2.1 분석 대상건물

본 연구의 분석 대상건물의 선정은 2021년도 시행한 공공건축물 그린리모델링 사업이 실시된 수도권 소재 156개 건물에 대한 경과년수(노후도)와 연면적 규모를 분석하여 대표성을 가지는 건물을 선정하였다. 아울러 그린리모델링(안)을 결정하는데 가장 중요한 사업비용은 156개 그린리모델링 건물의 사업 투자비를 분석하여 평균적인 사업비를 나타내는 건물을 대상으로 하였다.

분석결과, 전체 156개 건물은 1982년에서 2013년 사이 준공된 건물로 준공된 지 평균 22.2년으로 나타났다. 연면적은 약 85 ㎡ 에서 27,400 ㎡에 이르며, 평균 826.2 ㎡이었다. 그린리모델링 비용은 평균 2.9억 원이었으며 이를 단위면적당 비용으로 환산하면 약 57만 원/㎡이다.

분석을 통해 선정된 대상건물의 개요는 Table 1과 같다. 대상 건물은 1997년에 준공되어 2020년 기준으로 23년 경과한 건물이다. 건물의 규모는 지하 1층 지상 3층이며 연면적은 990.39 ㎡이다.

그린리모델링 전 대상건물 구성 요소의 성능은 Table 2와 같다. 구성 요소의 성능은 Waddicor et al.⁽⁶⁾의 연구를 참고하여 노후화를 반영하여 산출하였다.

Fig. 2 Target building.

2.2 전문가 관점의 그린리모델링안 작성

공공건축물 그린리모델링 사업의 그린리모델링(안)은 2021년 시행 수도권 156개 공공건축물 그린리모델링(안)에 대한 분석을 통해 결정되었다. 분석 결과를 토대로 적용된 그린리모델링 기술 요소의 우선 순위에 따라 전문가 관점의 그린리모델링(안)이 작성되었다.

2.3 건물 사용자 관점의 그린리모델링(안) 작성

그린리모델링 대상건물 실제 사용자들에 대해 그린리모델링 사업을 통해 본인들이 사용하는 건물의 개수에 대한 요구사항을 조사하고 그를 바탕으로 건물 사용자 관점의 그린리모델링(안)을 작성하기 위해 설문조사를 수행한다. 설문의 내용은 건물 그린리모델링 공사를 시행함에 있어 사용자가 우선으로 하는 공사 항목이나 선호하는 기술 요소 등을 조사하였다. 설문조사 결과를 바탕으로 건물 사용자 관점의 그린리모델링(안)이 작성되었다.

2.4 건물의 에너지 성능 평가 방법

분석 대상건물의 그린리모델링 전, 후의 에너지 성능 그리고 그린리모델링에 따른 에너지 절감효과는 국내 건물에너지효율등급 평가를 위한 공인된 툴로 사용되고 있는 ECO2 시뮬레이션을 사용하여 평가하였다. ECO2 시뮬레이션은 ISO 13790과 DIN V 18599에 기반을 둔 건물에너지성능평가 프로그램이며 지역의 월별 평균 기상데이터를 바탕으로 월별, 연간 건물의 에너지 요구량 및 설비 시스템 성능에 따른 건물의 에너지 소요량을 산출한다. 또한, 에너지 요구량과 소요량을 난방, 냉방, 급탕, 조명, 환기 에너지로 구분하여 산출하며 이를 통해 1차 에너지 소요량 및 이산화탄소 발생량을 예측할 수 있다.

3.1 전문가 관점의 그린리모델링(안) 작성

3.1.1 그린리모델링 적용 요소기술의 분석

2021년 시행된 수도권에 위치한 156개 공공건축물 그린리모델링 내용에 대한 분석 결과는 Fig. 3과 같다. 분석 결과, 고성능 창호 교체가 156개소 중 124개소에 적용되어 가장 높은 적용 빈도를 보였으며 그 뒤를 이어 고효율 에어컨 교체 및 단열 보강의 적용 빈도가 높게 나타났다. 따라서 전문가 관점의 그린리모델링(안)은 고성능 창호 교체, 고효율 에어컨 교체 및 단열 보강을 우선으로 작성되었다. 적용된 안은 그린리모델링 사업비 57만 원/㎡의 기준에서 작성되었다.

Fig. 3 Applied Green Remodeling measures.

3.2 건물 사용자 관점의 그린리모델링(안) 작성

4.1 그린리모델링(안) 비교

전문가 관점의 안의 경우 (Table 3), 건물에너지 절감과 관련된 요소들로 구성되었으며 건물의 물리적 성능과 관련 있는 패시브 요소가 우선시 된다. 즉, 건물의 단열 성능과 관련된 창호 교체와 벽체 및 지붕의 단열 성능 개선이 우선시 된다. 반면, 건물 사용자 관점의 안의 경우 (Table 8), 건물에너지 절감과 관련 없는 미관 개선 요소가 우선시되며, 액티브 요소인 환기장치 설치가 그 뒤를 잇는다. 또한, 건물의 단열 성능과 관련된 요소 중 벽체의 단열 보강의 경우 한정된 비용으로 인해 그린리모델링(안)에 포함되지 못하였다.

그린리모델링(안)을 작성함에 있어 전문가들은 그린리모델링을 통한 노후 건축물의 에너지 절감을 우선적으로 고려하고 있다. 따라서 건물의 에너지 요구량을 감소시키기 위한 패시브 기술요소가 대부분 우선 적용되고 있다. 반면, 건물 사용자들은 그린리모델링을 통해 노후화된 건물 외관이나 내부 마감 등에 대한 개선을 희망하는 것으로 나타났다. 즉 전문가와 건물 사용자 관점의 그린리모델링을 통해 기대하는 목표가 다르다는 것을 알 수 있다.

4.2 그린리모델링(안)에 따른 에너지 성능 비교

분석 대상건물의 그린리모델링 전과 전문가 및 건물 사용자 관점의 그린리모델링(안)에 따른 에너지 성능을 분석하였다. 분석은 건물에너지성능평가프로그램인 ECO2 시뮬레이션을 통해 수행하였다. 분석 시 ECO2 시뮬레이션의 주요 입력값은 Table 10과 같으며, ECO2 시뮬레이션의 결과는 Fig. 4와 같다.

Fig. 4 ECO2 simulation results.

분석은 연간 에너지 요구량, 에너지 소요량, 1차 에너지 소요량, 1차 에너지 절감률에 대하여 실시하였다 (Table 11~Table 13), (Fig. 5~Fig. 8).

그린리모델링 전 대상건물의 에너지 요구량은 82.3 kWh/㎡ㆍyear이고 전문가와 건물 사용자 관점의 그린리모델링(안)을 통한 에너지 요구량은 각 59.3 kWh/㎡ㆍyear, 61.1 kWh/㎡ㆍyear이다. 전문가 관점의 안을 통해서는 에너지 요구량이 그린리모델링 전과 비교하여 27.9% 감소하였고 건물 사용자 관점의 안을 통해서는 25.8% 감소하였다. 세부 항목으로 살펴보면 전문가 관점의 안과 건물 사용자 관점의 안에서 난방에너지 요구량은 모두 감소하였으며 전문가 관점의 안에서 더 많이 감소하였다. 그러나 냉방에너지 요구량은 전문가와 건물 사용자 관점의 안에서 모두 증가하였다. 이는 단열 보강과 단열 성능이 뛰어난 고성능 창호 교체로 인해 열손실은 감소하여 난방에너지 요구량은 감소하였으나 냉방 관점에서 내부열이 외부로 배출되지 못하여 냉방에너지 요구량이 증가하는 결과를 초래하였기 때문이다. 특히, 지붕뿐만 아니라 벽체의 단열 보강도 실시한 전문가 관점의 안에서 냉방에너지 요구량의 증가를 초래한 원인이 되었다.

그린리모델링 전 대상 건물의 에너지 소요량은 86.7 kWh/㎡ㆍyear이고 전문가와 건물 사용자 관점의 그린리모델링(안)을 통한 에너지 요구량은 각각 57.0 kWh/㎡ㆍyear, 67.7 kWh/㎡ㆍyear이다. 전문가 관점의 안을 통해서는 에너지 소요량이 34.3% 감소하였고 건물 사용자 관점의 안을 통해서는 21.9% 감소하였다. 에너지 요구량과 동일하게 난방에너지 소요량은 감소하였으나 냉방에너지 소요량은 증가하였다. 고효율 에어컨 교체에도 불구하고 단열 보강 등으로 인해 냉방에너지 요구량이 증가하여 냉방에너지 소요량이 증가한 것이다. 사용자 관점의 안의 경우, 환기장치 설치로 인해 환기 에너지 소요량이 발생하였다.

그린리모델링 전 대상 건물의 1차 에너지 소요량은 149.9 kWh/㎡ㆍyear로 건축물에너지효율등급 1+ 등급에 해당한다. 전문가 관점의 안을 통한 1차 에너지 소요량은 102.3 kWh/㎡ㆍyeaer로 그린리모델링 전에 비해 47.6 kWh/㎡ㆍyear 감소하였으며 건축물에너지효율등급 1++ 등급에 해당한다.

Fig. 5 Energy demand.

Fig. 6 Energy consumption.

Fig. 7 Primary energy consumption.

Fig. 8 Primary energy saving rate.

건물 사용자 관점의 안을 통한 1차 에너지 소요량은 131.0 kWh/㎡ㆍyear로 18.9 kWh/㎡ㆍyear 감소하였으며 건축물에너지효율등급 1++ 등급에 해당한다.

건축물에너지효율등급으로 평가했을 경우, 전문가 관점의 안과 건물 사용자 관점의 안이 동일한 등급에 해당한다. 그러나 1차 에너지 절감률로 평가하면 전문가 관점의 안의 경우 31.8%의 에너지가 절감된 것에 반해 건물 사용자 관점의 안의 경우 1차 에너지 절감률이 12.6%로 나타났다.

전문가 관점의 안과 건물 사용자 관점의 안을 통한 연간 에너지 소요량 절감률이 비슷한 값을 보이는 것에 반해 1차 에너지 절감률에서 큰 차이를 보이는 이유는 에너지원에 따라 1차 에너지 환산 계수가 다르기 때문이다. 에너지원 중 가스(연료)의 1차 에너지 환산 계수는 1.1인데 반해 전력의 1차 에너지 환산 계수 2.75로 그 값이 훨씬 크다. 전문가의 안과 건물 사용자의 안에서 가스를 소비하는 난방의 경우 에너지 소요량 차이가 작으며 1차 에너지로 환산한 값도 그 차이가 크지 않다. 그러나, 건물 사용자의 안에는 전력을 소비하는 환기장치가 포함되어 있다. 이에 따라 건물 사용자의 안에서는 환기 에너지 소요량 8.4 kWh/㎡ㆍyear가 발생하게 되고 이를 1차 에너지 소요량으로 환산하면 23.2 kWh/㎡ㆍyear이다. 즉, 환기장치에 의해 전문가의 안과 건물 사용자의 안에 따른 1차 에너지 소요량에서 23.2 kWh/㎡ㆍyear의 차이가 발생하며 이로 인해 두 안의 1차 에너지 절감률에 큰 차이가 나타난다.