3.1 에너지 총 조사

2019년 기준, 에너지 총 조사의 상세분석을 수행하였다. Fig. 2(a)는 건물용도별 에너지소비량을 분석한 결과로, 업무시설이 1,238백만 TOE로, 조사된 건물용도 중 가장 높았으며, 종합대학을 포함한 교육연구시설의 에너지소비량은 906백만 TOE로 두 번째로 큰 비율을 보이고 있다. 사용 용도별 에너지사용량은 난방(29%)과 냉방(25%)이 50%이상을 차지하고 있으며, 사무용 및 기타(20%)의 비율도 낮지 않았다. 그리고 급탕(8%), 전열(7%), 조명(7%) 및 환기(3%) 순이다. 교육연구시설의 세부적인 사용 에너지원을 보면, 전력이 57%이고 도시가스는 40%로 전체 사용량의 대다수를 차지하고 있다. 과년도 에너지 총 조사와 비교해 보면, 전체 대상 건물의 전력사용은 2004년 43%, 2016년 56.3%, 2019년 59.8%로 비율이 상당수 상승한 것을 확인할 수 있다. 사무용 및 기타 기기의 사용량이 과년도 조사 수치보다 16%에서 20%로 상승하였는데, 최근 학교시설들의 ICT 기반의 스마트 교실 및 다양한 스튜디오형 공간의 구축으로 전력사용 설비의 비율이 상승한 것으로 판단된다.⁽⁸⁾

Fig. 2 Energy consumption of education use in Korea; (a) total energy consumption by building type, (b) by energy use and (c) by energy source.

3.2 교육시설 사용 에너지원

교육통계서비스(KESS)의 교육통계연보에 따르면, 전기(일반과 심야), 가스, 유류 및 신재생에너지 등의 에너지 사용량은 2020년 사용량기준, 초등학교, 고등학교 그리고 중학교 순으로 높았다. 초등학교의 에너지원별 사용비율은 일반전기(63.17%)가 가장 높고 가스(30.02%), 심야전기(3.18%), 신재생에너지(3.31%) 그리고 유류(0.32%) 순이다. 고등학교의 경우도 초등학교와 비율의 차이는 있지만 사용비율의 크기순서는 동일하다. 일반전기(76.59%), 가스(15.62%), 심야전기(3.86%) 및 신재생에너지(3.99%)와 유류(0.26%) 순이다. 그리고 중학교는 일반전기(76.59%)와 가스(15.44%), 심야전기(3.84%), 신재생에너지(4.01%) 및 유류(0.10%)의 비율이 분석되었다. 2017년도부터 2020년도의 에너지사용량을 초등학교의 전기 사용량의 비율로 분석한 결과, 2017년 (52.84%), 2018년(57.04%), 2019년(56.87%) 및 2020년(63.17%)의 4년 동안 전년대비 약 4%로 완만하게 증가하던 전력비율이 2020년에는 7% 이상 상승한 것으로 분석되었다.⁽²⁾

4.1 조사대상 학교분석

본 연구에서는 2020년 기준, 전국 초․중․고 학교시설에 대한 신재생에너지의 적용(설치)현황을 분석하였다. Table 1을 보면, 조사대상 학교는 전국 17개 시도별 초등학교 대상 국․공립학교가 6,186개교, 사립학교는 73개교이고 중학교 대상 국․공립학교가 2,588개교, 사립학교는 635개교이다. 고등학교는 국․공립대상 1,391개교, 사립대상 946개교로 총 11,819개교이다. 조사대상 학교의 노후도 정도를 판단하기 위한 준공연도는 Table 2와 같다. 1990년 이전의 건축물은 7,216개교, 1990~2000년 구간은 1,839개교, 2000~2010년 구간은 1,901개교 그리고 2010~2020년 구간 863개교로 준공년도가 20년 이상 경과한 건축물은 조사시점 기준으로 약 9,055개교로 전체 11,819개교 중 77%를 차지하고 있다. 국․공립대상 노후화 비율은 58%, 사립학교의 노후화 비율은 78%로 분석되었다. 교육시설 중 상당수가 노후화가 진행된 상황에서 운영되고 있는 것이다. 현재에는 정부차원에서 에너지효율을 개선하는 리모델링이 이루어지고 있지만 향후, 민간차원의 사립학교로 확대가 필요하다.

4.2 지역별 신재생에너지 설치 현황

교육시설은 연면적 1,000 ㎡ 이상의 건축물을 신축, 증축 및 개축 하는 경우, 예상 에너지사용량의 32% (22년 기준) 이상을 신재생에너지로 공급하도록 하는 의무화 제도가 운영 중에 있다. 따라서 본 연구의 목표는 교육시설의 리모델링을 통한 신재생에너지 설치현황을 분석하여 지역별, 사립 및 국․공립별 노후 학교시설에 적절하고 효과적인 시스템이 적용되어 운영되지 조사하는 것이다. 그리고 조사대상 학교에 설치된 태양광, 태양열, 지열, 풍력, 연료전지 및 기타설비 등 5개 신재생에너지 요소별로 설치현황을 조사하고 지역별 보급률도 분석하였다.

Fig 3은 전국 11,819개의 초등학교, 중학교, 고등학교의 신재생에너지 설치현황을 비율로 나타낸 것이다. 5개 신재생에너지 설비의 중복설치를 포함한 전체 적용된 학교는 약 3,147개이며 2개 설비 이상 설치 개소를 합산하면 총 2,623개 학교시설에 신재생에너지 시스템이 설치되어 있다. Fig. 3(a)의 지역별 신재생에너지 설치학교의 비율을 보면, 세종특별자치시가 60%로 가장 높은 설치비율을 보인다. 여기서의 설치비율은 발전용량기준이 아닌 설치된 학교의 개수를 기준으로 했다. 그 다음으로 강원도가 34%의 학교에 신재생에너지가 적용되었다. 그리고 서울특별시 23%, 경기도 22%의 설치비율이 나타났다. Fig. 3(b)는 학교 유형별 신재생 에너지 설치비율을 보여준다. 서울특별시 사례로 살펴보면, 국․공립학교가 총 953개교이고 신재생에너지가 설치된 학교는 269개교로 약 28%의 비율이다. 상대적으로 사립학교는 신재생에너지 설치비율이 매우 낮다. Fig. 3(c)는 다시 국․공립학교만을 대상으로 설치된 신재생에너지 유형별 설치비율을 분석한 것이다. 전체 신재생에너지 설치 개수는 3,031개로 그 중 2,042개(67.4%)가 태양광이 적용되어 있다. 그 다음으로 태양열(19.9%)과 지열(11.0%) 순이다. Fig. 3(d)와 같이, 사립학교는 116개교에서만 신재생에너지 설비가 설치되어 있으며, 약 87개(75.0%)가 태양광이고 태양열(14.7%)과 지열(10.3%)순이다. 여기서는 향후, 사립학교를 대상으로 실효성 있는 신재생에너지 적용확대에 대한 새로운 과제가 필요할 것으로 판단된다.

Fig. 3 The ratio of schools with renewable energy system: (a) by the regional groups, (b) by the school types, (c) by the system types in the public schools and (d) by the system types in the private schools.

Table 3은 전체 11,819개교 중 지역별로 설치되어 있는 신재생에너지 종류별 적용된 학교 수를 보여준다. 신재생에너지 보급비율이 60%로 가장 높은 세종특별자치시는 2021년 7월부터 시행된 세종특별자치시 에너지 조례에 의해 보급비율이 높은 것으로 확인되었다. 전국적으로 태양광 시스템이 18%(2,129개교)로 가장 높은 비율을 차지하고 있으며 태양열 시스템은 5%(619개교), 지열 시스템은 2.9%(346개교)의 순서로 높은 비율을 차지하고 있다. 교육시설에서 풍력 시스템의 적용은 기본적으로 많은 면적을 차지하고 소음이 발생하여 교육환경 및 안전상의 우려 때문에 보급비율은 상대적으로 낮았고 설치 개소도 전국에서 5개소로 가장 적은 것으로 분석되었다. 지역별 신재생에너지 설치학교의 비율이 높거나 발전용량이 높은 몇 개의 지역을 상세 분석한 내용은 아래와 같다.

5.1 공립 Y-중학교

Fig. 4는 에너지절약 사업의 일환으로 신재생에너지를 설치하여 리모델링을 수행한 서울의 공립 Y-중학교의 BIPV 적용 전후의 모습을 보여준다. Table 7은 해당 중학교의 기본정보이다. 준공연도는 1981년으로 40년이 경과한 노후 학교로 분류된다. Fig. 5는 연간 에너지 사용량과 발전량을 보여준다. 월간 가스 및 전기 사용량은 하절기보다 동절기가 상대적으로 크며, 연간 단위면적당 에너지 사용량은 82 kWh/㎡․yr로 에너지 총 조사를 통해 분석된 교육․연구시설의 평균 사용량인 96 kWh/㎡․yr 보다 약 15% 낮은 에너지소비 수준으로 조사되었다. 교육통계연보에 따르면, 대상 학교가 위치한 서울특별시의 평균 중학교의 에너지사용량은 642,280 kWh/yr이고 Y-중학교는 613,672 kWh/yr로 동일 지역 중학교 평균 사용량 보다 약 4% 정도 낮은 에너지소비 효율을 보였다. Fig. 5(a)에서와 같이, 동절기(11월~2월)의 평균 에너지사용량은 약 9.2 kWh/㎡이고 하절기는 약 5.3 kWh/㎡, 그리고 중간기는 약 6.0 kWh/㎡로 분석되었다. Fig. 5(b)의 연간 에너지 발전량은 월별로 차이가 발생하지만 BIPV 설치면적에 따른 총 설비용량은 17.67 kWp로 예측되는 연간 발전량은 19,348 kWh/yr로 분석되었다.⁽⁹⁾

Fig. 5(c)를 보면, 연간 총 발전량은 15,176 kWh/yr로 설계치 보다 22% 낮았고 동절기 발전량은 1,510 kWh, 하절기는 868 kWh 그리고 중간기는 1,417 kWh로 조사되었다. 그리드 및 시간별로 매칭이 필요하지만 에너지소비량 대비 발전량은 2.5%로 자립율은 크지 않았다.

Fig. 4 Seoul Y middle school with renewable energy: (a) before application and (b) after application.

Fig. 5 The Y middle school annual energy use: (a) energy consumption monthly data, (b) energy generation monthly data and (c) The proportion of the renewable energy.

5.2 공립 J-고등학교

두 번째 사례분석 대상인 학교는 충청북도 진천 소재의 공립 J-고등학교이다. 앞에서 분석한 Y-중학교와 동일하게 에너지절약 사업으로 신재생에너지를 적용하여 리모델링을 수행한 학교이며, BIPV 적용 전후의 모습은 Fig. 6과 같다. 또한 해당 고등학교의 기본정보는 Table 8과 같다.

해당 학교의 준공연도는 1976년으로 46년이 경과한 노후정도가 매우 높은 학교건물이다. Fig. 7은 J-고등학교의 연간 에너지사용량과 6개월간(9월~2월)의 전력 발전량을 보여준다. Fig. 7(a)는 대상 고등학교의 월간 에너지 사용량을 분석한 것으로, 연간 단위면적당 에너지사용량은 86 kWh/㎡으로 평균 교육․연구시설의 에너지 사용량(96 kWh/㎡)보다 약 10% 낮은 것으로 조사되었다. 동절기는 평균 10.1 kWh/㎡, 하절기 4.9 kWh/㎡와 중간기 6.7 kWh/㎡로 분석되었다. 적용된 냉․난방기인 전기식히트펌프(EHP)에 의해 동절기의 난방에너지 사용량이 하절기 냉방에너지보다 상대적으로 많았다. Fig. 7(b)는 J-고등학교의 6개월간 발전량을 월별로 나타낸 것으로 리모델링 이후 1년이 경과하지 않았기 때문에 중간기와 동절기의 발전량만 분석이 가능했다. BIPV의 총 용량은 14.35 kWp이고 이를 기준으로 계산한 연간 발전 예측량은 15,713 kWh/yr로 도출되었다. 6개월간 총 발전량은 5,775 kWh로 비슷한 용량의 BIPV가 적용된 Y-중학교 경우와 비교했을 때, 하절기의 전력발전량이 상대적으로 낮게 나타났다. 또한 실제 발전량은 예측 발전량보다 작아질 것으로 예상된다. Fig. 7(c)는 9월부터 2월까지의 에너지 사용량과 BIPV를 통한 발전량의 비율로 6개월간 에너지사용량은 약 477,445 kWh이고 신재생에너지를 통한 발전량은 약 1.2% 비율로 분석되었다.⁽⁹⁾

Y-중학교와 J-고등학교는 준공년도가 모두 40년 이상 경과된 교육시설로서 신재생에너지를 접목한 에너지 효율화 리모델링이 수행되었고 에너지소비량 측면에 개선된 부분이 충분히 있었다. 하지만 신재생에너지 적용비율과 지립율 관점에서는 향후 개선이 반드시 필요할 것으로 판단된다.

Fig. 6 Seoul J high school with renewable energy: (a) before application and (b) after application.

Fig. 7 The J high school annual energy use: (a) energy consumption monthly data, (b) energy generation monthly data and (c) The proportion of the renewable energy.