1.1 연구의 배경

전 세계적인 급속한 도시화에 따른 인구 증가로 도시의 에너지 부족과 환경적 문제를 일으키고 있어, 도시 단위의 에너지 소비 저감 및 탄소배출이 중요한 사회문제화 되고 있다⁽¹⁾. 우리나라의 온실가스 정책은 파리기후협약에 따라 2030년까지 온실가스배출전망치(BAU, Business As Usual) 대비 37%의 감축하도록 하고 있다⁽²⁾. 2018년 온실가스 로드맵 수정에 따라 건물부문은 당초 18.1%에서 32.7%로 상향 조정됨에 따라 건축물의 에너지 절감과 효율화에 관심이 증가되고 있다⁽³⁾. 제로에너지빌딩 인증 의무화는 2014년 국토교통부의 로드맵 발표로 단계적으로 시행되었고, 2017년 제로에너지빌딩 인증제 도입(시장형 공기업 의무화), 2018년 준시장형 공기업으로 확대, 2019년 6월 세부 로드맵 개편으로 「녹색건축물 조성 지원법」및 시행령 개정으로 ‘20년 인증 의무화 시행을 위한 법적 근거를 마련하였다. 2020년부터 연면적 1,000㎡ 이상 공공건축물 의무화하고, 2025년부터는 민간건축물 대상으로 범위가 확대될 예정이다. 또한, 국토교통부에서 2019년 6월 ‘제로에너지 건축보급 확산 방안’을 발표하여 지구단위 제로에너지 시범사업을 추진 중에 있다⁽⁴⁾.

정부는 2020년 7월 14일 ‘한국판 뉴딜’을 발표하면서 ‘그린뉴딜’을 통해 ‘공공시설 제로에너지화’, ‘저탄소 분산형 에너지 확산’ 등 에너지와 관련된 정책을 통해 친환경과 탄소저감 등 그린경제로의 전환을 가속화하여 탄소중립을 지향하고, 에너지 절약과 환경 개선, 신재생에너지를 확산하겠다고 했다⁽⁵⁾.

건축부문에서는 제로에너지 건축물(Zero Energy Building, 이하 ZEB) 인증기준의 단계적 의무화에 따라 에너지소비가 감소될 것으로 예상되나, 도시단위의 제로에너지에 대하여는 에너지자립률 등의 정량적인 기준의 부재로 새로운 에너지 분석이 필요하다⁽⁶⁾.

본 연구는 제로에너지 도시(Zero Energy City, 이하 ZEC)의 시범도시를 대상으로 도시단위 에너지의 정량화에 필요한 태양광 발전설비에 대해 일조분석을 통한 설치유형별 발전용량과 에너지자립률을 분석하였다.

1.2 연구의 목적 및 방법

본 연구에서는 도시단위의 일조분석을 통해 ZEC를 위한 건물부착형 태양광 발전설비의 가용량 분석 결과를 제시함으로써 ZEC의 에너지자립률에 미치는 영향을 정량적으로 공유하는 데 목적이 있다.

도시단위에 적용 가능한 태양광 설치방법을 고찰하고, 일조분석을 통한 태양광 설치면적과 가용 발전량을 예측하고, 도시의 에너지자립률에 미치는 영향을 분석하였다.

2.1 태양광설비 시공기준의 설치유형별 분류

신·재생에너지 설비의 지원 등에 관한지침’(신·재생에너지센터 공고 제2020-05호)의 제7조1항 관련(별표1)의 ‘신ㆍ재생에너지 설비 원별 시공기준’의 ‘2. 태양광 설비 시공기준’의 설치유형별 정의는 표 1과 같으며, 지상형(일반지상형, 산지형, 농지형), 건물형(설치형, 부착형(BAPV), 일체형(BIPV)), 수상형으로 분류되어 있다.

본 연구에서는 공공주택지구의 건축물 용도를 고려하여 건물설치형과 건물부착형(Building Attached Photovoltaic, 이하 BAPV)을 대상으로 분석하였다.

2.2 일조 관련 규정

일조와 관련한 규정은 건축법 및 태양광 시공기준의표 2와 같이 규정되어 있다.⁽⁸⁾.

2.3 ZEB 정의 및 인증기준

ZEB는 ‘녹색건축물 조성 지원법(이하 ’녹색건축법‘)’ 제2조 4호에 “건축물에 필요한 에너지 부하를 최소화하고 신에너지 및 재생에너지를 활용하여 에너지 소요량을 최소화하는 녹색건축물”로 정의하고 있다⁽⁹⁾.

ZEB 인증기준은 ‘건축물 에너지효율등급 인증 및 제로에너지 건축물 인증에 관한 규칙(이하 건축물에너지인증규칙)’에 따라 에너지 성능을 정량적으로 평가하여 제로에너지 실현 정도에 따라 5개 등급으로 구분하여 인증하는 제도이다⁽¹⁰⁾.

건축물 에너지효율등급은 ‘건축물에너지효율등급 및 제로에너지건축물 인증기준(국토교통부고시 제2020-174호, 이하 ’건축물에너지인증기준‘이라 한다.)의 ‘[별표2] 건축물 에너지효율등급 인증등급’에서 제시하고 있으며, 표 3에서 건축물에너지효율 1++등급 이상의 건축물을 대상으로 에너지자립률 및 건축물 에너지관리시스템인 BEMS 설치 여부에 따라 평가된다⁽¹¹⁾. 에너지자립률은 식(1)과 같이 건축물의 소비 에너지량 대비 생산 에너지량의 비율이다⁽¹²⁾.

1) 단위면적당 1차 에너지 생산량(㎾h/㎡ㆍ년)

= Σ{(신ㆍ재생에너지 생산량 - 에너지 생산에 필요한

에너지량) × 해당 1차 에너지 환산계수}/평가면적

2) 단위면적당 1차 에너지 소비량(㎾h/㎡ㆍ년)

= 단위면적당 1차 에너지소요량과 에너지생산량의 합

2.4 대상지구의 구역별, 유사용도별 구분

도시 단위의 대상지구 전체를 분석하기 위해 그림 1과 같이 토지이용계획의 용도별로 차이를 구분하여 구역별, 유사용도별로 10개 구역(Area)으로 구분하여 분석하였다.

Fig. 1. Area classification of target district

3.1 대상지구 일조 분석 기준

대상지구의 일조 분석은 ‘신재생에너지 설비의 지원 등에 관한 지침’ 중 태양광설비 시공기준에 따른 총 일조 5시간 이상 만족 여부와 춘분, 추분 중 일조시간이 가장 짧은 날을 기준으로 분석하였다. 일조분석 프로그램은 Sanalyst 4.0을 사용하였으며, 대상위치는 위도 37° 38′4″, 경도 127° 6′56″로 설정하였다. 사업지구의 일조 시뮬레이션 결과는 그림 2와 같다.

Fig. 2. Analysis of sunlight by time zone

3.2 건물설치형(옥상) 태양광 일조분석

Fig. 3. Solar analysis for calculating the area of rooftop solar power generation(A-1, A-2)

3.3 건물부착형(외벽) 일조분석

Fig. 4. Solar analysis for BAPV area calculations (A-1, A-2)

3.4 일조분석 결과를 반영한 발전량 비교

용도별 10개 구역(Area)에 대한 건물설치형 및 건물부착형 태양광발전설비의 설치유형별 설치면적 및 발전용량은 표 6과 같이 분석되었다.

3.5 발전량에 따른 에너지자립률 산정

ZEB의 에너지자립률은 식(1)에 따라 1차 에너지 생산량 및 소비량을 산정하여야 한다.

대상지구에 대한 1차 에너지 소비량은 한국에너지공단의 에너지효율등급 평가프로그램인 ECO2를 사용하지만, 건축물의 상세 설계 전에 추정하여야 하므로 건축물의 용도별 면적을 산출하고 용도에 따른 단위면적당 1차에너지 소비량을 적용하여 에너지 자립률을 산정하였다.

4.1 건축물 용도별 에너지자립률

표 7과 표 8의 연면적과 연간 단위면적당 1차 에너지 소비량에 대한 건축물 용도별 1차 에너지 소비량과 에너지자립률은 표 9와 같으며, 공동주택, 교육시설(공공, 민간), 문화시설, 도시지원시설 순으로 에너지자립률이 높은 것으로 분석되었다.

표 9와 같이 태양광발전 가능면적에 따른 건물설치형 및 건물부착형의 태양광 생산량(발전량)은 각각 37,118[㎿h/년], 3,884[㎿h/년]로 산정되었다.

4.2 구역별 에너지자립률

연간 단위면적당 1차 에너지 소비량에 의한 구역별(Area) 건물설치형(옥상)과 건물부착형(외벽) 태양광의 설치용량, 에너지자립률은 표 10과 같다.

에너지자립률은 건물설치형이 24.09%, 건물부착형이 2.52%로 산출되었으며, 연간 발전량은 건물설치형이 약 90.53%, 건물부착형은 9.47%로 분석되어 건물설치형의 비중이 높음을 알 수 있다.