A Study on the Evaluation of the Building Energy Efficiency in Accordance with the Shapes of the Apartment Unit Plans

1.1. 연구의 배경 및 목적

빠른 산업화와 도시화로 인해 지구환경문제가 국제사회에서 매우 중요한 의제로 대두되고 있으며, 이를 위해 1992년 리우 기후변화협약 이후 이를 구체적으로 이행하기 위한 2005년 교토의정서가 공식 발효되었다. 우리나라는 세계 10대 에너지 소비국이며 대부분의 에너지를 해외 수입에 의존하고 있고, 온실가스 배출량은 해마다 급격히 증가하는 등 에너지 위기와 기후변화에 취약한 경제구조를 갖고 있어 이를 극복하고 미래를 대비하기 위해 녹색성장의 필요성은 점차 높게 대두되고 있다.

2008년 정부는 ‘저탄소녹색성장’ 정책을 발표하여 산업부분별 탄소감축 전략 수립을 추진하였으며, 건물부문에서는 건축물의 에너지 소비총량을 기존대비 2017년까지 30%, 2020년까지 60% 절감하여 2025년까지 제로에너지건물 의무화를 목표로 하고 있다.¹⁾ 국내 건축물 부문의 에너지 소비는 전체 에너지의 24% 정도를 차지하고 있어 건축물의 에너지 감축이 절실한 상황이며 그 가운데 주거용 건축물의 에너지 소비량은 전체의 54% 정도로 절반이상을 차지하고 있다.²⁾

최근 국내의 아파트 건설시장은 주택건설 시행자의 주택 분양성 제고와 주택가치 상승에 대한 소비자의 선호로 인해 단위세대의 전면 폭이 증가하는 경향이 있다. 그러나 단위세대 전면 폭의 지속적인 증가는 채광과 조망환경 향상이라는 긍정적인 측면이 있지만 이와 상대적으로 외벽 및 창호 면적의 증가로 인한 입면적의 증가로 인해 건물에너지 소비에 영향을 주는 요인으로 작용한다.

따라서 본 연구에서는 공동주택 부문의 효율적인 에너지 소비 평가를 위해 현재 국내에서 시행하고 있는 건물에너지효율등급 인증제도의 평가방식에 의해 아파트 단위세대 평면 형태에 따른 에너지 소비 효율을 분석하여 보다 에너지 절약적인 단위세대 개발에 기초적 자료를 제시하는 데 목적이 있다.

Table 1.

Comparison of four energy performance assessment systems for collective housing

1.2. 연구의 방법 및 범위

건물에너지효율등급 인증제도는 기준 건물의 에너지성능을 규정한 후 이에 따른 신축 건물의 에너지성능 등급을 부여함으로써 건물의 에너지 소비에 관한 효율적인 분석을 가능하게 한다. 건물에너지효율등급 인증제도는 2001년부터 주거용 건축물을 대상을 시작으로 시행하고 있으며, 2010년 이후 부터는 업무용 건축물을 포함하여 범위를 확대하였고, 2013년 녹색건축물 조성 지원법의 제정으로 대상범위가 기존 건축물을 포함하여 대상 범위가 전체 건물로 더욱 확대되어, 2013년 9월 이후 개정 강화된 신기준이 적용될 예정이다.

본 연구에서는 현재 시행되고 있는 건물에너지효율등급 인증기준에 의하여 아파트 단위세대 형태에 따른 난방에너지효율을 평가하였으며, 평가 단위세대로는 현재 국내 아파트 주동계획을 위해 일반적으로 많이 이용되는 전용면적 85m² 이하의 단위세대 평면에 대해 남부지방의 단열기준을 적용하여 건물에너지소비효율을 분석하였다. 본 연구의 진행 과정은 다음과 같다.

첫째, 국내에서 시행되는 건물에너지 성능 평가를 위한 각종 제도의 개요와 현황을 파악하고 비교 분석한다.

둘째, 현재 시행되고 있는 건물에너지효율등급인증 평가방식에 의해 평가대상 단위세대의 에너지효율 평가를 위한 입력변수와 표준주택 평가기준을 설정한다.

셋째, 발코니가 확장되지 않은 2Bay, 3Bay, 4Bay 기본형 단위세대의 에너지효율성능을 평가하여 단위세대 전면 폭 증가에 따른 에너지소비 현황을 평가 한다.

넷째, 발코니가 확장된 2Bay, 3Bay, 4Bay 확장형 단위세대의 에너지효율성능을 평가하여 발코니 확장 전과 후의 에너지소비 현황을 평가한다.

2.1. 공동주택 관련 에너지성능 평가제도 현황

현재 국내에서 주거용 건축물의 에너지 성능을 평가하는 평가 방법으로는 에너지성능지표(Energy Performance Index : EPI), 건물에너지효율등급인증(Building Energy Efficiency Rating), 친환경주택 건설기준 및 성능평가(Green Home Assessment System), 친환경건축물인증(Green Building Certification Criteria) 등이 있으며, 이들 제도에 대한 특징을 표 1에 요약하여 나타내었다.

2.2. 국내 공동주택 에너지효율등급 인증 현황

국내 건물에너지효율등급인증제도는 2001년에 이 제도가 제정되어 신청건물의 에너지절감율과 에너지소요량을 평가하여 에너지효율등급을 인증한다. 2012년 9월 기준공동주택 에너지 효율등급 인증현황은 본인증 307개 예비인증 672개의 공동주택에서 인증을 취득하였다.(표 2)

에너지효율등급(표 3)은 2001년 제정되었을 당시에는 3개의 등급으로 되어있었으며, 2005년 개정 시에는 등급의 개수는 동일하게 하였으나 등급 부여를 위한 에너지절감율의 기준을 달리하였다. 그 후 2010년 개정에서는 등급을 5개로 나누어 더욱 세분화하여 평가되었고, 공동주택에너지효율등급 인증은 표준주택 대비 총에너지절감율로 인증 등급을 평가하였다. 그러나 2013년 녹색건축물 조성지원법‘ 제정으로 기존 및 신축건축물 모두에 대해에너지효율등급 인증 대상으로 확대되면서, 2013년 9월 이후 건물에너지효율등급 인증은 연간단위면적당 1차 에너지소요량⁴⁾으로 평가될 예정이다.

Table 2.

Certification numbers of building energy efficiency rating for collective housing (September 2012)

Table 3.

Modification in building energy efficiency rating through years

2.3. 현행 국내 공동주택 에너지효율등급 평가 방법

현행 에너지효율등급은 표준주택 대비 총에너지절감율(E_A)로 평가된다. 이를 위해 단위세대 에너지절감율(E_R)과 단위공동주택의 에너지절감율(E_H)을 계산해야 하는 데 이의 계산 과정을 산식 (1), (2), (3)에 나타내었다.

3.1. 평가 단위세대 개요

남부지방 단열기준을 적용한 전용면적 85㎡ 이하 단위세대 평면 유형에 대하여 2Bay, 3Bay, 4Bay 형태의 기본형 단위세대와 발코니 확장형 단위세대를 평가대상으로 선정하여 에너지소요량을 분석하였다. 난방공간의 시간당 환기율은 0.7회이며, 개별난방방식을 사용하였고, 보일러의 효율은 87%로 설정하였다. 본 연구에서의 비난방 공간은 각 단위세대의 현관만을 계산하였고, 비난방 공간에서의 태양열 취득은 없다고 가정하였다. 또한, 기본형 단위세대의 발코니에는 샷쉬를 설치하지 않았고, 기본형과 확장형 창호는 동일한 것으로 설정하였다. 평가단위세대의 개요와 평면 유형을 표 4, 표 5에 나타내었다.

Table 4.

Summary of the selected unit plans

Table 5.

Shapes of unit plans for assessment

3.2. 표준주택 설정

표준주택은 신청주택의 에너지효율등급을 평가하기 위한 기준이 되는 주택으로서, 현재 많이 설계되고 있는 일반적인 건물의 수준을 말한다. 본 연구에서 표준주택은 단위공동주택 설정기준에 의해 동향의 각 단위세대로 설정하였으며, 표준주택의 단위세대 설정기준을 요약하여 표 6에 나타내었다.

Table 6.

Typical setting for the standard house

3.3. 평가대상의 입력조건

국내 남부지역의 건축물 부위별 열관류율(표 7)을 기준으로 하여 평가 단위세대의 구성내용을 창호 및 단열재(표 8), 외기에 간접 면하는 경우(표 9), 직접 면하는 경우(표 10)로 정리하여 나타내었으며⁵⁾, 분석대상의 구성내용은 평면 유형에 상관없이 모두 동일하게 적용되었다.

Table 7.

Thermal transmittance for the southern area in Korean building code standard (W/㎡K)

Table 8.

Thermal performance of insulation materials, window and door of the selected house

Table 9.

Structural components in indirect contact with outdoor air

Table 10.

Structural components in direct contact with outdoor air

3.4. 단위세대 평면 형태에 따른 외피 열손실 면적

기본형과 확장형 단위세대의 창호 및 벽체의 외피 열손실 면적을 계산하여 표 11과 표 12에 나타내었다. 확장전과 확장후의 창호면적은 동일하며, 외기에 면한 벽체의 면적은 확장 전 보다 확장 후 증가하였다. 난방공간 바닥면적은 기본형의 경우 2Bay, 3Bay, 4Bay 모두 84.99㎡로 적용되었으며, 확장형의 경우에는 Bay는 94.25㎡, 3Bay는 102.96, 4Bay는 99.835㎡로 계산되어 3Bay 형태가 발코니확장으로 인한 바닥면적 증가가 제일 많았다.

Table 11.

Heat loss area of standard unit plans (unit: ㎡)

Table 12.

Heat loss area of extended unit plans (unit: ㎡)

4.1. 기본형 단위세대의 에너지 절감율 계산

발코니가 확장되지 않은 기본형 단위세대의 난방 에너지 절감율을 계산하여 표 13에 나타내었다. 계산 결과에 의하면, 기본형 단위세대 형태에 따른 유효 열 취득은 2Bay 형태는 1,433.48(W), 3Bay는 1,623.70(W), 4Bay가 1,588.92(W)으로 계산되어, 2Bay보다 3Bay, 4Bay 단위세대에서 열취득과 열손실이 동시에 증가하였고, 3Bay와 4Bay 단위세대 상호간의 열취득과 열손실 차이는 크지 않았다. 난방부하⁶⁾ 계산에 직접적으로 영향을 주는 단위세대 열손실계수는 2Bay 경우 160.20, 3Bay 168.69, 4Bay 165.65로 계산되었다. 이에 따라 난방에너지 소요량을 계산해 보면, 2Bay는 19.47(GJ/년), S3Bay는 18.53(GJ/년), 4Bay는 18.30(GJ/년)으로 계산되었으며, 표준주택 대비 총에너지 절감율은 2Bay는 26.93%, S3Bay는 35.60%, 4Bay는 36.26%로 계산되어 단위세대 전면 폭이 증가함에 따라 난방 에너지효율도 함께 증가하는 것으로 나타났다.

Table 13.

Calculation of energy efficiency for standard unit plans

4.2. 확장형 단위세대의 에너지 절감율 계산

발코니 확장형 단위세대의 난방 에너지 절감율을 계산하여 표 14에 나타내었다.

Table 14.

Calculation of energy efficiency for enlarged unit plans

계산 결과에 의하면, 확장형 단위세대 형태에 따른 유효 열 취득은 2Bay 형태는 1,445.48(W), 3Bay는 1,649.09(W), 4Bay가 1,603.21(W)으로 계산되어, 2Bay보다 4Bay, 3Bay 순으로 열취득과 열손실이 증가하였으며, 단위세대 열손실계수는 2Bay 경우 161.98, 3Bay 172.86, 4Bay 168.28로 계산되었다. 이에 따라 난방에너지 소요량을 계산해보면, 2Bay는 19.84(GJ/년), S3Bay는 19.45(GJ/년), 4Bay는 18.75(GJ/년)으로 계산되었으며, 표준주택 대비 총에너지 절감율은 2Bay는 25.17%, S3Bay는 30.40%, 4Bay는 34.35%로 계산되어 확장형 평면도 기본형과 마찬가지로 단위세대 전면 폭이 증가함에 따라 난방 에너지효율도 함께 증가하였다.

4.3. 기본형과 확장형 평면의 난방에너지 효율 비교

앞 절에서 계산한 단위세대 총에너지절감율은 표준주택 대비 난방에너지절감율을 나타낸 것으로서 각 단위세대의 상대적 에너지소비량을 비교하기 위해서는 적절하지 않다. 따라서 이를 위해 표 12, 표 13에 나타낸 단위세대 별 난방에너지소요량을 상호 비교하여 상대적 난방에너지 소비율을 계산하였다.