KIEAE Journal

온실가스 감축의 일환으로 공공건물은 2020년부터 제로에너지 빌딩이 의무화 되고, 민간건축물은 2025년부터 의무화 된다 [1]. 이를 활성화 하기 위해 국토교통부에서는 ‘건축물 에너지효율등급 인증 및 제로에너지건축물 인증기준’을 고시하고 2017년 1월 20일 시행하였다 [2]. 제로에너지빌딩 인증이 2017년부터는 시장형 공기업 , 2018년에는 준시장형 건물에는 의무화 되었으며 점차 공공건물, 민간 건물로 확대 될 방침이다 [3]. 이때 에너지 소비량을 다루는 건물에너지효율등급도 있지만 에너지 생산량인 자립률을 다루는 신재생에너지 분야의 추가 설치가 절대적으로 필요하다. 특히 건물에너지 소비량 중 50% 이상을 차지하는 공동주택의 경우 적용 가능한 신재생에너지원의 선정부터 공급의무비율을 달성하기 위한 다양한 설치 전략이 필요하다. 공동주택은 다수의 세대가 모여 있기 때문에 외기에 노출되는 표면적을 최소화할 수 있어서 단독 주택에 비하여 열손실 및 냉.난방에너지를 줄일 수 있는 형태이다 [4]. 반면에 공동주택에 설치하는 신재생에너지 시스템들은 일정부분 공간과 면적을 차지하게 되어서, 제로에너지 건축물의 구현 또는 에너지 생산량을 높이기 위한 잠재력은 낮아지게 된다.

특별히 서울시의 공동주택의 경우 대규모 택지고갈에 따라 소규모 공동주택 사업지구가 중요하게 되었으며, 2017년 9월 발표된 ‘녹색건축물 설계기준’으로 소규모 공동주택의 에너지 성능강화와 신재생에너지 설치 의무비율 이행으로 공사비 상승에 대한 부담이 큰 현실에 놓여있다 [5]. 이 기준에 의한 적용대상은 주거와 비주거로 나누어 각각 4개의 등급으로 구분하였다. 주거의 경우 ‘가‘등급은 1.000세대 이상, ’나‘등급은 300세대 이상부터 1,000세대 미만, ’다‘등급은 30세대 이상부터 300세대 미만, ’라‘등급은 30세대 미만으로 구분하였다. 본 연구에서는 ’다‘등급을 소규모로 범위를 정하였으며, 소규모 공동주택의 경우 공간이 협소하고 가용면적의 확보에 한계가 있어서 신재생에너지 설치 용량 및 비용에 대한 적극적인 검토가 필요하다.

본 연구의 목적은 최근 준공 또는 건설 중인 소규모 공동주택을 대상으로 신재생에너지를 설치할 수 있는 가능한 용량 및 설치 공급비율을 검토한다. 또한 신재생에너지 설치 의무비율 이행을 위해 비용을 고려한 신재생에너지 원별 적용방안을 분석 및 제시하고자 한다.

Fig. 1과 같이 연구방법의 흐름을 나타내었다. 먼저 다양한 신재생에너지원 중 공동주택에 설치가능 한 신재생에너지를 조사한다. 최근 준공한 소규모 공동주택을 대상으로 ECO2 프로그램을 활용하여 에너지 요구량 및 소요량을 분석하고, 적용 가능한 신재생에너지원 중심으로 에너지 절감량을 도출한다. 공동주택 도면파악을 통해 설치가능 한 신재생에너지원별 최대 용량 및 설치면적을 검토하고 신재생에너지 원별 기준단가를 통해 공사비를 분석한다. 에너지 절감량과 비용의 상관관계를 통해 개발한 비용성능평가지수를 고려하여 소규모 공동주택에 적용 가능한 신재생에너지원을 분석한다.

Fig. 1. 
Flow of research methodology

2013년부터 2017년까지 건축물에너지효율등급 1++인증을 받은 건물 69개를 대상으로 적용한 신재생에너지를 살펴보면 태양광을 적용한 건물이 46개, 지열을 적용한 건물이 11개, 태양광+지열을 적용한 건물이 6개로 나타났다 [6]. 즉 건축물에너지효율등급 인증을 높게 받은 건물에서 적용한 신재생에너지원은 태양광과 지열인 것으로 나타났다. 정민희의 연구에서는 공동주택에 적용 가능한 신재생에너지 시스템은 태양광, 태양열, 지열을 제시하였다 [7]. 백승효의 연구는 공동주택에 신재생에너지를 적용하는 프로그램을 개발하였고, 이에 대한 신재생에너지 시스템으로는 지열, 태양광, 태양열, 풍력시스템을 적용하였다 [8]. 이수진의 연구에서는 공동주택 단지차원에서 태양광, 태양열, 지열, 풍력, 연료전지를 적용 가능 기술로 설정하고 공동주택 단지의 1차에너지 소비량에 대한 에너지절감율을 산출하여 에너지성능을 분석하였다 [9].

즉 공동주택에 적용 가능한 신재생에너지 시스템을 정리하면 <표1>과 같다. 다만, 풍력은 진동과 소음으로, 연료전지는 에너지 저장과 수송에 대한 문제가 있어서 단시일 내에 소규모 공동주택에 적용은 어려울 것으로 판단되었다 [4].

정부는 신재생에너지 개발~이용~보급 촉진법을 제정 시행하여 공공기관 건물들의 신재생에너지 설비를 의무적으로 설치 공급하도록 유도하였다[14].

서울시 녹색건축물 설계기준에 의하면 신재생에너지 설치비율을 연도, 규모, 용도별로 구분하고 있으며 본 연구에서 다루고 있는 주거건물의 경우 2015년 2%부터 2023년 10%까지 매년 1%씩 증가하여 의무적으로 설치할 것을 규정하였다 [5]. 설치비율은 신재생에너지 설비의 지원등에 관한 규정에 따른다 [15]. 단 서울시는 단위에너지사용량에서 공동주택은 230kWh/㎡y로 정하였으며, 본 연구에서도 이를 반영하였다.

신재생에너지 설비규정을 살펴보니 단위에너지 생산량에 미니태양광 항목의 신설과, 단위에너지사용량에는 공동주택이 숙박시설로 대체 사용하고 있으므로 공동주택 용도의 추가가 필요하다.

소규모 공동주택도 서울에서 사업승인 신청 시 ECO2 프로그램을 이용하여 건물에너지효율등급 인증 제출이 의무화 되어 있으며, 신재생에너지 의무설치비율을 이행해야 한다. 따라서 최근 준공 및 준공을 앞두고 있는 서울시에 위치한 4개의 소규모 공동주택을 선정하여 1차에너지 소요량을 분석하고, 신재생에너지를 설치 할 경우 1차에너지 절감량, 설치 가능 용량과 초기비용을 파악하였다. 대상 단지에 대해 면적, 세대수, 단열재 두께, 창호의 열관류율, 보일러 용량 및 효율, 조명밀도, 기존 신재생에너지 설치여부 및 용량을 <표 2>에 나타내었다.

		S-residential building	K-residential building	G-residential building	C-residential building
Plan
Completion date		Oct. 2016	Feb. 2016	May 2018	Jun. 2017
Location		Nowon-Gu	Gandong-Gu	Guro-Gu	Guro-Gu
Site area(㎡)		1,366	1,373	2.070	3,321
Gross floor area(㎡)		1,924	4,055	7,709	10,072
Units		48	76	39	138
Insulation (0.27W/㎡K) thickness (mm)	Wall	150	120	150	120
	Roof	250	160	185	210
	Floor	240	210	130	140
Window	layers (mm)	5low-e+6(Ar)+5 5low-e+6(Ar)+5	5+12(Air)+5 5+12(Air)+5	5low-e+12(Ar)+5 5+12(Air)+5	5+12(Air)+5 5+12(Air)+5
	U-value (W/㎡K)	0.9 (Frame:PL)	1.2 (Frame:PL)	1.3 (Frame:PL)	0.99 (Frame:PL)
Door	U-value (W/㎡K)	1.33	1.8	1.8	1.8
Boiler		16,000 kcal/h (88%)	16,000 kcal/h (91%)	20,000 kcal/h(91%)	16,000 kcal/h (91%)
Lighting (W/㎡)		6.7	7.8	10	6.2
Renewable energy		-	-	PV (34.7㎡ / 6kW)	-

4개의 소규모 공동주택의 에너지 성능을 파악하기 위해 ECO2프로그램을 사용하였다. ECO2는 건축물의 에너지효율등급을 평가하기 위한 도구로 ISO 13790과 DIN V 18599를 근거로 개발되었으며, 월 평균 기상데이터를 바탕으로 건물의 월별 에너지 요구량 및 시스템 성능에 따른 소요량을 예측하고, 연간 단위면적당 1차에너지소요량(kWh/㎡.y)을 산출한다. 에너지 소요량은 난방, 냉방, 급탕, 조명, 환기 에너지로 구분하며, 시스템 성능을 평가하기 위해 공조처리, 난방기기, 난방공급시스템, 난방분배시스템, 냉방기기, 냉방분배시스템 신재생 기기를 각각 입력하도록 구성되어 있다 [16]. ECO2는 동적해석 에너지 해석 프로그램인 EnergyPlus에 비해 제한적이지만 사용이 용이하며 건물에너지 요구량과 설계된 설비의 용량과 효율에 의해 에너지 소비량을 계산하게 된다 [17]. ECO2에서 신재생에너지원은 태양광, 태양열, 지열, 연료전지를 입력할 수 있으며, 향후 추가 신재생에너지원 설치에 대한 고려가 필요하다.

각 단지의 난방, 냉방, 급탕, 조명, 환기와 전체 1차에너지소요량은 Fig. 2와 같이 나타났다. 4개단지 모두 난방에너지가 전체 에너지 중 61%~68%로 가장 높게 차지하였고, 그 다음 조명에너지가 18%~20%, 급탕에너지가 13%~20% 로 나타났다. G단지에서는 급탕이 20%, 조명에너지가 19%로 나타났으나 나머지 3개단지는 조명에너지가 두 번째로 높게 나타났다.

Fig. 2. 
Primary energy consumption of case studies using ECO2

K단지의 1차에너지 소비량이 196kWh/㎡y로 다른 단지에 비해 가장 높게 나타났으며 이는 세대 배치가 동향과 서향으로 이루어져 일사의 영향을 적게 받는 것으로 판단된다. 남향으로 배치된 G단지가 정남배치가 없는 K단지에 비해 에너지 성능이 40% 더 높은 것으로 파악되었다. 단지별 일사량 파악을 위해 친환경주택성능평가 프로그램을 활용한 결과를 <표 3>에 나타내었다. 남향세대가 거의 없는 K단지와 C단지가 일사량이 낮게 나타나는 것을 알 수 있다. 따라서, 유사한 단열재 두께와 고효율 설비등으로 에너지 절약적 설계를 계획하여도 주동의 향배치로 인한 일사량의 차이가 있으며 이는 실제 에너지 요구량에 직접적인 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 소규모 공동주택일 경우 에너지 소요량에 있어서 향별 배치의 영향은 더욱 크게 나타날 것으로 판단된다.

본 연구에서 적용하기로 한 신재생에너지원별 설치를 통해 ECO2로 분석한 에너지 절감량을 4장에서 검토하였다.

현행 건축물에너지효율등급 인증 기준에 의하면 신재생에너지를 통해 생산된 에너지는 세대에 이용하는 경우만 인정하고 있으며, 부대시설에 적용되는 경우에는 신재생에너지 설치를 인정하지 않고 있다. 본 연구에서는 생산된 에너지를 세대에 이용하고 있다고 가정하였다. 향후 신재생에너지를 공동주택 세대에 적용 할 수 있는 구체적 방안 마련이 필요할 것으로 판단된다.

서울시에 2017년 사업승인을 받은 공동주택의 경우 신재생 에너지를 예상에너지 사용량의 4%이상 설치해야 하며, 4개의 대상단지를 대상으로 신재생에너지원별 최대 설치 용량을 검토하였다.

미니태양광은 발코니에 설치되며, 5층 이상을 설치한 용량과 전체층을 다 설치한 용량으로 구분하여 <표 4>에 나타내었다. 5층이상 세대 발코니에 설치시 G단지가 10층으로 가장 높아 최대 8.25kW가 생산되며, 전체 세대 설치시 세대수가 가장 많은 C단지에서 34.5kW가 생산되는 것으로 나타났다.

태양광과 태양열은 옥상면적의 70%를 가능 설치면적으로 가정하여 최대설치 용량을 <표 5>에 나타내었다. 옥상에 태양광을 설치한 경우 미니태양광보다 단지별로 약 2배에서 4배의 용량을 더 설치할 수 있는 것으로 나타났다.

지열의 경우는 대지면적의 50%의 면적을 설치하였기에 대지면적이 넓은 C단지가 266RT로 용량이 큰 것을 알 수 있다.

BIPV의 경우에는 북측을 제외한 입면 벽체의 면적으로 살펴보았으며 각 방위별 용량은 <표 7>에 나타내었다.

신재생에너지원별 기준단가는 한국에너지공단에서 고시한 기준단가인 <표 8>를 참고하였고, 신재생에너지원별로 설치비용을 계산하였다.

신재생에너지 설치 비용대비 에너지절감율의 효과를 분석하기 위해 신재생에너지 비용성능지수 (Renewable Cost-Performance Index, RCPI)를 도출하였으며 식(1)과 같다. 여기서 에너지절감효과는 ECO2프로그램을 이용하였다.

각 단지별 적용 가능한 최대 용량, 설치비용 그리고 비용성능지수 산정 결과에 대해 <표 9>와 신재생에너지원별 비용성능지수를 Fig. 3에 나타내었다. 단지별 규모에 따라 비용성능지수는 차이를 보였으나 적용해야 할 신재생에너지원의 우선순위는 동일하게 나타났다. 따라서, 소형 공동주택에서 신재생에너지 의무설치비율과 1차에너지 소요량 절감율을 고려한 비용성능지수로 분석한 결과 미니태양광 > 옥상태양광 > 벽면의 BIPV > 태양열 > 지열의 순으로 나타났다.

Fig. 3. 
RCPI by renewable energy systems

Fig.4는 각 단지의 적용 가능한 신재생에너지 설치용량에 따라 공급의무비율을 산정한 결과이다. K단지의 경우 미니태양광은 전체설치 시 공급의무비율이 4.3%이고, 옥상 태양광은 5.7%, BIPV는 45.3%, 태양열은 16.0%, 지열은 11.1%로 산정되었다. 즉 K단지는 검토한 신재생에너지원을 모두 설치할 경우 76%의 공급비율이 가능한 것으로 나타났다. 소규모 공동주택에서는 BIPV와 태양열 설치 시 다른 신재생에너지 설치보다 공급의무비율이 높게 나타나는 것을 알 수 있다. 아울러, 옥상 태양광보다는 옥상 태양열이 동일한 면적을 설치할 경우, 신재생에너지공급비율이 약 2.5배 더 높은 것으로 산정되었다. 이는 신재생에너지 생산량에서, 옥상 태양열의 원별설치규모가 단위차이로 인해 옥상 태양열보다 약 5배 높게 나타나고, 단위에너지생산량은 약 2배 작게 나타나서 공급비율의 결과에도 영향을 끼치는 것으로 나타났다.

Fig. 4. 
Obligatory renewable energy service supply ratio on each system

신재생에너지 공급의무비율과 설치비용만을 고려하는 경우, 앞서 다루었던 비용성능지수와는 다르게 태양열 > 미니태양광 > BIPV > 태양광 >지열 순으로 적용하는 것이 경제적인 것으로 나타났다.

Table 10은 건물에너지효율등급에서 1차에너지소요량 절감률 산정과 비용을 고려한 비용성능지수와 공급의무비율만을 고려한 경우 단지별 신재생에너지 시스템과 비용을 나타내었다. 즉, 소규모 공동주택 계획시 2018년 기준으로 신재생에너지 공급의무비율 5%를 설치하기 위해서는 비용성능지수를 고려한 경우S와 C 단지는 미니태양광을 K와 G단지는 미니태양광과 옥상태양광을 설치해야 하는 것으로 나타났다. 이 때 소요되는 예상금액은 연면적당 14.5천원에서 23.9천원까지 나타났다. 공급의무비율만을 고려할 경우는 4개의 단지가 태양열을 설치하면 가능하고, 이 때 면적당 13.7천원 정도의 비용이 발생하는 것으로 산정되었다. 따라서 1차에너지 소요량 절감률을 고려할 것인지, 비용에 따른 공급의무비율만을 고려할 것인지에 따라 신재생에너지 시스템 선정이 달라지며 비용차이도 면적당 10천원 정도 까지 나타나는 것으로 분석되었다.

2023년 의무비율 10%를 만족하기 위해서는, 1차에너지소요량 절감률을 고려할 경우는 S, K, C단지는 미니태양광 전체 설치와 일부 태양광을 설치해야 하며, G단지의 경우에는 미니태양광, 태양광과 BIPV도 일부 설치해야 하는 것으로 나타났다. 이때 발생되는 비용은 면적당 40천원에서 46천원 정도로 산정되었다. 공급의무비율만을 고려 할 경우 4개 단지 모두 태양열을 설치하면 가능한 것으로 나타났고, 면적당 27천원정도의 비용이 예상되었다.

4개단지 최대 설치 가능비율은 37%에서 130%까지 단지별 큰 차이를 보였으며 이는 단지면적, 옥상면적, 입면면적의 크기와 형태에 따른 것으로 판단된다. 이때의 설치비용은 면적당 200천원부터 660천원까지 산정되었다.

따라서, 서울시 소규모 공동주택 사업시 신재생에너지 공급의무비율을 이행해야 할 때 본 연구에서 제시하는 비용성능지수의 고려와 경제적인 공급의무비율을 검토하여 비교한 건축계획이 필요하다.