KIEAE Journal

친환경에 대한 중요성 인식이 높아짐에 따라 건축물의 에너지 사용량은 친환경성 평가에 활용된다. 에너지 사용량 예측을 위한 방법으로 대표적인 건축물 에너지 시뮬레이션기법은 각 기준과 방법론을 달리하며 평가 주체별로 독립적으로 운영된다. 건축물 에너지 시뮬레이션 결과 값인 에너지 사용량은 등간척도(Interval scale)¹⁾수준 에서 의미를 찾을 수 있다. 등간척도 위계의 결과는 수많은 확률론적 변수들을 약속된 조건으로 가정하고, 시간의 개념이 소거되어 현 시점에서의 건축요소기술 및 설비 시스템에 대한 성능평가 범위로 한정된다. 이러한 범위 한정은 편향성(Bias)을 제거하고 유효성(Efficiency)을 확보하며 일치성(Consistency)를 높이는 효과가 있다. 따라서 법제도 상에서 기준 도달 유무를 평가하는 유용한 평가 척도로 작동한다.

그러나 전과정 평가(LCA)에서 요구하는 에너지사용량은 현재 시점에서의 건축 및 설비요소의 시스템평가를 위한 등간척도가 아닌 실사용량에 대한 예측이 요구된다. 즉, 등급설정 및 수준평가를 위한 절대치의 비율척도(Ratio scale)²⁾ 수준을 필요로 한다. 현재 운영단계의 평가를 위해서는 기존 등간척도평가 기준의 시뮬레이션 결과에 근거한 CO₂ 배출량 평가 방법을 주로 적용하고 있으나 건축물 에너지 시뮬레이션 결과는 운영단계의 실제 에너지 사용량과는 크게 상이한 경우가 보고되는 등 그 평가 법의 개선이 필요한 실정이다.³⁾ 특히, 주거건축물의 경우 업무용건축물과는 달리 관리자에 의해 정해진 스케줄이 없다. 따라서 주거시설의 에너지 소비패턴 및 절대량에 미치는 상관도는 건축설비시스템기술요소가 아닌 거주자 성향에 따라 에너지 소비패턴의 편차가 크게 나타난다. 하지만 현재 시뮬레이션 예측방법에서의 주요 변수 설정은 요소기술 시스템 이외의 변수를 고려하지 않는다. 거주자의 에너지 소비성향을 불확실성으로 남겨둔 상태의 한계점을 극복하지 못했다. 이로인해설비시스템 요소의 현상이 수리적으로 재현 되어지는 범위로 한정되어졌다. 이러한 범위 한정은 시뮬레이션 툴(EnergyPlus, TRANSYS, Trace700 등)에 대한 연구를 중심으로 진행 되었다. 그러나 최근 데이터 기반의 기계학습 모델을 통해 설비시스템의 회귀 모형(Regression model)에 따라 에너지 사용량을 예측 하는 등 데이터 기반의 시뮬레이션 움직임이 시작되고 있다. 그러나 요소기술 범위라는 한계에서 벗어나지 못하고 있다. 본 연구에서는 불확실성으로 인해 임의의 값으로 가정된 에너지 소비량과 상관가능성 있는 요소를 수치로 분석하여 실제 에너지 사용량 예측 값으로 활용 가능한 수준의 시뮬레이션 보정 값으로 활용되는 것을 목적으로 한다.

본 연구에서의 범위는 거주자의 건물 에너지 소비 성향에 따른 불확실성이 업무용에 비해 상대적으로 강한 주거건축물을 대상으로 한다. 연구대상은 수집의 효율을 높이기 위해 개인주택을 제외한 공동주택범위로 한다. 공동주택 범위는 대단지 아파트부터 주상복합건물과 주거용도로 활용되는 오피스건물까지 개인주택을 제외한 공동주거방식 범위가 모두 포함된다. 기존의 일반적인 통계자료 설정인 연구대상 모집단에서 추출(Sampling)된 표본데이터 분석 방법이 아닌 자료 수집 가능한 연구대상 전체를 수집하여 모집단(Population)을 분석하는 방식을 채택하였다. 모집단 수집방법은 웹 크롤링 방식을 사용하여 수집하였다. 웹 크롤링은 Java, R, Python 등 프로그래밍 언어를 사용하여 HTML 형식의 웹 데이터를 미리 설정한 규칙에 따라 수집 가능하다. 빅데이터는 이러한 크롤링 방식을 통해 구축가능하며, 공공데이터포털 과같은 사이트를 통해 정부차원에서 민간에 개방하고 있다. 공데이터 포털 에서는 현재시점을 기준으로 2,329 건의 Open API를 제공하고 있으며, 이는 타 언어의 추가 작업 없이 R언어에서 직접적인 수집도 가능하다. 공공 데이터 포털에서는 Open API 활용 가이드 또한 제공되고 있어 필요로 하는 데이터 가공의 편의를 높여준다. Fig. 2. 는 정부에서 제공하는 공공데이터 포털(https://www.data.go.kr/)에서 제공되는 건물에너지 부문의 Open API 활용 가이드의 일부분 이다. 요청코드에 따른 응답메시지 내용까지 상세한 정보를 제공해주고 있다.

Fig. 1. 
Data scraping Code

Fig. 2. 
Response script of BldEngyService openAPI

연구의 방법은 수집된 모집단을 기술통계 분석한 뒤, 상관도가 예상되는 변수를 추가하여 모집단 재구성을 반복한다. 상관도 유무를 판별하여 에너지 소비량과 관련된 건축설비 외적(사회환경적) 특성의 강도를 정량 수치로 제시 하는 것이 연구수행의 흐름으로 요약된다. 본 연구 단계에서 모집단 조사방법은 국토교통부와 한국감정원에서 제공된(2016년 기준) 5,414개 아파트단지 및 공동주거형식의 건물 데이터를 수집하였다.

수집된 모집단 중 에너지 사용량 월별 누락데이터가 없이 연간 에너지 사용량 수집이 가능한 1,307개 단지로 데이터 프레임을 재구성 하였다. 2016년 연간에너지 사용량 수집이 가능한 단지 1,307개 단지를 기준으로 에너지 사용 수준별 특성을 그룹화 한 뒤, 에너지 사용수준과 상관도가 높을 것으로 추측되는 변수(벡터)를 추가하여 데이터 프레임을 재구성 한다. 이후, 추가로 재 구성된 데이터변수와 에너지 사용수준과의 상관분석을 수행하며, 추측된 변수에 대한 검증을 실시한다. 상관분석 통계적 검증을 통해 귀무가설을 기각하고 연구가설이 채택되면 추가된 변수를 불확실성을 정의하는 에너지 소비수준 판단 요소로 규정하여 정량수치화 한다. 에너지사용량과 상관도가 확인되어 정량 수치화된 변수는 실제 사용량을 가늠할 수 있는 기존 시뮬레이션 값의 보정계수 산출 시 활용 가능하다.

서울시내 공동주택의 1차 수집 벡터는 구, 동, 단지명, 준공년도, 규모(주거용면적), 세대수, 단지 전기사용요금, 전기사용량(kWh/yr)이다. 규모를 세대수로 나누어 단지별 단위세대 구성의 대표성을 가지도록 평균적 단위세대규모로 치환하였다. 치환된 단위세대면적을 기준 값과 단지 전기사용요금으로 세대별 요금, 단위면적당 요금을 추가로 산출 하여 변수로 설정 하였다. 세대별 사용량과 단위면적당 에너지사용량 또한 세대요금 산출 방식과 같은 방법을 통해 추가변수로 설정 하였다.

데이터 분석은 오픈 소스 R 프로그래밍 언어를 사용하였다. R 은 S 언어에서 유래되었으며, S 언어는 그래픽과 통계모형 적합 능력이 결합된 전문 통계 프로그래밍 언어였다. S의 상업적 통계분석 프로그램으로 S-PLUS 가 개발되었으나, 너무 비싼 비용으로 인해 라이선스를 구입하기에 어려움이 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 뉴질랜드 오클랜드 대학의 통계학자인 로스 이하카(Ross Ihaka)와 로버트 젠틀맨(Robert Gentleman)이 새로운 S 버전을 개발하였다. 이것을 개발자 이름의 알파벳을 따라 R로 명명하였으며 2000년 2월 29일 버전 1.0.0이 최초로 배포되었다.

본 연구에서 전기에너지 비용을 반응변수(Response variable)로 설정하고 나머지 설명변수(Explanatory variable) 간의 상관분석을 위해 R에서 기본 제공되는 통계패키지와 시각화 라이브러리를 활용 하였다.

Fig. 3. 
R programing integrate develop language editor RStudio

Fig. 4. 은 준공 년도별로 구분되어 세대별 연간 전기사용 요금을 나타낸다. 2000년대 초반부터 현재까지 공동주택의 년도별 boxplot의 상위25% 1분위 범위와 4분위 범위에서 벗어난 이상치(outlier)값이 서울시내 공동주택 전기에너지 요금의 평균값(Mean) 및 중위값(Median)을 크게 넘어선다. 지속가능성(Sustainable)이 화두가 되기 시작하며 정부차원에서 건축물에서 에너지절약을 위한 건축기준이 강화되기 시작한 시점과 맞물려 있다. 이러한 결과로 비추어 볼 때, 주거건물에서 실제 에너지소비량은 건물의 노후화, 법규정책에 따른 건물에너지 성능요소 향상과는 선형관계성이 없다. 1977년부터 2000년 이전 공동주택 가정의 전기에너지 요금은 서울시 전체 평균요금에 미치지 못하는 분포를 보인다. 그러나 1976년 준공된 단지 중위값이 모든 년도의 중위값을 상위하는 값으로 나타났다. 이는 강남구 압구정동 H 아파트 단지의 가정 전기요금이다.

Fig. 4. 
Annual electric energy fee in household

서울 권역별 사용요금은 Fig. 5. 에서 같이 강남권역과 도심권역에서 전기사용요금의 평균치를 상회하였다.

Fig. 5. 
Annual electric energy fee by region classification

Fig. 6.의 구별 사용요금에서도 권역별 전기사용요금의 결과와 마찬가지로 강남권역의 강남구와 서초구 그리고 도심권역의 용산구 3개구가 서울시 전체의 평균과 중위값을 상회하는 분포로 나타났으며 나머지 22개 구는 서울시 평균에 미치지 못하였다.

Fig. 6. 
Annual electric energy fee by Gu

강남구의 동별 세대의 전기요금은 다음 Fig. 7.에서 보이는 바와 같다. 세곡,수서,일원동 3개 동을 제외하고 동별 중위값이 서울시 평균을 넘는다. 특히 도곡동의 경우 전기에너지 사용요금 상위 50% 이상 수치가 절대수치로 크게 상위하며, 대치동과 압구정동은 세대전기요금 사용량 하위25% 또한 서울시 평균을 상회한다.

Fig. 7. 
Annual electric energy fee by Dong of GangnamGu

서초구의 동별 세대의 전기요금은 다음 Fig. 8.에서 보이는 바와 같다. 서초구의 경우 반포, 방배, 서초동과 신원 우면 잠원동간의 세대 전기요금 수준의 양극화가 뚜렷하게 나타난다.

Fig. 8. 
Annual electric energy fee by Dong of GangnamGu

용산구의 동별 세대의 전기요금은 다음 Fig. 9.에서 보이는 바와 같다. 용산구의 경우 신천동, 후암동, 원효로4가를 제외한 모든 동에서 서울시 평균값을 크게 상회한다. 강남구 도곡동의 경우 일부 이상치 단지에서 년간 세대전기요금이 200만원을 상회 하였지만, 용산구의 경우 동별 분석결과 한남동, 한강로1가의 분석 모집단 모두 년간 세대전기요금이 200만원을 상회 하였다. 특히, 한남동에서 공동주택 형식 거주자의 연간전기요금은 400만원 이상 지불 되고 있다. 서울시 공동주택 평균 전기사용요금은 본 연구의 모집단에서 75만4148원으로 분석되었다. 모집단 전체 평균 전기요금에 비해 한남동과 대치동 일부의 공동주택 단지는 서울시 공동주택 연간 전기사용요금의 5배이상 지불 되고 있다.

Fig. 9. 
Annual electric energy fee by Dong of YongsanGu

세대별로 전기요금을 많이 납부하는 강남구, 서초구, 용산구의 세대별 면적에 대한 통계분석 결과는 수집된 모집단에서 평균 83.96m² 으로 분석 되었고, 각 구별 세대면적 평균은 강남구 90m² 용산구 85m² 서초구97m² 으로 분석 되었다. 세대면적의 평균 분석결과에서 주거면적의 편차가 크지 않음으로 본 연구에서는 단지전체의 거주면적규모를 세대수로 나누어 단지별 단위세대 구성의 대표성을 가지도록 평균적 단위세대규모로 치환하여 데이터를 분석하였다. 따라서 Fig8~10 에 나타난 Boxplot의 세대전기요금은 단위세대규모의 오차가 제거된 값임으로 동별 세대전기요금수준을 판단하기에 적합하다.

에너지 사용요금을 높게 지불하는 지역은 언론 매체등을 통해 일반적 상식선에서 매매 및 임대 시세가 높다고 인식되어지는 지역이다. 따라서 에너지 사용요금과 매매시세는 선형 상관을 보이며, 선형은 ‘에너지사용요금이 높은 지역은 매매시세가 높은 양(+)의 상관을 가진다.’ 라는 가설을 설정하였다. 가설을 검증하기 위해 모집단의 매매시세를 웹 크롤링 하여 설명변수로 추가 하였다. 구별 매매시세에 대한 Boxplot 결과(Fig. 10.) 강남구 서초구 용산구의 매매시세는 전기요금에서 분석된 패턴과 동일 하였다. 이러한 패턴결과에 따라 ‘매매시세가 높은 주거시설은 에너지 소비또한 높다’ 라는 연구가설을 설정 할수 있는 타탕성을 확보 하였다.

Fig. 10. 
Home market price by Gu

매매 시세와 세대별 전기요금이 평균을 상회하는 강남, 서초, 용산구에대한 매매시세와 전기사용요금에 대한 관계를 다음 Fig. 11. 과 같이 시각화 하였다. 시각화 결과에서 보이는 바와 같이 모집단의 분포는 매매 시세와 세대 전기요금간의 양의 상관을 가지는 선형 분포를 나타낸다.

Fig. 11. 
Correlation plot between market price and Annual electric energy fee

연구조사의 목적과 자료의 종류에 따라 상관정도를 평가하는 기준은 상이하나 사회과학 분야에서 사용되는 일반적 기준은 다음 Table 2. 와 같다.

선형의 양의 상관 분포를 나타내는 결과에 따라 상관계수 분석을 수행하였다. 수행과정은 분석 스케일에 따라 전체 상관도가 오염될 가능성을 고려하여 년도 구간별 검정통계량을 산출하여 상관의 유의성을 검증하였다. 유의성 검증을 위한 가설 설정은 다음과 같다. 연구가설: 매매시세와 세대전기사용량 간에는 선형관계가 있다. 귀무가설: 매매시세와 세대전기사용량 간에는 선형관계가 없다. 년도 구간 스케일별 산출된 피어슨의 상관계수(cor)와 자유도(DF)에 따라 검정통계량 t값을 임계치와 비교하면, 검정통계량 t값이 우측임계치보다 스케일 구분별 케이스에서 모두 크기 때문에 귀무가설을 기각하고 연구가설을 채택한다. 따라서 매매시세와 세대전기사용량의 상관계수 값으로 산출된 값은 유의수준(α) 0.05에서 검정한 결과 통계적으로 유의하다. 그러나 1970~1979 년도 스케일의 p-value 값은 0.05 이하임으로 통계적 유의성에 대해 재검증이 필요하다.

1980년 이전 준공된 단지는 Fig. 12.의 상관분석 그래프에서 보이는바와 같이 매매 시세와 세대별 전기요금간의 상관도는 0.61의 강한 상관도를 보인다. 그러나 선형성을 판단하였을 때 일부 모집단의 케이스에서 이상치를 나타냈다. 이는 재건축 예정 단지의 경우 매매가는 높으나, 임대가는 낮은 경향을 보인다. 따라서 실거주자가 임대거주일 비율이 높은 단지의 경우 매매가와 에너지 사용패턴이 선형적이지 않은 결과가 나올 가능성이 높다. 본 연구에서는 매매시세와 에너지 사용량의 관계를 분석한다. 일반적으로 매매가와 임대가는 선형관계를 보임으로 매매시세와 임대시세를 동일한 성향의 변수로 가정한다. 그러나 재건축 예정단지의 경우 매매가와 임대가가 선형관계를 보이지 않음으로1970년대 모집단을 분석에서 제외시킨다.

Fig. 12. 
1970~1979 range scale of Correlation analysis between market price and Annual electric energy fee

1970년대 모집단이 제거된 상관분석 결과는 Fig. 13.과 같다. 매매시세와 세대전기요금의 상관계수는 0.69로 강한 상관관계로 되었다.

Fig. 13. 
1980~2015 range scale of Correlation analysis between market price and Annual electric energy fee

Fig. 14.에서와 같이 2010년 이후 모집단의 상관계수는 0.82로 매매시세와 전기사용요금간의 거의 완벽한 상관관계를 나타낸다. 이 수치는 매매시세와 세대면적의 상관도가 0.71이며, 세대면적과 전기에너지 사용량 상관도가 0.79로 나타남과 비교하였을 때, 단위면적당 에너지사용량과 평당 매매단가 보다, 매매시세와 전기사용량이 오히려 깊은 상관도를 나타내는 것이다. 단위면적당 에너지 사용량을 원단위로 사용하여 면적에 따른 에너지 사용량을 유추하는 방법은 일반적으로 통용되는 에너지 사용량 산출방법이다. 또한 거주 평수가 높을수록 주택 매매 시세는 높아지는 것이 일반적으로 수용되는 상식이다. 그러나 2010년 이후 준공된 공동주택에서는 세대면적과 매매시세의 상관도 그리고 세대면적과 에너지사용량의 상관도보다 매매시세와 전기사용량의 상관도가 가장 높게 분석된 결과로 나타났다. 물리적 범위의 상관요소보다 오히려 인문사회적 범위의 상관요소가 더 깊은 상관을 보이는 것으로 해석된다.

Fig. 14. 
2010~2015 range scale of Correlation analysis between market price and Annual electric energy fee