서 론
연구 방법
국내 제로에너지건축물(ZEB) 등급 체계
대상 건물 개요
1차 에너지 소요량 및 에너지자립률 평가
시뮬레이션 모델 개요(경계조건 및 입력)
에너지 절감 시나리오 정의
중고층 목조건축물의 에너지 분석 결과
외피 설계에 따른 에너지 요구량
신재생에너지 시나리오별 건물에너지 평가
결 론
서 론
2050 탄소중립 달성을 위한 국제적 협력이 확대되면서, 파리협정 하 국가 온실가스 감축목표(NDC, Nationally Determined Contribution) 고도화와 건물 부문 에너지 수요 감축이 핵심 과제로 부상하고 있다(Rogelj et al., 2016). 국내에서는 2030년까지 2018년 대비 32.8% 온실가스 감축 목표를 제시하고, 제로에너지건축물(ZEB, Zero Energy Building) 등급 체계와 그린리모델링을 주요 수단으로 채택하고 있으나, 목구조의 확대 흐름에 비해 목조건축의 특성—고단열, 고기밀, 경량 외피로 인한 낮은 열용량, 창면적(WWR, Window to wall ratio) 변화에 대한 높은 민감도—을 정량적으로 반영한 국내 가이드와 기준은 아직 부족하다. 한편 교차적층목재(CLT, Cross-laminated timber)는 우수한 단열 성능과 임시 탄소 저장 능력을 바탕으로 탄소발자국 저감과 자재 대체 효과 측면에서 유망한 대안으로 평가된다(Peñaloza et al., 2016; Pierobon et al., 2019; D’Amico et al., 2021; Lechón et al., 2021).
목조건축은 재료, 층상, 시공 품질과 지역 기후에 따라 열·수분 거동이 크게 달라지며, 이는 실내 열쾌적과 냉난방 부하에 직접적으로 연결된다. 예로 들어 단열재 유형과 외피 구성, 기밀 시공 품질, 입면 계획(WWR, 차양, 방위 등)은 수분 축적, 단열 유효성, 열저장 특성에 영향을 주어 최종 에너지 수요를 좌우한다(Chang et al., 2020; Nunes et al., 2020). 이러한 상호작용을 정밀 반영하기 위해 최근 연구에서는 HAM (Heat-Air-Moisture) 기반 동적 해석 도구인 WUFI (Wärme Und Feuchte Instationär)가 활용되고 있으며, WUFI는 Küzel 모델을 바탕으로 기후, 외피 레이어, HVAC (heat, ventilation, and air conditioning), 내부 발열을 고려해 실내 열·수분 환경과 에너지 소비를 예측한다(Künzel, 1995). 그럼에도 국내 인증·평가 과정에서는 목조건축의 실제 기밀 성능에 비해 보수적인 대푯값이 적용되는 경향이 보고되며, 외피 열관류율(U-value) 산정, 재료 DB, 열교·기밀 반영 등에서도 목조 특성을 충분히 반영하지 못한다는 한계가 지적된다(Choi et al., 2023; Kang et al., 2024). 더불어 단계적 개선(기밀성 강화, 단열 보강, 열저장 성능 향상)을 통해 주거용 CLT 사례에서 냉난방 에너지 71% 수준의 감축과 60% 이상의 온실가스 저감 가능성이 확인된 바 있어, 체계적인 설계·평가 체계의 정립이 요구된다(Kang et al., 2025).
이러한 배경에서 본 연구는 국내 기후 및 제도 여건을 고려한 중고층 목조건축 프로토타입을 설정하고, 패시브와 액티브 기술을 통합적으로 평가하여 ZEB 3등급 달성 경로를 제시하고자 한다. 구체적으로는 (1) 외피 설계와 입면 계획을 체계적으로 변화시켜 냉난방 부하를 비교/정량화하고, (2) 태양광 발전(PV, Photovoltaic) 및 지열과 같은 신재생에너지 조합에 따른 1차 에너지 소비 변화를 산정한 뒤, (3) 최종적으로 패시브·액티브의 최적 조합을 도출해 실무 적용 가능한 정량 가이드와 정책·평가 개선 시사점을 제안하고자 한다.
연구 방법
국내 제로에너지건축물(ZEB) 등급 체계
국내 ZEB 인증은 건물의 연간 에너지자립률(자가재생에너지를 1차 에너지로 환산하여 총 소비 대비 비율) 또는 단위면적당 1차 에너지소요량에 따라 6단계 등급을 부여하고 있다. 2025년 1월 1일부터 건축물에너지효율등급과 ZEB 인증이 통합 운영되어 절차가 간소화되고, ZEB+ 등급(총 6단계 체계)이 신설되었다. 국가 ZEB 포털에 명시된 인증 기준은 Table 1과 같다.
Table 1.
Zero energy building (ZEB) rating criteria
탄소중립을 위한 정부의 의무화 로드맵은 2020년 공공 1,000 m2 이상(5등급) 도입을 시작으로, 2025년에는 공공 500 m2 이상 일부 용도·규모에서 4등급 수준, 2030년에는 공공 500 m2 이상 용도·규모에서 3등급 수준 달성을 예상한다. 이와 같은 제도·정책 맥락에서 본 연구는 중고층 목조건축물의 ZEB 3등급 달성을 실현 가능한 상향 목표로 설정하였다. 즉, 패시브(외피, 입면, 기밀 등), 액티브(설비, 제어), 신재생에너지의 조합을 통해 60-80% 자립률 범위를 달성하고, 통합 인증 체계에서 요구하는 성능을 정량적으로 입증하는 것을 목표로 한다.
대상 건물 개요
본 연구는 중고층 목조건축의 에너지 성능을 정량화하기 위해 프로토타입 건물을 설정하였다. Table 2는 대상 중고층 목조건축물의 개요를 보여준다. 외피 및 입면 변수의 체계적 비교가 가능하도록 표준층 반복형 계획과 단순·정규화된 형상을 적용하였다. 모델링의 성능 목표와 평가 프로그램은 ZEB 3등급 달성 기준을 준거로 하였으며, 용도·규모·층수는 표준층 반복형 형태로 구현하여 재현성을 확보하였다.
Table 2.
Building overview
1차 에너지 소요량 및 에너지자립률 평가
본 연구에서는 ECO2 시뮬레이션을 활용하여 외피 레이어 및 신재생에너지 적용 시나리오별 연간 1차 에너지 소요량(kWh/m2·yr)과 에너지자립률(%)을 산정하였다. ECO2는 건물의 일반사항, 건축부문, 설비부문, 신재생부문을 체계적으로 입력한 뒤, 계산 모듈을 통해 연간 에너지 소요량을 산정한다. 이에 본 연구의 대상 건축물의 형상, 외피, 창호, 내부 발열 스케줄 및 기후 조건을 입력한 후, 각 시나리오에 따라 패시브 설계 요소와 신재생에너지 시스템을 단계적으로 적용하였다. 이후 ECO2 계산 모듈에서 국가 고시 환산계수를 적용하여 연간 1차 에너지 소요량을 산출하였으며, 이를 기반으로 에너지자립률을 평가하였다. 에너지자립률은 신재생에너지 생산량을 총 에너지 소요량으로 나눈 비율로 정의되며, ZEB 등급 판정 지표와 직접적으로 연계된다. 특히, ECO2는 건축물 에너지효율등급 인증, ZEB 인증, 인허가 과정에서 공식적으로 채택된 시뮬레이션 도구로, 제도적 신뢰성과 실무 적용성이 공인되어 있다.
시뮬레이션 모델 개요(경계조건 및 입력)
모델은 ECO2 환경에서 중·고층 프로토타입을 대상으로 패시브–액티브–신재생 요소를 동일한 경계조건 하에 통합 평가하도록 구성하였다. 입면 설계는 WWR에 의한 열 획득/손실이 달라지므로 건물 에너지 평가의 주요 요소이다. 본 연구에서는 Figure 1과 같은 창호 입면 계획안 채택하여 WWR을 계산하여 경계조건으로 입력하였다. 기후 및 경계조건은 대상 도시에 대한 표준 기상연도를 적용하고, 용도별 냉·난방 온도 설정점과 환기량을 규정하였다. 기밀성은 기준안에서 1.5 ACH50을 적용하였으며, 1차 분석에서는 목조건축 고유의 특성(예: 우수한 기밀성, HAM 거동 등)을 별도로 반영하지 않았다. 외피·창호·일사제어(패시브) 측면에서는 외벽의 내·외단열 조합과 세부 구성(열교 저감 포함)을 변수화하고, 지역별 열관류율 기준에 부합하도록 설계하였다. 창호는 ｢건축물의 에너지절약설계기준｣ 및 ZEB 인증 기술요소를 준거로 열관류율과 향별 SC (Shading coefficient) 계수를 입력하였다. 설비·제어(액티브)는 업무시설 단위 부하 산정 절차에 따라 냉·난방 부하를 계산하고, 지열히트펌프(GSHP, Ground source heat pump)와 전기식 히트펌프(EHP, Electric heat pump)를 열원 시나리오로 가정하였다. 급탕·환기·조명은 건축물 용도 프로필, 관련 국내 설비기준 및 ASHRAE 기준을 참조하여 부하와 제어전략(스케줄·온도·점유 기반)을 설정하였다. 신재생에너지 부문은 지열과 태양광을 주요 변수로 두고, PV의 경우 모듈 효율, 경사·방위, 차광·온도 보정, 성능비를 입력하여 연간 발전량을 산정한 뒤 1차에너지로 환산하여 에너지자립률(%)을 계산하였다. 최종적으로 모든 시나리오에 대해 연간 1차 에너지(kWh/m²·yr)와 에너지자립률(%)를 산정·보고하고, ZEB 3등급 충족 여부를 판정하였다.
에너지 절감 시나리오 정의
중고층 목조건축물을 대상으로 ZEB 3등급 달성을 위하여 패시브 및 액티브 기술을 단계적으로 도입하여 2단계 체계의 에너지 절감 시나리오를 구성하였다. 각 단계에서의 시나리오는 다음과 같이 구성하였다.
-1차 단계(패시브–기후 매트릭스): (i) 4개 벽체안 × (ii) 4개 지역기후(대관령, 서울, 대전, 광주, 부산, 제주) × (iii) 단열재 두께의 연속 변화로 이루어진 매트릭스를 구성하고, 각 조합에 대해 난방·냉방 에너지 요구량을 산출하였다. 4개의 벽체는 패시브건축협회 표준주택 벽체(SIP 벽체1)_1), 삼나무 사이딩 마감 벽체(SIP 벽체_2), 스위스 취리히 주거용 CLT 건물의 외벽(CLT 벽체_1), 독일의 학교 기숙사 외벽(CLT 벽체_2)을 참고하여 목조벽체를 구성하였다(Figure 2). 각 벽체의 열관류율은 0.159, 0.213, 0.126, 0.170 W/m2·K, 두께는 309, 202, 496, 410 mm로 계산되었다. 이 단계에서, 기밀성·스케줄·설비 성능은 상수로 유지하여 단열·기후 변수의 영향도를 명확히 식별할 수 있었다.
-2차 단계(액티브·신재생 단계적 도입): 1차 단계에서 산정된 최적 벽체를 채택하고, 대상 건물의 가정 위치(대전) 기후를 고정하여 1차 에너지 분석을 수행하였다. 에너지 절감을 위한 액티브 기술로는 신재생에너지를 고려하였으며, 단계적으로 3가지 시나리오를 도입하였다. (S1) 지열만 설치, (S2) S1+옥상부 코어 및 지상주차장 내 PV 설치, (S3) S2+슬레이트 지붕 가정 후 건물일체형 태양광발전시스템(BIPV, Building-integrated PV) 설치하는 순차 시나리오를 구성하였다. 각 시나리오에 따라 연간 1차 에너지 및 에너지자립률을 산정하고, ZEB 3등급 달성 여부를 확인하였다.
중고층 목조건축물의 에너지 분석 결과
외피 설계에 따른 에너지 요구량
4개의 벽체와 국내 6개의 지역 기후(중부 1, 중부 2, 남부, 제주 지역 포함)을 대상으로 에너지 요구량을 분석한 결과(Table 3), 대관령(중부 1)에서는 벽체 U-value의 영향이 두드러지게 나타났다. 특히 SIP 벽체_2는 다른 벽체에 비해 열관류율이 0.213 W/m2·K로 높아 에너지 요구량이 크게 증가하였다. 반면 중부 2, 남부, 제주 지역에서는 벽체 유형에 따른 차이가 작게 나타났다. ｢건축물의 에너지절약설계기준｣에 따르면 외벽(공동주택 외)의 지역별 U-value 상한은 중부 1 지역 0.170, 중부 2 지역 0.240, 남부 지역 0.320, 제주 지역 0.410 W/m2·K이다. SIP 벽체_2는 중부 1 지역 기준은 충족하지 못하지만, 중부 2 지역 기준에는 부합한다. 따라서 벽체 유형에 따른 성능 편차를 최소화하려면, 가장 엄격한 중부 1 기준(≤0.170 W/m2·K)을 만족하도록 단열을 설계할 필요가 있음을 확인하였다. 한편, 지역별 에너지 요구량은 목조 외피의 특성에 따라 남부로 갈수록 증가하는 경향이 관찰되었다.
Table 3.
Energy demands for four walls and six domestic regional climate (kWh/m2)
대상 건물은 프로토타입으로 특정 위치가 정해져 있지 않으므로, 전국 적용 가능 외피를 확보하기 위해 중부 1 기준(0.170 W/m2·K)에 맞춰 각 벽체의 단열 두께를 조정하였다. 조정 결과, 각 벽체의 총 두께(단열 변경 두께)는 295(–13) mm, 242(+40) mm, 415(–81) mm, 410(0) mm로 산정되었다. 다만, SIP 벽체_2의 경우 단열 두께를 증가시켰음에도 불구하고 에너지 요구량이 소폭 증가하는 지역이 발생하였다. 이는 상대적으로 온난한 기후에서 난방부하 감소 효과가 제한적인 반면, 두꺼운 단열층에 따른 열용량 변화와 일사 취득 증가가 냉방부하에 일부 반영되었기 때문으로 해석된다. 즉, 단열 강화에도 불구하고 지역 기후 특성에 따라 총 요구량이 미세하게 증가할 수 있음을 보여준다. 그러나 그 차이는 크지 않았으며, 1차 에너지 소요량 산출에서 크게 반영되지 않는 수치로 확인되었다. 따라서, 동일한 열관류율을 갖도록 보정한 4가지 벽체의 지역별 에너지 요구량(Table 4)을 비교한 결과, U-value가 동일할 때 벽체 유형에 따른 차이는 거의 없다고 판단된다. 이에 단열 두께를 증가시켜 기준을 통일하면 에너지 관점에서 유의한 차이가 축소되며, 이때 총 두께가 CLT 벽체보다 얇게 구현가능한 SIP 벽체가 설계(공간 효율, 시공성 등) 측면에서 상대적으로 유리함을 확인하였다.
Table 4.
Regional energy demands for walls with adjusted insulation thickness (kWh/m2)
신재생에너지 시나리오별 건물에너지 평가
외피는 높은 열관류율 성능과 수분 안정성을 확보한 SIP 벽체_1을 채택하고, 대상 중고층 목조건축물이 대전에 위치한 것으로 가정한 후 신재생에너지로 지열과 지붕 PV, BIPV를 단계적으로 조합한 3가지 시나리오를 구성하여 에너지 소요량을 평가하였다. CLT 벽체는 뛰어난 열적 성능을 갖지만, SIP 대비 100 mm 이상 두꺼운 총두께로 인해 설계·공간 효율 측면에서 불리하며, 중목구조 골조로 적용한 본 프로토타입에는 SIP 벽체가 보다 적합하다고 판단하였다. 또한, 본 연구에서는 국내 제도적 맥락을 반영하기 위해 신재생에너지 의무공급비율(공급의무제, 단위: %)을 추가 지표로 설정하였다. 이는 일정 규모 이상의 건축물에 대해 총 에너지 수요의 일정 비율 이상을 신재생에너지로 공급하도록 규정한 제도로, 2025년 34%, 2030년 이후 40% 충족이 목표치로 제시되어 있다. 따라서 본 연구에서는 ZEB 등급뿐만 아니라 의무공급비율 달성 여부를 병해 검토하여, 향후 국내 중고층 목조건축 설계 시 실질적 제약 조건과 정책적 요구를 동시에 고려할 수 있도록 하였다. Table 5는 각 시나리오의 단위면적당 1차 에너지(kWh/m2·yr), 에너지자립률(%), 신재생 의무공급비율(%), 및 ZEB 3등급 충족 여부를 요약한다.
(1) 지열 설치
지하층 기준 지열 천공 104공(관 배치 및 간격 고려)을 적용하여 확보 가능한 용량은 364 RT (≈1,280 kW)로 산정되었다(Figure 3). 그 결과, 1차 에너지 소요량은 118.8 kWh/m2·yr, 에너지자립률은 7.21%로 나타났다. 이는 ZEB 3등급 기준(1차 에너지 50 kWh/m2·yr 미만, 자립률 ≥60%)을 충족하지 못했으며, 신재생 의무공급비율은 또한 28.16%로 2025년 기준치(34%)에 미달하였다.
(2) 지열 + 옥상부 코어 및 지상주차장 PV 설치
시나리오 (1)에 더해 RC 코어층 옥상부(192.42 m2)와 지상주차장 캐노피(524.95 m2)에 PV를 추가 설치하였다. 사용 모듈(2,080 × 1,030 mm2, 420 W, 효율 19.6%) 기준 총 설치용량은 140.6 kW로 산정되었다. 이 경우, 1차 에너지 소요량은 83.9 kWh/m2·yr로 감소하였고, 에너지자립률은 34.49%까지 상승하였다. 의무공급비율 31.83%로 계산되어 시나리오(1)과 같이 2025년 기준치(34%)에는 다소 미달하였으며, ZEB 3등급에는 여전히 미달하여 추가 신재생원 도입이 필요한 것으로 판단되었다.
(3) 지열 + 옥상부 코어 및 지상주차장 PV + 옥상부 BIPV 설치
추가 개선안으로 남측 옥상(332.64 m2)에 BIPV를 적용하였다(슬레이트 마감 대체). 사용 모듈(1,330 × 1,020 mm2, 245 W, 효율 18.1%) 기준 설치용량은 103.0 kW로 산정되었다. 그 결과, 1 차에너지 소요량은 70.0 kWh/m2·yr로 감소하였고, 에너지자립률 45.35%로 증가하였다. 신재생 의무공급비율은 43.58%로, 2025년 기준(34%)은 물론 20230년 이후 기준(40%)도 초과 달성하였다. 다만 ZEB 3등급 달성을 위해 요구되는 1차 에너지 임계값(50 kWh/m2·yr 미만)에는 여전히 도달하지 못하였다.
Table 5.
Regional energy demands for walls with adjusted insulation thickness (kWh/m2)
세 가지 시나리오를 비교하면, 신재생 설비 도입 규모가 확대됨에 따라 1차 에너지 소요량은 점진적을 감소하고 에너지자립률은 상승하였다. 특히 시나리오 (3)에서는 2030년 이후의 신재생에너지 의무공급 기준까지 충족하였으나, 여전히 단위면적당 1차 에너지 소요량이 높아 ZEB 3 등급 임계치에는 미달하였다. 따라서 추가적인 수요측 저감 전략이 병행되어야 한다. 예로 들어, 본 연구에서 가정한 창호 성능(U-value 1.3 W/m2·K, SC 0.34-0.69)을 현재 시장에서 보급 중인 고성능 창호(U-value ≤ 1.0 W/m2·K, SC 0.25-0.40)로 대체할 경우 냉난방 부하의 저감 효과가 기대된다. 또한 본 연구는 MEP (mechanical, electrical, and plumbing) 상세 설계안을 반영하지 못했으므로 냉난방, 급탕, 조명, 환기 부하가 보수적으로 산정되었을 가능성이 있다. 후속 연구에서 설비 용량, 부분부하 성능, 제어 전략 등을 구체화하면 1차 에너지 절감 폭은 더욱 확대될 수 있으며, 이에 따라 ZEB 3등급 달성 가능성 또한 높아질 것으로 판단된다.
결 론
본 연구는 국내 기후 및 제도 여건을 반영한 중고층 목조건축 프로토타입을 대상으로 외피-기후 매트릭스와 단계적 신재생 도입을 통합 평가한 결과, 전국 적용성을 확보하려면 중부 1 외벽 기준(≤ 0.170 W/m2·K)을 목표로 단열을 설계하는 것이 합리적이며, 동일 U-value로 정규화할 경우 벽체 유형 간 에너지 성능 차이는 미미하고 총 두께가 얇고 수분 안정성이 높은 SIP 벽체_1이 공간·시공 효율 면에서 유리함을 확인하였다. 지열, 지붕 PV 및 BIPV를 순차 도입하면 1차 에너지 소요량과 에너지자립률이 개선되었으나(최종 70.0 kWh/m2·yr, 45.36%), 지붕·외피 가용면적 제약으로 온사이트만으로는 ZEB 3등급 임계에 미달하였다. 따라서 고성능 창호((U≤1.0 W/m²·K, SC 0.25–0.40) 적용, 기밀·차양·SHGC(태양열취득계수, Solar heat gain coefficient) 최적화, 조명밀도 저감과 점유·일광 연동 제어, 부분부하 성능 개선 등 수요측 절감을 MEP 설계·제어 최적화 및 PV/BIPV 용량 확장과 병행하는 통합 전략이 필요하다. 아울러 중·고층 도심 건물의 구조적 제약을 고려해 목조건축의 기밀 대푯값 합리화, 외피·창호 성능 가이드 고도화, BIPV 활성화를 위한 설계·인허가 지원 등 정책·실무 개선이 요구된다. 본 연구는 ECO2 기반 정적 해석과 보수적 설비 가정이라는 한계를 가지며, 후속 연구로 MEP 상세 설계 반영, 부분부하·제어 알고리즘의 동적 모델링, HAM 연계(WUFI 등)를 통한 장기 거동 검증이 필요하다.
