제로에너지 주택용 요소기술 조합에 따른 에너지절감에 관한 연구

1.1. 연구의 배경 및 목적

전 세계적으로 기후변화에 대응해 에너지 소비를 줄이기 위한 다양한 노력이 시도되고 있지만 그 효과는 아직 미흡하며, 온실가스 감축 및 저탄소 녹색성장 구현을 위하여 건축물 분야의 역할이 매우 중요하다. 국내의 경우 건축물 부문의 에너지소비량은 국가 전체 에너지소비량의 약 25%를 차지하고 있으며, 그중 가정에서 소비되는 에너지가 53%를 차지하고 있다.

국내의 경우 2008년 녹색성장정책이 제시·추진되면서 법과 제도를 정비하는 등 친환경 건축물 보급에 많은 노력을 기울이고 있다. 또한, 국내 건물 에너지 절감을 위한 정책은 2017년까지 주거용 건축물의 경우 60 %, 일반건축물의 경우 30 %의 에너지 감축을 목표로 하고 있으며, 2025년 건축물 제로에너지 의무화를 목표로 정책이 추진되고 있다.¹⁾

이에 본 연구에서는 제로에너지 주택을 구현하기 위한 핵심 요소기술 7가지를 선정하고, 에너지 절감요소, 신재생에너지 냉난방 및 발전기술의 조합에 따른 에너지 요구량, 소비량 및 에너지 비용을 정량적으로 분석함으로써, 건축물의 초기 계획단계에서 활용을 목적으로 한다.

1.2. 연구의 방법 및 범위

본 연구는 단독 주택의 에너지 절감을 위한 다양한 기술들 가운데 2000년 중반부터 지어진 대표적인 ‘그린홈(Green Home)’을 대상으로 표 1 과 같이 건축적, 설비적, 신재생에너지 요소기술로 분류하였다. 이를 바탕으로 공통적으로 적용되고 냉난방, 급탕, 조명 및 환기 에너지요구량을 크게 절감할 수 있는 민감도가 큰 적용 기술들을 분석하여 설계 변수들을 도출하였다.

도출된 설계 변수들로 적용 가능한 조합들을 선정하고, 기존의 건물 에너지 절약 설계기준에 입각한 주택과 각 기술들이 복합적으로 적용될 Case의 향별, 요소기술 적용별, 태양광 발전으로 구분하여 에너지 요구량, 소비량 및 에너지 비용을 정량적으로 분석함으로써, 에너지 절감 효과를 정량적으로 산정하였다.

따라서 본 연구는 분석 모델 선정에서부터 공통 요소기술 도출 및 평가 전반에 걸쳐 기준 모델에 대한 절감 효과에 초점을 맞추어 연구를 진행하였다.

본 연구는 시뮬레이션을 통한 분석 연구로 미국 DOE-2와 BLAST의 장점을 통합하여 개발한 EnergyPlus 엔진을 기반으로 하는 DesignBuilder v.3.0을 이용하여 수행되었다. DesignBuilder는 EnergyPlus의 대표적인 3rd Party 인터페이스 프로그램이다.

Table 1.

Analysis of Domestic and Abroad Zero Energy Housing Element Technologies

2.1. 선행연구 고찰

이와 관련하여 많은 연구들이 수행되고 있다. 송승영 (2012년)등은 공동주택을 대상으로 요소기술을 도출하고, 에너지효율 분석 및 비용효율을 분석하였다. 이명주 (2011년)등은 에너지 시뮬레이션을 통해 국내 단독주택, 건축물에너지절약설계기준, 패시브하우스 기준을 상호 비교하면서 건축물 에너지 절감 요소기술 별 에너지 절감량 및 절감률을 도출하였으며, 김빛나 (2010년)등은 패시브 주택의 절감 목표를 설정하고, 이를 충족하기 위한 최적의 부하저감 요소기술 구성방법에 대한 대안을 도출하였다. 윤종호 (2007년)등은 고층 아파트를 제로에너지화 하기 위해 적용할 수 있는 핵심기술들을 분류하고 각 기술들에 대한 에너지 절감효과를 정량적으로 분석하였다. 기존연구의 분석결과, 주로 에너지소비량을 중심으로 분석이 이루어 졌으며, 패시브주택 설계에 요소기술에 따른 민감도 및 건물자체의 재실자 쾌적능력, 설비 용량을 산정할 수 있는 근거 자료로 활용될 수 있는 에너지요구량 분석은 미비한 실정이다.

이에 본 연구에서는 제로에너지 주택을 구현하기 위한 핵심 에너지요구량 요소기술 7가지를 선정하고, 에너지 절감요소, 신재생에너지 냉난방 및 발전기술의 조합에 따른 에너지 요구량, 소비량 및 에너지 비용을 정량적으로 분석하였다.

3.1. 시뮬레이션 모델 선정

시뮬레이션 모델은 ‘강원도 보급형 저탄소 주택모형 개발’ 이라는 보급형 주택 설계 및 설계도서 개발 연구를 통하여 우리나라 기후에 적합하고 에너지절감에 유리하도록 계획·검증된 주택이다. 바닥면적 101.88 ㎡, 층고 2.4 m로 남북측에 상대적으로 넓은 창을 갖는 특징이 있으며, 대상 시뮬레이션 모델링과 주택의 평면도는 그림 1과 같다.

Fig 1.

Modeling of Target House

3.2. 기본안 및 요소기술 입력조건

시뮬레이션 분석에 앞서 기본가정을 살펴보면 다음과 같다.

① 대상 주택의 기본안을 구성하기 위하여 사용된 벽체 및 창호구성은 「‘건축물의 에너지절약설계기준’의 [별표 2] 단열재 두께와 [별표 3] 창 및 문의 단열성능」을 참고하였다. ② 요소기술중 외단열은 외벽에 250 ㎜ 적용되었으며, 지붕과 바닥은 기본안의 단열재 두께에서 250 ㎜로 증가시켜 적용하였다. ③ 창호의 경우 기본안은 Low-e 복층유리로 침기횟수는 0.7 회/h로 적용시켰고, 요소기술의 경우 고기밀 3중 Low-e유리로 중간유리를 제외한 최외측과 내측 유리의 내부면에 코팅된 것으로 침기횟수는 0.1 회/h로 향상시켜 적용시켰다. ④ LED 조명은 기본안(형광등) 대비 2.26W/㎡ (약 33%)의 에너지가 절약된다고 가정하였으며, 외부 전동블라인드(External Venetian Blind : 이하 EVB라 칭함)는 Slate 각도를 90°(수평 방향)로 고정하고 여름철 4개월만 사용되고 나머지 월은 사용되지 않도록 스케줄을 조절하였다. ⑤ 냉난방 및 급탕의 경우 일반 보일러 및 에어컨 대비 난방 COP 4.5(급탕열공급비율 8%), 냉방 COP 3.5의 Water to Air 타입의 지열히트펌프를 개선안으로 적용시켜 분석하였다. ⑥ 기본안의 강제환기장치는 2013년 개정된 ‘건축물의 설비기준 등에 관한 규칙’의 0.5 ACH보다 충분한 환기량 확보를 통한 공기질 개선을 위하여 개정 이전 기준인 0.7 ACH로 적용하였으며, 폐열회수 환기 장치는 효율 80%로 적용시켰다. 시뮬레이션을 위해 적용된 요소기술은 다음 표 2와 같다.

Table 2.

Input Condition of Simulation Element Technologies

시뮬레이션을 위해 공통으로 적용된 입력조건은 표 3과 같으며, 기상데이터는 IWEC에서 제공하는 인천지역 기상데이터 자료를 사용하였다.

Table 3.

Input Condition of Common Application

3.3. 시뮬레이션 케이스 구성

Table 4.

Simulation Case & Application Element Tech.

시뮬레이션은 표 4와 같으며, 먼저 향별 분석은 기본안(남향)을 포함하여 4가지 케이스로 구성하였고, 적용 요소 기술 조합에 따른 2차에너지 요구량 비교가 가능하며, 지열시스템은 냉난방설비 시스템의 변화로 2차에너지 소비량으로 판단하여야한다. 또한 태양광 발전은 각 용량과 설치경사각도를 조합하여 발전량을 산출하였다.

4.1. 에너지 환산계수

건물에너지 분석의 범위는 내부기기를 제외한 난방, 냉방, 조명, 환기, 급탕에너지의 2차 에너지요구량 및 소비량으로 한정하였다. 2차 에너지소비량은 2차 에너지요구량과 표 5, 6의 각 에너지에 따른 환산 계수(설비의 성능과 운전효율을 적용)로 나누어 산출하였으며, 1차 에너지소비량은 2차 에너지소비량에 표 7의 1차 에너지환산계수를 곱하여 산출하였다. 또한 가스 및 전기 요금은 2차 에너지소비량에 표 8의 평균단가를 곱하여 산출하였다.

Table 5.

Conversion Factor of Secondary Energy Consumption _(excluded Geothermal)

Table 6.

Conversion Factor of Secondary Energy Consumption _(included Geothermal)

Table 7.

Conversion Factor of Primary Energy

Table 8.

Unit Price of Gas & Electricity

4.2. 기본안의 향별 에너지 분석

먼저 기본안에 대한 방위에 따른 건물에너지의 영향도를 분석하였으며, 그 결과는 표 9와 같다.

표 9에서 알 수 있듯이 종합적인 향별 에너지요구량은 일사에 따른 건물의 평면과 창호의 분포 특성에 의하여 남향>북향>서향>동향의 순서로 에너지 성능이 우수한 것으로 나타났다. 난방 에너지요구량은 남향이 12,567 kWh로 가장 낮은 분포를 나타내고 있으며, 서향이 12,976 kWh로 다음으로 낮게 나타나고 있다. 그러나 서향은 냉방에너지 요구량이 가장 높게 나타나는 특징이 있으며, 북향은 난방은 높으나 냉방은 낮은 특징이 있으며, 이는 분석 대상 모델의 공간배치 특성에 따른 것으로 판단된다.

Table 9.

Annual Secondary Energy Demand_Orientation

표9의 에너지요구량을 2차 에너지 소비량으로 변환해 나타내면 표 10과 같다. 조명과 환기는 전기를 직접 사용하므로 환산계수 및 효율이 적용되지 않지만, 난방 및 급탕의 경우에는 가스를 사용한 보일러 및 에어컨을 이용하고, 냉방의 경우에는 전기를 사용하지만 COP와 운전효율의 영향을 받게 된다. 따라서 2차 에너지 요구량의 분석 결과와는 다소 차이가 나타나게 되며, 남향>서향>북향>동향의 순서로 2차 에너지 소비량이 우수한 것으로 나타난다. 전체적으로 건물이 서향으로 향했을 경우 일사에 따른 영향으로 냉방부하가 가장 높게 나타나지만, 상대적으로 난방부하는 적게 나타나는 것을 알 수 있다. 또한 주어진 대상 모델에서는 건물이 동향으로 향할 때 가장 높은 에너지 소비량을 나타내는 것을 알 수 있다. 따라서 건물은 가능한 한 남향을 향하도록 배치시키는 것이 에너지적으로 가장 우수함을 다시 한 번 확인할 수 있었다.

Table 10.

Annual Secondary Energy Consumption_Orientation

Table 11.

Annual Energy Cost & Saving Rate_Orientation

표 11은 표 8의 요금을 적용하여 에너지 비용을 산정한 것이다. 에너지원별 가격 차이의 발생으로 2차 에너지 소비량의 비율과 다소 차이는 발생하지만, 전체적인 분포 패턴은 동일하게 나타나고 있음을 알 수 있다.

4.3. 요소기술 조합에 따른 에너지 요구량

각 요소 기술 조합에 따른 2차 에너지 요구량, 소비량 및 에너지 비용을 살펴보면 다음과 같다.

Table 12.

Annual Secondary Energy Demand

Fig 2.

Annual Secondary Energy Demand

표 12와 그림 2는 요소기술 조합별 2차 에너지요구량을 나타낸 것이다. 2차 에너지 요구량 분석을 통하여 설비 용량을 산정할 수 있는 근거 자료로 활용될 수 있고, 각 요소기술들이 건물에너지에 미치는 영향을 파악할 수 있다. 그리고 에너지 요구량이 높다는 것은 설비 시스템이 없을 경우 재실자의 쾌적감이 낮아지게 됨을 의미한다. 단일 요소기술을 적용하였을 경우 2차 에너지 요구량 측면에서 고기밀 3중창호를 적용한 경우 가장 큰 절감율인 21.8%를 나타내고 있다. 이는 단열성능과 기밀성능이 동시에 향상되어 난방 및 냉방부하를 동시에 감소시키기 때문이다. 다음으로 폐열회수 환기 장치와 외단열을 이용한 슈퍼 단열 기술이 효과가 높은 것으로 분석되었다. LED 조명기구의 경우에는 조명부하를 약 30% 절감시키는 동시에 냉방 부하도 절감시키지만, 내부발열이 줄어 난방부하는 오히려 상승시키는 작용을 하게 되는 것을 알 수 있다. EVB 전동 블라인드의 경우에는 냉방부하 절감효과는 크나 난방부하가 다소 증가 전체적으로는 약 1.7%의 절감효과만을 나타내는 것을 알 수 있다. 지열 시스템의 경우, 별도의 부하저감기술이 적용되지 않았기 때문에 냉난방 에너지 요구량이 기준안과 동일하게 나타났다.

따라서, 패시브 주택을 구현함에 있어 가장 먼저 고려해야 할 대상은 고성능, 고기밀성 창호>고효율 폐열회수 환기장치>외단열 순서인 것으로 분석되었다.

4.4. 요소기술 조합에 따른 에너지 소비량

다음으로 에너지 요구량을 충족시키기 위하여 표 2에서 제시한 냉난방 설비 시스템을 적용한 경우의 에너지 소비량을 분석한 결과는 표 13 및 그림 3과 같다.

Fig 3.

Annual Secondary Energy Consumption

Table 13.

Annual Secondary Energy Consumption

에너지 소비량 분석의 경우, 설비성능, 운전효율 및 사용 에너지원 등의 이유로 요소기술에 따라 요구량과는 상이한 결과를 나타내고 있음을 알 수 있다. 단일 요소기술의 적용시 표 12의 에너지 요구량과는 달리 Case-5인 지열 시스템의 절감율이 약 78%로 가장 큰 절감효과를 나타내고 있다. 초기 투자비용에 대한 부담만 없다면 가장 합리적인 시스템인 것으로 분석되었다.

또한 외단열과 3중창이 적용된 Case에서 에너지소비량이 낮게 나타나는 경향을 보였다. 이러한 에너지 소비량은 에너지 비용과 직접적으로 연결이 되는 것이다.

4.5. 요소기술 조합에 따른 에너지 비용

각 요소 기술 조합에 따른 에너지 비용을 살펴보면 다음과 같다. 다음으로 표 8의 평균단가를 이용하여 표 13을 에너지 비용 측면에서 정리한 것이 표 14 및 그림 4와 같다.

Table 14.

Annual Energy Consumption Cost

Fig 4.

Annual Energy Consumption Cost

에너지 소비비용 측면에서는 2차 에너지 소비량과 유사한 분포를 나타내고 있으며, 운전비용 절감 효과 역시 지열 요소기술을 포함하여 적용하였을 경우 에너지 비용 절감효과가 큰 것으로 나타났으며, 지열 > 3중창 > 폐열회수 환기장치 > 외단열 > LED 조명기구 > 외부 전동차양장치의 순으로 나타났다.

지열을 사용하였을 경우 단위면적당 1차 에너지 소요량이 83.5 kWh/㎡으로 가장 낮은 것으로 분석 되었으며, 2차 에너지 소비량과 유사한 분포를 나타내고 있다.

요소기술 중 지열을 포함하는 Case에서 에너지 소비량이 낮은 것으로 나타났다. 이는 다른 요소기술에 비하여 지열의 에너지 절감폭이 커 지열을 포함하고 있는 Case에서 2차 에너지 소비량이 낮게 나타나는 것으로 판단된다.

4.6. 태양광 발전

태양광 발전은 발전 용량은 1 kWp 급, 2 kWp 급, 3 kWp 급으로 하였고, 각각에 대한 경사각도는 0°, 15°, 30°, 45°로 12가지 분석 케이스로 가정하여 발전량을 산출하였으며, 표 15와 같다.

Table 15.

Photovoltaic Installation Angle & Power Output according to Generation Capacity

태양광 발전량은 각 요소 기술별 연간 2차 에너지 소비량에서 차감 될 수 있다. 분석결과 발전용량이 증가할수록 절감비용이 큰 것으로 나타났으며, 여름철 태양고도의 영향으로 설치각도 30°에서 발전용량 및 절감비용이 가장 크며, 각도 증가하면서 다시 줄어드는 것으로 나타났다. 또한 설치각도의 변화에 따라서 최대 약 11.73% 증가하는 것으로 분석되었다.