Research Article

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. April 2021. 213-223
https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20210018

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 이론적 고찰

  •   제로에너지건축물(ZEB)의 정의 및 인증기준

  •   시뮬레이션 개요

  •   그린리모델링을 통한 제로에너지건축물 본인증 취득 사례분석

  • 그린리모델링 적용 기술요소 분석

  •   대상 건축물의 개요

  •   패시브(Passive) 설계기법

  •   액티브(Active) 설계기법

  •   신·재생에너지(Renewable Energy) 적용기술

  •   단계별 에너지 통합설계 결과

  •   에너지비용 분석 결과

  • 결 론

서 론

한국은 OECD 회원국 중 이산화탄소(CO2) 배출량 증가추세가 1위인 반면, 신·재생에너지 발전 비중은 최하위권을 기록하고 있어 기후변화 대응과 녹색산업 육성이 절실한 상황이다(Hannah and Max, 2020; Enedata, 2020; KEITI, 2020). 주요 OECD 회원국의 1990년부터 2019년까지의 이산화탄소(CO2) 배출량 증가추세를 분석한 결과는 Figure 1과 같으며(Hannah and Max, 2020), Figure 2는 한국의 1990년부터 2019년까지의 전력생산에 있어 신· 재생에너지를 활용한 발전 비율을 나타낸 것이다(Enedata, 2020).

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Figure 1.

Per capita CO2 emissions increasing trend over 1990-2019

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Figure 2.

Electricity production trend over 1990-2019

신축 건축물은 전체 건축물 720만동의 3% 수준이지만, 준공된지 15년이 경과한 노후 건축물은 전체 건축물의 약 75%인 540만동으로(MOLIT, 2020a) 신축 건축물 중심의 설계기준 및 에너지 관련 인증제도를 운영하여 에너지소비량을 절감해도 기존 노후화된 건축물에 대한 에너지성능 개선이 없다면 저탄소화 사회구현은 사실상 불가하다. 따라서 준공된지 15년 이상의 노후화된 건축물에 대한 에너지 성능개선 기준 및 정책마련이 시급하다. 또한 국내 단열기준은 유럽 등의 선진국에 비해 단기간 급격하게 강화되어 노후 건축물과 신축 건축물의 단열성능 및 에너지효율의 격차가 큰 것을 고려하여 노후화로 인해 에너지효율이 저하된 기존 건축물의 에너지 성능개선이 더욱 필요하다(KHARN, 2017). 이에 정부는 노후 건축물의 에너지 성능 개선 및 온실가스 배출 저감을 위해 ‘그린리모델링 지원사업’을 시행하고 있다. 그린리모델링을 통한 기존 건축물의 에너지 성능 개선은 여러 사례를 통해 확인해 볼 수 있으나, 제로에너지건축물 3등급 수준(에너지자립률 60% 이상)의 에너지 성능 개선 사례는 전무하다. 건물 분야의 에너지 소비 절감 및 온실가스 배출량 감소를 통한 온실가스 감축목표를 이행하기 위해 기존 건축물의 그린리모델링을 통한 제로에너지건축화가 필수적으로 동반되어야 한다.

본 연구는 한국판 그린 뉴딜의 10대 대표과제인 그린리모델링을 통한 국내 최초 제로에너지건축물 3등급 본인증을 취득한 건축물을 대상으로 그린리모델링 전·후의 기술 현황 및 에너지 성능을 비교·분석하고, 이에 따른 에너지 절감 효과와 그린리모델링을 통한 제로에너지건축물 발전 가능성을 확인하고자 한다.

이론적 고찰

제로에너지건축물(ZEB)의 정의 및 인증기준

녹색건축물 조성 지원법에 따르면 제로에너지건축물이란 건축물에 필요한 에너지 부하를 최소화하고 신에너지 및 재생에너지를 활용하여 에너지 소요량을 최소화하는 녹색건축물을 말한다(MOLIT, 2020b). 국내 제로에너지건축물 인증제도를 통해 그 기준을 제시하고 있으며 1차 에너지를 기준으로 건축물 에너지효율등급과 에너지자립률을 평가하여 제로에너지건축물을 규정하고 있다(MOTIE, 2019). 제로에너지건축물 인증은 2020년 연면적 1,000 ㎡ 이상의 공공건축물 의무 시행, 2023년 500 ㎡ 이상의 공공건축물을 대상으로 확대 운영될 예정이다. 2025년부터 1,000 ㎡ 이상의 민간건축물과 30세대 이상의 공동주택이 의무화 대상에 포함되며, 2030년부터 500 ㎡ 이상 모든 공공과 민간건축물이 의무화 대상이다.

국내 제로에너지건축물 인증은 건축물의 에너지 성능을 정량적으로 평가하여 에너지자립율에 따라 Table 1과 같이 5개의 등급(1~5등급)으로 구분한다. 제로에너지건축물 인증을 위한 의무사항으로는 건축물 에너지효율 1++등급 이상, 에너지자립률 20% 이상, 건축물 에너지관리 시스템(BEMS) 또는 전자식 원격검침계량기를 설치해야 한다. 에너지자립률은 식 (1)과 같이 건물의 에너지 소비량과 신재생에너지시스템으로부터 생산된 에너지의 비율로 산정한다.

(1)
에너지자립률(%)=1에너지생산량1)(kWh/·)1에너지소비량2)(kWh/·)×100

1) 단위면적당 1차에너지 생산량(kWh/㎡·년) = 대지 내 단위면적당 1차에너지 순 생산량* + (대지 외 단위면적당 1차에너지 순 생산량* × 보정계수)

* 단위면적당 1차에너지 순 생산량(kWh/㎡·년) = [(신재생에너지 생산량 – 신재생에너지 생산에 필요한 에너지소비량) × 해당 1차에너지 환산계수 ] / 평가면적

대지 내 에너지자립률 산정 시 단위면적당 1차 에너지생산량은 대지 내 단위면적당 1차에너지 순 생산량만을 고려한다.

2) 1차에너지 소비량(kWh/㎡·년) = (에너지소비량 × 해당 1차에너지 환산계수) / 평가면적

Table 1.

Certification grade for a zero energy building

ZEB Grade Energy Self-Sufficient Rate
Grade 1 Above 100%
Grade 2 80% ~ 100%
Grade 3 60% ~ 80%
Grade 4 40% ~ 60%
Grade 5 20% ~ 40%

시뮬레이션 개요

본 연구는 대상 건물의 에너지 해석 도구로 ECO2 프로그램을 활용하였다. ECO2는 건축물 에너지효율등급을 평가하는 프로그램으로 ISO 13790과 DIN V18599를 기반으로 개발되어 Monthly Calculation Method를 기본 평가 로직으로 사용한다. 국내 66개 지역에 대한 월별 평균 기상 데이터가 주어지며, 이를 바탕으로 난방, 냉방, 급탕, 조명, 환기 등 5대 에너지원에 대한 연간 단위면적당 1차 에너지 소요량[kWh/㎡·y]을 산출한다(KICT, 2014). Table 2는 패시브·액티브·신·재생에너지 적용요소의 구분에 따라 ECO2 내 고려되는 기술요소이다(KEA, 2021).

Table 2.

Factors considered within ECO2

Passive System
Operation Profile Thermal Storage Capacity Type of Insulation
Floor Area Envelope Area Ceiling Height
U-Value of
Construction and Window
Glass SHGC Performance
/ Shading Devices Installation
Air Leakage Rate
Forced-air System
Inflow Air Volume Regulation system (CAV / VAV) Type of Heat Exchanger Heat Recovery Efficiency
(Heating / Cooling)
Maximum Air Volume of Forced-air System Supply Air Temperature of Forced-air System Power of Supply / Exhaust Fan
Pressure Loss of Supply / Exhaust Fan Efficiency of Supply / Exhaust Fan Supply / Exhaust Air Volume
Heat Source System
Operation Heat Source
(Electric / Gas / District Heat Source)
Efficiency (COP) Supply Water Temperature
/ Return Water Tmperature
Control Method Capacity Power
Heating Supply System
Number of Fans / Blowers Rated Power of Fans / Blowers Rated Power of Pump
Distribution Systems
Piping Length Pipe Insulation Piping Installation Place
Power of Circulation Pump Control Method of Circulation Pump -
Renewable Energy Systems
Photovoltaics Ground Source Heat Pump
Fuel Cell Solar Thermal

그린리모델링을 통한 제로에너지건축물 본인증 취득 사례분석

서울특별시 강남구에 위치한 A건물은 지하 1층, 지상6층의 업무시설이며, 1997년에 준공된 노후 건축물을 리모델링하여 제로에너지건축물 인증을 취득한 사례이다.

기존 건축물은 50 mm 비드법 보온판 단열재와 16 mm 복층유리 창호가 사용된 커튼월 건물로서 현 단열기준의 30%의 정도의 성능을 보유하고 있었다. 그린리모델링을 위해 PF보드(열전도율 0.019 W/m·K)를 활용한 단열 강화, 44 mm 고성능 창호(로이삼중유리, 열관류율 1.302 W/㎡·K) 적용, 창면적 축소 및 차양계획, 기밀성능 강화, 열교차단 패스너와 에어로젤 단열재 적용을 통한 열교의 최소화 등의 패시브 설계기법을 적용하였으며 1차에너지 소요량은 335.6 kWh/㎡·y(기존 건축물)에서 193.8 kWh/㎡·y으로 42.3%만큼 절감하였다.

액티브 설계기법으로는 고효율 냉·난방기기와 폐열회수환기장치 계획, 모션감지 센서를 적용한 LED 조명 설계를 적용하였으며 1차에너지 소요량은 193.8 kWh/㎡·y(패시브 설계기법)에서 143.3 kWh/㎡·y으로 15.0%만큼 추가 절감하였다.

옥탑 수평면에 BAPV 14.4 kWp(400 W, 36장, 단결정), 6층 입면에 BIPV 2.5 kWp(250 W, 10장, 단결정)의 태양광 발전시스템을 적용해 총 16.9 kWp를 설치하였다. 이를 통해 1차에너지소요량의 30.34%를 신재생에너지로 대체하였으며, 1차에너지 소요량은 143.3 kWh/㎡·y(액티브 설계기법)에서 104.1 kWh/㎡·y으로 11.6%만큼 추가 절감하였다.

A건물은 그린리모델링을 통하여 총 68.9%의 1차에너지 소요량 절감과 에너지자립률 30.34%를 확보하였으며, 제로에너지건축물 본인증 5등급과 건축물에너지효율등급 1++등급을 취득하였다(Kim et al., 2020).

그린리모델링 적용 기술요소 분석

대상 건축물의 개요

대상 건축물은 경기도 광명시 철산동에 위치한 지하 1층, 지상 3층 규모의 노유자시설(어린이집)이다. 1999년 준공된 이후 20년 이상이 경과한 시설로써 노후화로 인한 에너지성능 저하 및 건축물 안전, 보육환경에 대한 우려로 인해 그린리모델링을 추진하였으며, 제로에너지건축물 3등급에 준하는 그린리모델링 첫 사례이다. 대상 건축물의 개요는 Table 3과 같다.

Table 3.

Characteristics of the target building

Existing building After green remodeling
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Building site 18, Yeonseoil-ro 17beon-gil, Gwangmyeong-si, Gyeonggi-do
Use of building Child welfare institution
Site area 840.20 ㎡
Building area 233.45 ㎡
Total floor area 577.00 ㎡
Number of Floors 3 stories above ground and 1 stories below ground

대상 건축물은 패시브 설계기법으로 에너지 요구량 최소화, 액티브 설계기법으로 에너지 소요량 최소화를 계획하였으며, 신·재생에너지 적용기술로 에너지자립률을 극대화하는 단계별 에너지통합설계를 적용으로 그린리모델링을 통한 제로에너지인증 취득을 목표로 하였다. Table 4는 그린리모델링을 진행하기 전 기존 건축물에 적용된 요소기술과 그에 따른 에너지 해석 결과이다. 기존 건축물에 적용된 구조체의 열관류율은 1998년 인허가 당시 중부지역의 법적 열관류율을 기준으로 하였다(MOLIT, 1987). 냉·난방기기의 경우 유지관리를 통한 주기적인 교체로 인해 1998년 인허가 당시 사용된 기기에 비해 높은 설비효율을 나타낸다.

Table 4.

Result of the energy simulation and major application factors for existing building

Category Content
Wall U-Value 0.58 W/㎡·K
Roof U-Value 0.41 W/㎡·K
Floor U-Value 0.58 W/㎡·K
Window U-Value 3.37 W/㎡·K
Type of insulation Internal insulation
Heat source equipment Gas Boiler (Efficiency 80%)
Heating & cooling system Electric heat pump 1 : Heating COP 3.185 / Cooling COP 3.428
Electric heat pump 2 : Heating COP 3.143 / Cooling COP 2.918
Electric heat pump 3 : Cooling COP 2.890
Lighting equipment Fluorescent lamp
Primary energy consumption 293.7 kWh/㎡·y

패시브(Passive) 설계기법

본 연구의 대상 건축물은 단열 보강, 고성능 창호 교체, 기밀성능 강화, 열교차단의 패시브 설계기법을 적용하였다. 기존 건축물의 구조체는 비드법 보온판 50 ㎜(벽체, 바닥), 80 ㎜(지붕)를 사용한 내단열로 구성되어 있었으나, 그린리모델링 패시브 기술요소로 기존 구조체 외부에 추가로 PF보드 90 ㎜(벽체), 진공단열재 12 ㎜(바닥), 실내측에 경질 우레탄 2종 2호 140 ㎜(지붕), 진공단열재 20 ㎜(지붕의 보)를 보강하여 단열성능을 향상시켰다. 창호의 경우 일반 단창과 일반 복층유리를 사용하던 기존 창호에서 아르곤(Ar)가스를 충진한 로이복층유리와 로이복층 이중창으로 교체하여 창으로 손실되는 열손실을 저감하고자 하였다. 또한 창호 주변 기밀 테이프 시공 및 기밀성 1등급 창호 적용으로 기밀성능을 향상하였으며, 벽체 부위 열교차단 화스너 적용으로 외부 마감재 부착에 따른 점형 열교를 방지하였다. 패시브 시스템의 주요 적용 기술은 Table 5와 같다. 패시브 설계기법을 통해 기존 건축물 대비 에너지 요구량 51.51% 저감, 1차 에너지 소요량 24.65%만큼 절감하였다.

Table 5.

Major applied passive design technology

Category Content
Exterior wall PF board 90 ㎜ (U-Value 0.211 W/㎡·K)
Exterior floor Vacuum insulation 12 ㎜ (U-Value 0.121 W/㎡·K)
Exterior roof Rigid polyurethane form board 140 ㎜ (U-Value 0.137 W/㎡·K)
Window glass Low-E double-glazed double window (U-Value 0.983 W/㎡·K)
Airtightness Airtightness tape, Confidentiality 1 grade windows
Thermal bridge Thermal break fastener

창호 주변 기밀 테이프 시공 및 기밀성 1등급 창호 적용, 벽체 부위 열교차단 화스너 적용은 ECO2를 활용한 에너지 분석에서 에너지 요구량 및 1차에너지 소요량 절감에 영향을 주는 요소는 아니며, 기밀성능 강화와 열교차단성능 강화를 위해 적용한 패시브 설계기법이다.

액티브(Active) 설계기법

대상 건축물에 적용된 주요 액티브 설계기법은 고효율 열원설비 및 고효율 냉난방 설비 교체, 고효율 전열교환기 설치, 전면 LED 조명기기 적용이다. 기존 건축물에서 난방 및 급탕 열원으로 사용하던 가스보일러를 고효율 콘덴싱 가스보일러로 교체하여 난방기기 효율을 향상하였으며, 기존 히트펌프 중 일부 고효율 히트펌프로 교체하여 COP를 향상하였다. 또한 기존 건축물에는 적용되어 있지 않던 고효율 전열교환기를 적용함으로써 환기 성능을 향상하여 미세먼지 없는 쾌적한 실내공기를 유지하고, 환기 시 배출되는 열에너지를 회수하여 실내에 공급하는 열교환 방식으로 냉난방 에너지를 절감하였다. 조명기기의 경우 형광등에서 전면 고효율 LED 조명기기로 교체하며 조명에너지를 절감하였다. 액티브 시스템의 주요 적용 기술은 Table 6과 같으며, 액티브 설계기법을 통해 패시브 설계기법 적용 이후 24.45%만큼의 1차 에너지 소요량을 추가 절감하였다.

Table 6.

Major applied active design technology

Category Content
Heat source equipment Condensing gas boiler (Efficiency 92% or more)
Heating & cooling system Electric heat pump 1 : Heating COP 3.142 / Cooling COP 3.103
Electric heat pump 2 : Heating COP 4.311 / Cooling COP 4.103
Electric heat pump 3 : Cooling COP 3.333
Heat recovery system Heat recovery system : Cooling 63%, Heating 74%
Light power density LED lighting (5.51 W/㎡)

신·재생에너지(Renewable Energy) 적용기술

대상 건축물은 신재생 에너지원으로 에너지자립률 확보에 유리한 태양광 발전시스템을 적용했다. 적용된 모듈은 2,080 ㎜ × 1,030 ㎜ 크기의 정격출력 420 W의 단결정 모듈이며 19.6%의 발전효율을 가진 모듈이다. 총 18.9 kWp 설치하였으며 태양광 발전시스템에 적용된 모듈의 특성 및 설치조건은 Table 7과 같다. 신·재생에너지 적용기술을 통해 액티브 설계기법 적용 이후 40.58%만큼의 1차 에너지 소요량을 추가 절감하였다.

Table 7.

Applied PV module electrical characteristics and installation conditions

Category Content
Rated power (Pmax) 420 W
Voltage at Pmax (Vmp) 41.08 V
Current at Pmax (Imp) 10.22 A
Short circit current (Isc) 10.74 A
Open circuit voltage (Voc) 48.84 V
Dimension (L × W × D) 2,080 ㎜ × 1,030 ㎜ × 35 ㎜
Module efficiency 19.6%

단계별 에너지 통합설계 결과

대상 건축물은 단열 보강 및 고성능 창호 교체로 인한 단열성능 향상, 창호 주변 기밀 테이프 시공 및 기밀성 1등급 창호 적용을 통한 기밀성능 강화, 벽체 부위 열교차단화스너 적용으로 단열성능 및 열교차단성능 향상의 패시브(Passive) 설계기법을 계획하였고 고효율의 열원 및 냉난방 설비, 전열교환기 적용, 전면 LED 조명기기 적용을 통한 조명밀도 최소화 액티브(Active) 설계기법을 계획하였다. 또한 신·재생에너지 생산기술로 옥상 고정형 태양광 발전시스템을 적용하여 단계별 에너지 통합설계를 완성하였다. 단계별 에너지 통합 설계에 따른 연간 단위면적당 1차 에너지 소요량과 기존 건축물 대비 에너지 절감률은 Figure 3과 같고, 그린리모델링 전 대비 총 89.68%의 에너지 절감효과를 나타냈다.

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Figure 3.

Analysis for the energy consumption through the total energy design strategies

에너지비용 분석 결과

본 건축물에 적용된 에너지원에 따라 요금제 설정으로 도시가스요금은 2021년 3월 1일부로 적용된 경기도 업무난방용 기준 단가를 적용하였으며, 전기요금은 2021년 1월 1일부로 적용된 일반용 전력(갑)Ⅰ 저압전력 요금을 Table 8과 같이 적용하였다. 이 때, 기본요금은 제외하고 산정하였다.

Table 8.

Applied natural gas and electricity unit price

Category Content
Natural gas price 57.88 ₩/kWh
Electricity unit price Summer season (June-August) 100.7 ₩/kWh
Spring and fall season (March-May, September-October) 60.2 ₩/kWh
Winter season (November-February) 87.3 ₩/kWh

에너지비용 산정 결과는 Figure 4와 같고, 기존 건축물의 도시가스요금 3,381,661원/년, 전기요금 3,235,475원/년으로 총 6,617,136원/년으로 분석되었다. 패시브 기술 적용 시 4,751,744원/년, 패시브+액티브 기술 적용 시 3,153,491원/년, 패시브+액티브+신재생에너지 기술 적용 시 935,523원/년으로 기존 대비 총 5,681,613원/년 절감효과를 나타냈다. 패시브 요소 적용만으로 도시가스요금이 전기요금 대비 절감율이 큰 이유는 단열성능 개선으로 인해 난방 1차 에너지소요량이 대폭 감소하였기 때문이다. 액티브 기술을 추가 개선함에 따라 조명 1차 에너지소요량이 대폭 감소하고 전기요금이 도시가스요금 대비 크게 절감되었다. 신·재생에너지 추가 적용 시, 냉방, 조명, 환기에 소비되는 에너지보다 생산량이 더 많아짐으로 전기요금도 동일한 결과를 나타냈다.

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Figure 4.

Energy price calculation results

결 론

본 연구는 ‘공공건축물 그린리모델링’ 사업의 첫 번째 결과물로서 제로에너지건축물 본 인증을 획득한 건축물 중 노유자시설을 대상으로 하였으며, 20년 이상 노후화된 기존 건축물에서 패시브 기술, 액티브 기술, 신·재생에너지 기술을 순차적으로 적용함에 따라 에너지 절감 효과를 분석하였다. 그 결과는 다음과 같다.

(1) 기존 건축물의 에너지성능 분석 결과, 연간 단위면적당 1차 에너지 소요량은 282.9 kWh/㎡·y, 건축물에너지효율 2등급으로 분석되었다.

(2) 패시브(Passive) 설계기법 적용(단열 보강 및 고성능 창호 교체)을 통한 에너지성능 분석 결과, 1차 에너지 소요량은 기존 건축물 대비 24.65%만큼 절감된 221.3 kWh/㎡·y, 건축물에너지효율 1등급으로 분석되었다.

(3) 액티브(Active) 설계기법 적용(고효율의 열원설비 및 냉난방 설비, 전열교환기 적용, LED 조명기기 적용)을 통한 에너지성능 분석 결과, 1차 에너지 소요량은 패시브 설계기법 적용 대비 24.45%만큼 추가 절감하여 기존 건축물 대비 49.1% 절감된 149.5 kWh/㎡·y, 건축물에너지효율 1+등급으로 분석되었다.

(4) 신·재생에너지(Renewable Energy) 적용(태양광 발전시스템)을 통한 에너지성능 분석 결과, 1차 에너지 소요량은 액티브 설계기법 적용 대비 40.58%만큼 추가 절감하여 기존 건축물 대비 89.68% 절감된 30.3 kWh/㎡·y로 건축물에너지효율 1+++등급, 에너지자립률 79.27%를 달성하여 제로에너지건축물 3등급으로 분석되었다.

(5) 기존 건축물 대비 패시브, 액티브, 신재생에너지 기술요소 적용에 따라 연간에너지비용 6,617,136원/년에서 5,681,613원/년 절감되어 935,523원/년으로 분석되었다.

본 연구는 그린리모델링 시행 전·후의 건축물 에너지 성능 변화를 비교·분석함으로써 노후화된 공공건축물의 그린리모델링을 통한 에너지 절감 효과 및 제로에너지건축물 발전 가능성을 확인하였다. ‘공공건축물 그린리모델링’ 사업의 첫 번째 결과물인 본 건축물을 시작으로 앞으로의 성과 및 적극적인 그린리모델링 활성화를 기대해 본다.

추후 연구로 본 대상 건축물의 1년 이상의 실제 에너지 사용량 데이터 수집을 통해 기존 사용량과 개선설계안, 실제 사용량을 비교하여 세부 에너지 용도별(난방, 냉방, 급탕, 조명, 환기)로 개선 효과를 분석하고자 한다.

Acknowledgements

본 연구는 2020년도 국토교통부와 한국에너지공단의 ‘제로에너지건축물 에너지 최적화 컨설팅 용역’의 지원을 받아 수행하였습니다.

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