KIEAE Journal
[ Research Articles ]
The International Journal of The Korea Institute of Ecological Architecture and Environment - Vol. 18, No. 6, pp.111-119
ISSN: 2288-968X (Print) 2288-9698 (Online)
Print publication date 31 Dec 2018
Received 30 Nov 2018 Revised 06 Dec 2018 Accepted 11 Dec 2018
DOI: https://doi.org/10.12813/kieae.2018.18.6.111

사례를 통한 제로 및 플러스에너지 주거단지의 에너지 컨셉 고찰 : 독일지역을 중심으로

이응직*
A Energy Concept Review of Zero- and Plus Energy Settlement through the Case Analysis : Focused on German Case
Lee, Eung-Jik*
*Dept. of Architectural Engineering, Semyung Univ. South Korea drlee@semyung.ac.kr


ⓒCopyright Korea Institute of Ecological Architecture and Environment

Abstract

Purpose:

For a future-oriented sustainable residential settlement that should focus on low energy and CO2 emission reduction, the energy concept of residential settlement should be specifically planned. So far, the domestic phenomenon Zero and Plus energy house has been developed and applied to buildings. However, the settlements application ist not running smoothly. The aim of this study is therefore to determine the energy concept for the settlements using the Zero and Plus energy house techniques and to secure basic data for the future realization of the settlements.

Method:

The research process was first conducted theoretical review from the Literatures. In addition, the cases in this area in Germany were examined and analyzed. This derived the properties and effects.

Result:

The conclusion is as follows: First, the energy efficiency of the building should be improved by passive house building level. Secondly, the forms and components of the settlements must be taken into account in the early planning stage to enable energy-saving and low-CO2 emissions settlements. The corresponding elements are the incense of the building, the building distance and the wind route. third, the aggressive use of renewable energy is essential and most energy resources available in or around the settlement are available. It is used as a distributed energy system. Fourth, heat supply by heat pump is a good solution.

Keywords:

Zero and plus energy settlement, Energy concept, Renewable energy

키워드:

제로 및 플러스에너지 단지, 에너지 컨셉, 재생에너지

1. 서론

1.1. 연구의 배경 및 목적

지구환경보존을 목적으로 하는 ‘신(新)기후체제’의 파리협정(Paris Agreement) 발효로 인해 생활 각 분야에서의 CO2 배출 감축 요구가 엄격해지고 있음이 근래의 세계적 추세이다. 한국의 경우 2030년까지 배출전망치(BAU) 대비 37%를 감축목표를 제시한바 있고, 2018년 6월 발표된 정부의 ‘2030국가온실가스감축 기본로드맵 수정(안)’의 초안에서 건축물 분야 비중을 기축건물효율화를 포함하여 총 32.7%로 잡고 있다. 그러므로 건축분야에서의 ‘건축물에너지 절약설계 기준’이나 ‘제로에너지건축물인증제’ 등의 관련 제도 강화는 자연적인 흐름이라 볼 수 있다. 특히 ‘제로에너지 하우스 의무화’는 유럽을 비롯한 세계 주요 건축정책으로 자리 잡고 있고 국내 경우에도 2020년부터 공공건물 그리고 2025년부터 모든 신축건물 시행이라는 로드 맵을 설정하고 있는 것으로, 이는 건축분야도 새로운 패러다임으로 기후변화 대응에 동참하고 있다는 방증이다. 실질적으로 이미 그에 준하는 패시브하우스를 비롯한 제로에너지 및 플러스에너지하우스 등에 관련된 연구가 진행되었고 일부 지방자치단체는 제로에너지하우스 단지조성에 착수하기도 하였다. 이러한 움직임은 궁극적으로 미래지향적인 지속가능한 주거단지 및 도시계획의 중심인 저에너지와 CO2 배출저감이라는 목표를 이루기 위한 노력의 일환일 것이다. 그러나 지금까지 현상은 건물의 에너지 및 CO2 배출저감이라는 관점에서 개별 단위 건축물 에너지절약에 대한 기술적 요소와 그 적용에만 머물러 단지규모의 계획 및 적용에는 한계가 존재함도 부인하지 못하는 실정이다.

따라서 본 연구의 목적은 해외 관련단지의 사례분석을 시행하여 제로에너지 그리고 더 나아가 플러스에너지 주거단지 구현을 위한 에너지 컨셉 요소를 조망하고, 이를 통하여 미래 대규모 단지조성에 있어 에너지절약 및 CO2 배출감축에 좀 더 효과적인 방안을 찾고자 함이다.

1.2. 연구의 방법 및 범위

주거단지 계획 및 조성은 도시계획의 일부분이기 때문에 도시와 그 지역 인프라를 바탕으로 경제, 사회, 문화 등 매우 다양한 요소를 고려하여야 하지만, 본 연구는 제로에너지 단지의 개념 정의를 위해 그 근간이 되는 패시브하우스 및 제로에너지에 대한 이해의 바탕 위에서 제로 및 플러스에너지 단지 구현에 필요한 에너지 컨셉 요소에 초점을 맞춘다. 또한 에너지 컨셉의 3대 핵심인 열에너지, 전기에너지 그리고 교통부문 중에서 건물부분과 직접적 연관관계가 적은 교통관련 내용은 논외로 두기로 한다. 따라서 우선적으로 패시브하우스와 제로 및 플러스에너지 하우스의 단위 건물에서 집단화되는 주거단지 개념으로의 확장에 따른 요소 특성을 수집·분석한다. 이를 위하여 문헌 및 사례연구 조사를 통한 탐색적 연구방법을 적용하며, 사례조사는 이 분야의 선도국인 독일 지역을 대상으로 하였다.

전체적인 연구의 흐름은 첫째, 패시브하우스와 제로 및 플러스에너지 하우스의 개념을 발전시켜 타운화를 위한 제로 및 플러스에너지 단지 개념 정립이 이루어졌다. 둘째, 제로 및 플러스에너지 단지를 위한 에너지 공급 관련 요소특성을 분석하고 그와 관계되는 계획요소를 정리하였다. 셋째, 제로 및 플러스에너지 단지에 대한 선진 사례를 조사·분석하여 공통적으로 나타나는 요소를 도출하여 바람직한 단지조성 방향을 제시하였다.


2. 이론적 고찰과 개념 정립

2.1. 제로 및 플러스에너지하우스 정의

기본적으로 제로 및 플러스에너지하우스의 건축 기술요소는 연간 에너지 소비량을 크게 줄인 패시브하우스 컨셉에 바탕을 두고 있다. 즉, 건물의 낮은 열 수요는 고 단열과 컴팩트한 건물형태, 남향의 대형 창문을 통한 태양열의 패시브 이용 그리고 실내 열 획득과 재사용이 가능한 환기 시스템 등으로 실현된다. 다만 패시브하우스가 난방을 위하여 모든 가능한 건축적 패시브 기술을 동원하고 나머지 부족분은 일반 난방방식을 취하는 상황에서, 제로에너지하우스는 최소화된 에너지 요구량을 신재생에너지를 통해 자체적으로 충당하는 상황으로 발전시킨 것이다. 따라서 패시브하우스는 외부로부터의 에너지공급이 일정부분 필요하지만, 제로에너지하우스는 연간 평균적으로 자체생산 에너지와 소비에너지가 평형을 이루므로 에너지 독립형 건물에 해당 한다. 결과적으로 제로에너지하우스는 냉·난방을 비롯한 건물이 필요로 하는 모든 에너지를 기존 화석연료 사용 없이 건물주변의 자연에너지만을 사용하는 건물인데 건물에서 사용되는 에너지 량과 생산되는 량의 합이 동일한 건물로 정의 된다. 또한 이러한 상황이 더 개선되어 건물에서 사용하는 연간 난방과 급탕 그리고 기타 전기에너지 등의 총 소비에너지 보다 많은 에너지를 자체적으로 신재생에너지에 의해 생산하는 건물유형을 플러스에너지하우스로 정의한다.

2.2. 제로 및 플러스에너지 하우스의 주요 기술요소

건물에너지 효율 극대화 건축기술의 확산은 저에너지하우스를 시작으로 패시브하우스, 제로에너지하우스 그리고 플러스에너지하우스 등 비슷한 개념의 발전과정을 거쳐 왔지만, 그 중심에는 항상 Table 1.에서 나타나는 바와 같이 ‘난방에너지 요구량’이 기준으로 작용하고 있다. 그러므로 우선적인 전략은 패시브 계획요소로서의 건축 디자인 구현이며, 이를 통해 설비시설 및 건물자체 에너지 소비량을 최소화 시켜 건물이 스스로 생산하는 에너지만으로도 필요에너지를 충족시킬 수 있게 된다. 따라서 제로 및 플러스에너지하우스의 기반이 되는 패시브하우스의 주요 기술요소인 단열, 창호, 기밀, 열교 그리고 열회수 환기장치 등이 역시 제로 및 플러스에너지 하우스의 주요 건축적 기술요소로 적용된다. 여기에서 연간 에너지 소비와 생산이 균형을 이루도록 자체 생산하여야하는 열 및 전기에너지는 태양에너지 등에 의해 이루어질 수 있다. 이러한 관점에서 중심이 되는 두 가지 요소는 크게 건물외피와 건물적용 설비기술로 요약된다.

Classification and characteristics of energy efficient houses[4][8]

1) 건물외피

창호를 포함한 건물외피는 건물 에너지 효율에 가장 큰 영향을 미치기 때문에 완벽한 단열시스템 구축은 절대적이다. 물론 외피를 구성하는 각 건축부재 간의 틈새발생을 방지하는 기밀성 확보 또한 간과할 수 없는 요소이다. 건물 형태적 요소에서는 외기에 면하는 외피 면적을 최소화하는 체적대비 표면적 비율(A/V)에 대한 상응한 디자인 계획이 이루어져야 한다. 아울러 가장 바람직한 상황은 건물 남향 배치와 남측의 큰 창호계획으로 겨울의 일사획득이 양호하고, 여름의 일사차단을 위해서 외부차양 장치계획이 동반되는 것이다.

2) 적용설비기술

지역별 차이가 있을 수 있으나, 철저한 단열 및 기밀성 아래에서는 난방수요가 크지 않으므로 일반적으로 가장 큰 설비시설인 난방 보일러와 배관 등이 불필요 하고 그에 따른 에너지 및 운용비용도 들지 않게 된다. 한편으로 기밀성에 따른 지속적인 환기의 필요성이 대두되고 또한 이를 통해 많은 에너지가 빠져나가기 때문에 실내 발생열기를 활용하는 열회수 환기장치는 필수장비로 등장한다. 생활 온수는 태양열집열판 또는 지열로 공급하거나 필요에 따라 히트펌프 추가설치로 부가적인 열 생산이 이루어지기도 한다. 제로 및 플러스에너지하우스에서 사용되는 전기에너지는 단지 건물의 지붕 등에 설치한 PV(태양광발전) 시설로 공급되는 경우가 대부분이다. 사례조사 지역인 독일의 경우 위의 두 가지 사항을 바탕으로 건물에너지 고 효율화에 대한 건물 유형을 개발하고 그에 상응한 각 부위 및 요소별 단열기준을 다음 Table 2.와 같이 설정하고 있다. 이 경우 ‘독일에너지절약규정을 EnEV’로 표시하고 KfW-EH는 독일재건은행에서 규정한 ‘에너지 고효율 표준건물’을, 그리고 그 다음 숫자 55는 표준건물 대비 55%의 에너지 소비 수준이라는 것으로 숫자가 작을수록 고효율 주택을 뜻한다.

Energy characteristic value of each part of EnEv 2014, KfW-EH 55, KfW-EH 40, Passive House, Efficiency House Plus[9]

2.3. 제로 및 플러스에너지 단지개념

주거단지의 개념은 “일정한 공간적 범위 안에서 공간적 연결을 추구하면서 다른 거주지와는 명확한 경계를 지닌 단일 주거 또는 주거 그룹”으로 요약된다. 그러나 그 조성에 있어서 단지 자체가 자연 및 환경에 미치는 영향을 간과할 수 없으므로 가능한 한 친환경적인 차원의 에너지 및 자원절약과 폐기물이나 오염물질 등의 배출을 최소화시키면서 주변 자연환경과 조화를 이루는 주거단지 조성이 절대적으로 필요하다. 따라서 단지를 구성하는 요소인 주택과 대지뿐만 아니라 교통 및 공공시설 부지 그리고 녹지 및 공원부지까지도 고려대상에 포함한다. 특히 주거단지를 에너지 및 이산화탄소 배출저감 측면에서 그 변천을 살펴보면 친환경 주거단지를 시작으로 제로에너지 주거단지, 플러스에너지 주거단지, 에너지자족 주거단지 등으로 나눌 수 있고 그 주요 특징은 다음의 Table 3.과 같다. 이를 종합하면 제로에너지 주거단지의 개념은 제로에너지하우스의 그것과 같이 단지차원에서 연간 소비하는 에너지와 생산하는 에너지가 균형을 이루는 주거단지를 의미하며, 이 경우 꼭 단위건물 자체가 제로에너지 수준이 아니더라도 단지 내부의 에너지 공급시스템에 의해 제로화가 가능해질 수 있는 부분도 존재한다. 그리고 다음 단계인 플러스에너지 주거단지는 제로에너지 주거단지 개념에서 단지의 연간 소비에너지보다 더 많은 에너지를 단지 내에서 자체적으로 생산 가능한 주거단지로 정의한다.

Concept and characteristics of energy residential settlements


3. 단지 에너지 컨셉의 도출・분석

에너지 컨셉의 임무는 단지 에너지 자족으로의 전환에 대한 적정 해법을 찾는데 있으므로, 그 첫 단계는 고 단열을 통한 건물에너지 고 효율화, 둘째 단계는 신재생에너지의 적극적 활용 및 신기술의 혁신적 적용이다. 가장 일반적인 신재생에너지 원은 열과 전기에너지를 동시에 얻을 수 있는 태양에너지로서, 이 경우의 전제조건도 건물의 낮은 에너지요구 량이다. 따라서 에너지 고효율 건축조건 충족에 의한 최소화된 난방에너지 수요는 중요한 기준이 된다. 즉 건물 및 단지의 에너지 자급자족이 이루어지기 위해 패시브하우스는 최소화된 열에너지 수요가 가능토록 하는 상응한 건축표준으로 그 역할이 분명하다.

이를 통한 에너지효율이 높은 건물들이 단지화 될 경우 개별건물의 자체적 효과와 더불어 에너지 공급이 집단에너지 시스템으로 작동될 수 있으므로 에너지 및 CO2 배출저감의 목적 달성에 더욱 유리해진다.

3.1. 단지구성 건축 영향요소

1) 단지구성 요소

단지구성은 일반적으로 일정수준 이상의 다양한 건물 군으로 이루어질 수 있으며 단지 전체적인 연간 에너지 상황이 생산과 소비 균형을 맞추거나(제로), 생산이 많은(플러스) 패턴으로 계획된다. 따라서 단지의 콤팩트한 구성은 도시계획에 있어서의 공간적, 에너지적인 매개변수일 뿐만 아니라 지역 에너지 경제성 측면에서도 큰 의미를 지닌다. 아울러 지역 및 도시의 전반적인 일사상황에 따른 도시공간배치 및 구성, 특히 건물정면과 지붕의 향 결정 그리고 지형 및 주변건물 간 상호관계 등이 단지의 에너지 소비 상황과 밀접한 관계가 있다.

2) 건축계획 요소

주거단지 및 도시의 에너지 소요 수준을 결정하는 데는 단위건물의 에너지성능 표준 선택이 우선적 요소이며, 그 다음은 주거단지 및 도시에 필요한 1차 에너지 요구량 수준과 그 곳에서 배출되는 CO2에 관련된 에너지공급 컨셉의 결정이다. 이 계획요소의 기본은 패시브하우스의 주요 다섯 가지 기술과 함께 가능한 표면적을 줄일 수 있는 콤팩트한 건축형태를 우선한다. 또한 태양에너지 이용에 최적화된 건물 배치 및 지붕형태 그리고 외피 디자인을 계획초기 단계부터 적극적으로 고려하여야 한다.

3.2. 단지 에너지 컨셉 영향요소

1) 열에너지공급 요소

주거단지 차원의 난방과 온수공급이 주목적인 열에너지공급은 단지 전체 또는 일부구역을 통합하여 한 장소에서 열을 생산하고 공급배관을 통해 각 건물별로 공급하는 지역난방방식과 각 건물 또는 세대별로 설치된 보일러 등으로 난방열 및 온수를 생산·사용하는 개별난방방식으로 구분된다. 이러한 공급 방식의 결정은 각 단지를 위한 장기적인 공급 안정성과 경제성 관점에서 초기 단지계획단계에서 이루어져야 하고, 본 논문 주제에 합당한 공급시스템은 분산에너지 형태의 개별난방 방식을 우선한다. 각각의 일반적인 장·단점을 정리하면 Table 4.와 같다.

Advantages and disadvantages of district heating and decentralized heating[10]

2) 전기에너지공급 요소

현대사회에서 전기에너지는 소비자 입장에서 편리성과 중요성에 의문의 여지가 없다. 비록 신재생에너지에 의한 전력공급이 단지 내에 이루어지더라도 공급의 안정성과 잉여생산 전력의 송전을 위하여 기존 송전망과의 연계는 필수요소이다. 이를 통해 단지의 전력부하와 전력생산 사이의 시간 불균형을 해소하고 시스템 안정을 보장할 수 있게 된다. 아파트 형태의 공동주택에서는 배터리에 의한 충전시설을 두면 더욱 효과적인 전력체계가 구축되어 건물뿐만 아니라 단지의 가로등을 비롯한 기타 시설에도 원활한 전력공급이 이루어진다.

3) 신재생에너지 활용요소

제로 및 플러스에너지 단지 에너지시스템의 핵심은 신재생에너지에 의한 공급방식이다. 에너지 공급 관점에서는 단지 및 주변에서 가용한 모든 재생에너지 원을 감안하는 것을 원칙으로 하지만 날씨에 따른 생산 불균일성에 대한 대안을 고려한다. 또한 규모면에서는 가능한 한 용량을 크게 계획하는 것이 좋고, 재생에너지 이용에는 태양에너지와 지열, 풍력 등이 일반적이므로 그 지역 특성에 준한 선택 및 적용으로 지역적인 분산에너지 수급 시스템을 갖추어 기존 에너지 시스템의 저장 및 피크 전력 절약에 일조하게 된다.

이와 같은 주거단지의 에너지 컨셉에 절대적 영향을 미치는 건축 및 에너지 그리고 해당 설비요소들을 취합하면 Table 5.와 같이 정리된다.

Planning elements for low energy residential settlement


4. 사례조사 및 분석

단지계획은 건축과 토목, 조경 그리고 도시계획 등의 요소를 서로 밀접하게 접속시키는 영역으로, 단순한 개별 건축계획 보다 상위계획이기 때문에 명확한 대상의 규정아래 구체적이고 상세한 계획목표 및 내용으로 구성된다. 그러므로 본 연구의 주제인 제로 및 플러스에너지 주거단지에 있어서의 에너지 컨셉에 대한 계획 또한 초기단계부터 에너지절약 및 CO2 배출감축에 상응하는 계획요소를 도입한 독일지역 사례를 선정하였고, 이의 분석을 통하여 단지별 도입 에너지의 종류 및 방법 그리고 각각의 특징 등을 살펴보고자 한다.

4.1. 란츠후트(Landshut)

1) 단지 및 건축개요

구 산업단지 구역에 180세대 규모로 새롭게 조성된 4, 5층의 저층 주거단지로서 플러스에너지 건축기법 바탕아래 에너지 고효율 저에너지 건물타입으로 구성되어있다. 총 7,300㎡ 규모의 단지 안에 단독주택 5채, 더블하우스 2채, 연립주택 6채 그리고 55세대의 아파트형 공동주택으로 구성되었고, 플러스에너지라는 목적 달성을 위하여 외벽 단열과 신재생에너지를 철저히 적용하였다.

이 경우 외벽의 U(열관류율) 값은 0.20 W/㎡k 그리고 설치된 3중 창호는 U=0.92 W/㎡k로서(Fig. 1. 참고) 독일에너지 절약기준(EnEV)을 상회하기 때문에 단지의 모든 건물은 KfW-EH 55에 해당하여 패시브하우스 수준이다. 단지 구성은 Fig. 2.와 같이 장방형의 대지에 남측과 북측도로를 따라 두 줄로 다세대 공동주택이 배치되고 그 내부공간에 더블하우스와 단독 주택을 수용함으로써 건물 상호 간의 음영을 배제하여 태양에너지 간접이용을 극대화하고 중정형태의 어린이 놀이터 및 잔디공간을 보호하는 구조를 연출하였다.

Fig. 1.

Site and Insulation's Information(Source; Ludmilla Wohnbau GmbH)

Fig. 2.

Town view with rooftop PV[11]

2) 에너지 컨셉

단지의 에너지 공급에는 Fig. 3.과 같이 다양한 에너지원을 도입‧적용하는바, 그 중심은 단지 건물 옥상에 설치한 PV시스템이다. 또한 건물아래의 지열과 히트펌프, 단지 내의 열병합발전소 그리고 겨울의 피크부하를 대비한 연소형 응축 보일러가 단지지하에 묻혀 있는 약 1만 리터 용량의 온수용 버퍼탱크와 연계된 시스템을 구축하고 있다. 각 건물에는 소규모의 난방용 히트펌프가 설치되어 있고 온돌난방시스템에 35도의 급탕이 이루어진다.

Fig. 3.

Comprehensive energy linkage structure[10]

에너지공급의 핵심 축인 전기는 PV와 열병합발전에 의하며 잉여전력은 송전망에 전송된다. 열 공급은 열병합발전소와 특히 다세대 공동주택에는 지역난방으로 공급되고 모든 세대의 환기는 효율 80%의 폐열회수 환기장치로 자동 조절된다. 이 주거 단지의 주요 에너지 컨셉을 정리하면 Table 6.과 같다.

Main energy concept of settlement

4.2. 미트라칭(Mietraching)

1) 단지 및 건축개요

약 70 헥타르에 달하는 과거 미군주둔지내의 이미 존재하던 학교와 교회 그리고 병원 등 생활기반 시설을 활용한 주거 및 상업지역 등으로 재개발과 저에너지 컨셉 개발을 목적으로 2005년부터 시작된 프로젝트이다. 사업 전체규모는 주거를 비롯한 총 이용면적이 약 72,000㎡ 넓이에 52개동의 건물이 위치하고 있는데 북측은 주거 건물, 남측은 상업 건물로 구분된다. 따라서 북측에 고효율 주거용 신축건물이 새롭게 들어서고 사업의 중심지 역할을 한다. 기존 건물들은 1930년대와 2차 세계대전 후 지어진 것들로 건축구조적으로는 양호하나 단열 및 설비시설은 매우 불량하였으므로, 독일에너지 절약기준(EnEV)에 준한 리노베이션 목표를 연간 최종에너지 요구량은 351 kWh/㎡ 그리고 연간 1차 에너지 요구량은 459 kWh/㎡으로 잡아 대부분의 건물이 제로에너지 수준에 이르도록 하였다. 결과적으로 건축측면의 초점은 건축 저 에너지 컨셉을 바탕으로 그 기술 실현을 위한 단열과 환기 등의 설비 및 축열 신기술 적용에 맞추고 있다. 따라서 신축부분의 수준은 KfW-EH 50부터 패시브하우스까지 나타나고 리노베이션 부분도 최소한 독일에너지 절약기준(EnEV)에 준하면서 거의 패시브하우스 수준에 달할 정도에 속한다.

2) 에너지 컨셉

단지의 열 공급은 초기 투자비를 줄이기 위해 기존 주둔지의 열배관망을 이용하지만 필요 부하보다 과용량인 가스 및 난방유 보일러 용량을 축소하고, 단지 내에 면적 약 2,000㎡, 1.4MW급 용량의 태양열 온수시스템을 운영하여 겨울 이외의 계절급탕은 100% 공급이 가능토록하며 난방시 재 가열이 필요할 경우 지열 히트펌프가 추가로 가동된다. 또한 난방부하가 커지는 겨울철에만 가동되는 500kW급의 폐목보일러가 설치되어 계절별 가동 체계를 구분시킴으로써 에너지 효율과 친환경성을 높이고자 하였다. 이러한 관점에서 단지 내 소규모 산업시설 등에서 발생하는 폐열을 지역난방에 회수시키는 계획에 대하여 수긍할 수 있는 부분이다. 열 공급 시스템의 우선순위는 재생에너지인 태양열이 가지게 되고, 한편으로 전력공급은 단지 내 공지(용량: 약 2,425 kWp으로 연간 약 2.6GWh) 및 건물지붕(용량: 약 433kWp, 연간 440MWh)에 설치된 계통 연계형 PV에 의하며, 이 단지의 경우 대형면적의 PV 발전소에 의해 잉여전기가 발생하여 플러스에너지 단지수준의 에너지수급이 이루어진다(Fig. 5. 및 Fig. 6.).

Fig. 4.

Overview and planning of settlement[11]

Fig. 5.

Power generation and heat supply in settlement(Source;https://www.db-bauzeitung.de)

Fig. 6.

Heat(above) and power supply(below) system of settlement(Source;https://www.db-bauzeitung.de)

이와 같이 기존 단지의 일부 개·보수 및 신축과 재생에너지 이용에 의한 단지 에너지 컨셉의 종합은 Table 7.과 같다.

Fig. 7.

Active house apartment (Source: HHS Planer + Architekten AG)

4.3. 프랑크푸르트 액티브하우스(Active house)

1) 단지 및 건축개요

2015년 7월에 완공된 이 사례는 단지로서가 아니라 도심 아파트를 플러스에너지 하우스 수준으로 실현시킨 도심형 예이다.

특히 이 경우는 독일정부의 혁신적인 시범사업으로서, 단독주택 규모의 제로 및 플러스에너지 하우스 개념을 대규모 공동주택에 적용시켰다는 점이 특징이다. 독일 프랑크푸르트 중앙역 부근의 길이 150m에 폭은 고작 9m인 동서로 길쭉한 부지(Fig. 7.)에 지상 8층, 지하 1층 규모에 66~116㎡ 면적 74세대의 임대주택 건축을 통해 주차장으로만 사용되던 도심 자투리땅의 효용적 사용 및 지역 부가가치 상승 그리고 시민 주거안정에 기여하는 모범적인 사례로 인정받고 있다.

Main energy concept of settlement

에너지 고효율 건물의 기본이 되는 패시브하우스 건축구법인 우수한 외벽단열시스템과 열 회수환기장치 그리고 건물의 주도로를 향한 남향배치 및 콤팩트한 단순형태 등을 바탕으로 최소 에너지소비로도 쾌적감 유지가 가능하도록 하였다. 건물 구조적 측면으로 골조는 철근콘크리트로 현장시공, 외벽과 지붕은 좁은 도심시공현장의 특수성 아래에서 경제적이고 친환경적인 시공을 위하여 창호와 단열재 등이 장착된 목구조 벽체를 공장 제작의 패널(3.5mx12m, 100개)형으로 조립·완공하였다. 이 경우 북측외벽 두께는 47cm, 남측외벽은 후면통풍 BIPV(건물통합형 PV)시스템 포함 55cm 두께로서, 콘크리트 벽체보다 얇아진 장점 때문에 실의 유효 및 임대면적이 늘어나는 효과를 나타낸다. 이 건물외벽의 U(열관류율) 값은 0.127W/㎡k이며 창호는 0.72W/㎡k를 나타내어 독일에너지 절약기준(EnEV) KfW-EH 40에 준하는 수준이다.

2) 에너지 컨셉

이 아파트형 공동주택의 기본 에너지 컨셉은 태양광발전과 히트펌프 병합시스템을 채용하였으며, 열 시스템은 대지근처 도로의 하수관거에 설치한 60m길이의 하수열 회수 장치에서 1차적으로 열을 얻은 후 건물 기계실의 히트펌프(120kW 용량)를 통해 바닥 난방용 급탕과 온수용 열로 공급된다(Fig. 8. 및 Fig. 9.). 또한 각 세대에 설치된 폐열회수환기 장치와 건물지하의 축전 및 인버터 실의 발생 열도 회수하여 열 공급에 활용하며, 이는 축전 및 인버터 실의 필수적인 냉각 효과도 가져온다. 아파트의 안정적인 열 공급을 위하여 역시 지하의 기계실에 5000리터 용량의 버퍼탱크 3기가 준비되어 있으며, Fig. 9.와 같은 에너지 공급체계는 건축적 해법에 의한 낮은 난방요구량으로 인해 무리가 없도록 설계가 이루어진 점에 주목할 필요가 있다.

Fig. 8.

Thermal energy production and supply concept(Source: STZ and HHS Planer + Architekten AG)

Fig. 9.

Heat and electrical energy concept of apartment(Source: STZ and HHS Planer + Architekten AG)

아울러 전력공급은 10도 경사지붕 약 1500㎡ 면적에 설치된 250 kWp급과 남측외벽 900㎡면적의 80kWp급의 BIPV형 태양광발전 시스템에 의해 이루어진다(Fig. 9.). 적용된 BIPV모듈은 20%의 고효율로, 지붕에 750장 그리고 외벽에 348장이 설치되어 연간 약 300 MWh 전력을 생산한다. 건물지하에는 250kWh급의 배터리 축전시설이 마련되어 있고 기존 전력망과 연계된 전력시스템은 잉여전력 매전은 물론 응급 시 공급의 안정성 확보에 대비하기도 한다.

그 외에도 최신 에너지 절약기술에 의한 환기, 조명 그리고 고효율 가전기기 사용과 세대별로 비치된 테블릿 PC를 통한 거주민 스스로 에너지 사용량과 시간대를 조정할 수 있는 스마트 홈시스템도입은 미래 주거건물의 지표로 자리매김하고 있다. 결과적으로 이 공동주택은 연간 에너지요구량이 27.1kWh/㎡ 그리고 연간 1차 에너지요구량이 65.1kWh/㎡로 ‘고효율하우스 플러스(EH-Plus)’급에 준한다. 이러한 전반적 내용이 가능토록 적용된 에너지 컨셉을 도표화 하면 Table 8.과 같다.

Main energy concept of settlement

4.4. 사례 종합분석

지금까지 살펴본 제로 및 플러스에너지 하우스에 의한 단지 조성은 유럽의 경우에도 초기단계이기는 하나, 미래의 지속가능한 주거단지와 도시조성을 위해 국가 및 지자체의 적극적인 정책 지원으로 점차 확산 추세에 있다. 사례조사에서 종합적으로 나타나는 것은 1차적인 고효율 건축에 의한 하드웨어 바탕위에 2차적으로 적극적 신재생에너지 도입에 의한 분산에너지 시스템 채택이라는 것이다. 이러한 주요 에너지 컨셉 특징을 정리하면 다음 Table 9.와 같다. 주목할 것은 단지의 조성이 신축건물에 한정되지 않고 기존건물의 개보수 또한 가능성이 있음을 보여주고, 에너지 공급 측면은 히트펌프 적용이 활발하다는 것이며 신재생에너지 원으로 태양광발전을 기본으로 하여 단지주변의 이용가능 재생에너지를 적극적으로 활용하는 것이다. 아울러 건물 기밀성 향상으로 환기를 위한 설비로서 열회수 환기 장치가 필수품으로 대두되며, 이 경우 실내에서 회수된 열은 난방열원으로 이용된다.

Key characteristics of case example


5. 결론

본 연구는 저에너지 및 CO2 배출저감 이라는 지속가능한 도시개발의 취지에 부합한 제로 및 플러스에너지 단지조성을 위한 에너지 컨셉을 사례중심으로 분석하였으며 그 결과는 다음과 같다.

첫째, 제로 및 플러스 주거단지를 위한 우선적 건축대안은 패시브하우스 건축기법의 적용이어야 한다. 이는 건물 또는 단지의 냉·난방부하 저감이 목적으로 형태의 단순화, 벽체 및 창호의 고단열과 고기밀 유지 등이다.

둘째, 단지 내의 건물배치는 가능한 태양에너지의 간접 및 직접이용을 고려하여야 한다. 패시브하우스 건축에 의한 최소에너지 요구량과 태양에너지의 패시브 이용은 저에너지 건축의 기본으로 건물 상호간의 음영방지를 위한 인동간격 확보, 건물의 향 그리고 바람길 고려 배치 등이 겨울 열 획득 및 여름 냉각으로 단지 전체 에너지 소비에 영향을 미치기 때문이다.

셋째, 분산 에너지 형태에 의한 자급자족 시스템을 위해 단지 내 또는 주변의 다양한 신재생에너지 원의 적극적인 개발적용이 필요하며 그 구체적인 전략 계획이 제시되어야 한다. 이러한 분산에너지 시스템은 중앙 공급형식 대비 공급거리 단축으로 에너지 효율이 높다는 장점이 부각되는데, 주로 태양에너지와 지열, 하수열 등이 적용된다. 단지차원의 에너지 컨셉은 일률적이 아닌 그 지역의 지형적 특성과 자원 활용 가능성, 거주민들을 위한 경제성 등을 고려한 각각의 해법을 찾아야 한다.

넷째, 지속적인 기술개발에 따른 고효율 히트펌프와 열회수 환기장치 적용은 에너지 컨셉에서 중요한 자리를 차지한다. 히트펌프는 분산에너지 시스템으로서 태양열과 지열 및 하수열 등과 연계시켜 열 공급에 효과적으로 대응함을 사례에서 공통적으로 보여주고 있다. 또한 열회수 환기 장치도 사례의 모든 세대에 장착되어 환기와 난방용 열 공급에 그 유용성이 나타나고 있다. 다섯째, 에너지절약 및 CO2 배출감축에 대한 거주민들의 적극적 동참의지는 목표달성을 위한 열쇠이다. 단지의 거주민 간 관계성에 의한 거버넌스 구축으로 공동의 이익을 도모하고 의식개혁에 의한 기후변화 대책에 일조하는 생활습관 개선은 단순한 기술적 측면의 적용보다 전체적인 에너지 절약과 CO2 배출절감에 효과적임을 직시할 필요가 있다.

본 연구는 지역 신재생에너지 사용을 통한 최종에너지 소비와 CO2 배출을 줄일 수 있는 단지의 에너지 컨셉을 고찰함에 그 주요요소인 열과 전기에너지 공급에 집중하였다. 조사연구의 특성상 분석의 틀이 정성적 계획에만 국한된 것이 한계로 남으며, 주거단지차원의 에너지생산 및 소비에 대한 정량적인 부분과 함께 교통시스템, 상수공급과 하수배수 그리고 쓰레기 처리와 공용 공간 이용에 이르기까지 종합적인 내용의 분석이 차후의 과제로 남는다.

Acknowledgments

This study was supported by the research program 2016 of Semyung University.

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Fig. 1.

Fig. 1.
Site and Insulation's Information(Source; Ludmilla Wohnbau GmbH)

Fig. 2.

Fig. 2.
Town view with rooftop PV[11]

Fig. 3.

Fig. 3.
Comprehensive energy linkage structure[10]

Fig. 4.

Fig. 4.
Overview and planning of settlement[11]

Fig. 5.

Fig. 5.
Power generation and heat supply in settlement(Source;https://www.db-bauzeitung.de)

Fig. 6.

Fig. 6.
Heat(above) and power supply(below) system of settlement(Source;https://www.db-bauzeitung.de)

Fig. 7.

Fig. 7.
Active house apartment (Source: HHS Planer + Architekten AG)

Fig. 8.

Fig. 8.
Thermal energy production and supply concept(Source: STZ and HHS Planer + Architekten AG)

Fig. 9.

Fig. 9.
Heat and electrical energy concept of apartment(Source: STZ and HHS Planer + Architekten AG)

Table 1.

Classification and characteristics of energy efficient houses[4][8]

Classification Energy acquisition Detail elements Energy status
Heating load
(kWh/㎡·a)
Energy consumption
(L/㎡·a)
General house - - 160~200 -
Low energy house Natural type South facing, compact type, sun shade, skylight, exterior wall & rooftop greening 40~79 7
Passive house Passive High insulation and airtightness, windows with high efficiency, heat recovery ventilation unit, heat storage structure 39~15 1.5
Zero energy house Active Earth tube & Geothermal, Fuel cell, PV & Solar thermal, waste heat recovery ventilator, heat pump 14~0 consumption
=production
Plus energy house Renewable Geothermal, Fuel cell, Wind power, PV & Solar thermal, waste heat recovery ventilator, heat pump consumption
<production

Table 2.

Energy characteristic value of each part of EnEv 2014, KfW-EH 55, KfW-EH 40, Passive House, Efficiency House Plus[9]

EnEV
(Energy conservation act)
KfW-EH 55 KfW-EH 40 Passive House Efficiency House Plus
(Credit bank for reconstruction, efficiency house)
U-Value U-Value U-Value U-Value U-Value
[cm] [W/㎡k] [cm] [W/㎡k] [cm] [W/㎡k] [cm] [W/㎡k] [cm] [W/㎡k]
Outer Wall 16 0.24 20 0.20 22~24 0.16 25~30 ≤0.15 25~30 ≤0.15
Roof 24 0.2~0.24 28 0.16 30~35 0.14 30~40 ≤0.15 30~40 ≤0.15
Grounds/Cellar Ceiling 12 0.30 16 0.24 20 0.20 20~25 ≤0.15 20~25 ≤0.15
Windows g=0.6 ≤1.30 g≅0.5 ≤1.0 g≅0.5 ≤0.9 g≅0.5 ≤0.8 g≅0.5 ≤0.8
Heat Bridge ΔUWB=0.05~0.1 ΔUWB≤0.05 ΔUWB≤0.05 ΔUWB≤0.02~0.0 ΔUWB≤0.02~0.0
Air Tightness n50≤1.5h-1 n50≤1.5h-1 n50≤0.6h-1 n50≤0.6h-1 n50≤0.6h-1
Ventilation exhaust air system exhaust air sys./
supply-exhaust sys.
supply-exhaust sys.
heat recovery sys.
supply-exhaust sys.
heat recovery sys.
supply-exhaust sys.
heat recovery sys.
Heating fossil fossil partially renewable partially renewable renewable energy
Electricity
Usage
auxiliary energy, efficient auxiliary energy, efficient auxiliary energy, efficient highly efficient highly efficient
Renewable
Energy
ex.
solar thermal
ex.
solar thermal
for Heater
warm water(WW)
possibly Heater
WW
Heater/WW
Electricity
Smart Grid meaningful meaningful recommendable

Table 3.

Concept and characteristics of energy residential settlements

Classification Definition and Special feature
Low energy
house
settlement
- Improve building energy efficiency
- Use passive solar energy
- Heating Energy Requirement ≤ 70 kWh/㎡·a
Passive house
settlement
- Heating Energy Requirement ≤ 15 kWh/㎡·a
- Heating load = 10W/㎡
- No heating required
Solar energy
settlement
- Low energy or passive house settlement concept + active solar energy concept
- Photovoltaic and solar thermal
Zero energy
settlement
- A residential settlement that balances annual energy consumption and production energy
- Done by single unit building or via an internal power supply system in settlement
Plus energy
settlement
- A residential settlement with more than its own production energy consumption per year
- Energy sources include solar and photovoltaic, biomass, geothermal, etc.

Table 4.

Advantages and disadvantages of district heating and decentralized heating[10]

Central
(district heating)
Local
(decentralized heating)
Advantage ・No need to install boilers for each house or household
・ Initial installation cost and space saving
・ No direct maintenance and management of infrastructure
・ Economical goodness in case of a certain size or more
・ Free from existing supply systems and price fluctuations
・Variable and low-cost supply as needed by consumers
・ Connection with various renewable energy sources
・ Low-cost, high-efficiency transportation with regional dispersion
・ High eco-friendliness through the use of renewable energy expansion
Disadvantage ・ High cost for initial infrastructure configurations such as buildings and supply piping
・Maintenance costs are also required during non-heating periods
・A home or household access system is required
・Energy loss according to the length of the supply piping
・ Costs of Installing Individual Infrastructure
・It is difficult to reach consensus based on interests of consumers and related organizations
・ Some renewable energy sources have uneven characteristics according to weather
・ User responsibility such asmaintenance, monitoring etc.

Table 5.

Planning elements for low energy residential settlement

Minimize heat loss Optimized building envelope system
with solar energy use
High efficiency energy
equipment technology
Compact buildingtype Passive design Solar thermal
Reinforced insulation High-efficiency window Photovoltaic
High air tightness Building envelope system using active solar energy High efficiency compact heat source
Heat recovery system Energy storage system
Thermostat
Solar cooling system

Table 6.

Main energy concept of settlement

Classification Contents Criterion
Composition type 21 Buildings (Residential heating area 5,700㎡, 180 Households) new Building
Settlement form Passive house level single and duplex houses, town houses, low-rise apartment houses 4~5 Floors
Energy
concept
Existing situation Heat-oil condensing boiler in conjunction with solar thermal system
(EnEV Standard)
distributed
Target - Heat supply: Geothermal+heat pump for single/duplex/townhouse
- Power supply: grid-connected PV(roofs)
- Heat recovery ventilation for all homes
distributed
- Apartment houses: District heating by biogas In the first
year used
Natural gas

Table 7.

Main energy concept of settlement

Classification Contents Special feature
Composition type 38 Buildings (Residential heating area 29,000㎡) Renovation,
Demolition/
New building
Settlement form Passive house-level single and double houses, tenement houses, small apartment houses, commercial buildings 2~5 Floors
Energy
concept
Existing
situation
District heating by heating oil district
Target - Heat supply: Natural gas, biomass, solar thermal
  (some surplus heat is supplied to pipe network), heat pump, winter wood waste boiler
- Power supply: grid-connected PV plants
  (public sites and roofs)
- Heat recovery ventilation for all homes
distributed

Table 8.

Main energy concept of settlement

Classification Contents Special feature
Composition type 78 Rental apartments(66~116㎡) New building
Settlement form Apartment house in the city center(Plus energy house) 1 basement
8 aboveground
floors
Energy
concept
Existing
situation
Sewerage heat
Solar energy
distributed
Target - Heat supply: Sewer heat recovery system + heat pump, Ventilation and storage room heat recovery system
- Power supply: grid-connected BIPV system(roof+outer wall)
- Heat recovery ventilation for all homes
distributed

Table 9.

Key characteristics of case example

Case example Landshut Mietraching Active house
Division Contents
Project type renovation + reinforce tightness
new building
Building type residental
Mix
Building
level
passive house
zero/plus house
efficiency house
Energy
supply in the
initial state
local
(ex. boiler)
central
(district heating)
Energy
supply in the
target state
local
(boiler or heat pump_HP)
HP HP HP
(◇)
central
(district heating)
Mix
Use of
renewable
energy
photovoltaic
solar thermal
biomass
biogas
geothermal
sewage
heat recovery ventilation