KIEAE Journal
[ Research Article ]
The International Journal of The Korea Institute of Ecological Architecture and Environment - Vol. 20, No. 5, pp.165-170
ISSN: 2288-968X (Print) 2288-9698 (Online)
Print publication date 31 Oct 2020
Received 12 Oct 2020 Revised 14 Oct 2020 Accepted 19 Oct 2020
DOI: https://doi.org/10.12813/kieae.2020.20.5.165

기존 단독주택의 리모델링을 통한 제로에너지화 가능성 분석

이승주* ; 정민희**
The Analysis of Possibility for Zero Energy Building through Remodeling of Existing Detached Houses
Seung Ju Lee* ; Min Hee Chung**
*Under-graduate Student, Dept. of Architectural Engineering, Chung Ang Univ., South Korea sj007422@cau.ac.kr
**Corresponding author, Visiting Professor, School of Architecture & Building Science, Chung-Ang Univ., South Korea mhloveu@cau.ac.kr


ⓒ 2020 KIEAE Journal

Abstract

Purpose:

In order to reduce energy consumption in buildings and realize a low-carbon society, it is necessary not only to strengthen standards for new buildings, but also to actively remodel existing buildings to make zero energy. Therefore, this study aims to evaluate the energy saving and energy independence rate by year of existing buildings in order to activate the remodeling of existing buildings with zero energy. In addition, we intend to analyze the economic feasibility of the zero energy remodeling.

Method:

According to the yearly insulation performance criteria, the existing building is set to three types of aging, and the possibility of zero energy is analyzed. In addition, the cost of energy saving by reducing energy consumption through zero energy remodeling and the payback period of initial investment costs are analyzed to analyze the remodeling economics of each building.

Result:

Although it was not possible to achieve the energy efficiency level required for zero energy building certification, it was able to reduce energy consumption by 41 to 45% of the energy consumption of the existing building. It was possible to achieve energy independence rate of 20% or more, but existing buildings with severe aging need to significantly increase the installation capacity of PV systems. As a result of economic analysis, the payback period of the old buildings with aging buildings was short, because the energy savings compared to the construction cost were large.

Keywords:

Detached House, Green Remodeling, Zero Energy Remodeiling

키워드:

단독주택, 그린 리모델링, 제로에너지화 리모델링

1. 서론

1.1. 연구의 배경 및 목적

우리나라의 에너지 소비량 중 건축물에서 소비하는 비율은 점점 줄어들고 있으나, 절대적인 소비량은 줄어들지 않고 있다[1]. 가정부문의 에너지소비량 중 단독주택에서의 에너지소비량은 공동주택 다음으로 높은 수준을 차지하고 있다. 건물에서의 에너지 절약을 위해 신축건물의 에너지성능강화로 인해, 신축건물의 에너지 소비량은 상당량 줄어들었다. 그러나 10년 이상된 기존 건물은 약 90%로 높은 비중을 차지하고 있으므로[2], 저탄소화 사회를 실현하기 위해서는 신축 건축물 뿐만 아니라 기존 건물의 에너지 성능 향상을 통한 제로에너지화가 필요하다. 공동주택을 대상으로 세대평면계획[3]이나 빛환경 개선[4]에 관한 연구 진행되고 있으나 제로에너지화에 관한 연구는 부족한 실정이다.

우리나라에서의 제로에너지건축물은 건물의 에너지효율등급과 에너지 자립률 기준을 만족시켜야지만 제로 에너지건축물로 인정받을 수 있다. 현재 제로에너지건축물의 인증은 신축건물만을 대상으로 하고 있으며, 리모델링을 통한 기존 건물의 제로에너지 건축물 인증은 전무한 실정이다. 기존 건물은 계획 당시 건물의 에너지소비를 고려하여 계획되지 않은 건물이 많아, 외피면적의 과다, 기밀성 향상의 어려움, 바닥 추가 단열시 층고 감소 등의 문제로 인해 제로에너지건축물에 준하는 건축물로 개선하기에는 현실적 어려움이 많다.

현재 그린 리모델링은 건물의 에너지 성능 향상을 위해 창호교체나 조명 교체 등 일부 기술이 적용되고 있으나 제로에너지건축물에 준하는 성능수준까지의 리모델링에 관한 사례는 거의 없다. 앞으로 건축물에서의 에너지소비 절감 및 저탄소화 사회를 구현하기 위해서는 기존 건축물을 제로에너화하기 위한 적극적인 그린 리모델링이 필요한 실정이다. 이를 위해 기존 건물의 제로에너지화에 대한 가능성 평가와 함께 에너지 자립률 가능성 평가가 함께 이루어져야 할 것이다. 이에 본 연구에서는 기존 건축물의 제로에너지화 리모델링 활성화를 위해 기존 건축물의 단열성능별 에너지 자립률 평가 및 제로에너지화 달성 가능성을 분석하고, 이에 따른 경제성 분석을 하고자 한다.

1.2. 연구의 방법 및 범위

노후화된 기존 단독주택을 시대별 단열 성능 기준에 따라 세 개의 범위로 나누어 조사 대상으로 선정하고 제로화 그린 리모델링 가능성을 분석한다. 이를 위해 제로 에너지 건축물과 그린리모델링에 관하여 이론 고찰을 한 후, 제로에너지화 그린 리모델링에 적합한 요소 기술을 도출한다. 대상 건물은 국토부 고시 제2014-958호에 해당하는 사용승인 15년 이상의 단독주택으로 한정하고, 연도별 단열성능 기준에 따라 기존 건물의 노후화를 3가지로 설정한 후 제로에너지화 가능성을 분석한다. 또한 제로에너지화 리모델링을 통한 에너지 소비량 감축에 의한 에너지 절약 비용 및 초기 투자비용의 회수기간을 분석하여 각 건물의 리모델링 경제성 분석을 실시한다.


2. 제로 에너지화 그린 리모델링을 위한 고찰

2.1. 제로에너지건축물

녹색건축물 조성 지원법에 따르면 제로에너지건축물은 건축물 운영에 필요한 에너지 부하를 최소화하고, 태양광 시스템과 같은 신재생에너지를 이용해 에너지 소요량을 최소화하는 녹색 건축물을 의미한다[5]. 우리나라는 제로에너지건축물 인증제도를 통해 그 기준을 제시하고 있다[6]. 건축물 에너지 인증기준에 따르면 건물의 에너지효율등급, 에너지 자립률, 건물 에너지 관리 시스템(BEMS) 또는 원격검침 전자식 계량기 설치 여부로 제로 에너지 건물을 정의하고 있다.

건축물 에너지효율등급은 해당 바닥면적별 난방·냉방·급탕·조명·환기 에너지 소요량을 산출하고 1차 에너지 소요량으로 환산·평가하여 등급별 인증을 부여한다. 제로 에너지건축물 인증을 위해서는 1++등급 이상을 취득하여야 하며 주거용 건축물의 경우 연간 단위면적당 1차 에너지 소요량이 90kWh/m2·년 이하일 때 1++이상의 등급을 획득할 수 있다. 단위면적당 1차 에너지 소비량 대비 생산량을 에너지 자립률 값으로 계산할 수 있으며 이 값이 20% 이상일 때 인증 등급을 부여하며 최고점을 100%로 두어 20%의 간격으로 5등급부터 1등급까지 차등 부여한다. 추가로 건물 에너지 관리 시스템(BEMS) 또는 원격검침 전자식 계량기를 설치한 경우 제로 에너지건축물 인증제도를 취득할 수 있다.

2.2. 그린 리모델링

리모델링이란 건축물의 노후화를 억제하거나 기능 향상 등을 위하여 대수선하거나 건축물 일부를 증축 또는 개축하는 행위를 의미하며[7], 그린 리모델링은 이에 더하여 쾌적하고 건강한 거주환경을 제공하기 위해 에너지 효율을 높이고, 온실가스 배출을 낮추기 위하여 리모델링하는 행위를 뜻한다 [5].

정부는 초기 투자비용에 대한 부담을 덜고 그린 리모델링을 활성화하기 위해 건축 부위별 수선, 에너지 관리 장치 설치 및 신재생에너지 시스템 설치와 같은 요소기술 적용에 대한 민간 이자 지원사업을 진행하고 있다. 이자를 지원받기 위해서는 그린 리모델링 공사 이후 에너지 냉난방 에너지 부하가 최소 20% 이상 절감되어야 하며 에너지성능 개선 정도에 따라 이자를 차등 지원한다. 단독주택의 경우 최대 5천만 원까지 5년 나누어 상환할 수 있도록 지원한다. 지원 대상 기술은 다음 Table 1.과 같다.

Green Remodeling Elementary Technology

2.3. 제로에너지화 리모델링

제로에너지화 리모델링이란 사용승인 15년 이상된 기존 건물을 대상으로 제로에너지건축물에 준하는 에너지 성능을 만족하기 위하여 건물에 필요한 에너지 부하를 최소화하며, 동시에 신재생에너지를 활용하여 에너지 자립도를 높이는 리모델링으로 정의하고자 한다. 신축 건물과는 달리 기존 건물에 있어서 리모델링의 한계성으로 인해 제로에너지건축물 인증제도에서 제시하고 있는 건축물의 에너지 효율 등급 기준을 만족하지 못할 수 있다. 그러나 그린 리모델링 이자 지원사업에서 제시하고 있는 냉·난방에너지 요구량 최소 20%이상 절감을 넘어 1차 에너지소요량의 적극적인 절감을 달성하고, 동시에 신재생에너지를 이용하여 에너지 자립도를 높인 리모델링을 의미한다.

Applicable Elementary Technology for Zero-energy Remodeling

2.4. 제로에너지화 리모델링의 요소기술

그린 리모델링에 적용 가능한 요소는 그 범위가 매우 넓다. 본 연구에서 선정한 표준건축물에 적용할 수 있는 요소기술은 그린 리모델링 민간 이자 지원사업에서 지원하는 요소기술로 한정하였다. 이에 에너지 소비를 줄이기 위해 외단열을 보강하고, 고성능의 창호로 교체함과 동시에 기밀시공을 진행한다. 또, 에너지 자립을 위해 PV 시스템을 설치한다.


3. 제로 에너지화 리모델링 에너지성능 분석

3.1. 대상 선정

에너지 성능분석을 위한 표준주택은 서울에 위치한 2층 규모의 단독주택으로 선정한다. 세부 사항은 Table 3.Fig. 1.과 같다.

Description of the Building Model

Fig. 1.

The Standard House Floor Plan

재실 밀도는 0.035people/m2로 적용한다[8]. 난방시스템은 일반 가정에서 사용하는 바닥복사 난방을 실시하며, 보일러 효율은 90%로 설정하였다. 냉방시스템은 에어컨을 설치하는 것으로 가정하였으며 에어컨의 COP은 3.0으로 설정하였다. 냉난방설정온도는 건축물의 에너지효율등급 평가에 적용되는 난방 20℃, 냉방 26℃로 설정하였다[6]. 거실, 침실을 제외한 화장실과 현관에는 기타 발열 설비를 설치하지 않는 것으로 가정하고 기기 발열은 고려하지 않는다. 건축물 에너지효율등급 산정을 위해 1차 에너지 변환계수를 적용하여 1차 에너지 소요량 값을 도출한다. 조명을 형광등이 설치되어 있는 것으로 가정하였다.

1) 대상 모델 구분

대상 모델은 건축물의 단열성능 기준 변화에 따라 크게 3가지로 구분하였다. 단열 성능과 관련된 기준은 1979년 신설된 이래, 기술의 발달과 사회적 요구에 따라 점점 단열성능 기준이 강화되었다. 이에 본 연구에서는 단열 기준의 적용 기간이 길었던 기준을 토대로 1980년, 1987년, 2001년의 기준이 적용된 건물을 1980년대, 1990년대, 2000년대 대표 건물로 설정하였다.

Building U-value by a Case(Unit:W/m2·K)

기존 건물의 기밀 성능은 사용 연수와 위치에 따라 실측값의 큰 오차를 보이며, 선행 연구에서의 공동주택의 침기량 실측값이 1.85회/h~9.03회/h로 다양하게 나타났다[9]. 또한 건물의 노후화에 따라 기밀 성능의 차이 발생하지만, 건물의 관리 정도에 따라 기밀 성능이 개선될 수 있으므로 건물의 사용 연한 따른 기밀 성능을 정량화하기 어렵다[10]. 이에 본 연구에서는 기존 문헌의 침기량을 참고하여 사용연한에 상관없이 기존 건물의 기밀 성능을 2회/h로 가정하였다.

2) 제로에너지화 리모델링의 적용 기술

제로에너지화 리모델링의 적용 기술은 Table. 5.와 같다. 외피의 단열성능 개선은 현재 신축 건물의 부위별 열관류율 기준을 적용하였다. 이는 제로에너지 건축물 구현을 위해 패시브하우스 수준의 단열성능을 제시하였기 때문에 현재 단열성능 수준으로 벽체와 지붕에 외단열을 추가하는 것으로 가정하였다. 바닥의 경우 추가 단열재 삽입이 어렵기때문에 바닥은 기존 바닥의 단열 성능을 그대로 적용하였다. 단열재는 현재의 기준을 만족시키기 위해 Table. 6.과 같이 단열재를 추가 시공하는 것으로 하였으며, 연도별 건물에 있어서 단열재의 두께를 조정하여 현재 기준을 만족하는 것으로 가정하였다. 창호는 3중 로이유리로 교체하였고, 이와 더불어 기밀도 향상을 위한 공사를 함께 시공하였다. 기존 건물의 특성상 기밀도는 신축기준이 아닌 최대 성능 개선량으로 가정하여 침기량 1.0ACH를 적용하였다. 설비시스템의 에너지 효율 개선과 관련하여 에너지효율 1등급인 보일러로 교체하고, 조명시설은 LED조명으로 전면 교체하였다. 에너지 자립도를 위한 신재생에너지 시스템은 지붕에 3kW급의 계통연계형 태양광발전시스템을 설치하는 것으로 가정하였다.

Building Requirements for Green Remodeling

Insulation Supplement for Zero-Energy Remodeling

3.2. 제로에너지화 리모델링 에너지성능 분석 결과

대상건물의 에너지 해석은 에너지 플러스(Energyplus)를 기반으로 하는 디자인빌더(Designbuilder) 프로그램을 사용하였다. 대상건물은 국토부 고시 기존 건물의 그린 리모델링이 인정되는 1980년부터 2010년의 건물로 하였으며, 연대별 단위면적당 건물의 1차 에너지 소요량을 분석하였다. 일반적으로 1차 에너지 소요량 분석 시 난방, 냉방, 급탕, 조명, 환기 에너지를 대상으로 하나, 기존 건물의 경우 환기 시스템이 설치되어 있지 않으므로 본 연구에서는 환기 에너지는 제외하고 1차 에너지 소요량을 분석하였다. 시뮬레이션을 위한 부위별 열관류율 및 건물의 전체성능은 중부 2 지역을 기준으로 한 해당 연도의 건축법시행규칙, 건축물의 설비기준 등에 관한 규칙, 건축물의 에너지 절약 설계 기준의 건축물 부위별 열 관류율을 참고하였다.

제로에너지화 리모델링에 의한 에너지 성능 분석 결과는 Table. 7.과 같다. 연대별 기존 건물의 연간 1차 에너지 소요량은 각각, 444.2kWh/m2, 381kWh/m2, 339.5kWh/m2으로 확인되었다. 서울연구원의 보고서에 따르면 1980년대~2000년대 단독주택의 전기와 가스 소비량을 1차 에너지로 환산하면 477.5kWh/m2~ 486.5kWh/m2으로 조사되었다[11]. 이는 플러그 부하를 고려하면 기존 모델의 에너지성능 분석 결과가 오차 범위에 있을 것으로 신뢰도있는 데이터로 판단하였다.

Fig. 2.

Source Energy Use Intensity Building Types

Breakdown of Source Energy Use Intensity

기존 건물의 1차 에너지 소요량을 토대로 건물의 에너지효율등급 적용 결과 1980년, 1990년, 2000년대 건물은 각각 등급외, 7등급, 6등급을 나타내었다. 전체 에너지 소비량 중 72%~80%를 난방에너지 소비가 차지하고 있었다. 1980년대에 지어진 건물의 경우 단열성능이 가장 열악하기 때문에 전체 에너지 소비의 80%를 난방에너지가 차지하였다. 리모델링을 위해서는 난방에너지소비량을 줄이기 위한 요소기술 적용이 필요하였다.

제로에너지화 리모델링에 따른 건물의 1차 에너지 소요량은 기존 건물의 에너지 소요량 대비, 41%~45% 수준으로 적극적인 에너지 절감을 달성할 수 있었다. 제로에너지화 리모델링에 따른 건물 에너지효율등급은 모두 2등급을 나타내었다. 대부분 신축건물과 동일한 단열 성능을 만족하였지만, 바닥의 단열재 보강을 실시하지 않아 에너지 절감에 한계가 있었다. 기존건물의 리모델링을 통해 제로에너지건축물 인증제도의 에너지효율등급을 만족하는 것은 현실적으로 어려울 것으로 예상된다. 제로에너지화 리모델링은 신축건물과는 달리 제약조건이 많이 발생하므로 동일한 기준을 적용하는 것 보다는 완화된 기준을 적용하여 제로에너지에 근접한 리모델링을 실시할 수 있도록 방향을 제시하는 것이 필요할 것으로 예상된다.

에너지 자립을 위해 3kW급 태양광 발전 시스템의 발전량을 시뮬레이션 결과 연간 발전량은 31.1kW/m2이었다. 이로 인한 에너지 자립률은 17.1%~20.2%으로 나타났다. 제로에너지건축물 인증 기준 중 에너지 자립률에 관한 기준을 만족하기 위해서는 3kW급 이상의 시스템을 설치해야할 것이다. 즉, 기존 건물의 리모델링에 의한 제로에너지화 리모델링을 실시하기 위해서는 현재 단열 성능 수준을 만족하는 것 이상의 단열성능 향상을 통한 에너지 절감을 이루어 내거나 태양광발전시스템의 설치 용량을 늘려 에너지 자립도 기준을 만족할 수 있어야한다.


4. 제로 에너지화 리모델링의 경제성 분석

제로 에너지화 리모델링 활성화를 위해 각 건물의 유형별 경제성 분석하였다. 경제성은 대안별 에너지 소비량 절감에 따른 에너지 비용 절감액을 산정하고, 공사에 소요된 공사비를 분석하여 각 대안별 초기 투자비 회수기간을 분석하였다. 본 연구에서는 리모델링에 관한 이자비 지원은 고려하지 않았으며, 태양광발전시스템의 설치비 보조금만 반영하였다.

4.1. 대안별 에너지 소비량 절감률 분석

각 건물의 에너지 비용 산정은 최종에너지 소비량을 기준으로 산정하였다. 도시가스 요금은 서울도시가스 요금제를 적용하였으며, 전기요금은 주택용(저압) 요금제도를 적용하였다. PV 시스템에 의해 생산된 전기는 태양광설비 상계요금제도를 적용하였다. 연간 에너지비용 절감액은 Table. 8.과 같다.

Annual Gas and Electricity Costs Savings (Unit:KRW/㎡)

기존 건물의 연간 에너지 비용은 1980년대 건물의 30,110원/m2으로 가장 높았으며 1980년대에서 2000년대로 갈수록 냉방에너지 비율이 높아져 가스 요금은 줄어들지만 전기요금은 늘어나는 것으로 나타났다. 리모델링에 따른 연간 에너지 비용은 태양광발전시스템을 통한 전기요금절감으로 인해 연간 9,380원/m2 ~7520원/m2으로 나타났다. 1980년대 건물의 연간 에너지 절감 금액이 가장 큰 것으로 나타났는데, 이는 난방에너지 절감비율이 가장 높았기 때문으로 판단된다.

4.2. 리모델링 공사비 산정

2020년 1월 공표 표준품셈표를 참고하여 지붕과 벽체의 단열재 설치에 대한 노무비를 산정하였으며, 보통인부는 138,290원/일, 내장공은 203,246원/일로 산정한다. 지붕은 평지붕으로 가정하며 조달청의 나라장터에 게시된 가격으로 책정하였으며 그라스울 샌드위치판으로 시공함을 가정하였다. 1980년, 1990년, 2000년대 건물은 각각 200mm, 170mm, 130mm 추가 시공하였다. 외벽의 단열재는 외단열 시공을 가정하고, 창호를 제외한 면적에 CO2 충진 폴리스티렌을 시공한다. 1980년대와 1990년대는 폴리스틸렌을 180mm 시공하고, 2000년대는 170mm를 시공하였다. 폴리스티렌 단가는 조달청의 나라장터에 게시된 가격으로 책정하였으며 100mm 재료와 80mm(또는 70mm)재료에 대한 비용을 합산하였다.

가설 비용은 창의 면적을 제외한 외벽 면적을 기준으로 하며 단위 면적당 15,000원으로 가정하였다. 창호는 전체 교체에 대한 비용 견적을 참고해 책정하였으며, 각 위치에 맞게 삼중로이창으로 설치하는 것으로 가정하였다. LED 교체의 비용은 일반 LED를 사용하였을 경우 40평형~50평형의 교체비용을 적용하여 책정하였다. 태양광 시스템은 2019년 기준 태양광 대여사업에서의 일시불 설치비용을 참고하였다. 각 연대별 건물의 공사비는 Table. 9.~Table. 11과 같다.

Cost Estimation of Remodeling (1980s)(Unit: KRW)

Cost Estimation of Remodeling (1990s)(Unit: KRW)

Cost Estimation of Remodeling (2000s)(Unit: KRW)

4.3. 회수 기간분석

회수 기간은 연간 냉난방비 절감량 대비 초기 투자비용으로 산정할 수 있으며, 제로에너지화 리모델링을 위해 초기에 투자한 금액의 회수 기간을 구하여 경제성을 분석한다. 태양광발전시스템의 설비치 보조금은 2020년 신재생에너지보급지원사업에 의해 설치비를 보조 받는 것으로 가정하였다. 태양광발전시스템의 설치비는 정부 고시안에 따라 838천원/kW를 적용하였다.

투자회수기간 분석 결과는 Table. 12.와 같다. 1980년대 건물의 투자회수기간은 11.2년으로, 1990년대이나 2000년대 건물에 비하여 짧게 나타났다. 이는 투입 비용 대비 에너지 절감량이 커 투자회수 기간이 짧게 나타난 것이다. 기존 연구에서 리모델링에 의한 경제성 분석결과 요소기술에 따라 투자회수기간이 6년~12년가량으로 나타났다[12]. 제로에너지화 리모델링 시 투자회수기간은 11년~13년으로, 단일요소기술의 투자회수기간보다 다소 길게 분석되었지만 본 연구에서는 정부 지원금에 대한 고려는 하지 않았기 때문에, 그린리모델링에 따른 정부 지원금을 고려할 시 투자회수기간은 줄어들 수 있을 것으로 판단된다.

Payback Period Results


5. 결론

본 연구에서는 기존건물의 제로에너지화 리모델링을 통한 에너지 성능 절감 및 경제성 분석을 위해 연도별 단열성능 기준을 참고하여 3종류의 표준 건물을 선정하여 기존 건물의 제로 에너지화 가능성에 대해 분석하였다. 주요 연구 결과를 요약하면 e다음과 같다.

(1) 제로에너지화 리모델링 결과 연간 1차 에너지소요량은154.1kWh/m2~182.1kWh/m2으로 에너지효율등급으로는 2등급에 해당한다. 제로에너지건축물 인증에 해당하는 에너지효율등급 1++을 달성할 수는 없었지만, 기존 건물의 에너지소비량의 41%~45% 수준으로 에너지소비를 절감할 수 있었다. 기존 그린리모델링에 비해 적극적인 에너지 절감을 확인할 수 있었다.

(2) 주택용 태양광발전시스템의 일반적인 설치 용량 3kW급을 설치한 경우 에너지 자립도는 17.1%~20.2%를 나타내었다. 에너지 소비의 절감량이 큰 경우 20% 이상의 자립도를 달성할 수 있었으나, 노후화가 심한 기존 건물의 경우 에너지 자립도 20%이상은 달성하기 어려웠다. 제로에너지 건축물의 기준인 에너지자립도 20%이상을 달성하기 위해서는 주거용에 적합한 통상적인 용량보다는 더 큰 용량을 적용하는 것이 필요하다.

(3) 제로에너지화 리모델링을 통해 절감한 냉난방 요금으로 리모델링 시 투입한 비용을 회수할 수 있음을 분석하였다. 1980년대 11.2년, 1990년대 12.3년, 2000년대 13.0년의 회수 기간을 도출하였다. 1980년대 회수 기간이 비교적 짧은 이유는 초기 투자 공사비보다 절감할 수 있는 냉난방 요금이 크기 때문이다.

본 연구는 시뮬레이션을 통한 에너지 절감 가능성 및 경제성을 분석함으로서 실제 데이터를 기반으로 분석한 것이 아니라는 한계가 있다. 하지만 본 연구는 기존 건물의 노후화에 따른 제로에너지화 리모델링의 가능성을 분석함으로써, 향후 단순 그린리모델링에서 제로에너지화로의 적극적인 리모델링 활성화를 위한 기초자료 활용될 수 있을 것이다.

Acknowledgments

본 연구는 2020년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국 연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임 (No. NRF-2017R1C1B2011791)

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Fig. 1.

Fig. 1.
The Standard House Floor Plan

Fig. 2.

Fig. 2.
Source Energy Use Intensity Building Types

Table 1.

Green Remodeling Elementary Technology

Category Elementary technology
Essential construction ㆍInsulation supplementation
ㆍAirtightness reinforcement
ㆍExterior window performance improvement
ㆍSolar radiation control devices
Additional support available construction ㆍEnergy management device: zoning control device, standby power cut-off device, BEMS (building energy management system) device, smart meter, etc.
ㆍPeak load reduction device: energy storage system (ESS), ice heat storage, etc.
ㆍRenewable energy construction: PV, solar-thermal, geothermal, wind, etc.
ㆍEnergy performance improvement related construction: high-efficiency cooling and heating system, LED lighting, etc.
ㆍSubsidiary construction related to energy performance improvement work

Table 2.

Applicable Elementary Technology for Zero-energy Remodeling

Elementary technology
1 Insulation (Exterior wall, roof, bottom floor)
2 Window replacement
3 Airtight construction
4 Lighting equipment replacement (LED)
5 High-efficiency boiler replacement
6 Photovoltaic system

Table 3.

Description of the Building Model

Parameters Values
Location Seoul, South Korea
Direction South
Total floor area 115.6m2
Number of floors 2
Ceiling height 2,400mm
Floor height 2,700mm
Heating period November to March
Cooling period June to September
Heating set point temperature 20℃
Cooling set point temperature 26℃
Heating system and efficiency Floor radiation system, 90%
Cooling system and COP Air conditioner, 3.0
Lighting density 10W/m2
Equipment density 6.4W/m2
Occupancy density 0.035 people/m2

Table 4.

Building U-value by a Case(Unit:W/m2·K)

Element 1980s 1990s 2000s
Wall 0.50 0.50 0.47
Roof 0.50 0.35 0.29
Floor 1.00 0.50 0.41
Window 3.00 2.90 3.84
Airtight 2.0 ACH

Table 5.

Building Requirements for Green Remodeling

Parameters Values
Passive strategy Wall U-value 0.15W/m2·K
Roof U-value 0.15W/m2·K
Window U-value 0.8W/m2·K
SHGC 0.5
Visible transmittance 0.8
Airtight 1.0ACH
Active strategy Lighting density 5.5W/m2
Heating system efficiency 96.6%
PV
system
Module type Mono-crystalline silicon
Installed power capacity 3kW
Dimension of a module 1670×1000×32
Number of modules 10
Module efficiency 18%
Inverter efficiency 96%
Inclination 30°
Azimuth South

Table 6.

Insulation Supplement for Zero-Energy Remodeling

Part 1980 1990 2000 U-value
Roof Added insulation 200mm 170mm 130mm 0.15
W/m2·K
Section
Wall Added insulation 180mm 180mm 170mm 0.15
W/m2·K
Section

Table 7.

Breakdown of Source Energy Use Intensity

Classification Existing buildings Remodeling buildings
1980 1990 2000 1980R 1990R 2000R
Lighting
(kWh/m2)
45.1 45.1 45.1 22.4 22.4 22.4
Heating
(kWh/m2)
354.8 288.2 245.6 127.1 109.3 94.3
Cooling
(kWh/m2)
22.9 26.2 27.3 12.6 15.9 17.4
DHW
(kWh/m2)
21.5 21.5 21.5 20.0 20.0 20.0
Total Source Energy
(kWh/m2)
444.2 381.0 339.5 182.1 167.6 154.1
PV Generation
(kWh/m2)
- - - 31.1 31.1 31.1
Net Source Energy
(kWh/m2)
444.2 381.0 339.5 151.0 136.5 123.1
Energy Independence Rate (%) - - - 17.1 18.6 20.2

Table 8.

Annual Gas and Electricity Costs Savings (Unit:KRW/㎡)

Energy Existing buildings Remodeling buildings
1980 1990 2000 1980R 1990R 2000R
Gas charge 21,520 17,730 15,310 8,690 7,460 6,610
Electric charge 8,467 8,684 8,704 491 535 595
Annual energy charge 29,987 26,414 24,014 9,380 8,290 7,520
Annual savings - - - 20,607 18,124 16,494

Table 9.

Cost Estimation of Remodeling (1980s)(Unit: KRW)

Category Calculation basis Values
Roof Material cost (80.6m2×32,300) 3,396,080
Labor cost 1,357,766
Roof total 4,753,846
Wall Material cost (180m2×52,100) 9,918,000
Temporary structures cost 2,700,000
Labor cost 3,565,183
Wall total 16,183,183
Window Full replacement 3,386,300
LED Full replacement 500,000
Equipment Boiler replacement 1,208,000
PV system Installation cost 3,112,000
Total 29,143,329

Table 10.

Cost Estimation of Remodeling (1990s)(Unit: KRW)

Category Calculation basis Values
Roof Material cost (80.6m2×32,300) 3,396,080
Labor cost 1,357,766
Roof total 4,753,846
Wall Material cost (180m2×52,100) 9,918,000
Temporary structures cost 2,700,000
Labor cost 3,565,183
Wall total 16,183,183
Window Full replacement 3,386,300
LED Full replacement 500,000
Equipment Boiler replacement 1,208,000
PV system Installation cost 3,112,000
Total 29,143,329

Table 11.

Cost Estimation of Remodeling (2000s)(Unit: KRW)

Category Calculation basis Values
Roof Material cost (80.6m2×32,300) 2,603,380
Labor cost 1,357,766
Roof total 3,961,146
Wall Material cost (180m2×52,100) 9,378,000
Temporary structures cost 2,700,000
Labor cost 3,565,183
Wall total 15,643,000
Window Full replacement 3,386,300
LED Full replacement 500,000
Equipment Boiler replacement 1,208,000
PV system Installation cost 3,112,000
Total 27,810,446

Table 12.

Payback Period Results

Category 1980R 1990R 2000R
Annual energy savings (KRW) 2,381,373 2,129,199 1,942,710
Subsidy for PV installation (KRW) 2,514,000 2,514,000 2,514,000
Total remodeling cost (KRW) 29,143,329 28,753,629 27,810,446
Payback Period (yr) 11.2 12.3 13.0