1.1 연구배경 및 목적

우리나라는 온실가스를 2030년까지 BAU 대비 37% 감축하는 것을 목표로 감축로드맵을 진행하고 있다. 감축 목표를 달성하기 위해서 산업전반뿐만 아니라 건축물에서도 32.7%의 온실가스를 감축해야 한다.⁽¹⁾ 이런 정책적 차원에서 2020년부터 단계적으로 연면적 1,000 ㎡ 이상 신축 공공건축물, 2025년부터는 연면적 500 ㎡ 이상 신축 공공건축물, 연면적은 1,000 ㎡ 이상 신축 민간건축물, 30세대 이상 공동주택, 2030년부터는 연면적 500 ㎡ 이상 모든 용도 신축 건축물은 제로에너지빌딩 의무화가 시행된다.⁽²⁾ 서울시는 더 앞서나가 2023년부터 서울시 모든 신축 건축물은 제로에너지빌딩 의무화를 추진하고 있다.⁽³⁾

Jo⁽⁴⁾의 연구에 따르면 한국에너지공단의 주택지원, 태양광 대여사업, 융․복합지원을 통해 보급된 누적 신재생 가구 수는 2013년에 19.4만 가구에서 2017년 33.8만 가구로 증가하였다. 2017년 기준으로 29.3만 가구는 태양광 설비를 설치한 가구로 87%를 차지하고 나머지 4.5만 가구는 태양열, 지열, 연료전지, 바이오, 소형풍력을 합친 비태양광 설비를 설치한 가구이다. 태양광 설비 설치 가구의 비중이 나머지 신재생에너지원을 합친 비태양광 가구보다 약 7배나 더 많아 태양광을 중심으로 보급되고 있다.

본 연구에서는 2025년부터 공동주택에서도 본격적으로 시행으로 에너지자립률 최소요건인 20% 이상 충족 하기 위해서 1차에너지소비량을 효과적으로 줄일 수 있는 방안과 효율적인 신재생에너지 시스템 선택에 대한 고민이 커질 것으로 예상된다. 이러한 고민에 대해서 하나의 방안을 제시하는 것을 목적으로 하고 있고 이에 대한 영향을 분석하고자 한다.

1.2 제로에너지빌딩 인증

제로에너지빌딩 인증제도는 건축물의 에너지부하와 신재생에너지를 활용하여 에너지소요량을 최소화하는 녹색건축물 대상으로 에너지자립률에 따라 1~5등급으로 구분하여 인증을 부여하는 인증제도이다. 제로에너지 빌딩 인증제도의 최소 요건인 5등급의 기준은 건축물에너지효율등급 1++ 이상, 에너지자립률 20% 이상, BEMS 또는 원격검침 전자식 계량기 설치이다. 건축물에너지효율등급 1++ 이상 기준은 주거에서는 90 kWh/㎡․yr 미만, 비주거는 140 kWh/㎡․yr 미만으로 구분된다. 여기서 건축물에너지효율등급과 에너지자립률을 산출할 때 1차 에너지로 환산해서 계산하기 때문에 1차 에너지 환산계수가 중요해진다. 1차 에너지 환산계수는 다음 Table 1과 같다.⁽⁵⁾

1차 에너지 환산계수를 보면 지역난방이 연료와 전력보다 1차 에너지 환산에서 작게 계산이 된다. 특히 에너지자립률에서 지역난방과 가스보일러를 비교하게 되면 열원을 지역난방으로 사용했을 경우 가스보일러 보다 1차 에너지소비량이 대략 34% 작다. 이는 열사용만 비교했을 경우 신재생에너지 용량을 가스보일러보다 34% 적게 설치할 수 있다.

2.1 표준모델

2020년 착공한 전용면적 84 ㎡ 단일세대로 구성되어있는 실제 A아파트단지를 표준모델로 선정하였다. 아파트 단지는 5개동 512세대와 주민공동시설(경로당, 어린이집, 도서관, 주민운동시설, 관리사무소)로 구성이 되어있다. 아파트단지의 건축개요는 Table 2와 같다.

2.2 비교모델

열원에 따른 신재생에너지별로 신재생에너지 설치용량과 초기투자비용을 비교하고자 한다. 신재생에너지원은 태양광발전(PV), 지열히트펌프(GSHP), 연료전지(Fuel Cell)로 선정하였고 난방방식은 중앙공급방식으로 적용 하였다. 비교모델은 다음 Table 3과 같다.

신재생에너지원별 조건은 다음 Table 4와 같다. 신재생에너지원별 단위 에너지생산량은 ｢신․재생에너지 설비의 지원 등에 관한 지침｣⁽⁶⁾에서 고시한 신재생에너지원별 단위 에너지생산량 및 원별 보정계수를 이용 하였다. ｢제로에너지빌딩 2020 인증안내서｣⁽⁷⁾에서 신재생에너지시스템에서 생산한 열에너지의 환산계수를 1로 연료로 생산하는 열의 환산계수인 1.1 보다 작게 산정하였다. 이로 인해 신재생에너지원 따라 1차 에너지소비량과 신재생에너지 1차 에너지생산량 차이가 발생한다.

3.1 아파트단지 에너지소요량 비중

아파트(주거)와 주민공동시설(비주거)의 에너지소요량을 ECO2를 이용해서 시뮬레이션하였다. 아파트(주거)의 냉방설비가 없는 경우 냉방평가 항목에서 제외할 수 있다. 아파트(주거)는 난방, 급탕, 조명, 환기만 평가하였고 주민공동시설(비주거)은 냉방, 난방, 급탕, 조명, 환기를 평가하였다. 난방, 급탕부하는 열에너지를 냉방, 조명, 환기는 전기에너지를 사용하는 것으로 평가하였다.

Table 5와 같이 아파트단지 전체 에너지소요량 비중 중에서 아파트(주거)가 97.5%, 주민공동시설(비주거)은 2.5% 차지하고 전체 에너지소요량은 3,410,060 kWh/yr이다. 주민공동시설(비주거)뿐만 아니라 아파트(주거)에도 생산한 신재생에너지를 분배해야 한다. 태양광 발전만 설치한다면 396,071 kWh/yr 전기에너지를 생산해야 한다. 1,709 ㎡ 설치 면적이 필요하면 이는 아파트와 주민공동시설의 유효 지붕면적이 2,440 ㎡로 70%를 차지하게 된다. 설치 장소의 주변 음영 여부, 방위, 지붕 형태 등의 요소까지 고려하면 태양광 발전만으로 에너지자립률 20%를 충족하기 어려울 수 있다. 또한 본 논문의 표준모델은 5개동 27~29층으로 이보다 고층이고 세대수가 많은 단지일수록 에너지자립률 20%를 충족하기 어려워질 수 있다. 연료전지를 설치한다고 해도 연료전지의 연료 소비비용이 전기 생산금액보다 더 크기 때문에 전기와 열을 동시에 사용하지 않으면 경제성이 없어 운영할수록 손해가 발생한다. 따라서 제로에너지빌딩 인증의 최소요건인 에너지자립률 20%를 만족하기 위해서는 연료전지나 지열히트펌프, 태양열 축열장치 등의 신새쟁에너지시스템으로 열에너지를 생산하고 사용해야 할 경우도 발생할 수 있다.

3.2 아파트 난방방식

｢아파트주거환경통계｣ 2018년 통계자료⁽⁷⁾에서 아파트 난방방식 비중은 Table 6과 같이 개별난방방식이 대략 60% 대다수를 차지하고 있고 그다음은 지역난방 21%, 중앙난방 17%, 기타 2% 순이다. 하지만 앞서 아파트단지의 에너지소요량 비중을 분석해 보면 신재생에너지 설비에서 만든 에너지를 낭비하지 않고 효율적으로 이용하기 위해서는 불가피하게 아파트(주거)도 공급해야 한다. 현재 제로에너지빌딩 인증의 최소요건인 5등급의 에너지 자립률이 20~40%이지만 이 정도 수준의 에너지자립률은 제로에너지빌딩으로 보기 어렵다. 건축물에너지효율 등급과 같이 제로에너지빌딩도 향후 등급이 점진적으로 상향될 가능성이 있다. 1등급씩 기준이 상향될 때마다 에너지자립률은 20%씩 늘어나기 때문에 아파트단지의 열부하 일부도 신재생에너지로 감당해야 한다. 아파트 (주거)도 열에너지를 공급해야하기 때문에 중앙공급방식이 증가할 수 있다.

4.1 열원에 따른 1차 에너지소비량 비교

열원에 따라 가스보일러와 지역난방의 1차 에너지소비량을 비교하였고 다음 Table 7과 같이 지역난방을 사용 했을 경우 가스보일러보다 1차 에너지소비량이 13.6% 작게 평가되었다. 이는 앞서 Table 1에서 1차 에너지 환산 계수가 지역난방이 0.728로 가스 1.1 보다 작기 때문에 열원을 지역난방으로 사용했을 경우 1차 에너지소비량이 가스보일러보다 줄어든다. 1차 에너지소비량이 줄어들면 에너지생산량도 줄어들기 때문에 신재생 에너지 설비용량도 그만큼 줄일 수 있다.

4.2 열원과 신재생에너지원에 따른 신재생에너지 용량 비교

신재생에너지원에 따라 에너지자립률에 대한 계산방식은 ｢제로에너지빌딩 2020 인증안내서｣에 예시를 통해 자세하게 설명되어 있다. 계산방식에 따라 각 비교모델의 신재생에너지원별 에너지자립률 20%에 해당한 신재생 에너지 용량을 계산하였다. 열원과 신재생에너지원에 따른 신재생에너지 용량의 비교를 위해 몇 가지 전제 조건을 가진다. 가스보일러의 난방방식은 중앙난방이고 연료전지에서 생산하는 전기와 열에너지를 전부 사용 한다는 가정으로 단순 수치적으로 비교하였다. Table 8은 열원과 신재생에너지원에 따라 에너지자립률 20%를 만족하기 위한 신재생에너지 1차 에너지생산량과 신재생에너지 용량, 설치 면적을 나타낸 표이다.

에너지자립률 20%를 만족하기 위한 신재생에너지 용량은 지열히트펌프가 가장 컸고 연료전지가 가장 작게 계산되었다. 신재생에너지생산량에 대한 1차 에너지 환산계수가 전기는 2.75, 열은 1을 적용하기 때문이다. 태양광 발전이 지열히트펌프보다 설비용량 측면에서는 유리하다. 하지만 태양광 발전의 이용률이 평균 15.3%로 높지 않아 태양광 발전이 지열히트펌프보다 더 많은 면적이 필요한 것으로 나타났다. 또한 지열히트펌프는 지하에 설치하는 반면 태양광 발전은 주로 옥상이나 지상에 설치해야 해서 지열히트펌프보다 공간적 제약이 크다. 연료전지는 전기와 열을 동시에 생산하기 때문에 용량과 설치면적이 가장 작았지만 열에너지를 사용하지 않고 전기에너지만 사용한다면 용량은 33%, 설치면적은 10% 더 증가한다.