공조설비-난방설비 성능, 배관길이 최적화, 순환펌프 효율 등 액티브요소 반영
태양광, 지열 등 신재생에너지 요소별 영향도 고려해 최적 설계기준 정립 중요

2025년부터 30세대 이상 민간 공동주택에 5등급 수준의 제로에너지건축물 인증 의무화가 시행이 예정되어 있다. 이로 인하여 공사비 상승 요인이 발생하게 되어 제로에너지건축물 인증은 현재 건설업계에서 가장 관심을 많이 받고 있는 주제 중 하나이다. 제로에너지건축물 인증을 위해서는 건축물에너지효율등급 1++ 이상, 에너지자립률 20% 이상, BEMS 또는 원격검침 전자식 계량기 설치, 이 세 가지 기준을 만족해야 한다. 이때 건축물에너지효율등급과 에너지자립률은 건물에너지 해석 프로그램인 ECO2의 시뮬레이션 결과값으로 판단이 된다. 건축물에너지효율등급은 시뮬레이션 결과값 중 등급용 1차소요량 값이 60 이상 90 미만인 경우 1++등급이 되고, 에너지자립률은 단위면적당 1차에너지소비량 대비 1차에너지생산량의 비율 값으로, 이 값이 20% 이상이어야 5등급 인증을 받을 수 있다. 즉, 제로에너지건축물 인증을 받기 위해서는 1차에너지의 사용량을 최소화 하는 것이 중요하다는 것을 알 수 있으며, 1차에너지 사용량과 함께 공사비의 상승도 최소화하는 방향은 무엇인지 직접 시뮬레이션을 진행한 내용을 공유하고자 한다. /편집자 주

◇ 기술요소별 1차에너지소비량 영향도 분석
제로에너지건축물은 큰 개념으로 보면 패시브하우스와 액티브하우스가 합쳐진 것으로, ECO2 프로그램에서도 패시브 정보와 액티브 정보를 입력할 수 있다. 여기에 신재생 정보를 별도로 구분하여 패시브, 액티브, 신재생 세 가지 요소의 중요도를 비교해보았다.

시뮬레이션은 준공한 현장 중 임의로 선정하여 진행하였으며, 대상 현장의 기존 설계안으로 입력 시 단위면적당 1차에너지소비량은 154.6이고, 등급용 1차에너지소비량은 121(1등급)이었다. 시뮬레이션은 패시브 – 액티브 – 신재생 순서로 각각의 조건을 상향시키는 방식으로 진행되었으며, 각각의 기준을 독립적으로 입력한 것이 아니라 이전에 상향한 조건에 추가하여 계속해서 다음 조건들을 상향하는 방식으로 진행하였다.

ECO2 프로그램에 입력이 가능한 패시브 정보 중, 1차에너지소비량 감소를 위해 조건을 상향할 수 있는 요소는 단열성능, 창호의 일사에너지투과율, 기밀성능(침기율) 세 가지가 있다. 먼저 단열재 두께를 기존의 중부2지역 기준에서 중부1지역 기준으로 상향하였을 때 단위면적당 1차에너지소비량은 2.7 감소하였고, 등급용 1차에너지소비량은 121에서 119.3으로 감소하였다. 다음으로 창호의 일사에너지투과율을 기존의 0.5에서 0.6으로 상향하였을 때 단위면적당 1차에너지소비량이 4.2 감소되었고, 등급용 1차에너지소비량은 116.5가 되었다.

마지막으로 침기율을 6회/h에서 3회/h로 상향하였을 때 단위면적당 1차에너지소비량이 13.8 감소되었고 등급용 1차에너지소비량은 107.2가 되었다. 즉, 패시브 요소 중 1차에너지소비량에 주는 영향도는 침기율 – 일사에너지투과율 – 단열조건 순으로 높은 것을 알 수 있으며, 침기율의 영향이 단열조건보다 몇 배나 큰 것을 확인할 수 있다.

ECO2 프로그램에 입력이 가능한 액티브 정보 중, 1차에너지소비량 감소를 위해 조건을 상향할 수 있는 요소는 공조장비 성능 및 효율, 난방열원 성능 및 효율, 배관 길이 최적화 및 순환펌프 효율, 조명밀도 네 가지가 있다. 시뮬레이션 대상 현장은 개별난방 현장이므로 전열교환기의 성능과 개별보일러 효율, 조명밀도를 상향해 보았다. 먼저 전열교환기 열회수율을 기존의 난방 70 / 냉방 45에서 난방 80 / 냉방 60으로 상향하였을 때 단위면적당 1차에너지소비량은 2.3 감소하였고, 등급용 1차에너지소비량은 105.7이 되었다. 다음으로 전열교환기 팬 동력을 기존의 57W에서 50W로 상향하였을 때 단위면적당 1차에너지소비량은 1.3 감소되었고, 등급용 1차에너지소비량은 104.4가 되었다. 다음으로 개별보일러의 효율을 기존의 92%에서 94%로 상향하였을 때 단위면적당 1차에너지소비량은 1.7 감소되었고, 등급용 1차에너지소비량은 103.3이 되었다. 마지막으로 조명밀도를 기존의 8W/m2에서 6W/m2으로 상향하였을 때 단위면적당 1차에너지소비량은 9가 감소되었고, 등급용 1차에너지소비량은 94가 되었다. 즉, 액티브 요소 중 1차에너지소비량에 주는 영향은 조명밀도 – 전열교환기 성능 및 효율 – 난방열원 효율 순으로 높은 것을 알 수 있으며, 조명밀도를 줄이면 공사비의 증가 없이 1차에너지소비량 감소에 매우 큰 영향을 준다는 것을 확인할 수 있다. 또한 조명밀도와 전열교환기의 영향이 공사비의 상승이 심한 단열조건 상향 시의 영향보다 더 크다는 것도 확인할 수 있다.

ECO2 프로그램에 입력이 가능한 신재생 요소는 태양열, 태양광, 지열, 열병합 네 가지가 있다. 이 중에서 현실적으로 공동주택에 적용할 수 있는 것은 태양광과 지열 두 가지가 있으나, 지열은 공동주택 세대가 아니라 부대시설에 적용한다는 점과 태양광과 달리 1차에너지를 소비하면서 1차에너지를 생산한다는 단점으로 인해 에너지자립률에 주는 영향이 미미하여 제외하였다.

먼저 대상 현장의 옥상에 설치할 수 있는 태양광 PV 최대 면적을 적용하였을 때 등급용 1차에너지소비량은 75.4가 되어 건축물에너지효율등급 1++ 기준을 만족하였다. 그러나 단위면적당 1차에너지소비량은 119.7 단위면적당 1차에너지생산량은 18.6으로 에너지자립률이 15.54%가 되어 제로에너지건축물 5등급 인증 기준을 만족하지 못했다. 에너지자립률 20% 만족을 위해서는 BIPV를 103.78kW를 추가로 설치해야 하며, 측벽 전체 면적에 BIPV를 설치하는 경우 에너지자립률이 36.71%로 제로에너지건축물 4등급 기준은 미달됨을 확인할 수 있었다.

◇ 시뮬레이션 결과 추가 검토
시뮬레이션을 통해 각 요소별 영향도를 확인하였고 이에 추가로 최적의 설계 기준을 정립하기 위한 추가 분석을 진행하였다. 분석은 각각의 요소를 적용할 경우 공사비 상승이 최소화 되는 방향을 우선으로 하였다.

첫번째는 단지 형태에 따른 태양광 설치 여건을 비교하였다. 세대수가 동일한 경우 층 수가 늘어날수록 동 수가 줄어들기 때문에 옥상 면적이 줄어들게 된다. 따라서 옥상 PV를 설치할 수 있는 용량이 줄어들기 때문에 PV를 옥상 최대 면적으로 설치한다고 해도 에너지자립률이 낮을 수 밖에 없다. 지상 14층 281세대 A단지와 지상 49층 363세대 B단지를 비교해보면, 옥상에 PV를 최대로 설치한 경우 A단지는 에너지자립률이 15.54%인 반면 B단지는 8.08%로 절반 수준 밖에 되지 않는다.

이때 부족한 에너지자립률을 채우기 위해 BIPV를 설치를 하게 되는데, BIPV는 옥상 PV 대비 효율이 낮아 더 많은 용량을 필요로 하고 공사비도 높다는 단점이 있다. A단지에 에너지자립률 20%를 위해 추가로 옥상 PV를 설치한다면 필요한 용량은 57.6kW이고, BIPV를 설치한다면 필요한 용량이 104.7kW이다. 공사비로는 약 5배 차이가 발생하며 따라서 단지 내 주동 옥상이 아니라 근린생활시설이나 부대시설 등의 옥상에 추가로 PV 설치가 가능하다면 추가 PV 설치를 고려하는 것이 더욱 유리하다는 결론을 내릴 수 있다.

두번째는 난방방식에 따른 차이 비교이다. 난방방식에 따라 사용하는 1차에너지원이 다르고 배관 등 조건이 다르기 때문에 1차에너지소비량 차이가 발생하게 된다. 지역난방은 1차에너지로 전기만을 사용하지만 개별난방은 가스보일러를 설치하므로 전기와 가스를 사용한다. 또한 개별난방은 열원이 세대 내에 있으므로 순환펌프의 동력이 낮지만, 지역난방은 열교환기실에서 세대열을 공급하기 때문에 순환펌프의 동력이 커지게 된다.

동일한 현장을 개별난방인 경우와 지역난방인 경우로 시뮬레이션 해본 결과, 단위면적당 1차에너지소비량이 지역난방 적용 시 91.5, 개별난방 적용 시 127.4가 되었다. 따라서 개별난방인 경우 필요한 태양광 용량이 더 크므로 태양광 공사비가 늘어나 개별난방이 불리한 것으로 생각할 수 있다. 그러나 지하주차장 배관 등 기계공사비가 줄어들어 전체 공사비는 거의 동일한 것을 확인하였다. 즉, 난방 방식에 따른 유불리는 없는 것으로 결론을 내릴 수 있다.

세번째는 적정 동배치 검토이다. 공동주택은 모두 남향 위주 배치를 기본으로 한다. 즉, 세대 전면부가 남쪽을 바라보고 있으므로 BIPV를 설치해야 하는 측벽은 남쪽을 바라보지 못하는 형태가 된다. 우선 세대의 향에 따른 단위면적당 1차에너지소비량 값을 비교해보면 북향(208.8) > 서향(203.2) > 동향(202.6) > 남향(186.9) 순으로 확실히 남향인 경우의 1차에너지소비량이 매우 낮음을 확인하였다. 세대를 남향으로 배치하고 동쪽 측벽에 BIPV를 설치하는 경우 세대 당 필요한 BIPV 용량은 1.8kW이다. 남향 다음으로 1차에너지소비량이 낮은 동향으로 세대를 배치하고 측벽을 남쪽으로 하여 BIPV를 설치할 경우 세대 당 필요한 BIPV 용량은 1.35kW이다.

이처럼 세대 방향과 BIPV 설치 방향 모두 남쪽으로 하는 것이 유리함을 알 수 있다. 즉, 세대를 정남향이 아니라 남동향 또는 남서향으로 배치하여 측벽도 남서향 및 남동향이 될 수 있도록 하는 것이 가장 유리하다는 결론을 내릴 수 있다. 이때 주의점은 ECO2 프로그램에서 BIPV는 북쪽으로 방위를 입력할 수 없으므로 측벽은 반드시 북쪽을 바라보지 않도록 해야한다.

마지막은 단열재 두께 미상향 검토이다. 앞의 각 요소별 시뮬레이션 결과를 보면 알 수 있듯이 단열 조건 변경은 단위면적당 1차에너지소비량과 등급용 1차에너지소요량 감소에 주는 영향이 매우 적다. 단열재 두께를 중부2지역 조건에서 중부1지역 조건으로 상향하였을 때 단위면적당 1차에너지소비량은 2.7 감소하였다. 이를 태양광 용량으로 낮춘다면 옥상 PV는 4.8kW만 추가하면 되는 값이다. 단열재 두께를 두껍게 하는 경우 공사비가 매우 크게 올라가지만 단순히 PV 4.8kW를 설치하는 공사비로 동일한 효과를 낼 수 있는 것이다. 즉, 단열 조건은 상향하지 않는 것이 더 유리하다는 결론을 낼 수 있다.

◇ 결론
탄소중립을 위한 여러 방법 중 제로에너지건축물 인증을 통해 건축물에서 사용하는 1차에너지의 양을 줄이는 것은 아주 좋은 방법이다. 다양한 패시브 및 액티브 요소와 신재생에너지를 적절하게 적용하여 1차에너지 사용량을 줄이면서 건물의 쾌적성과 이용자의 만족도는 줄어들지 않는 방향으로의 많은 고민과 검토가 필요하다.

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