제로에너지 인증 공동주택 사례분석을 통한 피크부하 기반 설비용량 산정에 관한 연구

1.1. 연구의 배경 및 필요성

현재 전 세계는 지구 온난화 문제에 직면하고 있으며, IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change)에서는 평균 온도 상승폭을 1.5℃ 이내로 제한하기 위해 2050년까지 전 세계 탄소중립(Net-zero)을 실현해야 한다고 권고하고 있다[1]. 이에 미국[2], 유럽연합(EU)[3], 중국, 일본[4] 등 주요 국가들은 탄소중립 목표 달성을 위해 에너지 효율화, 재생에너지 확대, 산업 및 건축 분야 탄소배출 규제 등 다양한 정책이 시행되고 있다[5]. 국내에서는 2020년 ‘2050 탄소중립’을 공식 선언하고, 2023년 ‘국가 탄소중립·녹색성장 기본계획’을 수립하여 2030년까지 2018년 대비 온실가스 40% 감축 목표를 제시하였다[6]. 또한 건축물에 필요한 에너지 부하를 최소화하고 신에너지 및 재생에너지를 활용하여 에너지 소요량을 절감시키기 위해 제로에너지 건축물 의무화를 단계적으로 시행하고 있다.

건물 부문은 전 세계 에너지 소비량의 30%를 차지하며[7], HVAC (Heating, Ventilation, Air Conditioning) system은 건물 에너지 소비의 약 50%를 담당하고 있다[8]. 따라서 건물 부문 탄소중립 달성을 위해서는 냉난방에 사용되는 HVAC 시스템의 에너지 소비량을 최소화하는 것이 필수적이다. HVAC 시스템의 용량은 냉·난방 피크부하를 기반으로 산정되지만, 대부분의 시간대에 피크부하가 아닌 이보다 낮은 부분부하로 운전하기 때문에 과용량 설계는 시스템 효율 저하로 이어져 에너지 사용량이 증가하게 된다[9]. 하지만 이미 대부분의 HVAC 시스템 용량이 평균 80% 이상 과용량(oversizing)으로 설계되고 있다[10]. 미국 에너지성(DOE, Department of Energy)에서 제시한 시뮬레이션 결과에서는 냉방시스템의 용량이 기존 대비 2배 과용량인 경우, 약 13%의 에너지 소비량 증가를 초래한다고 보고하였으며[11], HVAC 시스템의 과용량(oversizing)을 1% 줄일 때마다 0.2%의 에너지가 절약되는 것으로 추정된다[12]. 따라서 건물 부문 에너지 소비량 감축을 위한 HVAC 시스템의 적정 용량 설계는 필수적이다.

국내에서는 ｢에너지절약설계기준｣[13]의 ‘지역별 건축물 부위의 열관류율’을 강화하여 건물 에너지 요구량을 감소시키고, 제로에너지건축물 의무화 확대를 통해 범위를 공공건물에서 시작하여 민간 건물까지 범위를 확장시켰으나, 설비시스템 용량에 대한 가이드 및 기준은 미비한 실정이다.

현재 주택의 설비시스템 용량을 계산하는 방법으로는 부하계산 프로그램을 활용하여 산정한 피크부하(Peak load)에 여유율을 고려하여 설비용량을 산정하거나, 단위면적당 냉난방부하 기준을 적용하여 계산할 수 있다. 부하계산 프로그램은 비전문가가 사용하기 어렵기 때문에 공동주택의 경우, 단위면적당 냉난방 부하 기준을 활용한다[14]. 국내 단위면적당 냉난방부하 기준으로는 산업표준 규격 KS C 9306:에어컨디셔너[15], 한국지역난방공사 ｢열사용시설기준｣[16]에서 건물 용도 및 지역별 단위면적당 냉·난방 부하에 대한 기준을 제시하고 있다. 하지만 두 기준 모두 과거에 제정되어 지속적으로 강화되어 온 건물의 외피 열성능을 반영하고 있지 못하기 때문에 제로에너지건축물에 적용 시, 설비시스템 용량이 과용량으로 산정될 수 있다. 따라서 제로에너지건축물 인증 확대에 따라 현행 기준 및 현황에 적합한 설비용량을 산정하고 적용할 필요가 있다.

1.2. 연구 목적 및 범위

본 연구에서는 현행 ｢건축물에너지절약설계기준｣, 제로에너지건축물 인증 기술요소 참고서(ZEB T&C, Zero Energy Building Technology& Component)[17], 제로에너지 건축물 인증을 받은 공동주택 사례의 외피 열성능(열관류율)과 조명 밀도를 공동주택 모델에 적용하여 냉난방 피크 부하를 산정하고, 면적으로 나누어 단위면적당 냉난방 부하를 비교하였다.

산정 결과를 산업표준 규격 KS C 9306, 열사용시설기준에서 제시하는 단위면적당 냉난방 부하와 비교하여 기존 기준 적용 시 발생하는 과용량 설계 정도를 정량적으로 분석하고, 각 기준 및 사례별 외피 열성능에 따른 냉난방 피크 부하 절감 효과를 정량적으로 분석하였다. 나아가, 실제 인증 사례 분석을 통해 현시점의 제로에너지 공동주택에 적합한 단위면적당 냉난방 부하 수준을 제시하여 향후 합리적인 설비용량 기준 개정을 위한 기초 자료를 마련하는 것을 목적으로 한다.

연구 대상으로는 제로에너지건축물 5등급 인증을 받은 84m² 규모의 공동주택을 기준 모델로 선정하고 실제 ZEB 인증을 받은 공동주택 4개 사례(Case1-4)의 외피 열성능을 적용하였다. 냉난방 피크부하 계산은 대한설비공학회의 RTS-SAREK 프로그램을 사용하였으며, 대상 지역은 중부 2지역(서울)로 한정하였다.

2.1. 냉난방 설비용량 산정 방법

국내 설비용량 산정 시 사용되는 부하계산 프로그램으로는 대한설비공학회 공조부하계산 표준화 프로그램 특별위원회에서 개발·배포한 RTS-SAREK이 널리 활용된다. RTS-SAREK은 복사시계열(RTS, Radiant Time Series)법에 기반하여 시간대별 부하를 요소별(구조체, 재실인원, 조명 등)로 계산하고 합산하여 냉난방에 대한 피크 부하를 계산하는 도구이다. 주요 입력 변수로는 외기 온습도 조건, 실내 발열(인체, 조명, 기기), 환기량 등이 있다.

단위면적당 냉난방 부하계산을 수행하는 기준으로는 KS C 9306:에어컨디셔너와 한국지역난방공사(KDHC, Korea District Heating Corporation)열사용시설 기준이 있다. KS C 9306의 경우 1970년 제정 이후 1999년 개정된 기준을 현재까지 적용하고 있다. 단위부하는 최상층, 중간층으로 구분하여 제시하고, 난방부하의 경우 히트펌프와 전열 장치의 값을 제시하고 있다. 열사용시설기준의 경우, 1992년 제정 후 2012년과 2017년 개정되었으며, 지역별로 공동주택의 전용면적에 따라 단위난방부하 기준을 제시하고 있다.

Table 1.은 공동주택(아파트)에 적용되는 KS C 9306과 열사용시설 기준을 나타낸 것이다. KS C 9306의 경우 최상층 냉방부하를 185W/m², 중간층 145W/m²를 적용하고, 난방부하의 경우 공랭식 히트펌프를 기준으로 최상층과 중간층을 각각 250W/m², 220W/m²으로 제시하고 있다. 열사용시설기준은 단위면적당 난방부하만을 면적별로 제시하고 있다. 지역별로 85m² 초과인 경우 38.3W/m²~48.7W/m²의 분포이며, 서울의 경우 41.0W/m²이 적용된다.

Table 1.

Heating and cooling load per unit area

2.2. 건축물 부위별 열관류율 기준

현재 건축물 에너지절약을 위해 ｢에너지절약설계기준｣ 별표1에서는 지역별 건축물 부위의 열관류율표를 제시하고 있다. 중부지역을 기준으로 외벽의 열관류율은 1987년 0.580W/m²·K에서 단계적으로 강화되어 2013년 0.270W/m²·K, 현행 기준(2017)에서는 0.170W/m²·K으로 강화되었다. 또한 제로에너지건축물 인증을 위한 기술요소 참고서(ZEB T&C)의 동일 부위 열관류율은 0.150W/m²·K으로, 외피의 열성능이 강화되어 건물 에너지 요구량은 지속적으로 감소하고 있다. Table 2.는 중부 2지역의 에너지절약설계기준과 제로에너지건축물 인증 기술요소 참고서(ZEB T&C)에서 제시하는 부위별 열관류율을 나타낸 것이다.

Table 2.

U-value standards for envelope components

3.1. 제로에너지 공동주택 사례

제로에너지건축물 인증은 총 6단계(+, 1-5 등급)로, 건축물 에너지 관리 시스템(BEMS, Building Energy Monitoring System) 설치 여부와 에너지 자립률 또는 연간 단위면적당 1차 에너지 소요량을 기준으로 인증된다. 본 연구에서 분석한 제로에너지 공동주택 사례는 3등급과 5등급에 해당된다. 현재 각 등급의 기준에 따르면 3등급은 에너지자립률 60% 이상 또는 단위면적당 1차 에너지소요량 50kWh/m²·year 미만, 5등급은 에너지자립률 20% 이상 또는 단위면적당 1차 에너지소요량 90kWh/m²·year 미만이다.

Table 3.은 제로에너지 건축물 인증을 받은 공동주택에 적용된 외벽, 지붕, 바닥, 창호의 열관류율과 조명밀도를 제로에너지건축물 인증 기술요소 참고서(ZEB T&C) 값과 함께 나타낸 것이다. Case 1은 예비 5등급 인증을 받은 대상지로, 외벽과 지붕의 열관류율은 0.133W/m²·K, 바닥은 0.230W/m²·K이 적용되었다. Case 2는 본 인증 5등급을 받은 대상지로, 외벽, 지붕, 바닥의 열관류율이 ZEB T&C에서 제시하는 값보다 낮지만, 창호 열관류율 0.860W/m²·K, 조명밀도 7.3W/m²으로, ZEB T&C에서 제시하는 값 보다 높은 값이 적용되었다. Case 3, Case 4는 예비 3등급 인증을 받은 대상지로 외벽, 지붕, 바닥의 열관류율이 ZEB T&C와 비교하여 낮고, 조명밀도도 각각 4.83W/m², 4.50W/m²으로 낮게 적용되었다.

Table 3.

Envelope U-values and lighting power densities of ZEB-certified apartment case studies

냉난방 피크 부하 계산 시, 제로에너지 공동주택 사례 조사 시, 일부 창호 열관류율(Case 1, Case 4)과 조명밀도(Case 1) 정보가 누락되어, ZEB T&C 기준에 따라 창호 열관류율 0.800W/m²·K, 조명밀도 5.5W/m²으로 입력하고, 모든 대상지의 창호 SHGC (Solar Heat Gain Coefficient)는 0.400으로 입력하였다.

3.2. 대상 모델 선정

현행 ｢건축물에너지절약설계기준｣, 제로에너지건축물 인증 기술요소 참고서(ZEB T&C)와 제로에너지 건축물 인증을 받은 공동주택 사례의 외피 열성능과 조명 밀도를 모델에 적용하여 냉난방 피크 부하를 계산하고, 단위면적당 부하를 비교하기 위해 제로에너지건축물 5등급 인증을 받은 공동주택을 Fig. 1.과 같이 선정하였다. 동일한 면적과 구조를 가진 대상 모델에 기준 및 사례별 외피 열관류율과 조명 밀도 값을 적용하고, 이를 통해 외피 열성능 변화에 따른 냉난방 피크 부하를 정량적으로 비교하였다.

Fig. 1.

Zero-energy residential building reference model

대상 모델은 3-bay 판상형 평면으로, 침실 2개와 안방, 거실로 구성되어 있다. 대상 모델은 거실을 기준으로 남향으로 배치하고, 한 층당 좌우 2세대(Unit A, Unit B)로 이루어진 12층 규모의 공동주택으로 가정하였다. 각 세대 중앙에는 코어(엘리베이터, 계단실)를 배치하고, 1개동 12층으로 구성된 공동주택 모델을 설정하였다. 최하층, 중간층, 최상층을 대상으로 하여 각 실을 독립된 공간 단위로 설정하고 개별적으로 산정하였다. RTS-SAREK을 이용한 부하계산 시, 실내 발열부하 및 실내·외 조건은 Table 4.와 같이 입력하였다.

Table 4.

Input parameters for peak heating and cooling load calculation using RTS-SAREK

Table 4.에서 실내 설정온도는 에너지절약설계기준 별표 8(냉·난방설비의 용량계산을 위한 실내 온·습도 기준)의 공동주택 값인 난방 20℃, 냉방 26℃으로, 실외 온도는 별표 7(냉·난방설비의 용량계산을 위한 설계 외기 온·습도 기준)에서 서울의 외기조건을 적용하였다. 대상 모델 내 4인 가구가 거주하는 것으로 하고, 환기횟수는 시간당 0.5회로 입력하였으며, 대상모델의 지역은 모두 서울(중부 2지역)으로 가정하였다.

4.1. 기준별 냉난방 부하

Table 5.는 국내 주요 단위면적당 냉난방부하 산정기준인 KS C 9306, 한국지역난방공사-열사용시설기준(KDHC)과 에너지절약설계기준의 주요 개정, 제로에너지건축물 인증 기술요소 참고서(ZEB T&C)의 부위별 열관류율을 대상모델에 적용하여 단위면적당 냉난방 부하 계산한 것이다. KDHC는 난방부하만을 제시하고 있어, 냉방부하는 비교에서 제외되었다.

Table 5.

Heating and cooling loads per unit area by standard and floor level

가장 보수적인 값을 가진 KS C 9306의 경우, 단위면적당 냉방부하가 145~185W/m², 난방부하가 220~250W/m²으로 가장 높다. KDHC의 난방부하는 층 구분 없이 단위면적당 난방부하가 42.1W/m²으로, 1987년 기준의 결과(69.5W/m²~83.7W/m²) 보다는 약 40% 낮고, 2017년 기준의 결과(30.4W/m²~35.5W/m²) 보다는 약 18% 높은 것으로 나타났다. ZEB T&C의 열관류율을 적용하여 냉난방 부하를 계산한 결과, 난방부하가 27.8~33.0W/m², 냉방부하가 53.5~54.3W/m²으로 모든 기준 중 가장 낮은 값을 나타냈다.

각 결과에서 최상층(Top floor)를 기준으로, 난방부하는 1987년 기준의 83.7W/m²에서 2017년 기준의 35.5W/m², ZEB T&C의 33.0W/m²까지 약 60% 감소하였다. 냉방부하는 같은 기간 67.5W/m² (1987년)에서 54.3W/m² (ZEB T&C)까지 약 20% 감소한 것으로 나타났다.

4.2. 제로에너지 공동주택 냉난방 부하

Fig. 2., Fig. 3.은 각각 Table 3.에 나타낸 제로에너지 공동주택 사례(Case 1-4)의 부위별 열관류율 및 조명밀도를 대상모델(Fig. 1.)에 적용하여 계산한 단위면적당 냉방부하와 난방부하를 ZEB T&C에 적용하여 계산한 결과와 함께 나타낸 것이다.

Fig. 2.

Calculated cooling load per unit areas for Zero energy buildings

Fig. 3.

Calculated heating load per unit areas for Zero energy buildings

Fig. 2.에서 ZEB T&C의 단위면적당 냉방부하는 최하층 53.5W/m², 중간층 53.5W/m², 최상층 54.3W/m²으로 나타났다. ZEB T&C와 제로에너지 공동주택 사례(Case 1-4)는 최하층과 중간층의 냉방부하가 같거나 0.1W/m²의 근소한 차이를 보였으며, 최상층의 단위 냉방부하가 최하층과 비교하여 0.4~0.8W/m² 높게 나타났다.

최상층의 단위 냉방부하를 기준으로 제로에너지 공동주택 기준 및 사례의 단위 냉방부하 분포는 51.6~55.3W/m²으로 좁은 범위 내에 분포한 것으로 판단된다. 일부 낮은 열관류율 및 조명밀도가 적용된 사례인 Case 3, 4의 단위 냉방부하가 각각 51.9W/m², 51.6W/m²으로 비교적 낮게 나타났으나, 가장 높은 단위 냉방부하를 보인 Case 2와 최대 3.7W/m²의 작은 차이를 보인 것으로 판단된다.

단위면적당 난방부하를 비교한 Fig. 3.에서 ZEB T&C의 단위 난방부하는 최하층 28.1W/m², 중간층 27.8 W/m², 최상층 33.0W/m²으로 나타났다. Fig. 2.의 단위 냉방부하와 달리 사례에 따라 최하층의 난방부하가 중간층보다 0.2~0.5W/m² 높게 나타났으며, 최상층의 경우 최하층과 비교하여 2.9~4.8W/m²의 차이를 보였다.

단위 난방부하가 비교적 높은 최상층을 기준으로 비교하면, Case 1이 가장 높은 34.1W/m²로 나타났으며, Case 3가 가장 낮은 27.9W/m²로 나타났다. Case 4의 경우, 단위 냉방부하에서는 Case 3와 함께 비교적 낮은 냉방부하를 보였으나, 적용된 외피 열성능이 Case 1, 2와 유사한 동시에 난방부하에서는 조명밀도를 고려하지 않기 때문에 Case 1, 2와 유사한 단위 난방부하를 보인 것으로 판단된다.

4.3. 기존 및 ZEB 사례에 따른 냉난방 부하 분석

Fig. 4., Fig. 5.는 KS C 9306, KDHC 기준과 에너지절약설계기준의 주요 개정, ZEB T&C, 제로에너지 공동주택 사례(Case 1-4)를 대상으로 냉난방 피크부하를 계산하여 사례별 단위면적당 부하의 분포로 나타내고 비교한 것이다. 각 기준 혹은 사례에 따라 층별 평균값을 나타내었다.

Fig. 4.

Distribution of cooling loads per unit area under standards and cases

Fig. 5.

Distribution of heating loads per unit area under standards and cases

Fig. 4.에서 KS C 9306의 경우 층에 따라 단위면적당 냉방부하 분포가 145~185W/m²로 나타났으며, 층별 평균은 158.3W/m²이다. 단위면적당 냉방부하의 평균을 비교하면, KS C 9306은 가장 보수적인 158.3W/m²을 나타냈다. 에너지절약설계기준 적용 시, 1987년 기준은 67.9W/m², 2013년 58.6W/m², 2017년 56.8W/m²으로 개정에 따른 단계적 감소를 보이며, ZEB T&C (53.8W/m²)와 제로에너지 공동주택 사례(52.9W/m²)에서 더욱 감소했다. 각 기준에 따른 단위면적당 냉방부하를 기반으로 설비용량 산정 시의 과용량 비율을 제로에너지 공동주택 사례(Case 1-4)의 평균값과 비교하면 KS C 9306는 199.2%, 개정에 따른 에너지절약설계기준은 1987년 28.4%, 2013년 10.8%, 2017년 7.4% 과용량 설계가 될 것으로 판단된다.

Fig. 5.에서 단위면적당 난방부하의 평균은 KS C 9306이 230.0W/m²로 가장 높게 나타났으며, 에너지절약설계기준 개정은 1987년 74.7W/m², 2013년 40.5W/m², 2017년 32.2W/m²로 단계적으로 감소한다. ZEB T&C는 29.6W/m²로 기준 중에서는 가장 낮은 값을 보였으며, 제로에너지 공동주택 사례(Case 1-4)는 28.9W/m²로 ZEB T&C 보다 낮게 나타났다. KDHC는 42.1W/m²으로 2013년 에너지절약설계기준의 열관류율을 적용한 결과와 유사한 것으로 나타났다.

단위면적당 난방부하를 기반으로 설비용량 산정 시의 과용량 비율을 비교하면 KS C 9306은 제로에너지 공동주택 사례(Case 1-4)와 비교하여 695.8%, 에너지절약설계기준은 연혁에 따라 1987년 158.5%, 2013년 40.1%, 2017년 11.4%, 열사용시설기준은 45.7% 과용량 설계가 될 것으로 나타났다. 단위면적당 난방부하의 경우 Fig. 4.의 냉방부하 보다 더욱 뚜렷한 추세를 보였는데, 이는 피크부하 기반 계산 시 외피 단열 성능 강화가 냉방부하보다 난방부하에 큰 영향을 끼치는 것으로 판단된다.

Fig. 6.은 1987년 에너지절약설계기준의 외피 열성능과 이를 적용하여 계산한 단위면적당 냉난방 부하계산 결과를 기준으로 연도에 따른 에너지절약설계기준 개정, ZEB T&C, 제로에너지 공동주택 사례(Case 1-4)의 외피 열성능 개선정도와 냉난방 부하 절감량을 나타낸 것이다.

Fig. 6.

Analysis of envelope performance improvement and load reduction

Fig. 6. a)에서 외벽의 열관류율은 1987년 대비 2013년 53.6%, 2017년 70.8% 향상되었으며, ZEB T&C와 제로에너지 공동주택 사례(Casen 1, 2, 4)는 74.2%~77.1% 수준으로 유사한 것으로 나타났다. Case 3의 경우 가장 낮은 열관류율인 0.070W/m²·K이 적용되어 기준 대비 88.0% 향상되었다.

Fig. 6. b)에서 단위 난방부하는 1987년의 외피 열성능을 적용한 결과와 비교하여 2013년 47.4%, 2017년 57.9%, ZEB T&C 61.0%까지 지속적으로 감소하였으나, 제로에너지 공동주택 사례에서 Case 3를 제외한 모든 대상지의 감소가 59.6%~61.9%로 차이가 미미하다. Case 3의 경우 다른 제로에너지 공동주택 사례와 비교하여 외벽의 열관류율이 약 50% 낮고, 지붕은 25%~33%, 바닥은 ZEB T&C 대비 높은 열관류율(0.230W/m²·K)이 적용된 Case 1을 제외하여도 34%~37% 낮은 열관류율이 적용되어 난방부하의 절감이 크게 나타났다.

ZEB T&C와 가장 뛰어난 열적 성능이 적용된 Case 3의 비교 시, 외벽의 열관류율 개선정도는 ZEB T%C가 74.2%, Case 3가 88.0%로 13.7%의 차이를 보인다. 지붕, 바닥이 각각 15.0%, 10.1%의 차이로 외피 열성능이 제로에너지건축물 기준과 비교하여 10% 이상 향상된 것을 확인할 수 있으나, 단위 난방부하의 절감은 ZEB T&C는 61.0%, Case 3가 66.9%로 5.9%의 차이를 보여 외피 성능 향상 대비 난방부하의 절감이 미미한 것으로 판단된다. 이는 외피의 열성능이 일정 수준을 초과하면 단열 성능 향상이 난방부하 절감에 미치는 영향이 점차 감소함을 보인다.

단위 냉방부하의 경우 1987년과 비교하여 2013년 0.5%, 2017년 3.6% 감소하였으며, ZEB T&C와 Case 1, 2는 7.0%~8.8% 감소하였다. 반면 Case 2와 유사한 수준의 열관류율이 적용되었음지만 낮은 조명밀도가 적용된 Case 4는 13.3%의 냉방부하 절감을 보였으며, 적용된 외피의 열적 성능이 가장 뛰어난 Case 3(12.8%)보다 0.5% 크게 나타났다. 이는 Case 4에 적용된 조명밀도가 4.5W/m²으로 Case 3에 적용된 조명밀도 4.8W/m²과 근소한 차이를 보이지만, 외피의 열적성능이 뛰어난 건물에서 단위 냉방부하 절감에는 외피의 열성능 향상보다 조명밀도, 기기부하 등의 내부부하 절감이 더 효과적임을 시사한다.

따라서 외피 열성능의 강화는 난방부하 절감에 미치는 영향이 점차 감소하고 있으며, 냉방부하 감소에는 단열성능의 강화보다 내부부하의 절감이 큰 영향을 미치는 것으로 보이며, 이를 고려한 제로에너지건축물 수준의 단위면적당 냉난방 부하를 재정립할 필요가 있는 것으로 판단된다.