A Study on Carbon Emission Feasibility Analysis of Photovoltaic System Application for ZEB Conversion of Passive Buildings Based on LCA

Chan-Hyeok Kang; Bo-Kyung Jung; Young-Cheol Kwon

doi:10.22696/jkiaebs.20250030

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Research Article

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. 30 December 2025. 345-357
https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20250030

A Study on Carbon Emission Feasibility Analysis of Photovoltaic System Application for ZEB Conversion of Passive Buildings Based on LCA

LCA 기반 패시브 건축물의 ZEB 전환을 위한 태양광 설비 적용의 탄소배출 타당성 분석에 관한 연구

Chan-Hyeok Kang¹

Bo-Kyung Jung²

Young-Cheol Kwon³^*

강 찬혁¹

정 보경²

권 영철³^*

¹Integrated Master’s and Doctoral Course, Department of Architectural Engineering, Graduate School, Kwangwoon University, Seoul, Korea

²Head, Innovation Group, EnergyX Inc, Goyang, Korea

³Professor, Department of Architecture, Halla University, Wonju, Korea

¹광운대학교 일반대학원 건축공학과 석박통합과정

²에너지엑스㈜ 이노베이션그룹 대표

³한라대학교 건축학과 교수

^{*Corresponding Author}

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ABSTRACT

This study evaluates the carbon-emission feasibility of applying photovoltaic (PV) systems in the process of converting passive buildings into Zero Energy Buildings (ZEB) using a Life Cycle Assessment (LCA) approach. While previous ZEB-related studies have primarily focused on reducing operational energy consumption through the adoption of renewable energy systems, they have often overlooked the embodied carbon emissions generated during the production, transportation, installation, and disposal of such systems. To address this limitation, this study quantitatively compares the life cycle embodied carbon of PV systems with the operational carbon reduction they achieve during use. The embodied carbon emissions were calculated using Environmental Product Declaration (EPD) data and LCA-based emission factors, whereas the operational carbon reduction was estimated by applying regional photovoltaic generation potential and national grid emission factors. The results show that although PV systems generally contribute to enhancing energy self-sufficiency in passive buildings, their net carbon reduction performance varies depending on factors such as installation capacity, regional solar irradiance, and electricity grid intensity. However, in the case examined, the carbon recovery ratio (CRR) exceeded 1, indicating that PV installation achieves a net reduction in life cycle carbon emissions. These findings highlight the necessity of incorporating a carbon-based evaluation framework that considers both embodied and operational emissions when establishing PV application strategies for ZEB implementation.

Keywords

Life Cycle Assessment

Embodied Carbon

Photovoltaics

Passive Building

Zero Energy Building

Carbon Recovery Ratio

키워드

전과정평가

내재 탄소

태양광(PV)

패시브 건축물

제로에너지건축물

탄소회수비율

MAIN

서 론
이론적 고찰
패시브 건축물의 개념과 성능 특성
제로에너지건축물의 개념과 한계
태양광 시스템의 개요 및 내재 탄소배출 계수 선정
태양광 시스템 구성
태양광 시스템의 내재 탄소배출 계수 선정
대상지 개요와 분석 방법 및 결과
파일럿 테스트 건축물 개요
분석 대상의 에너지성능 분석 방법 및 결과
결 론

서 론

전 세계적으로 건축 부문은 전체 온실가스 배출량의 약 37%를 차지하며, 운영 단계에서 발생하는 에너지 기인 탄소배출뿐만 아니라 건축자재의 생산·운송·시공·유지관리·해체 단계까지 포함한 내재탄소가 전체 배출량의 30~50%를 차지하는 것으로 보고된 바 있다(Royal Institution of Chartered Surveyors, 2017; World Green Building Council, 2019; Intergovernmental Panel on Climate Change, 2021). 이러한 배출 특성은 운영단계 에너지 효율 향상만으로는 건축 부문의 탄소중립을 달성할 수 없음을 시사한다.

이에 국제사회는 파리협정 이후 건축물의 전 생애주기 관점에서 환경영향을 평가하는 전과정평가(Life Cycle Assessment, LCA)를 주요 평가체계에 반영하고 있다. 유럽연합은 건축 환경성 평가체계인 Level(s)를 도입하였으며(European Commission, 2021), 건설 분야 환경영향 산정 기준으로 EN 15978을 제정하였다(EN 15978, 2011). 또한 ISO는 환경영향 평가의 표준 체계로 ISO 14040을 제시하며 건물의 전과정 탄소 평가 필요성을 강조하였다(ISO 14040, 2006).

우리나라 역시 2050 탄소중립 시나리오를 발표하고 건축물 에너지 소비 절감을 위해 제로에너지건축물(Zero Energy Building, ZEB) 인증 제도를 확산하고 있으나, 현행 평가체계는 주로 1차 에너지소요량 절감률과 신재생에너지 설비 도입률 중심으로 운영되고 있어 내재탄소는 평가 범위에서 제외되고 있다(MOLIT, 2022). 이로 인해 현재의 ZEB는 실질적인 “전과정 탄소중립”을 달성하지 못하고 있으며, 에너지 성능 중심의 불완전한 탄소평가 체계라는 비판이 제기되고 있다.

특히 태양광 발전(Photovoltaic, PV) 설비는 ZEB 구현을 위한 대표적인 신재생에너지 기술로 활용되고 있으나, 실리콘 정제 및 모듈 제조 과정에서 다량의 에너지가 투입되면서 상당한 내재탄소가 발생하는 것으로 보고되고 있다(Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE, 2019; NREL, 2012). 이러한 특성에도 불구하고 기존 연구는 PV 설비의 경제성 분석 또는 전력 생산 효율 분석에 집중되어 있으며, 전과정 관점에서 탄소 감축 효과를 평가한 연구는 제한적인 실정이다.

따라서 본 연구는 패시브 건축물을 대상으로 ZEB 전환 과정에서 PV 설비 적용의 탄소배출 타당성을 평가하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 LCA 기반 접근을 적용하여 PV 설비의 전과정 탄소배출량과 운영단계 탄소저감량(Operational Carbon Reduction)을 비교하고, Carbon Recovery Ratio (CRR)을 산정함으로써 PV 설비 적용이 실질적인 탄소중립에 기여하는지 검토한다. 본 연구는 운영에너지 중심의 기존 ZEB 평가 방식 한계를 보완하고, 내재탄소를 포함한 탄소 기반의 ZEB 평가체계 수립을 위한 기초 연구로서 의의를 갖는다.

이론적 고찰

패시브 건축물의 개념과 성능 특성

패시브 건축물은 건물의 에너지 소비를 최소화하기 위해 설계 단계에서부터 열손실과 불필요한 환기 손실을 구조적으로 차단하는 고효율 건축 방식이다. 1970년대 석유 파동 이후 건축 부문에서 에너지 위기 대응 전략이 요구되면서 1990년대부터 독일과 스웨덴을 중심으로 패시브 건축 개념이 등장하였으며, 현재는 유럽연합을 비롯한 선진국 에너지 정책에서 ZEB 이전 단계의 고성능 건축 기술로 널리 인정받고 있다(Feist et al., 2005). 패시브 건축은 설비 의존형 에너지 절감 방식과 달리 건물 자체의 물리적 성능을 활용하여 에너지 부하를 근본적으로 감소시키는 것이 핵심이다. 즉 , 설비의 고효율 에너지화보다 에너지 요구량 절감이 우선이라는 원리를 기반으로, 열손실 원인을 최소화하는 5가지 주요 설계 요인이 적용된다. ① 고단열(High Insulation), ② 고기밀(Airtightness), ③ 열교 차단(Thermal Bridge Free Design), ④ 고성능 창호 및 일사획득(Solar Gain Optimization), ⑤ 열회수 환기(Heat Recovery Ventilation, HRV) 시스템이다.

패시브하우스연구소(Passive House Institute, PHI)는 패시브 건축물의 성능을 Table 1과 같이 정량화된 기준으로 정의하고 있다. 난방에너지요구량은 15 kWh/m²·year 이하로 제한되며, 1차 에너지요구량은 120 kWh/m²·year 이하를 초과할 수 없다. 기밀성능은 압력차 50 Pa 기준에서 시간당 0.6회 이하(n₅₀ ≤ 0.6 h⁻¹)로 설계되어야 한다(PHI, 2015).

Table 1.

Performance Criteria of Passive Buildings (PHI, 2015)

Category	Performance Requirement	Description
Heating energy demand	≤ 15 kWh/m²·year	Annual space heating demand
Primary energy demand	≤ 120 kWh/m²·year	Total primary energy use
Airtightness (n₅₀)	≤ 0.6 ACH at 50 Pa	Air changes per hour under pressurization
Thermal bridge	Minimized (≤ 0.01 W/m·K)	Linear and point thermal bridge control

Figure 1은 패시브 건축의 핵심 설계 개념을 나타낸다. 패시브 건축물은 건물 전체 외피에 연속적인 기밀층(Continuous Airtight Layer)을 형성하여 공기 누설을 최소화하고, 고성능 단열 및 열교 차단 설계를 적용하여 열손실을 억제한다. 더불어 남향 위주의 개구부 계획과 일사 차단/획득 조절을 위한 외부 차양(Shading Device) 을 통해 계절별 태양에너지 활용을 최적화하며, 열회수형 환기장치(Heat Recovery Ventilation, HRV) 를 통해 환기 과정에서 손실되는 열에너지를 재활용한다(Kwon, 2023).

최근 국내에서도 패시브 건축은 건물 에너지 소비 저감을 위한 효과적인 전략으로 활용되고 있으며, 국토교통부는 2017년「녹색건축물 조성 지원법」을 개정하여 패시브 건축 요소를 건물 에너지성능 평가체계에 반영하기 시작하였다. 그러나 기존 연구와 정책은 주로 운영에너지 절감 효과에 집중하고 있으며(Li et al., 2022), 패시브 건축물의 외피 강화 및 자재 사용 증가가 내재탄소를 증가시킬 수 있다는 문제는 충분히 논의되지 않았다. 이러한 관점에서 패시브 건축이 저탄소 건축 전략으로서 실제로 타당한가에 대한 검토가 필요하며, 이는 전과정평가를 통해 분석해야 한다는 요구로 이어진다. 이와 같은 한계는 패시브 건축의 한계를 보완하고 건축물의 탄소중립을 실현하기 위해 ZEB 개념과의 연계 분석을 필요하게 한다.

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Figure 1.

Passive House Building Concept : Airtight envelope, high-performance insulation, minimized thermal bridges, and heat recovery ventilation system to reduce heating/cooling energy demand (Kwon, 2023).

제로에너지건축물의 개념과 한계

ZEB은 건축물에서 소비되는 에너지와 재생에너지 생산량이 연간 기준으로 상쇄되도록 설계된 건축 개념으로, 운영단계 에너지 소비를 최소화하고 에너지 자립을 달성하는 것을 목표로 한다(IEA, 2018). ZEB는 에너지 효율 향상 및 온실가스 감축을 위한 국제 정책 기조와 맞물려 확산되고 있으며, 국가별로 다양한 정의와 평가체계를 통해 제도화되고 있다. 유럽연합(EU)은 2010년 건물 에너지 성능지침(EPBD)을 통해 Nearly Zero Energy Building (NZEB) 개념을 도입하여 2021년 이후 공공 및 민간 건축물까지 확대 적용하였으며(European Commission, 2021), 미국은 에너지부(U.S. DOE)의 Zero Energy Ready Home (ZERH) 프로그램을 통해 고효율 건축물 확산을 추진하고 있다(U.S. DOE, 2020). 일본 또한 2019년 ZEB 로드맵을 발표하여 단계적 보급 전략을 시행 중이며(METI, 2019), 독일은 DGNB 인증을 통해 운영단계뿐만 아니라 자재·시공 단계의 환경영향을 평가하는 지속가능 건축 평가체계를 운용하고 있다(DGNB, 2020).

Table 2에서 나타나듯 대부분의 국가에서는 ZEB를 운영단계 에너지 성능 중심으로 평가하고 있으며, 내재탄소는 독일 DGNB 시스템을 제외하면 평가 범위에 포함되지 않는다. 즉, 현행 ZEB 제도는 에너지 자립 개념에는 부합하나, 전과정 환경영향을 충분히 반영하지 못한다는 한계를 가진다. 우리나라에서는 2017년 「ZEB 인증제」가 도입되었으며, 2020년 이후 공공건축물을 시작으로 단계적 의무화가 진행되고 있다(MOLIT, 2022). 국내 ZEB 인증은 건축물의 1차 에너지소요량 절감률과 신재생에너지 적용 비율을 기준으로 평가하며, 에너지자립률은 아래 식 (1)과 같이 산정된다.

(1)

에너지 자립률 (%) = \frac{연간 1 차에너지 생산량 (k W h / m^{2} \cdot year)}{연간 1 차에너지 소요량 (k W h / m^{2} \cdot year)} \times 100

Table 2.

Comparison of ZEB Evaluation Frameworks by Country (METI, 2019; DGNB, 2020; U. S. DOE, 2020; European Commission, 2021; MOLIT, 2022)

Country/ Region	ZEB Framework	Evaluation Focus	Consideration of Embodied Carbon
South Korea	ZEB Certification (MOLIT)	Primary energy reduction & energy self-sufficiency	Not considered
European union	Level(s)	Energy + CO₂ indicator	Partially considered
United States	DOE ZERH Program	Energy efficiency + building envelope	Not considered
Japan	ZEB Roadmap	Primary energy reduction	Not considered
Germany	DGNB System	Sustainability + LCA	Considered

국내 ZEB 인증은 Table 3과 같이 에너지자립률 중심으로 등급이 구분되며, 자립률은 ① 패시브 요소(단열·기밀·차양 등) 및 액티브 요소(고효율 설비시스템)를 통한 에너지 수요 감소와 함께 ② 재생에너지 설비 적용을 통한 에너지 생산 확대 방식으로 달성된다. 그러나 실제 설계 및 인증 과정에서는 에너지 생산량 확대가 자립률 상승에 더 유리하게 작용하면서, PV 설비 설치가 가장 우선적으로 적용되는 경향을 보인다. PV 설비는 운영단계에서 전력 생산을 통해 에너지 절감 효과를 제공하지만, 실리콘 정제·모듈 생산·유통·시공·폐기 과정에서 상당한 내재탄소를 배출한다. 그럼에도 불구하고 현재 국내 ZEB 인증은 운영단계 에너지 성능만 평가할 뿐 재생에너지 설비 적용에 따른 전과정 환경영향은 고려하지 않는다는 한계를 가진다(Jung et al., 2025). 따라서 ZEB 설계가 반드시 환경적 타당성을 확보한다고 단정하기 어렵다는 비판이 제기되고 있으며, ZEB 체계에 전과정평가 관점 도입의 필요성이 대두되고 있다. 특히 국내는 ZEB 의무화 정책에 따라 패시브 건축물의 ZEB 전환 과정에서 PV 설치가 급격히 증가하고 있으므로, PV 설치가 전생애주기 관점에서 타당한지에 대한 검토가 요구된다. 이에 본 연구는 패시브 건축물의 ZEB 전환 시 적용되는 PV 설비의 탄소배출 타당성을 분석 대상으로 설정하여 이를 전과정평가 방법론을 통해 정량적으로 분석하고자 한다.

Table 3.

Zero Energy Building (ZEB) Certification Grades in Korea (MOLIT, 2022)

Grade	Energy Self-Sufficiency Rate (%)
ZEB +	≥ 120
ZEB Grade 1	≥ 100
ZEB Grade 2	≥ 80
ZEB Grade 3	≥ 60
ZEB Grade 4	≥ 40
ZEB Grade 5	≥ 20

태양광 시스템의 개요 및 내재 탄소배출 계수 선정

태양광 시스템 구성

PV 시스템은 태양광을 바로 전기로 변환하는 기술로, 건물 부문에서 적용성이 높고 경제성이 확보된 대표적인 재생에너지 설비이다(IEA PVPS, 2020). 설치 방식에 따라 건물부착형과 건물일체형으로 구분되며, 국내 ZEB 인증에서도 재생에너지 생산 항목을 충족하기 위해 가장 일반적으로 적용되고 있다(MOLIT, 2022). 국제 건축 환경평가 동향은 기존의 운영단계 중심 평가에서 건설 전 과정에서 발생하는 내재탄소를 포함한 전과정 환경영향 평가로 확장되고 있다(ISO 14040, 2006; Royal Institution of Chartered Surveyors [RICS], 2017). 선행연구에 따르면 건물의 운영에너지 효율을 향상시키기 위해 추가되는 자재와 설비가 증가하면서 총 전과정 탄소배출량에서 내재탄소의 상대적 비중이 증가하는 경향이 나타난다(Fernandez, 2016). 그럼에도 국내 ZEB 인증제도는 에너지자립률 중심 평가체계를 유지하고 있으며, 재생에너지 설비 적용 시 발생하는 내재탄소는 평가 범위에서 제외되고 있다(MOLIT, 2022). 또한 국내에서는 건물의 에너지 수요 자체를 줄이는 패시브 설계보다 PV 설비 용량 확대를 통해 ZEB 등급을 확보하는 경향이 강하게 나타난다. 그러나 PV 모듈은 실리콘 정제 및 잉곳·웨이퍼 제조 과정에서 고온 공정과 다량의 전력을 필요로 하는 대표적인 에너지 집약적 제품이며, 이에 따라 상당한 내재탄소 배출을 수반한다(IEA PVPS, 2020). 만약 PV 설비 운영단계에서의 탄소저감량보다 제조·운송·설치 과정에서 발생하는 내재탄소 배출량이 더 클 경우, 해당 설비는 실질적인 탄소중립 달성에 기여하지 못하며 운영단계만 “제로”인 불완전한 평가 결과를 초래할 수 있다.

태양광 시스템의 내재 탄소배출 계수 선정

PV 설비는 운영단계에서 탄소배출을 줄이는 역할을 하지만, 실리콘 정제 및 모듈 생산 과정에서 고온 열처리 공정과 전력 집약적 제조가 수반되기 때문에 상당한 양의 내재탄소가 발생한다는 점이 다수의 연구에서 보고되고 있다(Fthenakis et al., 2012; IEA PVPS, 2020). PV 설비의 내재 탄소배출량을 산정하기 위해 국내외 문헌 및 환경성적표지(Environmental Product Declaration, EPD) 데이터를 검토하였다. PV 모듈은 제조 과정에서 고에너지 공정을 필요로 하기 때문에 국가별 전력계수 및 제조공정 차이가 내재 탄소배출량에 큰 영향을 미친다. 주요 선행연구 및 기관 보고서를 바탕으로 1 kWp 기준 PV 시스템의 전과정 온실가스 배출량을 비교한 결과는 Table 4와 같다.

Table 4.

Derivation of Embodied Carbon Coefficient for Photovoltaic (PV) Modules Based on Domestic and International Evidence

Reference	Region	PV Type	ECC (kgCO₂eq/kWp)
Fthenakis et al. (2012)	EU Avg.	Poly - Si	1,100
NREL (2012)	USA	Mono - Si	820
IEA PVPS (2020)	Global	Mono - Si	980
EPD Italy (2023)	EU	Mono - Si	750
K-EPD Average	Korea	Mono - Si	1,270

Table 4는 본 연구에서 사용한 PV 모듈 내재탄소 배출계수는 ISO 14044 기반 LCI DB를 활용하였다. 시스템 경계는 Cradle-to-Gate (A1–A3) 로 설정하고 있으며, 이는 원재료 채굴(A1), 운송(A2), 제조(A3) 단계를 포함한다. PV 시스템의 내재 탄소배출 계수는 지역 및 모듈 종류에 따라 약 750~1,270 kgCO₂eq/kWp 범위를 보인다. 특히 한국에서 제조되는 PV 모듈의 경우 내재 탄소계수(kgCO₂eq/kWp)가 상대적으로 높기 때문에 유럽이나 미국에서 제조된 모듈보다 높은 내재탄소를 가지는 경향을 보인다. 또한 모듈 종류별로는 단결정 실리콘이 다결정에 비해 효율은 높으나 제조 과정의 에너지 투입량 증가로 인해 내재탄소가 더 높게 산출되는 경향이 보고되고 있다(Sherwani et al., 2010; Nugent and Sovacool, 2014).

국내에서 생산·유통되는 PV 모듈의 내재탄소 계수는 환경부 저탄소제품 인증제도에 공개된 국내 주요 제조사의 EPD 데이터를 기반으로 산정하였다. 국내 대표 제조사의 단결정 실리콘 모듈에 대한 전과정평가 결과를 비교한 선행 분석에 따르면, 국내 제조 PV 모듈의 전과정 온실가스 배출계수는 1,210–1,320 kgCO₂eq/kWp 범위에 분포한다(KEITI, 2023). 따라서 본 연구는 국내 PV 적용 현실과 분석대상의 기술적 일치성을 고려하여 그의 평균값인 1,270 kgCO₂eq/kWp을 최종 내재 탄소배출 계수로 선정하였다.

대상지 개요와 분석 방법 및 결과

파일럿 테스트 건축물 개요

본 연구에서는 패시브 건축물의 ZEB 전환 시 PV 설비 적용의 탄소배출 타당성을 검증하기 위해 강원도 원주시에 위치한 단독주택형 건축물을 파일럿 테스트 대상으로 선정하였다. 연구 대상지는 중부1지역 기후권에 해당하며, 외기 온도 변동 폭이 크고 난방부하가 지배적인 내륙형 기후 특성을 가지는 지역이다. 이러한 기후적 특성은 패시브 건축 설계 전략(고단열·고기밀 외피 및 열교 차단 등)의 적용 필요성을 높이며, ZEB 설계 시 PV 설비 의존도가 상대적으로 커질 가능성이 있어 분석 대상으로서의 적합성을 가진다. 사례 건축물은 3개로 지상 2층 규모의 연면적 120 m², 150 m², 200 m² 주거용 건축물로 설정하였으며, 주택 규모는 국내 패시브하우스 인증 사례에서 가장 빈번하게 적용되는 규모 범위(120–200 m²)에 근거하여 결정하였다(PHI, 2022). 주요 개요는 Table 5와 같다.

Table 5.

Overview of the Case Study Buildings - (120 m², 150 m², 200 m²)

Category	Description
Building Type	Single-family residential house
Gross Floor Area	120 m², 150 m², 200 m²
Number of Floors	2 stories above ground
Structural System	Lightweight steel frame or timber structure
Envelope Performance	Satisfying Passive House standard
Location	Wonju, Gangwon-do, South Korea
Embodied Carbon Coefficient of PV	1,270 kgCO₂eq/kWp
Annual Solar Yield	1,300 kWh/kWp·yr
Grid Coefficient	0.459 kgCO₂/kWh
Service Life (T)	20 years

원주 지역은 기상청의 연간 일사량 통계에서 중부 내륙 평균 수준의 PV 발전 효율을 보이는 지역으로 분류되며, ZEB 시범사업이 다수 진행된 연구 기반 지역이라는 점에서 분석 신뢰성을 갖는다(MOLIT, 2022). 또한 본 연구에서 설정한 대상 건축물은 패시브 설계 기반의 표준 단독주택 모델로서, 외피 성능 향상을 통해 난방 부하를 최소화한 상태에서 PV 설비를 추가 적용함으로써 ZEB 등급을 달성하는 전형적인 한국형 패시브-제로 에너지 주택 구조를 반영한다.

분석 대상의 에너지성능 분석 방법 및 결과

대상지의 연간 1차에너지 요구량 $(E_{P r i m a r y}) = A_{f l o o r} \times e_{l i m i t} (k w h / y e a r)$ 은 Table 1에서 제시한 패시브하우스협회의 1차에너지 요구량 기준인 120 kWh/m²·year $(e_{l i m i t})$ 와 연면적 $(A_{f l o o r})$ 을 활용하여 다음 식 (2)와 같이 계산된다(PHI, 2015).

(2)

E_{P r i m a r y} = A_{f l o o r} \times e_{l i m i t} (k w h / y e a r)

ZEB 에너지자립률은 식 (3)와 같이 연간 1차에너지 생산량 $(E_{P V, r e q u i r e d})$ 과 소요량 $(E_{p r i m a r y})$ 의 비율로 정의된다(MOLIT, 2022).

(3)

E n e r g y S e l f S u f f i c i e n c y R a t e (E S S R) = \frac{E_{P V, r e q u i r e d}}{E_{p r i m a r y}} \times 100 (%)

Table 3와 같은 에너지 자립률를 충족하기 위해 PV 설비로 공급해야 하는 연간 1차에너지는 식 (3)을 변형하여 식 (4)와 같이 계산된다.

(4)

E_{P V, r e q u i r e d} = \frac{E S S R \times E_{p r i m a r y}}{100} (k W h / y e a r)

연간 PV 발전량은 설치용량, 지역 연간 일사량, 시스템 성능비(Performance Ratio, PR)에 의해 결정되며, 식 (5)와 같이 산정된다(IEA PVPS, 2020).

(5)

E_{P V, r e q u i r e d} = P_{P V} \times H \times P R (k W h / y e a r)

중부 1지역(원주) 기준 연간 평균 일사량 $H$ 은 1,300 kWh/kWp·year 수준이며, $P R$ 은 일반적인 건물용 PV 시스템 성능을 고려하여 0.75를 적용하였다(Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE, 2023). 이를 통해 각 등급별 에너지자립률를 만족하기 위한 연간 PV 발전을 위해 필요한 PV 설치용량 $(P_{P V})$ 은 다음 식 (6)과 같이 산정된다.

(6)

P_{P V} = \frac{E_{P V, required}}{H \times P R} (k W p)

Table 6은 대상 건축물의 바닥면적(120 ㎡, 150 ㎡, 200 ㎡)에 따라 산출된 연간 1차 에너지 요구량과 에너지 자립률에 따른 PV 시스템의 필요 발전량 및 설비용량을 나타낸다. PV 시스템의 초기 내재탄소 배출량은 국내 PV 모듈 제조 환경을 반영하기 위해 K-EPD에 제시된 단결정 실리콘 모듈의 평균 전과정 온실가스 배출계수인 1,270 kgCO₂eq/kWp를 적용하였다. 반면, PV 발전을 통해 운영 단계에서 감축되는 운영단계 탄소저감량은 연간 발전량에 한국 전력계수 0.459 kgCO₂eq/kWh를 적용하여 산정하였다. 해당 전력계수는 환경부 온실가스 종합정보센터(National Greenhouse Gas Inventory, 2022)의 국가 배출계수를 인용한 것이다.

Table 6.

Required PV System Capacity According to Energy Self-Sufficiency Rate (ZEB Grades) for Case Study Buildings (120/150/200 ㎡)

$A_{f l o o r}$ (m²)	$E_{P r i m a r y}$ (kWh/year)	Energy Self Sufficiency Rate	$E_{P V, required}$ (kWh/year)	$P_{P V}$ (kWp)
120	14,400	120% (ZEB +)	17,280	17.72
		100% (ZEB Grade 1)	14,400	14.76
		80% (ZEB Grade 2)	11,520	11.81
		60% (ZEB Grade 3)	8,640	8.86
		40% (ZEB Grade 4)	5,760	5.91
		20% (ZEB Grade 5)	2,880	2.95
150	18,000	120% (ZEB +)	21,600	22.15
		100% (ZEB Grade 1)	18,000	18.46
		80% (ZEB Grade 2)	14,400	14.76
		60% (ZEB Grade 3)	10,800	11.07
		40% (ZEB Grade 4)	7,200	7.38
		20% (ZEB Grade 5)	3,600	3.69
200	24,000	120% (ZEB +)	28,800	29,53
		100% (ZEB Grade 1)	24,000	24,61
		80% (ZEB Grade 2)	19,200	19.69
		60% (ZEB Grade 3)	14,400	14.76
		40% (ZEB Grade 4)	9,600	9.84
		20% (ZEB Grade 5)	4,800	4.92

본 연구는 PV 설치로 인해 발생하는 초기 내재탄소 배출량과 시스템 운영 중 탄소저감량을 비교하여 PV 적용의 환경적 타당성을 평가하였다. 특히 초기 내재탄소가 운영 단계의 감축량보다 클 경우, PV 설치가 오히려 전체 생애주기 탄소배출을 증가시킬 수 있다는 점에 주목하였다. 즉, 단순히 에너지 자립률을 충족하는 것을 넘어, 탄소 균형관점에서 ZEB을 평가할 필요성이 제시된다. 이를 위해 PV 시스템의 탄소 성능은 탄소 회수 비율을 활용하여 평가하였다. CRR은 PV 시스템이 수명 동안 상쇄하는 총 탄소저감량이 설치 시 발생한 내재탄소 배출량을 얼마나 능가하는지를 나타내며, 식 (7)과 같이 정의된다. CRR은 1 이상일 경우 PV 설비가 생애주기 동안 초기 내재탄소를 상쇄하고 순수한 탄소저감 효과를 갖는다는 것을 의미하며, 반대로 1 미만일 경우 내재탄소 배출이 운영단계 감축량보다 커서 환경적 타당성이 부족함을 의미한다(Fthenakis et al., 2012).

(7)

C R R = \frac{O C_{P V} \times T}{E C_{P V}} = \frac{E_{P V, required} \times 0.459 \times T}{P_{P V} \times 1, 270} = \frac{0.459 \times T \times H \times P R}{1, 270} = \frac{0.459 \times 20 \times 1300 \times 0.75}{1, 270} = 7.05

여기서, $O C_{P V}$ 는 PV 운영단계에서 감축되는 연간 탄소 저감량(kgCO₂eq/year), $E C_{P V}$ 는 PV 설비 설치에 따른 총 내재 탄소 배출량(kgCO₂eq)을 나타낸다. 또한, $T$ 는 PV 시스템의 기대수명으로 20년으로 설정하였다. 분석 결과, PV 시스템의 CRR은 약 7.05로 산출되었으며, 이는 PV 설치를 통해 운영 단계에서 상쇄되는 탄소량이 초기 제조·설치 과정에서 발생한 내재탄소 배출량의 약 7배에 달함을 의미한다. CRR 값은 건물 규모나 에너지 자립률에 관계없이 일정하게 유지되는데, 이는 PV 시스템의 환경 성능이 일사량(H), 성능비율(PR), 전력계수, 내재 탄소계수(ECC) 등 설비 자체의 고유 특성에 의해 결정되기 때문이다. 이러한 결과는 본 연구에서 적용한 PV 설비가 초기 제조·설치 단계에서 발생한 내재탄소 배출량 대비 약 7.05배의 탄소저감 효과를 생애주기 동안 달성함을 의미한다. 따라서 에너지자립률 중심의 기존 ZEB 평가방식과 달리 전과정 탄소배출 기반 평가 관점에서도 PV 적용은 환경적으로 타당한 설비임을 확인할 수 있다.

결 론

본 연구는 LCA를 기반으로 패시브 건축물의 ZEB 전환 시 PV 설비 적용의 탄소배출 타당성을 분석하였다. 기존 ZEB 인증이 에너지자립률 중심으로 평가되어 PV 설비 확대를 유도하지만, 제조·운송·설치 과정에서 발생하는 내재탄소를 고려하지 않는다는 한계를 보완하고자, PV 설비의 내재탄소 배출량과 운영단계 탄소저감량을 비교하고 CRR을 산정하였다. 주요 결과는 다음과 같다.

(1)문헌 검토 결과, 국내외 ZEB 인증은 운영단계 중심이며 내재탄소 고려가 미흡함을 확인하였다. 특히 국내 ZEB 인증은 에너지자립률 중심 평가체계로, PV 설비 확대에 따른 초기 내재탄소 배출을 충분히 반영하지 못하는 한계를 가진다.

(2)연면적 및 ZEB 등급별 PV 설비 필요용량은 크게 차이가 나타났다. 확장 분석 결과, PV 설치용량은 120 ㎡ → 2.95~17.72 kWp, 150 ㎡ → 3.69~22.15 kWp, 200 ㎡ → 4.92~29.53 kWp 로 산정되었으며, 이는 연면적과 자립률이 변화하면 요구 설비 규모가 선형적으로 증가함을 보여준다.

(3)CRR은 모든 시나리오에서 약 7.05로 확인되었으며, PV 설비의 환경적 타당성이 검증되었다. CRR > 1 기준을 모두 만족하였고, PV 설비는 생애주기 동안 초기 내재탄소보다 약 7배 이상의 탄소를 상쇄하였다. 또한, CRR이 면적 또는 자립률 변화와 관계없이 일정하게 나타난 것은 PV 탄소 성능이 일사량, PR, 전력계수, 내재탄소계수 등 설비의 고유 특성에 의해 결정되기 때문임을 의미한다.

(4)향후 연구에서는 실증대상 확대 및 PV 기술 유형별 LCA 비교가 요구된다. 본 연구는 단일 패시브 건축물과 단결정 실리콘 모듈을 대상으로 분석하였으므로, BIPV 적용 사례, ESS 연계 ZEB 설계, 지역별 기후 영향 분석, PV 제조국별 탄소배출 차이를 반영한 확장 연구가 수행되어야 한다.

Acknowledgements

본 연구는 2025년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No. RS-2023-00217322).

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Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems ISSN:1976-6483(Print) 2586-0666(Online) 한국건축친환경설비학회논문집

Preview

A Study on Carbon Emission Feasibility Analysis of Photovoltaic System Application for ZEB Conversion of Passive Buildings Based on LCA

ABSTRACT

MAIN

Table 1.

Performance Criteria of Passive Buildings (PHI, 2015)

Figure 1.

Passive House Building Concept : Airtight envelope, high-performance insulation, minimized thermal bridges, and heat recovery ventilation system to reduce heating/cooling energy demand (Kwon, 2023).

(1)

Table 2.

Comparison of ZEB Evaluation Frameworks by Country (METI, 2019; DGNB, 2020; U. S. DOE, 2020; European Commission, 2021; MOLIT, 2022)

Table 3.

Zero Energy Building (ZEB) Certification Grades in Korea (MOLIT, 2022)

Table 4.

Derivation of Embodied Carbon Coefficient for Photovoltaic (PV) Modules Based on Domestic and International Evidence

Table 5.

Overview of the Case Study Buildings - (120 m², 150 m², 200 m²)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

Table 6.

Required PV System Capacity According to Energy Self-Sufficiency Rate (ZEB Grades) for Case Study Buildings (120/150/200 ㎡)

(7)

Acknowledgements

References