박승환
(Seung Hwan Park)
1
신혜리
(Hyery Shin)
2
최경석
(Gyoung Seok Choi)
3
김유민
(Yu Min Kim)
4†
-
한국건설기술연구원 건축에너지연구소 박사후연구원YS
(NST Postdoctoral Fellowship for Young Scientists, Department of Building Energy Research,
Korea Institute of Engineering and Building Technology, 283 Goyangdae-ro, Ilsanseo-gu,
Goyang-si, Gyeonggi-do, 0223, Korea)
-
한국건설기술연구원 건축에너지연구소 전임연구원
(Research Specialist, Department of Building Energy Research, Korea Institute of Engineering
and Building Technology, 83 Goyangdae-ro, Ilsanseo-gu, Goyang-si, Gyeonggi-do, 103,
Korea)
-
한국건설기술연구원 건축에너지연구소 선임연구위원
(Senior Research Fellow, Department of Building Energy Research, Korea Institute of
Engineering and Building Technology, 28 Goyangdae-ro, Ilsanseo-gu, Goyang-si, Gyeonggi-do,
1022, Korea)
-
한국건설기술연구원 건축에너지연구소 연구위원
(Research Fellow, Department of Building Energy Research, Korea Institute of Engineering
and Building Technology, 283 Goyangdae-ro, Ilsanseo-gu, Goyang-si, Gyeonggi-do, 10223,
Korea)
Copyright © 2016, Society of Air-Conditioning and Refrigeration Engineers of Korea
키워드
탄소중립, 실증사례분석, 탈탄소 핵심 기술, 현장 실증 현황, 기술 수준
Key words
Carbon neutrality, Case studies, Decarbonization core technologies, On-site demonstration status, Technology level
1. 서 론
온실가스 배출에 따른 이상기온, 재해 등 기후 위기가 현실화되면서 국제사회는 기후변화 대응을 위해 온실가스 순 배출량을 제로로 낮추는 탄소중립을 달성하고자
노력하고 있다. 2016년 파리협정, 2019년 UN 기후정상회의를 통해 2050 탄소중립이 국제 의제로 대두되었고, 주요국은 장기저탄소발전전략(Long-term
low greenhouse gas Emission Development Strategy: LEDS)을 통해 탄소중립 목표를 제시하였다.(1) 탄소중립은 글로벌 신 패러다임으로 전 세계 사회경제 전환을 주도하고 있다. 공공부문에서는 탄소 국경세를 도입하여 기후변화 대응을 위한 규제를 강화하였고,
민간에서도 RE100 참여, ESG 투자 등 탄소중립을 위해 노력하고 있다. 탄소중립은 산업구조, 에너지 상황 등 국내 여건상 큰 도전과제이며, 현재
정부는 2050년을 목표로 탄소중립 국가로의 전환을 추진하고 있다.(2)
정부에서는 2050 탄소중립 추진 전략(2020.12.07) 수립을 통해 탄소중립과 더불어 경제성장, 삶의 질 향상 동시 실현을 추구할 것으로 발표하였으며,(3) 2021년 10월에는 2050 탄소중립 시나리오 안과 2030 국가 온실가스 감축목표(NDC) 상향 안에 대해 각각 2030년과 2050년의 부문별
감축목표를 제시하였다. 2050 탄소중립 시나리오 안에서 건물 부문의 목표는 직접 에너지를 2.9백만 TOE까지 감축하고, 온실가스 배출을 6.2백만
톤CO2eq로 줄이는 것이다. 감축 수단으로는 5가지를 제시하였으며, ① 에너지 효율 향상, ② 고효율 기기 보급, ③ 스마트 에너지관리, ④ 저탄소․청정에너지
보급, ⑤ 행태개선 등이다.(4)
2030 국가 온실가스 감축목표인 NDC 상향 안에서 건물 부문 배출 목표를 35.0백만 톤으로 제시하고 있다. 2030 온실가스 감축 목표 달성을
위해서는 2018년 대비 32.8% 감축이 필요하기에 다양한 기술의 고도화뿐 아니라 신재생에너지의 도입이 불가피한 상황이며, 에너지 그리드와 같이
개별건물의 차원을 넘어 도시지역 단위로의 신재생에너지 도입 및 공유가 필요한 상황이다. 또한, 감축 수단 별 감축 목표량을 제시하였으며, ① 에너지
효율 향상은 제로에너지 건축 민간 활성화를 적극 유도하고 그린리모델링 사업을 확대하는 방향으로 추진하며, 감축 목표량은 2.7백만 톤을 제시하였다.
② 고효율 기기 보급에서는 에너지소비효율 강화 및 조명・가전 등 에너지 사용 원단위를 개선하는 것으로 추진하며, 감축 목표량은 2.1백만 톤이다.
③ 스마트 에너지관리는 IoT 등 기술혁신 등에 의한 BEMS, HEMS 보급 확대 등 에너지 이용 최적제어 통합 관리시스템을 도입하는 방향으로 추진하며,
감축 목표량은 0.2백만 톤이다. ④ 저탄소․청정에너지 보급은 신재생에너지 (태양열, 지열, 수열) 보급 확대, 지역난방 열 공급 효율 향상, 화석연료(석탄,
석유 등) 사용기기의 전력화 등을 추진할 계획이다. ⑤ 행태개선 강화에서는 기후환경 비용 반영 및 국민의 자발적 동참 등을 통해 에너지 수요 추가
절감을 이루고자 하며, 감축 목표량은 0.9백만 톤으로 제시하였다.(5)
2030 국가 온실가스 감축목표 달성을 위한 5가지 감축 수단과 감축 수단 별 감축 목표량을 제시하였는데, 제시된 목표량이 실제로 실현할 수 있는
것인지에 대해 파악하는 것이 중요하였다. 목표의 이상치와 현재 기술 상황의 차이가 크다면 목표량을 달성할 수 없기 때문이다. 따라서 현재 국내에서
5가지 감축 수단에 대한 핵심 기술들의 기술 개발 현황 및 추이를 파악하는 것이 중요할 것으로 판단되었으며, 그 핵심 기술들에 해당하는 다양한 건물
에너지 절감 기술들의 현재 기술 개발 수준을 파악하는 것이 중요할 것으로 판단되었다.
기술 수준은 현재까지 개발된 기술 중 고도화시켜 세계적으로 발전시킬 수 있는 기술도 있지만, 경제적 측면에서 투자 대비 효과가 미비하여 더 이상 발전시킬
필요가 없는 기술들도 있다. 이러한 기술 수준을 제대로 파악하여 기술 개발이 필요한 과제를 선택하여 개발이 이루어져야 향후 기술을 개발하는데, 있어
시간과 비용 등을 절약할 수 있고, 기술의 성능을 고도화시킬 수 있게 된다.
그리고 개발된 기술들의 수준만을 파악하는 것이 아니라 그 기술들이 실제로 적용이 될 수 있는 기술들인지에 대한 것을 파악하는 것이 중요하다. 큰 비용을
투자하여 연구하고 개발된 기술들이라고 하여도 그 기술을 현장에 적용하는 것은 또 다른 문제이다. 실제로 현장에 적용하기 위해서는 가장 먼저 개발된
기술들의 경제성 측면이 고려되어야 하며, 시공성, 편이성 측면 등도 고려되어야 개발 시장에서 경쟁력을 갖추고 있게 된다. 또한 개발된 기술들이 현장에서
적용될 때의 한계점이 존재할 수 있으므로 이를 파악하기 위해 실제로 현장에 적용된 기술들의 현장 실증 현황도 파악하는 것이 중요할 것으로 사료되었다.
본 연구에서는 최근 수행되고 있는 다양한 R&D 국가 연구과제들을 조사 및 분석하여 해당 과제에서 2030 국가 온실가스 감축목표인 NDC 상향 안에서
제시된 감축 수단에 해당하는 핵심 기술들의 현황을 항목 및 연도별로 분석하고 그 기술들의 기술 수준을 파악하였다. 또한, 해당 과제에서 개발된 핵심
기술들을 실제로 현장에 적용한 실증한 사례에 대해 분석하였다. 추가로 전문가 설문을 통해 핵심 기술들의 필요성 및 시급성을 분석하여 2030 국가
온실가스 감축목표를 달성하기 위해 반드시 개발이 필요한 핵심 기술들을 제시하였다. 본 연구는 향후 2030 국가 온실가스 감축목표를 달성과 탄소중립
달성을 위해 필요한 핵심 기술들을 파악하고 핵심 기술들을 실제 현장에 적용하여 실증하기 위한 기초 자료로 제시되었다.
2. 연구 방법
본 연구에서는 과거에 수행되었던 과제들과 최근에 수행되고 있는 과제들을 국가 과학 기술 지식 정보 서비스(NTIS)(6) 및 다양한 방법을 통해 조사 및 분석하였다. 과제는 2010년부터 2023년까지의 과제 중 실증 과제를 분석하였다. 실제로 적용이 가능한 기술들을
분석해야 하므로 검색키워드는 도시 단위 건물 에너지 실증, 건물 규모 건물 에너지 실증, 건물 에너지 절감 요소기술 실증 등으로 조사하였으며, 건물
에너지를 절감하는 핵심 기술들의 개발뿐 아니라 실증까지 고려한 과제들을 선별하여 분석하였다. 또한 과제뿐 아니라 산, 학, 연의 건물 에너지 관련
연구를 20년 이상 수행한 건물 에너지 관련 전문가 16명을 대상으로 설문을 의뢰하였다. 설문을 통해 현재 개발되어야 하는 건물 에너지 절감 핵심
기술들의 향후 기술 개발 방향과 그 핵심 기술들의 필요성 및 시급성에 대한 우선순위를 파악 및 분석하여 향후 개발이 필요한 핵심 기술들에 대해 제시하였다.
본 연구에서 건물 에너지 절감 핵심 기술들에 대해 분류하고 있는 분류체계는 총 5개의 기술로 구분하였고, 기술별 세부 기술들로 18가지 세부 기술들을
분류하였다. ① Passive 기술은 창호 및 단열재, 단열재 및 외벽 단열 시스템, 기타(블라인드, 기밀시공, 열습기(Hygrothermal)자재
등), ② Active 기술은 냉난방 급탕 설비, 환기장치, LED 및 스마트 조명 시스템, BEMS(Building Energy Management
System) 및 HEMS(Home Energy Management System), 기타 에너지 고효율화(고효율 히트펌프, 반송 동력, 기기 등),
③ 청정에너지 기술은 신재생에너지(태양광, 태양열 등), 수소에너지, 전력화, 에너지 그리드, ④ 건물 부문 탄소중립 구현 기술은 건물 에너지 효율화
최적 설계, 설계 성능 구현, 그린리모델링, ⑤ 건물 데이터 기반 구축 기술은 모니터링(계측), 지역단위 건물 에너지 현황 분석 및 진단, 건물 부문
온실가스 시나리오/로드맵 체계 수립 등이다. 기술별 세부 기술 분류는 Table 1과 같다.
Table 1 Detailed technology classification for each technology
Technology classification
|
Detailed technology classification
|
1. Passive technology
|
1.1. Windows and exterior materials
|
1.2. Insulation materials and exterior wall insulation system (smart envelope system)
|
1.3. Others (blinds, airtight construction, heat and moisture materials, etc.)
|
2. Active technology
|
2.1. Cooling and heating hot water facilities
|
2.2. Ventilation (ventilation, dehumidification)
|
2.3. LED and smart lighting systems
|
2.4. BEMS / HEMS
|
2.5. Other energy efficiency improvements (high-efficiency heat pump, conveyance power,
equipment, etc.)
|
3. Clean energy technology
|
3.1. Renewable energy (solar power, solar heat, etc.)
|
3.2. Hydrogen energy
|
3.3. Electrification
|
3.4. Energy grid
|
4. Carbon neutral implementation technology in the building sector
|
4.1. Optimal design for building energy efficiency
|
4.2. Implementing Design Performance
|
4.3. Green remodeling
|
5. Building data-based construction technology
|
5.1. Monitoring (measurement)
|
5.2. Analysis and diagnosis of regional building energy status
|
5.3. Establishment of building sector greenhouse gas scenario/road-map system
|
3. 결과 및 고찰
3.1 국가 R&D 과제 분석을 통한 핵심 기술 및 실증 현황
건물 에너지 절감 핵심 기술 및 실증 현황을 파악하기 위해 국가 R&D 과제를 분석하였다. 먼저, 분석 과제들의 과제 기간, 과제 수, 연구비 등
과제 현황에 대해 파악하였다. 두 번째로 과제별로 개발된 핵심 기술들과 실증하기 위해 적용된 핵심 기술들의 전체적인 현황을 분석하여 핵심 기술 중
개발이 활발하게 이루어진 기술들과 개발이 이루어지지 못한 기술들을 파악하여 그 원인을 분석하였다. 마지막으로 개발된 핵심 기술들의 연도별 추이와 기술
수준 등을 분석하여 핵심 기술들의 개발이 활발하게 이루어진 시점을 분석하였다. 또한 연도별로 기술 수준의 성능 변화를 파악하여 현재 기술 수준의 상황과
개발 가능성 등을 분석하였다.
3.1.1 분석 과제 현황
분석한 대상 과제의 기간은 위에서 제시되었던 5가지 기술과 각 세부 기술을 고려하여 2010년부터 2023년까지로 한정하였다. 과제 수는 총 27개의
과제를 분석하였다. 해당 연구에서는 제시된 5가지 기술에 대해 개발하고 그 개발된 기술을 실제 현장에 적용한 과제에 대해서만 분석하였기 때문에 분석된
과제 수가 적을 수도 있다. 연구비는 각각의 해당 과제에서 제시되고 있는 연구비를 기준으로 하였으며, 과제 현황은 Fig. 1과 Table 2에 나타내었다.
연구비 현황을 보면 연구의 시작 시점인 10년도, 14년도, 15년도, 16년도가 연구비가 적은 것을 알 수 있다. 해당 과제들은 모두 실증을 수행했던
과제들이었기 때문에 개발 초기 단계에 연구비는 적게 사용하고 실증을 수행하기 위해서는 큰 비용이 소요되기 때문에 실증 단계의 해당되는 연도에서 연구비를
많이 사용한 것을 알 수 있었다. 21년도의 연구비가 많은 것은 18년도 19년도에 수행되었던 과제들의 실증 비용이 많았기 때문으로 사료되며, 22년도와
23년도의 연구비가 적은 것은 연구가 끝난 시점이었기 때문으로 판단된다. 23년도에 시작되는 과제에 대해서는 검색할 수 없었기 때문에 23년도의 연구비가
가장 적은 것을 알 수 있었다.
Fig. 1 Status of analysis project.
Table 2 Status of analysis project
No.
|
Project title
|
Project period
|
Project budget(One thousand won)
|
Energy saving
|
1
|
Empirical study on new and renewable energy sharing system for zero energy buildings(7)
|
2010~2011
|
867,370
|
Natural energy utilization rate: 89%
|
2
|
Development/verification of operation management data measurement and control system
for building energy use facilities(8)
|
2010~2013
|
7,200,000
|
20%
|
3
|
Convergence technology demonstration project to realize low-energy buildings(9)
|
2010~2013
|
10,844,000
|
30%
|
4
|
Development of virtual sensors for building energy performance monitoring and optimal
control(10)
|
2014~2016
|
100,000
|
20%
|
5
|
Development of KIER thermal energy network-based cooling and heating technology(11)
|
2015~2016
|
626,000
|
18%
|
6
|
Development of empirically based LED system lighting commercialization technology
to save energy for buildings and complexes(12)
|
2015~2018
|
10,912,037
|
LED system: More than 45%
|
7
|
Developing building energy efficiency and future building energy management solutions
using weather and climate information(13)
|
2015~2018
|
434,000
|
Prediction accuracy less than 14.61%
|
8
|
Development of technology for early commercialization of general-purpose core devices
and demonstration-based LED system lighting to realize ultra-energy saving in large
buildings(14)
|
2015~2018
|
200,000
|
More than 50%
|
9
|
Development and verification of machine learning-based environment/energy IoT and
energy-cloud control system(15)
|
2017~2018
|
635,784
|
Prediction accuracy: 95.5%
|
10
|
Development of cloud-based energy management system for optimal coordination of smart
building clusters and smart distribution grid(16)
|
2016~2019
|
412,874
|
6.9%
(Cost saving: $47)
|
11
|
Development and verification of BEMS KS-based design, construction, operation, and
management technology(17)
|
2015~2020
|
17,644,000
|
Existing construction: 20%, 25% / New construction: 35%
|
12
|
Development and empirical research of smart envelope module based on occupant location
information(18)
|
2017~2020
|
148,500
|
Lighting energy: 8.7~44.6%
|
13
|
Development of a passive/active technology convergence model and guidelines to realize
energy-independent school buildings(19)
|
2018~2021
|
7,357,439
|
Energy self-sufficiency rate: 60% (Existing construction), 80% (New construction)
|
14
|
Development of High Performance and Reasonable Cost Construction Materials for ZEB
Revitalization(20)
|
2018~2021
|
6,228,500
|
Heating energy: 21.9~33.3%
|
15
|
Development of a plus energy community platform based on new and renewable energy
for urban development(21)
|
2020~2021
|
2,000,000
|
Energy self-sufficiency rate: 78% Self-consumption rate: 50.5%
|
16
|
Development of an adaptive integrated building energy management system based on machine
learning(22)
|
2019~2022
|
1,375,000
|
About 10.05%
|
17
|
Development of a convergence algorithm of energy use behavior and element technology
of zero energy building residents(23)
|
2019~2022
|
300,000
|
Error rate evaluation
(MBE 5.46%)
|
18
|
Development of design and construction technology to optimize energy consumption of
small-scale buildings(24)
|
2019~2022
|
17,201,745
|
Existing construction: 70.5% / New construction: 59%, 66%
|
19
|
Establishment of Smart Electricity Service in Jeju Smart Grid Demonstration Complex(25)
|
2010~2013
|
21,540,000
|
9%
|
20
|
Demonstration project for composite envelope system of zero energy residential building(26)
|
2011~2013
|
4,440,500
|
Heating energy: about 16.3%
|
21
|
Development and demonstration of commercialization technology for high-tech housing
energy control module linked to solar power generation(27)
|
2011~2013
|
6,217,000
|
Existing construction: avg.40.256% / New construction: avg.39.359%
|
22
|
Development and creation of a zero-energy green community based on new and renewable
energy(28)
|
2010~2014
|
5,600,000
|
Energy self-sufficiency rate: 78%
|
23
|
K-MEG business model verification and commercialization(29)
|
2011~2014
|
25,718,016
|
25.9%, 7%, 10%, avg.11.5%, 18%
|
24
|
Open smart home technology development and demonstration(30)
|
2016~2017
|
5,220,000
|
-
|
25
|
Development of customized prefabricated housing technology and construction of demonstration
complex(31)
|
2017~2019
|
14,174,000
|
Prefabricated house energy efficiency level 2
|
26
|
Technology development and empirical research to create Jincheon eco-friendly energy
town(32)
|
2015~2019
|
14,054,000
|
Heat source produced by the solar thermal system: 81.5% (Solar direct utili- zation
rate: 68.4%)
|
27
|
Development of energy share community based on low-carbon energy efficiency technologies(33)
|
2019~2023
|
33,861,261
|
New construction:
(Energy self- sufficiency rate: 103.26%
Energy efficiency: 60.8%)
Existing construction: 35%, 48%
|
3.1.2 각 핵심 기술별 세부 기술 현황
각 핵심 기술별 세부 기술 현황은 분석된 과제들에서 개발이 이루어지고 개발된 기술들을 실증한 건에 대해 분석하여 각 핵심 기술별로 세부 기술들의 개발
현황에 대해 파악하였다. 또한 하나의 과제에서 여러 개의 핵심 기술들을 개발하고 실증한 경우가 있으므로 따로 분리하여 핵심 기술 및 세부 기술별로
건수를 파악하였다. 각 핵심 기술 및 세부 기술별로 해당되는 건수를 파악하여 각 핵심 기술에서 세부 기술이 차지하고 있는 비율을 산정하여 분석하였다.
Passive 기술의 경우, 대부분 창호 및 외벽 단열재 기술 등이 주를 이루었으며, 추가 기술로 블라인드, 기밀시공이 적용되고 있었다. 단열재 기술은
38%를 차지하고 있었으며, 창호 기술은 36%를 차지하고 있었다. 블라인드 기술은 14%, 기밀시공은 11%를 차지하고 있었으며, 열 습기 자재를
이용한 기술은 1%로 거의 기술 개발이 이루어지지 못했다. 스마트 외피 시스템은 외피의 열 성능뿐 아니라 Passive/Active 건축설계 방식에
최적화된 고효율 LED 조명 Dimming 제어․차양 제어 기술, 건축물 및 자재 일체형 자연채광 연계 조명 및 투과도 가변 유리 기술, 건축물 공간,
시간 변화 대응 반응형 스마트 외피 시스템 기술, 머신러닝 및 AI 기법을 이용한 최적제어 알고리즘 등 고성능 다기능을 갖추어 건물의 에너지를 절약하는
시스템인데, 이러한 기술들은 아직 기술 개발이 이루어지지 못했다.
Active 기술은 BEMS, 냉난방 급탕 설비가 주로 개발되고 있었으며, LED, 환기, 스마트 조명, 고효율 히트펌프 기술 등이 개발되고 있었다.
BEMS의 경우 32%를 차지하고 있었으며, 냉난방 급탕 설비는 24%를 차지하고 있었다. LED 조명 기술과 스마트 조명 기술은 각각 14%와 7%를
차지하였으며, 환기시스템 기술 중 환기는 12%, 제습은 3%이었다. 제습과 관련된 기술은 아직 미흡한 실정이었다. 고효율 히트펌프는 7%를 차지하고
있었으며, 기기를 이용하여 건물 에너지를 절약하는 시스템은 1%에 불과하였다. 특히, 반송 동력은 열원설비에서 발생한 열을 공급하는 데 필요한 동력을
의미하며, 난방하기 위한 온수를 공급하는 반송 동력은 펌프의 동력이며, 공기조화기의 냉난방에 필요한 반송 동력은 송풍기의 모터 동력이다. 이러한 반송
동력을 절감하기 위한 기술 개발이 거의 이루어지지 않았다.
청정에너지 기술은 신재생에너지 중 태양광 기술이 주를 이루었으며, 에너지 그리드, 전력화 등의 기술들이 활발하게 개발되고 있었다. 태양광 기술은 전체에서
41%를 차지하고 있었으며, 에너지 그리드 기술은 32%를 차지하고 있었다. 전력화 기술은 20%를 차지하고 있었다. 이에 반해 태양열 기술은 2건의
과제만 수행되어 5%로 기술 개발이 매우 미흡한 상황이었다. 태양광 기술과 달리 태양열 기술은 설치 장소 및 크기의 제약이 있고, 에너지 변환 과정이
복잡하여 효율이 낮으므로 많은 과제가 이루어지지 못한 것으로 판단되었다. 수소에너지와 관련된 기술 개발 과제는 전체에서 1건만 수행되어 2%로 기술
개발이 미흡한 실정이었다.
건물 부문 탄소중립 구현 기술을 위해 건물 에너지 효율화 최적 설계 및 성능 구현이 대부분 과제에서 적용 및 개발되고 있었다. 건물 에너지 효율화
최적 설계 및 설계 성능 구현이 각각 35%, 37%를 차지하여 전체에서 72%를 차지하고 있었다. 그린리모델링 기술은 전체에서 28%를 차지하고
있었다. 아직 그린리모델링과 관련된 기술들이 활발하게 적용되지는 못하고 있었다. 그린리모델링 기술은 현재 국내 실정상 가장 활발하게 이루어져야 하는
기술이며, 신축 건물 대비 기축 건물이 차지하는 비율이 매우 크기 때문에 관련된 기술 개발이 추후 활발하게 이루어질 것으로 판단되었다.
건물 데이터 기반 구축 기술의 경우 모든 연구 과제에서 개발하고자 하는 기술들을 실제로 적용하여 검증해야 하므로 모니터링의 경우 전체에서 69%를
차지하고 있었다. 건물 부문의 온실가스 시나리오와 로드맵 체계 수립은 기술이 개발되지 못하고 있었다. 각 분야의 세부 기술에 대한 현황은 Fig. 2와 같다.
Fig. 2 Technology status in each field.
3.1.3 연도별 추이 및 기술 수준 분석
Passive 기술의 경우, 연도별 추이를 보면 창호, 단열재, 블라인드 기술은 예전부터 많은 연구가 이루어졌었다. 18년도 이후부터 실증을 기반으로
한 기밀시공 공법에 대한 연구개발이 활발하게 수행되었고, 열 습기 자재의 경우 19년도 이후에 개발이 시작되었지만 미흡한 실정이었다. 단열재와 창호의
경우 에너지 절약 설계 기준이 계속해서 강화됨에 따라 기술 개발이 활발하게 이루어졌다. 기밀시공 공법은 건물의 난방/냉방 에너지 저감을 위해 다양한
공법이 개발되었다. 창, 파이프, 덕트, 분전반 등에 기밀 테이프와 기밀 소켓 등을 이용하여 침기 되는 부위를 막아 건물 에너지 소비를 줄일 수 있다.
기밀이 강화됨에 따라 실내 습도가 높아지고, 과습 현상으로 인해 다양한 문제들이 발생하게 된다. 열 습기 자재는 조습 및 흡/방습 조절의 기능을 가진
자재로 실내 습도 조절을 통해 이러한 문제들을 해결할 수 있지만 아직 정부의 R&D 지원이 활발하지 못한 실정이었다. 이는 정부에서 제시하는 정책
중 정부에서 추진하고자 하는 우선순위에 따라 반영 여부가 결정되는 것이기 때문에 미흡했던 것으로 판단되었다.
단열재의 연도별 기술 수준은 과제마다 적용하고자 하는 수준이 달랐기 때문에 연도별로 차이가 있었다. 이는 현장 여건과 관계가 있다. 현장 여건상 단열재를
보강하더라도 공사비와 성능을 둘 다 고려해야 하기 때문이다. 따라서 단열재를 적용하고자 하는 기술 수준의 평균치를 적용하였다. 11년도 이후 단열재의
성능이 좋아지지 않은 것은 앞서 설명한 바와 같이 현장 여건을 고려하여 단열재의 기술 수준을 다르게 적용하였는데, 이를 평균하여 나타냈기 때문으로
사료되었다. 단열재의 성능은 최대 0.234 W/m2K를 넘지 않는 수준이었다. 18년도 이전까지는 에너지 절약 설계 기준을 참고하면 중부지역 기준으로 거실의 외벽이 외기에 직접 면하는 공동주택의 경우
0.210 W/m2K 이하 공동주택 외의 경우 0.260 W/m2K 이하이었다.(34) 실증된 현장 여건마다 다르지만, 분석된 단열재의 성능은 기준치를 초과하지 않는 것으로 분석되었다. 18년도 이후 0.194 W/m2K를 넘지 않는 수준으로 유지되었고, 계속해서 낮아지고 있다. 18년도 에너지 절약 설계 기준이 개정되었으며, 중부지역 기준으로 거실의 외벽이 외기에
직접 면하는 공동주택의 경우 0.150 W/m2K 이하 공동주택 외의 경우 0.210 W/m2K 이하로 개정되었다.(35) 분석된 단열재의 성능이 기준을 초과하지 않는 것으로 분석되었다. 23년에도 에너지 절약 설계 기준 0.150 W/m2K 이하로 2018년도와 동일하며,(36) 분석된 단열성능이 0.149 W/m2K의 단열성능을 보여 기준치를 초과하지 않는 것으로 나타났다. 단열재의 전체 기술 수준은 0.125 W/m2K ~ 0.299 W/m2K 이었으며, 전체 평균은 0.179 W/m2K이었다.
창호의 연도별 기술 수준도 단열재와 같이 과제의 특성 및 현장 여건에 따라 기술 수준이 달랐기 때문에 11년도 이후 창호의 성능이 좋지 않은 것으로
나타나 다소 차이가 있었지만, 최대 1.135 W/m2K를 넘지 않는 수준이었다. 18년도 이전까지는 에너지 절약 설계 기준을 참고하면 중부지역 기준으로 창이 외기에 직접 면하는 공동주택의 경우 1.200
W/m2K 이하 공동주택 외의 경우 1.500 W/m2K 이하이었다.(34) 창호 성능이 가장 좋지 않았을 때보다 기준치가 더 높은 것으로 나타났다. 창호도 단열재와 동일하게 18년도 이후 1.000 W/m2K을 넘지 않는 수준으로 유지되었고, 0.930 W/m2K ~ 0.967 W/m2K 기술 수준이었다. 창호도 단열재와 동일하게 18년도 에너지 절약 설계 기준이 개정되었으며, 중부지역 기준으로 창이 외기에 직접 면하는 공동주택의
경우 0.900 W/m2K 이하 공동주택 외의 경우 1.300 W/m2K 이하로 개정되었다.(35) 현장마다 다소 차이가 있었지만, 분석된 창의 성능도 기준치를 초과하지 않는 것으로 나타났다. 창호의 전체 기술 수준은 0.800 W/m2K ~ 1.300 W/m2K 이었으며, 전체 평균 0.967 W/m2K이었다. Fig. 3은 Passive 기술의 연도별 추이와 기술 수준을 나타낸 것이다.
Fig. 3 Annual trends in passive technology and performance levels of major technologies.
Fig. 4의 Active 기술의 연도별 추이를 보면 BEMS 기술, 냉난방 급탕 설비, 환기, LED, 스마트 조명 고효율 히트펌프 기술들이 2010년대 활발히
연구가 수행되었다. BEMS 기술의 경우, 초기에는 건물에서 데이터를 단순 저장하는 개념으로 이루어졌다면 점차 시간이 지남에 따라 AI, 머신러닝
기법 등을 적용하여 시스템들을 자동화하고, 설정 온도 제어, 쾌적 제어 등 다양한 제어 알고리즘을 탑재하여 건물의 에너지를 절감하는 기술들을 고도화시키고
있었다. 냉난방 급탕 설비, LED 조명, 환기와 같은 기술들은 많은 과제에서 기술 개발들이 이루어졌지만, 상대적으로 스마트 조명과 고효율 히트펌프
기술들의 개발은 미흡하였다. 하지만, 고효율 히트펌프의 경우 Fig. 4(b)를 참고하면 10년도 성적계수 COP(Coefficient of Performance)가 3.1 COP 효율을 시작으로 23년도 4.42 COP 효율로
계속해서 증가되고 있었다. 과제마다 적용하고자 하는 효율이 다르므로 평균하여 제시하였다. 23년도 건축물의 에너지 절약 설계 기준을 보면 5.18
COP 이상 배점 1점이며, 3.52 COP 미만이 0.6점으로 제시되어 있다.(36) 4.42 COP은 배점 0.8점에 해당된다. 고효율 히트펌프의 경우 저탄소 시대로 가고 있는 현시점에서 매우 중요한 Active 기술이며, 향후
가스보일러를 대체해야 하는 기술이기 때문에 계속해서 성능 효율을 높일 수 있는 기술들이 개발되어야 할 것이다. 기기를 이용하여 건물 에너지를 절감하는
기술은 15년도부터 17년도까지 한 건의 과제에서 연구가 수행되었다. 해당 과제에서는 IoT 기반의 스마트 홈 기술을 적용하여 전기레인지, 온수매트,
TV, 도어락, 조명, 전동커튼, 냉장고, 세탁기 등을 사용하면서 무선 전류 상태감지기와 게이트웨이를 이용하여 실시간 자동 제어 통해 건물의 에너지를
절감하는 기술이었다. 제습 관련 기술은 환기 겸용으로 19년도 이후부터 연구가 진행되었다. 제습 관련 기술은 건물 에너지를 절감하는 기술들이 발전할수록
반드시 함께 기술이 개발되어야 한다. 점차 건물이 고기밀화 되는 현시점에서 실내 과습 현상에서 발생하는 문제들을 해결하는 방안은 제습이 동반된 환기
기술의 개발일 것이다.
Fig. 4 Annual trends in active technology and performance levels of major technologies.
청정에너지의 연도별 추이를 보면 태양광 기술은 10년도부터 23년도까지 꾸준히 기술 개발이 이루어지고 있었다. 2030 국가온실가스감축목표 달성과
2050 탄소중립 실현의 하나로 정부에서는 제로에너지건축물 의무화 대상을 공공에서 민간으로 확대 시행하고 있으며, 산업부의 22년 10월 “건물 일체형
태양광(Building- Integrated Photovoltaic system: BIPV) 산업생태계 활성화 방안”과 22년 11월 “BIPV -
성능평가 요구사항” 등의 개정 고시를 발표함에 따라 BIPV 시장이 활성화되고 있다. BIPV 시장 활성화의 하나로 태양광 기술 개발이 계속해서 이루어진
것으로 판단된다. 이러한 태양광 기술에서도 발전 성능이 계절에 따라 달라지고, 발전이 많이 되었을 때 남은 에너지를 다른 건물로 이동시켜 다른 건물에서
사용할 수 있는 에너지 공유 및 에너지 그리드 기술들에 대한 개발이 이루어졌으며, 15년 이후 더욱 활발히 기술들이 개발되었다. 또한, 저탄소 시대의
맞는 전전화 주택 기술인 전력화 기술도 15년 이후부터 활발히 연구개발이 시작되었다. 수소에너지와 태양열 기술은 미비한 수준이었으며, 태양열 기술은
15~19년도와 19~22년도 수행되었으며, 수소에너지 기술은 20~21년도에 기술 개발이 이루어졌다. 태양열 기술은 설치 장소 및 크기의 제약이
있고, 에너지 변환 과정이 복잡하므로 효율이 낮아 기술 개발이 활발하게 이루어지지 못한 것으로 판단되었다. 수소에너지의 경우, 이제 개발을 시작하는
단계이다. 수소에너지는 가장 문제가 되는 점이 안전상의 문제점이다. 이러한 안전성을 확보할 수 있는 기술들이 개발되어야 하며, 그 효율을 높일 수
있는 기술들의 개발이 필요하다. 신재생에너지원 중 태양광을 제외하면 풍력, 지열, 수력 등이 있지만 그 기술들은 지역과 자연환경의 특성에 따라 에너지를
생산할 수 있는 여건이 한정적이기 때문에 수소에너지의 기술 개발은 필요하다. 20년도 이전에는 수소에너지에 대한 개발이 미흡했지만, 최근 들어 정부에서
제시하는 정책들과 부합하기 때문에 개발이 활발해질 것으로 판단되었다. Fig. 5는 청정에너지 기술의 연도별 추이를 나타낸 것이다.
Fig. 5 Annual trends in clean energy technology.
Fig. 6의 건물 부문 탄소중립 구현 기술의 연도별 추이를 보면 건물 에너지 효율화 최적 설계 및 설계 성능 구현, 그린리모델링 모두 10년도에 연구개발이
진행되었다. 특히, 19년도 이후부터 건물 부문 탄소중립 구현 기술 개발을 위한 연구가 활발히 진행되었다. 초기에는 건물 에너지 효율화를 위한 최적
설계를 단순히 단열재, 창호 등에 대해 설계하는 수준이었다. 하지만 19년도 이후부터 최적 설계를 다양한 머신러닝 기법들을 이용하여 알고리즘을 개발하고
효율화를 극대화할 방안의 최적 설계들이 이루어졌다. 이러한 설계 후 실제 성능 구현을 위한 실증을 진행하였다. 그린리모델링 기술은 10년도 이후 꾸준히
기술 개발이 이루어졌고, 초기에는 그린리모델링 공사 시 비용과 입주민의 거주 문제로 인해 활발하게 이루어지지 못했다. 하지만 정부의 지원과 그린리모델링
시 창호 전체를 바꾸는 개념이 아니라 부품을 추가하는 개념으로 건물 에너지를 절감할 수 있는 기술인 그린리트로핏 개념의 기술들이 개발됨에 따라 기술
개발이 활발하게 이루어진 것으로 판단된다. 그린리트로핏 개념의 기술은 공사 비용이 많이 들지 않고, 입주민이 거주한 상태로 시공할 수 있어서 그린리모델링의
문제점을 극복할 수 있는 기술이다.
Fig. 6 Annual trends in carbon neutral implementation technology in the building sector.
Fig. 7의 건물 데이터 기반 구축의 연도별 기술 개발 추이를 보면 모니터링의 경우 대부분 건물 에너지 실증과 관련된 핵심 기술을 위주로 과제를 분석하였기
때문에 개발된 모든 핵심 기술들을 실제로 적용하여 검증해야 하므로 10년도부터 23년도까지 모든 연도에 포함되어 있었다. 지역단위 건물 에너지 현황
분석 및 진단의 경우, 모니터링에 비해 수가 적지만 10년도부터 23년도까지 꾸준히 연구가 수행되고 있었다. 하지만, 건물 부문 온실가스 시나리오/로드맵
체계 수립은 지금까지 연구가 수행되지 못하고 있다. 최근 국토부에서 로드맵 체계 수립과 관련된 연구들이 수행되고 있으므로 국가 정책상 이른 시일 내
로드맵 체계 수립이 가능할 것으로 판단되었다.
Fig. 7 Annual trends in building data-based construction technology.
3.2 국가 R&D 과제 분석을 통한 실증 현황
실증 현황은 분석된 과제들에서 개발이 이루어지고 개발된 기술들을 실증한 건에 대해 분석하였다. 또한 하나의 과제에서 여러 개의 핵심 기술들을 개발하고
여러 건의 실증을 수행한 경우가 있어서 따로 분리하여 실증 건수를 파악하였다. 실증과 관련하여 신축과 기축으로 구분하였으며, 주거와 비주거로 분류하였다.
주거에서는 중고층과 저층으로 구분하였다. 전체 실증 건수에서 위에서 구분된 타입에 해당되는 건수를 파악하여 전체에서 구분된 타입이 차지하고 있는 비율을
산정하여 분석하였다.
기축-비주거 부문이 51.85%를 차지하여 가장 많은 부분을 차지하고 있었다. 최근 들어 정부에서 그린리모델링 사업을 활발하게 확대한 영향에 따라
공공건물에 해당되는 기축-비주거 부문이 가장 활발하게 실증이 이루어지고 있는 것으로 파악되었다. 그다음으로 기축-주거-저층 부문이 22.22%를 차지하고
있었다. 이는 상대적으로 실증이 쉬운 단독주택 유형이 기축-주거-저층에 해당되기 때문으로 판단되었다. 기축-주거-중고층의 경우는 3.7%로 가장 적은
부분을 차지하고 있었다. 이는 기축 건물의 경우 그린리모델링을 실시해야 하는데, 실증하기 위한 많은 절차와 허가를 받기 위한 것이 매우 어렵기 때문이라고
판단되었다. 단독주택의 경우 집주인 한 명을 대상으로 허가 동의를 얻으면 가능하지만, 중고층의 경우는 대부분 아파트이기 때문에 아파트 세대마다 허가받아
실증을 진행해야 하는 어려움이 있다. 그에 비해 신축의 경우는 주거의 중고층, 저층, 비주거 모든 부문이 비슷한 실정이었다. Fig. 8(a)은 실증 현황을 나타낸 것이다.
Fig. 8(b)의 실증 현황 연도별 추이 분석을 보면, 신축-주거-중고층의 경우 10년도의 실증이 수행되었으며, 17년도까지 꾸준히 실증이 수행되었다. 신축-주거-저층과
신축-비주거의 경우 10년~11년도에 실증이 수행되어 23년도까지 꾸준히 수행되고 있으며, 11년도에서 13년도에 가장 활발히 실증 연구가 수행되었다.
기축-비주거의 경우 10년도부터 23년도까지 꾸준히 실증 연구가 수행되고 있었으며, 특히 13년도에서 14년에 가장 활발히 수행되었다. 기축-주거-중고층의
경우도 11년도부터 22년도까지 실증 연구가 수행되었지만, 그 수가 미비하였다. 기축-주거-저층의 경우 11년도부터 실증 연구가 시작되었지만, 최근
들어 그 수가 급증하고 있으며, 이는 정부의 그린리모델링 사업이 공공건물에서 점차 민간 건물로 확대됨을 알 수 있으며, 민간 건물 중 실증하기 힘든
주거-중고층에 비해 실증하기 쉬운 주거-저층 부문이 많이 증가됨을 알 수 있었다.
Fig. 8 Current status of field verification through analysis of national R&D project.
3.3 전문가 설문을 통한 핵심 기술 개발의 필요성과 시급성
전문가 설문을 통해 핵심 기술 중 기술 개발이 필요하다고 판단되는 것에 대한 우선순위는 신재생에너지, 냉난방 급탕 설비, 환기장치와 그린리모델링,
건물 에너지 효율화 최적 설계 순이었다. 특히, 탈탄소화하기 위한 전략으로 가장 핵심이 되는 것은 신재생에너지이며, 냉난방 급탕 설비의 경우 고효율
히트펌프를 활용한 경우, 가스 사용을 현저히 줄일 수 있어서 필요성에 대한 우선순위 높은 것으로 판단되었다. 또한 환기장치의 경우 여러 가지 Passive
기술들로 인해 건물의 기밀성능이 좋아져서 에너지가 절약되지만 동시에 환기와 관련된 실내 공기 질은 나빠질 수 있어서 에너지를 절약하는 것과 동시에
환기까지 원활하게 이루어져 실내 공기 질을 쾌적하게 할 수 있는 기술 개발이 필요한 것으로 판단되었다. 마지막으로 건물 에너지 효율화 최적 설계는
개발된 핵심 기술들의 최적 조합으로 에너지를 절감할 수 있기 때문으로 판단되었다.
핵심 기술 개발의 시급성은 그린리모델링, 냉난방 급탕 설비, 건물 에너지 효율화 최적 설계, 설계 성능 구현 순으로 우선순위가 높았다. 현재 국내에서는
기축 건물이 신축 건물에 비해 많으며 기축 건물 중 낡은 건물들이 매우 많아서 그린리모델링이 가장 시급하며, 그린리모델링 기술들이 적용되었을 때 건물
에너지 효율화 향상을 위한 최적 설계 및 설계 성능 구현이 이루어져야 하므로 우선순위가 높았던 것으로 사료되었다. Table 3은 각 핵심 기술들의
필요성과 시급성에 대한 전문가 설문의 결과를 나타낸 것이다.
Table 3 The necessity and urgency of technology development through expert surveys
Technology classification
|
Detailed technology classification
|
Necessity
|
Urgency
|
Ranking
|
Ranking
|
1. Passive technology
|
1.1. Windows and exterior materials
|
6
|
9
|
1.2. Insulation materials and exterior wall insulation system
|
10
|
7
|
2. Active technology
|
2.1. Cooling and heating hot water facilities
|
2
|
2
|
2.2. Ventilation (ventilation, dehumidification)
|
3
|
6
|
2.3. LED and smart lighting systems
|
6
|
11
|
2.4. BEMS / HEMS
|
14
|
12
|
2.5. Other energy efficiency improvements (high-efficiency heat pump, conveyance power,
equipment)
|
17
|
17
|
3. Clean energy technology
|
3.1. Renewable energy (solar power, solar heat, etc.)
|
1
|
8
|
3.2. Hydrogen energy
|
12
|
15
|
3.3. Electrification
|
10
|
14
|
3.4. Energy grid
|
12
|
15
|
4. Carbon neutral implementation technology in the building sector
|
4.1. Optimal design for building energy efficiency
|
5
|
3
|
4.2. Implementing Design Performance
|
9
|
4
|
4.3. Green remodeling
|
3
|
1
|
5. Building data-based construction technology
|
5.1. Monitoring (measurement)
|
15
|
5
|
5.2. Analysis and diagnosis of regional building energy status
|
16
|
13
|
5.3. Establishment of building sector greenhouse gas scenario/road-map system
|
6
|
9
|
4. 결 론
본 연구에서는 국가 R&D 과제 분석을 통해 연도별 과제 현황, 핵심 기술, 실증 현황 등에 대해 파악하고 전문가 설문을 통해 핵심 기술의 필요성
및 시급성에 대해 조사 분석하였다. 그 결과는 다음과 같다.
(1) 예산 현황을 보면 연구의 시작 시점인 10년도, 14년도, 15년도, 16년도가 예산이 적은 것을 알 수 있었다. 이는 개발 초기 단계에 연구를
수행하여 기술들과 시제품을 개발하는 예산 보다 실증 단계에서 시제품 제작과 설치 등에 대해 많은 예산이 집행되어야 하기에 연구의 시작 시점보다 연구의
중간 시점 예산이 더 많은 것으로 판단되었다. 22년도와 23년도는 연구가 끝나는 시점이기에 연구비가 적은 것으로 판단되었다.
(2) 핵심 기술 현황의 경우, Passive 기술은 창호 및 외벽 단열재 기술이 74% 차지하였으며, 2010년도부터 꾸준히 기술 개발이 이루어졌다.
단열재의 전체 기술 수준은 0.125 W/m2K ~ 0.299 W/m2K이었으며, 전체 평균은 0.179 W/m2K이었다. 창호의 전체 기술 수준은 0.800 W/m2K ~ 1.300 W/m2K이었으며, 전체 평균 0.967 W/m2K이었다. 18년도부터 기밀시공과 관련된 기술 개발이 시작되었으며, 열 습기 자재의 경우 19년도 이후 개발이 시작되었지만, 아직 미흡한 실정이었다.
Active 기술은 BEMS의 경우 전체에서 32%를 차지하고 있었으며, BEMS 기술은 10년도부터 꾸준히 연구개발이 수행되었다. 냉난방 급탕 설비는
24%를 차지하고 있었으며, 제습, 고효율 히트펌프, 반송 동력의 기술 개발이 미흡하였다. 하지만, 고효율 히트펌프의 경우, 10년도 3.1 COP
효율을 시작으로 23년도 4.42 COP 효율로 계속해서 증가되고 있어서 계속해서 발전할 가능성이 높다고 예측되었다.
청정에너지는 태양광 기술이 41%를 차지하였으며, 10년도부터 23년도까지 꾸준히 기술 개발이 이루어지고 있었다. 수소에너지의 경우, 이제 개발을
시작하는 단계이며, 안전상의 문제점이 있으므로 안전성 확보가 가능한 기술 개발이 이루어져야 할 것으로 판단되었다.
건물 부문 탄소중립 구현 기술을 위해 건물 에너지 효율화 최적 설계 및 성능 구현이 72%를 차지하였다. 특히, 19년도 이후부터 연구가 활발히 이루어졌다.
그린리모델링의 경우 10년도부터 꾸준히 기술 개발이 이루어지고 있고, 많은 실증을 통해 그 적용하고자 하는 기술들을 검증하고 있었다.
건물 데이터 기반 구축의 경우 개발하고자 하는 기술들에 대해 모니터링을 하는 경우가 69%로 많은 부분을 차지하고 있었으며, 10년도부터 23년도까지
모든 연도에 포함되어 있었다. 이는 개발된 모든 핵심 기술들을 실제로 적용하여 검증해야 하기 때문이었다.
(3) 실증 현황의 경우, 정부의 그린리모델링 사업으로 인해 공공건물에 해당되는 기축-비주거 부문이 약 52%를 차지하였다. 기축-주거 부문에서 중고층에
해당되는 경우는 3.7%이었으며, 이는 실증하기 위한 여러 가지 많은 절차와 허가 등에 문제로 인해 가장 적은 부분을 차지하고 있었다. 기축-비주거의
경우 13년도~ 14년도에 실증이 가장 활발하게 이루어졌으며, 이는 정부의 그린리모델링 지원사업의 영향으로 판단되었다. 또한, 기축-주거-저층의 경우
최근 들어 그 수가 급증하고 있었으며, 이는 정부의 그린리모델링 사업이 공공건물에서 민간 건물로 점차 확대됨을 알 수 있었다.
(4) 핵심 기술 개발의 필요성과 시급성의 경우, 탈탄소화하기 위한 전략으로 신재생에너지, 냉난방 급탕 설비 중 고효율 히트펌프 기술 개발 등의 필요성이
높게 나타났다. 또한, 현재 국내 상황에서 기축 건물 중 노후 건물들이 매우 많기에 그린리모델링이 가장 시급하였으며, 그린리모델링 기술들이 적용되었을
때 건물 에너지 효율화 향상을 위한 최적 설계 및 설계 성능 구현이 이루어져야 하므로 이 항목도 시급한 것으로 나타났다.
본 연구는 탄소중립과 제로에너지 달성을 위해 수행되었던 과제들의 분석을 통해 향후 탄소중립 달성을 위한 핵심 기술 중 가장 시급한 것과 필요한 것을
판단하고 그 핵심 기술들의 현장 실증을 수행하기 위한 기초 연구로써 수행되었다.
후 기
이 연구는 2024년도 한국건설기술연구원 주요 사업 연구비 지원에 의한 결과 일부임(과제번호: 20240094-001).
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