KIEAE Journal

국내 에너지 총 사용량에서 건물이 차지하고 있는 에너지 비중은 약 28%를 넘고 있으며, 서울시의 경우 약 58%를 건물 에너지 부분이 차지하고 있다. 또한, 국내에서는 대부분의 온실가스가 에너지 부문에서 배출된다. 1990년 에너지 부문의 온실가스 배출은 총 온실가스 배출의 약 79.8%였으나 2004년에는 약 83.0%로 오히려 그 비중이 늘어나는 추세에 있다. 건물에서 배출하는 이산화탄소 비중은 평균적으로 약 50%를 넘고 있으며 상업용 건물의 에너지 소비는 열원 및 공조부문이 약 53%, 조명부문이 약 23%, 기타부문이 약 22%를 차지하고 있다. 이와 같이 건물에 사용되는 에너지 절약을 위한 노력은 매우 중요한 정책이 되었으며 이를 실현하기 위해서 제로에너지 빌딩, 마이크로그리드와 같은 새로운 에너지 시스템 구축에 많은 노력을 기울이고 있다. 이제 건축물의 그린빌딩화는 전 세계적인 관심사가 되었으며, 선진국을 중심으로 많은 나라들은 저탄소 녹색성장을 가장 중요한 성장축으로 추진하고 있다.

한편, 21세기에 들어 전 세계적으로 지구환경문제에 대한 관심도가 높아졌음에도 불구하고 국내외의 도시화는 한층 심화되어 가고 있다. 도시의 확장에 따른 인구의 증가 및 건물의 증대는 필수 불가분의 요소가 되었으며 도시화가 진행되어 인구가 증가할수록 병원 또한 증가되는 것이 사실이다. 그러나 병원의 사용형태 및 기능 유지에 관한 사항은 예측할 수 없을 정도로 다양하게 전개, 변화되고 있어서 건물의 내구연수 증대와 경제적 운영을 위한 설비 및 에너지 소비에 관한 자료 정리가 체계적으로 이뤄지지 못하는 결과, 병원건물에 대한 에너지 절약적 설계 및 효율적인 관리체계는 현재 만족할 만한 수준이라고 할 수 없다. 또한 현대적인 의료시설을 갖춘 대규모 병원의 에너지 절약을 위한 기준과 규정이 미흡한 실정이기 때문에 이 부문과 관련된 연구가 요구되고 있다.

이에 본 연구는 병원 건축물에 영향을 미치는 에너지 효율 영향요소를 도출하고 전문가 설문조사를 통하여 도출된 영향요소의 중요도 및 적용 우선순위를 산출하여 향후 병원 건축물의 에너지절감 설계의 기초자료로서 활용하고자 한다.

본 연구는 대표적인 에너지 다소비형 건물인 병원 건축물에 건축적, 설비적인 에너지 효율을 위한 영향요소의 중요도와 적용 우선순위를 선정하는 것에 중점을 두었다. 먼저 에너지 효율 영향요소를 도출하기 위하여 건축물의 에너지 효율요소에 대한 선행 연구를 바탕으로 한 심층적 분석을 통하여 병원건물에 적용 가능한 영향요소를 조사하였다. 조사된 영향요소들을 AHP 방법을 이용한 전문가의 설문조사를 통하여 각 요소의 중요도 및 적용 우선순위를 결정하였다. 전문가 설문조사는 병원건축에 대한 설계 및 건설관리업무를 수행한 경험이 있는 국내 S-종합건축설계사무소 Bio & Healthcare 팀 및 S-CM건축사무소 실무진 및 임원들을 대상으로 2016년 9월 8일부터 2016년 9월 15일 총 1주간에 걸쳐 진행되었다. 설문조사방법으로는 이메일 및 우편을 통해 설문지를 송부한 후 회수하였으며 설문과 관련된 주요한 사항 및 AHP 평가방법시 유의사항 등을 자세하게 설명하였다. 본 연구의 구체적인 연구방법은 그림 1과 같다.

Fig. 1. 
Study Flow Chart

본 연구에서는 국내의 문헌조사와 병원 건축물의 특성 및 에너지 사용량 분석을 통하여 영향요소를 목록화하고 각 요소를 통합하는 방법으로 주요 에너지 효율 영향요소를 도출하였다. 우선 참고문헌을 조사, 분석하여 기술되었던 요소들을 나열한 후 빈도수를 분석하여 1차적인 영향요소를 확인하였다.(표 1 참조).

문헌조사 결과, 모든 문헌에서 모두 기술 되었던 요소는 단열인 것으로 나타났으며 이는 에너지 소비와 가장 밀접한 요소는 단열의 성능과 종류인 것을 의미한다. 문헌에서 두 번째로 많이 기술된 요소는 형태 및 단면계획으로 건축물의 형태에 따라 에너지 소비효율이 많이 달라질 수 있음을 의미한다. 또한 세 번째로 많이 기술된 요소들로는 건물의 향, 자연채광, 자연환기, 태양열 에너지, 기타 신재생 에너지, 외피, 창호로서 상기 요소들이 주요한 에너지 효율 영향 요소로 조사되었다. 이 외의 요소들로서 일사 및 일조, 온습도, 기류, 녹지, 배치, 공간 프로그램, 건물녹화, 차양 등이 있는 것으로 나타났다.

그러나 병원 건축물의 경우 24시간 운영되어야 하는 점과 환자의 치유환경을 우선시해야 하는 특수성이 있기 때문에 이에 맞게 단열수준과 자연채광, 차양 등 기타 요소들을 고려하여 최적으로 사용되어야 할 것으로 판단된다.

2.1절에서 도출된 병원 건축물 에너지 효율을 위한 영향요소는 AHP 방법을 통한 전문가 설문조사를 위해서 표 2와 같이 14개의 평가요소로 나누어서 정리하였다. 대분류는 표 1에서 나타난 주요 영향요소인 단열, 창호, 자연채광, 태양열에너지, 외피 등을 구분하기 위해서 건축, 기계, 빛환경, 신재생부문으로 크게 나누었으며, 중분류는 건축부문에서 대지, 외피, 단열, 창호, 일사 및 환기, 기계부문에서 열원, 시스템, 제어, 빛환경 부문에서 자연채광과 인공조명, 신재생부문에서 지열, 태양광 및 태양열로 세분화였다.

1970년대 초 미국 Pennsylvania 대학의 Thomas Saaty 교수에 의해 개발된 AHP(Analytic Hierarchy Process; 계층분석법)는 의사결정의 목표, 또는 평가기준이 다수이고 복합적인 경우 상호 배반적인 대안들의 체계적인 평가를 지원하는 의사결정지원기법의 하나로서 정성적 요소를 포함하는 다기준(multi-criteria) 의사결정에서 널리 사용되어 왔다. AHP의 가장 큰 특징은 복잡한 문제를 계층화하여 주요 요인과 세부 요인들로 세분화하여 이러한 요인들에 대한 쌍대비교(pairwise comparison)를 통해서 각 요인들의 중요도를 도출하는 데 있다. 일반적으로 쌍대비교에서의 중요도의 정도는 표 3에서 보는 바와 같이 9점 척도로 부여된다. 이 방법은 문제를 분석하고 분해하여 구조화할 수 있다는 점과 모형을 이용하여 상대적 중요도 또는 선호도를 체계적으로 비율척도(ratio scale)화하여 정량적인 형태의 결과를 얻을 수 있다는 점에서 그 유용성을 인정받고 있다. 이러한 장점으로 인하여 AHP는 의사결정과정에서 광범위하게 활용되고 있고 있어서 에너지 수급-수송계획, 환경정책 수립 등 공공 및 민간부문의 의사결정과정에서 널리 적용되고 있다. 또한, 건축분야에서도 건축물 리모델링 최적화 방안, 부동산 선택요소의 중요도 조사, 공공청사 부지 선정 등의 다양한 의사결정문제에서도 많이 적용되어 왔다.

본 설문지는 병원 건축물의 에너지 효율을 위한 영향요소 항목을 중심으로 질문하였으며 사용된 요소 항목은 국내의 기존 문헌을 조사, 분석하여 도출하였으며 브레인스토밍과정과 빈도분석을 통하여 병원 건축물에 적용 가능한 영향요소를 최종적으로 선정하였다.

설문 대상자는 병원건축물의 설계, 시공 및 건설사업관리 업무를 수행한 경험이 있는 S-종합건축설계사무소 Bio & HealthCare 팀과 S-CM건축사무소 실무진 및 임원을 대상으로 하였으며 각 문항별 중요도 비율을 결정하기 위해서 쌍대비교를 통한 9점 척도의 설문지를 작성하였다.

설문지의 양식은 표 4와 같으며 두 요소 항목간의 상호 우선순위를 통해서 중요도를 결정하였다. 즉, 대분류에서 건축부문과 기계부문의 값은 기계부문과 건축부문 값의 역수에 해당되며 최종 결과치는 각각의 결과의 총합으로 나눈 값이 해당항목의 값이 된다. 또한 중분류에 대한 설문도 같은 양식으로 진행되었으며 세부항목의 총합은 상위 항목과 같게 된다. AHP 방법에서 일관성의 결여는 신뢰성의 부족을 의미하고 있어 결국 평가의 질과 관련되어 있으므로 개별 설문지에 대한 일관성비율을 산출하여 일정 기준 미달인 응답자의 설문은 최종분석에서 제외하였다.

본 연구에서 가중치 분석방법은 AHP 방법의 공리 중의 하나인 행렬의 역수비교성을 유지하기 위하여 설문 응답자가 작성한 개별 비교행렬의 각 원소에 대하여 전체 응답자의 평가값을 기하평균하여 통합하고 이를 원소로 하는 하나의 개별 비교행렬을 구성하는 방식인 기하평균법을 사용하였다. 이를 바탕으로 작성된 각 비교행렬에 대한 일관성을 검증하였다. 대분류 항목에 대한 개별 비교행렬의 값은 표 5와 같다.

상기 표에서 보는 바와 같이 일관성지수(CI)가 0.0168로 나와서 이는 Saaty가 제안한 합리적인 평가에 해당되는 0.1 이하이므로 일관성이 있다고 판단할 수 있다. 또한 중분류인 건축, 기계, 빛환경 및 신재생부문에서 기하평균된 개별 비교행렬의 값은 표 6에서 표 9까지와 같이 나타났으며 일관성지수 또한 각각 0.0303, 0.0005, 0, 0.0282로 나와서 Satty가 제안한 최소한 허용할 수 있는 범위 안에 있어서 최종적으로 일관성이 있다고 결정할 수 있다.

본 설문에 통해 병원 건축물에서의 에너지 효율을 위한 대분류 영향요소인 건축, 기계, 빛환경, 신재생의 4개 항목에 대한 중요도(X)는 표 10과 같이 각각 0.554, 0.171, 0.122, 0.154로 나타났다. 이는 전체 항목의 중요도 합이 1이기 때문에 건축, 기계, 빛환경 및 신재생부문의 중요도가 각각 55.4%, 17.1%, 12.2%, 15.4% 비중을 차지한다는 것을 의미한다. 건축 및 기계부문이 높게 조사되었는데 이는 설문 응답자가 건물부위 중에서 단열, 창호, 외피 및 환기를 통한 열 획득 및 손실율 요소가 에너지 효율 측면에서 많은 영향을 미치는 것으로 판단하고 있으며 또한, 냉난방기계에서 시스템의 방식 및 열원부문을 에너지 효율에서 중요한 요소로 판단하고 있는 것을 나타낸다.

중분류 영향요소의 각 항목의 중요도(Y)는 표 11과 같다. 건축부문에 대한 중분류에서 각 요소의 세부적인 중요도를 살펴보면 대지 16.2%, 외피 14.9%, 단열 18.5%, 창호 18.7%, 일사 13.5%, 환기 18.2%로 나타나서 벽체 및 지붕의 열획득/손실 효율을 의미하는 단열이 가장 중요한 건축부문에서의 영향요소로 나타났다. 기계부문의 경우 열원 35.6%, 시스템 33.6%, 제어 30.8%로 나타나서 연료, 장비종류, 장비효율 개선을 의미하는 열원이 가장 중요한 영향요소로 나타났으며 빛환경부문에서는 중요도가 77.6%인 자연채광이 22.4%인 인공조명보다 약 3배나 더 중요한 영향요소로 나타났다. 마지막으로 신재생부문의 경우 지열 21.5%, 태양광 49.6%, 태양열 28.9%로 나타나서 태양에너지를 이용한 전력생산시스템을 포함하는 태양광이 가장 중요한 영향요소로 나타났다.

AHP 방법에 의한 대분류 항목의 중요도(X)와 중분류 항목 간의 중요도(Y)의 값을 곱하여 각 영향요소의 상대적인 종합 중요도(Z)를 계산한 그 결과는 표 12와 같다. 건축부문의 창호 10.4%, 단열 10.2%, 환기 10.1%, 빛환경부문의 자연채광이 9.5% 순으로 나타나서 상기 네 가지 영향요소가 전체의 약 40%의 중요도를 차지하여 병원 건축물의 에너지 효율을 위한 중요한 영향요소로 나타났다. 반면에 빛환경부문의 인공조명(2.7%), 신재생 부문의 지열(3.3%), 태양열(4.3%), 기계부문의 제어(5.3%)는 다른 영향요소보다 병원 건축물의 에너지 효율을 위한 중요도에서 상대적으로 낮게 평가되는 것으로 나타났다.

또한 대분류별 각 영향요소의 종합 중요도의 평균값을 비교하면 그림 2와 같이 건축(9.2%), 빛환경(6.1%), 기계(5.7%), 신재생(5.1%)부문 순으로 나타났다. 이는 설문 응답자들은 병원 건축물의 에너지 효율을 위해서 다른 부문의 영향요소보다 건축 및 빛환경부문의 영향요소들에 대한 중요성을 보다 많이 인식하고 있는 것으로 판단된다.

Fig. 2. 
Comparison of Mean Composite Importance of Level 1