서 론
제로에너지건축 사례 검토
건물단위
단지단위
지구단위 에너지자립률 검토
지구단위 제로에너지 시범사업 개요
에너지자립률 산정 방법론
일조 시뮬레이션을 활용한 지구 내 태양광 설치위치 검토
지구단위 에너지자립률 산정
결 론
서 론
전세계적으로 에너지고갈 및 기후변화에 대응하기 위한 국제사회의 노력은 지속되고 있으며, 우리나라도 국가 온실가스 감축목표를 2030년 BAU대비 건물부문의 온실가스 감축률을 기존 18.1%에서 32.7%로 대폭 강화했다. 이에 정부는 최근 ｢녹색건축물 조성 지원법｣제 6조에 의거 제2차 녹색건축물 기본계획을 발표하였으며, 그에 따라 제로에너지건축의 단계적 의무화 로드맵을 개편하였다. 2020년 연면적 1,000 ㎡ 이상의 공공건축물을 시작으로 2025년부터는 500 ㎡ 이상의 공공건축물, 1,000 ㎡ 이상의 민간건축물을 거쳐 2030년에는 연면적 500 ㎡ 이상의 모든 건축물은 제로에너지화를 의무적으로 이행해야 한다. 이에 국토교통부는 2019년 06월 ‘제로에너지건축 보급 확산 방안’을 발표하고, 개별 건물단위를 넘어 도시단위의 제로에너지화를 추진하고 있다.
이러한 추세에 따라 국토교통부는 판교 제2테크노밸리 기업지원허브, 서울에너지 드림센터, 아산시 중앙도서관, 행복도시 1-1생활권, 충남 정산중학교, 송도 힐스테이트레이크, 장위4구역 주택재개발 정비사업, 경기도 신청사 제로에너지빌딩 등 건물 및 단지단위의 제로에너지건축 시범사업의 성과를 기반으로 지구 및 도시단위의 제로에너지 확산을 위해 구리시 갈매역세권과 성남시 복정1 공공주택지구를 대상으로 2025년 기준으로 지구단위의 제로에너지 시범사업을 추진 중이다. 이러한 지구단위 모델의 시범사업 성과는 향후 3기 신도시, 행복도시 등에 확대 적용할 계획이다. 본 연구에서는 지구단위 제로에너지 시범사업인 구리시 갈매역세권과 성남시 복정1지구를 대상으로 건축물의 옥상 및 입면에 태양광 설치 시, 지구단위 내 건축물 용도별 에너지자립률을 산출하고 전체 지구단위에서의 에너지자립률 충족 여부를 분석하고자 한다.
제로에너지건축 사례 검토
건물단위
국내 최초 비주거 시설 제로에너지건축물 본인증을 취득한 판교 제2테크노밸리 기업지원허브는 에너지자립률 20.2%로 제로에너지건축물 5등급을 달성하였다(Jeon et al., 2018). 해당 건물에 적용된 주요 에너지절감 기술은 Pre-passive design을 통한 기후 순응형 배치계획과 주풍향을 고려한 매스디자인 및 평면개선으로 실내에 자연에너지가 유입되도록 계획하였고 혁신기술존과 창업존에 3~4층 규모의 친환경 아트리움을 조성하였다. 고성능 단열재, 로이삼중유리, 수평 및 수직루버, 일사차폐성능이 우수한 유리가 적용된 에너지저감형 스마트 외피계획 등의Passive design 계획을 통해 에너지요구량을 최소화하였으며 , 고효율 설비와 동절기 아트리움 상부측 고임열을 재이용한 공조 급기로의 적용, 심야전력을 활용한 UES 방식 적용 등의 Active design 계획을 통해 에너지효율을 극대화하였다. 또한 태양광 612.75 kWp, BIPV 13.44 kWp, 지열 2,931.96 kW, 연료전지 5 kW로 신재생에너지공급비율 23.44%를 적용하였다. 판교 제2테크노밸리 기업지원허브의 개요는 Table 1과 같다.
Table 1.
Architectural overview of the 2nd Techno Valley Enterprise Support Hub in Pangyo
단지단위
경기도 신청사는 제로에너지빌딩 타운형(지구) 시범사업으로 도청, 도의회를 우선 대상으로 교육청, 경기도서관 등으로 확대 개발하는 복합형 사업단지이다. 경기도 신청사 단일건축물은 에너지효율 1+++등급, 에너지자립률 60.5%, BEMS Level 4로 제로에너지건축물 예비인증 3등급을 취득하였으며, 경기융합타운은 모든 협정 입주기관이 최소 건축물에너지효율 1등급 이상, 신재생에너지 공급비율 18% 이상, BEMS 적용 시 단지 전체 제로에너지건축물 5등급 달성이 가능하도록 계획하였다. 경기도 신청사에 적용된 주요 에너지절감 기술은 창면적비 최적화, 고효율 단열재 및 창호 적용, SHGC 0.2 이하의 유리적용 등 Passive design 계획을 통해 에너지요구량을 원안대비 23.4% 저감(90.3 kWh/ ㎡‧yr → 69.1 kWh/ ㎡‧yr)하였고, 냉·난방설비 용량 및 반송동력 최적화, 공조기 전열교환기 추가, 조명밀도 4.13 W/ ㎡ 최적화 등 Active design 계획을 통해 에너지효율을 향상시켰다. 또한 태양광 PV 2,180.8 kWp, 지열 4,998.6 kW 적용으로 에너지자립률 60.5% 및 제로에너지건축물 예비인증 3등급을 취득하였다. 경기도 신청사의 개요는 Table 2와 같다.
Table 2.
Architectural overview of the City Hall in Gyeonggi-do
지구단위 에너지자립률 검토
지구단위 제로에너지 시범사업 개요
국토교통부는 구리시 갈매역세권과 성남시 복정1지구를 대상으로 하고 있다. 신재생에너지원 중 태양광을 대상으로 일조 검토를 통해 건물 옥상에 최대한 설치하여 지구단위 내 전체 평균 에너지자립률 20% 이상 달성 가능 여부를 분석하였다. 구리시 갈매역세권과 성남시 복정1지구의 개요는 Figure 1, Figure 2와 같다.
에너지자립률 산정 방법론
국토교통부에서 고시하고 있는 ｢건축물에너지효율등급 인증 및 제로에너지건축물 인증기준｣의 에너지자립률은 단위면적당 1차에너지 소비량 대비 단위면적당 1차에너지 생산량의 비율로 산정된다. 구리시 갈매역세권과 성남시 복정1지구에 적용되는 법적 기준(Gyeonggi Provincial Government, 2017; MOLIT, 2019a, MOLIT, 2019b, MOLIT, 2019c; MOLIT, 2020; MOTIE, 2020)을 고려하여 Tables 3~4와 같이 에너지자립률을 산정하였다.
Table 3.
Review of legal standards (Galmae station district, Guri city)
Table 4.
Review of legal standards (Bokjeong 1 district, Seongnam city)
성남시 복정1지구의 고등학교와 사회복지시설은 공공시설 특성을 가지고 있지만 존치시설인 점을 감안하여 단위면적당 1차에너지소요량을 건축물 에너지효율등급 1등급 기준으로 설정하였고, 신재생에너지 공급의무비율을 고려하지 않는 것으로 설정하였다. ｢경기도 녹색건축 설계기준｣의 신재생에너지 설치비율은 Table 5와 같이 사례들을 검토하여 단위면적당 평균 설비용량을 고려하여 산정하였다.
Table 5.
Case study on the rate of installation of renewable energy according to Gyeonggi-do's design criteria
30세대 이상 공동주택에 적용되는 ｢에너지절약형 친환경주택의 건설기준｣에 따라 조명설비 용량에 대한 신재생에너지 용량 비율을 20% 설치하는 것으로 하였고, 조명밀도는 해당 법규에서 명시하고 있는 8 W/ ㎡로 고려하여 산정하였다.
| $$Exclusive\;area\;for\;each\;household(㎡)\times The\mathit\;number\;of\;households\times Light\;power\;density(8W/㎡)\times20\%$$ | (1) |
일조 시뮬레이션을 활용한 지구 내 태양광 설치위치 검토
구리시 갈매역세권과 성남시 복정1지구의 태양광 설치 가능 면적 검토를 위해 일조 분석 프로그램인 Sanalyst 4.0을 활용하였다. 분석을 위한 모델링은 Figures 3~4와 같다.
제로에너지건축물 로드맵 2025년을 기준으로 하여 ｢신에너지 및 재생에너지 개발‧이용‧보급 촉진법 시행령｣의 신재생에너지 공급의무비율, ｢건축물에너지효율등급 인증 및 제로에너지건축물 인증기준｣의 제로에너지건축물 의무화 대상, ｢에너지절약형 친환경주택의 건설기준｣의 전체 조명설비 용량에 대한 신재생에너지 용량 비율, ｢경기도 녹색건축 설계기준｣의 신재생에너지 설치비율을 모두 고려하였고, 태양광 설치를 위한 옥상의 가용 면적은 60%로 가정하였다. 구리시 갈매역세권 및 성남시 복정1지구의 시간대별 음영 분석 결과는 Figure 5, Figure 6과 같다. 일조 분석을 통한 태양광 설치 면적 검토 기준은 ｢신재생에너지 설비의 지원 등에 관한 지침｣의 태양광설비 시공기준에 따른 총 일조 5시간 이상 만족 구간을 대상으로 하였다. 이 때, 춘, 추분 중 일조시간이 가장 짧은 11월 30일을 기준으로 분석하였다.
지구단위 에너지자립률 산정
에너지자립률 산출을 위해 건축물 용도별 단위면적당 1차에너지소요량은 Table 6과 같이 ｢건축물에너지효율등급 인증 및 제로에너지건축물 인증기준｣의 1등급 기준 값과 1++ 기준 값으로 설정하였다. 이 때, 주거 및 비주거로 구분하여 제로에너지건축물 로드맵 2025년 기준에 따라 제로에너지건축물 의무 대상을 구분해 설정하였다. 건물 외 공원, 도로 등 유휴부지에 사용하는 에너지는 에너지사용계획서를 참고하였다. 적용된 태양광 모듈의 사양은 Table 7과 같다. 태양광에 의한 1차에너지생산량은 건축물 에너지효율등급 인증 프로그램인 ECO2로 산정하였고, 일사조건은 구리시 갈매역세권과 성남시 복정1지구에 가장 근접한 지역인 서울지역으로 설정하였다.
Table 6.
Set value of primary energy demand per unit area
Table 7.
Specifications for PV modules applied in the district
구리시 갈매역세권은 Table 8과 같이 건물 내에서의 에너지자립률 18.33% 확보가 가능한 것으로 분석되었다. 성남시 복정1지구의 대지여건과는 달리 주변에 산지가 존재하지 않아 일조 조건이 양호하여 공원, 녹지 총 면적 175,347 ㎡ 중 최대로 활용할 수 있는 면적은 134,522.88 ㎡로 76.7%만큼 활용이 가능할 것으로 분석되었다. 제로에너지건축물 인증의 최소 에너지자립률 20%를 고려하여 산정한 결과, 공용부지 면적의 3.4%에 태양광 설치 시 에너지자립률 2% 확보 가능하여 지구 내 총 에너지자립률 20.33%로 20% 이상 만족 가능한 것으로 분석되었다.
Table 8.
Analysis result of energy independence rate in district unit (Galmae station district, Guri city)
성남시 복정1지구는 Table 9와 같이 건물 내에서의 에너지자립률 16.64% 확보가 가능한 것으로 분석되었다. 대지여건 상, 남측에 영장산이 위치하고 있어 일조 조건이 불리하여 건물 내에서 에너지자립률은 16.64% 확보가 가능한 것으로 분석되었다. 공원, 녹지 총 면적 144,449 ㎡ 중 최대로 활용할 수 있는 면적은 40,420.17 ㎡로 28.0%만큼 활용이 가능할 것으로 분석되었다. 공용부지 면적 중 4.2%에 태양광 설치 시 에너지자립률 4% 확보 가능하여 총 에너지자립률 20.64%로 지구 내 에너지자립률 20% 이상 만족 가능한 것으로 분석되었다.
Table 9.
Analysis result of energy self-sufficient rate in district unit (Bokjeong 1 district, Seongnam city)
결 론
본 연구는 지구단위 제로에너지 시범사업인 구리시 갈매역세권과 성남시 복정1지구를 대상으로 하였다. 단일 건물인 판교 제2테크노밸리 기업지원허브, 단지 단위인 경기도 신청사 사례에서 제로에너지 구현 가능성을 검토하였고, 더 나아가 지구단위에서 가능성을 검토하였다.
분석 결과, 구리시 갈매역세권의 경우, 일조 조건이 양호하여 건물 내에서 에너지자립률 18.33% 확보 가능하고, 공용부지에서 에너지자립률 2%만큼 추가 확보하면 지구 내 에너지자립률 20% 이상 만족할 것으로 나타났다. 구리시 갈매역세권과 달리 성남시 복정1지구의 경우, 남측에 영장산이 위치함으로 일조 조건이 불리하여 건물 내에서 16.64%로 분석되어 공용부지에서 에너지자립률 4%를 추가 확보해야지만 지구 내 에너지자립률 20% 이상 만족할 것으로 분석되었다.
향후 연구에서는 건축물 용도별로 표준모델을 수립하여 산출된 단위면적당 1차에너지소요량을 적용함과 옥상에 설치하는 태양광 설비뿐만 아니라 입면도 검토할 예정이며, 기타 신재생에너지원도 고려하여 에너지자립률을 산출할 예정이다. 또한 주동의 배치, 층수 등 다양한 변수들을 고려한 배치안을 만들고 배치대안별 음영 검토 및 월별 기준일을 설정하여 세부적인 일조검토를 고려할 계획이다.
