Research Article

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. 30 December 2021. 636-645
https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20210053

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  •   연구의 배경 및 목적

  •   기존연구 분석

  • 검토단지 설정 및 자립률 달성 시나리오

  •   검토단지 개요 및 분석방법

  •   난방방식 및 에너지 자립률 대응방안

  •   자립률 달성 시나리오

  • 공동주택 특성 별 자립률 차이 및 달성 방안

  •   난방방식에 따른 자립률 달성 차이

  •   주거밀도에 따른 자립률 달성 차이

  • 결 론

서 론

연구의 배경 및 목적

2050년 탄소중립 시대에 대비하여 건물의 물리적 성능을 향상시키고 신재생에너지 적용확대를 유도하는 제로에너지 건축물(이하, ZEB)에 대한 관심이 확대되고 있다. 국가별로 ZEB에 대한 정의는 상이하지만 우리나라는 난방, 냉방, 급탕, 조명, 환기에 필요한 1차 에너지 소요량 대비 신재생 에너지 생산량 비율(이하, 자립률)이 20%를 상회하고 에너지 효율등급 1++이상을 득한 건물을 ZEB로 정의하고 있다. 이와 관련하여 우리 정부는 2020년부터 연면적 1천㎡ 이상 공공건축물을 시작으로 2025년에는 30호 이상의 공동주택을, 2030년에는 연면적 500 ㎡ 이상의 모든 건축물에 대하여 ZEB 인증제 의무화를 예정하고 있다. ZEB는 건물의 물리적 성능 향상과 함께 신재생 에너지 시스템 적용 확대를 통하여 자립률 확보를 유도한다. 많은 기존연구에서 자립률을 달성하기 위한 가능성을 분석하고 있으며, 태양광 발전시스템(이하, PV)의 설치확대 방안 모색, 적용 가능한 신재생 에너지의 다변화를 견인하는 긍정적인 효과로 이어지고 있다. 한편, 주거부문의 약 50% 이상을 차지하는 공동주택의 경우 전술한바와 같이 2025년부터 의무화 대상에 포함된다. 공동주택은 단지 규모, 난방 방식 등 건축, 설비적 차이가 존재하며 ZEB 달성을 위해서도 상이한 조건에 따른 분석이 필요한 이유가 여기에 있다.

이러한 배경을 토대로 본 연구에서는 건축적 측면에서는 공동주택의 주거 밀도를 설비적 측면에서는 난방방식의 차이를 설정하고 이러한 차이가 ZEB 달성에 미치는 영향에 대하여 분석하였다. 구체적으로 공동주택 단지를 건축적 측면에서 1동당 세대수를 고려하여 표준형, 고밀형, 저밀형으로 구분하고, 설비적 측면에서는 지역, 개별 및 중앙난방 방식으로 설정하였다. 이를 바탕으로 건물의 단열성능 강화, 태양광 발전설비 적용, 연료전지 적용 등 총 7단계에 따른 시나리오별 에너지 자립률 달성 수준을 분석하고 자립률 확보 방안을 제시하였다.

기존연구 분석

공동주택을 대상으로 ZEB를 구현하고 보급하기 위한 측면에서 국내·외 기존 연구를 조사한 결과 제로에너지 달성 가능성을 분석한 연구와 에너지 자립률 확보를 위한 기술수준별 소요비용에 관한 연구로 대별할 수 있었다.

우선 전자와 관련해서는 Yoon and Kim (2007) 등이 슈퍼단열재와 같은 고성능 단열재 적용에 따른 난방 부하 및 공조부하 감소에 따른 ZEB 기여정도를 제시하였으며, Lee (2018) 등은 독일과 우리나라의 친환경주택 건설기준을 비교 분석함으로서 공동주택에서 에너지 부하를 저감할 수 있는 열 성능 수준을 단계화하고 패시브 하우스 수준의 기밀 및 단열성능 확보를 위한 방안을 제시한바 있다. 이외에도 Lee et al. (2018)의 연구에서는 기후조건, 열관류율, 창 면적 비율이 냉방 및 난방 에너지 소요량에 미치는 영향수준을 제시하고 건축계획 측면에서 우선적으로 건물의 에너지 부하를 저감시킬 수 있는 능동적 방안을 제시하는 등 다양한 설계기법과 단열방안을 제시하고 있다. 특히 Cheong (2017)은 신재생에너지 적용확대 측면에서 공동주택과 단독주택을 대상으로 태양광 발전 시스템(이하, PV)을 통한 제로에너지 건축물 달성방안을 분석하고 일반적인 공동주택의 경우 PV만으로는 지상 3층 정도의 규모가 한계임을 제시하는 등 추가적인 신재생 에너지 시스템의 도입필요성을 지적한 바 있다.

한편, 후자와 관련해서는 제로에너지 시범단지를 대상으로 제로에너지 건축물 달성을 위하여 필요한 소요비용과 적용기술수준에 대한 상세 분석을 실시하고 대안별 비용대비 효과를 제시하였다. 일례로 Lim et al. (2016), Kim et al. (2018) 등은 ECO2 시뮬레이션을 통하여 서울 공동주택 3개 단지에 대하여 mini-PV, PV, BIPV, STE (Solar Thermal Energy), GES (Geothermal Energy System) 적용을 가정하여 제로에너지 인증 달성가능 여부와 시나리오별 공사비를 분석하였다. Song et al. (2012) 등은 기준모델 건물을 대상으로 기술수준에 따라 대안별 비용효율 분석을 실시함으로서 적용기술에 따른 비용대비 에너지 자립률 달성 기여도를 도출한바 있다.

이상의 기존 연구를 종합해보면 ZEB 인증제에 대응하는 측면에서 현재 건축물의 물리적 성능 향상에는 한계가 존재하는 것을 알 수 있다. 특히 향후 적용해야할 신재생에너지 시스템의 다변화를 유도함과 동시에 다양한 시스템 적용과 함께 경제성을 확보할 수 있는 세부 분석이 요구되는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 연구의 배경에서 서술한 바와 같이 대부분의 기존 연구는 설비와 건축적 차이에 따른 분석은 이루어지지 않았으며, 향후 의무화가 예정된 ZEB 제도에 대응하여 장기적인 측면에서 다양한 공동주택에 대한 검토가 필요함을 시사하고 있다.

검토단지 설정 및 자립률 달성 시나리오

검토단지 개요 및 분석방법

분석에 사용된 단지를 설정하기 위하여 A사에서 발간한 단지 계획집을 토대로 187개 단지에 대한 상세분석을 실시하고, 평균 세대수 816세대, 용적률 167%, 1세대당 평균 거주 면적은 36~60 ㎡ 수준을 표준 공동주택 단지로 설정하였다(Table 1). 이를 바탕으로 모집단의 세대수, 평균 세대면적, 동수, 용적률 등 고려하여 2018년 중부지역 소재 에너지 효율등급 예비인증 1등급을 득한 단지 3개를 표준형, 고밀형, 저밀형 단지로 설정하였다. 아울러 정부에서 ZEB 인증여부를 확인하는 ECO-2 프로그램을 활용하여 신재생 에너지 시스템의 설치와 건물 성능 강화에 따른 에너지 자립률을 산정하였다.

Table 1.

Descriptive Statistics of Analysis Sample

Classification Population Mean
Households (N) 816.5
Floor Area Ratio (%) 167.2
Floor Area (㎡) 36
Major Area Type (㎡) 29, 36, 46, 51, 59

Table 2은 전술한 방법을 통하여 설정한 3개 단지의 상세를 나타내고 있다. 구체적으로 표준형 150세대/동(용적률 147%, 3개동 450세대), 고밀형 217세대/동(용적률 198%, 3개동 652세대), 저밀형 91세대/동(용적률121%, 7개동 640세대)으로 설정하였다. 한편, PV의 설치 면적은 자립률에 직접적으로 연관되기 때문에 본 연구에서는 서울시의 PV 설치 기준 등을 준용하여 Figure 1과 같이 시스템 정비 및 음영발생 면적을 제외한 옥상 면적의 40%를 PV 설치 면적으로 설정하였다.

Table 2.

Basic Information of Analysis Sample

Case Classification House-
holds
Floor Area Ratio (%) Number of Buildings Number of Stories Households per Building Mean Area per Household PV Area
(㎡)
1 Standard
Density
450 147 3 13~20 150 30.42 408
2 High
Density
652 198 3 19~24 217 33.66 591
3 Low
Density
640 121 7 8~13 91 35.35 1,803

1 kW당 소요면적을 6 ㎡로 설정하고, PV를 옥상면에 설치할 경우 표준형 408 ㎡ (68 kW), 고밀형은 591 ㎡ (98.5 kW), 저밀형은 1,803 ㎡ (300 kW)이며, 단지별 1호당 설치용량은 표준형 고밀형이 각각 0.15 kW/호, 저밀형이 2.8 kW/호 로 산정 되었다(Figure 1).

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Figure 1.

Analysis Sample of PV Installation

난방방식 및 에너지 자립률 대응방안

Figure 2는 각 방식의 난방 방식별 특징과 기존 전력계통과의 연계방안 등을 고려한 ZEB 대응 방안을 도식화한 결과이다. 이를 바탕으로 용적률 차이를 통하여 구분한 3개 단지를 대상으로 각 난방 방식을 고려한 총 9개 경우의 수에 대하여 제로에너지 건축물 대응방안을 검토하였다.

(1) 지역난방 단지 설비 구성

지역난방 방식은 우선적으로 PV를 설치하고 부족한 부분에 대해서는 배열회수와 기존 계통 설비와의 연계성을 고려하여 연료전지를 설치하는 방안을 검토하였다. 구체적으로 연료전지로부터의 회수열량은 모두 급탕과 난방에 모두 사용하는 것으로 설정하였으며 PV와 연료전지에서 생산되는 전력은 계통전력과 연계하여 단지 내에서 모두 소비될 수 있도록 시스템을 설정하였다.

(2) 개별난방 단지 설비 구성

개별난방 단지는 각 세대에 설치된 보일러를 이용하여 난방 및 급탕을 공급하는 구조를 갖고 있기 때문에 연료전지의 설치가 어려울 것으로 가정하였고 적용 가능한 시스템은 PV만으로 한정하였다. 다만, PV설치 공간을 옥상면으로 제한 할 경우 최소 에너지 자립률 확보가 불가능할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 1단계에서는 옥상면을, 2단계에서는 외벽을 추가적인 설치공간으로 가정하고 외벽 설치 태양광 패널의 효율 등은 ECO-2의 계산식을 준용하였다.

(3) 중앙난방 단지 설비구성

중앙난방은 개별난방 단지에 PV이외의 신재생 에너지 시스템을 적용하기 위한 대안으로 설정한 단지이다. 해당 방식은 동시 사용율을 고려하여 최대 열부하를 감소시키고 대수 제어를 통하여 개별난방 단지에 비하여 상대적으로 설비용량을 축소시킬 수 있는 방식이다. 시스템 구성은 연료전지를 중앙의 보일러와 연계시키고 회수된 배열은 지역난방과 동일하게 급탕과 난방에 활용하는 것으로 시스템을 구성하였다.

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Figure 2.

The type of connection between building facilities by heating system

자립률 달성 시나리오

Table 3은 ZEB 인증제에 대응하기 위하여 자립률 확보를 위한 단계별 상세를 나타내고 있다. 구체적으로는 2018년 단열기준을 기본으로 설정하고,Level 1에서는 중부2지역을 기준으로 외기 직접면과 창호의 열관류율을 각각 0.17 W/㎡K에서 0.15 W/㎡K로, 0.8 W/㎡K에서 0.9 W/㎡K로 강화하는 것으로 설정하였다. Level 2,3에서는 열교환기의 효율을 난방 75%, 냉방 60%로 설정하였으며, 보일러 효율은 1% 향상된 92%, 조명밀도는 기존 설계수준 8 W/㎡에서 5 W/㎡으로 변경하였다. PV는 후면 통풍형 단결정 수평 태양광 패널을 기본으로 설정하여 분석에 사용하였으며 경사각은 15°각도로 동지의 남중고도 및 음영에 따른 이격 거리를 고려하여 태양광 패널을 배치하였다. 마지막으로 Level 4에서는 배열회수, 운전조건 등을 고려하여 종합효율 80%(발전 35%, 배열회수 45%)의 Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell(고분자 전해질 연료전지)를 대상으로 10/30/50/100 kW (Level 4~7)용량으로 설치하여 에너지 자립률 확보 수준을 분석하였다.

Table 3.

Strategy of Energy Self-Sufficiency Level

Level Details
Base · Design Criteria (2018, Central Region 2)
Level 1: Passive · Design Criteria (2022) : Reinforcing about Insulation (W/㎡K)
(Exterior Wall : 0.17 → 0.15 / Window : 0.9 → 0.8)
Level 2 : Active · High Efficiency Boiler and LED Lighting Application
- Lighting Density : 8 W/㎡ → 5 W/㎡ (LED)
- Boiler Efficiency : 91% → 92%
Level 3 : Photovoltaic · Assuming about PV Application Area (40% of Roof Area)
- Generation Efficiency : 20% (6㎡/kW) / Single Crystalline
- Horizontal Application / Backside Ventilation
Level 4~7 : Fuel Cell · Linkage with Main System to Support about Heating & Domestic Hot Water
· Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell :Total Energy Efficiency 80%
(Elec. 35%, Heat 45%)
Level Capacity (kW) Domestic Hot Water Heat
4 10 L:5 kW / H:5 kW -
5 30 L:10 kW / H:10 kW L:5 kW / H:5 kW
6 50 L:15 kW / H:15 kW L:10 kW / H:10 kW
7 100 L:20 kW / H:20 kW L:30 kW / H:30 kW
※ L:Low floor / H:High floor

공동주택 특성 별 자립률 차이 및 달성 방안

난방방식에 따른 자립률 달성 차이

Table 4는 ECO-2를 이용하여 표준형 지역난방 단지의 단계별 1차 에너지 소요량 및 제로에너지 등급 산출결과를 나타내고 있다. 2018년 단열기준으로 1차 에너지 소요량은 124.7 kWh/㎡로 산출되었으며, 단열성능을 강화하고 고효율 기기를 설치함에 따라 108.7 kWh/㎡까지 소요량이 감소하지만 ZEB 수준을 만족하지는 못하는 것으로 나타났다.

Table 4.

Detailed Energy Demand of Standard District Heating (Primary Energy Consumption)

Level Renewable Heating DHW Lighting Ventilation Total Self Sufficiency ZEB Grade
0 32.7 36.0 40.2 15.8 124.7
1 30 36.0 40.2 15.8 122.0
2 31.8 36.0 25.1 15.8 108.7
3 (-)16.0 31.0 35.5 16.0 10.1 92.7
4 (-)19.4 30.2 50.1 6.0 3.8 90.2 17.69
5 (-)26.0 36.7 62.6 (-)9.1 (-)5.7 84.6 23.54 5
6 (-)31.7 41.6 76.9 (-)23.6 (-)14.9 80.0 28.37 5
7 (-)40.8 60.2 58.1 (-)43.6 (-)27.5 30.5 36.04 5

따라서 추가적으로 PV 68 kW 및 연료전지 30 kW를 설치할 경우 1차 에너지 소요량은 84.6 kWh/㎡로 산출되었으며 ZEB 의무화(5등급:자립률 20%이상 40%미만)에 대응 가능한 것으로 분석되었다. 한편, ZEB 등급을 상향하기 위하여 연료전지의 설치용량을 50 kW, 100 kW로 확대하게 되면 1차 에너지 소요량은 각각 80, 30.5 kWh/㎡로 감소하지만 자립률 자체는 최대 36%까지가 한계임을 알 수 있었다. 이러한 배경에는 연료전지가 가스를 소비하는 열병합 발전시스템의 일종으로 분류되기 때문이며 결과적으로 ZEB 4등급을 득하기 위해서는 100 kW 이상의 연료전지가 필요한 것으로 분석되었다.

Figure 3은 고밀형 단지를 대상으로 난방 방식에 따른 단계별 1차 에너지 소요량 분석 결과이다. 우선 개별난방 단지의 경우 단열성능 강화, 고효율 설비기기 외에 PV를 옥상면에 추가하고 옥상면 설치용량의 2배를 외벽면에(PV-2) 설치할 경우 ZEB 5등급을 달성할 수 있는 것으로 분석되었다. 이때 등급용 1차에너지 소요량은 89.4 kWh/㎡, 자립률 25.6%로 ZEB 4등급 이상을 득하기 위해서는 건물의 성능을 한층 더 강화하거나 태양광발전 시스템의 설치 면적을 추가적으로 확보할 필요가 있음을 시사한다.

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Figure 3.

Energy Self-sufficiency Level & Primary Energy Consumption by Heating System

한편, 중앙난방 단지의 경우 옥상면 PV와 연료전지 30 kW를 설치할 경우 1차에너지 소요량 73.3 kWh/㎡는 만족할 수 있었지만 자립률 17.5%로 최소 자립률 20%를 만족할 수 없었다. 따라서 ZEB 5등급을 위해서는 연료전지를 50 kW, 100 kW로 확대할 필요가 있으며 이때 자립률은 각각 22.7%, 31.4%로 향상되지만 등급 상향까지는 이어지지 않는 것으로 분석되었다. 이상의 분석을 종합하면 동일한 규모의 공동주택에서도 난방 방식에 따라 ZEB 인증 달성 수준의 차이가 현저함을 알 수 있었으며 특히 의무등급 이상을 획득하는 위해서는 난방방식에 따라 달성 방안의 차이가 매우 큰 것을 확인할 수 있었다.

주거밀도에 따른 자립률 달성 차이

Figure 4는 지역난방 단지를 기준으로 표준형, 저밀형, 고밀형 단지에 대한 에너지 자립률 달성 수준을 나타내고 있다. 우선 저밀형의 경우 표준형 대비 용적률은 약 26% 낮고, 태양광 설치 면적은 1400 ㎡ 넓은 이유로 옥상면 PV 만으로도 ZEB 5등급을 달성할 수 있는 것으로 나타났다. 추가적으로 연료전지를 50 kW 설치할 경우 1차 에너지 소요량은 70.5 kWh/㎡, 자립률은 4등급(40%이상 60%미만) 기준인 41.9%까지 상승하는 것으로 분석되었으나, 연료전지 100 kW를 설치 시 자립률은 47.7%로 상승하지만 자립률의 등급 변화로 이어지지는 않는 것으로 나타났다.

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Figure 4.

Energy Self-sufficiency Level & Primary Energy Consumption by Housing Density

고밀형 단지의 경우 표준형 대비 PV 설치면적은 180 ㎡ 이상 확보할 수 있었으나, 50 kW 이상(표준형 단지 30 kW)의 연료전지를 설치하였을 경우 ZEB 5등급을 달성할 수 있는 것으로 분석되었다. 다만, 100 kW 이상을 설치하여도 자립률은 7% 증가한 약 40% 수준으로 표준형 단지와 동일하게 등급 변화까지는 일어나지 않는 것으로 나타났다. 이상의 분석을 종합하면 단지 규모측면에서는 해당 동에 설치할 수 있는 PV 면적차이가 우선적으로 자립률 달성에 영향을 미치는 것으로 나타났지만, 자립률 등급을 높이기 위해서는 연료전지와 같은 추가적이 설비가 반드시 필요하며, 에너지 밀도가 높은 건물일수록 설비 증설에 따른 영향 수준이 크지 않음을 알 수 있었다.

결 론

본 논문에서는 2025년부터 의무화가 시작되는 공동주택의 ZEB 인증 달성을 위하여 건축적, 설비적 측면에서 다양한 접근법의 분석이 필요함을 제시하고 건물의 규모와 난방방식의 차이가 자립률 달성에 미치는 영향에 대하여 분석하였다. 이상의 내용을 정리하면 다음과 같다.

(1)우선, 난방 설비 특성 차이에 따른 분석 결과 표준형 단지 기준 개별난방 단지는 옥상면의 40%에 해당하는 면적과 함께 옥상 설치 용량의 약 2배를 외벽 면에 설치하였을 때 자립률 25.6%를 확보하고 ZEB 5등급을 달성할 수 있는 것으로 분석되었다. 따라서 등급 상향을 위해서는 추가적으로 PV 설치면적을 확보하고 공동주택의 성능을 향상시키는 방안이 요구되는 등 4등급 개별난방 단지로 달성하기에는 상당한 어려움이 존재하는 것으로 나타났으며, 특히 동당 세대수가 높은 초고층 공동주택의 경우 새로운 접근법이 필요함을 시사하고 있다. 한편 지역난방 단지의 경우 옥상 면을 활용한 태양광 발전 시스템 이외에 연료전지 30 kW를 추가하여 급탕과 공용부의 전력에 송전할 경우 23.5%의 자립률을 기대할 수 있었으며, 중앙난방 단지는 연료전지 50 kW를 설치 시 자립률 22.7%로 ZEB 5등급을 만족할 수 있는 것으로 분석되는 등 난방 방식에 따라 자립률 달성 방안의 난이도가 상이함을 알 수 있었다. 따라서 ZEB 의무화가 원활하게 진행될 수 있는 방안 마련을 위해서는 난방 방식별 목표로 하는 ZEB 등급의 차별화가 필요한 것으로 분석되었다.

(2)아울러, 건축적 특징인 동당 세대수의 차이에 따른 분석결과 표준형 단지에 비하여 용적률이 26% 낮고 태양광발전 시스템 설치 면적은 1400 ㎡ 넓은 저밀형 단지는 PV만으로도 ZEB 5등급을 달성할 수 있는 것으로 분석되었으며, 연료전지를 50 kW 설치 시 등급용 자립률은 41.9%까지 상승하여 ZEB 4등급을 기대할 수 있는 것으로 나타났다. 표준형 단지 대비 용적률이 50%높고, 태양광 발전 시스템 설치면적은 180 ㎡ 이상 많은 고밀형 단지의 경우 50 kW의 연료전지를 설치할 경우 ZEB 5등급을 달성할 수 있을 것으로 기대되었다. 다만 표준형 단지와 동일하게 연료전지 설치 용량을 2배 이상 증설하여도 등급 상향까지는 연결되지 않는 등 ZEB 등급 수준을 높이기 위해서는 기존 ZEB 달성 방안보다 강화된 대응책 수립이 필요함을 알 수 있었다.

(3)마지막으로, 분석 내용을 종합해보면 ZEB 5등급을 달성하는 측면에서는 난방 방식 및 용적률의 차이가 큰 영향을 미치지는 않을 것으로 분석되었으나, 향후 등급을 상향시키기 위해서는 난방방식과 용적률에 따라 달성을 위한 대응방안의 차이가 현저하게 발생할 수 있음을 확인하였다. 따라서 현재의 범용적인 접근방법이 아닌 공동주택의 특징에 대응하여 의무화 대상을 세분화하는 것이 ZEB 인증제 의무화에 동력을 부여할 수 있을 것으로 예상된다.

본 논문에서는 ECO-2에 기반하여 난방방식과 세대수에 따른 파편적인 분석을 실시함으로서 논문에서 지적한 다양한 접근법의 대안까지는 제시하지 못한 한계가 있다. 따라서 향후 연구에서는 보다 다양한 공동주택의 형태를 고려하여 ZEB 인증제 의무화에 대응할 수 있는 유연한 방안 등을 연구할 예정이다.

Acknowledgements

이 논문은 국토교통부 / 국토교통과학기술진흥원의 지원으로 수행한 연구결과의 일부임(과제번호: 21HSCT-B157913-02).

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