1.1 연구 배경 및 목적

2019년 6월 제로에너지 건축 단계적 의무화를 위한 세부로드맵 개편(안)이 발표되었고, ｢녹색건축물 조성 지원법｣ 및 동법 시행령을 개정하면서 본격적으로 제로에너지 건축물 인증 의무화 시행을 위한 법적 근거가 마련되었다. ⁽¹⁾ 세부로드맵 개편(안)에 따르면, 2023년 1월부터 30세대 이상의 공공 공동주택은 제로에너지 건축물(이하 ZEB) 인증 5등급을 의무적으로 획득해야 하며 2024년부터는 민간 공동주택까지 인증 의무 대상을 확대하는 것을 골자로 하였다. ⁽²⁾ 이에 따라 공동주택에서의 제로에너지 건축물 인증 달성을 위해 건물 자체의 1차 에너지소비량 저감이 요구되는 실정이며, 이를 위해서는 건물 자체의 패시브 성능 향상을 통한 1차 에너지요구량을 저감하는 방안과 건물 운영에 필요한 액티브 성능 향상을 통한 1차 에너지소요량을 저감하는 두 가지 방안이 있다.

본 연구에서는 이 중 건물 자체의 1차 에너지요구량 저감의 토대가 되는 단위 냉난방부하를 중점으로 현재 국내에서 통용되는 단위 냉난방부하 기준과 현행 ｢건축물의 에너지절약설계기준｣의 법적 단열성능을 ⁽³⁾ 반영하는 경우를 제로에너지 건축물 인증 가이드라인 기준을 적용하는 경우의 단위 냉난방부하와 비교 분석하여 이에 대한 고찰을 진행하고자 하였다. 이를 통해 현행 공동주택의 단위 냉난방부하 기준이 현행 법규의 강화된 외피 단열 성능을 반영하지 않은 기준이며, 제로에너지 건축물 인증 의무화로 인해 현행 단위 냉난방부하 기준과 제로에너지 건물에서 요구되는 수준의 괴리는 더욱 커질 것임을 정량적 결과로 제시할 수 있다. 이에 본 연구는 현행 단위 냉난방부하 기준을 제시하는 한국지역난방공사 ｢열사용시설기준｣과 ⁽⁴⁾ 산업표준규격 KS C 9306의 단위 냉난방부하 기준 개선과 추후 공동주택에서의 제로에너지 건축물 설계를 위한 단위 냉난방부하 기준 마련에 있어 좋은 참고자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

1.2 국내 단위 냉난방부하 기준

일반 건축물의 냉난방부하 산정을 위해서 부하계산 프로그램을 활용하고 있지만, 공동주택의 경우에는 단위 면적당 냉난방부하 기준을 활용하는 사례가 적지 않다. ⁽⁵⁾ 현재 국내에서는 Table 1의 한국지역난방공사의 ｢열사용시설기준｣과 Table 2의 “산업표준규격 KS C 9306: 2017 에어컨디셔너”가 단위 냉난방부하 기준으로 사용되고 있다. ⁽⁶⁾ 먼저, Table 1의 한국지역난방공사 기준을 살펴보면 단위 냉방부하는 별도의 기준이 제시되어 있지 않으나, 단위 난방부하는 지역과 면적에 따라 다르게 적용되는 것을 볼 수 있다. 지역별 구분은 에너지절약설계기준을 참조하여 A지역에서 D지역으로 갈수록 단위 난방부하가 줄어들지만, 세종시가 A 지역으로 분류된 것은 개선해야 할 사항으로 보인다. 면적별 구분은 전용면적이 작을수록 단위 난방부하가 커지는 것으로 나타났다.

Table 2의 KS C 9306: 2017 <에어컨디셔너>를 살펴보면 단위 난방부하가 단위 냉방부하 기준보다 더 높은 것으로 나타났는데, 이는 건물의 단열성능이 좋지 않은 시기에 기준이 제정되어 동절기 실내외 온도차에 따른 벽체의 열손실량이 하절기 벽체의 열취득량보다 높았기 때문으로 추측된다. 여기서, 이 두 기준의 문제점은 단위 냉난방부하 기준이 한국지역난방공사의 경우 1992년 제정 후 2012년과 2017년 2차례만 개정되었으며, 산업표준규격의 경우 1970년 제정 이후 1999년 개정한 기준을 현재까지 적용하고 있는 것으로 나타났다. 즉, 이러한 단위 냉난방부하 기준은 지구온난화에 따른 기후변화 대응과 온실가스 저감을 위한 건물 분야에서의 외피 단열성능 강화와 제로에너지 건축물 인증 의무화와 같은 현실 조건을 반영하지 못하고 있다.

1.3 연구 수행 절차

Fig. 1은 연구 수행 절차를 도식화하였다. 먼저, 단위 냉난방부하 기준 제시를 위해 수행해야 할 절차로 공동주택의 형상 일반화를 통한 보편타당한 통계적 표준모델(Theoretical reference building)을 구축하는 것이며 이를 위해 국가통계자료 및 설계도서를 수집하여 데이터의 가공, 분석을 진행하였다. 이를 위해 문헌조사를 통한 Corgnati et al. ⁽⁷⁾의 표준모델 구축방법론을 적용하였다. 또한, 관련 법규 및 기술조사를 수행하여 냉난방부하에 영향을 미치는 기술 요소의 입력 변수를 추출하였다. 이후 구축된 표준모델에 대해 설계 요소별 입력 값을 변경하여 지역별 단위 냉난방부하를 산정하고 이에 대한 분석을 진행하였으며, 본 연구 결과를 기반으로 공동주택 단위 냉난방부하에 대한 고찰을 진행하였다.

Fig. 1 Research process.

2.1 국가통계 데이터 분석

통계적 표준모델 선정을 위해 주택 유형, 공동주택 유형, 규모, 구조, 층수와 관련된 국가통계 데이터 수집과 분석을 진행하여 Table 3과 같이 표준모델의 건축 형상을 결정하였다. ⁽⁸⁾ 먼저 주택유형을 살펴보면 2011~ 2020년까지 최근 10년간 건설실적을 조사한 결과 공동주택이 74.1%로 단독주택의 건설 비율(25.9%) 보다 높았으며, 공동주택 중에서도 다세대(16.9%), 연립주택(2.9%) 대비 아파트가 80.2%의 높은 비율을 차지하였다. 아파트 연면적별 주택 호수 현황으로는 40~60 m²가 전체의 30.6%, 60~85 m²가 45.1%, 100~130 m²이 7.9%의 분포를 보여 전체의 83.6%를 차지하는 것으로 나타났다. 또한 평면형식별 구조 현황으로 계단식(79.6%)이 복도식(20.4%) 대비 높은 비율을 보였으며, 평면 형식별 층수 현황은 15층이 20.9%로 전체의 공동주택 중 1/5을 차지하는 것으로 나타났다. 이상의 분석 결과를 바탕으로 표준모델 형상 정보는 다음과 같이 결정하였다. 주택 유형은 공동주택, 그중에서 아파트로 한정하며 규모는 전용면적 40~60 m², 60~85 m², 100~130 m² 3가지 타입으로 선정하였다. 또한 아파트 평면 타입으로 계단식 구조, 층수는 15층이 공동주택의 표준 건축 형상으로 나타났다.

2.2 설계도서 데이터 분석

앞서 결정된 표준모델의 형상을 보다 구체화하기 위해 157개 단지의 설계도서를 수집하여, 단위세대를 대표하는 평면 타입을 Table 4와 같이 선정하였다. ⁽⁹⁾ 전용면적 40~60 m²를 설계한 단지는 157개 중 45개로 28.6%의 비율을 차지했으며, 이 중 4-bay 형태의 단위세대 평면도가 전체의 60.2%로 나타났다. 전용면적 60~85 m²의 경우 단지 수는 121단지(77.1%)로 나타났으며, 4-bay 형태가 전체 세대수의 85.9%를 차지했다. 마지막으로 전용면적 100~130 m²로 설계한 단지 수는 40개(25.4%)로 4-bay 형태가 전체 세대수의 76.1%를 차지하는 것으로 나타났다. 설계도서의 전용면적을 평균한 결과 40~60 m²의 경우 대표 면적으로 59.7 m², 60~85 m²는 84.8 m², 100~130 m²는 105.9 m²로 선정하였다.

2.3 공동주택 표준모델 제시

2.1과 2.2의 데이터 분석 결과를 바탕으로 다음과 같이 통계적 표준모델을 제시하였다. 공동주택은 계단식 구조의 15층 아파트를 대상으로 하며, 측세대와 중간세대의 영향을 종합적으로 고려하기 위해 Fig. 2(a)와 같이 1개 동 60세대(층별 4개 호수) 남향을 기준으로 하였다. 또한 2.2에서 선정된 단위세대 전용면적별 대표 평면 형태는 Fig. 2(b), (c), (d)와 같이 나타났으며, 이에 대한 건축 데이터를 평균하여 Table 5와 같이 정리하였다.

Fig. 2 Theoretical reference building model of apartment house.

3.1 주요 도시별 단위 냉난방부하

Table 7은 국내 주요 도시별 단위 냉난방부하의 시뮬레이션 결과를 평균하여 나타냈다. 현행 에너지절약설계기준 조건에서 각 도시별 단위 냉방부하 차이는 최대 2.9 W/m²(59.7 m², 105.9 m² type 울산-청주, 84.8 m² type 울산 제주) 이하로, 제로에너지 건축물 인증 가이드라인 조건에서도 마찬가지로 최대 3.4 W/m²(57.9 m², 84.8 m², 105.9 m² type 울산-제주) 이하의 미미한 차이를 보이는 것으로 나타났다. 그 밖의 각 도시별 단위 냉방부하 결과에 있어서 뚜렷한 경향성은 보이지 않았다. 반면, 각 도시별 단위 난방부하를 살펴보면 현행 에너지절약설계기준 조건에서 최대 4.8 W/m²(59.7 m² type 진주-강릉, 84.8 m² type 춘천-제주, 105.9 m² type 춘천-제주) 차이를 보였으며, 제로에너지 건축물 인증 가이드라인 조건에서는 12.9 W/m²(59.7 m², 84.8 m², 105.9 m² type 춘천-제주)로 도시별 단위 난방부하의 격차가 커지는 것으로 나타났다.

4.1 지역 및 전용면적별

먼저, Fig. 3의 공동주택 단위 냉방부하를 살펴보면 현행 에너지절약설계기준에서 지역별 구분에 따른 최대 부하 차이는 59.7 m² 타입에서 1.0 W/m²(남부-제주), 84.8 m² 타입에서 1.1 W/m²(남부-제주), 105.9 m² 타입에서 0.9 W/m²(남부-제주)로 나타났으며, 제로에너지 건축물 인증 가이드라인 기준에서는 59.7 m² 타입은 1.8 W/m²(중부1-제주), 84.8 m² 타입은 1.8 W/m²(중부1-제주), 105.9 m² 타입은 1.4 W/m²(남부-제주)로 나타났다. 단위 냉방부하의 경우 두 기준 모두 지역별 차이는 두드러지지 않았는데, 이는 냉방부하 요인 중 단열 조건 변화에 의한 영향보다는 다른 복합적인 요인들이 냉방부하에 더 절대적인 영향을 미친 것으로 보인다.

반면 난방부하의 경우 현행 에너지절약설계기준에 따른 지역별 최대 부하 차이는 59.7 m² 타입에서 3.9 W/m²(중부1-제주), 84.8 m² 타입에서 4.2 W/m²(중부1-제주), 105.9 m² 타입에서 4.3 W/m²(중부1-제주)로 나타났으며, 제로에너지 건축물 인증 가이드라인 기준에서는 59.7 m² 타입은 12.9 W/m²(중부1-제주), 84.8 m² 타입은 12.0 W/m²(중부1-제주), 105.9 m² 타입은 11.4 W/m²(중부1-제주)로 나타났다. 단위 난방부하의 경우 지역별 차이는 단위 냉방부하보다 뚜렷한 경향성을 보였는데, 중부1지역에서 중부2지역, 남부지역, 제주지역으로 갈수록 단위 난방부하가 낮아지는 특징을 보였다. 이는 각 지역별 건축물 부위의 열관류율을 적용하는 현행 에너지절약설계기준과 달리 제로에너지 건축물 인증 가이드라인에서는 모든 지역에서 동일한 값의 열관류율 기준을 적용했기 때문으로 보인다.

다음으로 전용면적별 특성을 분석해 보면, 59.7 m²에서 84.8 m², 105.9 m²로 면적이 커질수록 단위 냉난방부하는 줄어드는 경향을 보이는데, 이는 단위 체적 대비 외피에 접하는 면적(A/V)이 작을수록 열의 취득과 손실이 작기 때문이다.

Fig. 3 Theoretical reference building model of apartment house.

4.2 세대 배치별

세대 배치는 Fig. 2(a)를 참조하여 최하층 서측세대, 중간세대, 동측세대, 중간층 서측세대, 중간세대, 동측세대, 최상층 서측세대, 중간세대, 동측세대 총 9개 타입으로 구분하였으며, 중간층 중간세대를 기준세대로 선정하고 단위 세대 배치에 따른 공동주택의 단위 냉난방부하 비율을 Fig. 4와 같이 나타내었다. 이를 통해 알 수 있는 특징은 측세대가 중간세대보다 그리고 최상층, 최하층, 중간층 순으로 높은 부하를 보였는데, 이는 중간세대가 옆세대와 접하고 있어 벽체에 의한 열전달량이 작으며 외부와 직접적으로 접하는 면적에 따라 부하의 차이가 결정되는 것으로 판단된다.

한 가지 특징적인 부분은 중간세대에서 층만 달라지는 경우 난방부하의 증가율((a) +22.0%, 0%, +22.7%)이 냉방부하의 증가율((a) +1.9%, 0%, +2.1%) 보다 높은 것을 볼 수 있는데 이는 실내외 설계 온도차(ΔT)가 더 큰 겨울철에 외피 부하가 미치는 영향은 더 절대적이라고 판단할 수 있다. 또 다른 특징은 동측과 서측세대의 난방부하 비율이 동일한 반면 냉방부하는 약간 차이가 발생하는데, 이는 난방부하와 달리 냉방부하 요인에서는 방위에 따른 일사 부하가 영향을 미친 것으로 볼 수 있다. 이러한 특징은 다음의 결과를 통해서도 똑같이 유추할 수 있다. 냉방부하의 경우 최상층 측세대, 최하층 측세대, 중간층 측세대, 최상층 중간세대, 최하층 중간세대, 중간층 중간세대 순서로 부하 비율이 높았고, 난방부하의 경우 최상층 측세대, 최하층 측세대, 최상층 중간세대, 최하층 중간세대, 중간층 측세대, 중간층 중간세대 순서로 부하 비율이 높았다. 이는 냉방부하에서는 측벽을 통한 일사부하가 중요한 요소이며, 난방부하에서는 외부에 접하는 면적이 많은 것이 중요한 부하 요소로 판단할 수 있다.

Fig. 4 Heating and cooling load ratio by floor plan layout.

4.3 법규 및 가이드라인 기준별

Fig. 5는 국내에서 현재 통용되고 있는 단위 냉난방부하 기준과, 에너지절약설계기준 조건에서의 단위 냉난방부하, 제로에너지 건축물 인증 가이드라인 조건에서의 단위 냉난방부하를 비교 분석하였다. 먼저 단위 냉방부하의 경우 KS C 9306 기준에서는 145.0 W/m²를 권장하지만 현행 법적 설계 조건인 에너지절약설계기준 적용 시에는 55.1~65.1 W/m²까지 대폭 감소하는 것을 알 수 있다. 또한 제로에너지 건축물 인증 가이드라인 조건을 적용하는 경우 그 보다 낮은 48.3~59.5 W/m²의 단위 냉방부하를 보이는 것으로 나타났다. 단위 난방부하의 경우 한국지역난방공사 ｢열사용시설기준｣에서는 43.2~46.1 W/m²를 권장하지만, 에너지절약설계기준 적용 시 27.2~31.5 W/m², 제로에너지 건축물 인증 가이드라인 적용 시 23.4~26.7 W/m²까지 감소하는 것으로 나타났다. 이를 통해 2가지 의미 있는 결과를 도출할 수 있는데 첫 번째는 현행 건축물의 법적 설계 조건인 에너지절약설계기준을 반영한 경우에 냉난방부하는 국내에서 통용되는 기준보다 훨씬 낮은 수치를 보이는 것으로 나타났으며, 제로에너지 건축물 인증 의무화에 따라 이러한 격차는 더욱 커질 것으로 예상된다. 이는 곧 국내 단위 냉난방부하 기준 개선이 절실하게 요구된다는 것을 의미한다. 두 번째는 현행 에너지절약설계기준 조건과 제로에너지 건축물 인증 가이드라인 조건에 따른 단위 냉난방부하 차이를 비교한 결과 그 차이는 생각보다 크지 않다는 점이다. 이를 해석해 보면 제로에너지 건축물의 단열성능 개선에 따른 단위 냉난방부하 저감은 일정 부분 한계치에 도달했음을 시사하며 이를 좀 더 상세히 분석하기 위해서는 열부하 구성요소별로 미치는 영향을 살펴볼 필요가 있다.

Fig. 5 Comparison of cooling and heating load per unit area by standard.

4.4 열부하 구성요소별

Fig. 6은 Table 7의 결과를 바탕으로 전체 단위 냉난방부하에서 차지하는 열부하 구성요소별 비율을 분석하였다. 먼저 단위 냉방부하의 경우 창호에 의한 열전달이 전체의 48.1~53.3%를 조명부하가 전체의 12.5~ 20.9%를 차지하는 것으로 나타났다. 반면 지붕, 벽체, 간벽을 합친 구조체 부하는 전체 부하의 1.7~2.0%만 차지하는 것으로 나타났다. 이는 제로에너지 건축물 인증에 따른 단열 성능을 강화하더라도 단위 냉방부하 저감에 미치는 영향은 이미 일정 부분 한계치에 도달했다고 볼 수 있으며, 앞으로는 구조체 단열 강화보다는 고성능 창호 개발이나 차양을 통한 일사부하 저감이 더욱 효과적인 부하저감 요소가 될 것으로 보인다. 반면 실내외 온도차가 큰 동절기 난방부하에서는 지붕, 벽체, 간벽의 구조체를 통한 열손실이 전체 부하의 23.3~25.4%로 단위 냉방부하 대비 큰 부분을 차지하고 있는 것으로 나타났다. 이는 현행 에너지절약설계기준에서 제로에너지 건축물 인증 가이드라인 적용을 통한 단열 성능을 강화하는 경우 냉방부하보다는 난방부하 저감에 있어 더 큰 효과가 있음을 의미한다. 그 밖에 침기나 누기의 영향은 하절기 16.9~18.9%, 동절기 39.6~46.6%를 차지하는 것으로 나타났으며 이는 기밀성 확보를 통한 건물에서의 에너지요구량 감소가 미래에 제로에너지 건축물을 위한 주요 기술 요소로 각광받게 될 것으로 보인다.

Fig. 6 Percentage by heating and cooling load component.