서 론
이론적 고찰
개구부 요소의 열적 성능과 건축물 에너지 성능과의 관계
그린리모델링 개요 및 에너지 성능평가 한계
반영 여부에 따른 건축물 에너지 성능 평가 비교
에너지 성능 평가 시뮬레이션 ECO2-OD
반영 여부에 따른 에너지 성능 평가 비교
결 론
서 론
제 21차 유엔기후변화협약 당사국총회(Conference of the Parties, COP)는 세계 기후변화에 대응하고자 파리협정을 채택하였다. 이 협정에 따라 당사국들은 5년마다 국가 온실가스 감축목표를 포함하는 국가결정기여(Nationally Determined Contribution, NDC)를 제출하고 이행하기로 합의하였다. 이러한 맥락에서 우리나라는 ｢2030 온실가스 감축목표｣을 통해 각 산업별(전환, 산업, 건축, 수송 등)로 구체적인 감축목표를 제시하였으며, 건축 분야에서는 41.9백만톤 CO2eq를 감축하기로 발표하였다. 더 나아가, ‘대통령 직속 2050 탄소중립위원회’발족과 함께 ｢2050 탄소중립 시나리오｣ 계획을 수립하여, 기존 목표 대비 32.8% 감축한 35백만톤 CO2eq으로 감축목표를 상향 조정하였다(The Government of the Republic of Korea, 2021). 이에 건축 부문에서는 정부차원에서 온실가스 감축목표를 실현하고자 신축 건축물을 제로에너지 건축물로 전환하고 노후 건축물의 그린리모델링을 활성화하여 건축물의 에너지 효율을 향상시키는 정책을 추진하고 있다.
2023년 3월, 국토교통부의 보도 자료에 따르면 전국 건축물 수는 약 730만 동으로 집계되었으며, 이 중 76.4%는 사용승인 이후 10년 이상 지난 건축물로 나타났다(MOLIT, 2023a). 또한, 선행 연구의 결과에 따르면, 시간에 따른 구성 요소들의 성능 저하로 건축물의 에너지 소비가 증가되어, 건축물의 노후화로 인해 에너지 성능이 저감되는 것으로 나타났다(Taki and Zakharanka, 2023). 이는 신축 건축물을 제로에너지 건축물로 전환하는 것도 중요하지만, 노후 건축물의 그린리모델링 활성화을 통한 에너지 성능 개선이 ｢2030 온실가스 감축목표｣ 및 ｢2050 탄소중립 시나리오｣ 달성에 중요한 역할임을 의미한다.
이에 따라 그린리모델링의 자발적인 참여를 장려하고 민간으로 범위를 확대하고자, 사용승인 이후 10년 이상 경과한 공공건축물(국공립 어린이집, 보건지소 등)에 대해 그린리모델링 사업을 지원하고 있다. 이러한 그린리모델링 지원 사업의 효과를 파악하고자 ECO2-OD 시뮬레이션을 통하여 에너지 절감 효과를 예측하고 분석하고 있다. 시뮬레이션을 구동하기 위해서는 구조체의 형별성능, 창 및 문과 같은 개구부 요소의 열적성능, 설비의 용량 및 효율 등과 같은 다양한 정보의 입력이 필요하며, 건축물의 에너지 성능 결과의 신뢰성을 높이기 위해서는 필요 인자들의 정확한 값들을 입력하여야 한다. 그러나, 그린리모델링에 있어 창 및 문의 시험성적서 제출이 의무화되어있지 않아, 그 입력값이 법적 기준으로 대체되어 에너지 성능 평가의 정확성을 저해하는 문제로 지적되고 있다. 이에 본 연구에서는 창 및 문에 대한 성적서의 유, 무에 따른 건축물 에너지 소요량 차이를 파악하여, 그린리모델링에 있어 창 및 문과 같은 개구부 요소의 시험성적서 반영 여부가 에너지 성능 평가에 미치는 영향을 분석하고자 한다.
이론적 고찰
개구부 요소의 열적 성능과 건축물 에너지 성능과의 관계
건축물에서 창 및 문과 같은 개구부 요소는 환기 및 조망과 자연채광 등을 통해 재실자에게 쾌적한 공간을 제공하고, 건축물의 심미적 가치 향상에 기여하고 있다. 그러나 창 및 문은 불필요한 열 손실과 열 획득의 원인이 되어 건축물의 냉·난방 부하를 증가시키는 주범이 된다. 일반적으로 건축물 외피에서의 열 손실 및 획득은 지붕 및 벽체나 창호를 통해 발생한다. 건축물 외피를 통한 열 손실 또는 열 획득은 아래의 식 (1)을 통해 개략적인 최대 냉·방 부하 산출할 수 있다(An et al., 2012).
여기서, Q[W]는 순간 최대 냉·난방 부하, U[W/㎡·K]는 건축물 외피의 열관류율, A[㎡]는 건축물 외피의 면적, ∆T[K]는 실내·외 온도 차를 의미한다. 따라서, 에너지 절약 설계에 건축물 외피의 열관류율이 중요한 요소임을 알 수 있다. 또한, Jang et al. (2008)의 연구 결과에 따르면, 건축물 외피 구성요소 중 창호의 종합열전달계수(U-value)가 일반 벽체나 지붕에 비해 약 6~7배 정도 높은 것으로 나타났다. 이는 창호의 열적 성능이 냉·난방 부하에 큰 영향을 미치는 것을 의미하며, 신뢰성 높은 건축물의 에너지 성능 평가 결과를 산출하기 위해서는 창 및 문과 같은 개구부 요소의 열적 성능을 정확하게 파악되어야 함을 의미한다.
그린리모델링 개요 및 에너지 성능평가 한계
국토교통부는 그린리모델링을 활성화하고자 매년 공공건축물의 그린리모델링 공사비를 지원하고 있다. 이 지원 사업의 효과 분석은 공사가 완료된 후에 현장 조사와 설계 도서를 기반으로 온실가스 감축 효과와 경제 활성화 효과를 확인하고 있다. 2020년에 정책이 처음 추진되었으며, 실시된 그린리모델링 대상지의 효과를 분석한 결과로는 기존 대비 27.9%의 에너지 사용량이 절감된 것으로 확인되었다(The Government of the Republic of Korea, 2022). 이는 그린리모델링이 건축 부문에서 온실가스 감축 목표를 달성하는 효율적인 수단임을 입증하는 것으로 이러한 성과를 바탕으로 정부는 지속적인 지원 정책을 추진하고 있다.
그린리모델링 사업에서는 ECO2-OD 시뮬레이션을 활용하여 에너지 성능 평가를 진행하고 있다. 시뮬레이션을 구동하기 위해서는 건축물 외피의 형별 성능내역 및 면적, 설비 용량 및 효율 등의 데이터가 요구된다. 이전 절인 <창호 열적 성능과 건축물 에너지 성능과의 관계>에서 언급한 바와 같이, 신뢰성 높은 성능 평가를 위해서는 정확한 입력 데이터가 필수적이다. 특히, 에너지 성능과 상관관계가 높은 개구부 요소의 열적 성능을 파악하고 시뮬레이션에 입력하는 것이 중요하다. 그러나, 그린리모델링에 있어 창 및 문과 같은 개구부 요소의 시험성적서 제출이 의무화가 되어있지 않아, 에너지 성능 평가 시에 변경된 열적 성능을 입력하지 못하고 ‘건축물의 에너지절약설계기준’에서 제시한 값을 입력하는 문제점이 야기되고 있다.
‘건축물의 에너지절약설계기준’은 효율적인 에너지관리 및 녹색건축물 활성화를 위해 고시되었다. 또한, 해당 기준에는 지역별, 부위별 설계 기준과 창 및 문과 같은 개구부 요소들의 단열 성능을 제시하고 있다. Table 1은 공동주택 이외 중부 1, 2 및 남부 지역의 창 및 문의 열관류율의 설계 기준을 나타내며, 창 및 문과 같은 개구부 요소들의 종류에 따른 단열 성능 범위는 Table 2와 같이 제시하고 있다(MOLIT, 2023b).
Table 1.
Required U-value of building envelopes according to the regions in Korea (revised on Feb. 28, 2023) (Source : Ko et al., 2022)
| Apartment House Others | ||||
| Building Envelope | Region | |||
| Chungbu 1 Region* | Chungbu 2 Region** | Nambu Region*** | ||
|
Adjacent to Outside indirectly | Window | Below 1.3 (W/㎡·K) | Below 1.5 (W/㎡·K) | Below 1.8 (W/㎡·K) |
| Door | Below 1.5 (W/㎡·K) | Below 1.5 (W/㎡·K) | Below 1.8 (W/㎡·K) | |
* Gangwon-do (except Gosung, Sockcho, Yangyang, Gangneung, Donghae, Samcheok), Gyeonggi-do (Yeoncheon, Pocheon, Gapyeong, Namyangju, Yijeongbu, Yangju, Dongducheon, Paju), Chungcheongbuk-do (Jecheon), Gyeongsangbuk-do (Bongwha, Cheongsong)
** Seoul, Daejeon, Sejong, Incheon, Gangwon-do (Gosung, Sockcho, Yangyang, Gangneung, Donghae, Samcheok), Gyeonggi-do (except Yeoncheon, Pocheon, Gapyeong, Namyangju, Yijeongbu, Yangju, Dongducheon, Paju), Chungcheongbuk-do (except Jecheon), Gyeongsangbuk-do (except Bongwha, Cheongsong, Uljin, Yeongdeok, Pohang, Kyeongju, Cheongdo, Kyeongsan), Jeollabuk-do, Gyeongsangnam-do (Geochang, Hamyang)
Table 2.
U-value range by window and door type (revised on Feb. 28, 2023) (Unit : W/㎡K)
건축물의 사용승인을 위해 신축인 경우에는 창 및 문과 같은 개구부 요소들의 시험성적서 및 납품확인서 제출 의무화가 되어있다. 그러나, 그린리모델링에 있어서는 법적으로 명시되어 있지 않아, 공사 후에 시험성적서가 건축물 에너지 성능평가자에게 도달되지 않는 경우가 발생한다. 이러한 상황은 그린리모델링 공사가 완료된 후 에너지 성능 평가를 수행하는 과정에서 창 및 문 등과 같은 개구부 요소들의 열적 성능을 Table 2에 제시된 값을 사용하고 있음을 의미한다. 이는 시뮬레이션에 설계 기준을 입력하여 산정된 건축물의 냉·난방에너지 소요량에 관한 결과의 부정확성이 있다는 것으로 그린리모델링 공사 후 건축물의 에너지 성능 평가 결과의 정확성을 유지하기 위해서는 창 및 문과 같은 개구부 요소들의 시험성적서의 확보가 중요하다는 점을 시사한다. 이에 본 연구에서는 시험성적서 반영 여부가 그린리모델링 후 에너지 성능평가에 미치는 영향을 알아보고자, 실제 그린리모델링을 진행한 건축물을 대상으로 에너지 소요량을 비교 및 분석하였다.
반영 여부에 따른 건축물 에너지 성능 평가 비교
에너지 성능 평가 시뮬레이션 ECO2-OD
2020년 공공건축물 그린리모델링을 통해 5,296 tCO2eq를 감축하였다(MOLIT, 2022). 이러한 성과를 바탕으로, 매년 동일한 양의 온실가스를 감축한다고 가정할 경우, 10년간 약 5만 tCO2eq의 온실가스 배출량이 감축될 것으로 예상된다. 이러한 그린리모델링을 통해 감축된 온실가스 배출량은 ECO2-OD 시뮬레이션으로 산출된 에너지 성능 결과를 기반으로 계산된다. ECO2-OD는 건축물 에너지 성능 평가를 위해 국제 규격 ISO 13790을 준수하는 평가 방법으로 유사정상상태 해석을 통한 월간 분석이 적합하도록 개발되었다(KEA, 2019). 이 시뮬레이션을 구동하기 위해서는 형별성능관계내역, 방위별 외피면적, 설비 정보 등이 요구되며, 이러한 정보들은 설계 도서 및 현장 조사를 통해 실측된 값을 입력하여 건축물의 에너지 요구량, 에너지 소요량, 1차 에너지 소요량을 산정한다(MOLIT, 2022). 또한, 온실가스 배출량은 부하별 에너지원을 파악하고 ECO2-OD로 산출된 에너지 소요량을 이용하여, 다음과 같은 식을 통해 계산하고 있다.
(가스) ① ECO2-OD의 에너지 소요량 결과값 (kWh) → MJ로 단위변환한 값 = A
② {(A × 56,100 × 10-9) CO2} + {(A × 5 × 10-9×21) CH4} + {(A × 0.1 × 10-9 × 310) N2O} = 산출값 tCO2eq
(전기) ① ECO2-OD의 에너지 소요량 결과값 (kWh) → MWh로 단위변환한 값 = B
② {(B × 0.4567) CO2} + {(B × 0.0036×21) CH4} + {(B × 0.0085 × 310) N2O} = 산출값 tCO2eq
위 식은 국토안전관리원(KALIS, 2023)에서 제공한 자료를 바탕으로, 그린리모델링 전과 후의 에너지 소요량 차이를 이용하여 온실가스 감축량을 계산하고 있다(Kim et al., 2023). 에너지 사용, 산업 등에서 많이 배출되는 온실가스는 CO2, CH4, N2O이며, 제시된 식은 건축물에서 사용하는 에너지를 통해 배출되는 양을 이산화탄소 등가량(tCO2eq)으로 환산하여 산출하는 방법을 나타낸다. 이에 본 연구는 개구부 요소들의 시험성적서 반영 여부가 건축물 에너지 성능평가에 미치는 영향을 파악하고자 ECO2-OD와 위 식을 활용하여 에너지 성능과 온실가스 배출량을 분석하였다.
반영 여부에 따른 에너지 성능 평가 비교
본 연구에서는 ‘2021년 공공건축물 그린리모델링 지역거점 플랫폼 사업’의 대상지 중 강원권 15개 대상지를 바탕으로 창 및 문과 같은 개구부 요소들의 시험성적서 반영 여부가 그린리모델링 후 에너지 성능 평가에 미치는 영향을 분석하였다. 대상지들은 강원도 원주시, 횡성군, 홍천군에 위치하고 있는 노유자시설이다. Table 3은 각 대상지별 개요(준공연도, 연면적), 창 및 문 면적의 합과 시험성적서 반영 여부에 따른 개구부 요소들의 평균 열관류율을 나타낸다.
Table 3.
Overview of 15 target sites for comparison and analysis of building energy performance evaluation and list of average heat permeability based on whether the report is reflected or not
또한, 제시한 대상지들의 용도는 A~K는 보건지소 및 진료소, L~O는 어린이집이며, 각 대상지별로 시험성적서 반영 여부에 따른 창 및 문의 평균 열관류율이 약 1~2 W/㎡·K가 차이가 나는 것을 알 수 있다. 이에 시험성적서 반영 여부에 따른 에너지 성능 평가 결과를 파악하기 위해 ECO2-OD를 통해 진행하였으며, 그 결과는 Table 4 및 Figure 1과 같다.
본 연구에서는 창 및 문과 같은 개구부 요소의 시험성적서 반영 여부에 따른 에너지 성능 평가를 비교 분석하였다. 이를 위해 Figure 1을 분석한 결과, 15개 대상지의 시험성적서 반영에 따른 절감률의 편차가 존재하며, 오히려 에너지 성능이 절감되는 대상지가 있음을 확인하였다. 이는 각 대상지 별로 창면적비에 대한 비율이 상이한 점과 향상된 열관류율로 인해 여름철 과도한 일사 유입과 실내 발생열이 실외로 통과하지 못해 냉방 부하가 증가된 것이 주된 요인으로 판단된다. 그러나 편차의 존재와 특정 대상지들의 에너지 성능이 절감됨에도 불구하고, 15개 건축물을 대상으로 시험성적서를 반영하였을 경우가 에너지 요구량 62.7 (kWh/㎡·yr), 에너지 소요량 40.4 (kWh/㎡·yr), 1차 에너지 소요량 64.4 (kWh/㎡·yr), 온실가스 배출량 9,553 (kgCO2eq)이 더 절감되는 것으로 나타났다. 이는 시험성적서가 반영되었을 경우 온실가스 절감 효과가 더 높았음을 의미하며, 개구부 요소들의 시험성적서의 누락으로 인해 그린리모델링을 통한 에너지 성능 평가가 과소평가되고 있었음을 의미한다. 따라서, 그린리모델링에서 에너지 성능 평가의 정확성을 높이기 위해서는 개구부 요소의 시험성적서 반영이 필수적임을 알 수 있다.
Table 4.
Energy performance evaluation table based on the reflection of the test results of windows.
결 론
본 연구에서는 개구부 요소들의 시험성적서 반영 여부가 그린리모델링의 에너지 성능 평가에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 통해 얻은 주요 결과와 권장 사항은 다음과 같다.
(1)현재 창 및 문과 같은 개구부 요소들의 시험성적서 제출이 그린리모델링에서 법적으로 의무화되고 있지 않아 그린리모델링 후 에너지 성능 평가의 정확성이 저하되는 문제가 발생하고 있는 것으로 나타났다.
(2)본 연구에서는 15개 대상지에 대해 시험성적서의 반영 여부가 에너지 성능 평가에 미치는 영향을 ECO2-OD 시뮬레이션을 통해 분석하였다. 그 결과, 시험성적서가 반영되었을 경우가 에너지 요구량, 에너지 소요량, 1차 에너지 소요량, 온실가스 배출량이 더 절감되는 경향을 보였다. 이는 시험성적서를 반영하지 않을 경우, 시뮬레이션에서 개구부 요소들의 열관류율이 높게 입력되어 그린리모델링을 통한 에너지 절감 효과가 과소평가될 수 있음을 의미하였다.
(3)에너지 성능 평가와 그린리모델링을 통한 에너지 절감 효과의 정확성을 위해서는 그린리모델링 과정에서도 창 및 문과 같은 개구부 요소들의 시험성적서 제출을 의무화하는 법적 조치가 필요함을 알 수 있었다.
(4)본 연구에서는 ECO2-OD 시뮬레이션을 이용하여 결과를 산출하였다. 그러나, ECO2-OD는 다양한 변수와 환경적 요인을 고려하는 데 한계가 있어, 그 값이 실제값과 다소 차이가 있을 수 있다. 따라서, 후속 연구에서는 다양한 건축물 에너지 해석 프로그램들을 분석하여, 본 연구의 결과값을 산출하는 데 있어 가장 적합한 프로그램을 도출하거나, AI 기반 예측 모델을 개발하여 연구 결과의 신뢰성을 상향하고자 한다. 이러한 변화는 건축물의 에너지 효율성을 향상시키고 지속 가능한 건축 환경을 조성하는 데 기여할 것으로 예상된다.
