ZEB는 건폐율이 높고 용적률이 낮을수록 신재생에너지를 더 많이 적용할 수 있기 때문에 고층건물일수록 ZEB달성이 어렵다. 이에 따라 도시화 진행에 따라 갈수록 고층화‧고밀화되는 도심에서 높은 등급의 ZEB를 달성하기는 도전적인 과제다.

세부용도지역별 ZEB달성난이도는 녹지, 주거, 공업, 상업지역으로 갈수록 어려우며 특히 서울시 상업지역의 경우 용적률은 중심상업지역 1,000%, 일반상업지역 800%, 근린상업지역 및 유통상업지역 600%에 달한다.

실제로 여의도 우체국은 건폐율 51.6%, 용적률 963.4%, 지상 33층 건축물로서 에너지최적 통합설계를 적용해 에너지사용량을 최소화함으로써 연간 1차에너지소요량 118.5kWh/㎡를 달성해 건축물에너지효율등급 1++를 취득했다. 그럼에도 불구하고 태양광설치 가용면적이 부족해 에너지자립률은 6%에 그침에 따라 ZEB인증을 취득하지 못했다.

고층형 공동주택의 경우에도 옥상부에 설치가능한 세대당 태양광설치 가용면적이 부족하므로 입면태양광 설치가 필수적이다. 그러나 용적률이 높은 단지일수록 주동간 음영이 발생해 이마저도 가용면적이 부족하다는 한계가 있다.

최성우 실장은 “도심 초고층빌딩의 ZEB건축 가능성을 판단하려면 상업용건물의 ZEB 달성 가능성, 건물 층수 및 ZEB등급 상관관계, 외피 전면을 통한 발전가능성 및 효율성, 단위면적당 PV설치용량 및 생산량, 최적 장단변비 등을 고려해야 한다”라며 “검토 결과 20층 이상은 ZEB 자립률 달성이 어려운 것으로 판단된다”고 밝혔다.

에너지공단은 고층건축물 패시브성능과 관련해 단열성능 강화한계점을 검토했다. 현재 법적 단열기준은 패시브하우스 수준으로 이미 강화된 만큼 단열기준을 단계적으로 강화하더라도 건물부하 저감에는 한계가 있다. 특히 외벽 단열두께 증가에 따라 외단열의 경우 하지철물 공사비 증가, 단열재 2회 시공 등 전체적인 공기 및 공사비 증가로 비용효율이 저하된다.

이에 따라 단열성능 강화정책은 외벽단열재 및 열관류율 강화에서 나아가 열교 및 기밀강화로 이어질 전망이다.

최성우 실장은 “앞으로 평균 열관류율 개념에서 벗어나 점형 및 선형열교를 고려한 유효 열관류율 개념으로 단열성능을 고려할 필요가 있다”라며 “또한 점차적으로 건축물 기밀성능 확보를 위한 패시브기술이 강화될 필요가 있으며 주거시설뿐만 아니라 예비인증 시 평가기준 도입을 검토하는 등 비주거시설에 대한 기밀성능 평가기준마련이 필요하다”고 강조했다.

특히 기밀성능과 관련해 공동주택의 경우 침기율이 상당히 민감한 요소로 ECO2에 반영되고 있으며 실제로 에너지절감에도 기여도가 높은 것으로 평가된다. 실제로 개별난방 공동주택의 경우 침기율을 기존 6회/h에서 3회/h로 강화할 경우 태양광패널 용량을 ZEB인증 5등급은 26.5%, 4등급은 3.3% 줄일 수 있다. 지역난방의 경우에도 태양광용량을 각각 9.1%, 8.9% 축소할 수 있다. 이는 기밀성능 강화에 따른 침기율 개선 시 신재생에너지 설치용량 최적화가 가능해 ZEB인증 5등급 달성에 민감도가 높음을 의미한다. 이에 따라 기밀성능 향상을 위한 패시브기술이 강화될 필요가 있으며 주거시설뿐만 아니라 비주거시설에 대한 기밀성능도 평가기준 마련이 필요한 상황이다.

이밖에도 일사차단 성능과 관련해 유리 SHGC(일사취득계수)는 냉방부하 저감에 기여도가 높지만 차양의 경우 민감도가 낮게 반영되고 있다. 이에 따라 전 세계적인 폭염현상을 감안해 창호 외측에 설치하는 외부가동형 블라인드 일체형 창호시스템 등 일사차단 기술개발 강화 필요성이 제기된다.

에너지공단은 액티브시스템에 대해서도 다양한 설비요소를 대상으로 평가기준을 마련할 계획이다. ZEB인증 등급변화를 고려한 기술개발 목표 로드맵을 개발해 공개한 LH 설비처 사례를 참고해 에너지절감효과가 큰 다양한 설비요소에 대해 적절한 영향도를 ECO2에 반영하는 방안에 나선다. 현재 △제어밸브, 통합배관시스템, 고효율펌프 등 분배설비 △AI난방제어 등 공급설비 △바이패스 제어, 실별환기, 제습환기 등 환기설비 등이 고려되고 있다.

신재생에너지 적용과 관련해서는 연료전지, PVT, 텐덤태양전지 등이 검토된다. 연료전지의 경우 비주거건축물에서 냉난방, 급탕에 활용하는 방안이 고려된다. 연료전지 단독으로 사용해 전기발전만 활용하는 현재 방식으로는 경제성 저하는 물론 자립률 확보에 한계가 있다. 저온수 흡수식냉동기, 지역난방 등 열원설비와 냉난방‧급탕을 연계함으로써 자립률을 최대화하는 기술개발이 요구된다. 공동주택의 경우 지역난방 및 캐스케이드와 같은 중앙열원방식과 연료전지를 연계해 난방‧급탕에 활용이 가능하다. 또한 잉여열을 호텔, 수영장, 사우나 등 열을 많이 소비하는 수용처에 공급하는 한편 잉여전기를 ESS에 저장 후 사용하는 방안도 적용할 수 있다.

PVT시스템도 신재생에너지원 다양화 차원에서 인증평가에 반영이 추진된다. 현재 ZEB인증평가 시 고려가능한 신재생에너지원은 태양광, 태양열, 지열, 수열, 연료전지, 풍력으로 한정돼있다. 도심에서 ZEB를 달성하려면 보다 다양한 신재생에너지원을 자유롭게 활용해야 할 필요성이 크다. 전력과 열을 동시에 공급하는 PVT시스템은 태양에너지 이용효율을 확대할 수 있는 솔루션으로 주목받고 있다.

최성우 에너지공단 실장은 “이러한 패시브, 액티브, 신재생에너지 관련 한계점을 극복하려면 기술개발과 함께 설치여건을 고려한 비용경제적 해결방안 도입이 필요하다”라며 “신재생에너지 설치여건이 불리한 고밀지역에 ZEB기금을 조성해 활용하면 효율 및 단열개선 등 녹색건축 활성화가 가능하다”고 제안했다.

박성호 EAN테크놀로지 부문장은 ‘제로에너지건축물 검토 및 구현사례’를 주제로 발표했다.

통상 공동주택 ZEB달성을 위해 패시브, 액티브, 신재생에너지 적용 최적화 등을 진행한다. 주거용건물 패시브부문 중에서는 현실적으로 △기밀 △외벽단열 △창호단열 등에 그친다. 그나마 기밀은 ECO2에 반영돼 평가되므로 설계반영이 이뤄지지만 외벽단열 성능향상은 전용면적 감소를, 창호 단열성능은 시공비대비 절감효과 미미를 이유로 배제된다.

액티브 중 고려사항으로는 △전열교환기 열교환효율 △보일러효율 향상 △지역냉난방 △조명밀도 등이 고려사항이 되며 에너지효율 향상에 따라 1차에너지소요량에 이점이 있으므로 대체로 설계반영 된다.

신재생에너지의 경우 △PV △BAPV △BIPV △지열시스템 등을 적용하며 연료전지, 태양열은 급탕에 한정해 반영되므로 실익이 없어 선정되지 않고 있다.

최근 설계특성을 반영한 ZEB 표준모델을 살펴보면 ZEB인증 5등급은 △외벽단열 0.17W/㎡‧K △창호단열 0.9W/㎡‧K △기밀 3회/h 이하 △보일러 전부하효율 87% △전열교환기 난방열회수율 75% △조명밀도 7W/㎡ △옥상태양광 세대당 0.58kWp △옥탑태양광 세대당 0.15kWp 등을 적용해야 한다. ZEB 4등급은 외벽단열, 창호단열은 5등급과 같으며 △기밀 2회/h 이하 △보일러 전부하효율 88.5% △전열교환기 난방열회수율 80% △조명밀도 6.5W/㎡ △옥상태양광 세대당 0.93kWp △옥탑태양광 세대당 0.22kWp 등을 적용해야 한다.

비주거건축물로서는 국내 최초로 ZEB인증 1등급을 달성한 고양시 덕양구 에너지엑스 신사옥은 지하 2층~지상 5층 연면적 3,274.8㎡ 규모로서 열관류율은 법적기준대비 외벽 42.6%, 창호 32.6% 등 수준으로 강화해 1차에너지소비량은 157.1kWh/㎡로 계산됐으며 에너지자립률은 ZEB인증 1등급 기준을 훌쩍 넘는 121.7%를 달성했다.

적용시스템은 △외벽‧바닥 PF보드 120T △지붕 PF보드 150T △외부창 Low-E 삼중유리 42T △개별냉난방 EHP COP 3.6 △급탕 전기온수기 △전열교환기 난방효율 70% 냉방효율 50% △PV 82kW 389.14㎡ △BIPV 단결정 28.72kW 468.49㎡ △BIPV CIS박막형 84.2kW 621.72㎡ △BEMS 등이다.

특히 BEMS는 공기‧조명‧수질 쾌적성 모니터링 및 제어가 가능한 시스템으로 에너지원별‧용도별‧실별 상세계측과 함께 실내공기질센서, 수질센서를 통한 환경쾌적성 검토와 스마트조명 실별제어를 수행한다.

박성호 부문장은 “건물분야 탄소중립 달성을 위해 특히 운영단계의 실효성 있는 건물에너지관리가 필요하다”라며 “ZEB인증에서 요구하는 BEMS 또는 원격검침 설치의무를 넘어 에너지절감 및 낭비방지를 위한 실질적인 지속가능 운영서비스가 필요한 실정”이라고 강조했다.

패널토론에는 전의찬 세종대 교수를 좌장으로 발표를 진행한 △최성우 에너지공단 건물에너지실장 △박성호 EAN테크놀로지 부문장과 함께 △박세희 지안건축종합건축사사무소 건축사가 참여했다.

박세희 건축사는 “신축ZEB 의무화 정책이 추진되는 가운데 현재 신축건물이 크게 증가되지 않고 있는 상황이어서 탄소중립 로드맵 이행한계가 있으며 건축 중인 신축건물은 대형화, 자동화, 스마트화, 전력화가 추진되고 있으므로 이러한 건축물이 ZEB로 구현되기는 어려울 것”이라며 “설계단계 1차에너지소요량 및 에너지자립률을 평가하는 ZEB인증보다 BEMS와 같은 제도를 활용해 운영단계에서 실제 사용하는 에너지를 넷제로로 만드는 기술수단 및 정책방향 검토가 반드시 이뤄져야 한다”고 강조했다.

이어 “도심에서 신축건물 넷제로 달성이 어려우므로 오프사이트 신재생에너지 공급이 논의되고 있지만 아직 의무화가 시작되지도 않은 상황에서 이를 허용할 경우 일반 건축주들은 온사이트에 최대한 신재생에너지를 도입하려는 노력보다는 경제성이 나은 오프사이트를 우선 고려할 것”이라며 “이에 따라 도심에 대한 정량적 정의와 오프사이트 활용 시 온사이트 에너지자립률 기준이 먼저 마련돼야 한다”고 지적했다.

최성우 실장은 이에 대해 “오프사이트 신재생에너지 생산량에 따른 에너지자립률 허용에 대해서는 현재도 자체 토지에서 자립률을 해결할 수 없을 경우 다른 토지에서 생산된 전력 중 일정비율을 자립률로 인정해주고 있지만 적용한 사례가 없다”라며 “인정방법 다양화, 대체지 효율화 활용방안 등 내용으로 연구가 진행 중이며 일각에서 우려하듯 비용을 내면 자립률을 인정해주는 방향으로 진행되지는 않을 것”이라고 설명했다.