서 론

연구의 배경 및 목적

건축물 분야는 전 세계적으로 많은 에너지를 소비하며 지속적으로 증가하는 추세로 우리나라는 2010년 기준으로 1971년 대비 2배정도 증가하였다. IEA2013 및 IPCC2014에 따르면 에너지 효율 향상이 되지 않을 경우 건축물과 에너지 사용 설비의 지속적인 증가로 인하여 2050년까지는 약 50% 증가가 예상된다고 하였다. 이에 국내·외에서는 최근 제로에너지하우스를 비롯하여 기존건축물에 대한 그린리모델링 및 제로에너지빌딩(이하 ZEB)에 대한 관심이 높아지고 있다. 미국, EU 등 선진국들도 제로에너지빌딩 달성 목표를 정하고 금융지원 및 기술개발을 서두르며 미래 건축시장 선정을 위해 각축을 벌이고 있다.¹⁾

우리나라는 2016년 파리협정 비준동의안이 국회를 통과해 도쿄의정서 2차기간이 만료되는 시점인 2020년 이후 2030년까지 37%의 온실가스 감축의무를 달성해야 한다. 이에 온실가스 감축의 일환으로 2020년부터는 공공건축물에 제로에너지빌딩의 구축이 의무화 되고, 2025년부터는 보급화 양성을 목표로 민간보급화 정책이 시행 될 것으로 보고되고 있다.

ZEB 인증제도는 건축물의 용적률, 높이 등 기준에 대한 완화 비율과 신재생에너지 설치보조금 등의 인센티브 정책을 마련하였다. ZEB의 평가기준은 건축물에너지효율등급 1++등급 이상으로 모니터링 시스템이 설치된 건축물에 한하여 신재생에너지를 통한 에너지 자립률에 따라 5개 등급으로 분류하여 평가한다. 그러나 현재 일반 업무용 건물이 건축물에너지효율등급 1++ 등급 이상을 취득하기 위한 설계 가이드라인이나 에너지 절감 방안에 대한 요소 기술의 명확한 기준이 마련되어 있지 않은 실정이다.

이에 본 연구에서는 ZEB의 최소 기준 인 건축물에너지효율등급 1++ 건축물 69개소를 대상으로 외피 단열성능과 설비시스템의 효율에 대한 현황을 분석하였다. 결과를 토대로 건축물 에너지절약설계기준에 따른 건축부문의 단열성능 및 기계설비부문의 효율을 중심으로 비교분석하였으며, 최종적으로는 신재생에너지의 자립률을 산출하여 ZEB 기준의 예상 등급을 도출하였다.

정해권(2015)은 ｢건축물에너지효율등급 인증 받은 업무용 건축물과 비인증 업무용 건축물의 에너지성능지표 득점 비교 분석｣에서 건축물에너지효율등급 건축물을 대상으로 건축물의 에너지 절약계획서와 EPI를 분석한 결과를 바탕으로 에너지 절약적 설계요소의 대안을 제시하였다.

이한솔(2015)은 ｢공공기관 업무용 건물의 건축물에너지효율등급 인증 현황 분석｣에서 ECO2 프로그램에서 산출되는 에너지요구량, 에너지소요량의 현황을 분석하여 업무용 건물의 에너지절약 설계요소의 성능 수준을 파악하고, 열원별 환산계수에 의해 연도별 패턴이 에너지소요량과 차이를 확인하였다.

신현철(2015)은 ｢제로에너지하우스 구현을 위한 부문별 요소기술 조합에 따른 에너지소비량 및 비용분석｣에서 주택에 적용될 수 있는 요소기술에 따른 에너지 소비량과 에너지비용 분석을 제로에너지하우스 구현을 위한 방안을 제안하였다.

박병용(2016)은 ｢제로에너지 빌딩구현 최신설비 시스템의 동향｣에서 일본사례를 중심으로 ZEB 구현을 위한 설비시스템을 소개하였으며, 복합적 기술요소의 도입과 신재생에너지을 통한 ZEB이 실현 가능할 것으로 판단하였다.

본 연구에서는 ZEB의 인증기준이 되는 건축물에너지효율등급 인증 건축물을 대상으로 패시브 및 액티브 적용요소의 현황을 분석하여 ZEB 기본설계 시 기초자료로써 정보를 제공하고, 최종적으로는 신재생에너지 자립률의 산출을 통해 예상 등급을 도출함으로써 ZEB 인증제도에 대하여 고찰하였다.

인증제도 및 대상 기술

제로에너지빌딩 인증제도

국토교통부 제로에너지건축물의 인증기준은 건축물 에너지효율등급 인증에서 1++ 등급 이상인 건축물을 대상으로 에너지 자립률에 따라 5등급으로 분류하여 인증을 부여하고 있다. ZEB의 인센티브로는 건축기준의 완화, 신재생에너지 설치보조금 우선지원, 주택도시기금 대출한도 확대, 주택건설사업 기반시설 기부채납 부담률 완화 및 각종 세제혜택 등이 있다.

이 중 건축기준의 용적률 및 건축물 높이 등 건축기준의 완화 기준은 인증 등급에 따라 Table 1 과 같이 최대 15%의 혜택을 받을 수 있다. 이에 정부는 관련부처 및 지자체 등과 협조하여 제로에너지빌딩 조기 활성화를 선도할 계획에 있다. 이에 대한 전망으로 연간 허가 면적의 10%를 제로에너지빌딩으로 건축할 경우 67만 tCO의 온실가스를 줄이고 약 5만명의 고용을 유발 할 것으로 보고되고 있다.

본 논문에서는 ZEB 기준의 대상으로 실제 국내 건축물에너지효율등급 인증을 받은 건축물로써 2013 ~ 2017년까지 1++(주거용 이외의 건축물 : 80~140 kWh/m²․년 미만) 등급 이상의 인증을 받은 업무시설 133개소 중 건축물에너지효율등급 평가서와 패시브 및 액티브 요소의 데이터가 수집 된 건축물 69개소를 대상으로 현황을 분석하고, 신재생에너지의 자립률 산출을 통한 ZEB등급을 평가하였다.

대상건축물 69개소에 대한 평균 연면적은 5656 m²으로 이 중 공공건축물 41개소의 평균 연면적은 4734 m²였으며, 민간건축물 28개소는 7,055 m²로 나타났다. 이는 규모가 큰 대형건물이나 초고층 건축물의 경우 순환 펌프, 흡수식 냉동기 및 AHU 시스템 등의 팬 동력으로 인한 추가 에너지 소요되는 것에 반해 소규모 건축물은 설비시스템이 단순화되고 고단열, 고효율의 시스템 적용이 용이하며, 이를 통한 에너지 소비량을 최소화 할 수 있었기 때문이라 사료된다.

Table 1. Classification of public buildings and private buildings

패시브 및 액티브 기술

‘제로에너지빌딩’은 건물 외피를 통해 외부로 손실되는 에너지양을 최소화하도록 정의하고 있다. 이에 패시브요소는 건축물에너지효율등급 평가서에서 제시하고 있는 외벽, 창호, 지붕, 바닥면에 대한 부분을 분석하였다. 또한, 액티브 요소는 고효율인증제품에서 효율 수준에 따라 등급을 분류하고 있으며, 본 연구에서는 각 설비시스템별 에너지절약설계 기준을 중심으로 대상을 분석하였다. 이에 액티브 요소의 경우 난방, 냉방, 급탕 시스템으로 분류하였고, 신재생에너지 경우에는 건축물에너지효율등급 평가 기준에 따라 태양열, 태양광시스템 및 지열의 적용사례를 검토하여 ZEB 기준 평가에 따라 자립률을 산출하여 ZEB 등급을 평가하였다.

Table 2는 패시브 및 액티브 적용요소를 분류한 표로써 건축물에너지효율 1++ 등급 건축물이 가지고 있는 건물의 주요 부위별 단열성능 및 설비시스템에 대한 각 요소의 특성은 다음 장에서 좀 더 자세히 설명하고자 한다.

Table 2. Passive & active technology elements

적용 요소별 현황 분석

패시브 건축 기술

대상 건축물의 패시브적 성능 수준을 파악하기 위하여 지역별 기후적 차이를 고려한 기준에 따라 중부, 남부, 제주도로 구분하였다. 단열 성능의 부위별 기준에 따라 외벽, 창호, 지붕 및 바닥면을 중심으로 평균 열관류율값을 분석하였다. 결과값은 건축물의 에너지절약 설계기준(국토교통부 고시 제 2017-71호)에서 제시하는 기준에 따라 대상 건축물의 열관류율값과 비교 분석하였다.

대상건축물 69개소의 평균 열관류율 값은 중부지방의 경우 외벽 0.211 W/m²·K, 외부창 1.384 W/m²·K, 지붕 0.130 W/m²·K, 바닥 0.176 W/m²·K으로 나타났다. 그 외 남부지역 및 제주도에 대한 평균 열관류율값은 Figure 1과 같으며, Table 3은 외부창에 대한 평균 열관류율값을 나타낸다. 분석 결과 모든 지역의 평균 열관류율값은 건축물 에너지절약설계기준에는 부합하는 것으로 나타났다.

Figure 1.

U-Value of Passive Technology components

그 결과 대상 건축물은 2~3 등급 수준의 창호를 적용 한 것으로 판단할 수 있었다. 최근 고 단열, 고 기밀의 제품 사용 비중이 커짐에 따라 과(過)설계로 인한 초기 공사비 상승 등의 문제가 우려되고 있다. 국토교통부에서는 ZEB 구현을 위한 방안으로 건축물의 부하를 최소화 할 수 있는 패시브 설계를 요구하고 있으나, 이에 대한 구체적인 기준을 제시하고 있지는 않는 실정이다. 이에 건축물의 용도, 지역, 기후 및 운전패턴 등을 고려한 패시브 설계방안에 대한 연구가 지속적으로 수행되어야 할 것으로 사료된다.

Table 3. Rating of U-Value (exterior window)

액티브 설비 기술

난방시스템

건축물의 에너지절약설계기준은 녹색건축물 조성 지원법에 의거하여 건축물의 효율적인 에너지 관리를 위하여 열손실 방지 등 에너지 절약 설계에 관한 기준을 제시하고 있다. 본 장에서는 기계설비의 열원설비 대한 성능지표의 항목을 중심으로 분석하였다.

먼저, 대상 건축물의 난방시스템의 통계 분석결과 GHP (Gas Engine Heat Pump)가 32개소로 가장 많았으며, 가스보일러는 16개소, EHP (Electric Heat Pump)는 12개소, 지열히트펌프는 10개소 순으로 Figure 2에서 적용 비율을 확인 할 수 있다.

Figure 2.

Classification of heating system

에너지절약설계기준에서 기타난방설비 품목으로 분류되고 있는 GHP의 경우 평균 난방 COP (Coefficient of performance)는 1.59으로 나타났으며, 가스보일러의 경우에는 평균 효율은 90.35% 조사되었다. 이 외 EHP의 평균 COP는 3.83, 지열히트펌프는 COP는 4.35로 분석되었다.

에너지 절약설계기준에 따른 난방설비의 경우 기름보일러, 가스보일러, 기타난방설비의 항목을 분류하여 평가하고 있다. 가스보일러 효율 90%이상, 기타 난방설비는 고효율 인증제품이상 일 경우 최고배점을 부여하고 있다.

69개소 대상물 중 GHP 고효율인증제품을 적용한 사례는 32개소 중 21개소이며, 가스보일러 효율 90 %이상 적용하여 최고 배점(1점)을 획득할 수 있는 건축물은 16개소 중 9개소로 나타났다. 지열히트펌프의 경우 신재생 인증제품으로 구분되어 전체 배점을 부여받을 수 있다. EHP의 경우는 고효율 인증대상에서 제외되었다. Table 4는 난방 방식별 효율과 COP를 중심으로 한 Box-Plot²⁾의 분석결과 그래프이다.

최근 전력피크가 하절기뿐만 아니라 동절기에도 발생하고 있어 동·하절기 전력피크 수요를 감당할 수 있는 최적의 시스템이 요구됨에 따라 가스 열원에 대한 사용성이 급부상하였다. 이에 정부에서는 공공기관의 GHP 설치 의무화 등의 제도개선을 통해 보급·확산 추진 중에 있다. 이와 더불어 고효율인증제도 대상 설치장려금 지급 등 정책적인 지원 강화로 GHP 적용사례가 많은 것으로 판단된다.

Table 4. Efficiency and COP of heating system

냉방시스템

냉방시스템은 에너지절약설계기준의 고효율인증제품 또는 이와 등등 이상의 것으로 에너지소비효율 등급이 높은 제품을 설치를 권장하고 있다. 이에 해당하는 냉방시스템의 유형을 분류하고 시스템 효율 기준에 부합하는 시스템을 분석하였다. Figure 3은 냉방시스템 분포도로써 냉방시스템의 경우 대상 건축물 69개 중 GHP는 29개소, EHP 24개소, 지열히트펌프 11개소, 기타 5개소로 조사되었다.

Figure 3.

Classification of cooling systems

난방시스템과 더불어 건축물 에너지 절약설계 기준의 배점 항목에 적용되는 GHP의 경우 42%로 가장 많은 비중을 차지하였으며, 평균 COP는 1.41로 나타났다. 신재생 인증제품에 부합하는 지열히트펌프도 16%로 평균 COP는 4.92로 나타났고, 이 외에 EHP의 경우 35%에 대한 평균 COP는 3.58으로 Table 5에서 확인할 수 있다.

GHP의 경우 앞 절에서 확인하였듯이 정부의 제도개선 및 설치 지원금 등을 통해 적극적인 지원 정책을 제시하고 있었다. 전력피크의 주범으로 지목되는 EHP시스템의 경우 고효율인증대상에서 제외되었으며, 이후 에너지소비효율 등급대상으로 분류되었다. 가장 두드러진 특징으로는 EHP의 비중이 높아졌다. 이는 실내부하에 있어 난방부하가 적은 소규모 상가의 경우 EHP가 보다 더 경제적일 수도 있기 때문이다. 이에 초기투자비, 지원금, 세금감면, 피크부하, 에너지 비용 등 다각적인 측면 고려한 설계가 요구된다.

Table 5. COP of cooling system

급탕시스템

급탕용 보일러의 경우에도 고효율에너지기자재 또는 에너지소비효율 1등급 설비 적용유무에 따라 에너지성능지표에 최고 배점을 부여하고 있다.

이에 대상건축물의 급탕시스템은 가스보일러 23개소로 전체 시스템 중 32%로 가장 많았으며, 전기온수기가 21개소로 29%, 진공온수보일러 10개소로 14%, 가스온수기 6개소로 8%, 그 밖의 기타설비로는 지열히트펌프, 전기보일러 등으로 Figure 4에서 확인할 수 있다.

Figure 4.

Classification of water heating systems

가스 보일러의 경우 난방시스템과 병행하여 사용 중에 있는 건물이 대부분이었다. 급탕겸용 개별보일러의 경우 기계부문 에너지 성능지표의 난방기기에 대한 점수 획득 시에도 급탕시스템에 대한 부분도 함께 배점을 받을 수 있기에 이를 활용한 설계가 반영된 것으로 사료된다.

또한, 대상건축물은 1++ 인증 등급을 받은 소규모의 저층 건축물로써 효율이 우수하고, 설치 및 유지보수가 용이한 가스보일러를 적용한 것으로 판단된다. Table 6은 가스 열원을 중심으로 급탕시스템의 방식과 효율에 대한 Box-Plot로 표현한 그래프이다.

Table 6. Efficiency of gas water heating system

신재생에너지 자립률 산출

신재생에너지는 공공기관의 설치 의무화 제도 및 지원정책에 따라 신재생에너지를 적용한 건축물의 사례가 급증하고 있다. 신재생에너지원 이용 건축물의 인증등급을 산정하는 에너지원은 태양광, 태양열, 지열, 연료전지가 있으며 각각의 환산계수 및 이용률 효율, 부하율에 따라 생산량을 계산한다.

본 논문의 대상건축물 69개소 중 태양광을 적용한 사례는 46개소, 지열 11개소, 태양광+지열 6개소로 나타났다. 건축물을 대상으로 신재생 에너지 생산량을 산출하였으며, 산출방식 및 등급 평가는 한국에너지공단에서 제시한 ZEB 인증제도의 자립 평가방식에 따라 분석하였다.

에너지 자립률은 1차 에너지 소비량 대비 1차 에너지 생산량의 비율로 나타낸다. 1차 에너지 생산량은 신재생에너지 생산량에서 생산에 필요한 에너지량을 제외한 에너지의 1차 에너지 환산계수를 곱한 값으로 계산한다. 자립률에 대한 상세 수식은 다음과 같다.

1)∑{(New renewable energy Production - Energy Required for New Renewable Energy Production) × Primary Energy Conversion coefficient}

2)Amount of primary energy consumption per unit area + Amount of primary energy production per unit area

태양광 발전 시스템의 경우에는 1차 에너지 생산량에 있어 전력에 해당하는 1차 에너지 환산계수 2.75를 곱하여 산출한다. 산출 결과를 토대로 에너지 자립률을 확인한 결과 태양광의 평균 자립률은 16.1%로 나타났으며, 최대 37.0%, 최소 2.8%의 자립률을 Table 7로 나타냈다. 결과 최하위 등급 인 5등급(20~40%)에 해당하는 건축물은 17개소였으며, 이외의 사례들은 최저 등급에도 부합하지 못하였다. 지열시스템의 경우 역시 평균 자립률은 16.8% 로 나타났지만 인증 최소 기준에 부합하는 건축물은 없었다. 태양광과 지열을 함께 적용한 건축물 역시 평균 7.7%의 자립률로 최소 등급 기준에 만족하지 못하였다.

태양광의 경우 생산량은 건축물의 규모와 상관없이 실제 PV 설치 면적, 설치각도 및 향 등의 따라 분포 폭의 넓게 형성되었으며, 지열시스템의 경우는 용량 및 효율에 따라 수준에 따라 변동폭이 크지 않았다.

대상건축물의 경우 소규모 건축물로써 태양광 및 지열시스템 적용에 있어 한계가 있었을 것으로 사료된다. 건축물에너지효율등급 1++ 등급을 받았다고 할지라도 ZEB의 자립률에 대한 고려가 되지 않는다면 ZEB를 구현하기는 쉽지 않을 것으로 판단된다.

Table 7. Box-plot of self-sufficiency rate

궁긍적으로 ZEB의 높은 등급을 실현하기 위해서는 건축물의 부하를 최소화 할 수 있는 방안의 패시브 설계와 최적 설비 시스템 도출 소요량을 최소화하는 것이 우선이라 할 수 있겠다. 이와 더불어 초기투자비가 높은 신재생 에너지에 대한 도입은 지역적, 기후적 특성을 고려한 비용 적정 설계가 요구된다. 향후 ZEB 보급화 및 확산을 위해서는 자립률에 대한 정량적 산출 방식 및 경제성에 대한 부분을 고려한 연구가 지속적으로 수행되어야 할 것으로 사료된다.

결 론

본 논문은 ZEB 인증의 기준으로 건축물에너지효율등급 1++ 사례를 통한 외피의 단열성능 및 설비시스템의 현황을 분석하였다. 또한, 신재생에너지 생산량을 분석하여 ZEB 자립률에 대한 평가를 수행하였다.

대상건물은 건축물에너지효율등급 1++ 등급의 평균연면적 5656m²으로 저층의 중소규모였으며, 대상건물은 단열성능 및 주요 설비시스템의 현황을 분류하여 분석하였다. 이는 제로에너지빌딩 구현을 위한 패시브 및 액티브 요소의 기초자료로 활용하기 위한 연구로써 그 결과를 정리하면 다음과 같다.

(1)패시브 요소의 단열성능은 중부, 남부, 제주도 모두 에너지절약설계기준에 부합하였으며, 외부 창호의 열관류율값은 에너지소비효율등급제 2~3등급 수준으로 나타났다.

(2)액티브 요소 중 냉난방 설비의 경우 정부 제도개선 및 정책지원에 따라 GHP를 적용한 인증사례가 가장 많았다. 이외에 냉방시스템에서는 EHP 비중이 증가하였고, 이는 난방부하가 적은 소규모 건물의 특성이 반영된 것으로 사료된다.

(3)급탕시스템은 가스 열원에 대한 설비시스템의 비중이 높았으며, 이는 난방 시스템과의 연계에 따른 에너지 절감 및 공공기관의 정책이 반영된 결과라 사료된다.

(4)마지막으로 신재생 에너지의 경우 태양광 발전시스템을 적용한 17개소의 건축물만이 5등급으로 예상 평가되었다.

본 연구는 실제 인증사례의 현황 분석으로써 ZEB을 목적으로 하는 대상의 기초자료로 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 향후에는 상기 통계결과를 토대로 패시브 및 액티브 요소의 최적 조합에 대한 대안을 제시하고자 한다. 최종적으로는 ZEB 등급 기준 및 경제성 분석을 포함한 ZEB의 전 과정에 대한 연구를 지속적으로 수행할 것이다.