서 론
분석 개요
분석 대상
그린리모델링 전/후 적용 기술요소 현황
그린 리모델링 기술요소 적용 분석 결과
태양광 발전시스템 적용을 위한 음영 검토
에너지 성능 개선 분석 결과
에너지비용 및 비용 투자대비 회수기간 분석 결과
결 론
서 론
국내 전체 건축물 720만동 중 준공된지 15년이 경과되어 노후화된 건축물은 540만동으로 전체 건물의 약 75%를 차지하고 있다(MOLIT, 2020). 건축물의 노후화는 결로 및 곰팡이 발생, 단열성능 저하로 재실자 열적 불쾌적감 유발 등 실내 쾌적성 문제뿐만 아니라, 단열재의 노후화로 단열성능 저하, 노후화된 설비로 인해 에너지 소비 증가를 초래한다. 에너지 소비의 증가는 결국 화석연료 사용량과 연계되어 탄소 배출 문제로 이어지게 된다. 장기간 지속된 기후변화에 대한 심각성으로 탄소저감이 화두인 시점에 환경부는 2020년 12월 15일에 ‘2050 장기저탄소발전전략’과 ‘2030 국가온실가스감축목표’를 발표하여 탄소중립 5대 기본방향에 포함된 기존 건축물의 그린리모델링을 통해 녹색건축물로의 전환을 활성화하는 계획을 수립했다. 또한 기존 국가온실가스 감축목표(NDC)는 배출전망치(BAU) 방식인 2030년 배출전망치 대비 37% 감축에서 절대량 방식인 2017년 배출량 대비 24.4% 감축을 목표로 설정하여 탄소중립을 이행하기 위한 목표를 갱신한 바 있다(ME, 2020). 이에 따라 건축물의 탄소저감을 위한 노력이 크게 요구되고 있는 실정이다. 최근 국토교통부는 2021년 2월 26일부로 민간건축물 그린리모델링 사업의 활성화를 위해 그린리모델링 이자지원사업의 지원확대 정책의 일환으로 지원대상 및 지원내용의 확대, 절차 간소화를 공지한 바 있다. 그린리모델링 이자지원사업 지원을 받기 위한 기준은 에너지절감률 20% 이상 혹은 외주부창 2/3이상 교체이다.
본 연구에서는 소규모 노후 근린생활시설을 분석대상으로 선정하여 그린리모델링에 따른 에너지성능 개선 효과를 1차 에너지소요량으로 정량적으로 분석하고자 하였다. 일반적으로 근린생활시설은 소규모이고 리모델링 비용에 제약이 따르는 현실적 한계점을 반영하여 본 연구에서는 그린리모델링 시, 적용되는 기술요소를 대규모 신축건축물과 차별화하여 투자대비 성능개선 효과가 상대적으로 크고 가성비가 좋은 요소들을 우선적으로 적용하는 것을 원칙으로 하였다. 이를 통해 그린리모델링 시행에 따른 실효성을 정량적으로 도출함으로써 그에 따른 보급 확산 효과를 제고하기 위한 사례 연구의 성격을 겸할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 본 연구는 소규모 근린생활시설을 대상으로 ECO2 프로그램을 활용하여 패시브 및 액티브 신·재생에너지 등의 기술요소의 적용에 따른 단계별 에너지 절감효과를 그린리모델링 기준 충족 여부 및 선행 사례와 비교하여 그린리모델링 효과에 대해 주로 에너지 성능 개선과 비용 투자대비 회수기간의 관점에서 분석하였다.
분석 개요
분석 대상
그린리모델링 대상 건축물은 대전 동구에 위치한 지하 1층, 지상 3층 규모의 제2종 근린생활시설이다. 1988년 준공되어 30년 이상 경과에 따른 노후화로 인해 에너지성능 및 재실자의 쾌적성 저하가 우려되어 그린리모델링을 추진하였으며, 현황은 Table 1 및 Figure 1과 같다.
Table 1.
Architectural overview
그린리모델링 전/후 적용 기술요소 현황
그린리모델링 범위로 패시브 기술요소는 기존 ‘라’ 등급 단열재(0.047 W/mK) 40 ㎜가 벽체에 내단열로 적용되어 있는 상태에서 경질우레탄보온판(0.020 W/mK) 75 ㎜ 내단열 보강, 페놀폼 보드(0.020 W/mK) 50 ㎜ 외단열 보강과 일반 복층유리(4.000 W/㎡K)에서 로이복층유리(1.746 W/㎡K)로 교체하였다. 지붕과 바닥도 기존 ‘라’ 등급 단열재가 60 ㎜, 40 ㎜가 적용되어 있는 상태에서 페놀폼 보드 50 ㎜로 교체하였다. 또한 창면적비를 기존 23.4%에서 19.9%로 축소하였고, 외단열 시스템을 적용함에 따라 외벽선으로부터 창호까지의 두께가 두꺼워짐으로서 구조체에 대한 차양 효과를 얻을 수 있도록 계획하였다. 액티브 기술요소는 노후화된 냉·난방기기 교체, 급탕용 전기온수기 추가 설치, 기존 형광등(평균 조명밀도 9.60 W/㎡)에서 고효율 LED(평균 조명밀도 8.14 W/㎡)로 교체하였다. 마지막으로 신·재생에너지는 태양광 발전시스템(5.4 kWp)을 적용하여 Nearly zero energy 건축물로 계획하고자 하였다. 기존 건축물에 대한 도면 정보와 냉난방 기기에 대한 성능 정보 파악이 불가하여, 유리에 대한 성능은 준공 당시의 법적 열관류율 수준 적용, 스탠드형 에어컨의 COP는 당시 적용된 사양으로 설정하였다. 그린 리모델링 전/후 각 기술요소별 적용사항은 Tables 2, 3과 같다.
Table 2.
The application status of existing buildings by technology element
Table 3.
Applications for each green remodeling technology element
그린 리모델링 기술요소 적용 분석 결과
태양광 발전시스템 적용을 위한 음영 검토
태양광 발전시스템 설치 시 방위, 설치각도, 음영에 대한 고려가 필수적이다. 대상 건축물의 방위와의 조화, 옥상 공간에 대한 고려를 반영하여 태양광 모듈을 배치하였으며, 음영 검토는 일조 시뮬레이션 프로그램인 Sanalyst 4.0을 활용하였다. 적용한 태양광 모듈의 사양은 Table 4와 같고, 남서향으로 모듈 경사각 11°, 모듈 12매를 설치하는 조건과 동일하게 모델을 구성하였다. 일조 분석 기준은 ｢신·재생에너지 설비의 지원 등에 관한 지침｣의 태양광설비 시공기준에 따른 총 일조 5시간 이상 만족 구간을 대상으로 하였고, 춘, 추분 중 일조시간이 가장 짧은 11월 30일을 기준으로 분석하였다(KEA, 2021a). 일조 시뮬레이션 결과는 Figure 2, 시간대별(08시~16시) 태양광 모듈 음영 검토 결과는 Figure 3과 같고, 총 일조시간 7시간 44분으로 5시간 이상 기준을 충족하는 것으로 나타났다.
Table 4.
Specifications for PV modules
에너지 성능 개선 분석 결과
건축물의 효율적인 에너지 성능 개선 방법으로 패시브 기술요소를 통한 부하(Load) 및 액티브 기술요소의 적용으로 에너지 효율을 제고한 후, 신·재생에너지를 적용하여 에너지생산량을 극대화해야 한다(KEA, 2021b). 해석 건축물에 적용된 그린리모델링 기술요소는 Figure 4와 같고, 개선 효과에 대한 분석은 국내 건축물에너지효율등급 및 제로에너지건축물 인증 평가 프로그램인 ECO2를 활용하였다. 그린리모델링 공사 전인 기존 건축물에 대한 에너지 분석 결과는 Table 5와 같고, 난방에 요구되는 에너지량이 약 50%로 가장 큰 비중을 차지하였다. 또한 등급용 1차 에너지소요량이 186.3 kWh/㎡·yr로 건축물에너지효율 1+등급 수준으로 분석되었다.
Table 5.
Results of energy performance evaluation of existing building [kWh/㎡·yr]
난방 에너지요구량을 저감하기 위한 패시브 기술요소로 외단열 추가, 내단열 보강, 창호 교체 및 창면적비 축소를 계획하여 분석한 결과, Table 6과 같이 난방 에너지요구량 55.6%의 저감 효과를, 총 1차 에너지소요량은 리모델링 전 대비 26.1% 절감된 것으로 분석되었다. 또한 냉방 및 조명 에너지요구량도 저감되는 것을 보였는데, 이는 Figure 5와 같이 1층의 제조업소로 사용되던 공간을 그린리모델링 이후 사용 용도를 사무실 및 창고로 변경함에 따라 Table 7과 같이 ECO2 프로그램에 내장된 내부 발열요소의 영향으로 판단된다. 그린리모델링 전 대비 패시브 기술요소 적용으로 등급용 1차 에너지소요량이 140.7 kWh/㎡·yr로 건축물에너지효율 1+등급 수준으로 분석되었다.
Table 6.
Results of passive technology application analysis [kWh/㎡·yr]
Table 7.
Comparison of internal heat gain on the 1st floor before and after green remodeling
액티브 기술요소는 노후화된 냉·난방 설비의 교체, 조명밀도 개선, 전기온수기 적용을 계획하였다. 실내 발열요소인 조명밀도가 그린리모델링 전 9.60 W/㎡에서 8.14 W/㎡로 개선됨에 따라 내부에서 발생하는 발열의 감소로 인해 난방 에너지요구량은 1.2 kWh/㎡·yr만큼 증가하였고, 냉방 에너지요구량은 1.6 kWh/㎡·yr만큼 감소하였다. 그린리모델링으로 에너지를 개선하기 위한 노력도 중요하지만 재실자의 쾌적성을 향상시키는 것도 간과해서는 안된다. 이에 따라, 기존 건축물은 급탕시스템이 적용되어 있지 않아, 전기온수기를 계획하여 동절기 재실자의 쾌적성 개선과 에너지 소비량을 최소화하여 신·재생에너지의 의존도를 줄이는 경제적인 제로에너지건축물(KEA, 2021b)을 동시 고려하였다. 전기온수기(효율 100%)가 적용됨에 따라 급탕 1차 에너지소요량은 증가했지만, 조명밀도 및 EHP의 냉·난방 COP(난방 : 3.349→4.515 / 냉방 : 3.333→3.816)가 모두 개선되어 총 1차 에너지소요량은 Table 8과 같이 패시브 기술요소 적용 단계 이후 3.1% 추가 절감되었다. 또한 등급용 1차 에너지소요량은 136.6 kWh/㎡·yr로 제로에너지건축물 인증 충족 조건인 140.0 kWh/㎡·yr 미만(건축물에너지효율 1++등급)을 달성하였다.
Table 8.
Results of additional application active technology [kWh/㎡·yr]
일조 검토를 통한 태양광 모듈 설치의 적정성 확인 후 에너지 절감 효과를 분석한 결과, Table 9와 같이 총 1차 에너지소요량이 액티브 기술요소 적용 단계 이후 35.2% 추가 절감되었다. 본 건물은 전체 전기에너지를 사용함으로 태양광 발전시스템을 통해 생산된 에너지가 난방, 냉방, 급탕, 조명에서 고루 차감되는 것으로 분석되었다.
Table 9.
Results of analysis by applying renewable energy [kWh/㎡·yr]
기술요소 단계별 에너지 절감량 및 이산화탄소 저감량 검토 결과는 Figure 6, Figure 7과 같고, 그린리모델링 전/후 총괄 결과는 Figure 8과 같다. 에너지요구량은 그린리모델링 전 108.4 kWh/㎡·yr에서 70.5 kWh/㎡·yr로 35.0% 저감되었다. 1차 에너지소요량은 난방 97.5 kWh/㎡·yr에서 27.9 kWh/㎡·yr로 71.4%, 냉방 31.3 kWh/㎡·yr에서 15.8 kWh/㎡·yr로 49.5%, 조명 63.8 kWh/㎡·yr에서 31.1 kWh/㎡·yr로 51.3% 절감되어 급탕을 제외한 각 부문별 에너지소요량에서 큰 폭의 절감률을 확인할 수 있었다. 총 1차 에너지소요량은 그린리모델링 이전 대비 53.6% 절감 및 에너지자립률 35.2%로 제로에너지건축물 5등급 수준으로 나타났다. 이산화탄소 배출량은 그린리모델링 전 32.8 kgCO2/㎡·yr에서 15.3 kgCO2/㎡·yr로 53.4% 저감되는 것으로 분석되었다.
에너지비용 및 비용 투자대비 회수기간 분석 결과
연간 발생하는 예상 에너지비용을 산출하기 위해 한국전력공사 전기요금 단가 기준으로 2021년 1월 1일부로 적용된 일반용 전력(갑)Ⅰ 저압전력 요금을 Table 10과 같이 적용하였고, 기본요금은 제외하고 산정하였다. 에너지비용 산정 결과, Figure 9와 같이 그린리모델링 전 2,184,725원/년에서 패시브 기술요소 적용으로 1,632,165원/년, 액티브 기술요소 추가 적용으로 1,588,341원/년, 신재생에너지 추가 적용으로 1,031,509원/년으로 총 1,153,216원/년만큼 절감되는 것으로 나타났다.
Table 10.
Applied electricity unit fee
| Category | Content |
| Summer season (Jun.-Aug.) | 100.7 ₩/kWh |
| Spring and fall season (Mar.-May, Sep.-Oct.) | 60.2 ₩/kWh |
| Winter season (Nov.-Feb.) | 87.3 ₩/kWh |
해당 건물에 투입된 리모델링 공사비는 Figure 10과 같고, 단위면적당 공사비는 총 750,498원/㎡ 중 그린리모델링 공사비는 121,919원/㎡으로 16.3%를 차지하는 것으로 파악되었다. 그린리모델링 공사비 중 총 재료비 33,211,740원 중 패시브 기술요소 8,822,500원(26.6%), 액티브 기술요소 4,809,240원(14.5%), 신재생에너지 8,580,000원(25.8%), 전자식 원격검침계량기 11,000,000원(33.1%)으로 분석되어 건물에너지관리시스템 구축비용이 가장 큰 비중을 차지하였다.
그린리모델링 공사비 중 재료비와 에너지 절감비용을 고려하여 투자비용 회수기간을 산정한 결과, Figure 11과 같이 패시브 기술요소 7.7년, 액티브 기술요소 4.7년, 신재생에너지 7.4년, 건물에너지관리시스템 9.5년으로 총 28.8년이 소요될 것으로 분석되었다. N사의 정기간행물 내 그린리모델링 가이드라인을 기준으로 했을 때, 연면적 3,000 ㎡ 미만의 비주거 건축물의 리모델링 시, 액티브 기술요소, 패시브 기술요소, 신재생에너지 순으로 고려하도록 제시하고 있다(NED, 2021). 이를 고려하면 본 건물도 액티브 기술요소가 투자회수기간이 가장 짧은 것으로 나타나 소형 비주거 건축물은 그린리모델링 시, 액티브 기술요소가 가장 효율적인 것으로 판단된다. 하지만 제로에너지건축물 인증을 위해 필수 적용해야 하는 건물에너지관리시스템 구축에 소요되는 비용이 가장 큰 비중을 차지하게 되어 건축주에게 부담 요인으로 작용할 것으로 사료된다.
결 론
본 연구는 ECO2를 활용하여 준공된지 30년 이상 경과한 소규모 근린생활시설을 대상으로 제로에너지건축물 인증을 고려한 그린리모델링 효과에 대해 에너지성능 개선과 비용 투자대비 회수기간의 관점에서 분석하였다.
(1) 기존 건축물의 에너지성능 분석 결과, 난방 에너지요구량이 약 50%로 가장 큰 비중을 차지하였고, 등급용 1차 에너지소요량이 186.3 kWh/㎡·yr로 건축물에너지효율 1+등급 수준으로 분석되었다.
(2) 패시브 기술요소 적용으로 기존 건축물의 난방 에너지요구량이 가장 높은 것을 우선 고려하여 단열재가 노후화되어 경년열화로 인한 열성능이 저하되었을 것으로 예상하여 내단열 보강과 열교를 저감하기 위해 외단열을 추가하였다. 창으로부터 발생하는 열손실을 최소화하기 위해 노후화된 창호를 교체하고 창면적비를 축소하였다. 이에 따라, 난방 에너지요구량 55.6% 저감과 1차 에너지소요량이 26.1% 절감되었다. 등급용 1차 에너지소요량은 140.7 kWh/㎡·yr로 건축물에너지효율 1+ 등급 수준으로 분석되었다.
(3) 액티브 기술요소로 노후화된 냉·난방 설비를 효율이 높은 설비로 교체, 기존 형광등에서 전면 LED로 교체, 동절기 재실자 쾌적성 향상을 위해 전기온수기를 적용하였다. 전기온수기가 적용됨에 따라 급탕부문 1차 에너지소요량은 증가했지만, 조명밀도 개선 및 고효율 EHP를 적용하여 총 1차 에너지소요량은 패시브 기술요소 적용 단계 이후 3.1% 추가 절감되는 것으로 분석되었다. 또한 등급용 1차 에너지소요량은 136.6 kWh/㎡·yr로 신·재생에너지가 적용되기 전 단계에서 건축물에너지효율 1++등급을 달성하였다.
(4) 신·재생에너지 적용으로 태양광 발전시스템을 고려하였다. 일조 시뮬레이션 분석을 통해 설치의 적정성을 검토한 결과, 총 일조 7시간 44분으로 ｢신·재생에너지 설비의 지원 등에 관한 지침｣의 태양광설비 시공기준인 총 일조 5시간 이상을 충족하였다. 1차 에너지소요량은 액티브 기술요소 적용 단계 이후 35.2% 추가 절감되는 것으로 분석되었다.
(5) 그린리모델링 전/후 에너지 성능을 전반적으로 분석한 결과, 에너지요구량은 그린리모델링 전 108.4 kWh/㎡·yr에서 70.5 kWh/㎡·yr로 35.0% 저감되었다. 1차 에너지소요량은 난방 97.5 kWh/㎡·yr에서 27.9 kWh/㎡·yr로 71.4%, 냉방 31.3 kWh/㎡·yr에서 15.8 kWh/㎡·yr로 49.5%, 조명 63.8 kWh/㎡·yr에서 31.1 kWh/㎡·yr로 51.3% 절감되어 급탕을 제외한 각 부문별 에너지소요량에서 큰 폭의 절감률을 확인할 수 있었다. 총 1차 에너지소요량은 그린리모델링 이전 대비 53.6% 절감 및 에너지자립률 35.2%로 제로에너지건축물 5등급 수준으로 나타났다. 이산화탄소 배출량은 그린리모델링 전 32.8 kgCO2/㎡·yr에서 15.3 kgCO2/㎡·yr로 53.4% 저감되는 것으로 분석되었다.
(6) 에너지비용 및 비용 투자대비 회수기간 분석 결과, 그린리모델링으로 연간 발생되는 에너지비용은 1,153,216원/년이 절감될 것으로 분석되었고, 그린리모델링 재료비를 기준으로 투자비용 회수기간은 총 28.8년이 소요될 것으로 분석되었다. 그린리모델링 재료비 중 건물에너지관리시스템 구축에 소요되는 비용이 가장 큰 비중을 차지하는데, 그린리모델링 및 제로에너지건축물 인증의 활성화를 위해서는 경량화된 건물에너지관리시스템(Light BEMS)의 개발·보급이 확산되어야 할 것으로 판단된다.
경제적인 제로에너지건축물을 고려한 그린리모델링을 위해 1차 에너지소요량의 최소화로 신·재생에너지의 의존도를 줄여야 한다. 이는 에너지소비량이 줄어들게 되면 에너지생산량의 부담을 최소화할 수 있다. 무분별한 태양광 발전시스템 설치를 계획하는 것을 피하기 위해서는 일조 시뮬레이션 분석으로 적정성 검토가 필수적으로 선행되어야 할 것이다. 국내 건축물에너지효율등급 및 제로에너지건축물 인증에 주로 활용되는 ECO2는 월별 분석과 입력 값에 대한 제약으로 다양한 설정이 불가능하다. 이에 따라 향후 타 동적 건물에너지해석 프로그램(EnergyPlus, TRNSYS 등)을 활용하여 건축물의 에너지 개선을 위한 기술요소들의 비용효율을 고려한 효과를 분석한 연구가 수행되어 소규모 근린생활시설을 대상으로 그린리모델링을 시행하는 건축주들에게 지침으로 적용될 수 있기를 기대한다. 향후 진행할 연구는 동일 근린생활시설을 대상으로 공사비 및 에너지비용 경제성 평가, 그린리모델링 이후 1년치의 건물에너지 실사용량 데이터를 수집하여 시뮬레이션 평가 결과와의 검증을 할 예정이다. 이와 같은 일련의 연구를 통해 가성비가 고려된 기술요소들의 실효성을 확인함으로써, 궁극적으로는 향후 소규모 근린생활시설의 그린리모델링 활성화에 기여할 수 있는 기초데이터를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
