KIEAE Journal

지구온난화의 가속화에 따른 온실가스 감축의 노력이 전 세계적으로 이루어지고 있는 가운데, 국내도 온실가스 감축을 위해 에너지 효율을 높이고자 관련 제도를 마련하였다.

특히 온실가스 배출에 있어 건물의 에너지 사용에 따른 온실가스 배출은 15%를 차지하고 있으며, 건물의 에너지 효율이 높아지면 온실가스 배출 저감에 효과적이다. 따라서 국내외 건축계는 건물이 에너지를 적게 소모하기 위한 방법으로 녹색건축 인증 제도를 대안으로 제시했으며, 활성화되고 있다.

하지만 국내에서 녹색건축 인증을 받은 건물의 에너지 사용량을 살펴본 결과, 인증 당시의 에너지 예측 사용량과 유사하지 않은 것으로 확인되었다[1].

이는 건물의 에너지 효율을 측정하는데 있어 지역의 기후 및 지형적 특성이 중요한 요소임에도 불구하고, 적절히 반영되지 않았기 때문이다[2].

따라서 본 논문은 국내 친환경 건축물의 기후기준과 해외 제도에 근거해 국내 친환경 건축물을 분석할 경우 에너지 사용량의 기준이 되는 기후 기준점에 대해 분석하고자 한다. 특히 국내에서 적용되는 제도는 13개(건축물 에너지효율등급인증제도 기준) 의 기후 기준점을 가지고 있는데, 미국의 미국 냉동 공조 학회(American Society of Heating Refrigerating and Air Conditioning Engineers: 이하 ASHRAE)에서 발간한 ASHRAE Standard를 기준을 적용하면 기준점이 51개로 증가한다. 미국의 친환경건축 인증제도인 LEED (Ledership in Energy and Environmental Design)는 ASHRAE Standard를 에너지 효율의 기준점을 두고 있으며 한국의 건축물도 해당 기준을 적용하고 있다. 따라서 이들 기준을 국내에 적용 시 에너지 효율 예측의 정확도가 높아질 것으로 예상하였다.

이 논문은 건축물 에너지 효율의 정확도가 높아지기 위한 방법으로 공간분석에 최적화된 GIS를 활용해 국내외 건축물 에너지 효율 관련 기후기준점을 비교분석하고, 국내 제도의 개선방안을 제시하고자 한다.

건물에너지 사용량과 기후의 연관관계에 대해 연구한 논문은 조진균 외 3인의 ‘기후대별 병원 건물의 병실 공조시스템의 에너지 소비 특성에 대한 연구’, 대한건축학회 논문집(2015년 3월)이 있으며 서울과 아부다비, 싱가포르에 위치한 병원건축의 기후대별 냉난방부하를 분석하고 기후에 따라 공조시스템을 달리 적용해야 하는 것에 대해 연구하였다.

안광호의 ‘녹색건축인증제도(G-SEED)의 에너지평가 프로그램 개선방안’, 건국대학교 박사학위논문(2016)은 에너지 효율을 평가하는 프로그램에 있어서의 문제점으로 기상데이터의 부재로 인해 에너지 사용량 분석의 정확도가 낮음을 지적했다.

이 밖에도 이병인의 ‘한국과 영국의 주거용 건축물 에너지 효율등급 인증제도 비교 분석을 통한 국내 제도 개선방향에 관한 연구’, 이화여자대학교 석사학위논문(2010), 김미영 외 1인의 ‘건축물 에너지효율을 개선하기 위한 인증제도의 공법적 고찰’, 중앙법학(2017) 등 건축물 에너지 효율둥급제도의 국내외 사례를 비교 분석한 논문들이 있으며, 국내 제도 개선의 필요성을 바탕으로 해외 제도와 비교를 통한 보완을 제시하였다.

연구 동향을 살펴본 결과 다수의 연구자에 의해 기후와 관련된 국내 건축물 에너지 효율등급 제도 개선의 필요성을 확인할 수 있었으며, 본 논문이 다루고자 하는 기후 기준점에 대한 중요성을 인지하고 있음을 알 수 있었다. 하지만 기존 연구 사례 중 기후의 기준점의 영향력을 구체적으로 비교분석한 논문은 없었으므로 본 연구는 독창적인 결과를 도출해낼 수 있을 것이라 판단된다.

현재 국내에서 실행중인 에너지 관련 제도는 녹색건축인증 제도를 근간으로 하며 건물의 에너지 효율성을 평가하는 방법은 크게 3가지로, 에너지 절약설계 기준과 건축물 에너지 효율등급, 에너지 사용량 등급으로 구분된다.

이들 에너지 효율성 평가방법은 지역의 기후를 바탕으로 적정 실내온도를 유지하기 위해 소모되는 에너지 사용량을 바탕으로 효율기준을 결정한다. 따라서 건물의 에너지 효율성을 평가하기 위한 지역의 기후는 매우 중요하다.

Fig. 1.은 에너지 효율등급제도의 기후 기준점을 나타낸 것으로 13개 지역만을 기준으로 정하고 있어, 기준점을 반경으로 기후를 반영하는 범위가 광범위한 실정이다.

Fig. 1. 
Climate standard area of Energy Efficiency Grade

ASHRAE Standard를 기준으로 국내 건물의 에너지를 분석할 경우 기후 기준점은 51개이며 비행장 및 공항 등이 동일 행정구역에 중복되는 지점을 제외하면 Fig. 2.에서와 같이 추풍령과 대관령, 울릉도 등 한반도의 지역적 특성을 고려한 면 단위의 기준점까지 35개 지역을 기준으로 제시하고 있다.

Fig. 2. 
Climate standard area of ASHRAE Standard

기후 기준점은 기상관측망을 토대로 경도와 위도 좌표를 GIS에 입력하였고, 분석은 공간분석 시 주로 사용하는 GIS를 활용하며, ESRI사의 GIS 제품군인 ArcGIS의 ArcMap으로 분석하였다. Arc Map은 공간데이터와 속성데이터의 생성, 수정, 분석, 그래프, 보고서, 디스플레이, 출력의 기능을 담당하고 있다.

공간분석의 방법은 기후의 기준점이 되는 기상관측망의 벡터 자료를 입력하고, 10km 간격의 Multi Buffering을 이용해 영향권을 분석하였다.

Table 1.에서와 같이 기후권을 분류하는 데 있어 공간적 분류로 대기후는 전 지구 혹은 대륙 규모의 장기간 기상 현상을 나타내는 반면, 중기후는 공간적으로 제한된 지역의 장기간 기상현상을 종합적으로 나타낸다.

중기후를 도시기후라고도 하며, 도시기후에 대한 분석은 기본적으로 도시구조와 건축물의 재질 등 물리적인 도시환경과 깊은 인과관계를 맺고 있다. 도시기후의 변화인자가 주로 지형, 토지피복유형, 토지이용형태, 건물구조, 건축재료에 기인하기 때문이다[3].

도시기후를 토대로 건물을 계획한다면 기후변화에 따른 폭염과 도시화에 의한 열대야 현상을 방지하기 위한 도시의 열환경 개선 및 대책 수립, 에너지 수요와 공급 및 도시환경오염을 고려한 에너지 계획 수립, 도시녹지의 기후생태적 기능을 고려한 보전지역의 설정 등이 가능해진다.

따라서 건물의 에너지 효율을 높이기 위해서는 도시기후를 토대로 계획해야 한다.

녹색건축인증제도는 건축물의 에너지 사용과 이산화탄소 배출저감 등 건축물에 대한 환경부하를 줄이고 환경 성능을 향상시키기 위해 친환경성을 평가하고 인증하는 제도이다.

2016년에 고시된 세부 평가기준에 따르면 건축물 용도(주거용, 단독주택, 비주거용), 시공 시기 및 인증 시기별(신축, 기존건물, 그린리모델링)로 구분하고 평가항목을 달리하고 있다.

Table 2.는 신축 주거용 건물의 세부평가기준이며, 8번 항목은 녹색건축인증 평가시 「주택건설기준 등에 관한 규칙」에 의해 공동주택성능등급 인증서에만 표시하고 인증평가를 위한 배점은 부여하지 않는다.

세부 평가 기준 중 본 논문에서 살펴보고자 하는 에너지 관련 분야는 「2. 에너지와 환경」이며 그 중 에너지 성능은 12점으로 인증 세부항목 가운데 가장 높은 배점을 차지하고 있다. 평가방법은 건축물의 에너지절약설계기준에 따른 에너지절약계획서의 에너지성능지표 검토서 평점 합계 또는 건축물 에너지효율등급 (예비)인증서, 에너지절약형 친환경주택의 건설기준의 절감률에 근거하여 평가할 수 있으며, 이중 유리한 점수를 적용해 산출가능하다.

Fig. 3.은 에너지 효율등급을 기준으로 한 기후 기준점 13개를 지도에 나타낸 것으로, 기준점으로부터 최소 10km 간격, 최대 100km까지 영향을 미치는 지역을 GIS로 분석해 보았다.

Fig. 3. 
Impact analysis of climate control point of Korea Standard

그 결과, Fig. 3.에서 나타내는 바와 같이 기준점으로부터 100km 반경을 넘어서는 지역의 기준을 적용해서, 에너지 절약설계를 해야 하는 경우도 발생했다.

특히 100km 반경을 넘어서는 지역은 울진군, 영덕군, 영양군, 봉화군 등 경상북도에 속해있는 행정시군들로 확인되며, 전체 기준점의 분포에 있어서도 경상도 지역은 대구광역시와 부산광역시를 제외하고는 별도의 기준점이 정해져있지 않은 것을 확인할 수 있었다.

ASHRAE 90.1의 기후기준점 51개 지점 중 공항 및 비행장 등이 위치함에 따라 기준점이 다수 지정된 지역은 하나로 통일하여 35개 기준점으로 정리하였으며, 기후기준점으로 최소 10km 반경에서 최대 100km 반경까지, 기준점에서부터 영향을 미치는 거리를 GIS로 분석하였다.

그 결과, Fig. 4.에서와 같이 기후기준점은 최대 70km 반경이 떨어진 지역을 기준으로 에너지 효율 예측을 적용할 수 있었다. 전국으로 확대하면 대부분의 건축물은 50km 반경 이내의 기준점을 적용하여 에너지 절약설계가 가능하다는 사실을 알 수 있었다.

Fig. 4. 
Impact analysis of climate control point of Oversea

기준점의 분포에 있어서도 국내는 13개 지점이었던 것에 비해 ASHRAE 90.1은 35개 지역에 분포하고 있어서, 국내 기준점에서 100km 반경 이상의 거리에 위치했던 경상북도 권역에 충분한 기준점이 존재하고 있음을 확인할 수 있다.

국내 및 해외 기준에 의한 기후기준점을 분석 해 본 결과 국내 기준은 기후 기준점이 적고, 기준점의 위치가 균형적으로 배치되어 있지 않았으며, 해외 기후 기준점은 국내에 비해 다소 균형적인 위치에 배치되어 있고, 한반도 내에서 기준점간의 이격 거리가 대부분 50km 이내로 고른 분포를 보였다.

따라서 해외의 기준인 ASHRAE 90.1의 기후기준점으로 건물 에너지 효율성을 산정한다면, 기후 오차 범위가 줄어들 것으로 예상된다. 기후를 반영한 건물 에너지 효율을 예측하기 위해서는 10km 반경 이내인 중기후(도시기후) 반경을 중심으로 계획되어져야 하나, ASHRAE 90.1 역시 중기후 기준에 적합하지는 않았다.