1.1 연구배경 및 목적

기후변화협약 당사국들은 지구온난화, 온실가스 배출 등 기후변화 문제를 해결하기 위한 국제사회적 합의체로써 2015년 파리협정을 채택하였다. 이에 따라 우리나라는 2021년 탄소중립기본법과 동시행령 채택을 통해 2018년 온실가스 배출량 대비 40% 감축 목표를 설정하고, 이 중 3,350만 톤을 국외감축활동을 통해 감축하기로 하였다. 반면, 2018년 국내 온실가스 부문별 배출량 중 세 번째를 차지하고 있는 건물분야는 2018년도 탄소배출량(52.1백만t) 대비 32.8% 감축을 목표로 하고 있다. 따라서, 공공건축물 중 노후 건축물에 대한 에너지 효율을 개선하는 그린리모델링 사업이 확대되어 시행되고 있다.⁽¹⁾

지원사업 운영 등에 관한 고시에 의하면 그린리모델링은 에너지 성능 향상 및 효율 개선 등을 통하여 기존 건축물을 녹색건축물로 전환하는 활동으로 정의하고 있다.^(2,3) 공공건축물 그린리모델링 사업은 노후 공공 건축물에 대한 공사비 일부를 지원하는 사업으로, 공공건축물 중 준공 후 10년 이상 경과한 어린이집, 보건소, 의료시설 등이 대상이다.⁽⁴⁾ 국토안전관리원을 중심으로 지방자치단체 담당 공무원, 전문가 등과 협력하여 건축물 선정, 사전조사, 설계, 시공 등의 과정이 진행된다.

대부분의 그린리모델링 사업은 기획 시 지방자치단체 등에서 희망하는 기술을 주어진 예산 범위 내에서 선택하는 방식으로 설계하고 있어⁽³⁾ 그린리모델링 관련 정책 사업이 활발하게 진행되는 것에 비해, 에너지 성능 향상에 대한 큰 효과는 기대하기 어렵다. 따라서, 장기적인 관점에서는 그린리모델링을 효율적으로 진행하기 위한 방안을 마련해야 할 것으로 판단된다.

이에 본 연구에서는 그린리모델링 컨설팅을 수행한 건물을 대상으로 에너지 성능, 경제성, 사용자 선호도 등 3가지 관점을 고려하여 그린리모델링의 우선 적용기술을 도출하였으며, 현재 진행되고 있는 컨설팅 방법과의 에너지 성능 및 경제성을 비교․분석하여 본 연구에서 제안하는 그린리모델링 우선 적용기술 도출 방안의 타당성을 제시하고자 한다.

1.2 연구 방법 및 범위

공공건축물 그린리모델링 신청 건물 중 국공립어린이집은 2021년 841개소 중 399개소(47%)⁽⁵⁾, 2022년 648개소 중 355개소(55%)⁽⁶⁾로 가장 높은 비율을 차지하고 있다. 이에 본 연구에는 2022년 공공건축물 그린리모델링 중 데이터베이스가 구축된 76개소의 국공립어린이집을 대상으로 연구를 수행하였다.

그린리모델링에 따른 에너지 성능 개선 효과는 ECO2-OD를 이용하여 분석하였다. ECO2-OD는 난방, 냉방, 급탕, 조명, 환기, 신재생에너지 등에 대해 종합적 평가를 수행하여 정량적인 데이터를 제공하기 위해 국토교통부에서 제작한 에너지소비총량 프로그램으로 ISO 13790 규격에 따른 총량적 에너지 소요량과 1차 에너지 소요량을 산출한다.⁽⁷⁾

경제성 평가는 해당 투자사업에 대한 경제적 효과성 및 효율성을 검토하기 위한 분석이며, 공공사업의 비용과 경제적 편익을 측정하고 이에 따라 경제적 타당성을 계산하는 것이다.⁽⁸⁾ 따라서, 본 연구에서는 공공건축물 그린리모델링의 목적에 따라 에너지 성능 개선을 위한 비용과 에너지 성능 개선을 통한 절감 비용을 편익으로 경제성 평가를 하고자 한다.

경제성 평가 방법은 비용편익비율(B/C ratio), 순현재가치(NPV), 내부수익률(IRR) 등 세 가지가 있다. Table 1은 세 가지 방법의 특징을 나타낸 것으로, 비용편익비율은 미래에 발생할 비용과 편익을 현재가치로 환산하여 편익의 현재가치를 비용의 현재가치로 나눈 것이고, 순현재가치는 사업의 비용과 편익을 기준연도의 현재가치로 환산하여 편익에서 비용을 차감한 값으로 각각 1과 0 이상일 때 경제적 타당성이 있다고 판단한다. 내부수익률은 사업의 편익과 비용을 현재가치로 환산한 값이 같아지는 할인율을 구하는 방법이다.

이 중 본 연구에서는 순편익의 규모가 큰 사업일수록 사회적인 기여도가 크다고 보는 순현재가치를 사용하여 현행 그린리모델링의 경제성을 평가하였고 그린리모델링 우선 적용기술 도출 방안에서 경제성 데이터는 비용편익비율을 산출하였다. 순현재가치는 사업규모에 따른 표준화가 이루어지지 않아 규모가 커질 경우

순현재가치도 이와 비례하여 증가하게 되므로 대안의 우선순위 결정 시 오류 발생의 가능성이 있기 때문에 경제성 우선순위 결정 데이터는 비용편익비율을 이용하였다.

사용자 선호도는 자료수집 시 대상 건물의 관리자 및 원장님의 면담 및 설문조사를 진행하였고, 그린리모델링 기술 7가지를 응답자가 판단해서 제시한 값으로 중요도 지수 분석을 진행하였다. 설문조사는 건물 사용 시 불편한 점을 고려하여 그린리모델링 기술 순위를 작성하는 방식으로 진행되었다. 그린리모델링 기술 항목은 공공건축물 그린리모델링에서 지원하는 기술로 선정하였다.

2.1 에너지 분석 자료 수집

분석대상의 자료는 대상 건물을 방문하여 관리자와의 면담 및 체크리스트 작성을 통해 수집하였다.

체크리스트는 건축, 설비, 신재생, 조명으로 구성해 작성하였다. 건축은 외벽, 지붕, 바닥, 창호 및 문의 면적, 성능 등을 육안으로 조사하였다. 설비는 열원기기, 환기시스템의 용량, 효율 등을 설비명판을 통해 파악하였다. 신재생은 해당 시설이 설치된 경우 용량, 발전효율 등을 수집하고, 설치되지 않았을 경우 추후 설치 가능성에 대해 확인하였다. 조명은 종류, 용량, 제어 형태 등을 조사하였다. 이를 바탕으로 대상 건물 그린리모델링 전의 에너지 시뮬레이션을 진행하였으며, 육안조사로 파악할 수 없는 건물의 벽체 및 창호 등의 열관류율은 허가 연도 당시의 법적 열관류율 기준을 적용하였다.

대상 건물의 그린리모델링 컨설팅은 Table 2와 같이 공공건축물 그린리모델링 지원 기술에서 에너지 성능 개선이 가능하고 에너지 분석에 반영할 수 있는 기술 중에 선정하여 계획하였다. 건축 부문에서는 누수, 균열 등 파손의 상태를 육안으로 확인하고 에너지설계절약기준 열관류율의 충족 여부를 설계도서로 검토하였다. 설비와 신재생은 효율, 경과연수에 따른 교체 주기를 고려하였으며, 조명은 파손상태와 LED 설치여부에 따라 개선 필요 여부를 판단하였다. 또한, 대상 건물 방문결과와 사용자의 요구사항을 반영하였으며, 그린리모델링 사업규모는 공공건축물 그린리모델링 사업의 지원한도를 고려하였다.

그린리모델링 기술 성능은 Table 3을 적용하여 에너지 시뮬레이션을 진행하였다. 공공건축물 그린리모델링 지원사업 가이드라인⁽⁴⁾, 에너지절약설계기준⁽⁹⁾을 참고하였으며, 에너지절약설계기준에 세부 기준이 없는 항목은 건축물에너지소비총량 평가 매뉴얼⁽¹⁰⁾, 실제 사례 등을 참고하여 작성하였다.

2.2 에너지 분석 결과

그린리모델링의 컨설팅을 통해서 적용된 기술의 비율은 Fig. 1과 같이 냉․난방기가 93%로 가장 많았고, 창호, 벽체단열, 바닥단열, 문, 지붕단열, 보일러, 환기장치, 조명, 태양광 순으로 확인되었다.

대상 건물 76개소 국공립어린이집의 그린리모델링 전․후 에너지 시뮬레이션 결과는 Fig. 2, Fig. 3과 같다. Fig. 2는 그린리모델링 전․후 요구량을 비교한 것으로 그린리모델링 전은 평균 93.5 kWh/(㎡․year), 후는 평균 65.3 kWh/(㎡․year)로 산출되었다. 에너지 요구량 절감률은 평균 30%로 도출되었다. Fig. 3과 같이 1차 에너지 소요량을 비교한 결과 그린리모델링 전은 평균 184.4 kWh/(㎡․year), 그린리모델링 후는 평균 125.8 kWh/(㎡․year)로 절감률은 31%로 확인되었다.

그린리모델링 전 1차 에너지 소요량이 가장 큰 어린이집은 Fig. 3에서 1번으로 310 kWh/(㎡․year) 이다. 이 어린이집은 1977년에 준공되었고, 보일러 효율 약 84%, 냉․난방기 COP는 평균 3.4로 단열성능이 현행 기준 대비 매우 부족한 것으로 나타났으며, 노후되고 효율이 낮은 열원설비를 사용하는 것으로 분석되었다.

그린리모델링 후 1차 에너지 소요량이 가장 작은 어린이집은 Fig. 3에서 18번으로 –202.4 kWh/(㎡․year)로 그린리모델링 기술 중 태양광을 적용하여 에너지 소요량보다 에너지 생산량이 많은 것을 의미한다.

Fig. 1 Application rate of green remodeling technology.

Fig. 2 Energy demand of each daycare center.

Fig. 3 Energy consumption of each daycare center.

2.3 경제성 평가 개요

그린리모델링의 경제성 평가를 위해 초기투자비, 편익 등을 고려하여 순현재가치(NPV)를 산출하였으며, 계산식은 식(1)과 같다.

초기투자비는 공공건축물 그린리모델링의 개략공사비를 이용하였으며 Table 4와 같이 구성되어 있다.

그린리모델링으로 발생 가능한 편익은 취득세 및 재산세 감면, 임대료 절감, 유지보수비 절감, 에너지 절감 비용 등이 있다. 공공건축물 소유 주체는 지자체로 임대료, 취득세 및 재산세에 따른 편익이 발생하지 않는다. 유지보수비의 경우에는 조사된 어린이집에서 관련 자료를 보유하지 않고 어린이집 유지관리비 단가 기준이 없어 추정이 불가하기 때문에 제외하고 에너지 절감 비용을 편익으로 산정하였다.

에너지 절감 비용은 전기, 가스, 지역난방, 기름으로 구분하여 에너지원별로 산출하였고, 요금 구성 체계는 Table 5와 같다. 어린이집의 전기는 일반용 전력(갑) Ⅰ의 저압, 가스는 일반용 2, 지역난방은 공공용, 기름은 실내등유를 사용하고 있다.

전기는 Table 6과 같이 106.43원⁽¹¹⁾, 가스는 Table 7과 같이 각 공급회사마다 다른 요금을 적용하여 지역별로 요금을 계산하였다.⁽¹²⁾ 지역난방은 기본요금 361.98원과 사용요금 115.16원/Mcal⁽¹³⁾, 기름은 2022년 평균 가격인 1473.94(원/L)⁽¹⁴⁾으로 산출하였다.

ECO2-OD의 경우 에너지 소요량을 월별로 계산할 수 없기 때문에, 연간 에너지 소요량으로 에너지 절감 비용을 산출하였다. 이에 계절별 요금이 다를 경우 계절요금의 평균을 이용하여 산출하였다.

가스 요금은 겨울이 여름보다 긴 국내 기후 특성을 고려하여 계절별 요금을 적용하여 산정할 필요가 있다. 그러나 겨울, 여름, 평균 가스 가격을 이용해 76개 어린이집의 가스 요금 차이를 비교․분석한 결과, 그 상대오차가 1% 미만으로 나타났기 때문에 계절요금의 평균을 사용하였다.

할인율이란 시간에 따른 돈의 가치를 결정하는 환산계수로 경제성 평가의 환경에 따라 합리적으로 결정해야 하며 이자율과 물가상승률이 주 고려대상이 된다. 할인율은 장기 정부 채권 이율이나 은행이자율 등을 의미하는 것이다.⁽¹⁵⁾

10년간 한국은행 기준 금리와 물가상승률의 평균을 반영하여 식(2)를 통해 실질할인율 0.09%를 산정하였다. 에너지 비용 상승률은 10년간 상승률의 평균인 1.88%를 적용하여 미래비용을 산출하였다.^(16,17)

분석기간은 각 사업부문의 특성에 맞게 설정할 필요가 있으며⁽⁸⁾, 그린리모델링은 건축물의 수명에 대해 고려가 필요하다. 따라서 건축물이 시공시점부터 본래의 목적으로 사용될 수 없게 될 때까지의 경과년수를 나타내는 내용연수를 사용하였다. 내용연수는 건축물 각 부위의 보수, 교체비 산정 시 경제성 평가의 분석기간으로 또는 성능이 저하된 건축물의 철거판단기준으로 사용된다.⁽¹⁸⁾ 이에 내용연수는 Table 8과 같다.

2.4 경제성 평가 결과

산정 결과 초기투자비는 평균 342,851,724원, 편익은 평균 2,147,523원으로 확인되었다. Table 9는 준공연도별 평균 공사비, 편익이다. 초기투자비는 1990년대 건물들의 평균이 가장 높은 것으로 분석되었다. 이는 다른 연도의 건물보다 1990년대에 연면적이 큰 건물들이 분포되어 있는 것으로 확인되었다. 편익은 노후된 건축물일수록 에너지 성능 개선 효과가 더 크게 나타나므로 에너지 절감 비용도 큰 것으로 확인되었다.

그린리모델링 초기투자비와 내용연수동안 연간 에너지 절감 비용을 현재가치로 환산하여 순현재가치를 계산한 결과 평균 -229,592,867원으로 분석되었다. 순현재가치는 0 이상일 때 경제성이 있다고 판단한다. 이에 Fig. 4에서 보인 것과 같이 대상 건물 76개소 중 3개소의 건축물만 경제성이 있다고 분석되었다.

Fig. 4 Economic analysis result.

그린리모델링 전 대비 에너지 비용은 모든 건물에서 감소하는 것으로 나타났다. 그러나 초기투자비에 비해 에너지 절감 비용이 적어 순편익이 발생하지 않는 것으로 확인되었다.

이에 그린리모델링의 경제성을 평가한 결과 대부분 순편익이 발생하지 않는 것으로 분석되었다. 이는 건물의 수명기간 동안 그린리모델링 투자비 회수가 불가능하다는 것을 의미한다. 그러나 그린리모델링은 탄소배출량 감소와 사용자 쾌적성을 위해 지속되어야 하는 사업으로 우선적으로 적용할 수 있는 그린리모델링 기술을 분석하고 점진적으로 확대하는 것이 필요하다.

3.1 그린리모델링 우선 적용기술 도출 개요

대상 건물 76개소 어린이집의 난방, 급탕, 냉방, 조명, 환기, 신재생의 현황을 분석하여 어린이집의 특징을 확인하였다. Table 10과 같이 난방은 가스보일러, 급탕은 가스보일러 또는 일부분 전기순간온수기, 냉방은 EHP, 조명은 LED 또는 일부분 형광등을 사용하고 있었다. 환기는 화장실과 주방을 제외하고 보육실에서 사용하는 환기시설은 없었고, 신재생에너지도 대부분 사용하지 않고 있었다. 76개소 어린이집 중에서 이와 같은 특징을 갖는 어린이집 28개소를 분석하여 우선 적용기술을 도출하였다.

우선순위를 도출하는 방법은 식(3)과 같은 우선순위지수를 지표로 사용하였다. 우선순위지수에서 에너지 성능, 경제성, 사용자 선호도 등 세 가지 데이터들은 일관성을 유지하고 비교 가능한 변수로 만들기 위해서 데이터 정규화를 진행하였다. 따라서 데이터들의 중요도가 달라지는 문제를 방지할 수 있고 종합적인 평가를 수행할 수 있다.

데이터 정규화 방법은 최소-최대 정규화 방법과 Z-점수 정규화 방법이 있다. 최소-최대 정규화 방법은 최솟값을 0, 최댓값을 1로 조정하는 방법으로 모든 데이터들의 범위를 동일하게 정규화 하지만 이상치의 영향을 받는다. Z-점수 정규화 방법은 평균이 0, 표준편차가 1로 조정하는 방법으로 이상치의 영향을 크게 받지는 않지만, 동일한 척도로 정규화 된 데이터를 생성하지는 않는다. 따라서 최소-최대 정규화는 데이터를 특정 범위로 정규화할 때 주로 사용되며, Z-점수 정규화는 데이터의 분포를 유지하면서 정규화 할 때 사용된다. 데이터들을 특정 범위로 조정하는 것이 목적이므로 최소-최대 정규화 방법을 사용하였다.

에너지 성능은 1차 에너지 절감률을 산출하여 상수로 변환하였다. 1차 에너지 절감률은 에너지 분석에서 사용한 방법과 동일하게 산출하였다.

경제성은 미래에 발생할 비용과 편익을 현재가치로 환산하여 편익의 현재가치를 비용의 현재가치로 나누어 계산하는 방법인 비용편익비율을 사용하였으며 식(4)과 같다. 투자비와 편익은 경제성 평가에서 사용한 방법과 동일하게 산출하였다.

사용자 선호도는 그린리모델링 기술에 대한 설문조사를 통해 식(5)를 이용하여 중요도 지수를 산출하였다.⁽¹⁹⁾ 설문조사는 분석 대상인 어린이집의 관리자 및 원장님이 그린리모델링 기술을 선호에 따라 순위를 작성하는 방식으로 진행하였다. 중요도 지수가 높을수록 사용자 선호도에 높은 영향을 주는 그린리모델링 기술이라고 할 수 있다. Table 11은 중요도 지수를 산출하는 예시이다. 선호도는 총 만족도를 1로 가정하고, 순위에 따라 차등 산정하였다. 최종적인 그린리모델링 기술별 중요도 지수는 Table 12와 같다.

3.2 그린리모델링 우선 적용기술 분석 결과

그린리모델링 기술 우선순위 분석 결과 Table 13, Fig. 5와 같이 1순위에서는 태양광이 20개소(71.4%)로 가장 많이 도출되었고 2위에서는 환기장치(35.7%), 보일러(28.6%), 3위에서는 창호(60.7%), 4위에서는 단열(32.1%), 5위 냉⋅난방기(46.4%), 6위 냉⋅난방기(32.1%), 7위 조명(60.7%)으로 나타났다. 따라서 태양광, 환기장치, 보일러, 창호, 단열, 냉난방기, 조명 순으로 도출되었다. 태양광은 에너지 소비 없이 에너지를 생산하는 것으로 에너지 절감률이 월등히 높기 때문에 투자비 대비 에너지 절감 비용이 높아진다. 따라서 Table 12에서 사용자 선호도는 7위지만 우선순위는 1위로 도출된 것으로 판단된다. 환기장치의 경우 투자비가 비교적 저렴하여 투자비 대비 에너지 절감 비용이 높아지므로 2위로 도출된 것으로 사료된다. Fig. 5에서 보일러는 2위, 7위에서 각각 28.6%, 25.0%로 높은 비율을 차지하고 있다. 이는 보일러 용량에 따른 투자비 차이로 경제성에서 격차가 발생하는 것으로 사료된다. 냉⋅난방기는 5위, 6위에서 각각 46.4%, 32.1%를 차지하고 있는데, 냉⋅난방기 효율에 의한 에너지 절감 차이로 판단된다.

Fig. 5 Green remodeling application technology priority ratio.

3.3 그린리모델링 우선 적용기술 도출 방안 검토

공공건축물 그린리모델링 컨설팅의 경우와 우선 적용기술 1~2순위(환기장치, 보일러)를 사용한 경우의 에너지 절감률과 투자비를 비교한 결과는 Table 14와 같다. 28개소 중 24개소는 본 연구에서 제안하는 방안으로 우선 적용기술을 사용했을 때 에너지 절감률 대비 투자비가 낮은 것으로 확인되었다.

Table 14에서 25번은 절감률 대비 투자비(원/%)를 비교했을 때 23,391,584원으로 가장 많은 차이를 나타내고 있는 어린이집으로 본 연구에서 제시하는 방안으로 우선 적용 기술을 사용했을 때 절감률 대비 투자비(원/%)가 78% 감소되었다. 4개소는 기존 보일러의 효율이 좋은 경우로 우선 적용기술이 에너지 성능 개선에 효과가 없는 것으로 확인되었다. 따라서 본 연구 방안의 우선 적용기술 사용하여 그린리모델링을 진행하였을 때 실효성이 더욱 높아질 것으로 판단된다.