성당 건물의 에너지 소비 패턴과 태양광 발전 성능 및 경제성 분석 : 충청권 39개소 실측자료 및 대표 사례를 중심으로

1.1. 연구의 배경 및 목적

전 세계적으로 기후변화 대응을 위한 온실가스 감축 요구가 강화되고 있는 가운데, 건물 부문은 국내 최종에너지 소비에서 약 20% 이상의 비중을 차지한다[1]. 기후변화에 따른 열대야, 폭염 등 영향으로 냉방수요가 증가하면서 건물에서의 전력 사용량 또한 꾸준히 증가하고 있다[2]. 이에 정부는 에너지 성능 기준을 강화하고 있으며, 공공건축물의 ZEB 인증등급 상향과 노후 공공건축물 그린 리모델링의 단계적인 의무화를 추진하고 있다. 국토교통부의 제3차 녹색건축물 기본계획[3]의 제로에너지건축물 로드맵에 따르면, ’30년에는 용도와 규모를 검토하여 ZEB 등급 3등급을 적용할 계획으로, 해당 제도에 따라 연면적 1,000m² 이상, 17개 용도¹⁾ 건축물은 모두 제로에너지건축물 인증 대상에 해당한다.

건물에너지 연구는 그간 주거, 업무, 교육, 판매 시설 등을 중심으로 활발히 수행되어 왔으나[4,5], 종교건물은 상대적으로 연구 대상에서 소외되어 왔다. 최근 국내외 종교계에서는 창조 보전(Creation Care) 및 생태적 책임에 대한 인식을 바탕으로 친환경 운영에 대한 관심이 높아지고 있으며, 특히 천주교회는 교황의 회칙을 계기로 생태적 회심과 본당 단위에서 태양광 발전 설비 도입, 에너지 효율 개선, 탄소발자국 저감 등의 실천을 적극적으로 확산시켜 나가고 있다. 통계자료[6]에 따르면, 국내 성당의 건물 수는 전국 기준 2,491개이며, 이용자 수는 약 44,113명에 달한다. 2025년 국토교통부가 보도한 보도자료[7]에 따르면, ’24년 건물 표준 원단위 기준 종교건물의 단위 면적당 에너지 사용량은 초·중·고등 학교 등 교육시설과 유사하거나 오히려 높은 것으로 분석되었다. Woo et al.[8]은 지역사회 커뮤니티의 중심 역할을 하는 도심형 성당은, 비효율적인 에너지 소비에서 벗어나, 친환경적 측면이 고려된 건축물로 계획되어야 함을 강조하였다.

건물의 에너지 소비는 용도, 규모, 재실 패턴, 운영 방식에 따라 상이한 양상을 나타내며, 이러한 다양성을 정확히 파악하는 것은 건물 부문 에너지 정책 수립과 효율화 전략 도출의 전제 조건이 된다. 종교건물은 국내 등록 건물 수 기준으로 상당한 비중을 차지하는 만큼 관련 연구가 중요한 시점이다. 본 연구에서는 종교건물 중 성당 건물을 대상으로 연간 건물에너지 실사용량 및 패턴, 그리고 태양광 발전 실측 데이터를 분석하여, 종교건물의 에너지 소비 특성과 신재생에너지 자립 현황을 분석하였다. 천주교 교구는 본당 단위의 체계적인 에너지 사용량 관리 체계를 구축하고 있어, 다수의 성당 건물에 대한 실측 데이터 확보가 가능하였다. 특히 ‘불휘 햇빛 발전 협동조합[9]’을 통해 성당 건물 및 유휴부지를 활용한 태양광 발전소를 설치·운영하고 있어, 에너지 소비량뿐만 아니라 발전량에 대한 실측 데이터 확보도 가능하다. 이러한 점에서 성당은 종교건물의 에너지 전환 및 탄소중립 실천 사례를 분석할 수 있는 적합한 연구 대상으로 판단하였다. 본 연구는 국내 종교건물을 대상으로 장기간(4개년) 실측 에너지 사용 데이터를 활용하여 성당 건물의 에너지 소비 특성을 정량적으로 분석하고, 실제 태양광 발전 데이터를 연계하여 에너지 자립률 및 경제적 효과를 함께 평가하였다는 점에서 기존 연구와 차별성을 가진다. 특히 기존 연구가 단일 건물 사례 분석 또는 시뮬레이션 기반 평가에 집중된 것과 달리, 본 연구는 다수의 성당(39개소)을 대상으로 종교건물의 고유한 에너지 사용 패턴과 신재생에너지 활용 가능성을 통합적으로 제시함으로써 향후 종교건물의 에너지 관리 개선과 제로에너지건축(ZEB) 목표 달성을 위한 기초 자료로 활용될 수 있다.

1.2. 선행 연구 고찰

기존 국내 연구는 종교건물의 건축적·공간적 특성 분석에 집중되어 있으며[10,11], 실제 에너지 소비 특성 및 태양광 적용 효과를 분석한 연구는 매우 제한적으로 수행되어왔다. 종교건물은 일반 업무시설 및 주거시설과 달리 간헐적 운영 스케줄 특성을 가지므로 별도의 에너지 분석 접근이 필요하다.

선행연구를 살펴보면, 종교건물은 동절기 난방 수요 증가에 따른 높은 전력 소비 특성을 보이며[12], 전체 보조 난방기구 중 전기 난방기 비율은 68%로 전기 의존 비율이 매우 높아 전력 피크의 원인이 되고 있음을 지적하였다. Terrill et al.[13] 에너지 사용량 분석을 기반으로, 일반 상업 건물에서 흔히 사용되는 저비용 에너지 효율 개선 조치가 교회 건물에서도 동등하거나 더 높은 절감 효과를 나타낸 것으로 분석하였다. Nabilah et al.[14] 건물에너지 분석은 건물 유형에 관계없이 건물에너지 소비 패턴과 특성을 이해하는 것이 매우 중요함을 강조하였다. 종교건물은 상업용 건물과는 다른 고유한 에너지 사용 패턴을 가지며, 단열재 강화, 환기 시스템 최적화, 일사 조절 장치 적용 등 수동적 설계 요소를 통해 46% 이상 에너지 사용량이 감소하는 것으로 분석되었다.

선행연구 고찰을 통해, 종교 건물의 에너지 특성에 관한 기존 연구는 냉·난방 시스템 분석 및 에너지 시뮬레이션을 중심으로 수행되어 왔으며, 국내에서는 이에 관한 실증적 연구가 국외에 비해 현저히 부족함을 확인하였다. 종교건물은 간헐적 재실 패턴으로 인해 냉·난방 및 조명 시스템이 에너지 소비의 대부분을 차지하는 동시에, 일반 상업 건물과 구별되는 고유한 에너지 사용 특성을 나타낸다[15].

선행연구를 통해 종교건물은 간헐적인 재실과 운영 특성으로 인해 일반 건물과 구별되는 에너지 소비 패턴이 나타나며, 냉·난방 설비의 운영 방식과 피크 부하 저감을 위한 신재생에너지 적용 조건을 함께 고려할 필요가 있음을 확인하였다.

2.1. 에너지 사용량 실측 데이터 분석

본 연구에서는 총 45개 성당 건물 중 연면적이 1,000m² 이상, 연속 4개년 이상의 실측 데이터가 확보된 39개소 건물을 선별하여 월별 전기와 가스 사용량 데이터를 분석하였다.

대전, 천안, 충남 총 3개 지역의 실측 데이터를 확보하였고, 연면적 정보는 Table 1.과 같다. 건물에너지 평균 사용량 및 사용 패턴 표준화 분석을 위해 2019년 1월부터 2022년 12월까지 총 4년간의 데이터를 분석하였다. 분석 대상 건물의 에너지 사용량은 월 단위를 기준 총량이다. 가스 사용량은 m³ 단위로 측정되어, 단위 변환을 위해 한국가스공사 공급 열량 값을 활용하였다. 대전의 2019년부터 2022년 4개년의 평균적인 연간 공급 열량 값(10,150kcal/Nm³) 적용하여 kWh로 환산하였다.

Table 1.

Gross floor area information of the analyzed buildings

2.2. 발전량 및 자립률 분석

태양광 발전량 분석 및 자립률 분석을 위해 태양광 발전량 데이터가 확보된 대전 지역의 대표 건물을 선정하여 1년간의 발전량 데이터를 분석하였다. 분석 대상 건물의 태양광 시스템의 개요는 다음 Table 2.와 같다.

Table 2.

Summary of analysis data

대전 지역에 위치한 성당 건물은 Fig. 1.과 같이 남측 10.8kWp, 서측과 동측에 각 24.6kWp씩, 총 60kWp가 설치되어 있다. 해당 시스템은 단위 전력변환장치(MLPE, Module Level Power Electronics) 인버터로 구성되어 있다. 건물에 적용되는 태양광의 경우 음영, 먼지, 모듈별 일사 수율 차이, 설치 방위 등 여러 요인에 따른 미스매치(Mismatch) 손실이 발생 될 수 있다[17]. 특히 성당 건물의 경우 첨탑에 의하여 부분 음영이 발생 된다. 본 사례 건물 역시 첨탑에 의한 부분 음영 발생 및 발전 성능 저하가 예상되어 스트링(String)별, 방위별 발전량에 대한 분석을 수행하였다.

Fig. 1.

Schematic diagram of the PV system string configuration

태양광 발전 시스템의 발전량 데이터를 기반으로 에너지 자립률 및 경제적 효과도 함께 평가하였다. 에너지 자립률은 국내 제로에너지건축물(Zero Energy Building) 인증 기준[16]을 참고하여 도출하였다. 시간 단위 에너지 소비 데이터 확보의 한계로 인해 국내 친환경 건축물 인증 평가 방식과 동일한 월별 에너지 사용량 기준의 분석 방법을 적용하였다. 이에 따라 자립률 분석에는 시간대별 발전량과 소비량의 불일치는 반영하지 않았으며, 잉여 발전 전력의 발생은 고려하지 않았다. 즉, 생산된 태양광 발전 전력은 건물 내에서 모두 자가 소비되는 것으로 가정하여 에너지 자립률을 추정하였다.

한편, 경제적 효과 분석에서는 월별 전기 사용량과 태양광 발전량을 비교하여 발전량이 전력 수요를 초과하는 기간의 잉여전력을 별도로 산정하고, 이에 대한 SMP 및 REC 수익을 평가하였다. 2024년 계통한계 가격(SMP) 및 신재생에너지 공급인증서(REC) 평가 금액[18,19]에 따라 월별 수익을 계산하였다. REC 평가 금액 계산을 위한 가중치는 ‘신재생에너지원별 가중치’ 기준에 따라 건축물 등 기존 시설물을 이용 시 가중치 값인 1.5를 기준으로 산정하였다. 태양광 REC 수익금은 ‘발전량(MWh)×REC 가중치×REC 단가’ 공식에 따라 계산되었다.

3.1. 성당 건물의 에너지 소비 특성

1) 건물에너지 사용량

Fig. 2.와 Fig. 3.은 2019~2022년 39개 성당의 월별 전기 및 가스 사용량 분포를 나타낸 것이다. 전반적으로 전기 사용량은 연도별 차이가 크지 않았으며, 대부분의 월에서 중앙값이 유사한 수준을 유지하는 것으로 나타났다. 또한 사분위 범위(IQR)의 변화도 크지 않아 성당 간 전기 사용 특성이 비교적 안정적으로 유지되고 있음을 확인할 수 있었다. 연도별 평균 단위 면적당 전기 사용량은 2019년부터 순서대로 33.5kWh/m²·yr, 28.2kWh/m²·yr, 28.9kWh/m²·yr, 30.9kWh/m²·yr로 연도 간 증가 폭은 비교적 완만하게 나타났으며, 전반적으로 유사한 수준의 에너지 소비량을 유지하는 것으로 분석되었다.

Fig. 2.

Monthly electricity EUI distribution of 39 buildings

Fig. 3.

Monthly gas EUI distribution of 39 buildings

가스 사용량은 전기 사용량과 달리 뚜렷한 계절성을 보였다. 모든 연도에서 겨울철 중앙값과 분산이 증가하였고, 여름철 사용량이 현저히 감소하였다. 이는 성당의 주요 가스 사용처가 난방 또는 급탕에 집중되어 있음을 보여준다.

Fig. 4. 및 Fig. 5.는 연도별 39개 성당의 월별 평균 사용량을 나타낸다. 전체적으로 전기 사용량은 연도별 차이가 크지 않으며, 모든 연도에서 유사한 계절적 패턴을 보였다. 특히 7월~8월 냉방 에너지 사용량이 집중되는 하절기의 사용량이 증가하는 일반적인 경향을 보였다. 그러나 12월~2월 겨울철 사용량이 급격히 증가하여 1년 중 가장 많은 사용량을 나타내는 패턴을 보였다. 일반적인 사무용 및 주거용 건물에서의 전기 사용량은 주로 냉방 에너지 사용량 증가로 하절기에 최대 사용량을 나타낸다. 그러나 본 건물의 경우 동절기 사용량이 연중 최대 사용량을 보였으며, 하절기에 다시 한번 사용량이 증가하는 것으로 분석되었다. 이는 동절기 보조 전기 난방기기의 사용 증가에 따른 영향으로 판단되며, 선행연구에서 보고된 에너지 소비 패턴과 유사한 경향을 보였다. 가스 사용량 역시 동절기 1월에 가장 높은 사용량을 보였다. 가스 사용량은 전기 사용량 보다 훨씬 뚜렷한 계절적 특성을 보였다. 하절기 사용량이 급격히 감소하는 전형적인 난방에너지 소비 패턴을 보였다.

Fig. 4.

Monthly average electricity EUI by year

Fig. 5.

Monthly average gas EUI by year

2) 월별 사용 비율

상기 전기 및 가스 에너지 사용량 데이터를 바탕으로 Fig. 6.과 같이 월별 에너지 사용 패턴을 분석하였다. 월별 사용 패턴은 연간 총 사용량 대비 각 월의 사용량 비율을 산정하여 도출하였다.

Fig. 6.

Monthly electricity and gas consumption ratio

4개년도 전기 에너지 사용량 기준 평균 사용 비율 분석 결과 ,동절기(12월~2월) 총 사용 비율은 35.6%, 특히 1월의 사용량이 13.47%로 가장 높았다. 하절기(6월~8월) 사용량과 추분기(9월~11월)는 각각 22.0%, 22.4%로 유사하였다. 춘분기(3월~5월) 사용량은 각각 19.9%로 가장 낮은 비율을 보였다.

가스 사용량 역시 동절기 사용 비중이 가장 높았으며 동절기 총 사용 비율은 54.6%로 전체 사용량의 절반 이상을 동절기에 사용하고 있으며 특히 1월의 경우 21.0%로 가장 높았다. 그리고 전기 사용 패턴과 달리 춘분기 사용량이 27.4%로 두 번째로 높은 사용 비율을 나타냈다. 급탕과 난방 사용량이 줄어드는 하절기의 경우 5.7%로 급격히 감소하였다. 추분기 사용량 비율은 12.3%로 하절기 대비 다소 증가하는 경향을 보였다.

연도별 에너지원별 사용 비중을 분석한 결과, 전기는 전체 에너지 사용량의 52.2~56.4%, 가스는 43.6~47.8%를 차지하는 것으로 나타났다. 분석 기간 동안 전기와 가스의 비중은 큰 변동 없이 유사한 수준을 유지하였으며, 전기가 가스보다 다소 높은 비중을 차지하는 것으로 분석되었다.

3.2. 태양광 발전량 분석

대전에 위치한 성당 건물의 태양광 시스템은 동측, 남측, 서측의 3개 방위에 설치되어 있다. 각 방위별 설치된 태양광 시스템의 연간 누적 발전량 분석 결과는 Fig. 7.과 같다. 남측 시스템의 누적 발전량은 총 1,264kWh/kWp/yr로 가장 많은 발전량을 나타냈다. 동측과 서측의 발전량 차이는 99kWh/kWp/yr로 서측이 다소 높은 발전량을 보였다. 남측의 일 평균 yield 값은 3.86h/d, 서측 3.32h/d, 동측 3.01h/d로 전체 시스템의 평균 Yield 값은 3.40h/d 이다. 첨탑에 의하여 일부 모듈에 음영이 발생함에도 불구하고, 상당히 우수한 발전 성능을 보였다.

Fig. 7.

Annual total PV generation by azimuth direction

Fig. 8.은 전체 시스템의 월별 누적 발전량과 월평균 일일 Yield 값을 나타낸다. 분석 결과, 5월의 누적 발전량은 약 8,455kWh/month로 연중 가장 높은 값을 기록하였다. 반면 11월과 12월은 평균 약 2,244kWh/month로 가장 낮은 발전량을 보였으며, 평균 Yield 값 또한 1.28h/d로 분석되어 동절기 일사량 감소 및 태양 고도 변화, 음영 영향 등이 반영된 것으로 판단된다. 또한 1월과 2월 역시 평균 발전량이 약 3,238kWh/month, 평균 Yield 값이 약 2.01h/d 수준으로 낮게 나타났다. 연간 총 누적 발전량은 61,853kWh/yr로 분석되었으며, 시스템 일부에 음영 영향이 존재함에도 불구하고 연간 기준 안정적인 발전량 확보가 가능한 것으로 평가되었다.

Fig. 8.

Monthly total PV generation and daily yield

3.3. 에너지 자립률 추정 및 경제적 효과검토

1) 에너지 자립률 추정

앞서 분석한 건물의 에너지 소비 특성과 태양광 발전 성능을 종합적으로 고려하여 에너지 자립률을 추정하였다. 시간 단위 에너지 소비 데이터 확보의 한계로 인해 국내 친환경 건축물 인증 평가 방식과 동일한 월별 에너지 사용량 기준의 분석 방법을 적용하였다. 이에 따라 시간대별 발전량과 소비량의 불일치는 반영하지 않았으며, 잉여 발전 전력의 발생은 고려하지 않았다. 즉, 생산된 태양광 발전 전력은 건물 내에서 모두 자가 소비되는 것으로 가정하여 에너지 자립률을 추정하였다.

4개년 실측 데이터를 통해 도출한 월평균 누적 사용량과 태양광 발전량을 단위 면적당 1차 에너지로 환산한 결과(Table 3.), 전기 사용량은 총 83.5kWh/m²/yr, 가스 사용량은 29.0 kWh/m²/yr로 총 소비량은 112.6kWh/m²/yr이다. 1차에너지생산량은 총 59.39kWh/m²/yr로 본 연구의 가정에 따른 추정 에너지 자립률은 52.8%로 나타났다. 자립률 수치만을 기준으로 현행 ZEB 4등급 수준에 해당한다.

Table 3.

Primary energy consumption and production(unit: kWh/m2/month)

2) 경제적 효과 검토

월별 에너지사용량과 태양광 발전량을 비교한 결과, Fig. 9와 같이 에너지 수요와 공급 간 시기적 차이가 존재하는 것으로 나타났다. 전기 에너지 사용량은 동절기에 가장 높게 나타난 반면, 태양광 발전량은 일사량이 높은 5월과 6월에 최대치를 기록하였다. 이에 일부 기간에서는 발전량이 건물의 전력 수요를 초과하는 것으로 분석되었다. 본 건물은 계통연계형 태양광 시스템으로 운영되고 있어 잉여 발전 전력은 전력회사로 판매되어 활용되는 구조를 갖는다. 따라서 본 연구에서는 건물 내 자가 소비 후 남는 잉여 전력을 전력회사에 판매하는 운영 방식을 고려하여, 이에 따른 경제적 효과 및 수익성을 함께 검토하였다.

Fig. 9.

Monthly Primary energy consumption and production

가스 사용량을 제외하고, 월별 누적 전기 사용량을 기준으로 자가 소비량을 제외하면, 4월부터 6월까지 총 3개월 동안 잉여 전력이 발생된다. 이를 2024년 계통한계 가격(SMP) 및 신재생에너지 공급인증서(REC) 평가 금액[18,19]에 따라 월별 수익을 계산하였다. 분석 대상 건물들의 평균 면적인 2,287.3m² 기준으로 산출된 예상 잉여 전력량 및 SMP 기준 월별 수익 금액은 Table 4.와 같다. 연간 총 잉여 전력량은 14,545.3kWh/yr로 전체 누적 발전량의 약 10.7%에 해당한다. 잉여 전력량에 SMP를 적용한 연간 누적 수익금은 1,835,502원으로 분석되었다. 5월은 988,330원으로 연중 최대 수익금을 기록하였다.

Table 4.

AC power sales revenue based on SMP

REC 평가 금액 계산을 위한 가중치는 ‘신재생에너지원별 가중치’ 기준에 따라 건축물 등 기존 시설물을 이용 시 가중치 값인 1.5를 기준으로 산정하였다. 태양광 REC 수익금은 ‘발전량(MWh)× REC 가중치×REC 단가’ 공식에 따라 계산되었다. 분석 결과(Table 5.) 연간 총 누적 수익금은 1,086,448원으로 분석되었다.

Table 5.

AC power sales revenue based on REC

따라서 총 누적 예상 수익금(SMP+REC)은 연간 2,921,950원으로 집계되었다. 단위 발전량당 수익을 산출하면 SMP 기준 126.2KRW/kWh, SMP+REC 합산 기준 200.9KRW/kWh로 분석되었다. 이는 REC 가중치 1.5 적용에 따른 추가 수익이 전체 수익 구조에서 상당한 비중을 차지함을 의미하며, 건축물 이용 태양광에 대한 REC 우대 정책이 종교건물의 신재생에너지 도입 경제성을 실질적으로 향상시키는 요인으로 작용함을 시사한다.

3.4. 소결

분석 결과, 성당 건물은 일반 업무 및 주거용 건물과 달리 구별되는 고유한 에너지 소비 특성을 나타내는 것으로 확인되었다. 특히 동절기와 하절기 전기 사용량이 증가하는 이중 피크(double-peak) 패턴과 동절기에 집중되는 가스 사용 특성은 종교건물의 간헐적 재실 및 운영 방식이 에너지 소비에 직접적인 영향을 미치고 있음을 보여준다. 가스 사용량의 경우 난방 부하의 영향으로 동절기에 집중되는 뚜렷한 계절성을 보였다. 또한 연도별 에너지원 비중은 전기가 약 52~56%, 가스가 약 44~48%로 전기 사용량이 다소 높은 경향을 보였다. 이러한 결과는 종교건물이 일반 건물과는 다른 운영 특성과 에너지 소비 패턴을 가지며, 건물 용도별 특성을 고려한 에너지 관리 전략이 필요함을 보여준다.

대표 성당 건물의 태양광 발전 성능 분석 결과, 연간 실측 발전량은 1,111.0kWh/kWp/yr, 평균 발전량은 3.40h/d로 나타났으며, 이를 에너지 소비와 연계하여 분석한 결과 에너지 자립률은 52.8%로 ZEB 4등급 수준에 해당하는 것으로 평가되었다. 또한 자가 소비 후 발생하는 잉여 전력을 판매할 경우 SMP와 REC를 포함하여 연간 약 292만 원 가량의 추가 수익이 가능한 것으로 분석되어, 종교건물에서 태양광 발전 시스템의 경제적 활용 가능성을 확인하였다.