건물의 에너지 성능 향상을 위한 주택정비기술의 중요도 분석 : 소단위 정비사업을 위한 노후 단독주택을 중심으로

1.1. 연구의 배경 및 목적

기존 도시정비사업은 거주자들의 경제적 측면은 고려하지 않은 채 사업성이 있는 노후단지를 선택하여 전면 철거하고 재건축, 재개발하는 경향이 있었다. 이는 주변지역의 노후화를 가속시키고 젠트리피케이션, 지역 커뮤니티 해체 등의 다양한 사회적 문제를 일으켰다[1]. 이를 개선하기 위해 중앙 정부에서는 2017년 5월 노후 및 쇠퇴한 주거지의 소규모 주택정비에 초점을 맞춘 우리동네살리기, 주거지지원형 등의 도시재생뉴딜사업을 발표하였다. 이 사업은 매년 10조원씩 5년간 총 500곳에 서 진행되는 대규모의 사업인 만큼 사전계획수립과 효율적인 집수리 비용의 집행이 중요할 것으로 사료된다. 본 연구는 소규모 주택정비를 통한 주거환경개선시 필요한 친환경 주택정비기술의 중요도를 분석하여, 한정된 집수리 비용을 효율적으로 사용할 수 있도록 주택정비기술의 우선순위를 도출하는 것이 목적이다.

1.2. 연구의 범위

본 연구에서는 주택정비기술 적용에 따른 건물에너지 성능 및 비용 절감 효과를 분석하기 위해 단독주택 표준모델을 선정하였다. 동적 건물에너지 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 에너지소비량 및 투자회수 기간 등의 지표를 이용하여 정량적인 개선치를 도출하였다. 건물성능 향상을 위해 채택한 주택정비기술들의 열전도율 및 열관류율의 단열 성능, 설비의 효율 등의 정보는 에너지절약형 친환경주택의 건설기준(2017.12.15. 시행), 건축물의 에너지절약 설계기준(2017.06.20. 시행), 건축물 에너지효율등급 인증 기준(2017.01.20. 시행)을 참고하여 해당 기준에 적합한 제품 및 재료를 선정하여 분석하였다.

2.1. 기존 문헌 고찰

김민경 외(2010)의 연구에서는 전문가를 대상으로 하는 ‘델파이 설문조사’ 방식을 통해 에너지성능 개선을 위한 기술 요소의 우선순위를 도출하고, 시뮬레이션을 통한 각 기술들의 정량적 개선 효과를 분석하였다. 기존 단독주택의 에너지성능 개선효과 우선순위는 벽체 단열강화 > 창문 효율개선 > 창틀 단열 강화 > 기밀성 개선 순으로 연구결과를 보고하였다 [2]. 이성진 외(2017)는 시뮬레이션을 통해 벽체의 단열성능 개선 > 기밀성 향상 > 창호의 열관류율 및 SHGC 개선> 창면적비 증가 순으로 에너지 절감 효과가 나타났다고 보고하였다[3]. 이명주 외(2012)는 단독주택 난방에너지절약을 위한 요소별 에너지 절감률을 창호(37.92%) > 폐열회수기(27.82%) > 외피단열(25.23%) > 기밀성(5.49%) > 단열방식(4.42%) > 벽체열저장능률(3.99%) > 남측창면적비(0.29%) 순의 연구결과를 도출하였다 [4]. 김원석 외(2015)는 장애인 주택의 주거환경 개선을 위해 평균공사비용 대비 에너지절감율을 분석하여 창 교체와 바닥 단열재 보강 기술의 효과가 벽체 단열재보강 보다 우수하다는 연구결과를 보고하였다[5]. 고종철 외(2011) 논문에서는 에너지 절감율과 단가의 상관관계를 바탕으로 한 기여율을 통해 공동주택 최적설계지침 가이드라인을 연구하였다 [6]. 기존 문헌 고찰 결과, 창호 및 벽체 등의 건축적· 패시브적 기술들의 변수를 통한 단독주택 난방에너지성능 개선에 초점을 맞추고 있는 것으로 나타났다. 본 연구에서는 창호 · 벽체와 같은 건축적 변수 외에 절수형 양변기 · LED조명 · 가스 및 기름보일러 등의 설비적 변수를 고려하여 주택정비기술들의 중요도를 분석하고자 한다.

2.2. 도시재생뉴딜사업

2017년 5월 이전까지의 도시재생사업 유형별 사업구조의 경우, 도시재생 활성화 및 지원에 관한 특별법 및 국가균형발전 특별법을 토대로 도시활력 증진지역 개발 사업을 진행해 왔다. 도시활력 증진지역 개발 사업에는 도시경제 기반형, 근린재생형, 도시생활환경개선, 지역역량강화에 대한 내용으로 구성되었다 [7]. 이러한 사업은 단독주택들이 밀집해 있는 소규모 주거지정비사업의 활성화를 일으키지 못하는 경향을 보여 2018년 도시재생뉴딜사업 유형에서는 도시재생사업과 도시활력 증진지역 개발 사업으로 분류하였다. 도시재생사업에는 경제기반형, 중심시가지형, 일반근린형, 주거지지원형 사업유형이 속하며, 도시활력 증진지역 개발사업에는 우리동네 살리기 사업유형이 포함되었다. 주거지재생을 목표를 둔 우리동네살리기는 소규모 저층 주거밀집지역을 대상으로 노후주거지 정비, 공동이용시설 등을 정비하는 사업을 의미한다. 본 연구는 우리동네살리기 사업에 참여하는 행정가, 도시재생지원센터, 집수리 전문가, 주민, 협동조합 등의 참여주체가 집수리시 필요한 정비기술 선정시 활용가능한 집수리 기술의 중요도 분석 결과를 제공하는 것에 의의를 둔다.

2.3. 단독주택 노후도 분석

노후주거지를 정비하는 내용을 포함한 도시재정비촉진사업의 유형을 살펴보면, 재건축사업, 재개발사업, 가로주택정비사업, 저소득층 에너지, 주거환경개선사업, 주거환경관리사업 등으로 분류할 수 있다. 주거환경개선사업이란 도시 저소득 주민이 집단적으로 거주하는 지역으로서 정비기반시설이 극히 열악하고 노후 · 불량건축물이 과도하게 밀집한 지역의 주거환경을 개선하거나 단독주택 및 다세대 주택이 밀집한 지역에서 정비기반시설과 공동이용시설 확충을 통하여 주거환경을 보전 · 정비· 개량하기 위한 사업을 말한다 [8]. 노후주택은 일반적으로 건축물이 훼손되거나 일부가 멸실, 주거환경이 불량한 곳에 위치하거나 도시미관을 저해하는 건축물을 의미한다. 본 연구에서는 준공 후 30년 이상 된 주택을 노후주택으로 명명하였다. 국토교통부와 LH 한국토지주택공사에 의해 발간되고, 건축행정 시스템 세움터에서 확인 가능한 건축통계집 자료에서 용도별 노후건축물 현황을 확인할 수 있다. 2016년 기준, 30년 이상의 노후건축물 중 주거용 건물의 경우, 80.9%로 나타났으며, 주거용 건축물 458만동 중 노후주택은 205만동(44.8%)으로 나타났다. 또한, 국가정보통계시스템(KOSIS)의 자료를 보면 단독주택의 약 48%가 노후주택으로 나타났으며 아파트의 경우 5.9%에 해당하는 가구만이 노후주택의 범주에 속하는 것으로 나타났다. 이로 인해 노후주택과 저소득층의 상관관계 분석을 위해 국토교통 통계누리에서 제공하는 소득계층별 주택 유형을 확인하였고, 2017년 기준, 저소득층의 경우 51.8%에 가구가 단독주택에 거주하는 것으로 나타났다. 위의 데이터 분석을 통해 소규모 집수리 정비 사업시, 거주자의 소득 특성을 반영하여 초기투자비용이 적고 건물의 성능 개선 효과가 우수한 정비기술의 도입이 필요할 것으로 사료된다.

Table 1.

Investigation of house by types and deterioration, 2016[Unit: the number of a house]

Table 2.

Housing Condition Survey by income bracket[Unit: %]

2.4. 집수리 예산 지원 정책

집수리시 지원되는 지원제도 중 대표적인 2가지 제도를 고찰하고 요약한 내용은 다음과 같다. 첫째, 산업통상자원부에서 지원하는 ‘저소득층 에너지효율 개선 사업’은 임대주택을 거주하는 국민기초생활 수급자 및 차상위계층 등을 대상으로 창호, 단열, 보일러 등을 가구당 150~300만원 한도로 무상으로 지원해 준다. 둘째, 서울시에서 지원하는 ‘리모델링지원형 장기안심주택제도’는 15년이 지난 전용면적 60㎡ 이하 주택 소유자로 전세 보증금이 2억2000만원 이하까지 신청할 수 있다. 단열공사, 보일러 · 상하수도 배관 교체 등의 리모델링 공사비용은 각 가구를 기준으로 보조하며 지원금은 500만~1000만원이다.

집수리 계획 시 위의 내용을 바탕으로 대상주택이 지원 받을 수 있는 제도를 먼저 파악하여 예산을 책정 후 적용 가능한 주택정비기술을 선정이 필요할 것으로 판단된다. 이러한 기술 선정 과정을 위해 본 연구에서는 저소득층 에너지효율 개선사업 및 기타 지자체의 지원 규모를 참고하였고, 한정된 지원 금액 안에서의 최대한의 효율을 낼 수 있는 주택정비기술의 중요도를 분석함에 의의를 둔다.

3.1. 분석 개요

주거환경개선시 한정된 비용으로 최대한의 에너지효율을 낼 수 있는 주택정비기술의 중요도를 분석하기 위하여 동적에너지시뮬레이션을 활용하였다. 단독주택 표준모델을 선정하고 시뮬레이션을 해석을 통해 baseline의 연간 에너지소비량을 구축하였다. 중요도 분석을 통한 기술 적용의 우선순위를 선정하기 위하여 초기투자비용 대비 연간 에너지비용 절감 성능 및 에너지비용 절감 효과가 우수한 주택정비기술을 도출하였다. 분석을 위해 적용되는 기술은 3가지 패시브 기술과 5가지 액티브기술로 분류하였다.

3.2. 시뮬레이션 해석 대상 및 입력데이터

주택정비기술들의 중요도 파악을 위해 단독주택 표준모델을 선정하여 집수리 전· 후의 건물에너지 성능을 비교 분석하였다. 분석을 위해 선정한 단독주택 표준모델은 김정화(2015)가 제시한 저소득층 단독주택으로써 Table 3.과 Fig. 1.에 표준모델에 대한 건축정보 및 평면 이미지를 나타내었다 [9]. 이 표준모델은 2013년 실시된 저소득층 에너지효율 개선사업의 시공지원을 받은 3,061가구 중 단독주택에 해당하는 2,571가구에 대한 현장실사 자료를 바탕으로 도출되었다. 단독주택 표준모델의 창호 단열성능은 저소득층 단독주택의 표본조사를 통해 얻은 열관류율의 평균값으로 설정하였다. 건물 외피중 벽체, 바닥, 지붕의 열관류율은 준공년도를 기준으로 가장 취약한 1980년대의 단열기준을 적용하였다. 환기량의 경우, 사용연수 18~22년 사이 세대의 평균값 1회/Hour로 설정하였다. 조명밀도의 경우, 김원석 외(2015)의 연구에서 제시한 15W/㎡의 값을 적용하였다. Fig. 1.과 Fig. 2.에는 에너지 분석을 위해 사용된 평면도와 열원설비 모델링 구성도를 각각 나타내었다.

Table 3.

Input Data of Detached House Standard Model (Baseline)

Fig. 1.

Energy Modeling of Detached House Standard Model

Fig. 2.

Modeling of Underfloor heating and Domestic Hot Water

Table 3.에는 단독주택 표준모델의 에너지해석을 위해 필요한 건축, 기계, 전기설비 등에 대한 설정 값을 정리하여 나타내었다.

3.3. 주택성능개선을 위한 주택정비기술 선정

주택정비기술은 크게 보일러 및 외피 단열성능 개선 등과 같은 에너지성능 개선기술과 방수 · 타일 · 수장 · 가구 공사 등과 같은 안전 · 환경 개선기술로 분류 할 수 있다. 본 연구에서는 에너지성능개선기술에 초점을 맞추어 주택법 시행규칙 제26조 별표 1 장기수선계획의 수립기준 및 기존 논문 등을 참고하여 시뮬레이션 해석이 가능한 주택정비기술을 선별하였다. 선정된 기술들의 성능은 2017 건축물의 에너지절약 설계기준 및 2017 에너지절약형 친환경주택의 건설기준과 같은 국내 · 외 친환경건축물 보급을 위한 설계가이드라인 및 인증기준을 바탕으로 도출하였다. 연구결과의 실용성 향상을 위해 신재생에너지설비와 같은 경제적 부담이 큰 기술은 제외하였다. 또한 주택 개· 보수 시 무분별한 다량의 기술들을 제시하여 혼란, 선정의 어려움 등의 역효과를 최소화 하였다. 본 연구에서는 열원설비 등의 보편적으로 적용이 가능하고 에너지성능과 밀접한 관련이 있는 기술 위주로 주택정비기술을 선정을 하였다. Table 4.에 선정된 기술의 우선순위 분석을 위해 선정한 주택정비기술을 나열하였다.

Table 4.

Energy Conservation Measures for Energy Performance Improvement

3.4. 비용효율 분석 방법

(1) 에너지소비량 및 에너지요금

동적 에너지 시뮬레이션을 통해 산출된 연간 에너지소비량은 난방, 급탕, 조명 등의 항목으로 분류되며, 에너지원으로는 전력, 유류, 가스로 구분된다. 사용된 에너지원의 비용 산출을 위해 월별 에너지 소비량의 데이터를 출력하였다. 조명, 발열기기 등으로 인한 전력 에너지요금은 아래의 (식1)에 의해 산출하였다. 주택정비기술 대안 중 고효율 콘덴싱 가스보일러를 제외한 나머지 주택정비기술들의 난방 열원설비는 기름보일러를 적용하였으며, 한국석유공사 오피넷에서 제공하는 단가를 이용하여 (식2)를 통해 등유에너지 요금을 산정하였다. 프로판가스를 연료로 사용하는 고효율 콘덴싱 가스보일러의 경우, 대한 LPG협회에서 제공하는 가격정보를 이용하였다. 등유보일러에서 고효율 가스보일러로 변경하는 경우, 도시가스 배관 및 밸브 등과 관련된 부속설비의 시공이 불가한 경우가 발생할 수 있어 개별 LPG 가스통을 사용하는 보일러시스템으로 선정하였으며 (식3)을 통해 에너지요금을 도출하였다.

$\[ \begin{array}{c}\mathrm{E}\mathrm{l}\mathrm{e}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{r}\mathrm{i}\mathrm{c}\mathrm{ }\mathrm{E}\mathrm{n}\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{g}\mathrm{y}\mathrm{ }\mathrm{R}\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{s}\mathrm{ }[\mathrm{K}\mathrm{R}\mathrm{W}/\mathrm{y}\mathrm{e}\mathrm{a}\mathrm{r}]\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\\ =\mathrm{ }\{\mathrm{B}\mathrm{a}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{c}\mathrm{ }\mathrm{R}\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{ }+\mathrm{ }\mathrm{E}\mathrm{n}\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{g}\mathrm{y}\mathrm{ }\mathrm{R}\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{e}\}\mathrm{ }+\mathrm{ }\{\mathrm{B}\mathrm{a}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{c}\mathrm{ }\mathrm{R}\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{ }+\mathrm{ }\mathrm{E}\mathrm{n}\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{g}\mathrm{y}\mathrm{ }\mathrm{R}\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{ }\times \mathrm{ }3.7\mathrm{\%}\mathrm{ }(\mathrm{P}\mathrm{o}\mathrm{w}\mathrm{e}\mathrm{r}\\ \mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{d}\mathrm{u}\mathrm{s}\mathrm{t}\mathrm{r}\mathrm{y}\mathrm{ }\mathrm{p}\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{i}\mathrm{o}\mathrm{d}\mathrm{ }\mathrm{f}\mathrm{u}\mathrm{n}\mathrm{d}\mathrm{ }\mathrm{p}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{t}\left)\right\}\mathrm{ }+\mathrm{ }\{\mathrm{B}\mathrm{a}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{c}\mathrm{ }\mathrm{R}\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{ }+\mathrm{ }\mathrm{E}\mathrm{n}\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{g}\mathrm{y}\mathrm{ }\mathrm{R}\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{ }\times \mathrm{ }10\mathrm{\%}\mathrm{ }(\mathrm{V}\mathrm{A}\mathrm{T}\mathrm{ }\mathrm{p}\mathrm{o}\mathrm{r}\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{o}\mathrm{n}\left)\right\}\end{array} \]$

(식1)

Table 5.

Electric Rates (KEPCO Residential Low Power 2016.12.01. After Revision)

$\[ \mathrm{P}\mathrm{r}\mathrm{i}\mathrm{c}\mathrm{e}\mathrm{ }\mathrm{o}\mathrm{f}\mathrm{ }\mathrm{L}\mathrm{a}\mathrm{m}\mathrm{p}\mathrm{ }\mathrm{O}\mathrm{i}\mathrm{l}\mathrm{ }[\mathrm{K}\mathrm{R}\mathrm{W}/\mathrm{y}\mathrm{e}\mathrm{a}\mathrm{r}]\mathrm{ }=\mathrm{ }\left(\mathrm{L}\mathrm{a}\mathrm{m}\mathrm{p}\mathrm{ }\mathrm{O}\mathrm{i}\mathrm{l}\mathrm{ }\mathrm{C}\mathrm{o}\mathrm{n}\mathrm{s}\mathrm{u}\mathrm{m}\mathrm{p}\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{o}\mathrm{n}\right[\mathcal{l}/\mathrm{y}\mathrm{e}\mathrm{a}\mathrm{r}]\mathrm{ }\times \mathrm{ }\mathrm{U}\mathrm{n}\mathrm{i}\mathrm{t}\mathrm{ }\mathrm{P}\mathrm{r}\mathrm{i}\mathrm{c}\mathrm{e}[\mathrm{K}\mathrm{R}\mathrm{W}/\mathcal{l}\left]\right) \]$

(식2)

Table 6.

Price of Lamp Oil (Oil Price Information Service, Opinet, Korea National Oil Corporation 2018.07)

$\[ \mathrm{P}\mathrm{r}\mathrm{i}\mathrm{c}\mathrm{e}\mathrm{ }\mathrm{o}\mathrm{f}\mathrm{ }\mathrm{L}\mathrm{P}\mathrm{G}\mathrm{ }(\mathrm{K}\mathrm{R}\mathrm{W}/\mathrm{y}\mathrm{e}\mathrm{a}\mathrm{r})\mathrm{ }=\mathrm{ }\left(\mathrm{L}\mathrm{P}\mathrm{G}\mathrm{ }\mathrm{C}\mathrm{o}\mathrm{n}\mathrm{s}\mathrm{u}\mathrm{m}\mathrm{p}\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{o}\mathrm{n}\right[\mathrm{k}\mathrm{g}/\mathrm{y}\mathrm{e}\mathrm{a}\mathrm{r}]\mathrm{ }\times \mathrm{ }\mathrm{U}\mathrm{n}\mathrm{i}\mathrm{t}\mathrm{ }\mathrm{P}\mathrm{r}\mathrm{i}\mathrm{c}\mathrm{e}[\mathrm{K}\mathrm{R}\mathrm{W}/\mathrm{k}\mathrm{g}\left]\right) \]$

(식3)

Table 7.

Price of LPG(Residential) (Korea LPG Association, http://www.klpg.or.kr/front/pds/price_info.asp?price_year=2018)

(2) 선정된 주택정비기술의 특성 및 초기투자비용

건물 개 · 보수 시 투자금액이 많을수록 건물 성능 개선 효과는 비례할 것으로 판단된다. 하지만 저소득층의 경우, 낮은 소득 수준과 한정된 지원비용으로 인해 저비용 · 고효율 · 친환경 주택정비기술의 도입이 우선시되어야 한다. 일반적으로 공사비용의 경우, 재료비와 노무비로 구성되는 직접비, 간접비, 이윤으로 분류된다. 본 연구에서의 재료비는 업체 견적 및 건축공사 표준품셈과 신재생에너지설비의 지원 등에 관한 기준 제11조 원별 기준단가를 참고하였다. 노무비는 표준품셈 일위대가와 기존문헌을 참고하여 산정하였다. 간접비는 직접비에 대한 10% 비율, 이윤은 직접비+간접비에 대한 고정 비율로 산정하였다. 또한 부산광역시 서구 집수리사업을 진행하고 있는 징검다리협동조합에서 제공한 견적서 자료를 참고하였다. 현관에 설치된 출입문의 경우, 열관류율 1.23W/㎡·K의 성능을 가진 스틸도어로 적용 후의 성능 분석을 하였다. 창호 개선 부분은 거실, 안방, 침실에 위치한 총 3세트의 창문을 대상으로 열관류율 1.58 W/㎡·K 성능을 가진 로이복층유리 구조의 단창을 적용하였다. 보일러의 경우, 기존 기름보일러(효율 85%)에서 에너지소비효율 1등급 제품인 고효율 콘덴싱 가스보일러로 교체할 경우(ECMs 5)와 효율이 향상된 스테인레스 기름 보일러로 교체한 경우(ECMs 6), 고효율 콘덴싱 기름보일러 (ECMs 7)를 각각 적용하여 비용효율지표에 따른 주택정비기술의 중요도를 분석하였다. 기존 기름보일러에서 동일 에너지원을 사용하는 스테인레스 기름 보일러로 교체 할 경우, 효율 향상, 기름탱크 및 배관 등의 부속품 교체 비용의 절감이 가능할 것으로 사료된다. 가스보일러 교체시 초기투자비용은 연통조립· 배관부속품교체·보온재 · 배관청소 · 철거 비용을 포함하여 산정하였다. Table 8.에 본 연구에서 분석한 주택정비기술들의 성능 · 초기투자비용 등에 대한 정보를 나타내었다.

Table 8.

Initial Investment and Information of Energy Conservation Measures (100 KRW in Cutting)

4.1. 절수형 양변기 도입을 통한 비용 절감

본 절에서는 1회 사용시 물 사용량이 6ℓ이하인 절수형 양변기(로 탱크형 양변기) [15]로 교체할 경우, 기존에 설치된 양변기와의 물 사용량 비교를 통해 비용효율을 분석하였다. 교체되는 양변기의 수량은 1대로 산정하였다. 사용수량에 따른 수도요금 산정을 위해 양변기의 사용횟수 및 사용수량을 결정하는 것이 중요하다. 박진관 외(2011)의 연구에서 현장실측을 통해 산출한 양변기의 일평균 사용횟수는 54회로 나타났으며[16], 환경부 수도정책과에서 제공하는 절수기기설치 회수기간 산정표에는 50회로 나타났다[17]. 본 연구에서는 성인 1명이 하루 5회 사용하는 것으로 가정, 재실 인원 4명이 거주 할 경우의 양변기 일 평균 사용횟수를 20회로 산정하여 분석하였다. 수도요금 산정방식은 서울특별시 아리수 사이버고객센터에서 제공하는 가정용 상하수도 요금계산식을 이용하였다. Table 9.에 절수형 양변기의 성능과 Table 10.에 기본요금 및 수도요금 단가를 명시하였다.

Table 9.

Specification of water-saving Toilets

Table 10.

Information of Water Rates (Office of Waterworks, Seoul Metropolitan Government, 2018.1.1.)

일반적으로 가정에서는 양변기뿐만 아니라 세면수전, 씽크수전 등에서 생활용수를 공급받아 물을 사용한다. 양변기의 물 사용량만을 기준으로 기본요금을 산정할 경우, 요금이 적게 산출 될 수 있으므로 사용요금 구분(㎥)을 30초과 50이하 구간을 선정하였다. 기존 양변기의 물 사용량의 경우, 환경부 수도정책과에서 제공하는 절수기기설치 회수기간 산정표 및 절수기기 설치 내용을 참고하여 13ℓ/flush, 19ℓ/flush 2가지 경우로 분류하였다. 절수형 양변기 도입에 따른 수도요금 절감에 대한 결과를 Table 11. 에 나타내었다.

Table 11.

Economic Analysis of Water-saving Toilets Bowl

분석결과를 살펴보면, 단독주택 표준모델의 기존 양변기의 사용수량을 1회 사용 시 13ℓ로 산정하여 연간 수도요금을 계산한 경우, 159,912원으로 나타났다. 19ℓ로 산정한 경우는 227,736원으로 나타났다. 1회 사용 시 물 사용량이 6ℓ가 소모되는 절수형 양변기의 경우, 연간 수도요금이 80,784원으로 나타났으며, 13ℓ를 사용하는 경우보다 79,128원이 절감되는 것으로 나타났다. 절수형 양변기를 적용한 경우의 투자비회수기간의 경우, Baseline 1과 비교한 경우 4.7년, Baseline 2와 비교한 경우는 2.5년으로 나타났다. Baseline 2 대비 절수형 양변기 시공시 투자비회수 기간이 2.5년으로 나타나 경제성이 우수한 것으로 나타났다. 주택법 시행규칙 장기수선계획의 수립에서는 양변기의 교체시기를 20년 마다 100% 전면 수선할 것을 규칙으로 삼고 있다. 노후 · 쇠퇴한 단독주택에서 위생 및 안전상의 문제로 양변기를 교체 할 때, 1회 사용 수량이 6ℓ 이하인 절수형 양변기로 교체하면 수도요금 절감 효과를 뚜렷하게 확인할 수 있으며, 이는 투자비회수기간이 3년 미만으로 나타나 경제성이 뛰어난 것으로 판단된다. 또한 기존 거주인원 및 일 사용수량이 많을수록 개선 후 투자비회수기간은 더욱 단축 될 수 있을 것으로 사료된다.

4.2. 단독주택 표준모델 에너지소비량

기존 단독주택에서의 주택정비기술을 적용하기 전, 단독주택 표준모델의 에너지사용량과 사용 금액을 Table 12.에 나타내었다.

Table 12.

Energy Performance Results of Detached House Standard Model (Baseline)

에너지사용량의 경우, 설정온도 유지 및 급탕 에너지 사용을 위해 보일러에 투입된 연료 사용량의 경우 388.4kWh/㎡·year, 조명, 실내 기기에 사용된 전력량은 52.6kWh/㎡·year로 나타났다. 난방에너지 성능과 관련하여 월별 유류 사용량은 1월이 가장 높게 나타났다. 이는 일반적인 우리나라 겨울철 외기온도 및 일사량, 습도 등에 기인한 것으로 판단된다. 연간 전기요금은 220,380원으로 나타났으며, 난방 에너지와 급탕에너지 용도로 사용되는 유류로 인한 연간 에너지 비용은 1,695,051원으로 나타났다. 실제 에너지 빈곤층, 저소득층의 경우에는 난방비 절감을 위하여 시뮬레이션에서 설정한 난방설정온도 20℃보다 낮은 온도 설정 및 난방설비 가동시간 단축 등과 같은 운영을 하고 있을 것으로 사료된다. 따라서 실제 난방에너지 비용은 본 연구에서 나타난 비용보다 낮을 것으로 판단된다.

4.3. 주택정비기술 적용에 따른 에너지 성능 분석

단독주택 표준모델에 선정된 주택정비기술을 적용 한 후 에너지성능 결과를 Table 13.에 나타내었다. 이 표에는 물 사용량에 따른 수도요금을 제외한 에너지 사용량 및 절감율을 표시하였다. 마이너스 절감율 값은 기존 단독주택 대비 에너지소비량이 증가됨을 나타낸 것이다. 에너지 절감률이 가장 크게 나타난 주택정비기술은 내단열 보강으로, 열전도율 0.032 W/㎡ 단열재 두께 100mm를 보강하여 기존 단독주택 표준모델의 벽체의 단열성능을 향상시킨 결과로 사료된다. 열관류율 1.23W/㎡·K에 해당하는 스틸도어의 경우, 단독주택 표준모델의 기본 성능 대비 에너지소비량 절감율이 0.16%로 나타났다. 바닥 및 지붕을 제외한 외벽의 외피면적 대비 출입문 1 개소의 면적비율은 1.87%로 나타나 열손실 개선을 위해 적용되는 고단열 출입문의 성능개선효과는 미비한 것으로 사료된다. 스틸도어의 경우, 단열성능 외에 기밀성능 향상에 따른 침입외기에 의한 부하와 단열성능 향상에 대한 관류부하를 동시에 분석하는 단계가 필요할 것으로 사료된다. 이러한 이유로 시뮬레이션 결과와 실제 에너지성능 결과는 차이가 발생할 수 있을 것으로 사료된다. 적용된 주택정비기술 중 액티브기술에 해당하는 LED조명기기의 경우, 전력사용량에서는 25.53% 절감된 것으로 나타났다. 하지만 내부발열의 감소로 설정온도 유지를 위한 보일러 연료 사용량이 3.49%로 늘어 난 것으로 나타났다. 이는 기존 단독주택의 조명밀도는 15W/㎡ 이지만, 에너지절약형 친환경주택의 건설기준에서 제시하는 10W/㎡를 적용하여 분석한 결과로 사료된다. 단독주택의 경우, 내부발열에 의한 부하 발생 비중이 높은 비주거 건물(Internally dominated)과 다르게 건물 외벽이 외기에 직접 면해 있어 그로 인한 열손실 및 획득이 많은 건축물(Envelope Load Dominated Building) 이다. 내부발열 중 하나인 조명 발열량이 줄어들어 전력 사용량은 줄어들었지만, 겨울철 난방부하의 증가로 에너지 요구량이 증가한 것으로 판단된다. 연도 밖으로 버려지는 40~50℃에 해당하는 잠열 수증기를 재사용하여 우수한 성능을 가진 고효율 콘덴싱 가스보일러를 적용한 결과 난방에너지 절감율은 14%로 나타났다. PVC프레임의 단창으로 구성된 로이복층유리 적용시 에너지 절감율은 4.34%으로 나타났다. 이중창 및 삼중창의 창호를 적용할 경우, 외피에서의 관류부하 저감을 통한 에너지 절감율이 상승할 것으로 판단된다. 그럼에도 불구하고 단창의 창문을 적용한 이유로는 기존 노후 · 쇠퇴한 주택의 외벽 구조체 두께의 부족으로 인한 이중창 및 삼중창 적용의 어려움 및 이들 제품의 높은 초기투자비용을 고려하여 주택정비기술에서 선정을 제외 하였다. 실내등유를 사용하는 열효율 90%와 98%인 기름보일러를 통한 에너지 절감율은 각각 4.89%, 19.16%로 나타났다. 콘덴싱 기름보일러 적용할 경우, 초기투자비용은 일반형(효율 90%) 기름보일러에 비해 약 1.7배 늘어나지만, 약 4배 이상의 에너지절감효과를 볼 수 있는 것으로 나타났다.

Table 13.

Energy Performance Results of Each ECMs

4.4. 비용효율지표를 통한 주택정비기술의 중요도 분석

초기투자비용 및 에너지사용량에 따른 연간 에너지 요금 분석 결과를 바탕으로 투자비회수기간 및 생애기간 비용 등의 지표를 이용하여 주택정비기술의 중요도를 파악하였으며, 그 결과를 Table 14.에 나타내었다. 주택정비기술 적용시 절감된 에너지량에 따른 에너지비용의 감소는 단열재를 100mm 보강한 ECMs 3의 경우가 가장 효율적인 주택정비기술로 나타났다. 하지만, 초기투자비용에 따른 연간 에너지비용을 토대로 산출한 투자비회수기간의 경우, 콘덴싱 기름보일러를 적용한 경우가 2.6년으로 나타나 가장 중요도가 높은 주택정비기술로 나타났다. 내단열 보강의 ECMs 3의 투자비회수기간은 3년, 절수형 양변기를 적용한 ECMs 8은 4.7년, 효율이 90% 향상된 기름보일러의 경우 5.7년, LED를 적용한 경우는 10.3년으로 나타났다. 복층유리를 적용한 단창 ECMs 2의 경우, 연간 에너지절감 비용은 3번째로 나타났지만, 가장 높은 초기투자비용으로 인해 투자비회수기간이 12.9년으로 나타났다. LPG(액화석유가스; Liquefied Petroleum Gas)를 연료로 사용하는 고효율 콘덴싱 가스보일러를 적용한 ECMs 5의 분석 결과를 보면, 연료의 발열량 대비 높은 가스 요금으로 인해 투자비의 자본회수 소요를 초과하는 것으로 나타났다. 고효율 콘덴싱 가스보일러 적용시, LPG보다 요금이 저렴한 LNG(액화천연가스; Liquefied Natural Gas) 배관이 설치된 곳에 적용하는 것이 합리적일 것으로 사료된다. 단독주택 표준모델 대비 적용된 주택정비기술들에 대한 비용적인 상관관계 분석을 위해 에너지비용 1% 절감을 위한 추가 소요비용을 분석하였다. 분류된 기술 중에서 Table 14.와 같이 콘덴싱 기름보일러가 적용된 ECMs 7의 경우가 가장 적은 비용으로 에너지절감을 달성할 수 있는 것으로 나타났다. 이는 내단열 보강을 한 ECMs 3에 비해 약 1만원의 비용이 적게 드는 것으로 나타났다. 생애비용 분석을 통해 장기적 관점에서의 비용 절감에 대해 효과적인 주택정비기술은 콘덴싱 기름보일러와 내단열 보강기술로 나타났다. 분석된 자료를 바탕으로 노후· 쇠퇴한 주택의 주거환경 개선시, 한정된 비용으로 최대한의 에너지성능과 관련된 주거환경개선 효과를 극대화하기 위해서는 내부단열 보강과 고효율 열원설비의 교체가 동시에 이루어져야 할 것으로 판단된다.

Table 14.

Importance Analysis of Energy Conservation Measures for Detached House Standard Model