2.1 대상 건물 정보

본 연구는 소형면적 공동주택의 에너지 사용실태 분석을 위해 대한민국의 대전소재 공동주택을 선정하여 에너지 사용량 데이터를 수집하였다. 공동주택의 정보는 Table 1에 나타냈다. 공동주택의 세대수는 1,216 세대이며, 규모는 9동으로 이루어져 있고 각 동별 층수는 최저 12층에서 최대 25층으로 구성되어있다. 공동주택의 난방방식은 지역난방을 열원으로 하는 바닥 난방방식을 열원으로 이용하고 있다. 대상 공동주택의 평면은 Fig. 1에 나타냈다. 공동주택의 각 세대별 면적은 39 ㎡, 46 ㎡, 그리고 51 ㎡ 3가지 타입으로 구성된다.

Fig. 1 Floor plan of apartment building.

2.2 에너지 사용량 데이터 측정

본 연구는 공동주택의 에너지 사용 실태 분석을 위해 각 세대별 에너지 사용량을 측정했다. 에너지 사용량 측정은 BEMS로 수집되는 각 세대별 난방, 급탕, 그리고 전기에너지 계량기 미터링 값을 이용하였다. 에너지 사용량은 2017년 1월에서 3월까지의 데이터를 수집하였다. 또한 각 세대별 거주자의 특성에 따른 에너지 사용량 분석을 위해 거주자의 연령과 구성원 수를 조사하였다. 조사된 데이터를 기반으로 면적 타입, 각 세대별 구성원 수, 그리고 거주자의 연령에 따라 에너지 사용량을 분류하였고, 그 중 거주자의 특성을 파악할 수 없는 세대의 에너지 사용량 데이터는 데이터 분석에서 제외하였다. 면적 타입별 에너지 사용량은 각 세대별 에너지 사용량 데이터를 39 ㎡, 46 ㎡, 그리고 51 ㎡에 따라 분류하였다. 각 세대별 구성원 수에 따른 에너지 사용량은 세대별 1인 세대에서 4인 이상 세대로 분류하여 분석하였다. 그리고 거주자의 연령에 따른 에너지 사용량은 10세 미만의 어린이를 포함하여 거주하는 세대, 10세 이상 20세 미만의 연령의 거주자를 포함하여 거주하는 세대, 20세 이상 60세 미만의 연령의 거주자만이 거주하는 세대, 그리고 60세 이상 노년층을 포함하여 거주하는 세대로 분류하였다.

3.1 난방사용량 분석

공동주택의 에너지 사용량은 세대별 편차가 크기 때문에 전반적인 에너지 사용량 분석을 위해 박스 플롯을 이용하였다. Fig. 2는 면적타입, 세대별 구성원 수, 그리고 거주자의 연령대에 따라 분류한 난방에너지 사용량을 박스 플롯으로 나타낸 것이다.

Fig. 2(a)는 면적 타입별 전체 난방에너지 사용량을 분석한 결과이다. 난방에너지 사용량은 중간값을 기준으로 21,000 L에서 24,000 L의 에너지를 사용하였다. 전체 난방에너지 사용량은 46 ㎡ 면적 타입이 가장 많은 난방에너지 사용을 보였고, 39 ㎡는 21,000 L로 가장 작은 난방에너지를 사용했다. 난방에너지 사용량 하한값(25% 값)은 면적이 증가함에 따라 에너지 사용량이 증가하였다. 그러나 단위 면적당 난방에너지 사용량은 면적이 작을수록 많은 에너지를 소비하였다. 특히 39 ㎡ 타입의 경우 중간값을 기준으로 51 ㎡ 타입 대비 약 14% 많은 난방에너지 사용량을 소비했다. 그러나 단위면적당 난방에너지 사용량 하한값은 면적이 증가할수록 에너지 사용량이 증가했다. 또한 면적이 증가함에 따라 각 세대별 단위면적당 난방에너지 사용량 편차는 감소했다.

각 세대별 세대 구성원의 수에 따른 난방에너지 사용량은 Fig. 2(c)에 나타내었다. 분석결과, 하한값(25% 값)과 중간값(50% 값)을 기준으로 세대 구성원 수가 증가할수록 난방에너지 사용량은 증가하였다. 여기서 3인 세대의 난방에너지 사용량은 하한값(25% 값), 중간값, 그리고 상한값(75% 값)을 기준으로 가장 많은 난방 에너지를 소비했다. 그러나 최대값은 가장 적은 난방 에너지를 사용했다.

세대 구성원의 연령별 난방에너지 소비량은 중간값을 기준으로 연령이 어린 구성원이 거주할수록 난방 에너지 소비량이 증가했다. 10세 미만의 구성원이 거주하는 세대의 난방에너지 소비량은 중간값을 기준으로 20세 이상 60세미만 구성원이 거주하는 세대보다 약 19%, 60세 이상 구성원이 거주하는 세대의 난방에너지 소비량 대비 약 22% 많은 난방에너지를 소비했다. 그러나 최대 난방에너지 소비량은 모든 세대에서 비슷한 값을 보였다.

본 연구는 시간당 외기온도 변화에 따른 난방에너지 사용량을 분석하였다(Fig. 3 참조). 난방에너지 사용량은 외기온도가 낮아질수록 증가하는 패턴이었다. 그러나 난방에너지는 거주자의 특성에 영향을 많이 받기 때문에 외기온도와 난방에너지 사용이 비례하지 않은 것으로 판단된다. 또한 주거용 건물은 전기난방을 사용하는 세대가 존재하기 때문에 이에 대한 추가분석이 필요할 것으로 판단된다.

본 연구는 주중과 주말의 시간당 난방에너지 패턴 분석을 위해 주중과 주말로 구분하여 시간당 난방에너지 사용량 평균 값을 분석하였다(Fig. 4 참조). 분석 결과 일반적으로 주중과 주말의 난방에너지 사용량이 비슷하게 나타났다. 주중의 오전 6시~7시 난방에너지 사용량이 주말보다 더 큰 값을 보였고, 주말 오전 9시 난방에너지 사용량이 급증하였다. 또한 오후 12시~오후 5시까지 주말 난방에너지 사용량이 주중 난방에너지 사용량 대비 많은 에너지를 사용하였고, 오후 6시 이후 부터는 주중 난방에너지 사용량 사용이 주말 대비 많은 에너지를 사용하였다. 따라서 난방에너지 소비는 거주자의 생활패턴에 영향을 받아 주중과 주말에 따라 특성을 나타낸다고 판단된다.

Fig. 2 Heating usage by considered variables.

Fig. 3 Hourly heating usage according to outdoor air temperature.

Fig. 4 Hourly average heating usage the whole winter season.

3.2 급탕사용량 분석

공동주택의 에너지 사용량 중 각 세대별 급탕에너지 사용량을 분석했다. 급탕에너지 사용량 분석은 세대별 에너지 사용량 분포 검토를 위해 박스 플롯을 이용하였다. Fig. 5는 면적타입, 세대별 구성원 수, 그리고 거주자의 연령대에 따라 분류한 급탕에너지 사용량을 박스 플롯으로 나타낸 것이다.

면적별 급탕에너지 사용량은 전반적으로 비슷한 에너지를 사용했다(Fig 5(a), (b) 참조). 그러나 면적별 단위면적당 급탕에너지 사용량은 면적이 감소함에 따라 에너지 사용량이 감소하는 패턴을 보였다. 39 ㎡ 면적 타입의 단위면적당 급탕에너지 사용량은 51 ㎡ 면적 타입 대비 중간값을 기준으로 약 24% 많은 에너지를 소비했다. 따라서 각 세대별 급탕에너지 사용량에 면적 증감이 미치는 영향이 미비하다고 판단된다.

각 세대별 세대 구성원의 수에 따른 급탕에너지 사용량은 Fig. 5(c)에 나타내었다. 분석결과, 전반적인 급탕에너지 소비량 분포는 세대 구성원수가 증가할수록 에너지 소비가 증가했다. 특히 세대 구성원수가 2인에서 3인으로 증가할 때 가장 큰 에너지 사용량 증가폭(약 29%)을 보였다.

세대 구성원의 연령별 급탕에너지 사용량은 세대 거주 구성원의 연령이 증가할수록 감소했다(Fig. 5(d) 참조). 20세미만 연령의 거주자가 포함된 세대가 그 외의 세대보다 약 40% 많은 급탕에너지를 사용했다. 20세미만의 거주자가 세대 구성원으로 포함될 경우 일반적으로 세대 구성원 수가 3인 이상이기 때문에 세대 구성원 수 증가에 따른 영향이 반영된 것으로 판단된다. 따라서 세대별 급탕에너지 소비량은 면적 타입의 영향보다 세대 구성원 수, 거주자의 연령 분포에 영향이 더 큰 것으로 판단된다.

Fig. 6은 시간당 외기온도 변화에 따른 급탕에너지 사용량이다. 급탕에너지 사용량 변화와 외기온도의 변화의 연관성을 확인하지 못했다. 따라서 급탕에너지 사용량은 외기온도의 변화보다 거주자의 패턴에 따른 분석이 필요할 것으로 판단된다. 이에 본 연구는 주중과 주말의 시간당 급탕에너지 사용량 패턴 분석을 수행하였다. Fig. 7은 주중과 주말의 시간별 급탕 에너지 소비량 평균값이다. 전반적인 급탕에너지 소비량은 주중대비 주말에 많은 에너지를 소비했다. 주중의 급탕에너지 소비량은 8시에서 9시 사이에 급증하는 패턴을 보이는 반면 주말의 급탕에너지 소비량은 9시부터 14시까지 많은 급탕에너지를 소비했다. 또한 주중의 급탕에너지 소비량은 20시부터 22시까지 감소하는 패턴을 보였지만, 주말의 급탕에너지 소비량은 증가하는 패턴을 보였다. 따라서 급탕에너지 소비량은 주중과 주말에 따라 다른 에너지 사용패턴을 보였다.

Fig. 5 Hot water usage by considered variables.

Fig. 6 Hourly hot water usage according to outdoor

Fig. 7 Hourly average hot water usage the whole winter season.

3.3 전기사용량 분석

공동주택의 전기에너지 사용량 분석을 위해 면적 타입별, 거주자의 구성원 수, 그리고 연령에 따라 전기에너지 사용량을 분류하고, 그 결과를 박스 플롯으로 나타냈다(Fig. 8 참조).

면적별 전기에너지 사용량은 면적이 증가함에 따라 에너지 사용량이 증가하는 패턴을 보였다(Fig. 8(a) 참조). 면적별 전기 에너지 사용량 편차는 비슷하였다. 그러나 단위면적당 전기에너지 사용량은 면적이 증가할수록 에너지 사용량이 감소하는 패턴을 보였다(Fig. 8(b) 참조). 39 ㎡의 단위면적당 전기에너지 사용량은 51 ㎡대비 중간값을 기준으로 약 20% 많은 에너지를 소비했다. 면적별 단위면적당 난방, 급탕, 전기에너지 사용량은 면적이 증가할 때 에너지 사용량이 감소하는 패턴을 보였다. 이는 소형면적의 공동주택의 에너지사용량이 세대별 편차가 크지 않기 때문에 면적이 작을수록 단위면적당 에너지 사용량이 증가하는 패턴을 보였다고 판단된다.

Fig. 8(c)는 세대 구성원 수에 따른 전기에너지 사용량 결과이다. 세대 구성원 수에 따른 단위면적당 전기에너지 사용량은 세대 구성원수가 증가함에 따라 중간값을 기준으로 최대 20%에서 최소 7% 증가했다. 그러나 전기에너지 사용량의 최대값은 1인 가구가 가장 많은 전기에너지를 소비했다. 따라서 전기에너지 사용량은 세대 구성원 수 증가에 따라 증가하지만 거주자의 에너지 사용 특성에 따라 편차가 큰 것으로 판단된다.

세대 구성원 연령별 전기에너지 사용량은 Fig. 8(d)에 나타냈다. 세대 구성원의 연령별 단위면적당 전기에너지 사용량은 20세 이상 60세 미만의 구성원이 거주하는 세대에서 4.7 kWh/㎡로 가장 적은 에너지를 소비했고, 10세 이상 20세미만의 구성원이 거주하는 세대에서 5.7 kWh/㎡로 가장 많은 에너지를 소비했다.

본 연구는 외기온도 변화에 따른 전기에너지 사용량을 분석하였다(Fig. 9 참조). 전기에너지 사용량은 외기온도 변화에 영향을 받지 않는 결과를 보였다. 일반적으로 전기에너지는 기저부하에 사용되는 전기에너지가 존재한다. 외기온도와 전기에너지의 상관관계 분석을 위해서는 기저부하에 사용된 전기에너지를 제외한 전기 에너지를 이용하여야 한다. 따라서 측정된 전기에너지는 기저부하가 포함된 전기에너지 사용량이기 때문에 외기온도 변화에 영향을 받지 않았다고 판단된다.

본 연구는 거주자의 전기에너지 사용량 패턴 분석을 위해 주중과 주말로 구분하여 시간당 전기에너지 사용량 평균값을 분석하였다(Fig. 10 참조). 그 결과 일반적으로 전기에너지 사용량은 주중 대비 주말이 많은 에너지를 소비하였다. 주중 전기에너지 사용량은 오전 7시에서 오전 9시에 급증하였다. 오전 7시에서 오전 9시를 제외한 시간대의 전기에너지 사용량 패턴은 주중과 주말이 유사한 패턴을 보였다. 따라서 전기에너지 사용량은 거주자의 생활 패턴에 변화가 반영되어 주중과 주말에 따른 에너지 사용특성을 보이지만, 전기에너지 사용량은 기저부하가 존재하기 때문에 특정 시간대를 제외한 경우 주중과 주말에 유사한 에너지 사용패턴을 보였다고 판단된다.

Fig. 8 Electricity usage by considered variables.

Fig. 9 Hourly electricity usage according to outdoor air temperature.

Fig. 10 Hourly average electricity usage the whole winter season.

3.4 건축물 에너지 효율등급 분석

본 연구는 측정된 데이터를 기반으로 면적 타입별 건축물 에너지 효율등급을 산정하였다. 일반적으로 건축물 에너지 효율등급은 5가지 항목(난방, 냉방, 조명, 급탕, 환기)의 1차에너지 소요량(Required primary energy per unit area per year) 값의 합을 이용하여 산정한다. 그러나 본 연구는 난방과 전기에너지 만을 측정하여 분석하였다. 이에 본 연구는 난방에너지 사용량과 전기에너지 사용량에 기반하여 면적 타입별 1차 건물에너지 소요량을 산정하고 건축물 에너지 효율등급을 계산하였다. 여기서 전기에너지 사용량은 냉방, 조명, 환기 에너지를 포함하고 있다고 가정하였다. 건축물 에너지 효율등급은 연간 단위면적당 1차 에너지 소요량에 기반하여 1+++등급에서 7등급으로 분류된다(Table 2 참조).

본 연구는 대상 공동주택의 연간 1차 에너지 소요량 산정을 위해 난방과 급탕에너지 사용량의 단위 (L/month·㎡)를 에너지 소요량 산정을 위한 단위(kWh/㎡·year)로 변환하였다. 이를 위해 식(1)~(5)을 이용하였다. 식(1)은 유량 값으로 측정된 월간 난방에너지 사용량을 시간당 난방에너지 소요량으로 변환하기 위한 열량 계산식이다.

여기서 $\dot{m}$(kg/s)은 측정된 난방사용량 단위인 L/month·㎡을 kg/s·㎡단위로 변환하여 이용하였다. $C_{p}$는 물의 비열로 4.2 kJ/kg·℃를 이용하였다. $\triangle T$ 는 공동주택 기계실에서 세대 측으로 공급되는 난방수의 출구온도와 입구 온도 차의 평균값인 15℃를 이용하였다. 본 연구는 계산된 단위 면적당 시간당 난방 에너지 소요량을 이용하여 단위면적당 연간 난방에너지 소요량을 계산하고자 하였다. 연간 난방에너지 소요량 계산은 기상청에서 제공하는 2017년 난방도일(HDD: Heating Degree Days) 데이터를 기반으로 연간 난방에너지 소요량을 계산하였다. 난방도일은 연간 난방을 필요로 하는 날짜를 의미하는 지표이다. 2017년 실내온도 20℃를 기준으로 대전 지역의 난방도일은 133이었다.(6) 따라서 연간 난방에너지 소요량 계산을 위해 식(2)를 이용하였다. 연간 급탕에너지 소요량은 연간 에너지 소요량으로 변환을 위해 1년을 시간단위로 환산하여 식(3)을 이용하였다.

건축물 에너지 효율등급은 연간 단위면적당 1차 에너지 소요량($Q_{RPE,\: year}$: Annual required primary energy per unit area)을 기준으로 산정된다. 따라서 이전에 계산된 연간 단위면적당 난방 에너지 소요량을 1차 난방 에너지 소요량($Q_{RPE,\: Heating,\: year}$: Annual required primary heating energy per unit area)으로 변환해야 한다. 1차 에너지 소요량은 에너지 소요량에 1차 에너지 환산계수를 곱하여 계산된다. 대상 공동주택은 지역난방을 열원으로 이용하는 난방시스템을 이용하고 있기 때문에 지역난방 환산계수인 0.728을 연간 단위면적당 난방 에너지 소요량에 곱하여 1차에너지 소요량을 계산하였다(식(4), (5) 참조).

전기에너지 사용량은 월간 단위 면적당 에너지 사용량을 연간 단위면적당 1차 전기에너지 소요량($Q_{RPE,\: electric,\: year}$: Annual required primary electric energy per unit area)으로 변환하였다. 이를 위해 월간 에너지 사용량을 연간 에너지 소요량으로 변환하고, 1차 에너지 환산 계수(전기 : 2.75)를 곱하여 연간 단위 면적당 1차 전기에너지 소요량을 계산하였다(식(6) 참조). 1차 에너지 소요량 계산에 사용된 변수는 Table 3에 정리하였다.

면적 타입에 따른 건축물의 1차 에너지 소요량 계산을 위해 식(7)을 이용하였다. 계산 결과, 각 면적 타입별 에너지 효율등급은 3등급에서 4등급의 결과를 보였다. 여기서 39 ㎡ 타입의 1차 에너지 소요량은 각각 230.3 kWh/㎡·year으로 가장 많은 에너지 소비량을 보였다. 51 ㎡ 타입의 1차 에너지 소요량은 196.6 kWh/㎡·year으로 가장 적은 에너지 소비량을 보였고, 이때의 에너지 효율등급은 3등급이었다. 따라서 면적이 작을수록 연간 단위면적당 1차에너지 소요량이 증가하는 결과를 보였다. 이는 소형면적 공동주택의 경우 각 세대별 에너지 사용량의 편차가 작기 때문에 단위 면적당 에너지로 산정할 때 에너지 사용량이 증가한 것으로 판단된다.