박윤미
(Yun Mi Park)
1†
서무경
(Moo Kyoung Seo)
1
박진철
(Jin Chul Park)
2
-
중앙대학교 일반대학원 건축공학과 석사과정
(
Master Course, Architectural Engineering, Graduate School, Chung-Ang University, Seoul,
06974, Korea
)
-
중앙대학교 건축학부 교수
(
Professor, School of Architecture & Building Science, Chung-Ang University, Seoul,
06974, Korea
)
Copyright © 2016, Society of Air-Conditioning and Refrigeration Engineers of Korea
Key words
Measurement & Verification(M&V, 측정 및 검증), Energy saving(에너지 절감), ESCO(에너지절약전문기업), Green remodeling(그린리모델링), Green new deal(그린뉴딜)
1. 연구배경 및 연구방법
1.1 연구배경 및 목적
2020년 5월 ‘제 2차 비상경제 중앙대책본부 회의’에서 ‘한국판 뉴딜’의 3대 프로젝트와 10대 중점 추진과제를 담아 추진방향이 발표 되었다.
발표된 한국판 뉴딜의 주요 정책 방향인 그린뉴딜에서 ‘그린리모델링’은 핵심 추진과제로 선정되었다. 더불어 한국에너지공단은 올해 7월부터 노후화된 건물의
에너지효율향상 활성화를 위한 건물에너지진단 관련 사업을 진행하고 있다고 밝혔다. 현재 20년 이상의 기존 건축물의 비율은 58.2%이며 앞으로 노후화된
건물의 비율은 점차 증가하게 되고 노후건물의 에너지효율사업은 필수적인 상황이 된 것이다.
이들 사업의 주요 목적은 노후화된 건물의 에너지 성능을 개선하여 에너지 효율적인 건물을 추구하는 것이며 이 목적을 달성하기 위해서는 객관적으로 에너지
절감량을 산출하여 얼마나 효율적인 건물이 되었는지 정확하게 평가하는 기준이 중요하다. 에너지 절감량 산출을 위한 방법론인 측정 및 검증(Measurement
and Verification, 이하 M&V) 방법론이 국제적으로 통용되고 있다. 하지만 아직 (Building Energy Measurement
System, 이하 BEMS)가 활성화 되지 않은 상황에서 실제 에너지 사용 데이터를 확보하기 어렵고 특히 에너지 절감 기술이 도입되기 이전인 베이스라인은
과거의 시점이기 때문에 에너지 데이터를 관리하고 있지 않았다면 더욱이 데이터 수집에 문제가 있을 수 있다.
가장 쉬운 데이터 확보 방법인 월별 에너지고지서의 데이터로 M&V를 진행하는 방법이 있으나 Kong et al.(1)은 이러한 방법에 불확실성의 리스크가 있다고 확인하였고, Yoon et al.(2)은 머신러닝 등을 기반으로 베이스라인을 예측하고자 하는 연구를 진행하였으나 이는 비전문가가 접근하기 어려운 방법이기 때문에 베이스라인 기간의 부족한
데이터를 대체 할 수 있는 표준화된 방법론이 필요한 상황이다.
본 연구에서는 최근 건물에너지 성과 분석의 중요성이 대두되는 상황에 따라 M&V 문헌을 고찰하고, 특히 국외 M&V 방법론을 분석하여 베이스라인 기준
설정에 대한 국내외 자료를 비교분석 하였다. 이와 같은 연구는 추후 건물에너지 성과 분석 및 베이스라인 산정 등을 위한 기초자료로 사용될 것이다.
1.2 연구방법 및 범위
본 연구에서 수행된 연구의 방법 및 범위는 다음과 같다. 먼저 국내에 제시되고 있는 M&V 가이드라인 내용을 분석하여 국내 베이스라인 기준에 대해
파악하였다(국내 M&V 가이드라인은 2015년 에너지관리공단이 제공한 ‘기기 교체 등에 대한 에너지 절감량 산출 M&V 가이드라인’과 ‘에너지 절감
산정 방법론’을 분석). 또한, 국외 M&V 방법론의 베이스라인 기준을 조사하여 동향과 특성을 분석하였다(국외 가이드라인은 ‘M&V Guidelines
: M&V for Performance-Based Contracts Version 4.0’, ‘IPMVP Volume Ⅲ’, ‘End-Use Metering
Absent Baseline Measurement: An M&V Protocol Application Guide’, ‘ASHRAE Guideline
14’을 분석). 이러한 국내외 자료를 비교 분석하여 국내에서 활용할 수 있는 베이스라인 산출 방안을 제시하였다.
2. 이론고찰
2.1 M&V 개념
M&V는 측정 및 검증이라고 하며 에너지 절약 조치(Energy Conservation Measure, 이하 ECM) 등에 의해 제공되는 절감액을
정량화하기 위한 프로세스를 의미한다. 측정 및 검증은 총 비용 절감이 아니라 ECM이 사용하지 않은 에너지의 양을 나타내며 이 프로세스를 통해 에너지
절감 기술이 제공하는 에너지 절약을 공정하게 평가 할 수 있다. M&V 프로세스를 구현하기 위한 용어와 단계를 정의하기 위해 IPMVP와 같은 다양한
프로토콜이 제시되고 있다.
이러한 프로토콜에는 M&V를 적용하고자 하는 접근 방법, 옵션에 대해 설명하고 있다. 옵션들은 절감기술의 상호작용이 있는지, 개별설비 또는 건물 전체의
절감량을 확인할지에 대한 관점으로 구분하였으며 그 중 IPMVP의 옵션을 도식화 하여 Fig. 1로 나타내었다. 즉, 옵션 A와 B의 경우 건물 전체 에너지사용과 상호작용이 적은 경우, 다른 설비의 에너지사용량과 분리하여 적용된 에너지 절약조치
성능에 초점을 맞추어 계산하는 방법이다. 옵션 C의 경우 건물 전체의 상호작용을 고려하여 전체 에너지 절감량을 산정하며 옵션 D는 설비 또는 전체
건물의 에너지 성능 시뮬레이션에 기초하여 에너지 절감량을 계산한다.
ASHRAE의 경우 옵션의 구분이 약간 상이하나, 전반적인 관점에서의 구분 기준은 비슷하다고 볼 수 있으며 Table 1에 이를 비교하여 정리하였다.
Fig. 1 Retrofit-isolation M&V methods(options A, B) vs whole-facility methods(options C, D).
Table 1. Comparison of M&V options
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IPMVP
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ASHRAE Guideline 14
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Option
A
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Interactive effects
can be reasonably estimated
or ignored
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- The magnitude of savings is low
- Based on a combination of measured and estimated factors
- Measurements are short-term, periodic, or continuous
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↔
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Retrofit Isolation
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- Measures the energy use and relevant independent variables of the individual systems
and equipment affected by the retrofit
- Determine savings of individual ECMs
- Measurement Boundary : Equipment or systems affected by retrofit
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Option
B
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- Use short-term, periodic or continuous measurement of all parameters needed to calculate
energy use
- Results are typically more precise using Option B than the estimations defined for
Option A
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Option
C
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Interactive effects
can be
estimated
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- Savings are predicted to be greater than about 10% to 20% of the overall consumption
- Measured by the utility or submeter on a monthly basis.
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↔
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Whole
Building
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Prescriptive
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Building
or
facility
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- Most appropriate where the expected savings are greater than10% of the measured
energy use or demand
- Data are continuous and complete
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Performance
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- Most appropriate where the data are not continuous, have gaps
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Option
D
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- Whole facility or system analysis procedures to verify the performance of retrofit
projects using calibrated computer simulation models
- The energy model will be calibrated with past utility data
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↔
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Whole Building Calibrated
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- Particularly suited to accounting for multiple energy end uses, especially where
interactions occur between measures
- Consider use if utility data is unavailable or measurement alone cannot easily determine
savings
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더불어 M&V는 6가지 기본 원칙을 기반으로 한다. M&V는 정확해야하며 프로젝트의 모든 효과를 완전히 고려해야하고 불확실한 부분에 대해서는 보수적인
방법으로 평가해야 한다. 또한 프로젝트를 일관성 있게 진행해야하고 에너지 절감과 관련된 모든 변수를 기반으로 에너지 절감을 산출해야 하며 M&V 활동은
명확하고 완전하게 공개되어야 한다.
2.2 M&V 베이스라인 설정
M&V의 첫 번째 단계는 베이스라인을 설정하고 예상 절감액을 결정하는 단계이다. 이때 베이스라인은 ECM 등이 적용된 이후의 성능을 비교하기 위해
제시되는 시스템, 기간, 에너지 사용량 또는 요건을 의미하며 절감액을 산출하기 위한 기준이 된다. ECM이 적용된 이후에는 베이스라인을 다시 계측,
설정하기 어렵기 때문에 베이스라인 조건을 적절하고 정확하게 정의하는 것이 중요하다. 베이스라인 설정을 위한 정보를 다음 Table 2와 같이 정리하였다.
Table 2. M&V baseline document information
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Category
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M&V Baseline Document Information
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Identification of the Baseline Period
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The time period over which the facility or system baseline conditions are assessed
and documented.
This baseline period is often a year but can be any period depending on the specific
M&V needs
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Baseline Utility Consumption and Demand Data
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The baseline utility may be billing data if an Option C approach is being used, or
could be field collected interval data, or spot measurement data if Options A or B
are being used. This includes the data over the measurement period(Dependent variable)
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Utility-Influencing Variable Data
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This may include variables such as production data, ambient temperature, baseline
equipment speed, pressure or any other variable collected through spot measurements,
short or long-term metering(Independent variable(s))
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Operating
Conditions
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Define the prevailing operating conditions corresponding to the dependent and independent
variables (e.g., baseline utility consumption and demand data, utility-influencing
variable data) during the identification of the baseline period(Occupancy type etc.)
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Table 3. M&V techniques
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Contents
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M&V
Techniques
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Metering And Monitoring
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Utility Meter (gas or electricity) Billing Analysis
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Computer Simulations, e.g., DOE-2 Analysis
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Agreed-Upon Stipulations by The Owner and The ESCO
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Baseline energy and demand consumption may be determined to be equal to or less than
any applicable minimum energy standards
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To establish a baseline figure on which all savings calculations are based, the generally
agreed upon method is to average the previous 1-3 years of consumption (directly from
past water/sewer bills) and convert this number into daily usage
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2.3 에너지 절감량 산정
DOE(Department of Energy)가 발간한 IPMVP(1997)(14)에서 에너지 절감량, 베이스라인, 개선 후 기간의 에너지사용량을 산정하는 방법에 대해 제시하고 있다. 실 데이터를 기반으로 하는 계측, 모니터링,
고지서 분석 방법과 엔지니어가 수행하는 엔지니어링 계산, 시뮬레이션 방법 그리고 최소 표준 장비 기준, ESCO 업체와 소유주와의 합의된 에너지 사용량,
1~3년간 과거 소비량을 평균화 하여 일일 사용량으로 변환하여 사용하는 단순화된 방법이 있으며 각 내용은 Table 3과 같다.
3. 기준 분석 및 비교 결과
3.1 국내 M&V 가이드라인
3.1.1 기기 교체 등에 대한 에너지 절감량 산출 M&V 가이드라인
‘기기 교체 등에 대한 M&V 가이드라인’은 에너지공단에서 기기교체 프로젝트 등을 통해 에너지 절감량 산출을 위한 원칙과 요구사항을 규정하는 지침을
제공하는 자료이다. 해당 자료의 M&V 준비 단계의 측정경계를 식별하는 항목에서 ‘베이스라인이나 프로젝트 기간의 데이터가 없거나 신뢰 할 수 없는
경우, 시설의 일부나 전체에 대하여 빠진 데이터 대신 보정한 시뮬레이션 프로그램의 에너지 데이터를 사용한다.’라고 제시하고 있다.
3.1.2 에너지 절감 산정방법론-노후보일러 교체
‘에너지 절감 산정방법론’은 에너지공단에서 제시한 M&V 가이드라인의 세부 방법론 자료이다. 해당 자료의 베이스라인 개발의 베이스라인 시나리오 항목에서
‘노후보일러의 사용량 데이터가 없을 경우 기존 보일러의 정격 사용량 및 사용시간을 에너지사용자 및 에너지효율 향상 사업자가 협의하여 결정하여 산출된
에너지사용량이 베이스라인 사용량이 된다.’라고 제시하고 있다.
3.2 국외 M&V 가이드라인
3.2.1 M&V Guidelines : M&V for Performance-Based Contracts Version 4.0
‘M&V Guidelines : M&V for Performance-Based Contracts Version 4.0’은 에너지 효율 장비 등의 측정
및 검증을 위해 연방 에너지 관리 프로그램(FEMP)에서 제시된 가이드라인이다. 해당 자료에서 새로운 건설 프로젝트이거나 베이스라인 또는 프로젝트
기간의 데이터를 사용할 수 없거나 신뢰 할 수 없는 경우, 더불어 베이스라인이 존재하지 않거나 절약요소를 쉽게 측정하기 어려운 경우에 옵션 D 방법인
컴퓨터 시뮬레이션 방법을 사용하라고 제시하고 있다.
3.2.2 IPMVP Volume Ⅲ
‘IPMVP Volume Ⅲ’은 EVO(Efficiency Valuation Organization)에서 전 세계의 에너지 및 물 효율성, 수요관리
및 재생에너지 프로젝트에 대한 투자를 늘리기 위해 만든 프로토콜이다. 해당 가이드라인에서 신규건물은 기존건물과 다르게 물리적인 베이스라인이 존재하지
않는다는 점이 가장 큰 차이점이라고 설명하고 있으며 국가에너지코드로 베이스라인을 설정하거나 코드나 표준이 없는 경우 프로젝트 기간의 건물모델에서 관련
ECM 또는 설계기능은 제거하여 산정하라고 제시하고 있다.
3.2.3 End-Use Metering Absent Baseline Measurement : An M&V Protocol Application Guide
해당 가이드라인은 BPA(Bonneville Power Administration)라는 미국의 전력관리 연방기관에서 사용하는 M&V 가이드라인이다.
해당 자료에서는 신규건물의 베이스라인 산정을 위해 ASHRAE 90.1 Appendix G를 사용하여 시스템 유형을 정의하라고 제시하고 있다.
3.2.4 ASHRAE Guideline 14
‘ASHRAE Guideline 14’는 ASHRAE에서 M&V 계산 프로세스를 표준화하기 위해 개발한 지침이다. 해당 가이드라인에서는 측정된 데이터를
바탕으로 프로젝트 기간의 모델을 계산, 시뮬레이션 하고 이를 역계산, 보정하여 베이스라인을 수정하라고 제시하고 있다. 더불어 데이터가 누락된 경우에
대한 데이터 추정, 보간 방법에 대해 제시하고 있다.
3.3 기준 비교 및 분석 결과
본 연구에서는 위에 언급한 6가지 가이드라인의 베이스라인 산정 방법(기준)에 대해 조사하고 정리하였다.
국내의 가이드라인은 모두 에너지공단에서 배포한 가이드라인으로 시뮬레이션 방법을 사용하거나 에너지사용자와 협의하여 도출된 값을 베이스라인으로 가정하여
M&V를 진행한다고 제시하고 있었다.
국외의 가이드라인 중 먼저 ‘M&V Guidelines : M&V for Performance-Based Contracts Version 4.0’의
경우 옵션 D 방법, 즉 컴퓨터 시뮬레이션 방법으로 베이스라인을 산정하라고 제시하고 있다. ‘IPMVP Volume Ⅲ’의 경우 국가 에너지 코드와
코드나, 표준이 없는 경우 관련 ECM 또는 설계기능을 제거하여 베이스라인을 산정하도록 제시하고 있다. ‘End-Use Metering Absent
Baseline Measurement’의 경우 ASHRAE 90.1 Appendix G를 참고하라고 제시하고 있었으며 해당 부록인 ASHRAE 90.1
Appendix G는 건물의 크기에 따라 기준 HVAC 시스템 유형을 정의하여 건물 용도, 면적에 따른 최소 만족 설비에 대한 기준을 바탕으로 베이스라인을
정의하고 있다. 마지막 ‘ASHRAE Guideline 14’ 에서는 프로젝트 기간의 측정된 데이터를 바탕으로 보정하여 베이스라인을 제시하고 있다.
Table 4. Baseline standard for M&V guideline
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M&V guideline
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Domestic
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M&V Guidelines :
Calculate energy savings for
device replacement, etc
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For new (base line and post-installation data absence) simulations that are Method
Ⅲ determine
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M&V Guidelines :
Replace the aging boiler
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In the absence of user data, the rated usage and usage time of existing boilers are
determined by consultation with energy users and energy efficiency improvement companies
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Overseas
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M&V Guidelines :
M&V for Performance-Based Contracts Version 4.0
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Option D is especially useful where a baseline does not exist (e.g., new construction
or major building modification) or the factors responsible for savings are not easily
measured (e.g., reduced solar gain and heat loss through new windows)
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IPMVP Volume Ⅲ
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A new construction baseline can be defined or characterized by code or regulation,
common practice, or even the documented performance of similar constructed buildings.
In the absence of codes or standards a baseline can be developed from a proposed design
by removing the pertinent ECMs or design features
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End-Use Metering Absent
Baseline Measurement :
An M&V Protocol Application Guide
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Some new construction programs make use of ASHRAE Standard 90.1 Appendix G to define
the baseline. Appendix G defines baseline HVAC system types based on the size of the
building
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ASHRAE Guideline 14
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When energy conservation measures are incorporated into a new construction project,
the baseline building will not be a building that has ever existed. When this is the
case,
calibrate a simulation model to the post-retrofit building and then modify that model
to represent the baseline building
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따라서, 국내외 기준을 비교분석한 결과를 요약하면 1) 국내외 모두 베이스라인 기준 도출방법으로 시뮬레이션을 제시하고 있었지만 국외의 경우 시뮬레이션
방법을 사용해야 하는 프로젝트 상황을 다양하게 구분하여 구체적으로 제시하고 있었으며 건물 상황에 맞춰 평가방법을 활용 할 수 있도록 하였다. 또한,
2) 국외의 경우 비교기준이 될 수 있는 표준코드를 만들어 보다 쉽게 베이스라인을 설정하여 에너지 절감량, 절감액을 빠르게 계산 할 수 있도록 제시하고
있다(Table 4 참조).
4. 결 론
본 연구에서는 국내외 M&V 베이스라인을 산정하는 방법과 기준에 대하여 비교분석한 것으로 그 연구의 결과를 종합하면 다음과 같다.
첫째, 국내의 경우 신규건물, 데이터의 부재인 2가지 경우로 나누어 2가지 방법을 제시하고 있었다. 그러나, 국외의 경우 베이스라인 기간의 데이터가
부족하거나 미흡한 경우를 구체적으로 정의하여 절감량 산정 방법을 제시하고 있다. 즉, 국외 가이드라인에서는 신규건물, 절감기술이 복잡한 경우, 수집
데이터의 신뢰성이 떨어지는 경우 등으로 세분화하여 각 상황에 적합한 가이드라인과 방법론을 적용할 수 있도록 제시하고 있었다.
둘째, 국내에서 제시하는 시뮬레이션 방법은 비전문가는 활용하기 어려운 방법이며 에너지 사용량을 협의하여 M&V를 진행하는 방법의 경우 쉽게 기준을
정할 수 있지만 그 결과의 신뢰성 문제가 발생할 수 있다. 그러나, 국외의 경우는 전문가와 비전문가 모두 활용할 수 있는 객관적인 방법을 제시하고
있다. 즉, 엔지니어링 계산과 시뮬레이션 방법과 같은 신뢰성은 높지만 전문성을 요구하는 방법과, 개선 후 건물에서 에너지 절감기술 영향만을 제거하거나
설비의 최소 표준 효율을 적용하거나 에너지 코드를 활용하는 방법을 제시함으로써 비전문가도 쉽게 M&V를 진행할 수 있는 방법을 제시하고 있었다.
셋째, 국외의 경우 M&V를 계획하기 이전인 베이스라인 기간의 미흡한 데이터와 수집된 데이터 중 누락된 데이터에 대해 보완할 수 있는 방법을 제시함으로써
M&V를 활용하는 엔지니어가 실무에 참고 할 수 있는 정보와 가이드라인을 제공하고 있었다.
따라서 국내의 가이드라인도 각 건물의 상황과 데이터 현황에 맞는 구체적이고 다양한 방법론을 제시할 필요가 있어 보이며 비전문가도 M&V를 활용 할
수 있도록 표준화된 기준을 산정하여 M&V 방법론의 접근성을 높인다면 에너지 효율사업의 활성화와 정확한 성과산출에도 기여 할 수 있을 것이다. 특히,
BEMS가 활성화 되지 않은 현 상황에서 필연적으로 누락될 수 있는 건물 에너지 데이터에 대한 추정, 보간 방법에 대해 제시한다면 엔지니어들이 표준화,
객관화된 M&V 방법론을 적극 활용 할 수 있을 것으로 사료 된다. 또한 국외의 가이드라인의 기준을 벤치마킹할 때 국외 기후 및 지역조건에 최적화
되어 있는 에너지코드나 최소효율표준 등은 다양한 연구를 통해 국내 기후, 법규 제도에 적합하며 현 시장의 상황을 반영할 수 있는 최적의 기준을 수립하면
더 도움이 될 것으로 판단된다.