서 론

국토교통부는 2019년 06월 ‘제로에너지건축물 보급 확산 방안’을 발표하고 개별 건축물의 제로에너지화를 넘어 지구단위까지의 확산 계획을 발표한 바 있다(MOLIT, 2019). 현재 제로에너지건축물의 단계적 의무화는 2020년 연면적 1,000 ㎡ 이상의 공공건축물, 2023년 연면적 500 ㎡ 이상의 공공건축물, 2025년 공동주택 30세대 이상, 연면적 1,000 ㎡ 이상의 민간건축물, 2030년 연면적 500 ㎡ 이상의 모든 건축물을 대상으로 확대된다.

국내 제로에너지건축물 인증 기준은 에너지자립률에 따라 5등급(20% 이상 40% 미만)에서 1등급(100% 이상)으로 5개의 등급으로 구분하고 있다(MOLIT, 2020a). 제로에너지 공동주택 관련 선행연구로 이아영은 패시브, 액티브 설계요소의 최적화와 지열, 지붕설치 및 입면(남, 남동, 서) 태양광 발전시스템 적용으로 제로에너지건축물 4등급까지 구현 가능성을 분석하였다(Lee, 2018). 김법전은 박공형 지붕형태를 가지는 공동주택을 대상으로 지붕에 태양광 발전시스템을 적용하였을 때, 20층 이하 규모의 공동주택에서 제로에너지건축물 5등급 달성이 가능한 것으로 분석하였다(Kim et al., 2020). 윤요선은 공동주택 옥상 태양광 모듈을 계단형태로 배치하고 루버일체형 태양광 발전시스템을 적용 시, 저층(10~12층) 형태는 2등급까지 달성가능한 것으로 분석하였다(Yun et al., 2020). 한국에너지공단에서 게시한 ‘제로에너지건축물 인증 기술요소 참고서’ 내 동일한 신재생에너지 공급비율을 기준으로 신재생에너지원별 에너지자립률 민감도는 주거 부문에서 태양광 발전시스템(BAPV) 43.59%, 연료전지 14.64%, 태양광 발전시스템(BIPV) 13.55%, 지열히트펌프 5.24% 순으로 태양광 발전시스템(BAPV)이 가장 우수한 것을 나타내고 있다(KEA, 2021a). 이와 같이 제로에너지건축물 계획 시, 에너지자립률 확보 측면에서 태양광 발전 시스템이 가장 효율적인 신·재생에너지원으로 우선 고려된다. 하지만 건축면적 대비 층수가 높은 공동주택의 경우, 태양광 발전시스템 설치 공간의 한계로 인해 에너지자립률 확보가 불리하다.

선행 연구는 태양광 발전시스템 적용으로 일조 검토를 통해 에너지자립률 확보를 위한 최적의 주동배치를 한 사례는 있으나 인증 등급별 태양광 발전시스템의 적용성 검토는 전무하여 공동주택 설계 시 목표 에너지자립률에 따른 세대 당 적용해야 하는 태양광 발전시스템 용량에 대한 기준 검토가 필요할 것으로 판단된다. 이에 따라 본 연구는 공동주택 2개 단지를 대상으로 옥상 및 입면에 설치가능한 태양광 발전시스템 용량을 검토하여 실현가능한 제로에너지건축물 등급 수준을 분석하였다.

분석 개요

분석 대상 공동주택 단지

분석 대상 공동주택 단지의 조감도는 Figure 1, 개요는 Table 1과 같고, 대상지 내 Ⓐ 블록과 Ⓑ 블록을 대상으로 하였다. Ⓐ 블록과 Ⓑ 블록의 경계는 도로를 중심으로 구분되어 있고, 대상지는 북고남저의 남사면 경사지형이며, 북측과 동측은 산지로 둘러싸여 있다. 공동주택 동간 간격 현황은 Figure 2와 같이 Ⓐ 블록이 35.7 m~78.3 m, Ⓑ 블록이 36.9 m ~62.5 m이다.

Figure 1.

Bird’s-eye view

Figure 2.

Intervals between multi-unit dwelling

건물에너지 해석 프로그램

국내 건축물 에너지효율등급 및 제로에너지건축물 인증 평가에 사용되는 건물에너지해석 프로그램인 ECO2를 활용하였다. ECO2는 국내 66개 지역에 대해 기상특성을 반영하여 건축물에 사용되는 에너지 요소 중 난방, 냉방, 급탕, 조명, 환기 5가지 요소에 대해 결과를 산출한다. EnergyPlus, e-Quest, esp-r 등 다른 동적 건물에너지해석 프로그램과의 차이로는 기상데이터, 내부 발열요소 중 인체, 기기밀도, 내부 발열요소 및 설비시스템의 스케쥴 값 등이 고정되어 있어 제어가 불가능하다.

일조분석 프로그램

공동주택 태양광 발전시스템 설치 시, 가용 가능한 면적을 산정하기 위해 일조분석 프로그램 Sanalyst 4.0을 활용하였다. 해당 프로그램은 건축물 및 기타 구조물의 3차원 모델 정보를 입력하고 분석하고자 하는 위치 정보(위도, 경도, 방위각)와 시간 정보의 입력으로 음영 여부 판단이 가능하다. 분석 기준으로 ｢신재생에너지 설비의 지원 등에 관한 지침｣ 내 태양광설비 시공기준의 총 일조 5시간 이상 만족 구간을 대상으로 하여 춘, 추분 중 일조시간이 가장 불리한 시점인 11월 30일을 기준으로 분석하였다(KEA, 2021b).

공동주택 단지 태양광 발전시스템 적용 검토 결과

공동주택 패시브 및 액티브 기술요소 적용 분석 결과

주거용 건축물인 공동주택은 난방위주의 건물로 난방열손실을 최소화 하기 위한 단열계획이 중요하다. 현재 30세대 이상의 공동주택 건설 시, ‘에너지절약형 친환경주택의 건설기준’ 내 고시되어 있는 구조체 부위별 단열성능, 조명밀도를 충족해야 한다(MOLIT, 2020b). 대상 공동주택 단지는 Table 2와 같이 법적 수준 이상을 적용하였다. 또한 열원 및 환기설비로 Table 3과 같이 지역난방을 통한 난방 및 급탕 계획, 난방 열회수율 79.1% 전열교환기를 적용하여 태양광 모듈 설치 전 기본 모델을 구축하였다.

Ⓐ 블록 및 Ⓑ 블록의 태양광 발전시스템 설치를 포함하지 않은 상태의 에너지 분석 결과는 Table 4와 같다. 1차 에너지소비량 결과는 Ⓐ 블록 106.7 kWh/㎡·yr, Ⓑ 블록 103.2 kWh/㎡·yr로 건축물에너지효율 1⁺ 등급 수준으로 나타났다.

Ⓐ 블록은 Ⓑ 블록에 비해 비교적 고층 형태로 계획되어 있어 지역난방 열교환기가 저층부와 고층부로 분리되어 있다. 따라서, Ⓑ 블록에 비해 Ⓐ 블록의 지역난방 배관길이가 더 길고 순환펌프의 대수가 증가함에 따라 펌프동력도 높아지기 때문에 Ⓐ 블록의 1차 에너지소비량이 비교적 높게 산출된 것으로 판단된다.

일조분석을 통한 태양광 발전시스템 적용 면적 산정

Ⓐ 블록과 Ⓑ 블록의 옥상 태양광 발전시스템 설치가능 면적 산정 결과는 Table 5와 같다. 대상 단지의 옥상면을 기준으로 총 일조 5시간 이상 만족 구간을 검토하였으며, Figure 3과 같이 태양광 모듈을 배치하여 설치가능 면적을 산출하였다. 옥상 태양광 설치 가능면적 비율은 주동 배치에 따라 54~73% 범위로 나타났으며, 평균 65%로 분석되었다.

Figure 3.

Example of roof PV installation area review

Ⓐ 블록과 Ⓑ 블록의 입면 태양광 발전시스템 설치가능 면적 산정 결과는 Figure 4 및 Table 6과 같다. 설치가능 면적 산정 시, 벽체만 적용하는 것으로 하여 건물의 남동/남서측 입면을 기준으로 창호를 제외한 벽체 면적의 비율을 산출하였다. 남동측 입면의 경우 입면 면적의 60%, 남서측 입면은 65%가 벽체 면적으로 나타났다. 또한 공동주택의 경우 창호 크기가 크고, 창호 간의 간격이 협소하여 벽체 면적 전체에 설치하는 것은 불가능하다. 따라서 태양광 모듈 배치를 통해 벽체 면적 중 설치가능 면적 비율을 산출한 결과, 남동측 입면은 벽체 면적의 약 30%, 남서측 입면은 약 40%로 검토되었다.

Figure 4.

Example of facade simulation result

입면의 총 5시간 일조 만족 구간을 앞서 산출한 벽체 면적 비율 및 태양광 모듈 설치가능 면적 비율을 고려하여 실제 설치가능한 태양광 모듈 면적을 산출하였다. 산출 결과, 남동측 입면의 경우 총 입면 면적 중 15%, 남서측 입면은 20%에 태양광 모듈 설치가 가능한 것으로 나타났다. 남서측 입면이 높게 산정된 이유로 측벽 세대가 존재함에 따라 벽체 면적 비율이 더 높기 때문이다.

제로에너지건축물 인증 등급별 태양광 발전시스템 적용 결과

적용된 태양광 모듈의 사양은 Table 7과 같고, 제로에너지건축물 인증 등급 목표별 태양광 발전시스템 적용 시, 옥상 태양광 모듈 수평 설치(설치 각도 5°(유지관리를 위한 최소 각도))를 우선 고려하고, 등급 불만족 시 입면 설치를 추가 검토하였다.

제로에너지건축물 인증 등급별 태양광 발전시스템 적용 분석 결과는 Table 8과 같다. 제로에너지건축물 5등급과 4등급은 Ⓐ 블록과 Ⓑ 블록 모두 태양광 발전시스템을 옥상만 설치해도 달성이 가능한 것으로 나타났다. 제로에너지건축물 5등급을 만족하기 위해 옥상 가용가능한 면적 중 Ⓐ 블록은 46.7%, Ⓑ 블록은 38.4%, 4등급을 만족하기 위해 Ⓐ 블록은 98.0%, Ⓑ 블록은 76.6%만큼 태양광 모듈 설치가 필요하다. 3등급은 옥상 가용가능한 면적 전체 활용과 입면 일부에 태양광 모듈 적용이 필요하다. Ⓐ 블록은 남동측 입면 면적의 가용가능한 면적 전체 활용과 남서측 가용가능한 입면 면적 중 3.5%, Ⓑ 블록은 남동측 입면 면적 중 50.2%만큼 태양광 모듈 설치가 필요한 것으로 나타났다. 2등급은 Ⓑ 블록만 달성 가능한 것으로 분석되었으며, 옥상 및 남동측 입면 중 가용가능한 면적 전체 활용과 남서측 입면 중 76.3%만큼 태양광 모듈 설치가 필요하다. 제로에너지건축물 1등급은 Ⓐ 블록과 Ⓑ 블록 모두 달성이 불가한 것으로 나타났다. 옥상 및 입면의 가용가능한 면적을 최대로 활용하였을 경우, Ⓐ 블록의 에너지자립률은 76.48%, Ⓑ 블록의 에너지자립률은 83.61%로 분석되었다.

제로에너지건축물 등급별 세대 당 태양광 발전시스템 적용 용량을 산정한 결과는 Figure 5와 같고, 제로에너지건축물 5등급 대비 태양광 발전시스템 용량 평균 증가율은 4등급 104.7%, 3등급 231.0%, 2등급 365.7%로 고등급의 제로에너지건축물 등급으로 갈수록 옥상 설치에 비해 효율성이 낮은 입면에 설치하는 태양광 모듈 면적이 증가하여 증가율도 상승하는 것으로 나타났다.

Figure 5.

Results of calculation of PV application capacity per household by zero energy building class

결 론

본 연구는 공동주택 2개 블록을 대상으로 일조 시뮬레이션과 에너지 시뮬레이션을 병행하여 제로에너지건축물 등급별 태양광 발전시스템 적용 용량을 검토하였다.

(1) 해당 공동주택 2개 블록은 동일한 패시브 및 액티브 시스템이 적용되어 있으나 Ⓐ 블록이 Ⓑ 블록에 비해 고층형태이다. 이에 따라 Ⓐ 블록이 저층부/고층부의 지역난방 열교환기 분리로 배관길이 및 펌프동력이 증가하기 때문에 1차 에너지소요량이 높게 산정되었다.

(2) 일조분석 시뮬레이션 프로그램을 활용하여 옥상 및 입면에 적용가능한 태양광 발전시스템 면적을 산정한 결과, 옥상은 주동 배치에 따라 54~73%, 평균 65%만큼 가용 가능한 것으로 분석되었다. 입면은 남동의 경우 총 입면 면적 중 15%, 남서의 경우 20%만큼 가용 가능한 것으로 나타났다.

(3) 제로에너지건축물 인증 등급별 태양광 발전시스템 적용 결과, 해당 공동주택 단지는 층수가 비교적 낮게 구성되어 있어 제로에너지건축물 4등급까지는 옥상 면적만으로 달성이 가능한 것으로 분석되었고, 3등급부터 입면 면적을 필수적으로 적용해야 하는 것으로 나타났다. 최대 달성가능한 등급으로 Ⓐ 블록은 3등급, Ⓑ 블록은 2등급인 것으로 분석되었다.

태양광 발전시스템 적용을 위한 일조 검토는 필수적이며 공동주택 주동 배치 계획 시, 설계 단계부터 일조 검토가 병행되어 고려되어야 한다. 향후 연구로는 다양한 신·재생에너지원을 추가 검토하여 최대 달성가능한 등급을 분석하고자 한다.