심화되는 기후위기 심각성에 전 세계가 경각심을 높여가고 있다. 각국은 이를 공동으로 대처하기 위해 온실가스 감축목표를 작성하고 달성하기 위한 다양한 방안을 제시하고 있다. 우리나라도 2030년 온실가스 배출전망치(BAU)대비 37% 감축이라는 국가적 목표를 제시하고 있다. 건물부문은 BAU대비 32.7%라는 높은 목표치를 달성해야 한다. 최근에는 이마저도 강화하라는 국내·외 시민사회의 요구를 받고 있다.
이에 따라 건축·도시분야에서도 다양한 방안을 모색하고 있다. 제로에너지빌딩(ZEB), 플러스에너지빌딩(PEB), 에너지자립 도시, 스마트시티 등 다양한 층위에서 폭넓은 영역으로 해법에 대한 연구개발이 활발하다.
지난 17일부터 19일까지 열린 대한설비공학회(회장 박진철) 하계학술대회에서는 이와 같은 추세를 반영해 △ZEB 국내보급의 쟁점사항(송두삼 성균관대 교수) △플러스에너지빌딩 미래혁신기술(강용태 고려대 교수) △에너지공유 커뮤니티 구축계획 및 추진방안(최경석 한국거설기술연구원 박사) △스마트시티 구현을 위한 에너지공유 시뮬레이션에 관한 연구 등이 발표됐다.
ZEB 제도·평가·기준 개선해야
ZEB의 개념은 1970~1990년에 걸쳐 현실적인 에너지절감 방안으로 제안돼 왔다. 최근에는 독일 패시브하우스 성능기준에 기반을 둔 ZEB가 전 세계적으로 보편화되고 있다. 즉 ZEB의 이론적인 근거는 패시브하우스에 기반한다. 국내 ZEB 경우에도 모두 건축·설비기준은 패시브하우스 성능기준을 바탕으로 보다 상향된 기준을 적용하고 있다.
‘ZEB 국내보급의 쟁점사항’ 논문에서는 △패시브하우스 국내 적용 시 문제점 △국내 건설된 ZEB 문제점 △국내 ZEB 실효적 보급·확대를 위한 고려사항 등을 다뤘다.
독일기후에 최적화된 패시브하우스를 다른 국내에 적용하는 경우 알려진 문제로 △여름철 과습(dampness) △냉방부하 증가 등이 있다.
2012년 준공된 한 건물의 경우 난방에너지소비량 61.07kWh/m²·yr, 냉방에너지소비량 37.8kWh/m²·yr로 독일 패시브하우스 기준인 15kWh/m²·yr에 비해 각각 4.1배, 2.5배 냉난방에너지를 소비하는 것으로 나타났다.
국내 최신기준을 적용한 다른 한 건물의 난방에너지 소비량은 26.38kWh/m²·yr로 앞선 건물에 비해 성능이 월등하다. 그러나 패시브하우스 기준에 비하면 1.76배 높은 수준이다. 반면 냉방에너지소비량은 44.09kWh/m²·yr로 첫 번째 건물에 비해 약 2.94배 증가했다. 건물의 고기밀·고단열화는 난방에너지소비량은 감소하지만 내부발생열(취득열) 배출을 저해해 여름철 냉방에너지 증가를 초래하고 있다.
독일 패시브하우스 기준을 적용한 세 번째 건물의 난방에너지 소요량은 9.1kWh/m²·yr이지만 냉방에너지소요량은 34.25kWh/m²·yr였다. 자연환기를 실시한다고 가정한 앞선 두 건물에 비해 약간 감소하지만 패시브하우스 기준에 미달하며 기준 대비 2.28배 높은 냉방에너지소요량으로 나타났다. 즉 패시브하우스 기준을 국내 공동주택에 적용 시 냉방에너지소요량 기준을 만족시키지 못한다.
여름철 실내 과습(dampness)상황의 빈도를 검토결과로도 부적절성이 나타난다. 분석결과 단열, 기밀성능의 강화로 겨울철 결로발생 빈도는 0.12-1.37%를 기록해 매우 낮지만 패시브하우스 성능으로 건축된 건물에서 여름철 결로 발생 비율이 20.25%로 높은 빈도를 나타냈다.
이는 높은 기밀성능에 의하여 습도가 적절하게 제거되지 못하기 때문에 발생되는 것으로 분석된다. 이는 패시브하우스의 기본적인 성능인 환기에 따라 고온다습한 외기가 실내로 유입되고 기밀한 건물구조로 수증기가 배출되지 못하기 때문이다. 또한 패시브하우스는 최대부하가 기존건물에 비해 대폭 작기 때문에 이를 고려해 냉방시스템 사이징을 작게하면 잠열부하가 제대로 제거가 되지 않는다.
실내 과열(overheating) 문제도 있다. 국내에 건설된 ZEB의 실제 여름철 운용 BEMS 데이터로 수집한 실내 온도분포를 AHRAE thermal comfort zone과 대조한 결과 여름철 약 1주일간 약 36.2%의 시간동안 해당공간의 실내 온도가 쾌적범위를 벗어날 정도로 과열됐다.
원인은 내부발열이 설계치보다 증가했다는 것과 창을 통해 과다한 일사취득에 따른 것으로 분석됐다. 통상 국내 외피설계기준은 주로 열관류율을 낮게 해 전도에 의한 열취득은 최소화하고 태양열 취득계수인 SHGC는 비교적 크게해 겨울철 일사유입을 통해 난방부하를 낮추려는 방향으로 설계를 권고하고 있다.
또한 창호성능에 SHGC에 대한 규제가 없어 냉난방부하 특성을 고려하지 못한다. ZEB 처럼 단열성능이 높은 비주거용 건물에서 여름철 과열현상이 많이 발생하고 있는 것이다.
결론적으로 ZEB의 국내 보급을 위해 선결되어야 하는 쟁점들에는 △제도개선 △평가방법 개선 △시공표준화방안 작성 등이 필요하다.
제도적으로는 먼저 건물의 냉난방부하 특성을 고려한 단열, 기밀 설계기준 마련이 필요하고 건물외피(창호) 설계기준에 태양열 취득계수(SHGC) 기준이 마련돼야 한다. 또한 ZEB의 물리적 성능을 반영한 냉난방부하 산정기준 마련도 이뤄져야 한다.
평가방법의 개선사항으로는 ZEB 평가프로그램인 ECO2의 기준을 공개함으로써 기술발전을 반영할 수 있도록 변경을 허용해야 하며 ZEB의 커미셔닝 의무화를 통해 실질적인 ZEB가 건축되도록 해야 할 전망이다. 또한 시공표준화방안의 작성도 필요하며 △외단열 표준시공방법 △냉난방부하계산 방법 △지열시스템 표준시공방법 △태양광 표준시공방법 등의 내용이 담겨야 할 전망이다.
ZEB 한계, 플러스에너지로 극복
‘플러스에너지빌딩 미래혁신기술’ 논문에서는 플러스에너지빌딩기술 연구를 통해 해결할 수 있는 사회적 문제와 이를 달성하기 위해 필요한 핵심기술들에 대해 논의했다.
이번 논문은 ZEB의 한계를 논의하면서 출발했다. ZEB를 달성하려면 신재생에너지의 활용이 필수적이나 신재생에너지원은 기존 에너지원에 비해 공급이 불안정하고 에너지 밀도가 낮으며 저장에 어려움이 있어 전체 에너지 공급에서 차지하는 비율은 6.5%에 지나지 않는다. 기존 ZEB에서 신재생에너지 생산은 태양광에 집중돼 있으나 태양광에너지 발전량은 공공건축물의 평균 1차 에너지소비량보다 작으며 시간, 계절, 기후에 따라 발전량의 변동이 크다.
이에 따라 기존 ZEB를 달성하기 위해서는 에너지수요·공급 간 시간적 격차에 대응하기 위한 에너지저장기술이 필요하다. 또한 건물의 에너지소비에 대해 살펴보면 열·전기 에너지소비 패턴이 계절간 상이해 에너지의 효율적 변환기술이 필요하다. 결국 에너지저장기술과 에너지변환기술을 효율적으로 연계할 수 있는 에너지 활용 최적화기술의 개발이 필요한 상황이다.
현대 사회에서는 쾌적한 삶을 누리기 위해 소비하는 에너지의 양이 매년 증가하고 있으나 이로 인한 온실가스 배출과 같은 문제 또한 발생하고 있다. 미국, 일본, 유럽 등의 선진국들은 이러한 문제에 대응하기 위해 건물에너지 부하를 저감시킬 수 있는 ZEB기술연구를 활발히 수행 중이며 그 기술의 원천성을 확보하는 것은 다가올 미래사회에서 대단히 중요하다.
플러스에너지빌딩(PEB: Plus Energy Building)이란 건물 내에서 필요로 하는 에너지부하보다 더 많은 에너지를 생산해 주위에 공급까지 할 수 있는 건물이다. PEB를 달성하기 위해 필요한 핵심기술로는 △신재생에너지 생산 및 변환기술 △고밀도 에너지저장 및 활용기술 △PEB 최적화 기술 등이 있다.
신재생에너지 생산 및 변환기술은 기존의 ZEB와 같이 단일 태양광에너지 생산만으로는 건물 내 에너지부하를 모두 충당할 수 없는 공간적 한계(발전시설 설치공간의 한계)와 시간, 계절, 기후에 따라 달라지는 에너지 생산과 소비 간의 시간적 한계를 해결하는 기술이다.
신재생 에너지원의 다각화로 에너지생산의 안정을 통한 높은 에너지부하에 대응하고 열-전기 에너지의 효율적인 변환기술개발이 필요하다. 이에 해당하는 기술들로는 △태양광·열 에너지생산 효율향상기술 △가스구동 연료전지 에너지생산 및 수소변환기술 △온도구배를 이용한 에너지생산기술 등이 있다.
고밀도 에너지저장 및 활용기술개발 역시 필요하다. 국내 신재생에너지 축열시스템은 태양열을 이용한 계절간 장시간 축열시스템과 마을 규모의 대규모 축열시스템에 대한 실증연구 위주로 진행됐다. 태양열 축열시스템은 현열을 저장하는 방식으로 에너지저장밀도가 낮아 시스템의 대형화가 불가피하며 열에너지 저장 특성상 장시간 저장 시 외부에 의한 열손실이 불가피한 문제가 있다.
또한 여름철 냉방부하에 대응하기 위한 축냉시스템에 대한 기술연구도 진행 중이며 이는 심야 전기를 이용하므로 비용절약적이지만 온실가스 배출량감소에는 기여하는데 한계가 있다. 이러한 문제들을 해결할 수 있는 방안으로 △열화학적 상온 축열시스템 △역연료전지 수소화 저장기술 △냉난방 등 에너지 사용시스템 효율극대화 등 기술이 필요하다.
신재생에너지 생산 및 변환기술은 앞선 두 종류의 기술개발을 달성하더라도 에너지손실 및 비효율적 사용으로 인한 문제가 해결되지 않을 경우 PEB 달성이 어렵기 때문에 건물내 에너지부하를 넘어 초과에너지를 생산하기 위해 건물의 패시브·액티브기술을 연계하는 것이 필수적이다.
이와 같은 기술개발을 통해 에너지공급과 수요의 시간적, 공간적 불일치 문제를 해결할 수 있고 국내 에너지산업분야에 기여할 수 있으며 나아가 국제 에너지 기술을 선도할 수 있는 기술적 주도권을 확보해 국제 산업 기술의 초석을 마련할 수 있다. 또한 플러스에너지빌딩 핵심기술들은 에너지생산, 저장, 수송 등의 기술들에 연계가 가능하며 데이터 기반 에너지생산 및 소비 최적화가 필요한 시스템에 적용할 수 있어 의미가 클 전망이다.
에너지공유·거래 공동체 실험
‘에너지공유 커뮤니티 구축계획 및 추진 방안’ 논문은 최근 스마트시티 국가시범도시를 대상으로 추진하는 대규모 R&D사업을 다뤘다.
에너지공유 커뮤니티는 건축물 대상 저탄소 에너지효율화 기술과 에너지공유 플랫폼 기술 등을 적용한 최적 에너지공유 커뮤니티 구축 및 보급모델 개발을 Cloud SHARE(Smart, Humanity, AICBM, Renewable Energy, Efficiency) Community로 정의한다. 첨단 미래에너지 혜택을 누리고 스마트에너지 서비스를 통해 건강한 삶과 즐거운 문화를 누리는 행복한 커뮤니티 구축을 목표로 한다. 규제 샌드박스가 도입된 스마트시티에서 실증되는 만큼 자유로운 실증과 다양한 비즈니스 모델 구현이 가능하도록 추진될 계획이다.
미래형 에너지공유 커뮤니티에서는 △실증단지 전력 빅데이터 DB 활용(정보 공개, 사업자 정보 활용, 융복합 신산업 비즈니스 창출) △태양광 설치가 어려운 소비자들이 모여 인근 태양광 발전소에 투자(전기 생산, 우리집 전기요금에서 차감) △여러 개의 태양광, ESS의 전기를 모아 관리(하나의 발전소처럼 전력을 판매하거나,전력품질을 조정) △평시에는 일정 구역 내 수요, 공급을 통합 관리(정전 시에는 수시간 동안 자립 운영가능한 도시형 마이크로그리드) △시간대별로 전기요금이 달라져 요금이 저렴한 시간대에 세탁기·건조기 가동 등 획기적인 변화를 경험할 수 있다.
적용되는 기술로는 △기존건축물 제로에너지화 기술 △마이크로그리드 기술 △커뮤니티 또는 도시 내 에너지사용량 60% 감소를 위한 최적 에너지연계 △에너지 플랫폼 운영관리 기술 △기존건축물 수요 맞춤형 그린 리모델링 패키지기술 등이 있다.
이를 위해 규제 샌드박스가 적용돼 새로운 에너지공유 생태계 조성이 가능한 스마트시티 실증도시와 스마트시티 국가 시범도시를 대상으로 2개소의 커뮤니티 및 도시 통합실증 추진한다.
구축된 에너지공유 커뮤니티는 대국민 수용성 제고와 다양한 비즈니스모델 개발을 위해 리빙랩 방식으로 실증하며 에너지 크래딧 등을 활용한 에너지 복지 생태계가 조성될 계획이다.
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