Short Communication

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. 30 October 2018. 469-486
https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20180039

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 제로에너지건축물(ZEB)정의 및 인증기준

  • 제로에너지건축물(ZEB)인증 사례현황 및 분석

  •   대상 건축물의 개요

  •   제로에너지건물의 성능 분석

  •   총량에너지 절감 계획

  •   패시브디자인 적용기술

  •   액티브디자인 적용기술

  •   신재생에너지시스템 적용기술

  •   총량에너지 절감 프로세스

  •   건축물에너지효율등급 평가 결과

  •   BEMS 설치 확인

  •   현장 확인 및 실사

  • 결 론

서 론

세계 각국은 온실가스 배출과 화석에너지를 절감하기 위해 각종 규제와 지원책을 강구하고 있다. 2015년 파리기후변화협약에서, 에너지 고갈 및 기후변화에 대응하고 지속가능한 발전을 위해 연차별 온실가스 감축 목표를 수립하였다(김예성, 2017). 우리나라는 온실가스 감축 목표로 국가 온실가스 총배출량을 배출 전망치(Business As Usual, BAU) 대비 2020년까지 26.9% 감축하고, 2030년까지 37% 감축하는 것을 목표로 하고 있다. 이에 따라 관련법령 및 지원사업을 수행하고 있다(지식산업정보원, 2017, 저탄소녹색성장 기본법, 2013). 2030년은 멀지 않은 미래이므로 에너지의 절감기술과 신재생에너지의 활용이 절실한 실정이다. 에너지 절감과 신재생 에너지의 이용은 지구 온난화, 심각한 공기오염, 에너지안보 등을 해결할 수 있는 적절한 대안으로 간주 되고 있다(Deng et al., 2014; Jacobson, 2009). 건물분야는 국가 온실가스 배출량의 25%, 에너지 소비량의 20%를 차지하고 있으며, 에너지 사용 비중이 높으므로(이향주와 김인수, 2017), 녹색건축물 및 제로에너지 건축물보급을 통해 온실가스 감축여력이 크다고 할 수 있다(이명주, 2014; 성욱주, 2017). 국내에서는 국토교통부 7대 신산업, 산업통상자원부 8대 신산업으로 제로에너지빌딩이 지정되었으며, 2016년 한국에너지공단의 제로에너지융합 얼라이언스를 통한 각 기술요소 별 부처간 융합을 통해 제로에너지빌딩 보급 목표 달성에 활발한 활동을 진행 중에 있다(이향주와 김인수, 2017). 국토교통부는 신기후 체제 출범에 따라 건물부분의 에너지절약 및 국가 온실가스 감축목표를 달성하기 위해 제로에너지건축물 인증제도를 2017.01.20.일부터 시행하고 있으며, 2020년 공공부문을 시작으로 2025년 민간부문까지 단계적으로 제로에너지건축물 인증제도가 확산될 전망이다(김예성, 2017).

본 논문은 국내에서 비주거용 건축물을 대상으로 제로에너지건축물 본인증(ZEB 5등급)을 최초로 받은 사례를 분석함으로써 적용 기술 현황 및 설계기법을 평가하고, 향후 국내 제로에너지건축물 계획 및 인증시 기초자료를 제시하고자 한다.

제로에너지건축물(ZEB)정의 및 인증기준

제로에너지 건축물에 관한 정의는 관점에 따라 국가의 여건에 따라 다양하게 정의 되고 있다(Marszal et al., 2011; 지식산업정보원, 2017). 기본적인 개념은 건축물에 필요한 에너지 부하를 최소화하고 신재생에너지를 활용하여 연간 에너지 사용량과 생산량이 최대한 균형을 이루는 건축물이다(국토교통부 외, 2017). 한편, 건물에너지 소비와 생산 사이의 계산에서 신재생 에너지 생산위치; 부지내(on-site)만을 인정할 것인지, 부지외(off-site)에서 생산된 신재생 에너지도 인정할 것인지와, 1차에너지 기준인지, 에너지 비용 중심인지, 재료에 내재된 에너지까지 포함시킬 것인지 그 의견은 다양하다(Torcellini et al., 2006; Crawley et al., 2009; Deng et al., 2014). Table 1은 다양한 관점에 따른 제로 에너지 건물의 정의를 보여준다.

Table 1. Summary of ZEB definition (sited Torcellini et al., 2006)

DefinitionZEB Supply Options
Net Zero Site Energy A site ZEB produces at least as much energy as it uses in a year, when accounted for at the site.
Net Zero Source Energy A source ZEB produces at least as much energy as it uses in a year, when accounted for at the source. Source energy refers to the primary energy used to generate and deliver the energy to the site. To calculate a building's total source energy, imported and exported energy is multiplied by the appropriate site-to-source conversion multipliers.
Net Zero Energy Cost In a cost ZEB, the amount of money the utility pays the building owner for the energy the building exports to the grid is at least equal to the amount the owner pays the utility for the energy services and energy used over the year.
Net Zero Energy Emission A net-zero emissions building produces at least as much emissions-free renewable energy as it uses from emissions- producing energy sources.

우리나라의 경우는 부지 외에서 생산된 신재생 에너지는 아직까지 인정되지 않으며, 1차에너지를 기준으로 소비와 생산의 균형을 이룬 건물을 제로에너지로 규정하고 있다(국토교통부와 산업통산자원부, 2017). 국내의 제로에너지건축물 인증은 모든 용도의 신축 및 기축 건축물의 에너지성능을 정량적으로 평가하여 제로에너지 실현 정도에 따라 Table 2과 같이 5개 등급으로 구분되며, 의무사항은 건축물에너지효율이 1++등급 이상이어야 하고, 에너지자립률 20%이상 이어야 하며, 건축물에너지관리시스템(BEMS) 또는 원격검침전자식 계량기 설치 확인이 필요하다. 에너지자립률은 식 (1)과 같이 계산된다.

에너지자립률%=1차에너지생산량1kWh/m21차에너지소비량2kWh/m2×100  (1)

(1) 1차에너지생산량 (kWh/㎡년) = 𝛴(신재생에너지 생산량 - 신재생에너지 생산에 필요한 에너지량) × 해당 1차 에너지환산계수 / 평가면적

(2) 1차에너지소비량 (kWh/㎡년) = 1차에너지소요량 + 1차에너지생산량

Table 2. Certification Grade for a Zero Energy Building

ZEB GradeEnergy production ratio based on energy consumption
Grade 1Above 100%
Grade 280% ~ 100%
Grade 360% ~ 80%
Grade 440% ~ 60%
Grade 520% ~ 40%

제로에너지건축에 대한 민간 참여를 촉진하기 위해 건축완화(용적률, 건물높이 최대 15% 완화, 기부채납률 완화), 금융지원(주택도시기금 대출한도 확대, 에너지신산업 장기 저금리 융자) 및 보조금 지원(신재생에너지설비 설치 보조금 우선 지원), 에너지성능 모니터링 제공 등 다양한 인센티브 제도도 운영하고 있다(녹색건축물조성지원법 제 15조, 에너지절약설계기준 제 17조).

제로에너지건축물(ZEB)인증 사례현황 및 분석

대상 건축물의 개요

대상 건축물의 특징은 Table 3에 기술되었다. 제로에너지 건축물 구현을 위해 패시브(Passive) 기술, 액티브(Active) 기술, 그리고 신재생에너지(Renewable energy) 생산기술 간의 에너지 흐름을 해석 조절하는 통합설계 기법으로 진행되었다.

Table 3. Characteristics of the target building

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Building NamePangyo 2nd Techno Valley Company Support Hub
Site Area22,637.70 ㎡
Total Floor Area78,802.08 ㎡ (Above Ground: 51,351.07 ㎡, Below Ground: 27,451.01 ㎡)
Floors8 stories above ground, and 2 stories below ground
StructureSRC structure + RC structure
The main exterior materialsExternal Wall : PF Board, Window : Low-E triple glass

본 연구의 대상건축물인 ‘판교 제2테크노밸리 기업지원허브’는 2016년 1월 P건설이 기술 제안형 입찰로 당선된 프로젝트로 준시장형 공기업인 LH에서 신축하는 대형 공공업무시설이다. ‘공공기관 에너지이용 합리화 추진에 관한 규정(산업통상자원부, 2017)’에 따라 건축물에너지효율 1++등급 취득을 목표로 추진하였다. 대상건축물의 기본 평면도, 입면도 및 단면도는 Figure 1~3와 같다.

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Figure 1.

Floor Plan

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Figure 2.

Elevation

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Figure 3.

Cross Section

Table 4은 제로에너지건축물 설계 이전에 원안설계안의 에너지관련 요소기술에 대한 성능치와 제로에너지건축물 달성을 위해 제안한 에너지관련 요소기술에 대한 성능치를 비교해서 나타낸 것이다.

Table 4. Major application factors to decrease the energy consumption

CategoryBaselineProposed
Glass SHGCLower level : 0.49, Higher level : 0.26Lower level : 0.18, Higher level : 0.23
Window Area Ratio39.52%31.35%
Insulation PerformanceHard Urethane THK120 U-Value 0.159 W/㎡·K PF Board THK120 U-Value 0.151 W/㎡·K
Opening WindowRate of Air Circulation 4.66Rate of Air Circulation 4.98
Primary Energy Consumption 193.2 kWh/㎡·y137.2 kWh/㎡·y
Renewable Energy Supply Ratio17.85%23.44%

제로에너지건물의 성능 분석

제로에너지건물 인증은 예비인증과 본 인증으로 나눠지는데, 예비인증단계에서는 건물 소모에너지와 신재생 생산 에너지와 균형을 조절하는 시뮬레이션 위주로 진행되고, 본 인증은 예비인증을 받은 건물이 완공되는 시점에서 계획대로 시공되었는지 요소별 확인 절차에 따라 진행 된다(국토교통부와 산업통산자원부, 2017).

예비인증 단계에서 제로에너지 대상 건물의 에너지 해석이 중요하다. 세계적으로 제로에너지건물의 해석에 주로 사용되는 프로그램은 Energy Plus와(Crawley et al., 2009; Wang et al., 2009; Kolokotsa et al., 2010), TRANSYS (Klein et al., 1976; Wang et al., 2009)이고, ESP_r, DOE, PHPP (Passive House Planning Package) 등의 프로그램도 사용되고 있다(Clark et al., 2002; Kolokotsa et al., 2010; 조수 외, 2017). 국가에 따라 지역의 기후 특성과 스마트그리드망의 특징에 따라 ZEB의 에너지 소비량을 계산하는 별도의 프로그램을 사용하기도 한다. 덴마크의 경우, 정상상태의 열류계산으로 월간 평균 기상데이터를 이용하는 Be10과, 동적해석법으로 시간별 기상데이터를 기반으로 한 BSim을 이용하기도 한다(Marzal et al., 2011). 우리나라는 ISO 13790 (2008)을 기반으로 한(2017년에 ISO 52016 으로 변경) ECO2 프로그램이 개발되어, 건축물의 에너지 효율등급을 평가하는 공식 도구로 사용된다. 연간 단위면적당 1차 에너지 소요량(kWh/m2.년)을 계산할 수 있어서, 제로에너지 건물의 해석에 적당하다. 본 연구에서도 ECO2를 에너지 해석 도구로 활용하였다.

총량에너지 절감 계획

Figure 4는 제로에너지건축물 인증을 확보하기 위한 에너지 통합설계 목표를 개념화한 것으로 Passive단계에서 자연환경을 적극 활용하여 최적의 에너지 효율적인 배치, 공간구획 및 형태를 구현하고, 열회수장치 및 고효율 기기와 같은 Active시스템을 도입하여 효율향상을 최적화하고 신재생에너지도입 및 건물에너지관리시스템(BEMS)을 통해서 에너지 성능을 극대화하는 단계를 보여준다.

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Figure 4.

Zero Energy Building Total Design Strategies

패시브디자인 적용기술

제로에너지건축물의 경우 무분별한 신재생설비 적용을 방지하기 위해 에너지요구량을 최소화할 수 있는 패시브 기술이 매우 중요하다. 패시브 기술은 건축물 외피를 통해 외부환경에 저항하는 성능을 바탕으로 건축물의 냉난방 부하를 줄이기 위한 단열성능이 중요하게 고려된다. 국내에서는 1970년대 이후 건축물의 외피 단열재 적용기준의 법제화 이후로 단열재 및 외벽의 단열기준이 꾸준히 강화되어 왔으며, 지역별·부위별·용도별 등 다양하게 세분화하여 구분하고 있다(국토교통부, 2017).

본 연구의 대상건축물은 에너지저감형 외피계획을 통한 단열, 결로방지, 방위특성을 고려한 일사제어 등 최적의 외피 디자인을 계획하였다. 패시브시스템의 주요 적용기술은 Table 5, 상세내용은 Figure 5과 같으며, 이러한 패시브기술만으로 총량에너지는 원래의 계획안에 비하여 8.30% 절감시켰다.

Table 5. Applied passive design technology

CategoryTechnology
Exterior wallOutside insulation and high efficiency insulation materials (PF Board THK120 U-Value 0.151 W/㎡·K )
Window glassLow-E triple glass (U-Value 1.299 W/㎡·K)
Wall area ratioWindow area ratio (31.35%)
SHGC (Solar heat gain coefficient)SHGC Lower level : 0.18 / Higher level : 0.23
Reduction of solar radiationBlind integrated skin system and automatic control

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Figure 5.

Passive design in detail

또한, 직달일사 저감을 위한 차양일체형 외피(수평·수직루버) 적용 및 유리 일사 차폐성능 향상으로 남측면의 일사를 원안대비 50.4% 저감했으며, ECO2 프로그램으로 해석이 불가능하지만 제로에너지 건물의 성능 향상을 위하여 아트리움 상부에 톱니형 천창계획으로 과도한 직달일사 유입을 방지하고, 확산광 유입을 통해 냉방부하 저감 및 채광성능을 향상시켰다. 이외에 대상건축물은 5개층 이상의 아트리움이 분리된 2개의 장소에 계획되어 저층부에 기류 유입구가 확보되지 않아 환기성능이 저하되는 형태를 띠고 있었다. 이를 개선하기 위해 통합로비 계획을 통한 아트리움 내에 연계된 기류 유입통로를 확보하여 환기성능을 28.06% 향상시켰다. 환기요구량이 높은 식당은 기류 유출구 부족으로 환기성능 저하가 우려되어 충분한 기류 유출구를 확보하고 맞통풍 계획 및 환기성능을 향상시켜 이용자 실내 쾌적성을 확보하였다. 제로에너지건축물 인증 평가에 반영되는 부분은 아니지만, 건물의 사용단계에서 실질적인 에너지절감에 기여할 것으로 예상되어 ECO2에서 분석되지 않는 추가적인 에너지 절감요소에 대해 Figure 6과 같은 시뮬레이션 해석을 수행하였다.

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Figure 6.

Passive design using ECOTECT and FLUENT program

액티브디자인 적용기술

건축물에서 설비시스템은 ‘패시브’ 요소만으로 충분히 제공하지 못하는 재실자의 편의성과 쾌적성을 만족시키는 역할을 한다. 그러나 냉방, 난방, 환기, 급탕, 조명 등 대부분의 설비시스템은 에너지 사용을 동반하기 때문에 건축물의 에너지 사용 최소화를 위해서 효율적인 설비 시스템이 계획되어야 한다. 건물 운영을 위해 에너지를 소비하는 공조설비 및 열원설비 등을 신재생에너지설비와 연계하여 에너지를 제로로하기 위해 고효율기기의 적용이 필요하다.

대상건축물에 적용된 주요 열원시스템으로는 난방 및 급탕열원으로 지역난방이 사용되었으며, 냉열원 시스템으로 흡수식냉동기가 사용되었다. 해당 열원설비는 우리나라에서 생산되는 제품 중 최고 효율의 장비를 설치하였고, 냉난방 대온도차 적용으로 반송동력을 최적화하여 에너지효율을 극대화 시켰다. 전력 사용량이 적은 시간에 전력을 충전해두었다가, 전력 사용이 많은 시간에 저장해 놓은 전력을 공급하는 시스템인 ESS와, 무정전 전원 공급장치인 UPS를 결합한 UES가 적용되었다. 태양광은 기후 조건에 따라 전력의 품질이 고르지 않고 공급되는 양이 일정하지 않기 때문에, UES 설치로 인해 이 문제를 극복할 수 있다. 액티브시스템의 주요 적용기술은 Table 6와 같으며 상세내용은 Figure 7과 같다.

Table 6. Applied active design technology

CategoryTechnology
Efficiency of devicesAbsorption chiller efficiency improvement COP 0.63 → 0.74
Transportation energy Equipments conveyance energy optimization Power consumption 30.81% reduction
Heat recovery systemHeat recovery system Cooling : 60.69% Heating 62.07%
Lighting efficiencyHigh efficiency LED Lighting (4.18 W/㎡)
Energy storage systemUES 1,875 kVA

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Figure 7.

Active design in detail

또한, 동절기에 아트리움의 고임열을 재이용하여 공조 급기로 활용함으로써 에너지를 절감시켰다. 조명에너지를 절감하기 위하여 고효율 LED조명 및 다양한 제어기능(스케쥴제어, Zone/Pattern제어 등)을 적용시켰다. 단계별 에너지절감 분석을 통해 액티브기술만으로 총량에너지 15.3%를 절감시켰다.

신재생에너지시스템 적용기술

가용할 수 있는 신재생에너지는, 신에너지로 연료전지, 수소에너지, 석탄액화가스화 및 중질잔사유 가스화가 있고, 재생에너지로 태양광, 태양열, 바이오, 풍력, 수력, 해양, 폐기물, 지열이 있다(Jacobson, 2009; Kim et al., 2012; 산업통상자원부, 2014). 제로에너지 건물에 적용하는 신재생에너지는 국내 외에서 태양광과 지열이 주로 이용되고 있다(Kim et al., 2012).

본 연구의 대상건축물은 무분별한 신재생에너지 적용을 방지하기 위해 패시브 및 액티브 디자인 요소를 통해 에너지 소요량을 최소화 한 후, 최적 신재생에너지설비 설치로 제로에너지 건축물 인증을 달성하였다. 특히, 준시장형 공기업(한국토지주택공사)이 신축하는 건축물임을 감안하여 제로에너지건축물 인증 취득을 고려하여 계획 초기단계부터 신재생에너지 의무공급비율을 23.44%를 적용했으며, 신재생에너지원으로 에너지자립률 확보에 유리한 태양광시스템, 지열시스템, 연료전지시스템을 적용했다. 주요 적용 현황은 다음 Table 7과 같으며, 상세내용은 Figure 8와 같다.

Table 7. Applied renewable energy system

CategoryTechnology
Solar PhotovoltaicRooftop (Fixed-612.75kWp) and Head of Atrium (BIPV-13.44kWp)
GeothermalGSHP Heating and cooling system 2,931.96kW (COP: cooling 5.03 / Heating 3.72) (A percentage of total heating and cooling equipment capacity 52%)
Fuel Cell Fuel Cell 5kW

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Figure 8.

Renewable energy system in detail

특히 에너자립률 확보 및 온실가스 저감을 실현하기 위하여 태양광발전 설비인 PV, BIPV가 옥상부 및 아트리움 상부에 적극적으로 적용되었다. 지열시스템은 업무시설 위주로 설치되어있고, 연료전지시스템은 보육시설 급탕부하를 담당하여 에너지를 절감시켰다.

ZEB 건물에서 신재생 에너지 생산에 관한 국제적인 추세는 부지내에서 생산할 수 있는(On-site Energy) 태양광 발전, 지열이용 히트펌프, 태양열급탕이 주로 이용되고 있다(Voss and Musall, 2011; Marszal et al., 2012). 한편, 고밀도 고층화 건물이 주류를 이루는 도심지에서 ZEB 건축은 부지내의(On-site) 신재생 에너지 공급만으로 한계가 있을 수밖에 없다. 우리나라의 제로에너지건축 국가 로드맵에 따르면 2020년 이후 공공부문 제로에너지건축이 의무화되고 2025년 이후에는 민간부문 제로에너지건축이 의무화 된다(김예성, 2017). 멀지 않은 장래에 수행하여야 할 제도이다. 우리나라와 여건이 비슷한 덴마크의 경우를 보면, 부지외에서(Off-site) 생산된 신재생 에너지도 ZEB 건물에 인정해 주고 있다. 교외의 풍차를 건축주가 소유하거나, 대여하거나, 서로 나누거나 융통성있는 제도를 운영하고 있다. 또한, 부지외서 생산된 바이오매스 에너지를 구입하여 부지내에서 난방열원으로 사용하는 것을 적극 검토하고 있다(Marszal et al., 2012). 우리나라의 경우 스마트그리드 시스템이 잘 발달되어 있어서 부지외에서 생산된 전력은 ZEB에 이용 가능할 것으로 사료된다. Torcellini et al. (2006)은 ZEB에 적용 가능한 부지내·외에서 생산된 신재생 에너지 종류에 대하여 잘 기술 하였다. 바이오매스를 구입해 건물의 난방용 연료로 이용하는 경우, 이를 신재생 에너지로 인정해 줄 수 있으나 국내의 경우는 미세 먼지의 문제로 바이오매스 연료는 적용하기 어렵다.

총량에너지 절감 프로세스

총량에너지 절감을 위해 외피 단열성능 향상, 일사저감을 위한 루버개선, 방위별 최적의 창면적 계획 및 창호 SHGC개선으로 부하저감형 패시브디자인을 계획하였고, 고효율 기기 적용, 반송효율 증대 및 조명밀도 최소화로 액티브 디자인을 계획하였다. Figure 9는 통합설계의 노력으로 이룩한 단계별 에너지 절감분석 내용을 나타내고 있다.

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Figure 9.

Analysis for the energy consumption through the total energy design strategies.

건축물에너지효율등급 평가 결과

제로에너지건축물 인증을 취득하기 위해서는 에너지효율등급 1++등급 이상을 취득해야 한다. 대상 건축물의 에너지성능 평가결과, 1차에너지소요량은 137.2 kWh/㎡·y로 에너지효율등급 1++등급 기준을 만족하였다. Table 8과 9는 에너지요구량, 소요량, 1차에너지소요량을 항목별로 난방, 냉방, 급탕, 조명, 환기 및 신재생에너지 생산량으로 구분하여 표기한 것이다.

Table 8. Energy demand in the target building

CategoryRenewableHeatingCoolingHot waterLightingVentilation
Energy Demand (kWh/㎡·y)-34.718.912.211.0-
Energy Consumption (kWh/㎡·y)-16.928.418.719.08.413.0
Primary Energy Consumption (kWh/㎡·y)-45.226.59.719.935.9

Table 9. Result of the building energy efficiency rating

CategoryEvaluation Result
Energy Demand (kWh/㎡·y)76.8
Energy Consumption (kWh/㎡·y)87.5
Primary Energy Consumption (kWh/㎡·y)137.2
CO2 Emission (kg/㎡·y)27.0
Grade1++
Energy Support Ratio20.20%

※ This result was evaluated by Korean Energy Agency

BEMS 설치 확인

제로에너지건축물 인증을 취득하려면 건물에너지관리시스템(BEMS)이나 원격검침전자식계량기 등 에너지 모니터링 시스템이 설치된 건축물일 경우 가능하다.

대상건축물에는 건물에너지관리시스템(BEMS)이 설치되어있으며, 건물에너지관리시스템(BEMS) 평가항목은 Table 10과 같다.

Table 10. Confirmation factors for the Building Energy Management System (BEMS)

CategoryContents
1Data gathering and presentation Display the status of whole building energy management
2Information surveillanceFunction of confirmation and management for the information
3Query dataQuary function for the sensing, actuating, and indoor air quality data
4Analysis for the energy consumptionElucidate for the current energy consumption and analysis for the elements of increasing or decreasing energy.
5Analysis for the device performance and efficiencyAnalysis of efficiency and performance for the devices installing to energy management and the suggestions to increase energy efficiency
6Environmental information for the indoor and outdoor Analysis and control strategies for the indoor and outdoor environments such as air temperature and relative humidity etc.
7Predicting energy consumptionPredicting for the energy consumption based on building operation
8Query and analysis for the energy costsConformation of the energy consumption cost and suggestion for the appropriate strategies to save energy cost.
9Control system interworkingInter-coordination to increase energy efficiency for the installed energy consumption devices

BEMS 평가는 9개 항목으로 구분되며; (1) 데이터 수집 및 표시, (2) 정보감시, (3) 데이터 조회, (4) 에너지소비 현황분석, (5) 설비의 성능 및 효율분석, (6) 실내외 환경분석, (7) 에너지 소비량 예측, (8) 에너지 비용 조회 및 분석, (9) 제어시스템 연동, 각 항목마다 가중치가 5~10점이고, 전체 100점 중 60점 이상을 획득하여야 BEMS인증을 취득할 수 있다. (제로에너지 건축물 인증을 위한 건물에너지관리시스템 보고서 작성 가이드라인, 2017).

제로에너지건축물은 BEMS 인증을 취득할 의무는 없으나, 본 과제에서는 위 설계기준에 준하여 계획하였다. 설비, 전력, 조명제어를 통하여 에너지 절약을 이룩함과 동시에 실내 쾌적성을 확보하고 에너지 소비량과 비용이 실시간으로 표시하고, 고장, 수리 및 부품 교체에 관련된 내용이 표시되도록 하였다. Figure 10~12는 제로에너지건축물 인증 평가 시 제시한 BEMS 설치 사례이다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2018-012-05/N0280120503/images/Figure_KIAEBS_12_5_03_F10.jpg
Figure 10.

Example of energy consumption analysis

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2018-012-05/N0280120503/images/Figure_KIAEBS_12_5_03_F11.jpg
Figure 11.

Example of indoor and outdoor environment information

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2018-012-05/N0280120503/images/Figure_KIAEBS_12_5_03_F12.jpg
Figure 12.

Example of query and analysis energy costs

한편, 우리나라의 현행 BEMS 제도는 일반 건축물과 제로에너지 건축물을 별도로 구분하여 규정을 적용하지 않는다. ZEB 건물은 에너지의 소모를 최소화하는 동시에 신재생에너지를 건물에서 생산한다는 점에서 일반 건물과 다소 차이가 있기 때문에 소비(consumption)와 생산(generation) 사이의 균형을 잡는 것이 중요하다. Kolokotsa et al. (2011)은 에너지의 생산과 소비 과정에서 건물의 운영과 제어는(BO&C; building operation and control) 일반건물의 제어와는 동일하지 않고 소비를 시간계열로 적절히 제어하여야 한다는 점을 강조하였다. 또한 신재생 에너지 생산은 그리드 망에 연결되어 있으므로 에너지 구매와 판매 사이의 시점을 부하의 적절한 조절로 제어되어야 함을 기상의 변화와 함께 설명하고 있다. 선진 외국에서는 패시브 하우스를 운영하였던 경험과 신재생 에너지 생산에 관련된 노하우를 바탕으로 경험적이며 체험에 근거한 다양한 이론이 제시되었다(Braun et al., 2001; Bruant et al., 2001; Clarke, 2001; Clarke and Kelly, 2001; Kolokotsa et al., 2002; Holter and Streicher, 2003; Armstrong et al. 2006; Kafetzis et al. 2006; Rieberer et al. 2007). 또한 측정된 수많은 데이터를 바탕으로 수치해석 알고리즘으로 ZEB 건물에 특화된 BEMS 원리를 주장한 학자들도 다수이다(Braun, 1990; Henze et al., 2004; Diakaki et al., 2008; Freire et al., 2008). 앞으로 ZEB 건물의 최적 제어와 운영에 경험과 수치해석을 기반으로 한 인공지능(AI)과 빅데이터가 활용될 것으로 보인다.

우리나라에서는 프로슈머제도(신재생에너지를 건물에 이용하기도 하고, 판매도 가능한제도)를 운영하고 있지 않다. 유럽의 일부 국가에서는 건물에서 생산된 에너지를 그리망을 통하여 판매를 할 수 있어서 최고가의 시점에서 그리드망으로 판매하고 최저가에서 구매하는 BEMS 시스템을 제공하여 건축주에게 이익을 주는 알고리즘을 소개하기도 하였다(Ioannou and Sun, 1995; Kosmatopoulos, 2010; Kolokostsa et al., 2011). 앞으로 ZEB 건물에 특화된 BEMS도 필요하다.

현장 확인 및 실사

건축물에너지효율등급 및 제로에너지건축물 본인증은 예비인증과 달리 인증절차에 현장 확인 및 실사 항목이 있다. 이는 최종설계도서 및 제출서류에 대한 시공 및 설치 여부의 확인을 위한 절차이다. 최종 인증등급 부여는 건축물에너지효율등급, 에너지자립률 및 에너지 모니터링 시스템 설치 확인에 대한 인증절차를 걸쳐 인증등급에 적합하도록 한다. 현장실사 사진은 Figure 13와 같다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2018-012-05/N0280120503/images/Figure_KIAEBS_12_5_03_F13.jpg
Figure 13.

Actual inspection on the target building

결 론

본 연구는 국내에서 최초로 제로에너지건축물 본인증을 획득한 건축물을 대상으로 패시브 적용기술, 액티브 적용기술, 신재생에너지 적용기술을 소개 하였다. 이를 활용하여 앞으로 수행하여야 할 다수의 제로에너지건축물 계획에 기반 기술자료를 제공한 내용으로 기술되었다. 건물 에너지 해석에 필요한 프로그램은 우리나라에서 공인된 ECO2를 사용하였고, ECOTECT 프로그램과 FLUENT 프로그램을 이용하여 ECO2에서 부족한 부분을 보완하였다. 대상 건물은 제로에너지건축물인증 뿐만 아니라 건축물에너지효율등 1++등급, 녹색건축인증 최우수등급, 에너지성능지표 110.10점, 신재생에너지공급비율 23.44%, 지능형건축물 1등급, 장애물없는 생활환경 우수 등급을 취득하였다. 제로에너지건물 인증은 에너지 및 친환경 요소에 관련된 다양한 인증제도의 기반위에 설립되었기 때문에 상호 보완적인 인증들을 병행하여 취득함으로써 대상 제로에너지건물은 사용의 편리함과 쾌적성, 자연과의 조화 그리고 에너지 절약을 충분히 수행할 수 있는 건물이 될 것으로 판단하였기 때문이다. 대상 건물은 연간 단위면적당 1차에너지소요량이 137.2kWh로 계산되어 건축물에너지효율 1++등급을 확보하고, 에너지자립률은 20.20%이고, 건물에너지관리시스템(BEMS)이 적용되어 필요한 3가지 조건을 모두 만족하여 국내 최초 제로에너지건축물 5등급 본인증을 취득하였다.

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