KIEAE Journal

최근 녹색건축물 조성 지원법의 시행에 따라 건축법 하에 있던 녹색건축인증, 에너지효율등급인증, 에너지절약설계기준 등 건축물의 친환경 및 에너지성능 관련 법규를 별도로 제정하여 확대시행 및 강화하고 있다1). 이러한 에너지절약계획서의 확대시행에 따라 공공건축물인 교육시설 또한 냉난방 공간이 500㎡이상일 시 의무적으로 에너지 절약계획서를 작성하고 74점 이상을 획득하여야한다. 3000㎡이상의 건축물을 신축하거나 별동으로 증축하는 경우에는 의무적으로 1등급을 획득하는 등의 에너지절감연구가 활성화되고 있다1).

특히 공공건축물로 분류되는 학교건물의 경우 다른 건물에 비해 건폐율이 낮고 건축구조가 단순하며, 재실크기, 사용스케줄 및 인원 등이 학교별로 많은 차이를 보이지 않는 점에서 에너지절감을 위한 여러 가지 정책을 시행하는데 있어 적합하다고 볼 수 있다2).

에너지절약사업의 방향과 목표를 세부적으로 구체화하기 위해서는 학교건물에 대한 에너지 사용량 및 사용패턴, 운영실태 등에 대한 기초조사가 선행적으로 이루어져야 한다. 지식경제부에서 발간하는 ‘에너지총조사보고서’3)와 각 교육청에서 보유하고 있는 학교별 전체 연간 에너지 사용량을 수집 하고 있다. 최근 국토교통부에서 시행중인 우리나라 전국 680만동의 모든 건축물을 대상으로 에너지 사용량을 데이터베이스화한 국가건물통합에너지관리 시스템은 현재 수도권지역에만 구축이 완료된 상태이다4). 현재 전국적인 네트워크가 개발 중이며, 인증제 또한 시범운영을 계획하고 있지만4) 학교건물에서 사용되는 에너지의 사용패턴 및 세부사용량, 운영실태 등 학교 건물에 대한 면밀한 분석은 거의 이루어지지 못하고 있는 실정이다2). 고등학교의 에너지소비량 특성에 관한 선행연구로 신우철2)은 전국 고등학교의 에너지사용량에 대한 통계자료를 기반으로 기준 고등학교를 선정하고, 에너지소비와 관련한 현장실태조사와 에너지 시뮬레이션을 통하여 에너지 소비형태 및 구조를 파악하였다. 그 결과 에너지 원 단위는 140kWh/㎡,yr로 파악되었으며, 이중 가스 및 전기사용량은 각각 61%와 39%로서 실측 에너지사용량 분석결과와 거의 동일한 것으로 나타났다. 또한 용도별 에너지사용량은 난방에너지가 36%로 가장 큰 비중을 차지했으며, 그 다음으로 취사용 가스 26%, 기저전력 11%, 조명전력 9%, 냉방에너지 7%, 플러그부하를 포함한 사무기기 6%, 기타 5% 순으로 나타났다. 이는 난방부하 저감을 위한 창호나 벽체의 단열강화 뿐만 아니라 동절기 방학으로 극한기 사용이 제한되는 점을 고려할 때 열효율이 높은 공기열원식 히트펌프나 지열히트펌프의 적용이 검토되어야 할 것으로 분석하였다. 윤종호5)는 2008년 한 해 동안 실제 사용된 전국 초등학교 교육시설의 실제 에너지 사용량을 수집하고 통계분석 방법을 적용하여 공급 에너지원별 사용특성과 원단위에 따른 전체 에너지 사용량을 비교 분석하였다. 에너지용도별, 단위면적당, 시도별 건축면적, 학생 및 학급당에너지 사용량 등으로 구분했고, 이를 통해 실제로 사용된 에너지 데이터를 수집, 통계 분석하여 전국 초등학교 교육시설의 에너지절감 목표설정을 수립하는데 기초자료로서 제시하였다. 박진철6)은 1980년대 이전에 지어져 “건축물의 에너지 절약” 조항이 적용되지 않은 학교건물을 대상으로 건물 성능개선의 필요성을 고찰하고, 대상건물에 대한 설문조사와 현장조사로 건물의 열성능을 측정, 분석하였다. 사용된 열성능 측정 장비로는 TVS (Thermal Video System)를 이용하여 부하변동이 많은 전산실에 설치해 열성능을 측정하였고, 열손실이 과다하게 이루어지고 있는 부위와 그 개선방안에 대해 조사하였다. 학교의 전체건물을 대상으로 한 것은 아니지만, 학교 시설 중 하나인 대학 도서관만을 대상으로 하여, 저에너지형 도서관을 설계하기 위한 가이드라인을 제시한 노지웅7)은 세종시에 위치한 H대학 도서관 건물의 공간구성과 이용특성, 구조체 성능 등을 살펴보고 몇 가지 에너지 절감방안을 적용하여 에너지해석 프로그램인 VE(Virtual Environment)를 이용해 시뮬레이션 분석을 하였다. 기존 연구들은 다수의 학교시설의 Life-Cycle을 위한 에너지사용량과 관련운영비 등에 대한 조사연구를 하였고, 본 연구에서 수행하고자 하는 전국 학교 급별 에너지원 및 사용량을 분석하는 연구와도 유사한 부분이 존재하나, 기존 연구 자료가 과거의 데이터이거나 연간데이터만 집계되었고, 각 학교 급별로 비교, 분석한 자료는 미비하다.

따라서 본 연구에서는 전국 초, 중, 고등학교의 에너지 사용량에 대한 통계자료를 기반으로 에너지 소비와 관련한 실태조사를 실시하고 또한 한국 IBM과 경기도 교육청에 협조를 얻어 경기도권의 월별 주요 에너지 데이터를 조사하였다. 향후 상향된 에너지절약설계기준과 에너지효율등급 인증획득에 필요한 교육시설의 에너지성능수준을 분석하는 에너지절약 교육시설의 활성화방안사업에 기초자료로 제시하고자 한다.

본 연구에서는 에너지효율등급 인증제 확대시행에 따른 에너지 절약 교육시설 활성화방안 연구의 기초자료로서 학교시설에 대한 2011년 지역별 에너지사용량을 분석하였다. 지역별 기후가 다르며, 주로 사용하는 에너지원이 같더라도 양에서는 차이가 발생하기 때문에 지역별, 에너지원별, 분류별로 나누어 분석하였다. 또한 한국 IBM과 경기도 교육청에 협조를 얻어 연간데이터뿐만 아니라 경기도지역내의 월간에너지 사용량을 분석하였다8). 조사대상은 2011년도 전국 16개 시도별 5,895개의 초등학교와 3,162개의 중학교, 그리고 643개의 일반 고등학교 등의 교육시설에 대한 일반적인 사항과 에너지사용량을 수집하였다9). Fig. 1은 본 연구에서 분석한 항목을 나타냈다.

Figure 1 
Survey method and analysis items of data

Fig. 2, 3, 4와 Table 2는 전국 16개 시도별 초등학교, 중학교, 고등학교에서 연간 소비되는 전체 전력 사용량을 나타낸다. 표기법의 규정상 Table에 표기한 E는 초등학교, M은 중학교, H는 고등학교를 의미한다. 초·중·고등학교의 전체전력 사용량 대비 낮 시간에 사용한 일반전력 사용량은 각각 88.6%, 91.7%,92.4% 를 차지하고 있으며, 심야전력 사용량은 11.4%, 8.3%, 7.6%를 차지한다. 일반전력의 평균 사용량은 33.3 kWh/㎡, 32.5 kWh/㎡, 48.3kWh/㎡로 나타났고, 심야전력 평균 사용량은 4.2 kWh/㎡, 2.9 kWh/㎡, 4.0 kWh/㎡로 나타났다. 전국 시도별 단위면적당 전체전력 소비량이 가장 많은 지역은 초·중·고등학교 모두 충북으로 52.4 kWh/㎡, 46.6 kWh/㎡, 71.2 kWh/㎡를 사용했으며, 소비량이 가장 적은 지역은 초등학교는 대구, 중학교는 대전, 고등학교는 제주지역으로 28.8 kWh/㎡, 29.6 kWh/㎡, 42.8 kWh/㎡를 소비하였다. 대체로 낮 시간에 사용하는 일반전력은 학교 종류에 따라 지역에 상관없이 비슷한 전력을 소모하는 것으로 나타났다. 지역별로 미미한 전력 사용량을 보이지만 이는 각 지역별 에너지 사용 특성이 다르고, 단열 기준이 달라 지역별의 에너지 사용량의 차이가 나는 것으로 판단된다. 한편, 심야전력의 경우 수도권과 광역시 이외의 지역에서 많이 사용하는 것으로 나타났으나, 각 지역별 전력 사용 특성과 학교 운영에 대한 데이터가 없어 확인하지 못했으며, 이 부분에 대한 연구가 추가적으로 이루어져야 할 것으로 판단된다.

Fig. 5, 6과 Table 3은 전국 초·중·고등학교에서 소비된 난방용 가스 사용량과 집단에너지 사용량을 나타내고 있다. 난방용 가스 사용량은 전국 평균 초등학교는 6.3 kWh/㎡, 중학교는 5.5 kWh/㎡, 고등학교는 11.7 kWh/㎡로 분석되었으며 고등학교에서 가장 많은 사용량을 나타낸다. 난방용 가스 사용량이 가장 많은 지역은 초·중학교는 서울, 고등학교는 대전으로 각각 26.1 kWh/㎡, 24.5 kWh/㎡, 42.7 kWh/㎡을 사용했다. 가장 적은 지역은 초·중·고등학교 모두 제주지역으로 0.2 kWh/㎡ 이하의 매우 미미한 양을 사용하였다. 수도권 및 광역시에서 가스사용량이 타 지역보다 많은 것으로 나타났다. 전체 가스 사용량 중 수도권 및 광역시에서 사용하는 가스사용량은 초등학교 88.3%, 중학교 88.8%, 고등학교 80.5%이고, 그 외 지역은 11.7%, 11.2%, 19.5% 로 수도권 및 광역시에서 사용하는 가스 소비량이 타 지역에서 사용하는 가스 소비량보다 4~7.5배 높은 것을 알 수 있다. 집단에너지 사용량은 평균 초등학교 49.5 kWh/㎡, 중학교 5.5 kWh/㎡, 고등학교 1.1 kWh/㎡를 사용하는 것으로 나타났다. 전국의 초·중·고등학교 중 가장 많은 집단에너지를 소비한 곳은 각각 전남, 울산, 충북으로 315.6 kWh/㎡, 35.8 kWh/㎡, 4.8 kWh/㎡를 사용했다. 분석 결과 지역 간 집단에너지사용량의 불균형이 심한 것으로 분석되는데 이는 국내의 지역 간 기상 및 기후의 조건과 열관류율의 법적기준이 달라 에너지 사용량에 따른 차이가 보이는 것으로 사료되며, 추후 세부적인 분석이 필요할 것으로 사료된다.

Figure 2 
Annual average total electricity consumptions of elementary schools

Figure 3 
Annual average total electricity consumptions of middle schools

Figure 4 
Annual average total electricity consumptions of high schools

Figure 5 
Annual gas consumption for heating

Fig. 7, 8, 9는 초·중·고등학교에서 사용된 다양한 에너지원을 비교한 것이다. 전체 에너지 평균 사용량은 초등학교는 92.2 kWh/㎡, 중학교는 46.4 kWh/㎡, 고등학교는 65.1 Wh/㎡로 나타났으며, 에너지 소비량이 가장 많은 지역은 충북, 서울, 대전으로 346.4 kWh/㎡, 69.8 kWh/㎡, 88.3 kWh/㎡를 사용하였다. 에너지 소비량이 가장 적은 초·중·고등학교는 모두 제주지역으로 32.4 kWh/㎡, 30.3 kWh/㎡, 42.8 kWh/㎡를 사용하였다.

Figure 6 
Annual district energy consumption

전체 에너지사용량 대비 전력사용량이 차지하는 비중은 초등학교 39.5 %, 중학교 76.3%, 고등학교 80.3% 로 중·고등학교에서 많은 전기를 사용하는 것으로 나타났다. 난방용 가스 사용량은 초등학교 6.8%, 중학교 12.0%, 고등학교 18.0%로 나타났으며, 집단에너지 사용량은 초등학교가 53.7%로 가장 높았으며 중학교가 11.8 %, 고등학교가 1.6%로 학교별로 비교하였을 때 가장 낮은 비중을 차지한다. 초등학교 연간 에너지 사용량이 중·고등학교 연간 에너지 사용량의 패턴과 다른 것으로 나타난다. 이는 Fig.7에서와 같이 몇몇 지역에서 초등학교 집단에너지의 사용량이 다른 지역의 집단에너지 사용량에 비해 월등히 많이 소비한 것으로 나타난다. 이는 2010년 완공된 “광주 수완-하남2지구 집단에너지 시설공사” 의 영향이 있는 것으로 판단되며 이 발전소는 100MW급 이상의 구역형 집단에너지 사업으로 국내 최초로 준공되어 가동 중에 있다. 이 발전소를 통해 전기 생산 및 지역냉난방을 동시에 공급하고 있기 때문에 다른 지역보다 높은 것으로 판단된다. 또한 현재 한국지역난방공사에서 “광주·전남 공동혁신도시 집단에너지 시설”을 진행 중에 있으며 2015년 완공을 목표로 하고 있다. 이 시설까지 설치 될 경우 광주, 전남지역은 본 데이터보다 더 많은 집단에너지를 사용할 것으로 판단된다.

Figure 7 
Annual energy consumption breakdown of elementary schools

Figure 8 
Annual energy consumption breakdown of middle schools

Figure 9 
Annual energy consumption breakdown of high schools

Table 4는 전국 시도별 초·중·고등학교의 단위면적당 총 에너지사용량을 나타낸다. 전체 에너지 사용량에서 초·중·고등학교에서 사용하는 비중은 학교 운영시간이 가장 짧음에도 불구하고 초등학교가 45.3%로 가장 많았으며, 고등학교·중학교 순으로 32.0%, 22.7%를 사용하였다. 운영시간에 비해 초등학교가 비중이 가장 높은 이유는 광주, 전라남도를 비롯한 몇몇의 시, 도의 초등학교에서 집단에너지 사용량이 높기 때문에 다른 학교 시설에 비해 높은 것으로 판단된다. 이는 해당지역의 집단에너지 시설의 설치 유무 등과 관련이 있는 것으로 사료된다.

Table 5는 전국 초·중·고등학교의 설립유형별 지역평균 에너지사용량을 나타낸다. 연간 평균 에너지사용량은 사립학교의 경우 초·중·고등학교가 각각 366,764kWh, 242,693 kWh, 704,461kWh를 사용하였으며, 공립학교의 경우 290,769kWh, 291,994kWh, 704,880kWh를 사용하였다. 또한 국립학교는 345,883kWh, 141,829kWh, 362,432kWh를 사용하였다. 설립유형별 합계로는 사립·공립·국립학교 각각 1,313,918 kWh, 1,287,643kWh, 850,144 kWh를 사용하였으며, 사립·공립·국립학교 중 사립학교의 에너지사용량이 가장 높게 나타났다. 또한 사립 초등학교의 경우 다른 에너지원에 비해 집단에너지의 사용량이 많은 것으로 나타났다. 하지만 현재 데이터 외에 설립유형별 학교 수와 각 학교 면적에 대한 데이터를 확보하지 못하여, 위의 에너지 사용량에 대한 정밀한 해석은 진행하지 못했다.

앞서 조사한 각각의 유형별 에너지사용량은 연간데이터 분석이었다. 월별 데이터를 통해 계절별 에너지 사용량을 비교, 분석하고자 전국의 시, 도 가운데 경기도 내의 초·중·고등학교를 대상으로 데이터를 가공 및 추출하였다. 자료는 경기도 교육청과 한국 IBM에서 주관한 학교에너지 분석시스템8)을 통해 자료를 얻었으며, 경기도권내에 있는 공립 초·중·인문계 고등학교 300여개를 선별하여 정리한 것이다. Fig. 10은 한국 IBM에서 수집한 자료로서 경기도 교육지원청별 학교수를 나타내었다.

Figure 11과 12는 전기사용량과 도시가스 사용량을 나타내었다. 경기도 내 300개 학교의 통계를 보면 전기에너지와 도시가스 모두 고등학교가 가장 많이 사용하는 것으로 나타난다. 그 이유는 고등학교의 경우 초·중학교에 비해 운영시간이 길며, 특히 대부분의 고등학교에서 실시하는 야간자율학습으로 인한 시설 운영시간이 길어지면서 가장 많은 에너지를 소모하는 것으로 사료된다. 먼저, 전기 에너지 사용 특성으로는 학교의 위치적 특성 및 설비 특성에 따라 계절적 차이가 있는 것으로 나타나며 평균적으로 동절기가 하절기보다 사용량이 많은 것으로 나타났다. 도시가스의 경우 사용량은 계절적인 특성을 가장 많이 보이고 있었으며, 방학기간보다는 수업중 기간인 3~4월, 11~12월의 사용량이 상대적으로 사용량이 많은 것으로 나타났다.

Figure 10 
Number of schools in each administrative region in Gyeonggi Province⁸⁾

Figure 11 
Electricity consumptions of schools in Gyeonggi Province

Figure 12 
Monthly energy use intensity of schools in Gyeonggi Province

Table 6은 경기도 내 초·중·고등학교의 월별에너지 사용량을 학교 수로 나눈 데이터이며, 계절별로 구분지어 나타냈다. Table 7과 Fig. 13은 단위면적당 월별 에너지 사용량을 나타낸다.

Figure 13 
Monthly energy use intensity of schools in Gyeonggi Province

초·중·고등학교의 월 평균 에너지사용량은 6.13kWh/㎡, 5.7kWh/㎡, 8.0kWh/㎡로 나타났고, 가장 많은 에너지를 사용한 시기는 초·중·고등학교 모두 1월로 9.2kWh/㎡, 9.1kWh/㎡, 12.2kWh/㎡로 보인다. 그 이유는 경기도 지역의 연중 온도분포와 관련 있는 것으로 사료된다. 또한 가장 적은 에너지를 사용한 시기는 8월로 각각 3.0kWh/㎡, 3.0kWh/㎡, 5.2kWh/㎡로 분석되었다. 이는 겨울철 난방부하가 여름철 냉방부하에 비해 차지하는 비중이 훨씬 크기 때문으로 사료된다.