1. 서 론

2018년 4월 건축물과 시설물 사용자의 쾌적성과 안정성을 제고하고, 성능관리를 통한 국가 에너지 사용의 체계적 관리를 목적으로 ｢기계설비법｣이 제정되었고, 2020년 4월 18일 본격적인 법 시행으로 인하여 기계설비 성능점검, 유지관리 등 기계설비산업에 다양한 업무들이 활발히 이뤄지고 있다. 이러한 기계설비산업의 발전으로 건물 생애주기 전반으로 에너지 효율 향상이나 재실자의 쾌적성, 안정성 확보 등 다양한 기대효과들이 존재하나, 법 시행의 초기 단계인 만큼 아직 이해관계자 외 사용자들에게 있어 그 효과성에 대한 부분이 명확하게 파악되지 않고 있다. 본 연구에서는 기계설비법 시행에 따른 기계설비 성능점검을 통한 효과성에 대하여 사례를 기반으로 분석하고, 향후 기계설비 성능점검과 유사한 제도가 시행되고 현재와 같은 분석이 필요시 기준안을 마련하여 추후에 용이하게 수행하도록 하는데 의의가 있다.

2. 연구방법

본 연구의 사례분석 대상건물 선정을 위해 건축법 시행령 [별표 1]에서 분류하는 용도별 건축물의 종류를 참고하였다. 건축법에서는 이를 통해 건축물의 종류를 총 29가지로 분류하고 있으며, 이 중 상대적으로 비중이 높고 에너지 사용량이 높다고 판단되는 6가지 용도의 건축물을 선정하였고 그 유형은 다음 Table 1과 같다. 본 연구에서는 다음 6가지 용도의 건축물의 기존 측정된 에너지사용량과 기계설비 효율개선에 따른 에너지 소비량을 시뮬레이션을 통해 비교 분석하였다. 효율개선 예측 분석을 위한 시뮬레이션 툴은 건물에너지 해석을 위하여 다양하게 사용되는 EnergyPlus를 사용하였다.

3. 사례분석 결과

3.1 대상 건물별 기존 에너지소비량 분석

｢기계설비법｣ 시행에 따른 건축물의 에너지 성능 효과를 분석하기에 앞서 먼저 2~3년간 축척된 기존 건물의 에너지소비량을 분석하였다. 공동주택으로 분류되는 Case 1,2의 경우 건축물 에너지의 대부분을 차지하는 난방, 급탕, 전기 에너지소비량에 관하여 분석하였고 그 외 Case 3~6의 경우 가스, 전기 에너지소비량에 관하여 분석하였다. 각 Case에 대한 분석 결과는 다음과 같다.

3.1.1 Case 1 소규모 공동주택 에너지소비량 분석

소규모 공동주택으로 분류되는 Case 1의 월별 에너지소비량 측정값은 다음 Fig. 1과 같다. 대상 건물의 경우 하절기 인 8월에 가장 높은 소비량을 보이며 이는 전력 사용수준이 가장 큰 영향을 미치는 것으로 보인다. 연간 에너지 분야별 사용 수준은 전력이 약 94.3%로 대부분을 차지하며 그 외 급탕이 약 5.6%로 큰 비중을 보이고 있다.

Fig. 1 Energy consumption of case 1.

3.1.2 Case 2 대규모 공동주택 에너지소비량 분석

대규모 공동주택으로 분류되는 Case 2의 월별 에너지소비량 측정값은 다음 Fig. 2와 같다. 대상 건물의 경우 중간기 인 9월에 가장 높은 소비량을 보이며 소규모와 마찬가지로 전체 에너지소비량 중 전력 사용수준이 가장 큰 영향을 미치는 것으로 보인다. 연간 에너지 분야별 사용 수준은 공동주택 특성 상 전력이 약 91.9%로 대부분을 차지하며 그 외 급탕이 약 7.9%로 소규모 공동주택보다 조금 높은 값을 보이고 있다.

Fig. 2 Energy consumption of case 2.

3.1.3 Case 3 의료시설 에너지소비량 분석

의료시설로 분류되는 Case 3의 월별 에너지소비량 측정값은 다음 Fig. 3과 같다. 대상 건물의 사용 특성상 가장 큰 비중을 차지하는 가스와 전력을 비교 분석하였을 때 가스 에너지소비량이 전력 대비 약 44%가량 높은 것으로 분석되었다. 연중 전력 에너지소비량은 기관 내 서버실 항온항습기 사용으로 인해 높게 측정되었으며 그 중 하절기로 분류되는 8월에 가장 높게 나타났다. 가스 에너지소비량은 흡수식 냉온수기 사용으로 인해 동절기에 전반적으로 높은 측정값을 보였다.

Fig. 3 Energy consumption of case 3.

3.1.4 Case 4 업무시설 에너지소비량 분석

업무시설로 분류되는 Case 4의 월별 에너지소비량 측정값은 다음 Fig. 4와 같다. 의료시설과 마찬가지로 대상 건물의 사용 특성상 가장 큰 비중을 차지하는 가스와 전력을 비교 분석하였으며, 가스 에너지소비량이 전력 사용량의 4배가량 높은 것으로 측정되었다. 연중 전력 에너지소비량은 마찬가지로 기관 내 서버실 항온항습기 사용으로 인해 전반적으로 높게 측정 되었으며 특히 하절기 기간이 높은 편이나 연중 전반적으로 큰 차이를 보이지 않았으며 가스 에너지소비량의 경우 간절기인 8, 9월과 동절기에 높은 수준을 보였다.

Fig. 4 Energy consumption of case 4.

3.1.5 Case 5 교육연구시설 에너지소비량 분석

교육연구시설로 분류되는 Case 5의 월별 에너지소비량 측정값은 다음 Fig. 5와 같다. 앞선 비주거시설과 마찬가지로 대상 건물의 사용 특성상 가장 큰 비중을 차지하는 가스와 전력을 비교 분석하였으며, 가스 에너지소비량이 전력 사용량 대비 약 84.3% 높은 것으로 측정되었다. 연중 전력 에너지소비량은 마찬가지로 기관 내 서버실 항온항습기 사용으로 인해 전반적으로 높게 측정 되었으며 특히 하절기 기간인 7월에 높은 수준을 보였다. 가스 에너지소비량의 경우 보일러를 사용하는 동절기 전체 기간에 높은 에너지소비량을 나타냈다.

Fig. 5 Energy consumption of case 5.

3.1.6 Case 6 숙박시설 에너지소비량 분석

숙박시설로 분류되는 Case 5의 월별 에너지소비량 측정값은 다음 Fig. 6과 같다. 앞선 비주거시설과 마찬가지로 대상 건물의 사용 특성상 가장 큰 비중을 차지하는 가스와 전력을 비교 분석하였으며, 가스 에너지소비량이 전력 사용량 대비 약 94% 높은 것으로 측정되었다. 연중 전력 에너지소비량은 외기온에 따른 하절기 기간, 특히 8월에 가장 높은 에너지소비량을 보였으며, 가스 에너지소비량의 경우 흡수식 냉온수기 사용으로 인해 8월 및 동절기 전체 기간에 높은 에너지소비량을 보였다.

Fig. 6 Energy consumption of case 6.

3.2 대상 건물별 효율 개선 이후 에너지절감량 분석

앞서 분석한 2~3년간의 실측 데이터 및 해당 건물의 외피사양, 설비성능 등을 고려하여 EnergyPlus로 모델 구축 및 보정계수 적용하여 실측데이터와 유사한 Base Data를 먼저 획득 후, 성능점검업무에 따른 설비 효율 개선 이후 에너지 절감량을 비교 분석 하였다. 예측 모델을 통한 기계설비 성능점검업무 이후 효율 개선에 따른 각 Case별 에너지절감량 분석에 관한 결과는 다음과 같다.

3.2.1 Case 1 소규모 공동주택 개선 이후 에너지절감량 분석

소규모 공동주택으로 분류되는 Case 1의 계절에 따른 세대 당 에너지소비량 기반 비교 분석 결과는 다음 Fig. 7과 같다. 개선 전(팬, 펌프효율 65%, 냉난방열원 효율 65%) 대비 기계설비 효율개선(팬, 난방열원 효율 85%) 이후 월평균 0.1kWh, 약 4.2%의 에너지소비량이 절감되었다. 주요 에너지분야별 절감량 비교결과, 전기는 2.2%, 급탕은 2.5%, 가스는 4.2%의 에너지소비량이 절감되는 것으로 나타났다.

Fig. 7 Energy Saving Rate Analysis of case 1.

3.2.2 Case 2 대규모 공동주택 개선 이후 에너지절감량 분석

대규모 공동주택으로 분류되는 Case 2의 계절에 따른 세대 당 에너지소비량 기반 비교 분석 결과는 다음 Fig. 8과 같다. 개선 전(팬, 펌프효율 65%, 냉난방열원 효율 65%) 대비 기계설비 효율개선(팬, 난방열원 효율 85%) 이후 월평균 0.01kWh, 약 4.5%의 에너지소비량이 절감되었다. 주요 에너지분야별 절감량 비교결과, 전기는 2.0%, 급탕은 2.5%, 가스는 4.5%의 에너지소비량이 절감되는 것으로 나타났다.

Fig. 8 Energy Saving Rate Analysis of case 2.

3.2.3 Case 3 의료시설 개선 이후 에너지절감량 분석

의료시설로 분류되는 Case 3의 계절에 따른 에너지소비량 기반 비교 분석 결과는 다음 Fig. 9와 같다. 개선 전(팬, 펌프효율 60%, 냉난방열원 효율 60%) 대비 기계설비 효율개선(팬/펌프, 냉난방열원 효율 90%) 이후 16.6%의 에너지소비량이 절감되었다. 전력 에너지소비량의 경우 간절기에 가장 큰 절감률이 10.7%를 보였으나 동,하절기 모두 비슷한 수준의 절감률을 나타냈으며, 가스 에너지소비량의 경우 간절기에 27.3% 절감으로 매우 높은 에너지소비량 절감률을 보여 전반적으로 간절기에 19.1%로 그 절감효과가 가장 큰 것으로 나타났다.

Fig. 9 Energy Saving Rate Analysis of case 3.

3.2.4 Case 4 업무시설 개선 이후 에너지절감량 분석

업무시설로 분류되는 Case 4의 계절에 따른 에너지소비량 기반 비교 분석 결과는 다음 Fig. 10과 같다. 개선 전(팬, 펌프효율 60%, 냉난방열원 효율 60%) 대비 기계설비 효율개선(팬/펌프, 냉난방열원 효율 90%) 이후 11.2%의 에너지소비량이 절감되었다. 전력 에너지소비량의 경우 하절기에 12.9% 수준의 큰 절감률을 나타냈으며, 가스 에너지소비량의 경우 동절기에 32.6% 절감으로 매우 높은 에너지소비량 절감률을 보였다. 건물의 사용 특성상 하절기의 절감률 영향이 가장 크게 영향을 미쳤으며, 그 결과 전반적으로 하절기에 15.5%로 그 절감효과가 가장 큰 것으로 나타났다.

Fig. 10 Energy Saving Rate Analysis of case 4.

3.2.5 Case 5 교육연구시설 개선 이후 에너지절감량 분석

교육연구시설로 분류되는 Case 3의 계절에 따른 에너지소비량 기반 비교 분석 결과는 다음 Fig. 11과 같다. 개선 전(팬, 펌프효율 60%, 냉난방열원 효율 60%) 대비 기계설비 효율개선(팬, 난방열원 효율 90%) 이후 5.1%의 에너지소비량이 절감되었다. 전력 에너지소비량의 경우 하절기에 9.8%로 큰 절감률을 보였으며, 가스 에너지소비량의 경우 동절기에 8.9% 절감으로 높은 에너지소비량 절감률을 보였다. 앞선 의료시설과 비슷하게 상대적으로 전력에너지 사용량이 큰 비중을 차지하여 전반적으로 하절기에 7.6%로 그 절감효과가 가장 큰 것으로 나타났으나 동절기 절감효과(5.0%)와 큰 차이를 나타내지는 않았다.

Fig. 11 Energy Saving Rate Analysis of case 5.

3.2.6 Case 6 숙박시설 개선 이후 에너지절감량 분석

숙박시설로 분류되는 Case 6의 계절에 따른 에너지소비량 기반 비교 분석 결과는 다음 Fig. 12와 같다. 개선 전(팬, 펌프효율 60%, 냉난방열원 효율 60%) 대비 기계설비 효율개선(팬, 난방열원 효율 90%) 이후 3.7%의 에너지소비량이 절감되었다. 전력 에너지소비량의 경우 하절기에 13.0%로 가장 큰 절감률을 보였으며, 가스 에너지소비량의 경우 동절기에 2.8% 절감으로 상대적으로 높은 에너지소비량 절감률을 보였다. 건물의 사용 특성상 가스에너지 소비량이 많은 것으로 분석되었으나 전력에 비해 하절기, 간절기 에너지소비량 절감률이 낮은 것으로 분석되어 앞선 사례에 비해 상대적으로 낮은 절감효과가 있는 것으로 분석되었다.

Fig. 12 Energy Saving Rate Analysis of case 6.

4. 결 론

본 연구에서는 ｢기계설비법｣의 제정 및 시행에 따른 기계설비 성능점검을 통한 효과성에 대하여 사례를 기반으로 분석하고 시뮬레이션을 통한 에너지소비량에 대한 효과를 분석하였으며 그 결과는 다음과 같다.

(1) Case 1, 2의 최근 에너지소비량 분석값은 공동주택의 사용 특성에 따라 전력 에너지소비량이 전체의 각 94.3%, 91.9%로 큰 비중을 차지하고 있었고, Case 3 의료시설은 흡수식 냉온수기 사용 등으로 인해 가스 에너지소비량이 전력 에너지소비량 대비 약 44%가량 높은 것으로 나타났다. Case 4 업무시설과 Case 5 교육연구시설의 경우 기관 내 서버실 항온항습기 사용으로 인해 전력 에너지소비량이 가스 에너지소비량 보다 높게 측정되었으며 Case 4 업무시설의 경우 그 수치가 약 4배 가량 차이가 났다. Case 6 숙박시설의 경우 가스 에너지소비량이 전력 에너지소비량 대비 약 94% 높은 것으로 측정되었으며 흡수식 냉온수기 사용 등으로 인해 동절기 외 8월에도 에너지소비량이 높게 나타나는 것으로 분석되었다.

(2) 기계설비 효율 개선 이후 에너지 절감량에 대한 시뮬레이션 분석 결과는 다음과 같다. Case 1, 2 공동주택의 경우 기계설비 효율을 20% 상향 개선할 경우 전체 에너지소비량은 각각 약 4.2%, 4.5% 절감 되었고 특히 주로 사용되는 난방부문에서 절감량이 큰 것으로 분석되었다. Case 3 의료시설의 경우 효율을 약 30% 상향 개선할 경우 약 16.6%의 에너지소비량 절감이 있었으며 특히 간절기에 19.1%로 그 효과가 크게 나타났다. Case 4 업무시설의 경우 효율을 약 30% 상향 개선할 경우 11.2%의 에너지소비량 절감이 있었으며 전력 에너지소비량의 경우 하절기에 12.9%, 가스 에너지소비량의 경우 동절기에 약 32.6%로 그 절감효과가 크게 나타나는 것을 알 수 있다. Case 5 교육연구시설의 경우 기계설비 효율을 약 30% 상향 개선할 경우 5.1%의 에너지소비량이 절감되었다. 전력 에너지소비량의 경우 하절기에 9.8%로 큰 절감률을 보였으며, 가스에너지소비량의 경우 동절기에 8.9%로 가장 큰 것으로 확인되었다. 마지막 Case 6 숙박시설의 경우 기계설비 효율을 30% 상향 개선할 경우 3.7%의 에너지소비량이 절감되었으며 이는 전력 에너지소비량은 하절기에 13%로 크게 나타났지만 건물 특성상 소비량이 많은 가스에너지의 절감률이 2.8% 수준으로 분석되어 전체적인 절감률이 다른 Case에 비해 상대적으로 낮은 것으로 판단되었다.

본 연구에서는 ｢기계설비법｣의 제정 및 시행에 따른 기계설비 성능점검을 통한 효과성에 대하여 사례를 기반으로 직접적인 기계설비 이해관계자가 아닌 일반 사용자들이 간략하게 업무의 효과성에 대해 인지할 수 있도록 수치화된 에너지소비량을 통해 분석하였다. 하지만 이는 간략한 기계설비의 성능 효율 개선에 따른 에너지소비량의 변화 결과이며, 이에 대한 보다 정확한 효과성 검토를 위하여 추후 기계설비 업무 전반에 따르는 초기 비용을 포함한 비용 분석과 회수기간 등 다양한 요소를 고려하여 결과를 도출할 필요가 있을 것으로 판단된다..