서 론
분석 개요
해석 프로그램
공동주택 평면 형태 선정
해석 변수 설정
변수 조건별 에너지 분석 결과
세대 형태별 에너지 분석 결과
단열기준별 에너지 분석 결과
세대위치별 에너지 분석 결과
방위별 에너지 분석 결과
층수별 에너지 분석 결과
조명밀도별 에너지 분석 결과
결 론
서 론
국내 건축물 에너지효율등급 및 제로에너지건축물 인증 취득 평가 프로그램으로 ECO2가 활용되고 있다. ISO 13790과 DIN V 18599 기반 평가방법으로 냉방, 난방, 급탕, 조명, 환기에 대해 평가하고 있다(MOLIT, 2020a). 2021년 02월 23일 기준 제로에너지건축물 인증 취득 현황을 살펴보면 주거용 이외 건축물은 예비인증 686건, 본인증 26건이고, 주거용 건축물은 예비인증 18건, 본인증 3건이다(KEA, 2020). 주거용 이외의 건축물이 차지하는 비중이 대부분인 이유는 2020년부터 제로에너지건축물 인증 의무화 시작으로 연면적 1,000 ㎡ 이상의 공공기관 건축물이 이에 해당되기 때문이다. 주거용 건축물의 경우, 예비인증 현황으로 공동주택은 ZEB 5등급 10건, ZEB 4등급 1건, ZEB 3등급 1건, ZEB 1등급 1건, 단독주택은 ZEB 5등급 3건, ZEB 2등급 1건, ZEB 1등급 1건이다. 공동주택 중 ZEB 3등급 취득은 층수가 3층, ZEB 1등급 취득의 경우 층수가 8층이다. NREL 보고서에 따르면 비주거 건축물 부문에서 1층 건축물은 해당 건축물 중 약 88%, 2층 건축물은 해당 건축물 중 48%, 3층 건축물은 해당 건축물 중 12%, 4층 건축물은 해당 건축물 중 약 3%에 해당하는 건축물만 Net Zero Energy를 달성할 수 있는 것으로 분석하고 있다(Griffith et al., 2007). 따라서 고층형태화가 될수록 Net Zero Energy를 달성하기 어려운 것으로 보고 있다. 2025년부터 30세대 이상의 공동주택도 제로에너지건축물 인증 의무화로 에너지자립률 최소 20%이상(ZEB 5등급 기준)을 확보해야 하는데, 비주거 건축물과 비교하면 건축면적에 비해 층수가 높아서 높은 등급의 제로에너지건축물 달성이 어렵다. 에너지자립률은 단위면적당 1차 에너지생산량을 단위면적당 1차 에너지소비량으로 나눈 값으로 분모 값인 단위면적당 1차 에너지소비량의 최소화 방안을 우선적으로 검토해야 신·재생에너지의 의존도를 낮출 수 있다. 유사 연구의 문헌 고찰 결과 Bay 수, 발코니 유무에 따른 에너지 분석(Kim, 2015), 타워형 공동주택의 세대 위치에 따른 에너지 성능 분석(Sung and Kim, 2017), 공동주택 세대 위치, 건물 향에 따른 냉난방에너지 소비 분석(Cho and Choi, 2018), 에너지성능에 영향을 미치는 10가지 설계요소에 대해 2가지 대안별 에너지 소비 분석(Lee et al., 2018)이 선행되었고, 본 연구와 같이 다양한 설계요소를 고려한 연구는 이루어지지 않았다.
본 연구는 ECO2 프로그램을 활용하여 공동주택 세대 Type, 방위, 세대 위치, 단열 및 열원설비 기준, 층수, 조명밀도에 따른 에너지성능 추이 분석으로 2025년 공동주택 제로에너지건축물 인증 의무화를 고려한 효율적인 설계를 통해 1차 에너지소비량을 최적화하기 위한 기초자료로 제공하고자 한다.
분석 개요
해석 프로그램
건축물 에너지효율등급 및 제로에너지건축물 인증 평가에 활용되는 프로그램은 ECO2를 활용하였다. ECO2는 66개 지역에 대해 월별 평균 외기온도, 일사량 데이터를 기반으로 에너지 5대 요소인 난방, 냉방, 급탕, 조명, 환기에 대해 평가한다. 평가 결과로는 에너지 요구량, 에너지 소요량, 1차에너지 소요량, 등급용 1차에너지 소요량이 산출된다. 에너지 요구량은 설비를 제외한 건축적 요소만 고려하여 건물에서 필요로하는 에너지양을 의미한다. 에너지 소요량은 설비적 요소가 추가 고려되어 건물에서 요구되는 에너지를 충족시키기 위해 소요되는 에너지로 설비기기의 효율, 배관에서 발생하는 손실 등을 고려하여 산출된다. 1차에너지 소요량은 에너지 소요량에서 연료의 채취, 가공, 운송, 변환, 공급과정에서 발생하는 손실을 고려한 것으로 에너지 소요량에서 환산계수를 고려하여 산정된다. 이 때, 신·재생에너지가 적용되어 생산량이 발생되면 1차 에너지소비량에서 1차 에너지생산량을 제외한 값을 나타낸다. 등급용 1차에너지 소요량은 1차에너지 소요량에서 용도별 보정계수를 고려하여 산출된다. 분석 결과의 그래프 표현은 통계분석 프로그램인 STATISTICA 7을 활용하여 Whisker 형식으로 최소 값, 최대 값, 평균 값을 그래프 상에 표기하였고, 세대 형태별 본 연구에서 적용한 각각의 변수별 조건 변화에 따른 1차 에너지소비량 범위를 분석하였다.
공동주택 평면 형태 선정
본 연구는 LH 표준평면 형태에서 Figure 1과 같이 16 ㎡ Type, 21 ㎡ Type, 29 ㎡ Type, 36 ㎡ Type, 46 ㎡ Type, 59 ㎡ Type, 84 ㎡ Type을 대상으로 선정하였다. 59 ㎡ Type와 84 ㎡ Type을 제외한 평면 형태는 복도식으로 구성되어 있다.
각 평면 형태의 외피정보는 Table 1과 같다. 16 ㎡ Type, 21 ㎡ Type, 29 ㎡ Type, 36 ㎡ Type, 46 ㎡ Type은 복도식 세대 평면 형태로 외기에 직접 면한 창이 없는 반면 59 ㎡ Type과 84 ㎡ Type은 외기에 직접 면한 창이 외기에 간접 면한 창보다 면적이 더 큰 것으로 나타났다.
Table 1.
Envelope area by plan type of multi-unit dwelling
해석 변수 설정
변수 조건에 따라 공동주택 평면형태별 에너지 소비패턴을 파악하기 위해 개별난방이 적용된 공동주택으로 세대 형태, 세대 위치, 방위, 단열기준, 층수, 조명밀도를 변수로 설정하여 Figure 2와 같이 각 변수 조합에 따라 7,938번 해석을 수행하였다.
LH 평가기준 주택은 ‘에너지절약형 친환경주택의 건설기준’에서 친환경 주택 성능 평가시에 에너지 절감량 및 이산화탄소 저감량 비교 대상 주택으로 2008년 단열수준을 나타낸다(MOLIT, 2020b). LH 제로에너지 패시브 가이드라인 단열기준은 LH 내부 기준으로 2022년 기준으로 설계된 단열기준이다(LH, 2019). 지역은 서울로 설정하였고 단열기준 별 구조체 열성능 정보는 Table 2와 같다. 개별난방 설정 조건으로 LH 평가기준 단열 적용 주택은 84% 효율의 가스보일러, 에너지절약형 친환경주택의 건설기준과 LH 제로에너지 패시브 가이드라인 단열 적용 주택은 92% 효율의 콘덴싱보일러를 적용하였다.
Table 2.
Comparison of thermal transmittance by insulation criteria (W/㎡K)
변수 조건별 에너지 분석 결과
세대 형태별 에너지 분석 결과
Figure 3은 세대 형태별 본 연구에서 다룬 변수들(단열기준, 세대위치, 건물향, 층수, 조명밀도)의 결과를 산점도 형식으로 나타낸 것으로 단위세대의 전용면적이 증가할수록 1차 에너지소비량이 감소하는 것을 나타냈다. 하지만 59 ㎡ Type은 LH 평가기준 주택 단열이 적용된 경우, 전용면적이 비교적 작은 세대 형태 대비 1차 에너지소비량이 증가하는 것을 나타냈다. 세대위치는 중간세대, 층수는 35층을 기준으로 하여 검토한 결과, Table 3, Table 4와 같이 평균 열관류율과 체적 대비 외피면적의 비율인 A/V비(Area to Volume Ratio)의 영향으로 판단된다. 평균 열관류율과 A/V비는 낮을수록 에너지 측면에서 성능이 좋음을 의미하는데 59 ㎡ Type에 LH 평가기준 주택 단열이 적용된 경우, 평균 열관류율은 46 ㎡ Type보다 낮은 것을 나타냈지만, A/V비는 모든 세대 형태 중 가장 높은 수치를 나타내기 때문에 체적 대비 손실되는 외피면적이 커지는 원인으로 46 ㎡ Type보다 1차 에너지소비량이 더 높게 분석된 것으로 판단된다. 에너지절약형 친환경주택의 건설기준의 단열과 LH 제로에너지 패시브 가이드라인의 단열이 적용되면 46 ㎡ Type보다 평균 열관류율이 낮아지게 되어 1차 에너지소비량도 감소하는 것으로 나타났다. 84 ㎡ Type은 59 ㎡ Type에 비해 평균 열관류율은 높고, A/V비가 낮은 것으로 분석되었는데, 1차 에너지소비량이 84 ㎡ Type이 더 낮게 분석된 것은 A/V비의 영향이 더 큰 것으로 판단된다.
Table 3.
Average U-value (based on middle household, 35 floors)
Table 4.
A/V ratio (based on middle household, 35 floors)
단열기준별 에너지 분석 결과
세대 형태별로 단열기준에 따른 분석 결과, Figure 4와 같이 LH 평가기준 주택 단열 대비 에너지절약형 친환경주택의 건설기준 단열과 LH 제로에너지 패시브 가이드라인을 적용한 경우, 1차 에너지소비량이 대폭 감소하는 것을 볼 수 있다. 각 세대 형태별로 LH 평가기준 주택 단열 대비 평균 1차 에너지소비량 변화를 분석한 결과, 에너지절약형 친환경주택의 건설기준 단열을 적용한 경우는 59 ㎡ Type이 47.65%로 가장 큰 감소율을 나타냈고, 46 ㎡ Type이 40.69%로 가장 작은 감소율을 나타냈다. LH 제로에너지 패시브 가이드라인 단열을 적용한 경우는 16 ㎡ Type이 52.48%로 가장 큰 감소율을 나타냈고, 46 ㎡ Type이 45.40%로 가장 작은 감소율을 나타냈다. 단열기준 변화에 따라 외기에 직접 면한 구조체가 외기에 간접 면한 구조체보다 열성능 향상률이 더 큰 점을 고려하면 복도식 공동주택 평면 형태 중 전용면적이 가장 큰 46 ㎡ Type이 외기 간접 면한 구조체의 면적이 가장 큼으로 강화된 단열기준을 적용해도 감소율이 가장 작은 것으로 나타났다. 에너지절약형 친환경주택의 건설기준 단열에서 59 ㎡ Type이 가장 큰 감소율을 나타낸 것은 A/V비가 가장 크고, LH 제로에너지 패시브 가이드라인 단열에서 16 ㎡ Type이 복도식 공동주택 중 A/V비가 가장 크고 평균열관류율 개선 비율이 가장 큼으로 외피에서 발생하는 열손실도 크게 감소하기 때문이다.
세대위치별 에너지 분석 결과
세대 위치에 따른 분석 결과, Figure 5와 같이 16 ㎡ Type과 21 ㎡ Type은 우측 측벽세대가 1차 에너지소비량이 가장 크고, 그 외는 좌측 측벽세대에서 1차 에너지소비량이 가장 큰 것으로 나타났다. 이는 Table 5, Table 6과 같이 35층 기준으로 검토한 결과, 16 ㎡ Type과 21 ㎡ Type은 좌측 측벽세대가 우측 측벽세대 대비 A/V 비가 더 낮고, 외피면적이 더 작기 때문이다. 29 ㎡ Type, 36 ㎡ Type, 46 ㎡ Type, 59 ㎡ Type, 84 ㎡ Type은 좌측 측벽세대가 우측 측벽세대 대비 A/V 비가 더 높고, 외피면적이 더 크기 때문에 이러한 결과가 나온 것으로 판단된다. 각 세대 형태별로 중간세대 대비 평균 1차 에너지소비량 변화를 분석한 결과, 우측 측벽세대로 변경한 경우는 16 ㎡ Type이 13.28%로 가장 큰 증가율을 나타냈고, 84 ㎡ Type이 4.87%로 가장 작은 증가율을 나타냈다. 좌측 측벽세대로 변경한 경우는 36 ㎡ Type이 11.27%로 가장 큰 증가율을 나타냈고, 59 ㎡ Type이 5.80%로 가장 작은 증가율을 나타냈다.
Table 5.
Comparison of left and right side wall household A/V ratio by household type (based on 35 floors)
Table 6.
Comparison of left and right side wall household envelope area by household type (based on 35 floors)
방위별 에너지 분석 결과
방위는 남향, 남동향, 남서향을 비교하였으며 분석 결과는 Figure 6과 같다. 모든 세대 형태에서 평균 1차 에너지소비량은 남향이 가장 낮고, 다음으로 남동향, 남서향 순으로 나타났다. 세대 형태별 남향 기준 대비 평균 1차 에너지소비량 변화를 분석한 결과, 남동향으로 변경한 경우는 59 ㎡ Type이 1.85%로 가장 큰 증가율을 나타냈고, 36 ㎡ Type이 0.53%로 가장 작은 증가율을 나타냈다. 남서향으로 변경한 경우는 84 ㎡ Type이 2.51%로 가장 큰 증가율을 나타냈고, 16 ㎡ Type이 0.71%로 가장 작은 증가율을 나타냈다. 서울지역 수직면 일사량을 비교하면 남측면이 106.58 W/㎡, 남동측면이 103.83 W/㎡, 남서측면이 96.36 W/㎡으로 방위별 일사량 차이로 인해 난방에너지에 영향이 있는 것으로 나타났다.
층수별 에너지 분석 결과
층수는 5층~35층으로 5개층 단위로 변경하였으며, 분석 결과는 Figure 7과 같고, 층수가 증가할수록 1차 에너지소비량이 감소하는 것으로 분석되었다. 층수가 증가하면 A/V비가 감소하여 1차 에너지소비량이 감소하는 것으로 나타났다. 모든 세대 형태가 5층에서 10층으로 변화하는 구간이 가장 큰 감소폭을 나타냈고, 30층에서 35층으로 변화하는 구간이 가장 작은 감소폭을 나타냈다. 5층에서 35층으로 변화할 경우 평균 1차 에너지소비량 변화는 84 ㎡ Type이 7.33%로 가장 큰 감소율을 나타냈고, 21 ㎡ Type이 3.79%로 가장 작은 감소율을 나타냈다. 5층에서 10층으로 변화할 경우 평균 1차 에너지소비량 변화는 84 ㎡ Type이 4.27%로 가장 큰 감소율을 나타냈고, 21 ㎡ Type이 2.17%로 가장 작은 감소율을 나타냈다.
조명밀도별 에너지 분석 결과
조명밀도는 10 W/㎡~5 W/㎡으로 1 W/㎡ 단위로 변경하였으며 분석 결과는 Figure 8과 같다. 16 ㎡ Type, 21 ㎡ Type, 29 ㎡ Type은 8 W/㎡에서 7 W/㎡, 39㎡ Type은 10 W/㎡에서 9 W/㎡, 46 ㎡ Type, 59 ㎡ Type은 6 W/㎡에서 5 W/㎡, 84Type은 7 W/㎡에서 6 W/㎡로 변화하는 구간에서 평균 1차 에너지소비량이 가장 큰 감소율을 보였다. 조명밀도가 감소함에 따라 Table 7과 같이 1차 에너지소비량이 증가하는 구간이 발생했다. 이는 16 ㎡ Type과 21 ㎡ Type을 예로 Table 7 및 Table 8과 같이 실내 발열요소인 조명밀도가 낮아짐에 따라 조명에너지는 감소하지만 난방에너지가 증가하는데 조명에너지의 감소폭보다 난방에너지의 증가폭이 더 크기 때문이다.
Table 7.
Light power density change section review
Table 8.
Review of changes in primary energy consumption according to changes in light power density [kWh/㎡·yr]
결 론
본 연구는 ECO2를 활용하여 개별난방이 적용된 공동주택의 세대 형태, 방위, 세대 위치, 단열 및 열원설비 기준, 층수, 조명밀도를 변수로 에너지 추이를 분석하였다. 효율적인 에너지자립률 확보를 위해 1차 에너지소비량을 최소화해야 신·재생에너지 의존도를 낮출 수 있다. 타 건물에 비해 비교적 고층건물인 공동주택은 에너지자립률 확보가 어려워 특히 1차 에너지소비량의 최소화는 더욱 중요할 것으로 판단된다. 에너지소비량 최소화를 위해 첫 번째는 세대 평면형태의 요철부위 최소화로 A/V비를 낮추는 것이 중요하다. 이는 체적대비 외피면적이 커지면 열손실도 커지기 때문이다. 두 번째는 과도한 단열의 지양이다. 복도식 공동주택 평면인 16, 21, 29, 36, 46 ㎡ Type은 에너지절약형 친환경주택의 건설기준 단열에서 LH 제로에너지 패시브 가이드라인 단열로 변경함에 따라 1차 에너지소비량이 평균 7.25~9.65% 만큼 절감되지만 계단식 공동주택 평면인 59, 84 ㎡ Type은 평균 4.57~4.96%만큼 절감되어 복도식에 비해 비교적 효과가 낮은 것으로 나타났다. 세 번째로 방위는 최대한 남향 배치를 고려해야 하며, 일부 세대를 남동향 혹은 남서향으로 고려해야 한다면 1차 에너지소비량 감소율이 작은 평면을 우선 채택해야 한다. 남향에서 남동향으로 변경하면 36 ㎡ Type, 남서향으로 변경하면 16 ㎡ Type을 우선 채택하는 것이 효율적이다. 네 번째로 층수는 증가함에 따라 A/V비가 감소하기 때문에 1차 에너지소비량도 감소한다. 공동주택 전용면적이 클수록 1차 에너지소비량 감소율이 더 큰 것을 감안하여 고층 계획 시에 전용면적이 큰 형태를 우선적으로 고려하는 것이 유리하다. 마지막으로 조명밀도는 16, 21, 29 ㎡ Type은 8 W/㎡에서 7 W/㎡, 39 ㎡ Type은 10 W/㎡에서 9 W/㎡, 46, 59 ㎡ Type은 6 W/㎡에서 5 W/㎡, 84Type은 7 W/㎡에서 6 W/㎡로 변화하는 구간에서 평균 1차 에너지소비량이 가장 큰 감소율을 보였다. 하지만 조명밀도가 낮아짐에 따라 조명에너지 감소보다 일부 구간에서는 오히려 난방에너지가 더 많이 증가하기 때문에 무조건 조명밀도를 낮추는 것은 바람직하지 않은 것으로 나타났다. 중간세대와는 달리 좌측 및 우측 측벽세대는 측벽이 존재함에 따라 외피면적이 중간세대 대비 증가하여, 평균열관류율과 A/V비도 비교적 불리한 것으로 나타났다.
건축물 에너지효율등급은 설계도면을 바탕으로 평가하기 때문에 냉방을 위해 스탠드형 에어컨과 같은 개별에어컨에 대해서는 평가 시 제외되어 대부분의 공동주택 평가는 도서에 냉방시스템 계획이 되어 있지 않으면 냉방을 제외하고 평가한다. 본 연구에서도 냉방을 제외하고 난방, 급탕, 조명, 환기에 대해서만 평가를 진행했다. 향후 연구로 EHP 시스템이 적용된 사례를 참고하여 냉방을 포함하여 평가 시 에너지사용량 추이 분석과 본 연구에서 다루었던 변수들에 대한 상관관계에 대해 세부적으로 분석하고자 한다.
