1.1 연구배경 및 목적

국제사회의 기후위기 대응 강화 기조에 맞추어 정부는 ｢2030 국가 온실가스 감축목표(NDC)｣를 수립(2015.06)하였으며, 이후 국내 감축규모 확대, 감축목표 표기법 변경 등 반영하여 세 차례(2018년, 2019년, 2021년) 수정안을 마련하였다. 특히 2021년 수정안은 2018년 수정안의 탄소배출량 대비 40% 감축한다는 내용을 골자로 하고 있다. 이에 따르면 우리나라에서 발생하는 탄소배출량의 약 7~8%를 차지하는 건물부문의 경우, 2018년 탄소배출량 대비 2030년에는 32.8% 감축해야 한다.⁽¹⁾ 탄소배출량 저감을 위해 정부는 공공건축물의 2025년 ZEB 등급 상향, 공공부문 공동주택의 ZEB 조기도입(2023년), 민간부문 공동주택의 ZEB 조기도입 (2024년) 등을 반영한 ｢2050 탄소중립 로드맵｣을 조정․발표(2021.12)하였다.⁽²⁾

온실가스배출 감축을 위해서는 건축물 에너지사용량 절감, 신재생에너지의 보급 확대가 이루어져야 하는데, 에너지사용량 측면에서 보면 전체 건축물 중 공동주택이 약 43.2%로 가장 큰 에너지사용량 비중을 차지하고 있어 공동주택의 에너지절감에 대한 노력이 절실한 상황이다. 공동주택 에너지사용량을 에너지원별로 구분하면 전기 33.3%, 도시가스 51.8%, 지역난방 15.0%이며, 전체 중 열에너지가 66.8%를 차지하고 있어⁽³⁾ 열에너지 절감 노력이 중요하다. 공동주택 열에너지의 절감을 위해서는 패시브, 액티브의 성능향상이 이루어져야 하며, 신재생에너지를 통해 에너지소비량 일부를 감당해야 하지만, 단열성능 등 패시브 기술요소는 건물에 적용하는 단열재 두께가 증가해도 일정 수준 이상이 되면 에너지절감이 미미하고, 공동주택은 건축면적 대비 높은 용적률로 구성되어 있어 신재생에너지 중 가장 효율적인 태양광 발전시스템⁽⁴⁾의 설치 공간의 제약사항이 크기 때문에 고등급의 ZEB 달성이 난해하다. 고등급의 ZEB 구현을 위해서는 액티브 기술요소에서 적정용량의 설비계획, 지역난방 배관열손실을 고려한 기계실 위치 선정 등의 최적화 및 펌프동력, 효율 개선 등의 고도화가 이루어져야 할 것으로 판단된다.

이러한 배경을 토대로 본 연구는 LH에서 공급하는 500세대 규모의 공동주택을 대상으로 공급 형식(임대주택, 분양주택)과 난방 방식(개별난방, 지역난방)에 따라 기계설비 요소의 민감도 분석을 통해 우선순위를 도출하고, 도출된 기술요소 우선순위에 따라 ZEB 등급별로 순차적으로 적용하여 ZEB 등급별 최적 설정안을 제시하고자 하였다. 또한 수립한 ZEB 등급별 모델을 활용하여 에너지비용 절감 및 탄소배출량 저감 효과를 분석하고자 하였다.

1.2 연구방법 및 범위

건축물에너지효율등급 및 제로에너지건축물 인증 평가 프로그램인 ECO2를 활용하여 LH에서 공급하는 500세대 규모의 임대주택, 분양주택을 표준모델로 설정하고, 난방방식에 따라 적용되는 기계설비 요소의 민감도를 분석하였다. 이를 바탕으로 기계설비 요소별로 도출된 우선순위를 고려하여 ZEB 등급별 기계설비 발전방향을 제시하고, 년도별 LH 공동주택 공급계획에 따라 에너지비용 절감 및 탄소배출량 저감 효과를 도출하였다.

3.1 민감도 분석 모델 설정

Table 1과 같이 기계설비 요소의 조합에 따라 18가지의 Base line 모델을 수립하였고, 민감도 분석을 위해 Table 2와 같이 선행연구에서 ZEB 등급별로 설정한 단열성능, 기밀성능 및 조명밀도 수준⁽⁸⁾과 동일하게 설정하였다. 선행연구에서 고려되지 않은 기계설비 요소는 미래발전 가능성까지 고려하기 위해 민감도 분석을 수행하여 에너지소비량 절감 우선순위를 도출하고자 하였다. 기계설비 요소 민감도 분석 설정조건은 Table 3과 같다.

3.2 민감도 분석 결과

기계설비 요소별 민감도 분석에 따라 1차 에너지소비량 절감율 결과는 Fig. 1 ~ Fig. 3과 같고, 분석 결과를 토대로 공동주택 표준모델별 기계설비 적용 우선순위를 도출한 결과는 Table 4와 같다. 개별난방 적용단지는 보일러 효율, 지역난방 적용단지는 난방 및 급탕 배관구간길이가 가장 민감도가 큰 것으로 나타났다. 신재생에너지가 추가 적용된 모델에서 지열은 COP가 가장 민감도가 큰 것으로 나타났으며, 태양열의 경우 임대 주택은 난방 및 급탕 배관구간길이의 감소가 민감도 1순위로 나타났고, 분양주택은 집열기 방식 변경(평판형→진공관형)이 민감도 1순위로 분석되었다. 연료전지가 적용된 경우는 연료전지 발전효율이 민감도가 가장 큰 것으로 분석되었다.

Fig. 1 Sensitivity analysis results(Boiler(left), District heating(right)).

Fig. 2 Sensitivity analysis results(Energy recovery ventilation system(left), Geothermal system(right)).

Fig. 3 Sensitivity analysis results(Solar thermal system(left), Fuel cell(right))

4.1 공동주택 ZEB 등급별 기계설비 기술요소 설정

LH 공동주택의 ZEB 등급별로 적용한 기계설비 기술요소는 Fig. 4와 같다. 이 때, 선행연구⁽⁸⁾는 ZEB 등급별 신재생에너지 적용 시, 옥상 적용 태양광발전시스템, 입면 적용 태양광 발전시스템, 지열 또는 연료전지 순으로 고려하였다. 본 연구의 패시브 기술요소 및 조명밀도는 선행연구와 동일하게 설정하였으며, 입면 적용 태양광 발전시스템은 단지별 음영 조건도 상이하고, 유지보수가 어렵기 때문에 후순위로 고려하였다. 또한 도출된 기계설비 민감도 우선순위를 고려하여 ZEB 등급별로 적용하였다. 개별난방 적용단지는 임대주택과 분양주택 모두 옥상에 적용하는 태양광 발전시스템만으로도 ZEB 5등급 달성이 가능하다. ZEB 4등급부터는 임대주택에서 난방은 지열을 적용하고, 분양주택은 임대주택 대비 옥상에 태양광 발전시스템을 적용 가능한 면적이 협소하여 ZEB 4등급 달성이 어려운 것으로 나타남에 따라 난방, 급탕 모두 지열을 적용해야 한다. ZEB 2등급은 기존 개별보일러 방식에서 중앙식인 캐스케이드를 도입하여 급탕에 연료전지를 추가 적용하고 ZEB 1등급은 지열을 통한 난방을 추가 계획해야 달성이 가능한 것으로 나타났다. 지역난방 적용단지의 경우, 임대주택은 ZEB 4등급까지 옥상에 적용하는 태양광 발전시스템만으로 달성이 가능하고, ZEB 3등급부터는 급탕에 연료전지를 추가 계획해야 하는 것으로 분석되었다. 분양주택은 임대주택 대비 옥상에 태양광 발전시스템을 적용 가능한 면적이 협소하여 ZEB 4등급부터는 급탕에 연료전지를 추가 계획해야 하는 것으로 분석되었다.

Fig. 4 Application of optimization of mechanical equipment by ZEB grade in multi-unit dwelling.

4.2 공동주택 ZEB 등급별 기계설비 에너지자립률 기여도 분석

Fig. 4에서 설정한 공동주택 ZEB 등급에 따라 기계설비 기술요소가 에너지자립률에 기여하는 정도는 Fig. 5와 같다. ZEB 5등급 및 일부 4등급 모델은 현재 구현 가능한 기계설비 요소들의 적용과 옥상 적용 태양광 발전시스템만으로도 달성 가능한 것으로 나타났고, ZEB 고등급으로 갈수록 패시브 기술요소의 한계성으로 인해 1차 에너지소비량 절감과 에너지자립률 확보를 위해 기계설비 기술요소의 역할이 큰 것으로 나타났다. 이 때, 지역난방 적용단지 분양주택은 기술개발의 한계성으로 ZEB 2등급에서 ZEB 1등급으로 상향 시, 입면 태양광 발전시스템을 고려해야 하는 것으로 나타났다.

Fig. 5 Effect of energy independence rate on mechanical facilities by ZEB grade in multi-unit dwelling.

4.3 연도별 공동주택 공급에 따른 에너지비용 절감 및 탄소저감 효과

LH의 ZEB 공동주택 보급 계획은 선행연구를 통해 도출된 결과를 활용하였다.⁽⁹⁾ 선행연구는 공동주택의 ZEB 의무화 조기도입이 반영되지 않은 2025년부터 ZEB 5등급 공동주택을 보급하는 것으로 수립하였다. 본 연구는 2021년 12월 국토교통부에서 발표한 ‘국토교통 2050 탄소중립 로드맵⁽²⁾에 따라 공공부문 공동주택이 2023년으로 ZEB 조기도입 시행됨을 반영하여 Table 5와 같이 공동주택 보급계획을 설정하였다.

LH 공동주택의 ZEB 등급별 1차 에너지소요량 및 탄소배출량 분석 결과는 Table 6과 같다. 현 법적수준인 ‘에너지절약형 친환경주택의 건설기준’에 따라 설계된 모델에서 개별난방 단지 임대주택은 1차 에너지소요량 195.5 kWh/㎡․yr, 탄소배출량 35.1 kgCO$_{2}$/㎡․yr로 가장 큰 것으로 나타났고, 지역난방 단지 분양주택은 1차 에너지소요량 114.5 kWh/㎡․yr, 탄소배출량 22.9 kgCO$_{2}$/㎡․yr로 가장 낮은 것으로 나타났다. 탄소배출량은 현 법적수준 대비 ZEB 5등급 구현 시, 34.1~36.8%, ZEB 4등급 구현 시, 50.7~63.8%, ZEB 3등급 구현 시, 64.7~78.9%, ZEB 2등급 구현 시, 81.2~86.6%, ZEB 1등급 구현 시, 92.6~96.9%만큼 저감이 가능한 것으로 분석되었다.

단위면적당 에너지비용 산정을 위해 Table 7과 같이 서울도시가스주식회사의 요금표(2021년 12월 01일 기준), 한국지역난방공사의 주택용 동절기 열요금표(2020년 07월 01일 기준), 한국전력공사의 주택용 전력(저압) 기준 요금표(2021년 01월 01일 기준)를 적용하였다.

LH 공동주택 공급에 따른 탄소배출량 및 에너지비용 산정을 위해 연도별 공급 호수는 임대주택 5.6만호, 분양주택 2.6만호, 평균 공급면적은 임대주택 36 ㎡, 분양주택 65 ㎡로 설정하였고⁽⁹⁾, 건축물에너지효율등급 인증 취득 50개 단지를 대상으로 지역난방 단지와 개별난방 단지를 분석한 결과인 지역난방 64%, 개별난방 36% 비율을 적용하여 Fig. 6과 같이 5가지 요소를 고려하였다.

ZEB 로드맵 이행에 따른 탄소배출량 저감 및 에너지비용 절감을 분석한 결과는 Table 8, Fig. 7과 같다. 2021년 공급되는 LH 공동주택 대비 ZEB 5등급 수준의 공동주택이 100% 보급되는 시점인 2023년에는 탄소배출량 36.0% 저감, 에너지비용 29.7% 절감, ZEB 3등급 수준의 공동주택이 100% 보급되는 시점인 2030년에는 탄소배출량 70.8% 저감, 에너지비용 64.1% 절감, ZEB 2등급 수준의 공동주택이 100% 보급되는 시점인 2035년에는 탄소배출량 83.8% 저감, 에너지비용 70.8% 절감, ZEB 1등급 수준의 공동주택이 100% 보급되는 시점인 2040년에는 탄소배출량 94.6% 저감, 에너지비용 79.7% 절감이 가능한 것으로 분석되었다.

Fig. 6 Factors considered for the calculation of energy cost and carbon emissions by year.

Fig. 7 Analysis of carbon emissions and energy cost reduction by ZEB roadmap implementation.