다.

이에 본 연구에서는 ´25 의무화 대상 건물의 현재 기준 ZEB 인증 달성 유무를 확인하여 새롭게 시작되는 ZEB 인증제도 시장수용성을 평가하고자 한다. 이는 향후 의무화로드맵 개선에 필요한 기초자료로 사용될 것으로 사료된다.

연구의 범위 및 방법

본 연구의 대상은 연면적 3,000 ㎡-5,000 ㎡사이의 건물로 신재생 설치 의무 대상이다. 현 시점에서 민간건물은 신재생에너지 설치 의무화 대상에서 제외되므로 ´25년 의무화 로드맵에 포함되지 않을 수 있으므로 연구의 범위에서 제외하였으며, 상대적으로 인증 비율이 높은 업무시설에 한하여 연구를 진행하였다.

현재 신축 중인 두 개의 업무시설을 선정하였다. Building A의 연면적은 3,085.29 ㎡, Building B의 연면적은 3,701.46 ㎡로 두 건물의 실용도, 설계도면, 장비일람표 등을 이용하여 연구를 진행하였다. 선정된 건물이 평균대비 지나치게 우수한 성능으로 계획되었을 우려가 있어 해당 지역별 에너지절약설계기준 수준으로 외피 및 설비성능을 조정하여 연구의 객관성을 확보하였다. 대상 건물이 공공시설일 때를 가정하여 신재생을 적용하고 이를 평가하였다. 신재생에너지의 설치용량은 ‘신재생에너지 개발·이용·보급촉진법 및 동법 시행령 (2017)’의 연도별 공급 의무비율 중 ´18년 설치비율을 이용하고, 이후 에너지 시뮬레이션 프로그램인 ECO2를 이용하여 신재생에너지를 적용한 에너지효율등급 및 에너지 자립률을 분석하였다. 이에 따른 각 건물의 에너지효율등급이 ZEB인증을 받기위한 기준등급에 충족하는지 확인하고, 에너지 자립률을 통한 ZEB인증 등급을 산출하였다.

설치 의무화 제도에 따른 대상 건물 신재생에너지 설치용량

공공기관의 설치 의무화 제도에 따른 연도별 신재생에너지 공급 의무비율은 Table 1과 같다. ´18년도에 해당하는 공공기관 신재생에너지 공급 의무비율은 24% , ´20년도의 공급 의무비율은 30% 이다. 이를 통해 각 건물의 신재생에너지 설치규모를 산정하였다. 분석대상 건물에 대한 개요는 Table 2와 같다.

Table 1. Yearly supply obligations rate of renewable energy

Table 2. Simulation Building information

신재생에너지 공급의무비율을 산정하는 방법은 건물의 연간 예상 에너지 사용량에 대한 연간 신재생에너지 생산량의 백분율로 계산된다. 이는 ‘신재생에너지 설비의 지원 등에 관한 규정(2017)’을 참고하였으며, 식 (1)과 같다. 이 중 건물의 연간 예상 에너지 사용량은 식 (2)로 산정되며 이는 플러그 소비를 포함한 단위면적당 건물 전체 소비량을 정량화하여 제공된다. 여기서 단위 에너지 사용량은 건물의 용도에 따라, 지역계수는 각 지역에 따라 정해져 있는 값이다. 따라서 건물의 연면적과 용도가 정해지면 계산이 가능하다. 그러나 연간 신재생 에너지 생산량은 원별 설치규모 및 신재생에너지원의 종류가 정해져야 산출이 가능하며, 이는 식 (3)과 같다. 여기서 원별 설치규모는 계획된 신재생에너지원의 규모로서 본 논문에서는 신재생에너지 설치용량으로 표기하였다. 단위 에너지생산량과 원별 보정계수는 ‘신재생에너지 설비의 지원 등에 관한 지침(2018)’에 의해 정해져 있는 값이며, 신재생에너지원별로 나누어져 있다.

신재생에너지 설치용량을 산정하기 위해서는 공공업무시설에 적합한 신재생에너지원을 선정해야 한다. 서성모 외(2013)의 연구에 따르면 공공업무시설은 넓은 부지로 인해 주변 장애물의 영향력이 적어 태양에너지의 활용가능성이 높고, 에너지 소비 특성상 전체 에너지원 중 전력사용량이 90%를 차지하므로, 태양광을 적용할 때 에너지 절감효과를 기대할 수 있다고 밝혔다. 이를 통해 표준모델 전력의 10%를 태양광이 분담하는 것을 밝힌 바 있다. 정재욱 외(2012)는 소규모 업무용 건물에서 에너지효율등급 기준과 신재생에너지 설치 용량의 관계를 분석하였으며, 건물의 1차 에너지 소요량을 절감시키기 위해서는 태양광 설비가 가장 유리함을 확인하였다.

이에 본 연구에서는 중·소규모 공공업무시설의 에너지 특성을 고려하여 설치가 용이하며 독립적으로 발전이 가능한 태양광을 선정하여 연구를 진행하였다. 태양광에 적용에 따른 각 건물별 신재생에너지 설치용량을 산정하기 위해 필요한 값들은 Table 3과 같다. 이는 앞서 언급한 바와 같이 식 (1)~(3)에 대입함으로써 설치용량을 산출할 수 있다.

Table 3. Values for estimating installed capacity of renewable energy

태양광 고정식은 ‘서울시 건축물 태양광 발전시설 설치 가이드라인(2016)’에 따라 옥상면적의 70%를 최대 설치면적으로 하였으며, 이를 초과하는 용량은 BIPV가 적용된 것으로 가정하였다. 이에 따른 건물별 태양광 설치용량과 설치면적은 Tables 4, 5와 같다. PV모듈의 크기는 1,640 ×1,000×35mm로 선정하여 설치면적을 계산하였다. BIPV의 설치면적은 엄재용 외(2013)의 연구를 참고하여 BIPV 1kW를 설치하는데 필요한 면적이 최대 11 ㎡ 라고 가정하였다.

Table 4. Required installation capacity of fixed PV and BIPV for test buildings

Table 5. Installation area of fixed PV and BIPV for test buildings

ECO2기반 ZEB 인증을 위한 에너지 등급 및 자립률

ZEB인증은 에너지효율등급 기준 1++등급 이상과 최소 에너지 자립률을 충족해야 한다. 여기에 추가적으로 건축물에너지관리시스템(BEMS) 또는 건축물에 상시 공급되는 모든 에너지원별 원격검침전자식 계량기를 설치하여야 한다. BEMS 등은 ZEB인증 시 필수 사항이긴 하나 등급을 결정하는 사항이 아니므로 본 연구 범위에서는 제외시켰다.

에너지효율등급은 에너지 시뮬레이션 프로그램인 ECO2을 이용하여 산출된 1차 에너지 소요량을 통해 정해진다. 총 10등급으로 구분되어 있으며, ZEB인증 기준인 1++등급 이상이 되기 위해서는 연간 단위면적당 1차 에너지소요량이 140 kWh/㎡·yr 이하로 산출되어야 한다. ZEB인증 기준을 만족하는 에너지효율등급은 Table 6과 같다. 또한 ZEB등급을 결정하기 위한 에너지 자립률은 1차 에너지 소요량 대비 1차 에너지 생산량의 비율로 계산된다. 상세한 수식은 식 (4)와 같다. 그에 따른 등급은 1에서 5등급까지 총 5개의 등급으로 구분되어 있으며, 이는 Table 7과 같다.

Table 6. Building energy efficiency rating system for ZEB certification

Table 7. ZEB certification grade

분석에 필요한 건물의 단열성능은 ´18년 현행 기준으로 적용해야 하므로, 18년 9월 1일부터 시행되는 건축물에너지절약설계기준(2017)의 지역별 건축물 부위의 열관류율표의 값을 사용하였다. 개정된 지역 구분에 의하면 Building A는 중부1지역, Building B는 중부2지역에 해당한다. 또한 신재생에너지에 따른 입력조건은 Table 8과 같다.

Table 8. Renewable energy input conditions (PV)

시뮬레이션 결과 분석

건물 A, B에 앞선 조건을 적용한 에너지 성능 분석 결과 값은 Tables 9, 10, 11에 정리하였다. Table 9는 기준케이스로 신재생에너지가 설치되지 않은 표준건물의 에너지 소요량 및 효율등급을 나타낸다. Building A는 1등급, Building B는 1+등급으로 두 건물 모두 ZEB인증 기준을 만족하지 못함을 확인하였다. 그러나 현재의 에너지절약설계기준만으로도 1등급 이상의 에너지효율등급을 나타내므로 신재생에너지추가를 통해 효율등급과 자립율을 동시에 상승시켜 ZEB인증이 가능하다고 예측할 수 있다.

Table 9. Energy performance when renewable energy is not applied

Table 10. Energy performance and ZEB grade for buildings with the standard ´18

Table 11. Energy performance and ZEB grade for buildings with the standard ´20

공공업무시설이라고 가정하여 ´18년 신재생 의무설치비율이 적용된 에너지 성능결과는 Table 10과 같으며, 모두 1++등급으로 ZEB인증 기준을 만족하였다. 또한 Building A의 ZEB등급은 4등급, Building B는 5등급으로 확인되었다. 이는 Building A의 경우에 Building B보다 상대적으로 설비효율이 높은 태양광 고정식의 설치용량이 큰 것이 주 원인으로 사료된다. 이로 인해 상대적으로 에너지 소요량은 적게, 에너지 생산량은 크게 산출되었다. 반대로, Building B의 경우 BIPV 설치 분에 해당하는 의무조건을 기타 고효율 신재생에너지원으로 교체한다면 좀 더 향상된 ZEB 인증 등급을 기대할 수 있을 거라 판단된다.

´20년 의무설치비율에 따른 에너지성능은 Table 11과 같으며, ´18년과 동일하게 1++등급이지만 에너지 소요량은 이보다 적게 산출되었다. 따라서 ZEB등급도 한 등급씩 상승되어, Building A의 ZEB등급은 3등급, Building B는 4등급으로 확인되었다.

Figure 2는 신재생을 적용하지 않은 표준건물과 각 기준년도의 의무 설치비율 적용에 따른 에너지 자립률을 비교하여 나타낸 것이다. 그에 따른 ZEB등급은 우측 세로축에서 확인할 수 있다. 그래프에 의하면 Building A, B 모두 유사한 경향을 나타낸다. 이는 ´18년에서 ´20년으로 증가한 신재생에너지 설치용량을 모두 동일한 BIPV로 적용하였기 때문으로 사료된다.

Figure 2.

Energy self-sufficiency rate and ZEB grade according to different obligation rates of the years ´18 and ´20

결 론

본 연구에서는 연면적 3,000 ㎡~5,000 ㎡의 공공시설을 대상으로 ´18년, ´20년 공공기관 신재생 의무 설치비율에 따른 에너지효율등급과 에너지 자립률을 분석하였다. 실험 대상건물 연면적은 3,085.29 ㎡과 3,701.46 ㎡이었으며, 신재생에너지는 태양광 고정식과 BIPV를 적용하였다. 이 외의 입력조건은 건축물에너지절약설계기준에 따라 적용하였다. 분석 결과를 정리하면 다음과 같다.

(1) 신재생에너지를 적용하지 않은 기준건물의 에너지효율등급은 각각 1등급과 1+등급으로 산출되었다. 따라서 최소 1++를 요구하는 ZEB인증 기준을 만족하지 못하였다. 즉 ZEB인증을 위해 자립률과 상관없이 에너지성능관점에서도 신재생 설치는 필요하다.

(2) ´18년 의무 설치비율에 따른 에너지효율등급은 모두 1++등급으로 산출되었다. 에너지 자립률에 따른 ZEB등급은 각각 4등급, 5등급으로 확인되었다. 이는 건물에 따라 고정식 태양광 설치가용면적이 다르기 때문이다. 의무설치비율을 신재생에너지원 최적조합으로 감당하면 좀 더 향상된 등급을 기대할 수 있을 것으로 판단된다.

(3) ´20년 의무 설치비율에 따르면 ´18년과 동일하게 에너지효율등급은 1++등급으로 산출되었지만, 에너지 소요량은 더 낮게 산출되었다. ZEB등급은 한 단계씩 상승하여 각각 3등급, 4등급으로 확인되었다.

의무화 로드맵에 의해 ´25년 의무화 대상인 연면적 3,000 ㎡~5,000 ㎡의 공공시설의 경우 이미 에너지절약설계기준, 에너지효율등급과 신재생설치 의무화 제도 대상 건물이다. 본 연구의 대상 건물인 업무시설에서 ´18년 현재 신재생 의무기준을 적용시키는 것만으로 ZEB 인증이 가능하다는 결과를 얻었으며 이는 대상 건물군에 대한 시장수용성에 문제가 없다는 것을 의미한다. 언급한 제도들이 모든 용도의 공공건물에 적용되므로 특수시설을 제외한 공공시설의 경우 의무화로드맵보다 사실상 이른 ZEB인증이 가능할 것으로 예상한다. 그러나 좀 더 명확한 결론을 위해 향후 다양한 규모와 용도에 대한 유사 연구가 필요할 것으로 보인다. 본 연구 결과는 ZEB인증제도 의무화 확대 및 로드맵 수정을 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.