서 론
연구의 배경 및 필요성
연구의 목적 및 범위
에너지모델 및 계측 도시가스 소비자료
표준공동주택모델 및 표준기상데이터
계측 도시가스 소비자료 수집
연구 프로세스
세대위치 그룹의 분류
기후정규화
비교분석 지표
계측 도시가스 소비자료 및 시뮬레이션 소비량 분석
계측 도시가스 소비자료의 가스 EUI 특성 및 변동성 분석
기후정규화 및 주동 수준 가스소비량 비교·분석
세대위치 그룹별 소비량 비교·분석
주향 및 지역 기후조건에 따른 세대위치 그룹별 소비특성
결 론
서 론
연구의 배경 및 필요성
전 세계적으로 탄소중립 목표 달성을 위해 건물부문의 에너지효율 향상과 탄소배출 저감이 주요 과제로 제시되고 있다(UNEP and GlobalABC, 2025). 국내에서도 건물부문은 2024년 최종에너지 소비의 21.8%를 차지하며(KEEI, 2025), 특히 전체 주택의 65.3%를 차지하는 아파트는 준공 20년 이상 재고 비율이 48.4%, 30년 이상은 19.4%로 나타났다(Statistics Korea, 2025). 이에 따라 건물부문의 에너지 절감과 탄소배출 저감을 위한 기존 공동주택의 에너지성능 개선이 필수적이다.
공동주택은 다수의 세대가 수직·수평으로 배치되며, 동일한 평면과 면적을 갖는 세대라도 위치에 따라 외기 노출면적, 열적 경계조건, 일사차폐 조건 등이 달라져 주동 내 세대위치별 에너지소비특성이 다르게 나타날 수 있으므로, 공동주택의 에너지성능 평가에서는 세대위치를 주요 분석조건으로 고려할 필요가 있다.
공동주택의 세대위치와 에너지소비 간 관계는 계측자료와 시뮬레이션을 이용하여 국내외에서 연구되어 왔다. Ling et al. (2015)은 중국 공동주택의 최대 12,104세대에 대한 4년간 난방소비량을 6개 세대위치 그룹으로 분석하고, eQUEST 모델을 이용하여 7개 도시로 분석범위를 확장하였다. 중층 중앙세대의 소비가 가장 낮고 최상층 측세대가 가장 높았으며, 세대위치별 난방소비 차이를 계수로 제시하였다. 국내 계측자료 기반 연구에서는 Heo et al. (2012)이 14층 공동주택 1개 동에서 최하·최상층의 난방용 온수사용량이 중간층보다 높고 측세대가 중앙세대보다 높은 경향을 확인하였으며, Lee et al. (2018)은 7개 단지 21세대의 난방소비량을 분석하여 중간층 측세대가 중앙세대보다 약 21.4% 높은 소비를 보임을 확인하였다. Kim and Park (2022)은 공동주택 3개 동의 84 m2형 70세대 계측자료와 EnergyPlus 모델을 비교하여, 최하층·최상층 및 측세대에서 난방소비가 증가함을 제시하였다.
또한 시뮬레이션 기반 연구에서는 Lee et al. (2015)이 공동주택에 대해 9개 세대위치를 PHPP로 분석하여 중간층 중앙세대의 난방에너지요구량이 상대적으로 낮고 최하층 및 측세대에서 증가함을 제시하였다. Cho and Choi (2018)는 74·84 m2형 공동주택의 세대위치와 주향을 조합한 240개 사례를 EnergyPlus로 분석하여 중층 중앙세대 대비 최상층 측세대의 난방에너지 증가율이 최대 32.75%임을 확인하였다. Yoon et al. (2009)은 84 m2 표준주택모델의 세대위치와 주향 및 외피단열성능을 조합한 792개 사례를 Sim-Heat로 분석하였으며, 중앙층 중앙세대 대비 다른 세대위치의 난방부하가 약 10~52% 증가함을 확인하였다.
선행연구를 종합하면 세대위치는 공동주택의 난방에너지소비에 영향을 미치는 주요 조건이며, 중간층 중앙세대에 비해 최하층·최상층 및 측세대에서 난방소비 증가하는 공통적인 특성이 확인되었다. 그러나 국내 계측자료 기반 연구는 특정 단지 또는 세대 표본을 대상으로 수행되어 거주자의 난방운전 및 재실특성 등의 영향을 포함한 분석결과를 일반화하는 데 한계가 있으며, 시뮬레이션 연구는 특정 건물 및 조건을 중심으로 분석되어 결과를 활용하여 공동주택에서 세대의 위치에 따른 전형적인 소비특성을 추정하는데 한계가 있다. 세대위치별 정량적 에너지소비정보는 세대 리모델링 효과 평가, 스마트홈 운영관리, 세대단위 디지털트윈 모델구축과 이에 기반한 공동주택 단지 디지털트윈으로 확장 등 향후 정밀한 공간해상도를 가지는 에너지소비특성정보 구축에 활용할 수 있다. 따라서 미래 연구수요에 대응하기 위한 기반 연구로서, 세대단위로 계측한 에너지데이터로 검증된 표준공동주택 모델을 세대위치 수준에서 검증하고, 이 모델을 활용하여 다양한 단지에서 활용할 수 있는 확장성을 가지는 도구로 개발할 필요가 있다.
연구의 목적 및 범위
본 연구는 Seo et al. (2014)이 개발한 표준공동주택모델과 국토교통부가 제공하는 국가건물에너지통합DB를 활용한다(MOLIT, 2026). 연구의 목적은 다음과 같다. 첫째, 계측 도시가스 소비자료와 표준공동주택모델의 주동 수준 가스 EUI 및 기준 세대위치 대비 세대위치별 소비 증가율을 비교하여, 기존 건물 단위에서 검증된 표준공동주택모델이 세대위치별 소비특성 분석에 적용 가능한지 평가한다. 둘째, 세대 소비특성이 검증된 표준공동주택모델의 확장성을 평가하기 위해 주향 및 지역 기후조건에 따른 세대위치별 가스소비량의 변화특성을 분석한다.
연구에 활용된 계측자료는 서울 지역의 1990년대 준공, 전용면적 84 ㎡인 판상형 공동주택을 대상으로 국가건물에너지통합DB에서 수집한 2018 ~ 2019년 도시가스 소비량이다. 세대별 계측자료는 비식별화를 위해 동 그룹과 세대위치 그룹으로 집계하여 수집하였다(Shin et al., 2024; Kim et al., 2026).
에너지모델 및 계측 도시가스 소비자료
표준공동주택모델 및 표준기상데이터
국내 표준공동주택모델은 Seo et al. (2014)이 1990년대 준공된 공동주택의 대표적인 건축 및 설비조건을 상세에너지모델 구축을 위해 정의하였으며, Seo (2024)가 Kim et al. (2023)이 제시한 주거용 건물에너지 벤치마크데이터를 이용하여 모델을 보정·검증하였다. 이후 Park et al. (2025)의 전용면적 및 가구원수 보정방법을 적용한 84㎡, 3인 가구 조건의 보정 벤치마크데이터를 기준으로 모델을 추가 검증하였다. 본 연구는 해당 조건으로 검증된 표준공동주택모델(이하 ‘표준모델’)을 세대위치별 소비특성 분석에 활용하고, eQUEST v3.65로 시뮬레이션을 수행하였다. Table 1은 표준모델 주요 정의값을, Table 2는 보정 벤치마크데이터와 표준모델의 연간 EUI 및 월별 소비량에 대한 CV (RMSE)와 NMBE를 나타낸다. 연간 가스 EUI에는 난방·급탕·취사 소비량이 포함된다.
시뮬레이션에서는 한국건축친환경설비학회에서 제공하는 서울 표준기상데이터를 활용하였으며, 지역 기후조건 비교에서는 동일 출처의 부산 표준기상데이터를 활용하였다(KIAEBS S-19:2024, 2025).
Table 1.
Summary of the modified prototypical apartment model based on Seo et al. (2014)
| Category | Defined Values |
| Building | Staircase type; 1990~1999; 15 stories; floor height 2.6 m |
| Geometry | Usable area 84㎡; aspect ratio 1:3 |
| Envelope | Thermal properties: Seo et al. (2014); Window SC: 0.78 |
| Orientation / WWR | South; S: 57.8%, N: 37.9%, Average: 47.3% |
| Infiltration | 0.5 ACH (Conditioned), 2.0 ACH (Unconditioned) |
| HVAC Setting | Setpoint Temperature: Heating = 20℃, Cooling = 28℃ |
| HVAC Type | Gas boiler, Eff: 92%; Air-conditioner, COP: 4.0 |
| Internal loads | LPD 2.91 W/㎡; EPD 4.95 W/㎡; NOP = 3 |
| DHW / Schedules | Design value: 45.5 L/unit; Schedules: Seo et al. (2014) |
Table 2.
Comparison of annual EUI between the prototypical model and the adjusted benchmark for an 84 m2, three-person household
| Energy Source | Energy Model | Benchmark | CV (RMSE) | NMBE |
| Elec. Consump. (kWh/㎡·yr) | 38.49 | 38.34 | 4.0% | 0.4% |
| Gas. Consump. (kWh/㎡·yr) | 111.63 | 111.59 | 11.3% | 0.0% |
계측 도시가스 소비자료 수집
1) 대상 단지 선정
시뮬레이션 결과와의 비교를 위해 대상 단지는 표준모델의 건축 및 설비조건과 유사한 서울 소재의 15층 내외, 전용면적 84 ㎡인 판상형 공동주택 중 세대별 검침이 가능한 도시가스 개별난방 단지로 선정하였다. Figure 1(a)~(e)는 선정된 단지의 주동 배치형태를 나타내며, Figure 1(f)는 세대 전면의 방위각에 따른 주향 분류기준을 나타낸다. 대상 세대의 주향은 남향(S), 남동향(SE), 남서향(SW) 및 동향(E)으로 구분하였고, Table 3은 선정된 5개 단지의 주요 건축특성과 주향별 세대수 및 계측자료의 집계방식을 나타낸다.
2) 그룹별 가스소비량 집계 및 수집
선정된 5개 단지의 세대를 동 그룹과 세대위치 그룹으로 집계하였으며, 동 그룹은 동일한 주동의 세대, 세대위치 그룹은 동일 세대위치의 세대로 구성하였다. 각 그룹에 해당하는 세대의 관리건축물대장 PK 목록을 작성하여 DataNet 연구단에서 계측자료를 요청·수집하였다 (Shin et al., 2024; Kim et al., 2026). 수집된 자료는 그룹별 세대수와 2018~2019년 월별 도시가스 소비량으로 구성되며, 이 데이터는 계량기 측정데이터로 난방·급탕·취사 소비량을 포함한다. 2020년 이후 데이터는 코로나의 영향으로 분석대상에서 제외하였다.
Table 3.
Architectural characteristics and number of units by orientation of the apartment complexes
연구 프로세스
본 연구의 진행과정은 Figure 2(a)와 같다. 먼저 주동 내 세대위치 그룹을 정의하고, 계측자료의 연도, 주향 및 세대위치별 소비특성과 변동성을 분석하였다. 이후 2018, 2019년 계측자료를 기후정규화하여 표준모델과 주동 수준 가스 EUI를 비교하고, 기준 세대위치 대비 세대위치별 소비 증가율을 비교하여 표준모델의 세대위치별 소비특성 분석에 대한 적용 가능성을 평가하였다. 마지막으로 표준모델을 활용하여 주향 및 지역 기후조건에 따른 세대위치별 가스소비특성을 분석하였다.
세대위치 그룹의 분류
세대위치 그룹은 외기 노출면적과 열적 경계조건의 차이를 고려하여 수평 위치는 외기에 노출된 측벽의 유무에 따라 측·중앙세대, 수직 위치는 최상층·중간층·최하층으로 구분하였다. Figure 2(b)는 최하층 측세대(GS), 최하층 중앙세대(GC), 중간층 측세대(MS), 중간층 중앙세대(MC), 최상층 측세대(TS), 최상층 중앙세대(TC)의 6개 세대위치 그룹을 나타내며, 단지별 그룹의 세대수는 Table 4와 같다.
Table 4.
Number of units by apartment complex and unit-position group
기후정규화
서울의 2018년 및 2019년 실제기상에 따른 계측 가스소비량을 서울 지역 표준기상데이터를 기준으로 정규화하였다. 기후정규화는 Kim et al. (2023)의 방법을 준용하여 기준온도 18℃에서 산정한 난방도일(Heating Degree Days, HDD)을 이용하였다. 도시가스 소비량 중 난방소비량만을 보정하기 위해 6~9월의 월평균 소비량을 급탕·취사에 의한 월 기저소비량으로 설정하고, 이를 12개월로 환산한 연간 기저소비량을 총 소비량에서 제외하여 난방소비량을 산정하였다. 이후 난방소비량에 식 (1)의 기후정규화계수를 적용하고 기저소비량을 다시 합산하였다.
여기서, 는 계측연도 y의 기후정규화 계수, 는 서울 지역 표준기상데이터의 난방도일, 는 계측연도 y의 난방도일이다. 은 2,546.87℃·day이며, 는 2,818.14℃·day이고 는 2,553.80℃·day로, 은 0.904, 는 0.997로 산정되었다.
비교분석 지표
가스 EUI는 집계그룹의 연간 도시가스 소비량을 해당 그룹의 총 전용면적으로 나누어 식 (2)와 같이 산정하였다.
여기서, 는 집계그룹 의 연간 가스 EUI (kWh/m2·yr), 는 연간 도시가스 총 소비량(kWh/yr), 는 세대수, 는 세대당 전용면적(m2)이다. 집계그룹별 소비수준과 변동성은 평균과 변동계수(Coefficient of Variation, CV)로 평가하였다. 세대위치별 소비특성은 MC를 기준으로 다른 세대위치의 가스 EUI 증가율을 식 (3)과 같이 산정하였다.
여기서 는 세대위치 그룹 i의 MC 대비 가스 EUI 증가율(%)이다. 계측자료와 표준모델의 세대위치별 소비특성 재현 정도는 두 자료의 소비 증가율 차이의 평균절대오차(Mean Absolute Error, MAE)로 평가하였고, 식 (4)와 같이 산정하였다.
여기서 n은 MC를 제외한 비교대상 세대위치 그룹의 수이며, 계측자료와 표준모델 간 세대위치별 소비 증가율의 평균적인 차이를 평가하는 지표이다.
계측 도시가스 소비자료 및 시뮬레이션 소비량 분석
계측 도시가스 소비자료의 가스 EUI 특성 및 변동성 분석
기후정규화 이전 계측자료를 대상으로 연도별 소비수준과 주향 및 세대위치에 따른 소비특성을 분석하였다. Figure 3은 2018년과 2019년 동별 연간 가스 EUI와 그 분포를 나타낸다. 전체 평균 동별 가스 EUI는 2018년에서 2019년으로 7.8% 감소하였으며, 같은 기간 서울의 HDD는 9.4% 감소하였다. 반면, 동별 가스 EUI 간 변동계수는 2018년 6.51%, 2019년 6.25%로 유사하게 나타났다. 따라서 연도별 평균 소비수준은 기후 조건에 따라 달라졌으나, 동별 가스 EUI의 상대 변동성은 유사한 수준으로 유지되었다.
Figure 4는 2018, 2019년 주향별 동별 연간 가스 EUI의 차이를 비교한 결과이다. 두 연도 모두 남향(S)이 평균 동별 가스 EUI가 가장 낮았다. 남향을 기준으로 한 주향별 소비 증가율은 2018년 동향(E), 남동향(SE), 남서향(SW)에서 각각 8.1%, 6.1%, 4.8%였으며, 2019년에는 7.4%, 5.8%, 3.7%로 나타났다. 두 연도 간 남향 대비 주향별 소비 증가율의 차이는 0.7~1.2%p로 작게 나타나, 연도별 절대적인 소비수준의 차이에도 주향에 따른 소비특성이 유사하게 유지되었다. 이에 따라 표준모델과 동 단위 비교에서는 기후정규화한 2018~2019년의 가스 EUI를 평균하여 주향별 대표 계측값을 산정하고, 표준모델의 동일 주향 조건과 비교하였다.
Figure 5는 2018년과 2019년의 세대위치 그룹별 소비특성을 비교한 결과이다. 수직위치에 따른 소비수준은 두 연도 모두 최하층, 최상층, 중간층 순으로 동일하게 나타났다. MC를 제외한 5개 세대위치에 대해 2018년과 2019년의 MC대비 소비 증가율 차이의 절대값을 산정한 결과, GC, MS, 및 TS에서는 약 2.0 ~4.5%p로 비교적 작게 나타난 반면, GS와 TC에서는 각각에서 9.4%p와 6.1%p로 나타났으며, 5개 세대위치의 연도 간 차이 절댓값 평균은 4.82%p였다. 또한 중간층에서는 측세대가 중앙세대보다 높은 소비를 보인 반면, 최하층·최상층의 측·중앙세대 간 소비관계는 연도별로 다르게 나타났다. 이는 Table 4와 같이 중간층에 비해 최하·최상층의 집계 세대수가 상대적으로 적다는 점을 고려하여 해석할 필요가 있다. 따라서 이후 세대위치 비교에서는 연도별 값을 평균하여 연도별 변동의 영향을 완화하였다.
기후정규화 및 주동 수준 가스소비량 비교·분석
Figure 6은 기후정규화한 2018~2019년 계측자료의 평균과 표준모델의 주향별 가스 EUI를 비교한 결과이다. 남향(S)을 기준으로 계측자료의 가스 EUI는 E, SE, SW에서 각각 약 7.7%, 5.8%, 4.0% 증가하였으며, 표준모델에서는 각각 6.0%, 4.3%, 2.1% 증가하였다. 따라서 남향 대비 주향별 상대 소비 증가율의 차이는 계측자료와 표준모델 간 1.5~2.0%p로 나타나, 주향에 따른 소비 변화는 전반적으로 유사하였다. 절대 소비수준은 표준모델이 계측 평균보다 주향에 따라 7.1~9.6 kWh/m2·yr 낮게 나타났다. 표준모델의 E, SE 및 S향 가스 EUI는 계측자료의 분포범위 내에 위치하였으나, 제1사분위수보다 낮은 수준을 보였다. 이러한 절대 소비수준의 차이는 표준모델이 중부지역의 주거용 건물 에너지 벤치마크를 기준으로 보정된 전형적인 공동주택 모델이며, 반면 계측 자료는 서울 지역에 한정되며, 실제 가구원 수, 급탕·취사 사용량, 외피성능 및 사용자 난방행태 등 다양한 조건의 차이가 복합적으로 반영된 결과로 해석할 수 있다. SW향의 경우 표준공동주택 모델의 가스 EUI가 계측자료의 최솟값보다 낮게 나타났으나 비교대상 동 그룹이 3개에 불과하여 계측자료의 분포를 대표하기에는 표본 수가 적으므로 해당 결과의 분포 비교에는 상대적으로 큰 불확실성이 있다.
세대위치 그룹별 소비량 비교·분석
Figure 7은 MC를 기준으로 산정한 세대위치별 가스 EUI 증가율을 계측자료와 표준모델 간 비교한 결과이다. 이때 계측자료의 세대위치별 값은 주향을 구분하지 않고 각 세대위치에 해당하는 세대를 통합하여 산정한 것이다. 두 자료에서 세대위치별 소비순서는 GS, GC, TS, TC, MS, MC로 동일하게 나타났다. 증가율 차이는 GS와 MS에서 각각 0.7%p와 0.4%p로 매우 작았으며, TS에서도 4.5%p로 나타났다. 반면 GC와 TC에서는 각각 8.2%p와 7.4%p의 비교적 큰 차이를 보였다. MC를 제외한 5개 세대위치 증가율의 MAE는 4.24%p로 산정되었다. 이는 Figure 5에서 확인한 2018~2019년 세대위치별 증가율의 차이의 절대값 평균인 4.82%p와 유사한 수준으로, 모델과 계측자료 간 차이가 계측자료 자체의 연도 간 변동과 비교해서 크지 않음을 보여준다. 따라서 일부 최하층 및 최상층 세대에서 증가폭의 차이는 나타났으나, 표준모델은 세대위치에 따른 소비순서와 소비 증가율의 전반적인 소비특성을 계측자료와 유사하게 재현하는 것으로 나타났다.
주향 및 지역 기후조건에 따른 세대위치 그룹별 소비특성
앞선 분석에서 표준모델의 세대위치별 소비특성 분석에 대한 적용 가능성을 평가하였으며, 이를 이용하여 주향 및 지역 기후조건에 따른 세대위치별 가스소비특성을 분석하였다. Table 5는 서울지역의 주향별 MC 대비 가스 EUI 증가율을 나타낸다. 남향(S)과 비교하여 남동향(SE), 남서향(SW) 및 동향(E)에서는 세대위치별 증가율이 전반적으로 감소하였으며, 이는 해당 주향에서 MC의 소비수준이 증가하여 외기 노출에 따른 세대위치별 증분 소비량의 상대적 비중이 감소했기 때문으로 판단된다. Figure 8은 남향 조건에서 서울과 부산을 비교한 결과로, 부산의 MC 대비 증가율은 GS와 GC에서 각각 3.6%p와 3.7%p, TS와 TC에서 각각 1.4%p와 1.8%p 높았으며 MS는 동일하였다. 이는 난방부하가 작은 부산에서 MC의 소비수준이 낮아지면서 외피 노출에 따른 증분 소비량의 상대적 영향이 커진 결과로 해석된다.
결 론
본 연구는 서울지역 5개 공동주택 단지 2,212세대의 계측 도시가스 소비자료와 표준모델을 비교하여 모델이 세대위치별 소비특성 분석에 적용 가능한지 평가하고, 주향 및 지역 기후조건에 따른 세대위치별 가스소비특성을 분석하였다. 본 연구의 주요 결과를 요약하면 다음과 같다.
첫째, 주동 수준에서 표준모델의 가스 EUI는 계측 평균보다 주향별 6.0~7.8% 낮게 나타났으나, 남향 대비 주향별 소비 증가율의 차이는 1.5~2.0%p로 나타나 주향에 따른 소비 변화는 전반적으로 유사하였다. 둘째, MC 대비 세대위치별 소비 증가율은 계측자료와 표준모델에서 동일한 소비순서를 보였으며, MAE는 4.24%p로 계측자료의 2018~2019년 세대위치별 소비 증가율 차이의 절댓값 평균인 4.82%p와 유사한 수준이었다. 이를 통해 본 연구의 대상 및 분석조건 범위에서 표준모델이 계측자료의 세대위치별 소비순서와 소비 증가율의 전반적인 특성을 재현하며, 세대위치별 소비특성 분석에 적용 가능함을 확인하였다.
셋째, 표준모델의 세대위치별 소비순서는 GS, GC, TS, TC, MS, MC 순으로 나타나 최하층과 최상층의 소비가 높고 중간층 중앙세대(MC)가 가장 낮았다. 이러한 소비순서는 주향 및 지역 기후조건이 달라져도 전반적으로 유지되었다. 반면 MC 대비 세대위치별 소비 증가율은 MC의 소비수준이 높아지는 조건에서 감소하고, MC의 소비수준이 낮아지는 조건에서 증가하는 경향을 보였다. 이는 기준 세대위치의 소비수준과 외기 노출에 따른 세대위치별 증분 소비량의 관계에 따라 상대적인 소비차이의 크기가 달라질 수 있음을 보여준다.
본 연구 결과는 공동주택의 세대위치에 따른 가스소비량의 차이를 정량적으로 밝히고, 검증된 에너지모델을 이용하여 세대위치별 가스소비량의 차이를 유사하게 추정할 수 있음을 제시하고 있다. 이러한 결과는 리모델링 및 에너지성능 평가 시 세대위치를 수준까지 상세하게 활용할 수 있고, 에너지모델을 활용 시 보다 상세하고 다양한 추정결과를 리모델링 설계, 성능인증, 디지털트윈 모델 개발 등에 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 다만, 본 연구는 서울지역의 1990년대 준공, 전용면적 84 m2 판상형 공동주택을 대상으로 하였으며, 일부 세대위치의 표본수가 제한적이며, 계측 가스소비량의 HDD 기반 기후정규화 과정에서 기저소비량을 가정한 한계가 있으므로, 이를 결과의 해석에 참고해야 한다. 또한 세대위치 그룹별 비교에서는 표본수 확보를 위해 주향을 구분하지 않았으므로, 주향에 따른 영향이 일부 포함되었을 가능성이 있다. 향후에는 분석대상과 표본수를 확대하고 인접 주동의 배치 및 일사차폐 영향을 추가로 고려하여 세대위치별 소비특성 분석에 표준모델을 적용할 수 있는 조건과 범위를 확장할 필요가 있다.
