서 론
분석 개요
분석 범위 및 방법
분석 대상건물
분석 프로그램
공동주택의 에너지성능 현황 분석
공동주택 유형 및 규모 분석
에너지성능 분석
건축요소 성능 분석
설비요소 성능 분석
신재생에너지 설치현황 분석
표준모델 구현 및 제로에너지건축물 인증 확보 예측
임대 및 분양주택 표준모델 구현
표준모델의 에너지성능 분석
제로에너지건축 달성을 위한 태양광 발전시스템 설치용량 산출
제로에너지건축물 인증 확보 가능성 검토
결 론
서 론
국토교통부는 2019년 6월 제로에너지건축 의무화 로드맵을 포함한 ｢제로에너지건축 보급 확산 방안｣을 발표하였으며 2020년 1천 ㎡ 이상 공공건축물, 2025년 1천 ㎡ 이상 민간건축물을 시작으로 2030년까지 제로에너지건축의 단계적 의무화를 추진할 계획이다(MOLIT, 2019). 서울시는 ‘서울판 그린뉴딜’을 통해 정부 로드맵을 2년 앞당긴 2023년부터 1만 ㎡ 이상 민간 건축물 및 1천 세대 이상 공동주택을 대상으로 제로에너지건축 의무화를 조기 도입할 계획이라고 밝혔다(The Seoul Metropolitan Council, 2020). 서울시 건축허가현황 자료에 따르면 최근 3년 동안 허가받은 건축물 중 공동주택이 평균 48%를 차지하였으며, 신축 건축물 중 공동주택이 큰 비중을 차지하는 것을 확인할 수 있다(KOSIS, 2021). 이에 따라 공동주택의 서울시 제로에너지건축 의무화 조기도입에 대응할 수 있는 방안을 모색 및 마련할 필요가 있다.
국내에서는 2017년부터 ‘제로에너지건축물 인증제’가 시행되었으며 건축물에너지효율등급 1++ 이상 만족, 건물에너지관리시스템(BEMS) 또는 전자식 원격검침계량기 설치 및 에너지자립률에 따라 제로에너지건축물 1~5등급을 부여하고 있다. 현재 제로에너지건축물 인증현황에 따르면 본인증을 받은 건축물은 37개, 예비인증 받은 건축물은 848개로 집계되며, 이 중 공동주택의 경우 본인증 1건, 예비인증 14건으로 3%에 불과하다(2021.04 기준; KEA, 2021). 민간에서 제로에너지 공동주택의 보급을 가속화하고 제로에너지건축 의무화에 적극적으로 대응할 수 있도록 제로에너지건축물 구현에 대한 기술적인 또는 비용적인 부담을 최소화할 수 있는 방안 마련이 필요하다.
본 연구는 최소한의 추가 계획을 통해 제로에너지건축을 달성할 수 있는 방안을 검토하고자 현 에너지성능 수준에서 공동주택 옥상에 태양광 설치 시 제로에너지건축물 인증 확보 가능성을 예측하였다. 공동주택의 현 에너지성능 수준을 파악하기 위하여 공동주택 단지 40개를 대상으로 에너지효율등급 평가 보고서를 세부 분석하였으며, 분석 결과를 바탕으로 표준모델을 구현하였다. 또한 제로에너지건축물 5등급 달성을 위한 태양광 설치 필요용량을 산출하여 옥상 면적과의 비교 분석을 통해 공동주택의 제로에너지건축물 달성 가능성을 검토하였다.
분석 개요
분석 범위 및 방법
본 연구는 신축 공동주택의 에너지성능 현황을 파악하기 위해 건축물에너지효율등급 예비인증 평가보고서를 건물 개요, 에너지성능, 건축요소, 설비요소, 신재생에너지 요소로 구분하여 세부 검토하였다. 검토 결과를 바탕으로 공동주택의 표준 형태 및 표준모델을 설정하였으며 에너지 분석 프로그램을 통해 에너지성능을 비교하여 검증하였다. 표준모델을 대상으로 제로에너지건축물 5등급 달성에 필요한 태양광 설치용량을 산출하여 공동주택의 옥상면적과의 비교를 통해 제로에너지건축물 인증 확보 가능성을 검토하였다. 분석 내용 및 방법은 Figure 1과 같다.
제로에너지건축물 달성은 국내 제로에너지건축물 인증기준으로 평가하였다. 제로에너지건축물 인증기준은 에너지자립률 20% 이상(에너지효율등급 1++등급 이상, 건물에너지관리시스템 및 전자식 원격검침계량기 설치)을 만족할 경우 ZEB 5등급을 인증 받을 수 있다.
분석 대상건물
국내 공동주택의 현 에너지성능 수준을 파악하기 위하여 2019년 1월~2020년 5월에 건축물에너지효율등급 예비인증을 받은 중부2지역에 위치한 공동주택 단지 40개를 대상으로 건축물에너지효율등급 예비인증 평가서 결과를 비교 분석하였다. 건축물에너지효율등급 인증은 에너지성능이 높은 건축물의 확대 및 효과적인 에너지 관리를 유도하기 위하여 건물의 에너지성능을 평가하여 인증하는 제도이다. 연간 단위면적당 1차 에너지소요량에 따라 10개 등급(1+++~7등급)으로 평가하며, 예비/본인증 시 평가담당자가 평가보고서를 작성하여 인증서를 부여한다. 분석 대상건물 개요는 Table 1과 같다.
Table 1.
Target apartment complex description
| Category | Contents |
| Target building | 40 apartment complexes |
| Year of pre-certification | After 2019.01 |
| Location | Central 2 region |
| Building use | Rental apartment, Lot-solid apartment |
분석 프로그램
공동주택의 표준모델 구현 및 에너지성능 분석은 ECO2 에너지성능 평가 프로그램을 사용하였다. ECO2 프로그램은 국내 건축물에너지효율등급 및 제로에너지건축물 인증에 공식적으로 사용되고 있는 프로그램으로 ISO 13790 및 DIN V18599를 기반으로 개발되었으며 2020년 8월 기준 기상데이터 적용 지역 기존 13개를 66개 지역으로 확대하여 최신 수정되었다. 건물의 에너지사용 요소인 냉방, 난방, 급탕, 조명, 환기 5개 요소에 대한 에너지요구량, 에너지소요량, 1차 에너지소요량 및 등급용 1차에너지소요량 산출이 가능하며 추가적으로 신재생에너지 평가를 통해 에너지소비량 및 에너지자립률 산출이 가능하다.
공동주택의 에너지성능 현황 분석
공동주택 유형 및 규모 분석
국내 공동주택은 임대주택(공공임대, 국민임대) 및 분양주택(공공분양) 크게 두 가지 형태로 분류할 수 있다. 통계청 ‘부문별 주택건설 인허가실적’에서 2020년 전국 공동주택 총 인허가 호수 중 임대주택 54%, 분양주택 46%를 차지하는 것으로 나타났으며 서울지역은 임대주택 72%, 분양주택 28%로 임대주택의 비율이 더 높았다(KOSIS, 2020).
본 연구의 분석 대상 단지 40개를 공동주택 유형으로 구분하였을 때 임대주택 24개(60%), 분양주택 16개(40%)로 임대주택의 비율이 더 높게 나타났다. 임대주택 및 분양주택 단지 40개를 건물 층수 및 세대수로 구분한 것은 Figure 2와 같다. 임대주택이 분양주택에 비해 층수 범위가 컸으며 20층 이하의 비율이 더 높았던 반면 분양주택은 20층 이상이 더 많았다. 세대수의 경우, 임대주택은 150~1,778세대로 세대수가 다양하고 800세대 이상인 경우가 많았으며 분양주택은 세대수 범위가 작고 500~600세대가 가장 많은 것으로 나타났다.
세대타입 별로 구분하여 분석한 것이 Figure 3과 같다. 임대주택은 26 ㎡, 29 ㎡, 37 ㎡, 46 ㎡ 타입이 압도적으로 많았으며, 분양주택은 46 ㎡, 55 ㎡, 59 ㎡, 84 ㎡ 타입이 많은 것으로 나타났다.
에너지성능 분석
분석 대상 40개 단지를 건축물에너지효율등급 및 제로에너지건축물 인증등급에 따라 분류한 것이 Figure 4와 같다. 에너지효율등급 1~1+등급이 31개(78%)로 가장 많은 것으로 나타났으며 1++등급 수는 6개로 ZEB 5등급, 1+++등급 수는 1개로 ZEB 3등급 수와 동일했다. 이는 제로에너지건축물 인증을 받기 위하여 1++등급 이상을 만족해야 하기 때문인 것으로 보인다. 따라서 일반 신축 공동주택의 에너지성능은 1~1+등급 범위로 나타났다. 전체 단지 중 제로에너지건축물 인증을 받은 공동주택은 총 7개(18%)로 대부분 시범사업 단지이다.
에너지요구량 및 1차에너지소요량을 인증연도 별로 나타낸 것은 Figure 5와 같다. 건축물에너지효율등급 및 제로에너지건축물 인증에서 1차에너지소요량은 1차에너지소비량에서 1차에너지 생산량을 제외한 값으로 표현된다. 그러나 각 공동주택 단지의 신재생에너지 설치현황이 상이하므로 상대적인 비교를 위하여 신재생에너지 설치 단지는 신재생에너지생산량을 제외하여 분석하였다. 분석 결과, 공동주택 유형에 따른 차이는 없었으며 인증연도에 대한 에너지성능 차이 또한 관찰되지 않았다. 에너지요구량이 80~100 kWh/㎡·yr 범위에 가장 많이 분포하였으며 최소 및 최대 범위 편차는 크지 않았다. 1차에너지소요량은 100~140 kWh/㎡·yr 범위가 가장 많았으며 에너지요구량 값에 비해 최소 및 최대 범위 편차가 크게 나타났다.
1차에너지소요량 값 편차에 대해 추가 검토하고자 1차에너지소요량을 건물의 열원설비로 구분하여 나타냈다(Figure 6). 열원설비로 구분하였을 때 개별난방 10개(25%), 지역난방 29개(73%), 지열 1개(2%)로 지역난방의 비율이 가장 높았다. 열원설비별 1차에너지소요량은 개별난방 단지가 지역난방 단지보다 높았으며, 이는 난방설비 효율 및 열원에 대한 1차에너지 환산계수* 차이에 의한 것으로 분석된다. 따라서 개별난방을 열원으로 할 경우, 제로에너지건축 달성을 위해 지역난방 대비 신재생에너지를 추가 설치해야 할 것으로 판단된다.
* 1차에너지 환산계수: 연료(가스) – 1.1 , 지역난방 – 0.728
건축요소 성능 분석
공동주택의 현 법적 기준인 ｢에너지절약형 친환경주택의 건설기준｣의 중부2지역에 대한 건축물 부위별 최소 열관류율 기준은 Table 2와 같다(2020년 11월 개정).
단열성능은 외벽, 창호, 지붕, 바닥으로 구분하여 분석하였으며 건물 부위별 열관류율은 Figure 7과 같다. 건축물에너지효율등급 평가보고서 상 외벽, 바닥, 지붕의 경우 대부분 외기에 직접 면하는 부위의 값을 기재하였으므로 외기직접 값으로 표시하였으며, 창호는 외기직접 및 외기간접으로 구분하여 표시하였다. 건축의 부위별 열관류율 분석 결과, 외기에 직접 면하는 외벽 및 지붕의 열관류율은 법적기준과 유사한 수준으로 주로 적용되는 것으로 나타났다. 반면 외기에 직접 면하는 바닥 부위의 경우 열관류율 값의 최소/최대 폭이 컸으며 법적기준보다 낮은 0.16 W/㎡·K 이하 수준이 주로 적용되었다. 창호 부위의 경우 외기에 간접 면하는 창호는 법적기준인 1.5 W/㎡·K과 유사한 수준으로 나타났으며, 외기에 직접 면하는 창호는 법적수준인 1.0 W/㎡·K보다 낮은 0.8 W/㎡·K 수준의 창호가 주로 적용된 것으로 나타났다.
Table 2.
Legal minimum levels of building elements
| Category | U-value [W/㎡·K] | |
| direct | indirect | |
| Wall | 0.17 | 0.24 |
| Window | 1.00 | 1.50 |
| Floor | 0.15 | 0.21 |
| Roof | 0.17 | 0.24 |
설비요소 성능 분석
설비시스템은 공동주택의 경우 열원설비 및 환기설비 2가지로 분류할 수 있다. 설비요소에 대한 성능은 보일러효율 및 전열교환 환기시스템 효율로 구분하여 나타냈으며 Figure 8과 같다. 보일러 효율은 86~96% 범위로 87% 효율의 제품이 주로 적용되었다. 전열교환기가 설치된 단지는 19개로 전체 단지의 48%로 나타났으며, 난방효율 75% 및 냉방효율 63% 수준이 주로 적용되었다.
신재생에너지 설치현황 분석
신재생에너지 설치현황 분석 결과, 전체 40개 단지 중 신재생에너지 설치 단지는 23개(58%)로 22개 단지는 태양광 발전시스템을 적용하였으며 1개 단지는 태양광 발전시스템에 추가적으로 지열시스템을 적용하였다. 분석 대상 단지의 태양광 발전시스템 설치용량을 세대당 설치용량 및 1차에너지생산량으로 나타낸 것은 Figure 9와 같다. 제로에너지건축 달성을 위해 단위면적당 최소 0.009 kW 이상의 태양광 발전시스템 설치가 필요한 것으로 보인다.
표준모델 구현 및 제로에너지건축물 인증 확보 예측
임대 및 분양주택 표준모델 구현
앞서 분석한 신축 공동주택의 현황분석 결과를 바탕으로 임대주택 및 분양주택의 표준모델을 작성하였다. 임대주택은 26 ㎡ 및 29 ㎡ 타입이 유사하다고 판단하여 26 ㎡, 37 ㎡, 46 ㎡ 타입으로 구성하였으며 분양주택은 55 ㎡ 및 59 ㎡ 타입이 유사하다고 판단하여 46 ㎡, 55 ㎡, 84 ㎡ 타입으로 구성하였다. 표준모델은 분석 대상 단지 중 층수, 세대조합 및 세대수가 유사한 단지를 선정하여 참고하였다. 임대주택 모델은 소형 평형과 중저층으로 특징되며, 분양주택 모델은 중대형 평형과 고층으로 특징된다. 임대주택 표준모델에 대한 세부 설정 조건은 Table 3, 분양주택 표준모델의 세부 설정 조건은 Table 4와 같다.
Table 3.
Details of the Rental apartment complex model
| Category | Contents |
| Number of households |
1,000 households / Exclusive area: 36,400 ㎡ (26 ㎡: 410 households ; 37 ㎡: 140 households ; 46 ㎡: 450 households) |
| Number of floor | 20 F (6 buildings) |
 | |
Table 4.
Details of the Lot-solid apartment complex model
| Category | Contents |
| Number of households |
500 households / Exclusive area: 29,580 ㎡ (46 ㎡: 220 households ; 55 ㎡: 140 households ; 84 ㎡: 140 households) |
| Number of floor | 25 F (6 buildings) |
 | |
건축요소 및 설비요소 분석 결과를 바탕으로 설정한 표준모델의 패시브/액티브 설정 조건은 Table 5와 같다. 건축요소에 대한 열관류율 분석 결과는 법적 수준과 유사한 것으로 나타났으며, 이에 따라 현 법적 수준으로 적용하였다. 단열방식은 내단열로 하였으며, 침기율은 건축물에너지효율등급 예비인증 평가 시와 동일한 6.0 ACH (@50Pa)로 설정하였다. 설비요소의 경우, Figure 8의 분석 결과를 기준으로 설정하였으며 조명밀도는 ｢에너지절약형 친환경주택의 건설기준｣에서 명시하고 있는 8 W/㎡로 설정하였다. 지역설정은 중부2지역 서울특별시를 대상으로 하였으며 열원은 지역난방 및 개별난방 두 가지 형태로 구분하였다.
Table 5.
Passive/active input data
표준모델의 에너지성능 분석
현황분석 결과와의 비교 검토를 위해 표준모델의 에너지성능을 분석하였다. 주거용 건축물의 경우, 일반적으로 냉방설비가 입주자 공사분으로 준공시 미적용 되는 경우가 많아 평가에서 제외하고 있다. 따라서 냉방을 평가에서 제외하였다. 표준모델의 에너지성능 결과는 Table 6과 같다. 임대주택 및 분양주택의 열원설비에 따른 4개 표준모델의 에너지성능을 분석한 결과, 건축물에너지효율등급 1~1+ 등급에 해당하는 수준으로 나타났으며 임대 및 분양주택 에너지성능 결과 간에 세대수 및 설비용량 등에 의한 약간의 차이가 나타났다.
Table 6.
Results of standard model energy performance
현황분석 결과와의 오차율 분석을 통해 표준모델의 타당성 검증을 하였으며, 오차율은 Table 7과 같다. 개별난방 단지 2.1~3.5%, 지역난방 단지 1.7~4.3%로 오차율이 5% 이내로 나타났으며, 신뢰할 수 있는 것으로 판단하였다.
Table 7.
Error rate compared with the energy performance of the current status
제로에너지건축 달성을 위한 태양광 발전시스템 설치용량 산출
본 연구는 현 공동주택의 제로에너지건축 달성 가능성을 검토하고자 패시브/액티브 요소에 대한 변경 없이 옥상 태양광 발전시스템 추가 설치만으로 ZEB 5등급 달성 가능 여부를 분석하였다. ZEB 5등급 달성을 위하여 건축물에너지효율등급 1++등급 이상 및 에너지자립률 20% 수준을 만족해야 한다. 우선 표준모델의 에너지자립률 20%를 만족하기 위한 태양광 발전시스템 설치용량을 산출하였다. 설치용량 산출에 적용된 태양광 모듈 사양은 Table 8과 같다.
Table 8.
Photovoltaic module details
| Category | Contents |
| Rated power (Pmax) | 415 W |
| Dimension (L × W × D) | 2,024 ㎜ × 1,024 ㎜ × 35 ㎜ |
| Module efficiency | 20.02% |
표준모델의 에너지자립률 20% 달성을 위한 세대당 태양광 발전시스템 설치필요 용량은 Table 9와 같다. 열원설비로 구분하였을 때 개별난방 단지에 대한 설치용량이 지역난방 단지보다 1.5배 정도 높은 것으로 분석되었으며, 주택 유형으로 봤을 때 임대주택이 분양주택보다 설치필요 용량이 더 큰 것으로 나타났다. 그러나 에너지자립률 20%를 목표로 하였을 때 등급용 1차에너지소요량이 제로에너지건축물 인증 기준인 건축물에너지효율등급 1++등급(90 kWh/㎡·yr 미만) 이상을 만족하지 못하는 것으로 분석되었다. 이에 따라, 건축물에너지효율등급 1++등급을 만족하기 위한 태양광 발전시스템 설치용량을 산출한 것은 Table 10과 같다. 건축물에너지효율등급 1++등급 및 에너지자립률 20% 이상을 모두 만족하기 위해 태양광 발전시스템을 1.2~1.5배 정도 더 설치해야 하는 것으로 나타났다.
Table 9.
Solar PV installation capacity to achieve energy independence rate 20%
Table 10.
Solar PV installation capacity to achieve energy efficiency rating class 1++
제로에너지건축물 인증 확보 가능성 검토
공동주택의 제로에너지건축 달성 가능성 검토를 위해 공동주택의 세대수에 따른 건축면적을 산출하여 ZEB 5등급 달성을 위한 태양광 발전시스템 설치면적과 비교 분석하였다. 공동주택의 옥상면적이 건축면적과 유사하다는 가정 하에 분석대상 단지 40개의 건축면적 및 세대수를 비교한 결과는 Figure 10과 같으며, 공동주택의 건축면적 및 세대수 비교 분석을 바탕으로 표준모델에 대한 건축면적을 산출한 것은 Table 11과 같다.
Table 11.
Calculation results of the building area of standard model
| Category | Number of households | Number of floor | Building area [㎡] |
| Rental | 1,000 | 20 | 5,984.2 |
| Lot-solid | 500 | 25 | 4,074.1 |
옥상면적과 제로에너지건축 달성을 위한 태양광 발전시스템 설치면적 산출 결과와 비교 분석한 것은 Table 12와 같다. 분석 결과, 개별난방 단지는 옥상면적의 68~77%, 지역난방 단지는 옥상면적의 39~42%에 태양광 발전시스템을 설치하였을 때 ZEB 5등급 달성이 가능한 것으로 나타났다.
Table 12.
Comparison of building area and the PV installation area to achieve ZEB 5
공동주택에서 옥상에 태양광 발전시스템을 설치할 수 있는 비율은 일반적으로 60% 로 언급되고 있다. 예시로 임대주택 및 분양주택 단지의 옥상 태양광 발전시스템 설치가능 면적 비율을 검토한 내부자료를 Table 13에 나타냈다.
지역난방 적용 단지는 현 에너지성능 수준에서 옥상에 태양광 발전시스템을 추가적으로 설치할 경우 ZEB 5등급을 충분히 달성할 수 있을 것으로 분석되었으나, 개별난방 적용 단지는 옥상 면적의 68% 이상 설치가 요구되어 ZEB 5등급 달성을 위해 패시브/액티브 측면의 성능 강화를 우선적으로 적용하여 1차에너지소요량을 낮출 필요가 있을 것으로 판단된다. 또는 BIPV를 활용한 입면 계획 또한 요구될 수 있을 것으로 보인다.
Table 13.
Ratio of PV installable area on the roof of an apartment complex
결 론
본 연구는 현 에너지성능 수준에서 공동주택 옥상에 태양광 설치 시 제로에너지건축물 인증 확보 가능성을 예측하였다. 최근 3년 이내 건축물에너지효율등급 예비인증을 받은 신축 공동주택의 에너지성능 분석을 바탕으로 공동주택의 표준모델을 작성하여 공동주택의 유형 및 열원설비에 따른 달성 가능성을 분석하였으며, 주요 연구 결과는 다음과 같다.
(1) 건축물에너지효율등급 예비인증 평가보고서를 분석한 결과, 현 신축 공동주택의 에너지성능은 1~1+등급에 해당하는 것으로 나타났다. 열원설비로 구분하였을 때 개별난방 단지의 1차에너지소요량이 지역난방 단지보다 현저히 큰 것으로 나타났으며, 건물 요소에 대한 성능은 현 법적 수준과 유사한 것으로 분석되었다.
(2) 공동주택의 현황 분석 결과를 바탕으로 임대주택 및 분양주택 표준모델을 구현하였으며 임대주택 모델은 소형 평형과 중저층, 분양주택 모델은 중대형 평형과 고층으로 특징된다. 열원설비에 따른 임대/분양주택 4개 표준모델의 에너지성능 결과는 공동주택의 에너지성능 현황분석 결과와 5% 내의 오차율을 보였으며, 이에 따라 신뢰 가능한 수준으로 판단하였다.
(3) 표준모델 기준 ZEB 5등급 달성을 위한 태양광 발전시스템 설치용량을 산출하였으며, 에너지자립률 20%를 목표로 할 경우 제로에너지건축 달성을 위한 필수 조건인 건축물에너지효율등급 1++등급을 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 에너지자립률 20% 및 1++등급을 모두 만족하기 위해 개별난방 단지의 경우 임대주택 0.023 kWp/㎡ 및 분양주택 0.021 kWp/㎡, 지역난방 단지는 임대주택 0.014 kWp/㎡ 및 분양주택 0.011 kWp/㎡ 용량의 태양광 발전시스템 설치가 필요한 것으로 분석되었다.
(4) 제로에너지건축 달성 가능성 검토를 위하여 표준모델의 옥상면적을 산출하여 ZEB 5등급 달성을 위한 태양광 발전시스템 설치필요 면적과 비교 분석하였으며, 지역난방 단지는 39~42%로 현 에너지성능 수준에서 추가적으로 옥상 태양광 발전시스템을 설치할 경우 ZEB 5등급을 충분히 달성할 수 있을 것으로 나타났다. 반면에 개별난방 단지의 경우 옥상면적의 68% 이상 설치가 필요한 것으로 검토되어 패시브/액티브 요소 성능 강화를 통해 1차에너지소요량을 우선적으로 낮추는 것이 필요할 것으로 나타났다.
제로에너지건축 의무화를 선진적으로 시행 중인 국외에서는 제로에너지건축 달성을 위한 비용적인 부담을 최소화하기 위하여 비용효율을 고려한 에너지성능 수준을 제안하고 있다. 향후 연구로는 표준모델을 활용하여 패시브/액티브 요소에 대한 비용효율을 분석하여, 이를 통해 제로에너지건축 달성을 위한 건물 각 요소에 대한 최적의 성능 수준을 제안하고자 한다.
