공동주택의 에너지 자립수준 향상방안 연구

공동주택의 에너지 자립수준 향상방안 연구

연구지원 2020-04호

공동주택의 에너지 자립수준 향상방안 연구

지은이 유정현 ․ 방선규 ․ 전학윤 ․ 조동준 ․ 박원준 발행인 황희연

발행처 한국토지주택공사 토지주택연구원 편 집 유정현

주소 (우)305-731 대전광역시 유성구 엑스포로 539번길 99 전화/전송 042) 866-8453 / 866-8472

전자우편 jhyoo@lh.or.kr 홈페이지 http://lhi.lh.or.kr

∙ 이 출판물은 우리 공사의 업무상 필요에 의하여 연구․ 검토한 기초자료로써 공사나 정부의 공식적인 견해와 관계가 없습니다.

∙ 우리 공사의 승인 없이 연구내용의 일부 또는 전부를 다른 목적으로 이용할 수 없습니다.

연구지원 2020-04

공동주택의 에너지 자립수준 향상방안 연구

A Study of Improvement for Energy Self-sufficiency Level of

Apartment house

참여연구진

연구총괄

유정현 LH 토지주택연구원 수석연구원

공동연구진

방선규 건설환경연구실 연구원 전학윤 도시건축사업단 차장 조동준 주택기술처 차장 박원준 주택기술처 과장

연구심의위원

김종엽 주택성능연구개발센터 센터장 황선구 주택기술처 부장

김국중 광주전남지역본부 부장 박덕준 국토교통부 사무관 김기한 울산대학교 교수

정영선 건설기술연구원 연구위원

연 구 요 약

주요 연구결과

1 제로 에너지 건축물 인증제 대응을 위한 LH 공사의 현황 파악 및 단계별 대응방안 수립

- 현재 LH공사 공동주택의 에너지 자립률 수준을 분석하고, 에너지 효율등급 1,2 등급 단지를 대상으로 향후 확보해야할 에너지 자립률 수준을 도출 - 태양광 발전 시스템 설치 단지의 현재 에너지 자립률은 약 7.6%로 예상

• 현재의 태양광발전 시스템의 종합발전 효율을 12%로 가정 (114kWh/년․Wp․세대)

조건-1 :3인기준 연간 전력소비랑 약 3000kWh/년, (전력 소비량의 약 20%를 조명으로 가정) 자립률-1 3인기준 연간 조명소비량 600kWh/년 자립률 : 114/600 = 약 19%

• 실제 자립률 : 주택의 전체 1차 에너지 소비량 대비 전력 소비량을 약 40%로 가정할 경우, 현재의 자립률은 7.6%로 예상

2 독자적인 에너지 절약설계 기준 제시 및 정부정책 대응을 위한 2 Track 시뮬레이션 수행

- 표준형, 고밀형, 저밀형 단지를 대상으로 개별난방, 지역난방, 캐스케이드 방식에 따른 자립률 달성 방안 분석

- 정부 정책 대응을 위한 공인 에너지 시뮬레이션을 이용한 에너지 자립수준 검토 (Track 1)

- 실제 에너지 사용량 조사를 통한 기초데이터 수집 및 상세 시뮬레이션 활용 (Track 2)

구 분 구분 추가비용 난방 방식 BASE[현 설계] ·  2018년LH공사 단열 설계기준

개별 난방 1단계[패시브] ·  2022년LH공사 단열 설계기준 (W/㎡K)

 -  외기직면 : 0.17 ▶ 0.15, 창호 : 0.9 ▶ 0.8 23만원/호

2단계[액티브]

· 고효율 보일러 설치 및 LED 조명 교체  - 조명밀도 :  8W/㎡  ▶ 5W/㎡  

(LED 기 적용)

 -  보일러  : 91% ▶ 92%

  보일러 4만원/호

조명 10만원/호 3단계[태양광]

·  지붕면적의 70% 설치 가정  - 발전효율 20%, 단결정, 수평 장착, 후면 통풍형,  6 ㎡/kW

211만원/kW

4단계 [연료전지]

10kW

(4단계)  · 급탕 및 난방에 보조열원 형태로 연계하여 설치

- 배열회수 온도를 고려하여, PEMFC가정   - 저위발열량 기준 열 생산효율 45%,

발전효율 35%

2000만원/kW 지역 난방 30kW 

(5단계) 50kW  (6단계)

100kW (7단계)

용량

(kW) 급탕 난방

10 저 5kW, 고 5kW

30 저 10kW, 고 10kW 저 5kW, 고 5kW 50 저 15kW, 고 15kW 저 10kW, 고 10kW 100 저 20kW, 고 20kW 저 30kW, 고 30kW 표 1. 단계별 에너지 자립률 달성방안

그림 1. 실제 사용량 데이터 수집 결과 및 시뮬레이션 결과 비교

- Track-1 분석결과 개별난방 단지는 옥상면을 이용 시 제로 에너지 건축물 인증제 등급 달성이 어려울 것으로 예상

- 지역난방 단지의 경우 표준형 고밀형 단지에서는 연료전지 시스템 30kW 이상을 설치할 경우 5등급, 에너지 자립률 20~25% 수준을 달성할 수 있을 것으로 예상

그림 2. ECO-2 프로그램을 통한 에너지 자립수준 검토 (지역난방)

- Track-2 분석결과 Track-1과 유사한 결과가 도출되어 계획단계에서 기존의 ECO-2 프로그램을 사용하여도 무방함을 확인

- 복합 에너지 공급원을 상정하여 검토한 결과 표준형 고밀형의 경우 태양광 및 연료전지 적용 시 모든 단지에서 33~37%의 에너지 자립률 기대 가능 - 신재생 에너지 시스템 적용 비율을 지속적으로 확대 시 에너지 자립률은

40% 이상 4등급을 기대할 수 있으나, 자립률의 확대 비율은 점진적으로 하향

　 표준형 고밀형 저밀형 비고

세대수 450 652 640 -

1차에너지요구량 1,865,798 1,569,947 3,627,861 kWh

시나리오 1 17.10% 21.55% 28.81% PV

시나리오 2 33.01% 37.33% 35.08% PV + FC 시나리오 3 37.12% 42.03% 45.53% PV + GSHP 시나리오 4 41.64% 45.12% 44.25% PV + FC + GSHP

표 2. 복합 에너지 공급 시스템별 에너지 자립률 산정 결과

• 난방 방식에 따른 분석결과 (표준형)

- 지역 : 연료전지 30kW 설치 시 자립률 23.5% 달성, 등급 상향을 위해서는 연료전지 150kW 이상 설치 필요(36.0%)

- 개별 : 등급용 1차 에너지 소요량 기준 측벽 설치 (태양광-2)시 89.4kWh/㎡, 자립률 25.68% 달성 (5등급)

• Track 1,2 의 비교

- 지역난방 시스템의 경우 3~8%, 개별난방의 경우 6~8%의 차이를 확인

- 상세 시뮬레이션의 경우 패시브와 액티브 효과를 반영하고 있지 않으므로, 실제 자립률은 현재 보다 상승 할 것으로 예상

3 에너지 자립률 확보를 위한 추가 공사비 분석

-“2018년 기계공사 발주공사비 분석 및 현황보고“의 개별난방과 지역난방의 총 기계 공사비는 각각 15,001천원/호, 16,947천원/호로 기계공사비는 전체 공사비의 14.5~16.7%를 차지

• 총 공사비 : 개별 103,600천원/호, 지역난방 101,300천원/호, 지열106,009~107,310천원/호, 캐스케이드 단지 98,420천원/호

- 제로 에너지 건축물 인증제 대응을 위한 추가 공사비는 연료전지 >

태양광 > 지열 > 패시브&액티브 순으로 증가

　 패시브 고효율기기 태양광 지열 연료전지

단가 230천원/호 (26㎡기준)

조명:100천원/호 보일러:40천원/호

외벽:4300천원/kW

옥상:2150천원/kW 1280천원/kW 2800천원/kW 표 3. 에너지 성능향상을 위한 추가 비용

- 지역난방 단지를 기준으로 제로 에너지 5등급을 달성하기 위해서는 표준형 단지 2,292천원/호, 고밀형 단지 2,573천원/호, 저밀형 단지 1,111천원/호 소요

그림 3. 단계별 에너지 자립률 확보를 위한 추가 공사비 및 기술 요소별 증가비용(지역난방)

- 5등급을 달성하기 위해서는 초기 비용이 많이 소요되는 단지와 추가 비용이 많이 소요되는 단지로 구분

- 총 공사비가 가장 높은 지열 단지의 경우 추가비용은 가장 낮았지만 자립률 달성 비용은 460천원으로 가장 높았으며 2번째로 공사비가 높은 개별난방 단지의 경우 409천원으로 자립률 달성 비용이 가장 낮은 단지로 분석 됨.

현 설계 단열

강화 액티브 태양광(지붕) 태양광 (측벽) 연료

전지

에너지 자립률

(%)

총비용 (천원/호)

자립률 달성비용 (만원/자립률) 지역

난방 101,300 231 140　 55　 　 1,867 23.5 103,592 440.8 개별

난방 103,600 231 140 55 　1,274 25.7 105,300 409.8 캐스

케이드 98,420 231 140 55 　 3111 22.7 101,957 449.1 지열

시스템 106,009 　 23.2 106,009 456.9

표 4. 각 단지별 에너지 자립률 1% 확보를 추가비용(천원/호, 5등급기준, 표준형)

주제어 건물에너지, 에너지 자립률, 제로에너지 건축물 인증제, 신재생에너지

차 례

제1장 서 론

1. 연구목적 및 배경 ··· 1

1.1 연구목적 ··· 1

2.2 연구배경 ··· 2

2. 기존연구 분석 및 주요 연구내용 ··· 7

2.1 기존연구 분석 ··· 7

2.2 주요 연구내용 ··· 12

3. 연구 범위 및 방법 ··· 13

제2장 국내·외 제로에너지 건축물(ZEB) 현황 1. 제로에너지 건축물(ZEB)의 정의 ··· 17

1.1 제로에너지 건축물(ZEB) 개념 ··· 17

2. 국내외 제로에너지 건축물(ZEB) 현황 ··· 19

2.1 국내의 제로에너지 건축물 (ZEB) 확대 방안 ··· 19

2.2 국외의 제로에너지 건축물(ZEB) 현황 ··· 22

2.3 국가별 제로에너지 건축물(ZEB) 대응 현황 ··· 25

3. ZEB 달성 관련 기술 ··· 29

3.1 계획부문 ··· 30

3.2 설비부문 ··· 42

4. 소 결 ··· 58

제3장 ECO-2 대응 에너지 자립률 확보방안 1. 검토단지 설정 ··· 61

1.1 단지선정방법 ··· 61

2. 에너지 자립률 확보방안 ··· 62

2.1 단열부문(패시브) ··· 62

2.2 기타 설비부문(액티브) ··· 65

2.3 신재생 에너지 부문 ··· 65

3. 난방 방식에 따른 단계별 자립률 ··· 69

3.1 지역난방 단지 ··· 70

3.2 개별난방 단지 ··· 80

3.3 캐스케이드 ··· 90

4. 소결 ··· 103

제4장 실제 에너지 사용량 대응 에너지 자립률 확보방안 1. 검토단지 설정 ··· 107

1.1 검토단지 ··· 107

2. 에너지 사용량 가공 ··· 113

2.1 에너지 사용량 시계열화 방안 ··· 113

2.2 단지별 에너지 사용량 설정 ··· 119

3. 신재생 에너지 적용방안 ··· 120

3.1 태양광 발전 시스템 ··· 120

3.2 연료전지 ··· 126

3.3 지열 시스템 ··· 134

4. 신재생 에너지 적용효과 ··· 148

4.1 태양광 발전 시스템 ··· 148

4.2 연료전지 시스템 ··· 164

4.3 지열 시스템 ··· 174

5. 에너지 자립률 확보방안 ··· 184

5.1 1차에너지 자립률 확보 전략 ··· 184

5.2 표준형 단지 ··· 187

5.3 고밀형 단지 ··· 193

5.4 저밀형 단지 ··· 197

제5장 적용기술별 공사비 분석

1. 공사비 설정 ··· 205

1.1 초기 공사비 ··· 205

1.2 추가 공사비 ··· 208

2. 제로 에너지 주택 건설을 위한 추가 비용 ··· 211

2.1 지역난방 단지 ··· 211

2.2 개발난방 단지 ··· 212

2.3 캐스케이드 단지 ··· 212

2.4 지열시스템 단지 ··· 213

3. 소결 ··· 219

제6장 결론 ···223

참고문헌

그림차례

[그림 1-1] 부문별 총 일차 에너지 소비량 변화 (IEA, World Energy Balances 2018) ···· 2

[그림 1-2] 산업별 에너지 사용량 상세 ··· 3

[그림 1-3] 제로에너지 건축물 의무화 로드맵 (국토교통부) ··· 4

[그림 1-4] 제로에너지 건축물 개념 (국토교통부) ··· 5

[그림 2-1] ZEH(B), NearlyZEH(B)의 통상적인 개념 및 실현방법(일본 위생공학회) ···· 18

[그림 2-2] 유럽의 ZEH 정의수립 현황 (ZEBRA 2020) ··· 22

[그림 2-3] 영국의 ZEB 달성 로드맵( NRI Report 2015) ··· 25

[그림 2-4] EnEV 에서 설정한 1차 에너지 수요량의 한계 값(kWh/㎡․y) ··· 26

[그림 2-5] 일본 정부의 ZEB 달성 로드맵 ··· 27

[그림 2-6] 중국 정부의 ZEB 달성 로드맵 ··· 28

[그림 2-7] Zero Energy Building 달성을 위한 건물 환경 최적화 기법 ··· 29

[그림 2-8] 연도별 단열기준 추세 및 향후 기준 예상 ··· 32

[그림 2-9] 단열수준에 따른 열관류율 개선효과 변화(중부지역-외벽) ··· 33

[그림 2-10] 주요 기밀성능 지표 비교 ··· 38

[그림 2-11] 발코니 태양광 관련 민원 사례 ··· 41

[그림 2-12] 연료전지의 발전 원리(한국에너지공단) ··· 43

[그림 2-13] 연료전지의 역사 (Doosan Fuelcell) ··· 44

[그림 2-14] 도시가스를 이용한 수소개질 및 주택 적용 ··· 44

[그림 2-15] 주택용 연료전지 적용 사례 ··· 45

[그림 2-16] 기존 에너지 설비와 열병합 발전 설비의 에너지 소비량 비교 ··· 46

[그림 2-17] 열전비에 따른 1차 에너지 절감량 ··· 47

[그림 2-18] 태양전지의 발전 원리 ··· 48

[그림 2-19] PV Cell, Module, Array의 개념 ··· 49

[그림 2-20] 태양전지 종류 ··· 49

[그림 2-21] Typical Grid-Connected Photovoltaic System (www.wbdg.org) ··· 52

[그림 2-22] 태양광 발전 시스템 연계방법 ··· 53

[그림 2-23] 공동주택의 태양광 발전 시스템 설치 현황 ··· 53

[그림 2-24] LH공사 설치단지의 태양광 발전 시스템의 발전량 (2006~2012) ··· 54

[그림 2-25] 계절 별 지열시스템 가동현황 (한국에너지공단) ··· 55

[그림 2-26] 지열 이용방법에 따른 시스템 종류 (한국에너지공단) ··· 56

[그림 2-27] 지열시스템 구성 부품 및 난방 사이클 (미래에너텍) ··· 56

[그림 3-1] 지역난방 시스템의 에너지 공급 개념도 ··· 70

[그림 3-2] 개별난방 시스템의 에너지 공급 개념도 ··· 80

[그림 3-3] 지역난방 시스템의 에너지 자립률 산정 결과 ··· 89

[그림 3-4] 캐스케이드 난방 시스템의 에너지 공급 개념도 ··· 90

[그림 4-1] 인증단계의 소요량과 실제 사용량과의 비교 ··· 109

[그림 4-2] 난방 소비량 ··· 112

[그림 4-3] 급탕 소비량 ··· 112

[그림 4-4] 조명 소비량 ··· 112

[그림 4-5] 동시사용율 50%의 재실자 100인 건물의 포아송 분포 ··· 115

[그림 4-6] 지수평활화법 적용 개념 ··· 116

[그림 4-7] 지수평활화계수를 적용한 가공데이터( α=0.41) ··· 116

[그림 4-8] 시각 별 에너지 소비형태의 발생 방법 ··· 117

[그림 4-9] 난수발생 데모 ··· 118

[그림 4-10] 에너지 사용량 세분화 결과 (1월) ··· 118

[그림 4-11] 태양광 어레이의 이격거리 ··· 121

[그림 4-12] PV 패널 사양 ··· 122

[그림 4-13] Inverter 정보 (효성 중공업 HS-P50GLO) ··· 122

[그림 4-14] 상업용 연료전지 시스템 개요도 ··· 127

[그림 4-15]Simplified PEM Fuel Cell model 구조 ··· 128

[그림 4-16] Reference conditions Equations ··· 129

[그림 4-17] Simplified PEMFC Model in TRNSYS ··· 130

[그림 4-18] 열 추종 시스템 ··· 133

[그림 4-19] 전력 추종 시스템 ··· 134

[그림 4-20] 지열 시스템의 난방 모드 ··· 135

[그림 4-21] 냉난방 모드의 지열 시스템 구성도 ··· 136

[그림 4-22] 냉난방 모드의 지열 시스템 트랜시스 모델링 개념도 ··· 137

[그림 4-23] 난방 + 급탕용 지열 시스템 구성도 ··· 138

[그림 4-24] 난방 + 급탕용 지열 시스템 트랜시스 모델링 개념도 ··· 139

[그림 4-25] 난방, 냉방, 급탕 부하피크 발생월의 시간별 프로필 ··· 145

[그림 4-26] 월평균 소비량 (난방, 냉방) ··· 146

[그림 4-27] 단일 PV 모듈 설계 정보 ··· 149

[그림 4-28] PV 세로방향 구성 ··· 150

[그림 4-29] PV 가로방향 구성 ··· 150

[그림 4-30] 101동 PV 설치면적 및 배치 ··· 151

[그림 4-31] 102동 PV 설치면적 및 배치 ··· 152

[그림 4-32] 103동 PV 설치면적 및 배치 ··· 152

[그림 4-33] 저밀형 단지 Transys model 개념도 ··· 153

[그림 4-34] 일평균 프로필 ··· 155

[그림 4-35] 103동 태양광 패널 설치현황 ··· 157

[그림 4-36] 102동 태양광 패널 설치현황 ··· 157

[그림 4-37] 101동 태양광 패널 설치현황 ··· 158

[그림 4-38] 201동 태양광 패널 설치현황 ··· 161

[그림 4-39] 207동 태양광 패널 설치현황 ··· 161

[그림 4-40] 연료전지 시스템 상세 ··· 164

[그림 4-41] 부분부하 운전에 따른 효율변화 곡선 ··· 165

[그림 4-42] 연료전지 시스템에 사용되는 전력 및 급탕 부하 변화 ··· 166

[그림 4-43] 열추종 연료전지 시스템 ··· 167

[그림 4-44] 전력추종 연료전지 시스템 ··· 168

[그림 4-45] 지열 시스템 운전제어 개념 ··· 176

[그림 5-1] 지열 시스템 상세 공사비 내역 ··· 208

표 차 례

[표 1-2] 주택의 용도별 에너지 사용현황 ··· 3

[표 1-3] 제로에너지 인증 제도 분야 연구 요약 ··· 8

[표 1-4] 제로에너지 적용기술/경제성 분석 관련 논문 요약 ··· 11

[표 1-5] 주요 연구내용 ··· 12

[표 2-1] ZEH의 다양한 파생적 개념과 국가별 정의 ··· 19

[표 2-2] 등급별 에너지 자립률 ··· 21

[표 2-3] 제로에너지 등급 취득 현황 (2019년 6월기준, 에너지 관리공단) ··· 21

[표 2-4] 각국의 ZEB 적용대상 및 판단기준 ··· 24

[표 2-5] 연도별 단열기준 및 LH ZEB인증제 대응 단열기준(중부지역) ··· 31

[표 2-6] 건축물의 기밀성능 기준 및 2020년 LH 기밀성능 목표 ··· 34

[표 2-7] 국가별 기밀성능 기준 및 측정결과 표현 ··· 35

[표 2-8] 기밀성능 확보를 위한 부위별 고비용 자재 및 저비용 시공방법 ··· 36

[표 2-9]『건축물의 기밀성능 기준』기밀화 가이드라인 1 ··· 36

[표 2-10]『건축물의 기밀성능 기준』기밀화 가이드라인 2 ··· 37

[표 2-11]『건축물의 기밀성능 기준』기밀화 가이드라인 3 ··· 37

[표 2-12] 일조 관련 인동간격 기준 변화 ··· 39

[표 2-13] 단지 배치 형태의 일반적인 분류 ··· 40

[표 2-14] 신․재생 에너지의 종류 및 대상 ··· 42

[표 2-15] 연료전지의 종류별 특성 ··· 46

[표 2-16] 태양전지의 종류별 특성 ··· 51

[표 3-1] LH공사 187개 단지정보(2011~2014) ··· 61

[표 3-2] 검토대상 단지 ··· 62

[표 3-3] 단열수준 변경 상세 ··· 64

[표 3-4] 기타 설비 강화방안 ··· 65

[표 3-5] 화성 A단지 태양광 발전 시스템 설치면적 ··· 66

[표 3-6] 화성 B단지 태양광 발전 시스템 설치면적 (591㎡) ··· 66

[표 3-7] 화성 C단지 태양광 발전 시스템 설치면적 (1,803㎡) ··· 67

[표 3-8] 용량별 연료전지 설치 방법 ··· 67

[표 3-9] 단계별 에너지 자립률 달성방안 ··· 68

[표 3-10] 지역난방 표준형 단지의 단계별 에너지 소비량 상세 (등급용 1차에너지 소요량) ·· 72

[표 3-11] 지역난방 표준형 단지의 단계별 에너지 소비량 상세 (1차에너지 소요량) ··· 72

[표 3-12] 지역난방 표준형 단지의 단계별 자립률 달성 수준 ··· 73

[표 3-13] 지역난방 고밀형 단지의 단계별 에너지 소비량 상세 (등급용 1차에너지 소요량) · 75 [표 3-14] 지역난방 고밀형 단지의 단계별 에너지 소비량 상세 (1차에너지 소요량) ··· 75

[표 3-15] 지역난방 고밀형 단지의 단계별 자립률 달성 수준 ··· 76

[표 3-16] 지역난방 저밀형 단지의 단계별 에너지 소비량 상세 (등급용 1차에너지 소요량) ·· 78

[표 3-17] 지역난방 저밀형 단지의 단계별 에너지 소비량 상세 (1차에너지 소요량) ··· 78

[표 3-18] 지역난방 저밀형 단지의 단계별 자립률 달성 수준 ··· 79

[표 3-19] 개별난방 단지의 측벽 태양광 발전 설치 용량 ··· 81

[표 3-20] 개별난방 표준형 단지의 단계별 에너지 소비량 상세 (등급용 1차에너지 소요량) · 82 [표 3-21] 개별난방 표준형 단지의 단계별 에너지 소비량 상세 (1차에너지 소요량) ··· 82

[표 3-22] 개별난방 표준형 단지의 단계별 자립률 달성 수준 ··· 83

[표 3-23] 개별난방 고밀형 단지의 단계별 에너지 소비량 상세 (등급용 1차에너지 소요량) 84

[표 3-24] 개별난방 고밀형 단지의 단계별 에너지 소비량 상세 (1차에너지 소요량) ·· 84

[표 3-25] 개별난방 고밀형 단지의 단계별 자립률 달성 수준 ··· 85

[표 3-26] 개별난방 저밀형 단지의 단계별 에너지 소비량 상세 (등급용 1차에너지 소요량) ·· 86

[표 3-27] 개별난방 저밀형 단지의 단계별 에너지 소비량 상세 (1차에너지 소요량) ···· 86

[표 3-28] 개별난방 저밀형 단지의 단계별 자립률 달성 수준 ··· 87

[표 3-29] 개별난방 저밀형 단지의 단계별 에너지 소비량 상세 (1차에너지 소요량) ·· 88

[표 3-30] 캐스케이드 표준형 단지의 난방 장비부하 산정결과 ··· 91

[표 3-31] 캐스케이드 표준형 단지의 급탕 장비부하 산정결과 ··· 91

[표 3-32] 캐스케이드 표준형 단지의 난방 순환펌프 사양 ··· 91

[표 3-33] 캐스케이드 표준형 단지의 난방 순환펌프 사양 ··· 91

[표 3-34] 캐스케이드 표준형 단지의 단계별 에너지 소비량 상세 (등급용 1차에너지 소요량) 92 [표 3-35] 캐스케이드 표준형 단지의 단계별 에너지 소비량 상세 (1차에너지 소요량) 92 [표 3-36] 캐스케이드 표준형 단지의 단계별 자립률 달성 수준 ··· 93

[표 3-37] 캐스케이드 고밀형 단지의 난방 장비부하 산정결과 ··· 95

[표 3-38] 캐스케이드 고밀형 단지의 급탕 장비부하 산정결과 ··· 95

[표 3-39] 캐스케이드 고밀형 단지의 난방 순환펌프 사양 ··· 96

[표 3-40] 캐스케이드 고밀형 단지의 급탕 순환펌프 사양 ··· 96

[표 3-41] 캐스케이드 고밀형 단지의 등급용 1차 에너지 소요량 ··· 97

[표 3-42] 캐스케이드 고밀형 단지의 단계별 에너지 소비량 상세 (1차에너지 소요량) 97 [표 3-43] 캐스케이드 고밀형 단지의 단계별 자립률 달성 수준 ··· 98

[표 3-44] 캐스케이드 저밀형 단지의 난방 순환펌프 사양 ··· 100

[표 3-45] 캐스케이드 저밀형 단지의 급탕 순환펌프 사양 ··· 100

[표 3-46] 캐스케이드 저밀형 단지의 등급용 1차 에너지 소요량 ··· 101

[표 3-47] 캐스케이드 저밀형 단지의 단계별 에너지 소비량 상세 (1차에너지 소요량) 101 [표 3-48] 캐스케이드 저밀형 단지의 단계별 자립률 달성 수준 ··· 102

[표 4-1] 실제 사용량 대상 단지 (2등급) ··· 108

[표 4-2] 에너지 효율등급인증 소요량과 실제 사용량의 비교 ··· 110

[표 4-3] 단지별 연간 에너지 요구량(kWh/년) ··· 119

[표 4-4] 건축물 태양광 발전시설 설치 가이드 ··· 121

[표 4-5] PV-Inverter component(type 190d) important parameters ··· 124

[표 4-6] Simplified Fuel Cell model output equations ··· 131

[표 4-7] Fuel Cell model important parameters ··· 132

[표 4-8] 지열 시스템 모델링 컴포넌트 구성 및 관련 설명 ··· 140

[표 4-9] 지열 시스템 컴포넌트 파라미터 및 상세 ··· 141

[표 4-10] 보어홀과 지열히트펌프 용량 설계 사례 ··· 147

[표 4-11] 표준형 단지의 연평균 동별 조명 부하 ··· 148

[표 4-12] 표준형 단지의 태양광 발전 시스템 설치용량 ··· 153

[표 4-13] 표준형 단지의 태양광 발전 시스템 적용 효과 ··· 154

[표 4-14] 고밀형 단지의 동별 조명 부하 ··· 156

[표 4-15] 고밀형 단지의 태양광 발전 시스템 설치용량 ··· 156

[표 4-16] 고밀형 단지의 태양광 발전 시스템 적용 효과 ··· 159

[표 4-17] 저밀형 단지 조명 부하 ··· 160

[표 4-18] 저밀형 단지의 태양광 발전 시스템 설치현황 ··· 162

[표 4-19] 저밀형 단지 태양광 발전 시스템 설치 결과 ··· 163

[표 4-20] 표준형 단지 열추종 방식 시뮬레이션 결과 ··· 169

[표 4-21] 표준형 단지 전력추종 방식 시뮬레이션 결과 ··· 169

[표 4-22] 고밀형 단지 열추종 방식 시뮬레이션 결과 ··· 171

[표 4-23] 고밀형 단지 전력추종 방식 시뮬레이션 결과 ··· 171

[표 4-24] 저밀형 단지 열추종 방식 시뮬레이션 결과 ··· 173

[표 4-25] 저밀형 단지 전력추종 방식 시뮬레이션 결과 ··· 173

[표 4-26] 표준형 단지의 지열시스템 설계용량 ··· 174

[표 4-27] 표준형 단지의 지열시스템 설치결과 ··· 177

[표 4-28] 고밀형 단지의 지열시스템 설계용량 ··· 178

[표 4-29] 고밀형 단지의 지열시스템 설치결과 ··· 180

[표 4-30] 저밀형 단지의 지열시스템 설계용량 ··· 182

[표 4-31] 저밀형 단지의 지열시스템 설치결과 ··· 183

[표 4-32] 1차 에너지 자립률 확보 시나리오 ··· 186

[표 4-33] 표준형 단지의 1차 에너지 소요량 ··· 187

[표 4-34] 표준형 단지의 시나리오-1 결과 (PV) ··· 187

[표 4-35] 표준형 단지의 시나리오-2 결과 (PV + FC) ··· 189

[표 4-36] 표준형 단지의 시나리오-3 결과 (PV + GSHP) ··· 190

[표 4-37] 표준형 단지의 시나리오-4 결과 (PV+FC+GSHP) ··· 191

[표 4-38] 표준형 단지의 시나리오-4-1 결과 ··· 191

[표 4-39] 표준형 단지의 시나리오-4-2 결과 ··· 192

[표 4-40] 표준형 단지의 시나리오-4-2 결과 ··· 192

[표 4-41] 고밀형 단지의 1차 에너지 소요량 ··· 193

[표 4-42] 고밀형 단지의 시나리오-1 결과(PV) ··· 193

[표 4-43] 고밀형 단지의 시나리오-2 결과 (PV + FC) ··· 194

[표 4-44] 고밀형 단지의 시나리오-3 결과 (PV + GSHP) ··· 195

[표 4-45] 고밀형 단지의 시나리오-4 결과 (PV + FC + GSHP) ··· 196

[표 4-46] 고밀형 단지의 시나리오-4-1 결과 (PV + FC + GSHP) ··· 196

[표 4-47] 고밀형 단지의 시나리오-4-2 결과 (PV + FC + GSHP) ··· 197

[표 4-48] 고밀형 단지의 시나리오-4-3 결과 (PV + FC + GSHP) ··· 197

[표 4-49] 저밀형 단지의 1차 에너지 소요량 ··· 197

[표 4-50] 저밀형 단지의 시나리오-1 결과 (PV) ··· 198

[표 4-51] 저밀형 단지의 시나리오-2 결과 (PV + FC) ··· 199

[표 4-52] 저밀형 단지의 시나리오-3 결과 (PV + GSHP) ··· 199

[표 4-53] 저밀형 단지의 시나리오-4 결과 (PV + FC + GSHP) ··· 200

[표 4-54] 저밀형 단지의 시나리오-4-1 결과 (PV + FC + GSHP) ··· 201

[표 4-55] 저밀형 단지의 시나리오-4-2 결과 (PV + FC + GSHP) ··· 201

[표 4-56] 저밀형 단지의 시나리오-4-3 결과 (PV + FC + GSHP) ··· 201 [표 4-57] 단지별 최대 1차 에너지 자립률 산정결과 ··· 202 [표 5-1] 호당 발주공사비 ··· 205 [표 5-2] 공종별 공사비율 ··· 206 [표 5-3] 단지 형태별 총 공사비 ··· 207 [표 5-4] 세부 공종별 구성비율(개별난방) ··· 207 [표 5-5] 단지별 지열 시스템 설치비용 및 호당 추가 비용 ··· 207 [표 5-6] 단열 강화에 따른 호당 추가비용 ··· 209 [표 5-7] 고효율 설비기기 및 조명밀도 개선에 따른 증가 공사비 ··· 209 [표 5-8] 태양광 발전 시스템 추가 공사비 분석 결과 ··· 210 [표 5-9] 연료전지 시스템 추가 공사비 분석 결과 ··· 210 [표 5-10] 지역난방 단지의 단계별 추가 공사비(천원) ··· 214 [표 5-11] 개별난방 단지의 단계별 추가 공사비(천원) ··· 215 [표 5-12] 캐스케이드 단지의 단계별 추가 공사비(천원) ··· 216 [표 5-13] 지열 단지의 단계별 추가 공사비(천원) ··· 217 [표 5-14] 각 단지별 에너지 자립률 1% 확보를 추가비용(천원/호, 5등급기준) ·· 218

제 1 장

서 론

제1장 서론

1. 연구목적 및 배경

1.1 연구목적

본 연구는 정부가 추진 중인 제로에너지 건축물 인증제에 대응하고, 효율적이고 합리적인 공동주택의 에너지 소비를 유도하기 위한 LH공사의 단계적 에너지 성 능 강화 방안 수립을 목적으로 하고 있다.

목 표

제로에너지 건축물 분석 적용기술 도출 및 기술검토

•국내외 제로에너지 건축물 현황 및 관련 기술분석 •제로에너지 건축물 달성 기술현황 및 적용방안 도출

에너지 사용량 조사 단계별 자립률 달성 방안

도출

•실제 에너지 사용량 조사 및 자립률 달성 목표 도출 •패시브, 액티브 기술 적용 및 복합열원 최적화 방안 제시 •기술별 소요비용 검토를 통한 추가 공사비 산출

중장기 대응방안 도출 실증연계방안 제시

•제로에너지 건축물 인증제 대응 방안 제시 •실증 연계방안 도출

[표 1-1] 연구수행 내용

구체적으로는 표 1-1과 같이 제로에너지 건축물관련 국내외 연구동향을 분석하 고 현재 국내․외 학계 및 산업계 등에서 정의하는 제로에너지 건축물의 범위와 대상에 대하여 조사하였다. 아울러, 제로에너지 건축물에 적용될 수 있는 패시브 및 액티브 기술수준을 파악하였으며, 향후 예상되는 지열, 연료전지 등을 열원으 로 하는 복합에너지 공급시스템을 분석하였다. 마지막으로 제로에너지 건축물을 건설하기 위한 추가 공사비를 제시함으로서 향후 사업성 분석에 활용하고자 하 였다.

1.2 연구배경

IEA(International Energy Agency,국제 에너지기구)의 World Energy Balances 2018에 따르면, OECD 국가에서 소비되는 총 에너지 사용량은 1971년(4,244 Mtoe) 대비 2016년 기준 총 9,555Mtoe로 약 2배 이상 증가한 것으로 보고되 고 있다. 주거 부문의 경우 총 에너지 사용량은 전체 에너지 사용량의 약 20%

수준으로 조사되고 있으며, 1971년에 비하여 전체 사용량의 점유율은 다소 하향 한 것으로 조사되었다. 그러나 총량 측면에서는 2016년의 소비량이 1971년 비 하여 약 2배 이상 증가하였기 때문에 실제 소비량은 과거 45년간 같은 비율로 증가한 것으로 분석할 수 있다.

[그림 1-1] 부문별 총 일차 에너지 소비량 변화 (IEA, World Energy Balances 2018)

[그림 1-2] 산업별 에너지 사용량 상세 (IEA, Energy Efficiency Indicators, 2018)

구 분 전력 가스

조명 가전기기 냉방 난방 급탕 총 합

2차 에너지 소비량 [kWh/㎡·년]

46㎡

(2인세대)

10.90 52.42 15.64 82.00 51.69

212.65 5.13% 24.65% 7.35% 38.56% 24.31%

59㎡

(3인세대)

9.64 42.57 18.33 121.77 60.45

252.77 3.81% 16.84% 7.25% 48.18% 23.92%

84㎡

(4인세대)

10.14 36.43 14.53 111.70 56.61

229.41 4.42% 15.88% 6.33% 48.69% 24.68%

1차 에너지 소비량 [kWh/㎡·년]

46㎡

(2인세대)

29.98 144.16 43.01 90.20 56.86

364.20 8.23% 39.58% 11.81% 24.77% 15.61%

59㎡

(3인세대)

26.51 117.07 50.41 133.95 66.50 394.43 6.72% 29.68% 12.78% 33.96% 16.86%

84㎡

(4인세대)

27.89 100.18 39.96 122.87 62.27 353.17 7.90% 28.37% 11.31% 34.79% 17.63%

1차에너지 환산계수(2013.09.01 시행, 건축물 에너지효율등급 인증제도 운영규정) 2.75(전력), 1.1(가스)

[표 1-2] 주택의 용도별 에너지 사용현황

(통계자료를 이용한 주택부문의 에너지소비량 원단위 산정방법, 유정현 외, 2015)

한편, 그림 1-2와 같이 산업별 에너지 사용량의 상세를 확인하면, 주거 부문의 경우 전체 사용량의 약 50% 수준이 난방에 소비된 것을 알 수 있다. 표 1-2는 2~4인 세대를 대상으로 에너지 소비량을 추정한 결과를 나타내고 있으며 거주 원수에 따른 소비량 차이는 있지만, 2차 에너지 소비량 기준 약 70%, 1차에너 지 소비량 기준으로 약 50%가 난방과 급탕에 소비되고 있음을 알 수 있다.

특히, 북반구에 위치한 지리적 특성을 고려하여 우리나라에서는 2006년 이후로 건축물의 에너지 절약설계 기준을 지속적으로 강화해 왔으며 이러한 경향은 건 물성능의 물리적 강화를 위하여 고단열 및 고기밀 주택의 보급으로 이어지게 되 어 결과적으로 고성능의 주택 보급으로 이어지게 되었다.

한편 이와 관련하여 정부에서는 기존의 주택의 에너지 성능 향상과 함께 궁극적 으로 주택에서 소비되는 1차 에너지 사용량을 0에 가깝게 하는 제로에너지 개 념을 도입하게 된다. 구체적으로는 건물 내의 난방, 냉방, 급탕, 조명, 환기에 필 요한 5대 에너지에 대한 합리적 소비를 구현하기 위하여 한층 강화된 에너지 절 약설계기준¹⁾을 제시하였으며, 에너지 전환정책의 일환으로 신재생에너지의 적 극적 도입을 유도하는 제로에너지 건축물 인증제를 2030년부터 모든 건축물에 의무화를 적용하게 되었다. (그림 1-3)

[그림 1-3] 제로에너지 건축물 의무화 로드맵 (국토교통부)

1) 건축물의 에너지절약설계기준 일부개정 (2018.09.01)

[그림 1-4] 제로에너지 건축물 개념 (국토교통부)

현재, 제로에너지 건축물의 명확한 정의는 마련되어 있지 않으나, 우리나라의 경 우 그림 1-4와 같이 패시브 기법과 액티브 기법을 적용하여 건물에서의 에너지 소비량을 최소화 하는 nZEB²⁾ 의 개념을 준용하고 있다. 이러한 제로에너지 건 축물을 달성하기 위해서는 그림 1-4에서 제시한 바와 같이 건물의 계획단계에 서부터 건물의 냉난방 부하를 최소화시키는 고기밀, 고단열 적용 기술을 검토하 여 건물의 물리적 성능을 강화시키는 방안을 모색할 필요가 있다. 아울러 건물 에 설치되는 각종 설비의 고효율화를 유도하고, 신재생에너지시스템의 적극적 도입을 통하여 건물 자체에서 에너지를 효율적으로 소비할 수 있는 조건과 사용 되는 에너지의 일부를 생산 할 수 있는 기틀을 마련할 수 있는 계획이 요구된 다. 아울러, 본 연구에서는 건물 단위동에 대한 개념을 확대하여, 복수의 동으로 구성 된 공동주택 단지에 대한 에너지 자립수준을 확보하기 위하여 복수의 건물 의 복합에너지 공급 시스템을 포함하고 있다.

따라서 본 연구에서는 공동주택의 단지 차원에서의 에너지 자립수준 확보를 목 적으로 제로에너지 건축물 인증제에 대응하기 위한 건축계획적 강화 방안을 기

본으로 태양광 발전 시스템, 지열 및 연료전지 시스템의 적용을 검토하여 제로 에너지 건축물 인증제를 달성하기 위한 방안을 제시하고자 한다.

이상의 내용을 바탕으로 본 연구의 배경을 요약하면 다음과 같다.

1 건축물의 에너지 절약설계 기준 강화 및 적용범위 확대 ◦ 제로에너지 건축물 인증제 적용 확대 및 의무화 예정

․ 1차에너지 소비량의 최소 20%에 해당되는 신재생에너지 시스템을 적용 필요 ․ 20년 공공기관을 시작으로 ’25년까지 모든 건축물로 확대를 예정 중 ․ 장기적 측면에서 제로에너지 건축물 인증 대응 방안 수립 필요

① 건축물 에너지효율등급이 1++ 등급 이상

② 건축물에너지관리 시스템(BEMS) 또는 건축물에 상시 공급되는 에너지원별 원격검 침전자식 계량기 설치 건축물

2 자립률 확보를 위한 적극적 대응 시점 도래

◦ 1차 에너지 소비량의 최소 20% 수준의 신재생 에너지 시스템을 적용 필요 ․ 우리공사는 140여개 단지(11만세대)에 태양광발전시스템(0.1kW/세대)을 설치 및 운용 중 ․ 자립률은 산정 기준에 따라 3.8%~6.25%로 예상

◦ 에너지 자립률 20% 수준을 만족할 수 있는 기술요소 도출 필요 및 실증

태양광발전 시스템의 종합발전 효율을 12%로 가정시 자립률 (114kWh/년․kWp․세대) 조건-1 : 3인기준 연간 전력소비랑 약 3000kWh/년 (조명포함)

자립률 : 114/3000 = 약 3.8%

조건-2 : 3인기준 연간 조명소비량 600kWh/년 (전력 소비량의 약 20% 가정) 자립률 : 114/600 = 약 16.3%

자립률-2 : (114/600)×40% =6.25% (전체 에너지 소비량의 40% 차지)

3 에너지 소비량 평가 대상의 변화 예상

◦ 현재, 에너지효율등급(ECO2)에 준하여 1차 에너지소비량 산정

․ 난방, 냉방, 급탕, 조명, 환기 총 5개 항목에 대한 요구량, 소요량 및 1차 소요량 도출 ․ 1차 에너지 환산 기준 약 30% 이상을 차지하는 가전부문 누락 및 향후 반영 예상 ․ 기존 시스템(PV) 적용 한계 예상 및 Active 기술 요소 도출 필요

2. 기존연구 및 주요 연구내용

2.1 기존연구 분석

국내 ZEB관련 연구는 기존 건축물 에너지 효율 개선, 친환경 건축물, 저에너지 건축물, 패시브 하우스 등의 연구에 기반을 두고 발전되어 왔다. 제로에너지건축 물 인증제도가 시행된 2017년 1월 이후로는 제로에너지 건축물과 관련된 키워 드로 많은 연구들이 진행되어 왔으며, 주 연구 분야는 크게 정책 및 현황분석, 설계 및 기술요소 분석, 비용효율 및 공사비 분석으로 구분할 수 있다. 정책 및 현황분석 연구를 살펴보면 신성우(2015)의 연구에서는 현행 제로에너지 인증제 도가 없던 초기 제로에너지 정책 환경에서 친환경 제로에너지 건축시장 조기 활 성화를 위한 국내외 정책을 비교하여 전력요금 요율체계 개편과 제로에너지 빌 딩의 지구화 사업 등의 방안을 제시하였고, 김예성(2017)은 현행 유사 제도인 녹색건축인증, 건축물 에너지효율등급 인증, 제로에너지건축물 인증의 비교를 통 한 개선안 도출과 제로에너지 건축물의 현황 및 기존 건축물 제로에너지화 유도 를 위한 개선과제를 도출하였다. 또한 이승언 외(2017)의 연구에서 국내 제로에 너지건축물 인증제도와 국외의 평가기준 등을 비교하여 가이드라인 및 개선안을 제시하였다. 정책 및 현황 분석 연구들은 대부분 국내외 정책을 비교하고 연구 가 진행된 당시의 정책 및 평가방법 개선안 등을 제시하는 연구가 주를 이루었 다. [표 1-3]

저자 연도 용도 연구분야

평가항목 인증제 현황 시뮬레이션

주거 주거외 법/가이드라인 지원금/경제성 용적률/건폐율

김민경, 김민영 2011 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎

이충국 외 2012 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎

조동우 2014 ◎ ◎ ◎

신지웅 2014 ◎ ◎ ◎ ◎

신성우 외 2015 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎

채수권 외 3 2016 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎

왕광익 2016 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎

조수, 성욱주 2017 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎

서동현 2017 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎

김기태 외 2017 ◎ ◎ ◎ ◎

김미영, 이종영 2017 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎

김예성 2017 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎

이승언 2017 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎

김대익 2017 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎

김유신 외 2018 ◎ ◎ ◎

[표 1-3] 제로에너지 인증 제도 분야 연구 요약

설계 및 기술요소 분석 분야의 연구로는 정창헌(2017)의 연구에서 PV시스템을 적용한 공동주택의 적정 건축규모를 분석하여 PV만 활용한 경우 현행 제로에너 지 건축물 인증 달성여부를 분석하였다. 결론적으로 PV만 활용한 제로에너지는 달성이 불가능하며, 단독주택인 경우에 한하여 가능한 것으로 나타났다. 공동주 택의 경우에는 지상 3층 6세대까지는 전력수요량을 제로화 가능하지만 열에너지 제로화는 불가능 한 것으로 분석되었다. 윤석열(2012)의 연구에서는 슈퍼단열재 를 적용한 단열성능과 침기량 변화에 따른 패시브하우스 에너지 절감효과를 분석 하였고, 이항주(2018)의 연구에서는 현행 제로에너지건축물 인증제 고도화를 목 적으로 각 부하별 연관성을 분석하였으며, 기후조건, 열관류율, 창 면적 비율과 냉/난방 에너지 소요량 관계를 분석하여 현행 기준의 조정안을 제시하였다.

이명주(2018)의 연구에서는 우리나라의『에너지절약형 친환경주택의 건설기준』

과 독일의 『패시브하우스 기준』을 비교하였고, 공동주택 패시브 디자인 부분에 서 달성할 수 있는 열성능 수준을 세분화하여 향후 패시브하우스 달성을 위한 기 술수준을 제시하였다. 설계 및 기술요소 분석 분야의 연구를 종합해보면 국내외 패시브 기술수준을 비교/분석하여 달성 가능한 건물 자체의 열성능 확보에 주안 점을 두거나, 액티브 디자인의 관점에서 신재생에너지 설비의 조합 또는 신재생 에너지 설비의 에너지 생산량 분석을 통한 제로에너지 달성가능 여부를 판단하였 다.

마지막으로 비용효율 및 공사비 분석 연구분야의 경우 임인혁(2016)의 연구에 서제로에너지 시범단지 공동주택에 대한 추가시공비와 장기수선금을 분석하였 고, 송승영(2012)의 연구에서는 기준모델 건물에 대한 기술수준에 따라 대안별 비용효율 분석을 실시하였다. 분석한 기술수준은 부하저감요소, 고효율설비, 신 재생에너지로 구분하여 각 대안별 시공에 필요한 소요비용과 그에 따른 1차에너 지 저감율을 분석하였다. 조명진(2017)의 연구에서는 제로에너지 건축물 실태조 사와 인터뷰를 통해 제로에너지 건축물 인센티브의 실효성과 인증제도 활성화

방안을 제시하였다. 김미연(2018)의 연구에서는 서울 공동주택 3개 단지에 대 하여 mini-PV, PV, BIPV, STE(Solar Thermal Energy:태양열), GES(Geothermal Energy System:지열)을 적용하여 ECO2 시뮬레이션을 통해 달성가능 여부를 확인하고 각 시나리오별 공사비를 분석하였다. 분석 결과 제로 에너지 인증 달성을 위한 추가 공사비는 면적당 약 3.4만원~3.6만원으로 나타 났으며, 각 단지별로 제로에너지 1등급 달성을 위해서는 면적당 약 20만원의 추 가 비용이 발생 할 것으로 예상하였다. 비용효율 공사비 관련 연구는 해당 기술 의 보급현황과 시장상황에 따라 결과가 크게 변할 수 있다. 따라서 비용-효율 및 공사비 분석 연구의 경우 현재 시장상황에 따라 바로 적용 가능한 기술을 판 단하기에는 적합하지만 향후 가격 변동을 반영하여 분석하기에는 제한된다.

이상의 기존 연구를 종합하면 기존 제로에너지건축물과 에너지 자립에 관한 연 구와 제로에너지 건축물 인증제도 이후의 연구는 정부에서 발표한 제로에너지건 축물 인증제도 계산방법에 따라 분석방법에서 차이를 나타내었다. 2000 년~2015년도 연구에서는 국제적으로 통용되는 제로에너지빌딩의 개념으로 분석 /설명하지만 이후 연구에서는 제로에너지 인증제도의 계산방법에 따라서 연구가 진행되었다. 하지만 제로에너지건축물의 기본적인 개념인 건물성능 향상을 통한 에너지 요구량의 최소화, 설비의 효율화, 신재생에너지 적용 등 큰 틀에서 변화 는 없었으며 향상된 기술들을 반영하고 향후 기술 수준을 예측하는 연구들이 진 행되어 왔다. 또한, 정부에서 제시한 에너지 자립률 기준에 따른 평가 결과는 공 동주택 기준으로 대부분 제로에너지 건축물 인증제에 대응하기 힘든 것으로 나 타났다. 또한 자립률을 확보하더라도 다른 신재생 에너지원을 투입하게 되는 경 우 1차에너지 변환계수로 인하여 불리하게 작용하며, 이를 해결하기 위해서는 지열이나 연료전지보다 PV와 BIPV를 적용해야 비로소 자립률을 확보 할 수 있 게 되는 현상이 발생한다.

저자 연도 용도 패시브 설계 기술 신재생 에너지 적용 기술 연구방법 경제성 분석 주거 주거외 단열 창호 기밀 조명 태양광 태양열 지열 FuelCell 기타 RealCase Simulation

윤종호, 김병수 2007 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎

Yasuhiro Hamada et al. 2011 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎

송승영 외 2012 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎

Ion Visa et al. 2014 ◎ ◎ ◎ ◎

Yuehong Lu et al. 2014 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎

신현철, 장건익 2015 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎

N.W Alnaser 2015 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎

이응신 외 2016 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎

Shihao Zhang et al. 2016 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎

정창헌 2017 ◎ ◎ ◎ ◎

조영진 외 2017 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎

이순명 외 2018 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎

최민주 외 2018 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎

김미연 외 2018 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎

이승민 외 2018 ◎ ◎ ◎ ◎

이아영 2018 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎

김민휘 외 2018 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎

문정현, 김재철 2018 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎

이명주 2018 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎

Lorenzo Bartolucci et al. 2018 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎

Suh, Hye Suh, Kim Daeung Danny 2019 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎

[표 1-4] 제로에너지 적용기술/경제성 분석 관련 논문 요약

※ 기타 신재생 에너지 (Wind Turbine, Biomass, BIPV, etc.)

2.2 주요 연구내용

표 1-5은 공동주택 단지의 에너지 자립률 확보방안 수립을 위하여 단계별로 설 정한 주요 연구내용을 나타내고 있다. 공동주택 단지의 에너지 자립률 확보를 위해서 우선 기존 연구사례 분석을 통하여 공동주택에 적용 가능한 패시브, 엑 티브적 기술의 현황과 현재의 기술수준을 진단할 필요가 있다. 이러한 분석은 건축물의 물리적 성능 강화의 한계를 파악하고, 새롭게 적용할 수 있는 에너지 원의 구성을 검토하는데 유용하게 활용할 수 있을것으로 기대할 수 있다.

주요 연구내용 및 방법 LHI 실무 위탁 비고

1 단 계

연구목표 및 방법 설정 ● ●

기존연구 분석 ● ○ 국내외사례분석

2 단 계

에너지 소비량 파악 및 분석 ● ○ AMI DATA 수집

제로에너지 적용기술 조사 및

적용성 검토 ○ ● ● 기술수준,

적용사례

단지 형태별 자립률 확보방안 도출 ○ ● 지역난방,

개별난방 적용기술 도출 및 자립률 검토 ● ● ● Simulation

단계별 에너지 자립률 설정 ● ○ 요소기술별

추가비용산정

3 단 계

단계별 경제성 분석 ○ ● ● Simulation

실증방안 도출 ○ ● 단지규모

업무분장 : 주 : ●　부 : ○

[표 1-5] 주요 연구내용

한편, 현재 국내에서 의무화를 예정하고 있는 제로에너지 건축물은 에너지 절약 설계기준을 평가하는 ECO-2 프로그램의 1차 에너지 소요량을 기본으로 건물의 물리적 성능을 강화와 적용된 신재생에너지 생산량과의 비율을 이용하여 자립률 을 산정하게 된다. 따라서 기본적으로는 현재 자립률 산정에 필요한 ECO-2 프 로그램의 입력항목을 확인하고 건물의 규모, 에너지 밀도에 따른 분석을 실시하 였다. 동시에 적극적인 에너지 절감 대안으로 검토하고 있는 연료전지, 지열 시 스템과 같은 설비설계를 위해서는 기존 공동주택 단지에 대한 에너지 사용량 데 이터를 토대로 적정 설비설계 용량을 산정할 수 있기 때문에 에너지 효율등급 1 등급을 득한 단지를 대상으로 에너지 사용량을 파악하였다.

특히 신재생에너지 중 태양광 발전 시스템의 설치 면적과 대응 호수와의 관계를 검토하기 위하여 동당 세대수를 변수로 소, 중, 대규모 동으로 구분하여 검토 단 시를 설정하였다. 아울러, 적용기술에 따른 추가 공사비 상승이 예상됨에 따라 적용 기술별 단가를 분석하여 에너지 자립률 단계에 따른 추가 공사비를 산정함 으로서 기술별 경제성을 검토하였다.

3. 연구범위 및 방법

① 연구범위

․ 제로 에너지 건축물 인증 평가 방법을 고려하여, 용적률 200% 전후, 에너지 효율등급 1등급 수준의 단지 선정

․ 입지조건 차이를 고려하기 위하여, 중부 및 남부지역을 기상조건으로 상정 ․ 에너지 성능 강화방안으로 계획적 측면에서는 단열성능 강화, 설비적 측면

에서는 태양광, 지열, 연료전지 검토

② 기술수준 분석 및 시뮬레이션을 통한 자립률 분석

․ 공동주택 적용가능 패시브, 엑티브 기술수준 분석 및 적용성 검토

- 패시브요소의 기술수준 및 시장성 등을 고려하여, 단계적으로 강화할 수 있는 요소 선별 및 경제성 검토

․ 단계적 단열성능 강화에 따른 1차 에너시 소요량 파악

․ 에너지 시뮬레이션을 통한 태양광, 지열, 연료전지 적용 방안 검토

- 패시브 요소를 단계별로 적용하고, 각 단계에 필요한 태양광 발전 설비 설치 용량 및 소요비용 산출

․ 기술수준 향상을 고려한 신재생 에너지 설비의 적용성 검토

제 2 장

국내․외 제로에너지 건축물(ZEB) 현황

제2장 국내․외 제로에너지 건축물(ZEB) 현황 ³⁾

1. 제로에너지 건축물(ZEB)의 정의

1.1 제로에너지 건축물(ZEB) 개념

전술한 연구의 배경과 목적과 같이 건물부문이 차지하는 에너지 소비량 증가를 억제하고 효율적인 소비를 유도하기 위한 다양한 시도는 결과적으로 건물에서의 1차 에너지 소비량을 0에 가깝게 또는 0으로 하는 Zero Energy Building (이하, ZEB)의 개념으로 발전하게 되었다. 다만, ZEB이 건물 내에서 발생하는 모든 에 너지 소비량이 없다는 의미는 아니며, 국가별로 냉방, 난방, 급탕 등 절약대상으 로 설정하고 있는 용도의 에너지 소비량을 0으로 또는 0에 가깝게 만드는 개념 으로 해석할 수 있다.

덧붙여 ZEB와 관련한 명확한 정의는 국가 및 기관에 따라 차이가 있으며, 일반 적으로 미국의 DOE(Department of Energy)⁴⁾, NREL(National Renewable energy Laboratory)⁵⁾, 유럽의 REHVA⁶⁾의 정의를 제시할 수 있다. 구체적인 개 념은 그림 2-1과 같이 건물에서 발생하는 1차 에너지 소비량과 동등한 수준 또 는 상회하는 건물을 ZEH(B) 또는 nZEH(B)(Net Zero Energy House or Building)라고 규정하고 있으며, ZEH(B)에 준하는 일정 수준의 건물을 Nearly ZEH(B), ZEH(B)ready 등으로도 사용되고 있다. 이와 같이 ZEH(B)의 개념은 국가별, 지역별에 따른 제한 조건과 기술적인 한계 등을 이유로

3) 본 장의 내용은 저자가 작성한 “해외기술규제가이드 4, 국가기술표준원”의 “주요국 제로에너지 하우즈 로드랩 및 규제동향”의 일부를 발체하였습니다.

4) "A Common Definition for Zero Energy Buildings", US Department of Energy. 2015 5) Zero Energy Buildings: A Critical Look at the Definition, National Renewable Energy

Laboratory report: NREL/CP-550-39833, 2006

nZEH(B)((Nearly 또는 Near Zero Energy House), ZEH(B) ready, nZEH(B)(Net Zero Energy House) 등 다양한 파생적 개념으로 통용되고 있으며 사용 국가별 특성은 표 와 같다 아울러, 대부분의 국가에서 ZEB의 범위에 ZEH 가 속해있기 때문에 본 연구에서는 ZEB와 ZEH를 구분하여 사용하지 않았다.

[그림 2-1] ZEH(B), NearlyZEH(B)의 통상적인 개념 및 실현방법(일본 위생공학회)

명칭 정의 사용국가

미국 유럽 일본 한국 영국

Zero Energy House(ZEH) Net Zero Energy

House(nZEH)

신재생에너지 등을 이용하여 주택의 1차에너지 소비량이

제로가 되는 주택

● ● ● ● ●

Nearly or Near Zero Energy House(nZEH)

ZEB의 전단계로, 표준주택대비 1차에너지 소비량이 75% 수준이거나,

고단열, 고기밀, 고효율 설비가 적극적으로 적용된

주택

● ● ●

Positive Energy House(PEH)

소비되는 것보다 더 많은 에너지를 생산하는 건물 ●

Zero Energy House ready(ZEHready)

표준주택의 1차에너지 소비량 대비 50% 수준

주택

●

[표 2-1] ZEH의 다양한 파생적 개념과 국가별 정의

2. 국내외 제로에너지 건축물(ZEB) 현황

2.1 국내의 제로에너지 건축물(ZEB) 확대 방안

정부는 2016년 기존 제로에너지건축 의무화 로드맵⁷⁾에서 2020년부터 5백 ~3천

㎡의 중소규모 건축물을 시작으로 모든 건축물에 대하여 제로에너지 건축물 인증 제를 의무화를 예정하였다. 그러나 추가 공사비 등의 문제에 따라 연면적 1천㎡

이상의 대형 건축물부터 단계적으로 제로에너지 건축물 인증제를 적용하는 것으로

일부 계획을 변경하였으며 구체적으로 단기적으로는 2025년부터 5백㎡이상의 공공건축물과 1천㎡이상의 민간건축물 및 30세대 이상의 공동주택으로 대상 범 위를 일부 수정하였다⁸⁾.

한편, 제로에너지 건축물 인증제는 건축물 에너지효율 1++등급 이상을 득하고 건축물에너지관리시스템⁹⁾(BEMS) 또는 원격검침전자식 계량기가 설치된 주택 을 대상으로 식1과 같이 건물에서의 에너지 소비량과 신재생 에너지시스템으로 부터 생산한 에너지와의 비율로 자립률을 산정하게 된다.

에너지자립률(%) =

1차 에너지 생산량 (kwh/㎡y)¹⁰⁾

━━━━━━━━━━━━━━━━ × 100 ···식1) 1차 에너지 소비량 (kwh/㎡y)¹¹⁾

표 2-2는 제로에너지 건축물 인증제의 등급별 에너지 자립률을 나타내고 있으 며, 자립률 100% 이상인 1등급을 시작으로 최소 20%을 만족하는 5등급까지 5 개 구간으로 대별할 수 있다. 아울러 제로에너지 건축물 인증제 달성을 위해서는 건물성능의 강화 및 신재생에너지 설비의 추가에 따른 경제적 부담이 발생하기 때문에 정부에서는 에너지 자립률에 따라 법 및 조례에서 정하는 용적률·건축물 최고높이 기준을 최소 11%~최대 15%까지 완화하는 방안을 제시하고 있다¹²⁾.

8) 제로에너지건축 활성화 추진방안,국가건축정책위원회, 2016.12

9) ｢건축물의 에너지절약 설계기준｣의〔별지 제1호 서식〕 2. 에너지성능지표 중 전기설비부문 8. 건축물에너 지관리 시스템(BEMS) 또는 건축물에 상시 공급되는 모든 에너지원별 원격검침전자식 계량기

10) 1차 에너지 생산량 =(신재생에너지로 생산하는 에너지량 - 신재생에너지 생산에 수반되는 에너지량) × 1차 에너지환산계수 11) 1차 에너지 소비량 = (건축물 에너지 소요량 + 신재생에너지로 생산하는 에너지량) × 1차 에너지환산계수 12) 녹색건축물조성지원법 제15조, 에너지절약설계기준 제17조