KIEAE Journal

2020년부터 건축허가를 신청하는 대상 공공건축물은 제로에너지 건축물로 건축하도록 제로에너지 건축물 인증제 의무화가 시작되었다. 제로에너지 건축물 로드맵에 따르면, 2030년까지 연면적 5백㎡ 이상의 민간·공공 건축물은 제로에너지 건축물이 되도록 설계 및 시공되어야 하며, 2025년부터 30세대 이상 공동주택이 의무 대상이 된다[1].

제로에너지 건축물은 건물에 필요한 에너지부하를 최소화하고, 신에너지 및 재생에너지를 활용하여 에너지 소요량을 최소화하는 녹색건축물로 정의하고 있다[2]. 또한 제로에너지 건축물 인증은 녹색건축물을 대상으로 건축물 에너지효율등급 1++ 이상, 에너지 자립률 20% 이상인 경우 자립률에 따라 1~5등급을 부여한다[3]. 현재까지 제로에너지 건축물 인증을 받은 주거용 건축물은 2020년 9월 기준으로 16건이었으며 이중 5건을 제외하고는 모두 5등급을 취득[3]하고 있어 제로에너지 공동주택의 자립률 향상을 위한 적용 시스템 등 관련 연구가 필요하다.

건물 분야에서 이산화탄소 배출을 감소시키기 위한 방법으로 건축물의 에너지효율개선과 신재생에너지 보급은 중요한 수단이다[4]. 이 중 신재생에너지 보급은 제로에너지 건축물의 에너지 자립률 획득을 위해 필수적인 요소이다. 신재생에너지 요소로 지열히트펌프, 연료전지, 태양광 등 다양한 기술이 적용될 수 있는데, 이 중 태양광 발전시스템(이하 PV 시스템)의 경우 신재생에너지원별 에너지 자립률 민감도가 가장 높은 것으로 분석[5]되고 있다. 태양광의 경우 2019년 기준으로 전 세계 태양전지 누적 설치량은 500GW 이상이며, 연간 8% 수준의 높은 성장세를 기록하고 있다[6]. 태양광 발전 산업은 지속적으로 성장하고 있으며, PV 시스템은 기술의 발전으로 인한 효율 향상 가능성으로 볼 때 가장 우선적으로 적용을 검토할 수 있는 기술이다[7].

본 연구에서는 공동주택 건축물에 신재생에너지 요소로 PV 시스템을 설치함으로써, 제로에너지 건축물의 가능성을 살펴보고, PV 시스템 적용 시 공사비 분석을 통하여 어느 정도의 경제성이 있는지를 분석하는 것을 목적으로 한다. 또한 경제성 분석을 통하여 투자회수가 가능한 최적설계를 제안하여 제로에너지 건축물 설계를 위한 기초자료를 제공하고자 하였다.

기존 연구에서는 태양광의 적극적인 기술 보급을 위해서는 설비기술 및 효율성을 고려한 건축 디자인을 고려할 때 파급효과가 크다[8]고 언급하고 있다. 그러나 제로에너지 등급을 위한 자립률 획득에 급급한 현재 시점에서는 PV 시스템은 디자인 요소로서 고려되지 않고 있는 실정이다. PV 시스템의 효율과 기술이 발전된 만큼 디자인 적인 부분에 대해 고려되어야할 필요가 있다.

또한 현재 인허가를 위한 PV 시스템 적용 시 음영부위에 대한 고려는 하지 않고 있어, 실제 사용 시의 전력 생산량은 계산 치와 크게 다를 수 있다. 이에 음영을 고려하여 충분한 일사취득이 가능한 부위에만 PV 시스템을 설치하는 것이 필요하다.

본 논문은 ‘공동주택 단지의 실질 자립률 향상을 위한 태양광 모듈의 프로세스 제안[9]’의 후속 연구로 선행 연구에서 제안한 PV 시스템의 설치비 회수가 가능한 경제적 적산 일사량을 가지는 입면 부위에 태양광 모듈을 설치하는 것으로 PV 모듈의 배치를 제한하였다.

기존 경제성 분석관련 선행연구에서는 경제성 산출시 실제 공사비가 아닌 정부 제시 설치 단가[10] 적용하거나 태양광 보조금[11~13]을 포함하여 공사비를 분석하고, 전력 가격의 경우 판매 가격[13][14]을 적용하여 분석하였다.

본 연구에서는 PV 시스템의 디자인 요소를 설계사무소와 협업을 통하여 제안하고 이를 견적금액에 반영한 후, 실질 전기요금과 공사비 분석을 통해 현실적인 제안이 되도록 하였다.

본 연구에서는 선행과제에서 연구한 경제적인 적산일사량을 가지는 공동주택 입면 부위에만 PV 시스템을 적용하고 에너지 자립률을 산정한 후 경제성 분석을 수행하였다. 이를 위하여 다음과 같은 순서로 연구를 진행하였다.

• Step 1 대상건축물 및 목표 생산량 설정
•   : 공동주택 에너지 자립률에 따른 PV 시스템 목표 생산량 설정
• Step 2 공동주택 PV 시스템 적용 계획
•   : 디자인 및 생산성을 고려한 PV 시스템 설치
• Step 3 PV 시스템 설치용량 산정
•   : 지붕 및 입면 에너지 자립률에 따른 PV 시스템 설치용량 산정
• Step 4 공사비 분석
•   : 지붕 및 입면 PV 시스템 물량 산출 및 공사비 분석
• Step 5 경제성 분석
•   : 지붕 및 입면 설치 PV 시스템의 순현재가치 분석 및 투자회수기간분석

대상 건축물은 선행연구[9]에서 적용한 국민주택규모인 전용면적 84㎡, 공용면적은 110㎡ 단위세대로 이루어진 공동주택으로 설정하였다. 코어가 2개로 이루어진 판상형구조로 층별로 4세대로 구성된 공동주택이다.

지붕과 입면 PV 시스템 설치에 따른 에너지 자립률 변화를 확인하기 위하여 층별로 산출하였으며 층별 규모는 제로에너지가 가능하다고 분석[15]된 10층부터 20층으로 설정하였다(Table 1.).

공동주택 단위면적당 1차 에너지소요량은 선행연구에서 산출한 93.3kWh/㎡·yr[9]를 기준으로 하였다(Table 2.). 이는 건축물에너지효율등급 1++ 등급 수준이다. 목표전력생산량은 제로에너지 건축물 인증의 에너지 자립률을 기준으로 하였으며 20~100%(5~1등급)까지 생산목표를 설정하였다.

대상건축물의 1차 에너지소요량에 따라 에너지 자립률을 위한 에너지 생산 필요량을 아래 수식(Eq. 1)을 통하여 산출하였다. 20층 규모의 건축물이 에너지 자립률 100%가 되려면 연간 298,560kWh의 전력을 생산해야 한다(Table 1.).

• PEC(kWh/㎡) : Primary energy consumption
• FA(㎡) : Floor area with expansion
• UN : The number of units
• CFE : Primary energy conversion factor for electric energy

PV 시스템의 설치용량은 지붕과 입면에 최대로 설치할 수 있도록 디자인을 하였고, 이에 따라 설치 가능용량을 산정하였다. 최대로 PV 시스템을 설치하기 위하여 설치면적을 확보할 수 있는 지붕에 우선으로 설치하였으며, 입면의 경우 일사를 많이 받을 수 있는 남향에 음영부위 검토하여 PV 시스템을 설치하였다.

제로에너지건축물 인증 시 1차 에너지소요량 및 자립률 산정을 위해 사용되는 ECO2 프로그램을 활용하여 수평, 수직, 45ﾟ 설치 시 및 방위별 단위면적당 발전용량을 산출하였다(Table 3.). PV 시스템의 발전량은 남향의 45ﾟ로 설치하였을 때 187kWh/㎡·yr로 가장 생산량이 높았다.

지붕 BRPV의 경우, 태양전지 모듈은 단결정 모듈로 370W 제품을 적용하였고 배치 결과 400장 적용하였다. 태양광 주요 자재, 구조물 공사, 전기공사를 포함하여 견적을 받아 지붕 PV 시스템 설치 시 비용을 산출하였다.

공사비 분석결과 PV 시스템 주요자재의 비용이 약 45%로 가장 높음을 확인할 수 있었다. 지붕 BRPV 설치 공사비는 재료비, 노무비, 경비로 구분하였으며, 부가가치세를 포함한 금액으로 산출하였다. 본 연구에서는 대상 건축물 전체의 공사비에 대하여 산출하지 않고, PV 시스템 설치 시의 추가 공사비에 대하여만 산출하였다.

지붕 BRPV 설치 시 총 추가 공사비는 288,178,000원으로 산출되었으며, 이때 세대 당 추가 공사비의 경우 20층 80세대 동에서는 3,602,225원으로 산출되었다(Table 5.). 태양광 설치 면적은 동일하고 층수의 변화에 따라 세대수가 달라지므로 층수가 낮아질수록 세대 당 공사비는 증가하는 것을 확인할 수 있다(Fig. 5.).

Fig. 5. 
Additional construction cost by units

해당동의 층수와 관계없이 지붕면적은 동일하기 때문에 층별 동일하게 설치되어 공사비에 차이가 없지만, 입면 LIPV의 경우 층수에 따라 설치 개수가 달라지기 때문에 적용 층수에 따라 공사비가 달라진다.

입면 LIPV의 경우 370W급 양면형 모듈을 사용하였다. 단 현재 양면형에 대한 성능평가 기준이 부재하여 단면형의 성능과 동일하게 전면 370W급으로 표기된다. 20층 규모의 경우 양면형 77장 적용하였으며, 저층부(1~6층)에는 에칭유리를 적용한 루버를 설치하여 공사비를 산출하였다.

입면 LIPV의 경우 태양광 주요자재, 철근콘크리트공사, 금속공사, 유리공사, 칠공사를 포함하여 견적을 받아 공사비를 산출하였다. LIPV 설치 시 약 54%로 철근콘크리트 공사의 비용이 가장 높음을 확인할 수 있었으며, 다음으로 금속공사의 비율이 높았다. 철근콘크리트 공사비의 경우 Fig. 3.에서 칼라로 돌출된 부분이 추가되어 발생한 비용으로 이 역시 LIPV가 입면과 자연스럽게 어우러지기 위한 디자인 요소의 적용으로 인한 추가 공사비이다.

그 결과 입면 LIPV 설치 시 추가 공사비는 세대 당 3,348,636~3,548,188원으로 산출되었다(Table 5.). 층수가 낮을수록 세대 당 공사비는 낮게 나타났다. 다만 본 연구에서의 디자인은 태양광이 설치되지 않은 디자인 요소 부분에 대한 공사비도 산출되었기 때문에 태양광 설치된 부분에 대해서만 공사비를 산출한다면 입면 태양광 설치비는 더 낮아질 수 있을 것으로 판단된다.

본 연구에서는 지붕 BRPV의 공사비와 입면 LIPV의 공사비를 구분하여 산출하였다. 지붕 BRPV 설치 시에는 태양광 주요자재의 비용이 높게 나타났으며, 입면 LIPV 설치 시에는 철근콘크리트공사 비용이 가장 높게 나타났다. 이는 앞서 언급한 바와 같이 디자인 요소의 반영으로 인한 비용 상승 부분이다.

입면 LIPV 설치 시 공사비는 층수에 따라 세대 당 공사비가 크게 차이나지 않았으나, 지붕 BRPV는 동일한 발전량이 다수의 세대에 분할되어야하는 문제가 있어 층수가 낮아짐에 따라 공사비가 증가하는 것으로 나타났다. 지붕과 입면 모두 설치 시 세대 당 약 715~1,055만원의 추가 공사비가 발생하는 것으로 산출되었다(Table 6.).

에너지 자립률과 공사비를 종합하면, 에너지 자립률이 높아짐에 따라 공사비도 증가하는 것을 분석되었다. 에너지 자립률의 경우 입면 추가 시 5~17% 상승되었으나, 공사비의 경우 31~49% 상승되는 것으로 공사비의 상승 폭이 커서 지붕설치에 비해 경제성이 떨어지는 것으로 분석되었다(Fig. 6.).

Fig. 6. 
Energy production and construction cost

PV 시스템에 따른 편익 분석은 사회적 요소를 고려하지 않고, 매년 발전하는 PV 시스템의 발전에 따른 전기요금에 대한 편익만 고려하여 산출하였다. 전기요금 산출시 상계거래로 가정하여 산출하였다. 세대 전기요금은 주택용 고압요금을 적용하여 산출하였으며, 필수사용 요금이 공제되지 않은 청구금액을 기준으로 적용하였다. 또한 7-8월을 제외한 기타 계절만으로 산출하였으며 한전에서 제공하는 전기요금 엑셀시트를 활용하여 산출하였다[19].

세대 전기사용량은 단지에너지 소요량에 따른 단위세대별 에너지소요량으로 산출한 311kWh를 적용하였다. 태양광 발전시스템의 편익은 아래 수식(Eq. 2) 에 따라 세대전기 사용량 요금에서 세대납부 전기요금의 차이로 편익을 산출하였다.

경제성이 있는 제로에너지 공동주택은 두 가지 의미로 해석될 수 있다. 첫째는 설치 시스템의 내구 연한 내 설치비가 회수되는 경우 경제성이 있다고 볼 수 있으며, 둘째는 최소의 비용으로 제로에너지 인증등급을 획득할 수 있는 경우 경제성이 있다고 할 수 있을 것이다. 이를 분석하기 위하여, 순현재가치 분석과 투자회수기간 분석을 적용하였다.

순현재가치법은 순 현재 가치를 기준으로 수익성을 평가하는 방법으로 화폐의 시간가치를 반영하고 있다. 현재가치를 산출하기 위하여 아래 수식(Eq. 3)에 따라 Table 7.의 조건을 적용하여 산출하였다.

초기 투자비용은 PV 시스템 설치 시 발생하는 공사비로 산출하였으며 보조금은 받지 않은 것으로 산출하였다. 할인율의 산정은 사회적 할인율인 4.5%[18]를 적용하였으며, 평가기간은 태양광 발전시스템의 평균수명인 25년을 적용하였으며, 운영측면에 대한 부분은 고려하지 않고 산출하였다. 편익은 앞서 산출한 연간 편익을 적용하였다.

• NPV : 순현재가치(원)
• n : 사업의 기대수명(year)
• values : 매년 발생하는 편익(원)
• rate : 할인율(%)

경제성 분석결과는 다음과 같다.

(1) 순현재가치 분석결과 지붕만 설치했을 경우 17~20층 규모의 경우 초기 투자비용이 현재가치보다 높고, 비용편익분석에서 1.0이상으로 경제성이 있는 것으로 분석되었다.

(2) 투자회수기간의 분석의 경우 초기 투자비용에서 편익을 나누어 산출하였다. 지붕만 설치한 경우 13~17년으로 층수가 낮아질수록 회수기간이 증가하였다. 지붕과 입면 모두 설치한 경우 24년으로 규모별 유사하게 회수하는 것으로 분석되었다. 태양광 모듈의 기대수명이 25년으로 지붕과 입면 설치 시 모두 투자회수기간은 25년 내로 가능한 것으로 분석되었다.

건축물 규모, 에너지 자립률 및 경제성 관점에서 분석 결과를 종합한 결과 Table 8.과 같다. 에너지 자립률을 우선으로 하는 경우 BRPV와 LIPV를 모두 적용함으로써 생산량을 향상시킬 수 있다. 제로에너지 1등급의 경우 10층 규모, 2등급의 경우 12층 규모, 3등급의 경우 17층 규모까지 25년 내에 PV 시스템의 설치비 회수가 가능 할 것으로 분석되었다.

또한 경제적인 비용회수 측면에서는 입면 LIPV 설치는 제외하고, 지붕만 BRPV를 설치한 경우가 20층 규모에 4등급 수준의 자립률 달성이 가능하며 14년 이내에 투자비가 회수가 가능한 것으로 분석되었다.