Applied Technologies and Effects for the Carbon Zero Office Building

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(1)Climate Change Research(한국기후변화학회지) Vol. 2, No. 3, 2011, pp. 283～295. 283. 업무용 탄소제로건물의 적용기술 및 효과 Applied Technologies and Effects for the Carbon Zero Office Building 이재범†․홍성철․백남춘*․최진영․홍유덕․이석조․이동원 Lee, Jae-Bum†, Hong, Sung-Chul, Beak, Name-Choon*, Choi, Jin-Young, Hong, You-Deog, Lee, Suk-Jo and Lee, Dong-won 국립환경과학원 기후변화연구과, *한국에너지기술연구원 Climate Change Research Division, National Institute of Environmental Research, Korea *Korea Institute of Energy Research, Korea. 요 지 기후변화에 대응하기 위한 온실가스 감축활동이 국·내외적으로 활발히 이루어지고 있다. 우리나라 의 온실가스 감축에 있어서 건물부문의 온실가스 감축은 매우 중요한 부분이다. 2007년 기준 온실 가스 총 배출량 610 백만톤 CO2e 중 건물이 차지하는 비중은 약 23%이며, 감축잠재량은 산업 부 문에 이어 두 번째로 큰 수준이다. 본 연구는 향후 건물부문의 온실가스 감축 대책으로 추 진될 “탄소제로건물” 건립에 필요한 기반자료를 제공하고자, 국내 최초로 지어진 업무용 “탄소제로 건물”인 국립환경과학원 기후변화연구동에 적용된 주요 기술, 에너지 부하 및 절감 에너지양, 경제성 평가를 수행하였다. 본 건물에 적용된 기술은 총 66가지로, 건물에너지 부하절감기술(30), 건물에너지 효율기술(18), 신․재생에너지 기술(13), 친환경 요소기술(5)이 적용되었다. 연간 총 에너지 부하(123.8 kWh/m2)는 단열 강화와 고효율 설비 적용 등의 패시브 기술을 통해 40%(49 kWh/m2) 절감하였으며, 잔여 에너 2 지 부하인 60%(74.8 kWh/m )는 태양광, 태양열, 지열을 이용한 액티브 기술로 절감하였다. 건축비. 용은 일반건물 대비 약 1.4배 더 소요되었으나 액티브 기술을 제외하고 패시브 기술만 적용하게 되 면 일반건물의 건축비용과 큰 차이를 보이지 않는 것으로 분석되었다. 건물에서 감축될 수 있는 온 실가스양은 연간 100 ton ․ CO2e 수준이며, 에너지 자립으로 인한 연간 에너지 절감 비용은 약 102 백만원, 온실가스와 대기오염물질 감축에 따른 부수적 수익은 연간 약 2.2 백만원 수준인 것으로 분 석되었다. 또한, Life Cycle Cost (LCC) 분석 결과, 일반건물 대비 초과건축 비용에 대한 손익분기 점은 20.6년으로 나타났다.. 키워드 : 기후변화, 온실가스, 탄소제로건물, 패시브 기술, 액티브 기술 †. Corresponding author : E-mail: [email protected]. 접수일자: 2011. 9. 9 / 수정일자: 2011. 10. 26 / 채택일자: 2011. 11. 10.

(2) 이재범․홍성철․백남춘․최진영․홍유덕․이석조․이동원. 284. ABSTRACT Many actions against climate change have been taken to reduce greenhouse gases (GHGs) emissions at home and abroad. As of 2007, the GHGs emitted from buildings accounted for about 23 % of Korea's total GHGs emission, which is the second largest GHG reduction potential following industry. In this study, we introduced Carbon Zero Building (CZB), which was constructed by the National Institute of Environmental Research to cut down GHGs from buildings in Korea, and evaluated the main applied technologies, the amount of energy load and reduced energy, and economic values for CZB to provide data that could be a basis in the future construction of this kind of carbon-neutral buildings. A total of 66 technologies were applied for this building in order to achieve carbon zero emissions. Applied technologies include 30 energy consumption reduction technologies, 18 energy efficiency technologies, and 5 eco-friendly technologies. Out of total annual energy load (123.8 kWh/ 2 m2), about 40% of energy load (49 kWh/m ) was reduced by using passive technologies such as. super insulation and use of high efficiency equipments and the other 60% (74.8 kWh/m2) was reduced by using active technologies such as solar voltaic, solar thermal, and geothermal energy. The construction cost of CZB was 1.4 times higher than ordinary buildings. However, if active technologies are excluded, the construction cost is similar to that of ordinary buildings. It was estimated that we could save annually about 102 million won directly from energy saving and about 2.2 million won indirectly from additional saving by the reduction in GHGs and atmospheric pollutants. In terms of carbon, we could reduce 100 ton of CO2 emissions per year. In our Life Cycle Cost (LCC) analysis, the Break Even Point (BEP) for the additional construction cost was estimated to be around 20.6 years. Key words : Climate Change, Greenhouse Gases(GHGs), Carbon Zero Building(CZB), Passive Technology, Active Technology. 1. 서론. 축 목표치를 규정하고 의무를 지우는 교토의정서 가 2005년에 발효됨에 따라 국제사회는 배출권거. 기후변화에 관한 정부간협의체(IPCC : Inter-. 래(ET, Emission Trading), 공동이행체제(JI, Joint. governmental Panel on Climate Change) 4차 평. Implementation), 청정개발체제(CDM, Clean De-. 가보고서에 의하면, 과거 100년(1906∼2005년)간. velopment Mechanism)를 활용하여 온실가스 감. 전 지구 평균기온은 0.74℃ 상승하였으며, 21세. 축활동을 활발히 진행 중에 있다. 우리나라는 현. 기의 기온상승은 20세기에 비해 크게 증가할 것. 재 교토의정서 체제하에서 비부속서 I 국가에 포. 으로 전망하고 있다. 이러한 기온상승의 원인은. 함되어 감축 의무를 부여받지 않았으나, 에너지. 인간 활동에 기인한 온실가스 증가에 따른 것으. 부문의 이산화탄소 배출량이 OECD 국가 중 9위. 로 보고하고 있다(IPCC, 2007).. 를 차지하고 있어 향후 Post-2012 체제하에서는. 기후변화에 대한 대책으로 국가별 온실가스 감. 의무 감축국가가 될 가능성이 높아지고 있다. 따.

(3) 업무용 탄소제로건물의 적용기술 및 효과. 285. 라서 이에 대비하고 기후변화 완화(Mitigation). CO2e)이 유사한 수준으로, 주거용 건물뿐만 아니. 에 기여하고자 2009년 UNFCCC(UN Framework. 라 업무용 건물에서도 온실가스 배출을 줄여야. Convention on Climate Change) 제 15차 당사국. 한다는 필요성이 제기되고 있다. 이에 정부에서. 총회(COP15)에서 2020년 BAU(Business As Us-. 는 건물부문의 온실가스 배출량 감축을 위해 신. ual) 온실가스 배출량 대비 30%를 감축하는 온실. 규 건축 주택은 2012년부터 냉․난방의 에너지. 가스 중기감축 목표를 발표한 바 있다. 이후 저. 의 50% 절감, 2017년부터는 패시브 하우스(Pa-. 탄소 녹색성장기본법 제정과 온실가스 목표관리. ssive House) 수준(건물에너지 절감율 60% 수준),. 제 도입 등 온실가스 감축을 위한 노력을 경주하. 2025년부터는 제로에너지하우스(외부로부터 에너. 고 있다.. 지공급 없이 자립하는 건물) 수준, 업무용 건물은. 우리나라의 온실가스 배출량과 감축 잠재량에. 제로에너지 건물로 짓도록 의무화할 계획이다.. 대한 조사에 따르면, 2007년의 총 온실가스 배출. 본 연구에서는 온실가스 감축을 위한 업무용. 량은 610 백만톤 CO2e로서 산업부문이 51 %. 탄소제로건물의 보급과 확대를 위한 기반자료로. (314 백만톤 CO2e), 건물부문이 23 %(138.1 백만. 활용할 수 있는 정보를 제공하는데 목적을 두고. 톤 CO2e)로 큰 비중을 차지하고 있으며, 또한. 있다. 이를 위해 탄소제로건물의 실증모델로 최. 2020년 BAU 온실가스 배출량 대비 감축 잠재량. 근 건립된 국립환경과학원의 기후변화연구동에. 은 산업 부문이 82.9 백만톤 CO2e, 건물부문이. 적용된 주요 기술들을 소개하고, 설계단계에서의. 48 백만톤 CO2e 순으로 감축잠재량이 큰 것으로. 주요 기술별 에너지 성능 평가를 기반으로 한 건. 분석된 바 있다. 이렇듯 온실가스 배출량 감축을. 물의 에너지 소비량과 절감양, 경제성, 그리고 온. 위해서는 산업부문과 더불어 건물부문에 대한 감. 실가스 및 대기오염물질 감축 잠재량에 따른 환. 축도 매우 중요한 부분을 차지하고 있다.. 경편익 등을 분석하였다.. 건물에서의 배출량 감축을 위해서는 주로 고성 능 단열과 창호 등을 이용한 에너지 손실을 줄이 는 패시브(Passive) 기술(건물에너지 손실 절감기. 2. 연구 내용 및 방법. 술)에 대한 연구가 중심을 이루었으나, 최근에는. 2.1 건물의 개요 및 적용기술 선정. 에너지를 자립하는 “제로에너지 건물”, “탄소중. 본 연구 대상인 기후변화연구동은 인천시 서구. 립건물”, “친환경건물”에 초점이 맞춰지고 있다. 경서동 국립환경과학원 단지 내에 위치하고 있. (김용경 등, 2010). 이를 위해서는 패시브 기술과. 다. 기후변화연구동은 2008년에 기본계획을 시작. 액티브(Active) 기술(신 · 재생에너지 기술)을 동시. 으로 2010년 4월에 완공된 건물로 3년 동안에 약. 에 적용하는 것이 필요하다(Goldsteen, 2006;. 89억원의 예산이 소요되었다. 총 연면적은 2,500. Torcellini et al., 2006; Marszal et al., 2009). 이. 2 2 m2로 지하 1층(600 m )과 지상 2층(1,900 m )으. 러한 연구를 기반으로 하여 국․내외적으로 제로. 로 구성되어 있다. 층별 주요 시설로는 지하층에. 에너지하우스 개념의 주거용 건물들이 다양하게. 기계실과 전기실, 지상 1층에 국제회의실과 전시. 개발되고 있으나(김민경 등, 2011; 강혜진 등,. 실, 지상 2층에 연구실, 회의실, 자료센터, 휴게실. 2010) 업무용 에너지 자립(탄소제로) 건물에 대. 이 위치하고 있다(Table 1, Fig. 1).. 한 연구는 시작단계에 머물러 있는 수준이다. 특. 탄소제로건물 건립을 위해서는 건물에서 소비. 히 건물에서 나오는 온실가스 배출량은 주택. 되는 총 에너지양을 예측하고, 소비 에너지 부하. (70.5 백만톤 CO2e)과 업무용 건물(67.6 백만톤. 를 제로화 할 수 있는 기술들을 비용 효과적으로.

(4) 이재범․홍성철․백남춘․최진영․홍유덕․이석조․이동원. 286. Table 1. Informations of climate change research center constructed as carbon zero building 구분. 내용. 명칭. 국립환경과학원 기후변화연구동. 대지위치. 인천 서구 경서동 종합환경연구단지. 공사기간. 2008~2010. 건축규모. 지하 1층(600 m2), 지상 2층(1,900 m ). 연면적. 2,500 m2. 외부마감. 태양광 모듈, 외부블라인드, 마이크로 루버 등. 특징. 신 · 재생에너지 기술(태양광, 태양열+지열)로 전기 및 열원 생산. 2. 에너지솔라하우스(ZeSH)와 SLEB(Super Low Energy Building)에 적용된 기술들을 검토하였으며, 국외사례로는 미국의 저에너지 건물로 알려져 있 는 상업용 건물인 6개 건물(Oberlin, Zion, Cambria, CBF, TTF, BigHorn)에 대한 검토가 이루어 졌다.. 2.2 에너지 원단위, 소비와 절감 에너지 예측 Fig. 1. Image of climate change research center constructed as carbon zero building. 선정하여야 한다. 기후변화연구동에 적용된 기술 은 크게 2가지로 패시브 기술과 액티브 기술이 다. 패시브 기술은 액티브 기술에 비해 상대적으 로 저비용이 소요되기 때문에, 패시브 기술을 우 선 적용한 후 액티브 기술을 적용하였다. 패시브 기술은 건물에서 소비되는 에너지의 손실을 최소 화하기 위한 기술로 고단열, 고성능 창호 등 단. 본 연구의 대상건물인 기후변화연구동의 에너 지 원단위, 적용기술 선정 등을 위하여 에너지 소비에 영향을 미치는 건물규모, 재실인원, 사용 기기, 운영조건, 대지의 태양접근성 등을 입력 자 료로 하여 에너지 해석 모델인 Visual DOE 4.0 을 이용하여 분석하였다. Visual DOE 4.0은 주어 진 기후조건에 대해 건물의 시간별 에너지소비량 을 예측할 수 있는 모델이다. 이 모델은 건물에 대한 입력내용을 변환하는 BDL Processor와 4개 의 시뮬레이션 프로그램(LOADS, SYSTEMS,. 열강화와 고효율 설비 도입을 의미한다. 액티브. PLANT, ECON)으로 구성되어 있다. LOADS에. 기술은 패시브 기술을 통해 최소화된 잔여에너지. 서 계산된 실 열 부하(Space thermal load)는 시. 부하를 해소하는 것으로 온실가스가 배출되지 않. 스템의 열 부하를 계산하는 SYSTEM의 입력 자. 는 신․재생에너지 기술을 이용하는 것을 의미한다.. 료로 사용되는 구조를 가지고 있다.. 적용기술 선정을 위하여 국․내외 유사 건물. 에너지 성능 평가를 위해 필요한 기상자료인. 의 사례를 분석하여 적용기술 리스트를 작성하였다.. 기온, 풍속, 일사량 자료는 기후변화연구동이 위. 국내에서는 한국에너지기술연구원에 건립된 제로. 치한 인천지역의 2005년부터 2008년까지의 기상.

(5) 287. 업무용 탄소제로건물의 적용기술 및 효과. 자료를 이용하였으며, 과거 20년 동안의 자료와. 은 한국전력거래소(2011) 운영 실적 보고서를 이. 비교하여 유의성을 검증하였다. 또한, Visual DOE. 용하였으며, 에너지원별 배출계수는 국립환경과. 4.0 모델의 신뢰성을 검증하기 위하여 기후변화. 학원(2010) 보고서를 활용하였다. 이를 바탕으로. 연구동 옆에 위치하고 있는 일반 연구 건물인 실. 식 (4)를 이용하여 대기오염물질별 감축잠재량을. 내환경종합연구동을 대상으로 Visual DOE 4.0. 산출하였다.. 모델의 에너지 사용량 예측 결과와 실제 에너지 사용량과의 비교를 통하여 검증을 수행하였다. 2. 실내환경종합연구동은 연면적 1,600 m , 지상 2 층 연구동이며, 비교 검증 기간은 1년(2007년)으 로 가스사용양은 인천도시가스의 가스요금 청구. 절감비용 = 에너지 절감량(kWh) × 에너지 비 (1). 용(원/kWh)   ′  . . . . .  .  ×     . 서를 기반으로 산출하였다.. (2) 온실가스 감축잠재량(Kg · CO2) = 에너지 절감. 2.3 탄소제로건물의 경제성. 양(kWh) × 환산계수(Kg · CO2/kWh). 적용 기술에 대한 에너지 절감비용, 손익분기 점(Break even point), 온실가스 감축량에 대한 평가를 수행하였다. 에너지 절감양(에너지 원단위 × 절감소요면적)은 탄소제로건물의 에너지 해석 모델로부터 추정하였으며, 식 (1)에 적용하여 절 감비용을 산출하였다. 에너지 비용은 전기와 열 원으로 구분하여 단가를 적용하였다. 전기 절감 단가는 태양광 발전차액지원 제도의 단가인 30. (3). 대기오염물질 감축잠재량(kg) = 에너지원별 생 산량(kWh) × 에너지원별 배출계수. (4). 3. 연구 결과 3.1 탄소제로건물의 적용기술 건물에서 배출되는 온실가스를 감축하기 노력. kW 초과 200 kW 이하에 대한 건축물활용 단가. 의 일환으로 저탄소 건물에 대한 연구가 국내․. 인 1 kWh 당 525.55원, 열원(지열․태양열)의 절. 외에서 활발하게 진행되고 있다. 국내에서는 난. 감 단가는 도시가스 사용단가(58원/kWh)를 사용. 방과 급탕부하를 줄이기 위한 에너지자립형 주거. 하였다. 손익분기점을 살펴보기 위하여 식 (2)를. 건물에 대한 연구가 주로 이루어지고 있는 반면,. 이용하여 수명주기비용(LCC) 분석을 수행하였다.. 국외에서는 주거용 건물 외에도 업무용 건물에. 식 (2)에서 CAPEX는 초기 투자비용이며, OP-. 대한 연구도 활발히 진행 중인 것으로 나타났다.. COST는 매년 발생비용, m은 발생비용종류, jm은. 주거용 건물은 난방과 급탕을 위해 필요한 열. 각 발생비용에 대한 물가 상승률 (연료비 상승. 에너지가 에너지 소비의 많은 비중을 차지하지만. 률), d는 시장 할인율, 그리고 n은 시스템 내구연. 업무용 건물은 냉․난방과 더불어 조명과 플러그. 수를 나타낸다. 또한, 온실가스 감축잠재량을 도. 부하가 큰 비중을 차지하고 있어 전기에너지 부. 출하기 위하여 식 (3)을 이용하였다. 환산계수는. 하에 대한 저감이 매우 중요하다. 현재까지 지어. 전력 1 kWh당 0.424 Kg․CO2를 적용하였다. 절. 진 저탄소 업무용 건물들은 자연채광, 자연환기,. 감소요면적은 냉․난방 및 전기 사용이 없는 옥. 태양열, 태양광, 지열, 풍력 등을 이용하여 기존. 2. 상 등을 제외한 것으로 그 면적은 약 1,900 m 이. 건물 대비 약 40∼50%의 에너지를 절감할 수 있. 다. 에너지원별 생산량(감축 에너지양 × 에너지. 는 수준인 것으로 나타났다.. 원별 점유율) 산정에 필요한 에너지원별 점유율. Table 2는 기후변화연구동 건물에 적용된 최종.

(6) 이재범․홍성철․백남춘․최진영․홍유덕․이석조․이동원. 288. Table 2. Applied technologies at Carbon Zero Building 구분. 적용 기술. 건물에너지 부하절감기술 (30). 1. 3. 5. 7. 9. 11. 13. 15. 17. 19. 21. 23. 25. 27. 29.. 주변 음영요소 분석 건물의 적정 규격비율 적용 체적대비 외피면적 최적화 단순한 외형 디자인 슈퍼단열 고기능 삼중유리 방습층 결로 방지 열관류율 최적화 축열벽 조명부하감소를 위한 내부마감 냉방부하저감을 위한 루버 적정 천정고와 실내깊이 적용 교차 환기 굴뚝 효과. 2. 4. 6. 8. 10. 12. 14. 16. 18. 20. 22. 24. 26. 28. 30.. 일조․채광․환기 조건의 최적화 일조 및 일사분석 Self-shading 배제 적용 방위별 창호 면적의 최적화 고기능 프로파일 태양광의 투과 및 차폐 열교 방지 야간 환기제어 침기 제어 냉방부하 감소를 위한 외부마감 일사조절을 위한 블라인드 핀 루버 아트리움을 통한 자연채광 · 환기 개폐 가능 창문 성능개선 가능 설계. 건물에너지 효율기술 (18). 31. 33. 35. 37. 39. 41. 43. 45. 47.. 일사조절 채광 블라인드 자연채광 덕트 고효율 조명기기 LED 조명 통합형 환기 고효율 환기 및 냉난방 시스템 적용 대기부하차단배선설계 고효율운전제어 고효율 저소비 전력기기. 32. 34. 36. 38. 40. 42. 44. 46. 48.. 마이크로 루버 주광 연동 제어 FPL 작업 조명 재실 센서 고효율 개별 환기 시스템 환기 및 냉난방 제어 고효율 팬과 펌프 스마트 에너지 관리시스템 고효율 사무용 기기. 신 · 재생에너지 적용기술 (13). 49. 51. 53. 55. 57. 59. 61.. G to G 타입 벽일체형 태양광 G to C 타입 벽일체형 태양광 박막투과형 벽일체 태양광 평판형 집열기 태양광 · 열 시스템을 활용한 Pergola 열교 방지형 프로파일 태양전지판 설치 위치 최적화. 50. 52. 54. 56. 58. 60.. G to G 타입 지붕일체형 태양광 경사설치 결정성 태양광 박막투과형 지붕일체 태양광 태양열 · 지열 하이브리드 태양 추적식 광전지 모듈 에너지원별 통한 모니터링. 친환경요소 기술 (5). 63. 건물수명의 연장 65. 친환경 자재. 62. 재활용 자재 64. 절수형 수전 및 위생기기 66. 가변적 공간 구성. 기술들에 대한 리스트이다. 건물에 적용할 기술. 태양열, 지열에 대한 액티브 기술 13가지, 친환경. 들을 선정하기 위하여 기존에 제시되고 있는 패. 기술 5가지를 포함하여 총 66가지 기술을 선정하. 시브 기술 중 89가지에 대하여 전문가들의 기술. 였다.. 검토 및 에너지 모형 해석을 통해 건물에너지 부. 주요 기술들을 살펴보면, 건물에너지의 부하. 하저감기술 30가지, 건물에너지 효율기술 18가지. 절감과 효율을 높이기 위해 적용된 대표적인 패. 를 최종 적용기술로 선정하였다. 또한, 태양광,. 시브 기술로써 단열재는 일반건물에서 사용하는.

(7) 업무용 탄소제로건물의 적용기술 및 효과. 289. 60∼80 mm 단열재보다 더 두꺼운 125 mm 단열. 광 시스템 적용을 위한 별도의 공간이 필요로 하. 재를 적용하였다. 창호는 열 차단 효율이 높은. 지 않아 경제성과 효율성을 높이는 장점을 가지. 아르곤 가스가 충전된 43 mm 삼중유리를 사용. 고 있다(윤종호, 2006). Fig. 2는 본 건물에서의. 함으로써 건물에서 손실되는 에너지를 최소화 하. BIPV시스템의 적용위치에 대하여 나타낸 것이. 였다. 업무용 건물의 에너지 소비 중 큰 비중을. 다. 태양광 시스템에 적용된 총 4가지 타입(glass. 차지하는 전기 기기와 조명에 대한 소비효율을. to glass, Crystall, amorphous, sun-tracking)은 범. 높이기 위하여 히트펌프, 순환펌프, 팬, LED, 플. 용적으로 사용되고 있는 타입으로 연간 발전량은. 로어 스탠드 등과 관련한 고효율 전기 기기와 설. 약 99,729 kWh로 추정된다. Fig. 3은 태양열 · 지. 비 기기를 적용하였다. 또한, 외부 블라인드와 광. 열 하이브리드시스템의 개념도를 나타낸 것으로. 덕트 시스템을 통하여 자연채광을 최대한 활용. 난방 및 급탕이 필요할 경우에 전력이 소모되는. 하여 인공조명의 사용을 최소화하였으며, 불필요. 지열시스템 대신 별도의 전력소모가 없는 태양열. 한 조명 소비를 줄이기 위하여 재실 센서를 통한. 이 우선적으로 열원을 공급하고 부족할 경우 지. 조명 점멸의 자동화와 국부조명을 적용하였다.. 열을 활용하는 시스템이다. 또한, 하이브리드 시. 액티브 기술(신․재생에너지 기술)은 태양광, 태양열, 지열 시스템을 적용하였다. 건물 내에 사 용되는 전기에너지를 공급하기 위하여 태양광시 스템을 적용하였으며, 냉․난방을 위한 지열․태 양열 하이브리드(hybrid) 시스템을 적용하였다. 태양광 시스템은 건물일체형 태양광 발전 시스템. 스템의 구축을 통하여 설비별로 각각의 시스템을 설치해야 하는 기존 시스템의 단점을 보완하고 건물 일체화를 추구하였다(김용경 등, 2010). 또 한, 대수분할 제어를 통해 효율을 증대하였다.. 3.2 에너지 원단위, 소비 · 절감 에너지양 분석. (Building Integrated Photovoltaic System, 이하. 3.2.1 에너지 해석 모델의 검증. BIPV)을 도입하였다. BIPV는 전기에너지를 생산. 건물의 에너지 원단위, 소비․절감 에너지양. 함과 동시에 지붕, 파사드, 블라인드 등과 같은. 분석에 사용된 모델(Visual DOE 4.0)의 검증을. 건물 외피와 결합시켜 설치할 수 있어, 태양. 위하여 국립환경과학원 내 위치한 기후변화연구. Fig. 2. Location of the installation for each BIPV(Building Integrated Photovoltaic) system. and BIST(Building Integrated Solar Thermal)..

(8) 이재범․홍성철․백남춘․최진영․홍유덕․이석조․이동원. 290. Fig. 3. Distribution diagram of solar thermal and geothermal hybrid system. 동과 유사한 규모의 실내환경종합연구동을 대상. 값과 최근 4년간의 자료가 유사한 수준을 보였. 으로 하여 비교 분석을 수행하였다. Fig. 4는 실. 다. 따라서 Visual DOE 4.0 모델은 기후변화연구. 제 가스 소비량과 모델을 통해 모사된 소비량의. 동의 에너지 원단위 및 에너지양 분석에 사용할. 결과를 나타낸 것이다.. 수 있는 수준인 것으로 판단되었다.. 실제 사용한 연간 냉․난방 가스 총사용량은 497,920.7 kWh, 모델 결과의 가스 총사용량은 432,521.6 kWh로서 실제 가스 소비량이 모델결 과보다 약 15% 많은 것으로 분석되었으며, 이를 원단위로 환산할 경우, 각각 311.2 kWh/m2와 2. 270.3 kWh/m 로 추정되었다. 사용패턴을 추정하. 3.2.2 에너지 원단위 및 적용기술별 에너지 절감양 에너지 성능 평가를 위해서는 기상자료와 냉난 방, 단열, 내부발열, 설비, 제어 등을 포함한 요소. 기 어려운 중간기(4월, 5월, 10월)를 제외할 경우, 가스 사용량의 차이는 10% 미만인 것으로 나타 났다. 모델에 필요한 입력자료 중 기상자료(일사량, 기온, 풍속 등)는 과거 20년간의 기후자료를 사용 하였다. 자료의 신뢰성을 살펴보기 위해서 최근 4년간의 인천지역 기상자료와 비교분석을 수행하 였다(Table 3). 일사량의 경우, 인천지역의 20년 간 연평균은 4,694 MJ/m2 ․ year로 최근 4년 평균 4,912 MJ/m2․year보다는 약 5%(218 MJ/m2․ year) 작은 것으로 나타났다. 기온과 풍속은 기후. Fig. 4. Comparison of observation and simulated consumption of LNG(liquid natural gas) for cooling and heating..

(9) 291. 업무용 탄소제로건물의 적용기술 및 효과. Table 3. Statistical analysis of the meteorological observation data 기후자료(1985～2005). 구분. 최근 4년간의 기상자료(2005～2008). 20년 평균. 2005. 2006. 2007. 2008. Mean. 기온(℃). 12.2. 12.1. 12.7. 13.0. 12.8. 12.6. 풍속(m/s). 2.9. 2.6. 2.5. 2.6. 2.8. 2.6. 148.8. 167.4. 150.2. 147.0. 157.7. 155.6. 4,694. 5,282. 4,738. 4,638. 4,979. 4,912. 2. 일사(W/m ) 2. 일사(MJ/m year). 별 입력 자료에 대한 정의가 필요하다. Table 4 는 기후변화연구동에 대한 설계 계획을 바탕으로. Table 4. Input data used as base model in this study. 가정한 기본모델의 각 요소별 입력 자료를 정리. 구분. 한 것이다. 단열의 경우, 벽체, 바닥, 천정의 열 관류율은 건축법에서 제시하는 기준을 적용하였으며, 환기. 조방식은 TPFC(Two Pipe Fan Coil)로 설정하였 으며, 조명과 내부발열은 입주자의 사전 인터뷰. 0.47 W/m K. 지붕. 0.34 W/m K. 바닥(지면). 0.1 W/m K. U-value. 2.74 W/m2K. SHGC. 0.698. LPD. 25 W/m. EPD. 사무실 8.2 W/m 회의실당 (400 W). 재실자. 연구실(35인) 회의실 0.25 인/m2 (150인)+전시, 자료(15.5인). 냉난방 설비. 공조방식. TPFC. 열원. 보일러/냉동기. 제어. 실온. 단열. 창호 조명. 를 통해 사용될 인원 및 기기 조명등을 적용하였 다. 기본모델에 대한 에너지 성능 평가 결과, 단위 면적당 연간 에너지사용량을 나타내는 원단위는. 2. 2. 0.23 W/m K, 창호의 U-value을 1.66 W/m K,. 내부 발열. SHGC을 0.417, 자연채광을 통한 조명의 LPD값 2. 을 11 W/m 로 감소시키면 에너지 원단위가 87.2 2 kWh/m · yr 감소하는 것으로 나타났다. 또한, 열. 원 설비 요소인 대수분할 제어까지 고려하면 에 너지 원단위는 기본모델의 에너지 원단위에 비해 40%(49 kWh/m2 · yr) 감축된 74.8 kWh/m2 · yr로 감소하는 것으로 나타났다. 나머지 잔여부하는. 2. 2. 2 2. 123.8 kWh/m2·yr로 추정되었다. 기본모델에서 패 시브 기술 중 단열 강화를 통해 열 관류율 값을. 2. 벽체. 는 노동부에서 권고하는 교육 및 연구시설의 1인 당 36 m2/h의 환기량을 기준으로 설정하였다. 공. 입력값. 22℃ (winter) 26℃ (summer) 0.5회/h (사무실). 침기 & 환기. 침기. 2회/h (화장실) 1회/h (복도, 홀). 환기. 36 m3/인h. 액티브 기술을 적용하게 되면 제로화 될 수 있는 것으로 분석되었다. 열원을 공급하는 지열․태양. kWh/ m2 · yr가 되는 것으로 분석되었으며, 나머. 열 하이브리드 시스템을 적용하게 되면 에너지. 2 지 잔여 에너지 부하인 49.5 kWh/m · yr는 건물. 2 원단 위는 19% 감소(25.3 kWh/m · yr)하여 49.5. 일체형 태양광으로 충당하여 탄소제로건물의 건.

(10) 이재범․홍성철․백남춘․최진영․홍유덕․이석조․이동원. 292. Table 5. Analysis of reduced energy load and energy cost for applied technologies at Carbon Zero Building 패시브 기술. 액티브 기술. 구분. 소계. 냉 · 난방 설비 고 효율화. 건물외피 단열강화. 냉 · 난방+ 단열강화. 태양열. 지열. 태양광. 연간 절감 에너지양 2 (kWh/m ). 123.8. 11.8. 24.8. 12.4. 11.8. 13.5. 49.5. 해당 비율 (%). 100. 9.5. 20.0. 10.0. 9.5. 10.9. 40.1. 연간 절감 비용 (백만원/년). 102. 12. 25. 12. 1. 2. 50. 용으로 49 백만원, 액티브 기술 적용으로 53 백. 립이 가능한 것으로 나타났다(Table 5).. 만원이 절감 가능한 것으로 분석되었다(Table 5).. 3.3 탄소제로건물의 경제성 분석. 각 요소별 연간 절감 비용은 냉․난방 설비 고효 율화로 12 백만원, 건물의 단열강화로 25 백만원,. 3.3.1 절감비용. 고효율화 및 단열강화 시너지효과로 12 백만원,. 기후변화연구동의 총 건축비는 8,900 백만원으 로 일반적인 건축(패시브 기술 적용 비용 포함)비. 태양열 1 백만원, 지열 2 백만원, 태양광 50 백만 원이다.. 용이 5,300 백만원, 신․재생에너지(액티브 기술) 비용이 2,010 백만원, 홍보전시관 및 에너지모니 터링 비용이 850 백만원, 설계 및 감리 비용이. 3.3.2 경제성 평가. 610 백만원, 기타 110 백만원이 소요되었다. 단. 탄소제로건물의 경제성을 평가하기 위하여 온. 위면적당 공사단가는 355 만원/m2으로 2010년. 실가스 및 대기오염물질 감축에 따른 사회적 편. 공공건축물 유형별 공사비 분석(조달청, 2011)에. 익과 에너지 절감에 따른 비용을 고려한 손익분. 서 보고된 평균공사단가인 약 258 만원/m 에 비. 기점을 분석하였다. 손익분기점은 일반건물 대비. 해 97만원/m2의 추가비용이 소요된 것으로 나타. 추가 소요 비용인 약 2,425 백만원(97 만원/m )이. 났다. 영국의 탄소제로건물 전문가 그룹에 의하. 상쇄되는 기간을 의미한다. 수익이나 비용은 시. 2. 면, 일반건물 대비 탄소제로건물은 110 만원/m. 간에 따라 그 가치가 달라지기 때문에, 이를 고. 추가 비용이 소요되는 것으로 산정한 바 있으나,. 려할 수 있는 수명주기비용(LCC: Life Cycle Co-. 2. 2. 이에 비해서는 13 만원/m 이 적게 소요된 것으로. st) 분석방법 중 현가분석방법을 통해 손익분기점. 서 일반건물 대비 약 1.4배의 건축비가 더 소요. 을 평가하였다.. 2. 되었다. 하지만 액티브 기술을 제외하고 패시브. 온실가스와 대기오염물질에 대한 환경성 평가. 기술만 적용하게 되면 일반건물의 건축비용과 큰. 를 수행한 결과, 경제적 효과는 연간 약 2.2 백만. 차이를 보이지 않는 것으로 분석되었다.. 원 수준으로 분석되었다. 감축할 수 있는 온실가. 탄소제로건물로 건축된 기후변화연구동은 연간. 스양은 연간 100 ton · CO2e 수준으로, 차량. 235,220 kWh의 에너지(전기, 열)가 필요한 것으. 2,000 cc 쏘나타를 기준으로 서울과 부산을 500. 로 나타났으며, 이에 대한 연간 절감비용은 102. 회 왕복할 때 나오는 이산화탄소량과 같다. 유럽. 백만원인 것으로 추정되었다. 즉, 패시브 기술 적. 연합(EU)에서는 2005년 1월부터 온실가스 배출.

(11) 293. 업무용 탄소제로건물의 적용기술 및 효과. 권거래를 시행하고 있는데, 2010년 1월 평균 탄. Table 7. Data for life cycle cost(LCC) analysis in this study. 소 가격은 톤당 약 12 유로(19,000원)선에 거래 되고 있다. 기후변화연구동의 온실가스 감축량을. 구분. 입력값. 에너지 절감량. 123.8 kWh/m2. 있는 SO2, NOx, TSP의 대기오염물질별 배출량은. 내구연수. 30 년. 각각 108.12 Kg, 118.07 Kg, 501.72 Kg인 것으. 연료비. 525.55 원/kWh. 로 나타났으며, 대기오염물질별 사회적 편익(조용. 일반물가 상승율. 4.7 %. 성 등, 2004)을 고려하여 산정된 연간 사회적 편. 연료비 상승율. 11.5 %. 할인율. 6 %. 환경 사회적 편익. 2.2 백만원. 탄소 가격으로 환산하면, 연간 약 1.9 백만원 수 준인 것으로 분석되었다. 또한, 연간 감축할 수. 익은 약 26 만원 수준인 것으로 분석되었다 (Table 6). Table 7은 LCC 분석을 위한 기본가정을 기술 한 것이다. 먼저 철근 콘크리트 건물의 내구연수 는 일반적으로 30∼50년으로 볼 수 있으나, 본. 상승율과 연료비(보일러, 등유) 상승률은 통계청. 연구에서는 30년을 내구연수로 가정하였다. 또한,. (2006∼2010) 자료를 토대로 각각 4.7 %, 11.5. 생산되는 에너지 발전단가는 건축물활용 단가인. %를 적용하였다. 할인율은 한국은행 자료를 바탕. 1 kWh 당 525.55원으로 적용하였으며, 일반물가. 으로 평균 6 %를 적용하였다. 이를 기반으로 식. Table 6. Economic analysis of reduced atmospheric pollutants at Carbon Zero Building 구분. LNG. 석탄. B-C유. 합계. 비고. 발전별 점유율 (%). 24.1. 30.6. 7.2. 61.9. 기타 38.1 (원자력, 수력, 양수 등). SO2. 0.01. 19.5S. 14.3S. -. NOx. 6.04. 9. 6.64. -. TSP. 0.036. 50. 1.1S+0.39. -. 황 함량 S=0.5, TSP는 유연탄 배출계수 적용. SO2 (kg). 0.03. 97.55. 10.54. 108.12. -. NOx (kg). 18.25. 90.04. 9.78. 118.07. -. TSP (kg). 0.09. 500.24. 1.39. 501.72. -. SO2 (188.44 원/kg). 5.65. 18,382.32. 1,986.16. 20,374.13. -. NOx (102.44 원/kg). 1,869.53. 9,223.70. 1,001.86. 12,095.09. -. TSP (458.61 원/kg). 41.27. 229,416.16. 637.47. 230,094.90. -. 배출 계수. 감축량. 사회적 편익.

(12) 이재범․홍성철․백남춘․최진영․홍유덕․이석조․이동원. 294. (2)를 이용하여 운영유지비용을 현재가치로 환산. 인해 태양광 발전량이 5월과 6월에 비해 감소하. 하는 LCC 분석을 수행하였다. 그 결과 손익분기. 였으며, 냉방기기 사용으로 인한 전력사용이 증. 점은 20.6년으로 분석되었으며, 30년 동안의 현. 가하였기 때문이다.. 재가치 절감 금액은 약 7,128 백만원으로 분석되. 4. 결과 및 토의. 었다.. 건물에서 배출되는 온실가스의 감축을 위해서. 3.3.3 에너지 모니터링 결과. 는 손실 에너지의 절감과 동시에 온실가스가 배. 기후변화연구동의 에너지 소비 및 생산량 그리. 출되지 않는 신․재생에너지원(태양광, 태양열,. 고 에너지 자립도를 평가하기 위하여 연구동 내. 지열 등)을 활용한 건축이 이루어져야 한다. 본. 에너지 모니터링 시스템(Green Energy Manage-. 연구는 위 두 가지 요소가 모두 고려된 업무용. ment System)을 구축하였다. 모니터링시스템은. 탄소제로건물에 대한 적용기술 소개와 설계단계. 전력 생산 및 소비를 측정하기 위한 162개의 전. 에서의 주요 기술별 에너지 성능 평가를 기반으. 력량계와 설비 효율을 측정하기 위한 온도계와. 로 에너지 소비량과 절감양, 에너지 절감에 따른. 유량계, 그리고 모니터링 결과를 보여주는 표출. 경제성, 온실가스 및 대기오염물질 감축 잠재량. 시스템으로 구성되어 있다.. 에 따른 환경편익 등을 분석하였다.. 본 시스템에서는 신 · 재생시스템(태양광, 태양. 본 건물에 적용된 기술은 총 66가지로, 건물에. 열, 지열)을 통해 생산되는 에너지양과 냉․난방,. 너지 부하절감기술(30), 건물에너지 효율기술(18),. 급탕, 조명, 전열에서 소비되는 에너지양을 측정. 신·재생에너지 기술(13), 친환경 요소기술(5)이 적. 할 수 있다. Table 8은 2011년 5월부터 7월까지. 용되었다. 그 결과, 건물 연간 총 에너지 부하. 최근 3개월간에 대한 전력생산 및 소비 현황을. (123.8 kWh/m2)는 단열강화와 고효율 설비 적용. 나타낸 것이다. 냉․난방을 사용하지 않은 5월과. 등의 패시브 기술을 통해 49 kWh/m2(40 %) 절. 6월 동안에는 생산량이 소비량보다 많아 잉여전. 감하였으며, 잔여 에너지 부하인 74.8 kWh/m2(60. 력은 3,618 kWh 이었으며, 냉방이 시작된 7월 동. %)는 태양광, 태양열, 지열을 이용한 액티브 기. 안은 1,769 kWh의 전력이 모자란 것으로 나타났. 술로 절감하였다. 본 건물에 소요된 비용은 일반. 다. 이러한 이유는 올해 여름철의 잦은 강수로. 건물 대비 약 1.4배 더 소요되었으나, 액티브 기. Table 8. The results of monitoring for energy generation and consumption at Carbon Zero Building (단위 : kWh) 구 분. 2011. 5월. 2011. 6월. 2011. 7월. 전력 생산량(A) 최대. 전력 소비량(B). 최소. 최대. 9,628 494. 7,171 16. 428. 8,074 421. 72 6,913. 8. 393. 5,680 450. 최소. 40. 절감량 (A—B). + 2,457. + 1,161. 7,449 20. 430. 67. —. 1,769.

(13) 업무용 탄소제로건물의 적용기술 및 효과. 295. 술을 제외한 패시브 기술만 적용하게 되면 일반. 연구, 2005년도 한국태양에너지학회 논문집,. 건물의 소요 비용과 큰 차이를 보이지 않는 것으. 30(2), 39-45.. 로 분석되었다. 에너지 자립으로 인한 연간 에너 지 절감 비용은 약 102 백만원이며, 환경적 측면. 국립환경과학원, 2010, 대기오염물질 배출량 산정 방법 편람, 223 pp.. 에서의 경제적 효과는 연간 약 2.2 백만원 수준. 김민경, 김민영, 2011, 해외 제로에너지타운 사례. 이며, 감축할 수 있는 온실가스량은 연간 100. 를 통해 본 제로에너지타운 정책 방향, 서울. ton·CO2e으로 탄소거래가격으로 환산하면 1.9 백. 도시연구, 12(1), 159-180.. 만원, SO2, NOx, TSP에 대한 대기오염물질별 감. 김용경, 최원기, 허형우, 백남춘, 2010, 제로에너. 축량은 각각 연간 108.12 Kg, 118.07 Kg, 501.72. 지솔라하우스의 태양열+지열 하이브리드시스. Kg으로 사회적 편익은 약 26 만원인 것으로 분. 템 적용 사례, 지열에너지저널, 6(2), 3-9.. 석되었다. 이를 반영하여 LCC 분석을 수행한 결. 윤종호, 2006, 태양광발전 시스템의 건물일체화. 과, 일반건물 대비 초과비용에 대한 손익분기점은. (BIPV)를 위한 기술요건, 전기전자재료, 19. 20.6년인 것으로 추정되었으며, 30년 동안의 현 재가치 절감액은 7,128 백만원인 것으로 나타났다. 탄소제로건물의 최근 3개월간 에너지 생산과. (2), 31-43. 조달청, 2011, 2010 공공 건축물 유형별 공사비 분석, 조달청 보고서, 191 pp.. 소비에 대한 모니터링 결과, 냉․난방을 사용하. 조용성, 손양훈, 2004, 대기오염개선이 건강에 미. 지 않는 기간(5월과 6월)에는 생산량이 소비량보. 치는 사회적 편익 추정, 응용경제, 6(1), 133-. 다 많아 잉여전력이 3,618 kWh이었으며, 냉방기. 150.. 간(7월)의 경우는 1,769 kWh가 모자란 것으로 나타났다. 따라서, 3개월 동안의 총 에너지 생산 량이 소비량보다 많아 에너지가 남는 것으로 분 석되었다. 본 연구는 국내 최초의 탄소제로건물에 대한 설계안을 바탕으로 한 적용기술 소개 및 경제성. 한국전력거래소, 2011, 2011년 6월 초기정산, 전 력시장 운영실적 보고서, 32 pp. Goldsteen, D., 2006, Zero energy buildings and zero energy homes, Presented at The Workshop on Energy Efficient Buildings Meeting the Gleneagles Challenge.. 평가를 수행하였다는 것에 의의를 둘 수 있다.. IPCC, 2007, Climate Change 2007: Mitigation of. 따라서 건물의 온실가스 감축을 위한 탄소제로건. Climate Change. Contribution of Working Gr-. 물의 확대․보급을 위한 기반자료로 활용될 수. oup Ⅲ to the Fourth Assessment Report of. 있을 것으로 기대된다. 하지만 본 연구는 실측. the Intergovernmental Panel on Climate Cha-. 에너지 모니터링 자료를 이용한 탄소제로건물의. ge, B. Metz, O. R. Davidson, P. R. Bosch,. 성능 평가를 수행하지 못한 한계를 지니고 있다.. R. Dave, L. A. Meyer (Eds), Cambridge Uni-. 향후에는 모니터링을 통해 축적되는 실측 자료를. versity Press, Cambridge, United Kingdom and. 바탕으로, 설계단계에서 고려된 기술들에 대한 성능에 대한 평가 연구가 지속적으로 수행되어야 할 것으로 사료된다.. 참고문헌 강혜진, 강수연, 박진철, 이언구, 2010, ZEB(zero emission building) 디자인 프로세스에 관한. New York, NY, USA. Marszal, A. J., and P. Heiselbreg, 2009, A literature review of zero energy definitions, DCE Technical Report, 78pp. Torcellini, P., and D. Crawley, 2006, Understanding zero-energy building, ASHRAE Journal, 48(9), 62-69..

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