서 론
연구의 목적
신기후체제 출범에 대응한 에너지 산업의 패러다임 전환이 요구되며 온실가스 감축을 위해 탄소 배출이 높은 에너지 분야에서 노력이 필수적이다. 이에, 온실가스 감축의 실질적 대안으로 산업통상부와 국토교통부에서 에너지 신산업을 선정하였으며, 특히 ‘제로에너지 빌딩’을 각각의 신산업으로 선정하였다. 이에, 제로에너지 빌딩 의무화 로드맵을 통해 2020년까지 공공 신축 건물, 2025년까지 민간 신축 건물의 제로에너지 빌딩 의무화를 규정하였다.(관계 부처 합동, 2015)
제로에너지 빌딩 실현을 위한 기술요소는 패시브(Passive) 기술과 액티브(Active) 기술의 조합을 기본으로 하며 적용된 요소 기술들의 효과를 검증하고 이를 설계 또는 리모델링 계획단계에 활용한다. 또한, 성과검증을 기반으로 하여 절감 요소 기술들과 신재생에너지 기술의 경제성 평가를 수행하여 최종적으로 제로에너지 빌딩을 구현한다.
특히, 설계지침을 통한 가이드라인 제시는 제로에너지 빌딩 보급·활성화를 위해 중요한 부문이다. 이에, 시뮬레이션을 기반으로 하여 에너지 요구량, 소비량 및 소요비용 등을 정량적으로 분석하여 계획단계에서 활용이 가능한 설계지침을 제시하는 연구(신현철, 2015)가 선행되었다.
또한, 제로에너지 빌딩 보급·활성화를 위해서는 경제성 확보가 필수적이다. 이에, 시뮬레이션을 기반으로 그린 리모델링 요소들의 경제성 지수, 에너지 비용 절감률 등의 분석을 통해 타당성을 검토하여 도출된 그린 리모델링 요소를 적용한 case와 일반 리모델링 요소를 적용한 case의 비교 분석 선행연구(손원득, 2015)가 수행되었다.
특히, 기존 건축물은 제로에너지 빌딩 대비 75%의 성능을 갖도록 하는 그린 리모델링 기술이 핵심 사항이다. 이에, 기존 건축물에 창호교체 그린 리모델링을 통한 에너지 사용량 변화의 비교·분석에 관한 연구(장문기, 2016)를 수행하였으며, 노후화된 공공건물에 대한 그린 리모델링 시범사업 모범사례를 선정하여 에너지 소비량 분석을 통해 효과 검증 연구(박보랑, 2015)를 수행하였다.
본 연구에서는 기존 건축물 대상 에너지 성능 향상을 위해 적용된 기술의 성능검증을 수행하였다. 적용된 기술들의 성능검증을 위해 실증사이트를 기반으로 국제 기준을 적용하였으며, 기존 건축물에 적용된 패시브 및 액티브 기술들의 정량적인 성과를 검증하고 기술별 효과를 비교·분석하고자 한다.
연구방법
대상건축물 개요
대상 건축물은 1984년에 준공된 노후화된 공공건축물로 2012년, 2014년 그리고 2015년에 걸쳐 총 4번의 에너지 절약 사업을 진행하였다. Table 1은 대상 건축물의 기본 정보를 보여준다.
대상 건축물은 공공건물로 인사이동 등에 따른 건물 내 실용도 변화가 존재한다. 특히, 2013년 별관 신축에 따라 대상 건물의 실별 용도 변화가 크게 일어났다.
성과검증 방법론
본 연구에서는 에너지 절약사업을 수행한 기존 건축물을 대상으로 하여 에너지 절약사업 적용 전·후의 에너지 절감량 검증하고, 각각의 에너지 절약 아이템의 효과분석을 목적으로 한다. 대상 건축물의 에너지 절약 사업에 따른 성과검증을 위하여 미국 DOE (Department of Energy)에서 개발된 SEP (Superior Energy Performance) EnPI (Energy Performance Indicator) V4.0 Tool을 적용하였다. 성과검증을 위한 모델식 산출을 위해 다중 선형 회귀분석 모형이 적용되었다. 산출된 모델식의 유효성 판단을 위한 Model p-value, Variable p-value, R2 값 기준은 Table 2에 나타내었다.
EnPI V4.0을 활용하여 2011년 데이터를 베이스라인으로 선정, 2012년 - 2015년에 대해 Forecast 방법론을 적용하여 에너지 사용량에 대한 성과검증을 수행하였다.
변수 선정
변수는 크게 종속변수와 독립변수로 구분된다. 본 성과검증에서 종속변수로 에너지 사용량인 전력 사용량과 가스 사용량을 선정하였다. 독립변수는 종속변수에 영향을 주는 인자들을 선정하였으며, 상세한 변수는 Table 3에 나타내었다.
종속변수
회귀 분석 수행을 위하여 2011년 - 2016년 월별 에너지 사용량(전기, 가스)을 종속변수로 선정하였으며 에너지원에 따른 성과검증을 수행하였다. Figure 1은 대상 건물의 에너지 흐름도를 보여준다. 대상 건물의 에너지 공급은 외부에서 공급되는 전기와 가스 그리고 자체적으로 생산하는 태양광 에너지로 구분된다. 공급된 에너지는 냉·난방, 급탕, 조명, 환기, 기타 부분에 에너지원으로 사용된다.
Table 4는 대상 건물에서 전력이 사용되는 대표적인 설비/기기를 나타낸다.
전력을 주 에너지원으로 사용하는 설비들 중 냉·난방 및 환기 부하에 해당하는 설비는 기후조건이 큰 영향인자로 작용한다. 반면, 조명 및 전열기기 그리고 엘리베이터는 사용자 에너지 사용형태에 따라 영향을 받는다. 또한, 대상 건물은 태양광이 설치되어 있는 건물로 전력 생산량의 중요한 영향 변수다. 대상 건물에서 가스를 에너지원으로 사용하는 대표적인 설비로는 흡수식 냉온수기 및 가스보일러가 있다. 두 설비 모두 냉·난방을 위해 사용되는 설비로 기후조건과 건물 사용 시간에 영향을 받는다. 특히, 종속변수 중 전력 사용량은 사용자가 사용하는 공간의 큰 영향을 받는 변수이다. 본 대상지는 공공기관으로 정기적인 인사이동에 따라 각 실의 용도 변화가 존재한다. 성과검증기간인 2010년부터 2016년 사이 총 4번의 실용도 변화가 있었으며 특히, 2014년 건물 1개동 신축에 따라 실의 용도 변화가 크게 일어났다. 이에, 업무공간의 연면적 변화가 발생하였으며 이는 성과검증 시 고려되야 할 필수 인자로 판단된다. 하지만 업무공간 연면적은 월별 변동되는 값이 아니기 때문에 성과검증 수행 시 독립변수로는 적용이 부적합하다. 따라서 업무공간 면적 변화에 따른 전력 사용량을 보정하여 종속변수로 활용하였다.
독립변수
독립변수는 날씨 지표와 건물 사용 행태 지표로 구분하여 평균기온, 습도, 난방도일(HDD), 냉방도일(CDD), 체감온도, 일조시간, 일조율, 근무일수 총 8개의 독립변수로 선정하였다.
날씨지표
날씨 지표는 대상 건물이 위치한 지역의 기상청 데이터를 적용하였다. 특히, 평균기온은 대상 건물이 주로 사용되는 시간인 8시~19시의 값만 추출하여 일평균을 산출하였다.
건물 사용행태 지표
건물 사용 행태 지표는 건물 사용자의 에너지 사용 행태 파악을 위한 실태조사를 기반으로 개발되었다. 건물의 사용일수, 조명관리, 냉·난방기 관리 등 에너지 사용량에 영향을 줄 수 있는 영향인자들을 고려하여 건물관리자 인터뷰를 통해 조사를 수행하였다. Table 5는 에너지 사용 행태 실태조사 내용을 간략하게 보여준다.
결과 및 고찰
본 연구에서는 노후화된 공공건물의 에너지 절약사업에 따른 에너지 절감 성과검증을 위해 날씨 지표 및 건물 사용 행태 지표를 선정하여 성과검증을 수행하였다. 에너지원에 따라 에너지 절약사업 성과를 검증하였으며, 연구결과는 다음과 같다.
전력 사용량
성과검증 결과로 도출된 전력 사용량 모델링결과는 Table 6과 같다.
8개의 독립변수 중 평균기온, 체감온도, 일조시간, 일조율, 근무일수가 전력 사용량에 높은 영향을 주는 인자로 도출되었다. 평균기온은 에너지 사용량에 영향을 주는 기본적인 독립변수로 전력에 영향을 주는 인자로 도출되었다. 특히, 전력은 건물관리자가 아닌 사용자가 직접적으로 동작하여 사용하는 조명, 전열기기, 엘리베이터 등의 설비들이 주로 사용하고 있다. 따라서, 체감온도와 근무일수가 주요 독립변수로 선택되었다. 또한, 대상 건물은 태양광이 설치되어있어 일조시간, 일조율이 주요 독립변수로 선택되었다.
Figure 2는 실제 전력 사용량과 모델링 된 전력 사용량을 보여준다. 베이스라인인 2011년 실제와 모델링 된 전력 사용량은 R2는 0.742로 비교적 높은 수치를 보이며, 7월 에너지 사용량이 비교적 큰 차이를 보인다.
Figure 3은 연별 전력 사용량 성과검증 결과는 보여준다. 2011년 실제 전력 사용량을 베이스라인으로 하여 2012년부터 2016년까지 연간 전력 절감량을 도출하였다. 2013년, 2015년, 2016년은 리모델링을 통해 각각 77.5 MWh, 63.7 MWh, 117.0 MWh 전력 사용량이 절감된 반면 2012년과 2014년에는 반대로 전력 사용량이 증가되었다.
먼저, 2012년에는 약 10개월에 걸쳐 냉·난방기기 교체와 더불어 노후화된 배관 공사를 수행되었다. 이에 따라 일부 냉·난방기기 가동이 중지되었으며, 냉·난방기기의 부하가 전력으로 대체되었을 판단된다. 또한 2012년 대상지에서 여러 번의 큰 행사가 진행되었으며 이는 2012년 전력 사용량 증가에 큰 요인에 기인된다. 2013년은 냉·난방기기 교체가 완료된 시점임과 동시에 2012년 1달간 진행된 조명 교체가 완료된 시점이다. 따라서 냉·난방기기 및 조명 교체의 성과로 77.5 MWh의 전력 사용량이 절감되었다. 2014년은 약 1년에 걸쳐 기존의 노후 창호를 고효율 창호로 교체하는 공사가 진행되었고 이는 냉·난방 에너지 손실의 원인이 된다. 또한, 2014년 대상지 내 신축건물 완공에 따라 큰 인사이동이 발생하였다. 이 과정에서 전력 사용량 증가가 일어난 것으로 판단된다. 2015년에는 1년에 걸쳐 외벽의 단열패널을 설치하는 공사가 진행됨과 동시에 2014년에 완료된 창호교체 효과가 나타내는 시점이다. 이러한 요인으로 2015년의 전력 사용량은 63.7 MWh 감소하였으며 외벽 공사까지 완료된 2016년에는 117.0 MWh의 전력 사용량이 감소하였다.
가스 사용량
성과검증 결과로 가스 사용량 모델링 결과는 Table 7과 같다.
전체 독립변수 중 평균기온, HDD, CDD, 일조시간, 근무일수가 가스 사용량에 높은 영향을 주는 변수로 도출되었다. 평균기온은 전력 사용량과 동일하게 에너지 사용량에 영향을 주는 기본적인 독립변수로 가스 사용량에 영향을 주는 변수로 도출되었다. 가스 사용량은 냉·난방에 사용되는 설비들의 직접적인 영향을 받는다. 따라서, 냉·난방 가동일수를 나타내는 HDD와 CDD가 주요 독립변수로 선택되었다. 또한 건물에 재실자가 존재하여 냉·난방 설비를 가동하는 가스 사용량에 큰 영향을 미치는 근무일수가 주요 독립변수로 도출되었다. 대상 건물의 냉·난방 설비 제어방법은 온도 제어로 실내온도가 중요한 요인이다. 실내온도는 평균기온뿐만 아니라 일조시간 및 일조율의 영향을 받는 인자이다. 이에, 일조시간이 주요 독립변수로 선택되었다.
Figure 4는 실제 가스 사용량과 모델링 된 가스 사용량을 보여준다. 2011년의 실제 가스 사용량을 베이스라인으로 하여 산출된 가스 사용량 모델식의 R2는 0.8522로 높은 수치를 보이며, 2011년 모든 월에서 모델링 된 값과 실제 전력 사용량이 거의 일치하는 경향을 보인다.
Figure 5는 연도별 가스 사용량 성과검증 결과를 보여준다. 베이스라인으로 2011년 실제 가스 사용량을 선정하였다. 2012년부터 2016년까지를 성과검증기간으로 선정하여 절감된 가스 사용량 검증을 수행하였다. 가스 절감량은 매년 증가하는 추세를 보이며 특히, 2015년은 큰 증가폭을 보인다. 2012년에 기존의 노후화된 냉·온수기와 보일러 일부를 고효율 냉온수기로 교체하는 리모델링을 진행하였다. 본 냉·난방 설비 교체 리모델링 및 교체기간에 따른 설비 중단 효과로 2012년과 2013년의 가스 사용량이 감소하였다. 2014년에는 노후화된 창호를 고기밀의 창호로 교체하는 리모델링을 수행했으며 기밀 강화로 인해 2015년 가스 사용량이 전년도 대비 약 70% 더 절감된 것으로 해석된다. 특히, 2015년의 절감량이 2014년 대비 급격하게 증가하였는데 이는 창호교체에 따른 효과가 다른 리모델링 기술과 대비하여 큰 영향을 미치는 것을 의미한다. 2015년에는 외벽의 단열패널을 설치하는 리모델링을 진행하였으며 이에 따라 2016년에는 29,624 m3의 가스 사용량이 감소하였으며 이는 2011년 사용량의 약 52%에 해당한다.
Table 8은 2012년부터 2016년까지의 검증기간 동안의 절기별 가스 절감량 평균값을 보여준다. 절기는 전력 사용량 분석과 동일하게 동절기, 하절기 및 간절기로 구분하였다. 월평균 절감량은 하절기, 동절기, 간절기 순서대로 높은 값을 보인다. 냉·난방 설비가 주로 가동되는 하절기와 동절기의 절감량이 상대적으로 크며 냉·난방 설비의 가동률이 낮은 간절기의 절감량은 다른 절기 대비 다소 낮은 값을 보인다.
총 에너지사용량
대상 건축물의 에너지원은 전력과 가스이다. 이에, 전력 및 가스 사용량 성과검증 결과를 종합하여 총 에너지 사용량 분석에 활용하였다. Figure 6은 연도별 총 에너지 사용량의 성과검증 결과를 보여준다. 총 에너지 절감량은 2012년의 배관 공사 등에 따라 다소 증가하는 경향을 보인다. 하지만 공사가 완료된 시점인 2013년에는 32.8 TOE 감소하였다. 2014년에도 2012년과 동일하게 공사에 따른 영향으로 2011년 대비 큰 변화가 없으나 2015년에는 2014년 진행한 에너지 절약사업의 결과로 43.2 TOE 감소하였으며 모든 에너지 절약사업의 효과를 포함하는 2016년에는 가장 많은 57.8 TOE가 감소되었다.
Table 9는 에너지 절감사업별 성과검증 결과를 보여준다. 에너지 절감사업별 성과검증을 위해 에너지 절약사업 진행을 위한 공사에 영향을 받지 않는 시점인 2013년과 2016년을 대상으로 수행하였다.
2013년의 절감량은 고효율 흡수식 냉온수기와 LED 조명 에너지 절약사업을 통해 기인된 결과이며, 2016년의 절감량은 4개 에너지 절약사업 모두의 효과가 종합적으로 나타낸 결과이다. 각각의 에너지 절약사업 분리를 위하여 2013년 절감량을 고효율 흡수식 냉온수기와 LED 조명 절감량으로 설정하고, 2013년 대비 2016년 추가 절감량을 창호교체와 외벽 단열패널 공사에 따른 효과로 가정하여 분석을 수행하였다.
먼저, 효율 흡수식 냉온수기와 LED 조명 교체에 따른 성과검증을 위하여 LED 조명 교체에 따른 에너지 절감량을 아래 식과 같이 산출하여 성과검증 결과를 산출하였다. 창호교체와 외벽 단열패널 공사는 각각의 효과 산출을 위한 경계 분리의 한계로 인하여 2개의 사업의 효과를 함께 산출하였다.
여기서,
ESLED,annual: LED 등 교체사업을 통한 에너지절감량(kWh)
C: 조명 용량(W)
N: 조명 수량(개)
hannual: 연간 조명 사용시간(hr)
I: 조명종류, i = 1, ..., 4
before: 에너지절약사업 전
after: 에너지절약사업 후
결 론
본 연구에서는 EnPI를 기반으로 기존 건축물 리모델링 사업 성과검증을 위하여 종속변수와 독립변수를 선정하였으며, 2011년을 베이스라인으로 하여 성과검증을 수행하였다. 리모델링은 2011년부터 2016년까지 총 4번의 사업이 진행되었으며 그 결과는 다음과 같다.
(1)노후화된 흡수식 냉온수기 및 보일러를 고효율 흡수식 냉온수기로 교체를 통해 연간 26.9 TOE 에너지가 절감되었다.
(2)형광등을 LED 조명으로 교체를 통해 연간 5.9 TOE가 감소되었다.
(3)외벽 단열패널 설치 및 노후화된 창호 교체 사업을 통해 24.9 TOE가 절감되었다.
흡수식 냉온수기 교체에 따른 절감량이 가장 크며, 창호 및 단열패널 그리고 LED 조명 순으로 효과가 큰 것으로 해석된다. 대상 건물은 에너지 절감을 위한 활동으로 패시브(Passive) 요소와 액티브(Active) 요소의 효과는 거의 유사하다고 판단할 수 있다. 비용 측면의 관점는 고효율 흡수식 냉온수기의 교체비용이 창호 교체와 단열패널 설치비용 대비 다소 저렴한 기술로써 비용 효율적인 기술로 해석이 가능하다.
