KIEAE Journal

화석연료의 가격 상승과 에너지 문제가 심각해지면서 근래에 건축물뿐만 아니라 산업계 전 분야에서 그러한 영향을 받는 결과들이 나타나고 있다. 특히 한국도 2013년부터 온실가스 의무 감축 대상국에 포함되면서 정부의 기후변화에 대응한 저탄소녹색성장국가전략을 기본으로 한 앞으로 정책 방향이 에너지저소비형 친환경주택의 건설 의무화, 청정에너지인 원자력발전 및 신재생에너지의 보급 확대, 녹색 수송체계인 전기 자동차의 보급 확대와 충전 인프라 구축을 추진하고 있다.¹⁾

에너지 소비에 있어서 자동차의 경우 석유사용량의 증가와 유가상승 그리고 지구 생태계 문제로 인하여 환경오염의 주범으로 지목되고 있다. 그리고 근래에는 전기자동차의 등장으로 현재는 개발 초기 단계이지만 점차 현실적인 수준의 성능을 가지는 제품들이 개발되고 있다. 그러나 전기자동차의 경우 연료의 주입이 아닌 전지 충전의 방식을 사용하고 있고 그 충전시간 역시 기존의 주유시간과는 큰 차이가 있어서 기존의 주유소로는 충전이 어려운 것이 사실이다. 따라서 전기자동차의 보급과 더불어 전기자동차의 충전을 위한 적절한 충전소를 제공하는 것이 중요한 문제로 대두 되고 있다. 이에, 이러한 문제의 해결 방법으로서 가정과 근무지의 주차장이 가장 현재의 전기자동차 주행거리로 볼 때 적합한 장소로 볼 수 있다.

하지만 현재는 부설주차장이나 아파트 주차장에 전기자동차를 위한 충전시설이 마련된 경우가 전무한 실정이다. 앞으로 보급될 전기자동차 정책을 위하여서도 전기자동차를 충전시킬 수 있는 주차장의 계획은 매우 중요한 문제로 대두 될 것임에 틀림없다 할 수 있다.

그러기 위해서는 기존의 주차장은 전기충전장비를 설치하기 위한 공간이 필요하여 기존에 비하여 변형되어야 하며, 새로운 주차장 계획 역시 충전장비의 공간을 고려하지 않을 수 없다. 이러한 배경에서, 본 연구는 아파트나 대형건물의 부설 주차장에서 전기자동차를 충전시킬 수 있는 시스템을 갖춘 적절한 규격을 제안하고 기존의 아파트 주차장을 전기자동차를 충전시킬 수 있는 주차장으로 계획하기 위한 방법들을 제시하고자 한다.

본 연구는 현재 주차장 관련 건축법을 고찰하고 실제 이용되는 주차장들을 실측조사를 통하여 규격을 조사한다. 또한, 주차장 크기가 적합한지 여부를 알아보기 위하여 근래에 출시된 여러 자동차의 크기의 고찰과, 전기자동차 충전시스템의 종류 및 크기를 조사한다. 이에, 전기자동차 시스템을 기존에 혹은 신규 주차장에 설치할 경우 현재 법에서 규정하고 있는 주차장 크기에 적합한지를 분석하고, 전기자동차 충전장치를 설치하기 위한 적합한 주차장 단위주차공간의 형태와 규모를 제시한다. 또한, 기존의 주차장에서 전기자동차 충전시스템을 설치하기 위하여 고려해야 할 사항을 제시한다.

한편, 본 연구는 다음과 같은 제약사항이 있으므로 연구의 범위를 다음과 같이 한정하기로 한다.

우선, 전기자동차의 보급률과 상용화에 관한 문제와 연관되어 전기자동차 충전시스템의 운영에 관한 부분은 논의 대상 외로 두기로 한다. 또한, 측정대상 건물주차장은 대전시 및 충남으로 한정하였으며, 연구 진행은 다음 그림과 같다.

Fig. 1. 
Flow chart of this study

전기자동차에 관하여 사전을 찾으면‘자동차의 구동 에너지를 기존의 자동차와 같이 화석 연료의 연소로부터가 아닌 전기에너지로부터 얻는 자동차이다. 자동차에서의 배기가스가 전혀 없으며, 소음이 아주 작은 장점이 있다. 전기자동차는 1873년 가솔린 자동차보다 먼저 제작되었으나, 배터리의 무거운 중량, 충전에 걸리는 시간 등의 문제 때문에 실용화되지 못하다가 공해문제가 최근 심각해지면서 다시 개발이 되고 있다.²⁾’라고 기술되어 있다. 현재 전기자동차는 상용화에 이르고 있으며 2011년 말에 K사의 R을 시작으로 2013년 하반기에는 S사의 S등 판매모델이 증가하고 있으며 소비자의 관심 또한 커지고 있다. 하지만 2013년 현재 전기차에 대한 충전인프라는 우리나라의 경우 육지에는 전무하다하여도 과언이 아닌 실정이며 제주도에만 인프라가 갖추어지기 시작하는 형편이다.

전기자동차의 종류를 살펴보면 Table1와 같이 나눌 수 있다. 하이브리드 자동차와 플러그인하이브리드 자동차, 그리고 전기의 힘만으로 움직이는 전기자동차가 있다. 전술한 바와 같이 본 연구에서 대상은 주차장형 충전장치가 필요한 Plug-in Hybrid와 Electric Vehicle이다.

전기자동차의 충전방법은 두 가지가 있다. 첫째는 배터리의 교환(quick drop)이고, 두 번째는 충전이다. 그 중 배터리를 교환하는 방법은 주유소와 같이 특수한 시설이 있어야 하는 것이고, 충전은 비교적 충분한 시간을 가지고 차를 세워둘 때 사용할 수 있을 것이다. 다음 표에는 전기자동차의 배터리 용량별 주행거리 및 충전시간을 나타냈다. 아래 Table4 ³⁾에서 배터리 용량이 16kWh, 22kWh는 현재 시판되고 있는 국내 K사와 S사의 자동차 배터리 용량이다. K사는 경차로 최대 139km를 주행 가능하고, S사는 준중형차로 135km를 운행 가능하다. 이때, 일반적인 충전시간(은 220V에서 5시간~6시간 이상이 필요하다. 아파트에서 직장인이 퇴근하고 자동차를 충전 한다고 가정할 경우 직장인들의 퇴근시간과 출근시간을 고려할 때, 저녁7시에 충전할 경우 밤12시~새벽1시가 충전 완료될 수 있으며 밤11시에 충전을 시작할 경우 새벽4~5시 정도가 충전완료 시간이 된다. 따라서 밤 시간에는 1대 정도밖에 충전을 할 수 없을 것이다.

전기자동차 보급과 관련하여 충전인프라의 국내·외 현황을 살펴보면 다음과 같다.⁴⁾

미국은 1991년 충전인프라를 3개 레벨로 구분하여 미국전기법령(NEC) Article 625에 반영하였다. 캘리포니아 지역의 무공해 차량 보급정책과 자동차업계의 전기자동차 발표와 미국정부의 지원정책에 따라 충전인프라는 캘리포니아에 집중 설치되어있으나 미국 전역으로 확산되고 있다.

유럽은 충전인프라를 공공인프라로 인식하여 확대보급하고 있으며, 주로 공공부분에 설치하여 무료로 이용할 수 있는 보급시스템에 중점을 두고 진행되고 있다. 영국을 비롯하여 프랑스, 독일, 이탈리아, 덴마크, 노르웨이 등도 공공인프라로 인식하고 확산에 앞장서고 있다.

일본은 도쿄전력이 전기자동차의 보급 및 확대를 대비하여 수도권 지역에 급속 충전망을 정비하기로 하고 쇼핑센터와 대학 등 공공시설의 협력을 얻어 급속충전이 가능한 전용시설을 갖추고 있다. 또한, 대형 슈퍼마켓, 은행, 편의점, 우체국 등을 중심으로 점차 확대해 나가고 있다.

우리나라는 2013년 현재 내륙에는 일부 장소에 시범적으로 설치되고 있는 수준이나 제주도의 경우 비교적 광범위하게 설치가 진행되고 있다. 2011년 전기자동차 공공충전인프라 설치지침을 제작하여 배포하고 있으며, 설치에 관한 상세한 지침과 내용을 포함하고 있다.⁵⁾

본 연구에서는 현재 주차장이 있는 건물을 방문하여 실측을 통하여 그 규격을 측정하였다. 측정 대상은 대전 및 충남지역에서 총 40곳의 주차장을 조사하였다. 공용주차장 7곳, 상업건물 7곳, 아파트 12곳, 주택 6곳, 학교 6곳을 조사하였으며, 조사대상 건물종류별 조사 주차장의 개수와 평균 너비, 길이, 그리고 맞은편 주차구획선간의 거리는 Table7과 같다. 그리고 그 값을 살펴보면, 건축법에서 규정한 주차장의 규격을 겨우 충족시키는 경우가 대부분이었다. 주차구획선 측정결과에서 길이는 건축법인 5m보다 작게 측정된 경우가 많은데, 이는 아래 Fig7의 왼쪽 그림과 같이 주차구획선이 되어 있는 경우도 있으나 오른쪽과 같이 주차구획공간에 D와 같이 배수구(혹은 기타)를 두어 A공간 역시 주차공간으로 생각하고 주차구획선을 만들어 놓은 경우가 있다. 즉, 주차장의 길이를 L과 L′로 다르게 고려되어 설계된 결과에 따라서 수치가 다르게 나타났다. 아래 Table7의 Length는 L만을 측정하였으므로 이러한 점에서 건축법인 500cm에 못 미치게 나타났으나 실질적인 주차공간은 간격의 여유 없이 500cm를 겨우 충족시키는 것으로 나타났으며, 건축법보다 여유 있게 주차장 구획을 해 놓은 경우는 거의 없었다. 즉, 주차구획은 차량 이외의 설치물을 두기에는 여유 공간이 없다고 볼 수 있다.

Fig. 3. 
Measurement of Parking lot

2013년 현재 국내에서 생산되는 경형~대형 승용차까지의 규격을 조사하였다. 승용차의 종류는 매우 많고, 매년 새로운 모델이 생산되기 때문에 모든 자동차의 크기를 모두 조사한 다는 것은 어려움이 있다. 따라서 경형, 소형, 준중형, 중형, 대형 등으로 불리고 있는 대표적인 차량의 규격을 조사하고 이들이 현재 주차장 규격에 어느 정도 여유간격을 둘 수 있는지 알아보았으며, 그 조사결과는 Table8.과 같다. Table8.을 보면, 대형승용차 E는 길이가 516cm로 국내 주차장 규격의 길이를 초과하는 크기이다. 그리고 폭은 190cm로 일반적 주차장 규정으로 되어 있는 230cm에서 40cm밖에 여유 공간이 없어 차문을 열고 내리기에도 불편한 크기이다. 한편, 외산 대형차는 600cm를 초과하는 차량도 다수 있었다. 이러한 차량의 경우 현재 주차장의 구획에 적절한 주차가 어려운 문제점이 있다. 그리고 차량의 길이에 있어서 화석연료를 이용하는 차량과 전기 차량을 비교하면 특정한 일부 회사의 제품의 경우 좀 더 길게 만들어진 것도 있었으나 전반적으로 현재까지 생산된 차량들에서 큰 차이를 찾아볼 수는 없었다. 현재는 전기자동차 중 가장 크기가 큰 것이 T사의 R**로 458cm의 길이를 가지고 있으나 대부분의 전기 차량은 경차나 소형에 그치고 있다.

하지만, 현재 생산되는 전기자동차 S**를 살펴보더라도 길이가 475cm로 현재 주차장의 길이 500cm (혹은 510cm)에 25cm (혹은35cm) 밖에 여유 공간이 없다. 25cm공간에는 충전장치를 설치할 공간이 되지 못할 뿐만 아니라 설치한다 하여도 이용자가 충전작업을 할 수 있는 여유 공간이 전혀 없는 샘이다. 또한, 2013년 현재 국내에서 생산되고 있는 가장 작은 전기자동차인 경차 R**를 살펴볼 때, 길이가 360cm로 주차장의 길이 500cm에는 140cm정도의 여유 공간이 있다. 따라서 경차의 경우는 기존의 주차장을 개조하여 경차 충전공간으로 이용할 수 있다. 하지만, Fig.7를 볼 때, 지하주차장의 경우 A공간에 배수로가 있거나 지상주차장의 경우 화단이 차량의 뒷부분이 차지하도록 B를 제외하여 주차구획선 L을 짧게 책정하여 주차구획을 할 경우는 충전장치를 설치하고, 사용자가 충전작업을 할 수 있는 여유 공간이 존재하지 않을 수도 있다.

전기자동차의 인프라는 전원인프라와 충전인프라로 구성되며 그 밖에 기타 부품들의 구성으로 이루어져 있다. 주차장용 시설, 충전소용 시설, 주택용 시설과 배터리교환소가 충전인프라라 할 수 있으나, 본 연구에서는 지하 주차장에 설치 가능한 충전장치에 관하여 살펴보기로 한다.

급속 충전장치는 DC380V, 혹은 DC450V등의 고압전력을 공급함으로써 자동차를 충전시키는 시스템이다. 아울러 완속 충전장치는 220V의 일반 가정에서 사용하는 전원을 직접 이용하는 장치이다. Fig.8는 공동주택의 충전설비 시스템 구성도이다. 이 시스템은 지하주차장에는 충전기(급속 또는 완속), 관리실에는 세대별 전기사용량을 관리하기 위한 단지 서버와 원격검침장치 시스템으로 구성되어 있다. 또한 각 세대에 전기사용량 및 충전상태를 볼 수 있는 월 패드로 구성되어있다.⁷⁾

Fig. 4. 
Charging system for electric vehicle

주차장에 설치를 하여야만 하는 충전장치의 크기는 신축 건물의 주차장에 있어서는 자동차 주차 이외에 충전장치가 추가 되므로 단위공간 규모를 새로 결정해야 하는 문제를 안겨주고 있고, 기존의 주차공간에 대하여는 주차구획에 있어서 새로운 구획이나 전력공급장치 디자인의 변형이라는 새로운 문제를 발생시키게 된다. 따라서 충전장치의 형태 및 규격은 주차장 설계에 있어서 중요한 변수로 작용할 수밖에 없다.

국내에서 생산되는 충전기의 종류를 살펴보면 LS산전, LS전선, 코디에스, 피엔이솔루션, 효성, 시그넷 등으로 매우 다양한 개업체 이상의 여러회사에서 생산되고 있으며 그 종류나 크기도 다양하다.

충전장치설치규정을 보면, 충전기의 조작, 유지관리가 가능한 설치 면적 확보에 대한 규정으로 『설치 소요면적은 완속의 경우 약 1m×1m, 급속의 경우 약 1m×1.5m가 소요되나, 용이한 유지관리를 위하여 인근 시설과 일정거리 이격 필요하다.(후면 도어개폐 소요거리 약 1m) 그리고 차량과 충전기의 충돌을 방지하기 위하여 차량 stopper로부터 약 1m 이상 이격하여 충전기 설치한다.』와 같이 규정하고 있다.⁸⁾

공공인프라 설치지침서에는 충전기 배치에 있어서 다음과 같은 규격의 공간을 언급하고 있다. Fig.5에서 case1은 주차장 밖에 충전기를 설치하는 경우로 지상에 주차장이 위치하는 경우에는 가능성이 있으나 지하주차장의 경우에는 충전장치를 설치하는 부분에 벽이 있는 경우가 대부분이므로 지하의 경우 실효성이 없는 형태이다. case2는 기존의 주차장구획 안쪽에 설치하는 경우로 현실적인 주차장의 크기가 줄어들 수밖에 없다. 따라서 경차(혹은 일부 소형차) 이외에는 현실적으로 주차가 불가능하다. 마지막으로 case3은 주차장 옆부분의 기둥으로 인하여 형성되는 여유공간을 이용하여 충전장치를 설치하는 방안으로 지하주차장에서 현실성 있는 방안이나 지금까지 지하주차장이 일반적으로 기둥과 기둥사이에 3대를 주차하도록 만들어 놓은 것을 고려한다면 기둥쪽의 차량들은 전기자동차 충전장치 설치가 가능하나 기둥과 인접하지 않은 가운데 주차장에는 충전장치 설치가 곤란하다. 아울러 출입문으로 인하여 충전장치의 파손의 위험이 있기도 하다. 따라서 아래 3가지 경우 중 기존의 지하주차장에서 적용 가능한 것은 case2와 case3으로 볼 수 있다. case2는 경차라는 제약조건이 따르고 case3은 충전을 위한 작업공간의 부재와 출입문으로 인한 파손의 위험성을 안고 있다는 문제가 있다.

Fig. 5. 
Charging system case

아래 Fig.5에서 주차구획공간의 범위는 아래 그림과 같다. 전기자동차 충전을 위한 주차장의 경우 B가 주차구획이다. E는 충전시스템이고, D는 이용자가 충전장치를 조작할 공간이다. F는 충전장치로 기존의 주차장에 비하여 D, E공간이 더 필요하게 된다. 따라서 기존의 주차장에 추가로 더 긴 공간이 필요하다.

Fig. 6. 
Electric charging parking lot for a new building

앞서 4장에서 지하주차장의 경우 충전장치를 기둥옆에 여유 공간에 두어 기둥 쪽 주차장을 전기자동차 주차장으로 활용할 수 있는 방법을 살펴보았다. 하지만, 충전장치의 설치위치를 변경함으로써 기존의 주자장인 경우 Fig.6에 나타난 바와 같이 충전장치(F)의 설치를 바닥에 하지 않고 주차장의 천장부에 달아놓는 방법을 제안한다. 이 경우 이용자의 조작공간 D는 약간 필요할 수 있으나, 충전장치의 설치공간 E가 필요 없기 때문에 기존의 주차장의 구획형태를 크게 변경하지 않고도 설치가 가능하다.

Fig. 7. 
Electric charging parking lot for an old building