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.

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.