KIEAE Journal

제로에너지건축 의무화 로드맵에 따르면, 2025년부터 연면적 1000㎡이상의 민간건축물 및 30세대이상의 공동주택은 녹색건축물 조성 지원법에서 정의하는 ‘제로에너지 건축물’로 설계되고 시공되어야한다. 그리고 2030년부터는 연면적 500㎡ 이상의 모든 신축 건축물이 이 제로에너지 건축물 인증 대상이 된다[1]. 이 ‘제로에너지 건축물’로 인증받기 위해서는 ISO13790에 기반한 시뮬레이션 툴 ECO2 프로그램으로 계산된 1차에너지소요량의 20% 이상을 해당 건축물이 생산(이하 자립률)할 수 있도록 설계되어야 한다[2]. 이를 위해 고려되는 신재생에너지원들 중 태양전지(이하 PV)는 상대적으로 용이하게 설치할 수 있는 것으로 평가받는 시스템 중 하나이다[3].

이 PV의 경우 그 모듈이 설치된 각도에 따라 획득할 수 있는 일사의 양이 달라지고 전력 생산량에 큰 차이가 발생하는 한계를 가지므로 최적의 각도로 설치하는 것이 중요하다. 특히, 건물 외피 등에 설치하는 건물일체형 태양광 발전(Building Integrated Photovoltaic 이하 BIPV)의 경우 수직인 건축벽면 등에 마감재처럼 설치되는 경우가 많아 최적의 각도로 설치하는 것이 용이하지 않고 이에 전력생산량도 평지나 지붕설치 케이스에 비해 많이 줄어드는 한계를 가진다[4]. 특히 초고층 공동주택의 경우 지붕면적은 제한되어 있는데 세대수가 많아 지붕에 PV를 설치하는 것만으로는 목표 자립률을 달성하는 것이 어려울 수 있다[3].

2020년 3월 제로에너지건축물 인증 현황 자료에 따르면, 현재까지 제로에너지 건축물 예비인증을 취득한 공동주택의 자립률은 상대적으로 소규모인 단 한 건을 제외하고 모두 제로에너지건축물 5등급에 해당하는 20~30% 정도였다[5]. 게다가 PV 모듈을 통한 실제 에너지 생산량은 주변 건물로 인한 그림자 등으로 인해 인증을 위해 계산된 생산량과는 크게 다를 수 있다. 가령 주변 구조물로 인해 그림자가 지는 등 발전효율이 낮은 부위에서는 목표하는 발전량이 생산되지 않을 수 있다. 이런 이유로 해당 공동주택 주동의 어느 부위에 PV 모듈을 설치해야 하는지에 대한 연구는 매우 중요하며 이에 대한 프로세스 제안이 필요한 상황이다. 이에 본 연구에서는 제로에너지 공동주택 단지의 실질적인 자립률 달성을 위한 PV 모듈 설치 최적 부위를 도출하는 태양광 모듈 배치 프로세스를 제안하는 것을 목적으로 한다.

제로에너지 공동주택 단지의 실질적인 자립률 달성이 가능한 태양광 모듈의 최적배치 프로세스를 제안하기 위해 본 연구는 다음과 같은 방법으로 진행되었다.

Fig. 1. 
Research process

① 계획을 수행할 단지를 선택하기 위해 통계 자료 등을 통하여 최근 준공된 신도시 단지의 계획 조건을 조사하고 용적율, 최고 층수, 최저 층수 등을 결정한다.

② 2020년 현재 단열기준에 부합하는 공동주택 단위세대 시뮬레이션을 수행하여 1차에너지소요량을 산출한다. 이를 이전 단계에서 결정한 세대수에 곱하여 제로에너지 단지가 되기 위한 1차에너지생산량을 분석한다.

③ 계획된 단위세대 입면에 PV 모듈 설치 가능면적을 확인하고 설치비를 고려하여 경제적인 기간 내에 설치비용이 회수될 수 있는 연간 최소 일사 기준량(이하 경제적 일사 기준량)을 산정한다.

④ AI 기반 단지계획 시뮬레이션 도구인 Buildit 프로그램을 통해 정해진 용적율과 평면타입으로 다양한 배치안을 작성하고 경제적 일사 기준량을 입력하여 단지 전체 경제적 일사 기준량의 적산을 수행한다.

⑤ 제안된 배치안 중 경제적 일사 기준량의 합계가 가장 큰 안을 선정하고 자립률을 계산한다.

PV를 공동주택에 적용했을 때 달성가능한 자립률을 분석한 연구는 다수 존재하였다.

2015년에 수행된 한 연구에 따르면, 17% 효율의 PV 모듈을 적용하는 경우 약 10층 규모에서 제로에너지화가 가능한 것으로 분석하였다[6]. 이 연구에서 PV 설치 가능 부위는 창이 있는 부분을 제외한 벽체 4면 모두에 설치하는 것으로 가정하였고, 그 모듈의 사이즈나 경제성이 있는 설치부위 등에 대한 고려는 배제하고 분석을 수행했다는 한계가 있다.

13.5%의 PV 모듈을 적용하고 공용부의 에너지소요량까지 포함한 또 다른 연구의 경우, 공동주택 법적 최저 층수인 5층의 경우도 82%의 자립률을 가지는 것으로 분석하여 공동주택의 100% 에너지자립은 불가능한 것으로 제시하였다[3]. 이 연구의 경우도 가시성을 고려하여 남측면의 경우 1m 이하만 PV를 설치하는 것으로 하고 ,서측의 경우 2m 높이까지 PV를 설치하는 것으로 가정하였다.

PV 모듈만을 이용하여 자립률 100%를 달성할 수 있는 공동주택 층수에 대한 연구도 존재했는데 19.51%의 PV 모듈을 적용했을 때 13층까지 가능한 것으로 분석되었다[7].

실제 사례로는 PV 모듈과 지열히트펌프 등을 사용하여 지상 7층의 공동주택으로 자립률 100%를 달성한 공동주택의 사례가 존재하고[8], PV 모듈만으로 제로에너지인증 1등급을 획득한 8층 공동주택 설계 사례도 존재했다[2].

그 외에도 제로에너지 공동주택을 위한 다양한 기존 연구가 존재하였으나 핵심기술에 관련된 것이거나, 설계변수별 비용효율 등 단일 건물이나 기술에 관한 연구로 분석되었다[9, 10].

먼저 분석 대상이 되는 공동주택 단지 설계를 위한 기초 자료를 수집하였다. 기존 신도시 단지계획 자료를 분석하여 용적율, 최저층, 최고층 등을 결정하였다.

2018년까지 서울 및 경기도에서 준공된 124개의 공동주택 단지를 분석한 결과[11], 용적율은 139%~350%까지로 다양하게 분석되었으나 175%~225% 사이에 약 60%가 분포하여 중간값인 200%를 대상지의 용적율로 설정하였다(Table 1.).

최저층 동의 경우, 7층을 최저층 동으로 하는 단지가 20%로 제일 많았으며 그 다음이 18%인 15층이었다. 최고층 동의 경우, 25층이 20%로 제일 많았으며 그 다음이 19%를 차지한 15층이었다.

최저층의 경우 7층과 15층이 약 38%로 다수를 차지하며 비슷한 비율로 존재하고 있기 때문에 7층과 15층의 중간값인 12층을 대상지의 최저층 동으로 하였다.

최고층의 경우 25층과 15층이 약 39%로 다수를 차지하고, 역시 비슷한 비율로 존재하나 층이 높을수록 목표 자립률 달성이 어려워지는 제로에너지 공동주택 단지의 특성상 중간 값이 아닌 25층을 최고층으로 결정하고 일사를 획득하기 가장 합리적인 스카이라인으로 동을 배치하도록 하였다.

계획 대지의 경우 일반적인 신도시 부지와 비슷한 사각형 형태의 실제 공동주택 단지를 선정하였다(Fig. 2.).

Fig. 2. 
Aerial photograph of the selected site

서론에서 언급한 것과 같이 자립률 산정을 위해서는 1차에너지 소요량의 계산이 선행되어야 한다. 이 1차에너지소요량의 계산을 위해 공동주택 세대 평면계획을 실시하였다.

Fig. 3.에서 확인할 수 있듯이 기준이 되는 본 세대는 주택법에 의한 국민주택 규모인 85㎡ 타입[12]이며, PV 모듈에 의한 전력생산량을 극대화하기 위해 남향의 판상형 4bay(침실 4개 + 거실 1개)로 계획하였다.

Fig. 3. 
Zero-Energy Apartment unit plan

단열재를 구조재 외부에 설치하는 외단열 공법이 열교 등으로 인한 에너지손실을 막을 수 있는 이상적인 방법이나 현재까지 고층 공동주택은 내단열 공법이 지배적이며[13], BIPV 모듈 부착시 후면 단열재 등이 손상되는 문제가 발생할 수 있어 본 기준 평면의 경우 내단열로 계획하였다. 그 다음 단계로 Table 2.에서 볼 수 있듯이 ECO2 프로그램의 인풋 데이터를 위한 건물 외피와 설비 등에 대한 계획을 실시하였다.

외벽의 열관류율은 에너지절약형 친환경주택 건설기준의 중부1 기준을 따랐으며, 조명밀도 역시 동 기준에 따라 설정하였다[14]. 침기율의 경우, 2010~2014년 준공된 487세대 공동주택의 ACH50값을 실측한 평균이 2.59였다는 기존 문헌의 결과를 참고하여 2.59로 입력하였다[15].

열원설비의 경우 ‘효율관리기자재 운용규정[16]’에 따른 소비효율 1등급 가스보일러의 최소효율 91%를 적용하였고, 열회수형 환기장치의 경우 ‘건축물의 에너지절약설계기준[17]’에 의해 배점 가능한 최소 기준인 70% 효율을 가지는 열회수 환기장치의 실제 제품 사양을 입력하였다.

단, 건축물 에너지효율등급 인증 및 제로에너지건축물 인증 기준에 따라 냉방설비가 설치되지 않는 주거용 건물의 경우 냉방에너지에 대한 평가는 제외할 수 있으므로 본 연구에서는 냉방설비에 대한 평가는 제외하였다[18].

ECO2로 계산한 등급용 단위면적당 1차에너지소요량을 900세대 전체의 1차에너지소요량으로 계산하기 위해 식(1)을 적용하였다. 계산결과 단지 전체의 자립률이 100%가 되려면 PV는 3,358,800kWh의 전력을 생산해야하는 것으로 분석되었다.

PEC : Primary energy consumption (93.3kWh/㎡)
FA : Floor area with expansion (110㎡)
UN : The number of Units (900)
CFE : Primary energy conversion factor for electric energy (2.75)

지붕에 설치되는 PV 모듈은 Fig. 4.와 같이 전력생산을 최대로 하기 위해 코아 부위를 제외한 지붕 부위의 경우 계단식으로 배치하는 것으로 가정하였다. 수평과 수직의 모듈이 번갈아가며 배치가 되게 하였고 남향으로 설치된다. 이를 ECO2로 계산한 결과 14개 동의 지붕에서 생산가능한 전력은 1,736,378kWh/yr로 계산되었다.

Fig. 4. 
PV installation for the roof

기존 문헌[19]에 따라 PV 성능 보증기간을 25년으로 하고 동 기간 동안 절감되는 전기요금만으로 설치비가 회수될 수 있는 경제적 일사 기준량을 산정하였다.

제작되는 PV 모듈의 세로 폭이 일반적으로 1m 내외인 것을 감안하여 각 층 바닥 레벨에서 1m 아래 입면 창, 벽 부위는 PV 모듈 설치가 가능한 것으로 가정하였다. Fig.5와 같이 각 세대 입면의 전면 길이는 15m이고 국내에서 많이 적용되는 제품 중의 하나인 국내 H사 제품 1,670 X 1,000mm 제품(효율 18%)을 적용할 경우 9장의 배치가 가능하였다. 이에 세대당 9장을 벽면과 평행하게 설치하는 것으로 가정하였다.

Fig. 5. 
The area of PV installation available

세대별로 9장의 PV 모듈을 설치하기 위한 시공비는 PV 업체 세 군데의 견적을 받아본 결과 300W급 모듈 9장의 재료 및 설치비로 280~320만원 정도가 제안되었다.

BIPV의 시공비는 일반 PV 모듈에 비해 일반적으로 큰 편이기는 하나 이는 시공 난이도에 따라 편차가 크고, 신축의 경우 입면 마감재 대신 적용되어 마감재 설치를 위한 비용이 대체될 수 있는 점 등을 고려하여 위의 견적 결과를 그대로 활용한 중간값인 300만원을 최종 설치비로 적용하였다.

본 분석은 경제적 적산 일사량의 선정을 위한 간략 계산이므로, 이 300만원을 전기요금 절감만으로 회수하기 위한 연간 적산 일사량 계산은 25년 단순회수로 약식 계산하였다. 주택용 전력 요금은 요금 규정에 따라 단계별로 누진세가 적용되어 태양광 모듈에 의해 생산된 전력량이나 세대의 전력사용 특성에 따라서도 다를 수 있다. 하지만, 제로에너지 공동주택이라는 특성상 누진세가 적용되는 2단계까지 에너지를 소모하지 않을 것으로 분석되어 1단계인 93.3원/kWh을 계산 근거로 적용하기로 하였다[20].

• 1) 3,000,000원 / 25yr = (120,000원/yr)
• 2) (120,000 / 93.3(원/kWh)) = 1286.2(kWh/yr)
• 3) (1286.2 /15㎡)/(0.18(PV효율)*0.95(변환손실))

위와 같은 순서로 계산한 결과 약 500kWh/㎡·yr의 일사를 받는 면 부위의 경우 25년에 시공, 설치비가 회수될 수 있는 것으로 분석되었다.

건축물의 형태를 결정하는 여러 기준들을 설정하면 그것을 반영하여 다양한 배치안을 계획하는 컴퓨터 시뮬레이션 툴 Buildit[21]을 사용하여 단지계획을 실시하였다.

Buildit은 지형공간정보 위에 설정된 조건을 기준으로 공동주택 배치안을 자동 생성하는 도구이다. Buildit을 활용한 B구역 배치계획안이 2019년 서울시 건축심의위원회에서 통과되는 등 실무에서 그 활용성이 검증된 프로그램으로 생성된 배치안에 대하여 주변 지형과 건물을 반영하여 일조, 조망에 대한 정량적인 분석을 도출한다[22]. 가령, 건폐율, 용적율 등의 법적 제한사항과 층수(최저, 평균, 최고 등), 스카이라인, 정북일조, 채광사선, 인동간격, 측벽 이격거리, 대지안의 공지 등 건축물의 형태를 결정하는 여러 기준들을 설정하면 그것을 반영하여 가능한 최대의 용적률과 일조시간을 가지는 배치안을 계획한다.

우선 배치안의 생성을 위해 2.1 계획단지의 조건에서 정한 용적율 200%, 12층~25층 등의 법적 설계 요소를 반영하여 실제 900세대가 배치된 경기도의 한 공동주택 부지에 다양한 배치안을 도출하였다.

남향에 PV를 배치하는 것이 가장 이상적이긴 하나 인근 주동의 그림자 등을 고려하게 되면 분석은 달라질 수 있다. 즉, 경제적 일사 기준량의 합계가 제일 큰 안이 실질적으로 가장 많은 양의 전력을 생산할 수 있을 것이다.

분석을 위해 남향, 동ㆍ서향, 남동ㆍ남서향의 총 5가지 변수를 두어 배치안을 시뮬레이션하였고 총 30가지의 배치안을 도출하였다.