대한설비공학회(회장 정재동 세종대 교수) ZEB시스템전문위원회와 2023년 공공건축물 지역거점플랫폼(경기‧강원‧충북)은 8월21일 서울 강남구 한국과학기술회관 지하1층 중회의실 7에서 ‘ZEB시스템전문위원회 세미나’를 개최했다고 밝혔다.
이번 세미나는 건물부문 탄소중립 주요 전략으로 정부가 신축건물의 제로에너지빌딩 기존 노후 건축물에 대해 그린리모델링(GR)을 추진을 병행하고 있는 상황에서 그린리모델링 관련 기술, 실효적인 그린리모델링을 실현하기 위한 목적으로 진행됐다.
특히 건물부문 탄소중립을 달성하기 위해서 국내 건축물의 약 75%를 차지하는 노후건축물의 그린리모델링이 필수적으로 요구되고 있다. 정부는 2020년부터 공공건축물 그린리모델링을 추진하고 있으며 매년 1,000건의 그린리모델링사업을 수행하고 있다. 또한 지역 중심 공공건축물 사업을 실효적으로 추진하기 위해 그린리모델링 지역거점 플랫폼 사업이 전개되고 있다.
송두삼 위원장은 개회사를 통해 “지난 2018년 설비공학회 내 ZEB시스템 전문위원회를 신설해 학회 차원에서 설비시스템 관련활동을 해왔다”라며 “최근 그린리모델링 확산이 지지부진한 경향이 있어 그러한 부분을 소개하고자 자리를 마련했다”고 운을 뗐다.
또한 “그린리모델링은 2020년 그린뉴딜로 시작했으며 지난 정부에서 시작한 사업으로 현 정부 들어 어려움을 겪고 있는 상황”이라며 “건물부문 탄소중립에서는 당연히 기존 건물에 대한 그린리모델링이 중심이 돼야 하며 사실 그린리모델링은 ZEB와 특별히 다르지 않다”고 말했다.
이어 “다만 정도의 차이로서 ZEB가 전체적인 부분을 맡고 있다면 그린리모델링은 선택적으로 어떤 건물은 리모델링인데 ZEB 수준까지 가는 경우도 있다”라며 “별 차이는 없는데 새로운 시장이 열리고 있어 관심을 갖고 그린리모델링도 공부할 필요가 있다”고 강조했다.
성과 중심 마을 단위 탄소중립 실현
이어 송두삼 교수는 ‘공공건축물 그린리모델링’을 소개했다. 송 교수는 “제로에너지건물, 그린리모델링은 건물분야 탄소중립 구현에 필수가 되고 있다” 라며 “성과 중심의 ZEB, GR이 요구된다는 점과 마을 또는 도시 수준의 탄소중립이 필요하다”라고 말했다.
이어 “지역 중심의 탄소중립 및 지역전문가 양성이 필요하다”라며 “건물분야 탄소중립을 위한 국제 협력체계 구축이 필요하다”고도 강조했다.
통계 활용 열관류율 저하 원인 규명
변지연 삼우CM건축사사무소 사원은 탄소중립을 위한 그린리모델링 기술로 기존 건물의 외피 열관류율 산정방법을 제시했다. 이를 위해 노후 건물의 에너지성능분석 시 경년변화와 환경요인을 고려한 열관류율의 보정계수를 제안했다. 이를 통해 변지연 사원은 4가지 결론을 도출했다.
우선 노후 건물 40개의 현장 측정을 통해 외벽 열관류율 성능저하를 분석한 결과 실제 열관류율은 준공연도의 법적 열관류율보다 현저히 높았다.
ISO 15686 및 회귀분석을 통해 단열성능 저하와 밀접한 관련이 있는 환경요인을 선정했으며 이러한 요인으로는 마감재의 종류, 색상, 마감처리의 종류, 바다와의 거리, 오염물질에 대한 노출 정도, 인접 건물의 근접성 등이었다.
관련 연구에서 제안한 Factor 방법은 실측열관류율과 평균 6.6%의 오차로 높은 정확도를 보였으며 또한 오차범위도 상대적으로 작게 나타났다. 해당방법은 복잡한 현장 측정없이 빠르게 노후 건물의 저하된 외벽 열관류율을 추정할 수 있다.
이 연구는 40개의 제한된 표본에서 얻은 현장결과를 기반으로 하기 때문에 모든 건물 유형 및 환경조건을 반영하고 있다고 보기는 어렵다. 대상 지역 및 건물을 확대해 추가적인 변수를 더 고려한다면 정확도를 더욱 높일 수 있다.
실제 건물 환경 중심 E절감량 산출
박소민 성균관대 연구원은 기존건물의 에너지성능평가 및 그린리모델링에 의한 에너지절감량 산정방법을 주제로 발표했다. 이를 통해 △시뮬레이션을 이용한 그린리모델링에 의한 에너지절감효과 분석방법 △실제 건물에너지사용량을 이용한 그린리모델링에 의한 에너지절감 효과 분석방법 △그린리모델링에 의한 에너지절감량 산정을 위한 대안 △Quasi-steady state방법을 이용한 시뮬레이션 결과와 실제에너지사용량의 측정가능 여부 등을 주로 다뤘다.
건물의 실제 운영 데이터를 활용한 그린리모델링에 의한 에너지절감량 산정을 위한 방법에 대한 연구와 기존에 주로 활용되는 시뮬레이션 방법은 입력데이터의 불확실성이 존재하며 실제에너지사용량을 사용하는 방법인 M&V Whole facility methods는 통계적 추론을 기반으로 하는 방법으로 추론에 의한 불확실성이 존재한다.
대안으로써 M&V Calibrated method의 활용 가능성에 대해 분석했다. 이 방법은 실제 건물의 운영환경을 반영한 시뮬레이션 툴의 입력값에 대한 선정에 따라 정확도가 판별되므로 통계적 추론을 최소화할 수 있는 방법이다.
M&V Calibration method의 정확도는 측정 가능성에 따라 정확도가 판별되므로 건물의 실제운영 환경을 반영한 입력데이터를 선정해 활용가능성을 검토한다. 그 결과 난방과 급탕, 조명, 환기, 조리 및 기타 가전 기기에 대해 MBE 20% 이내로 측정이 가능했다.
실제 건물 운영에너지사용량과 시뮬레이션 오차 최소화가 가능하면 그린리모델링 후 에너지절감효과 분석뿐만 아니라 그린리모델링 전 사전조사 과정에서 기존 건물의 에너지성능분석 미 그린리모델링의 기술요소 적용 등 설계과정에서 활용이 가능하다.
추후 환절기와 냉방기에 대한 측정을 통해 기존 건물에 대한 에너지성능 분석가능성을 추가 분석하며 최소한의 실측을 통한 작동 모델을 도출할 예정이다.
E시그니처모델, 난방에너지소비 척도
심지수 성균관대 박사는 ‘그린리모델링 대상건물 선정을 위한 기존 건물 성능평가 방법’이라는 주제로 발표했다. △연구 배경 △연구 목적 △그린리모델링 대상건물 선정방법 제안 △결론 △추후 연구 등으로 진행됐다.
준공연도가 오래된 건물인가 아니면 에너지를 과소비하는 건물인가, 준공연도도 오래되고 에너지를 과소비하는 건물을 노후건물이라고 판단해야 하는가 등 3가지 과정이 정의될 수 있다.
심 박사는 이미 보편화된 방법인 에너지시그니처모델을 활용한 성능 평가방법을 제안했다.
에너지시그니처방법은 건물 난방이나 냉방 에너지소비량이 결국 외기온도가 하강하고 증가함에 따라 각각 에너지소비량도 변화한다는 것이 가정되는 모델이다. 일반적으로 2가지 방법 관점에서 많이 활용되고 있다. 먼저 실제 수집된 건물 에너지소비량과 외기온도를 플로팅해서 난방에너지를 플로팅하면서 난방에너지소비량을 추출하는 방법으로 사용될 수 있다. 다음으로 물리적 요소로 시그니처를 만드는 방법까지 접근이 가능하다.
난방에너지소비량과 외기온도간 기울기를 민감도(Sensitivity)라고 하는데 기울기 두 가지 요소가 도출된다. 첫째로는 균형적 온도라고 해서 에너지소비량으로 플로팅했을 때를 고려하면 이 점이 의미하는 바는 결국엔 난방에너지가 소비되는 시간, 난방이 가동되는 시점에 외기온도라고 보면 된다.
이에 따라 건물의 물리적 관점에서 균형적 온도가 동일하게 설명된다. 건물을 생각해보면 실내 온도를 일정하게 유지하기 위해서는 실내온도는 결국 난방열 건물의 열손실과 열획득 두가지 비율로 형성된다.
그렇다면 난방의 열손실과 열획득 비율로서 형성되는 실내온도가 설정온도에 도달하면 난방에너지가 필요하지 않게 된다.
이제 균형적 온도는 열손실량과 열취득량의 비율로 설명이 되는데 조금 더 쉽게 풀이해보자면 벽체열관류율 또는 창호열관류율 같은 열손실과 재실자 특성 설정온도나 재실밀도 등이 다같이 고려된 변수라고 볼 수 있다.
보일러의 효율로 보면 외기온도가 변화함에 따른 난방에너지소비량의 속도라고 보면 된다. 건물이 열손실이 되는 것만큼 보일러의 효율에 따른 난방에너지소비라고 볼 수 있다. 결과적으로 이 2가지 요소는 각 건물의 물리적인 성능과 재실자의 특성을 모두 반영할 수 있다는 것을 의미한다.
심지수 박사는 “제 연구 목적 관점에서 결국 균형적 온도는 재실자의 과소비 재실자가 설정온도를 너무 높인다거나 설정온도를 많이 낮춘다든가 하는 소비를 고려할 수 있다”라며 “기울기는 결국 건물의 노후도, 건물 벽체열관류율이 낮아진다던가 효율이 낮아진다는 것을 유추할 수 있는 변수”라고 밝혔다.
GR 적용 시 BECx 프로세스 적용 필요
임종연 강원대 교수는 ‘건물외피커미셔널의 비용과 편익: 공공건축물 GR 사례’라는 주제를 발표했다.
임 교수는 “연구를 통해 그린리모델링 건축물 대부분 시공오류로 인해 ‘건물 외피’에 문제가 발생했으며 이러한 시공 오류를 방지하기 위해 BECx 프로세스의 적용이 필요하다”고 강조했다.
이어 “그린리모델링 확대를 위해서는 비용회수가 가능해야 하며 기간이 짧아야 할 것”이라며 “관련 연구에서 BECx의 효과를 보인 건축물은 대부분 상대적으로 규모가 크고 추가적인 운용비용이 많이 발생했다”고 말했다.
또한 “건물 규모가 커질수록 에너지소비는 증가하고 BECx의 효과가 더욱 커지는 경향이 있으므로 에너지사용량이 많은 건물은 BECx 적용을 고려해야 한다”라며 “비록 기존 프로젝트 비용에서 추가적인 비용이 발생하겠지만 커미셔닝분야에 대한 투자가 필요하다”고 밝혔다.
적정 설비용량 선정 필요
홍구표 강원대 교수는 ‘그린리모델링 설계 시 적정 냉난방부하 산정’을 주제로 발표했다. 구체적으로 △탄소중립시대 건축의 변화 △그린리모델링에서 냉난방용량 적용 현황 △설비용량에 따른 에너지소비량 검토 △설비용량 산정을 위한 노력 등으로 진행됐다.
홍구표 교수는 “그린리모델링에서 냉난방부하가 감소됐어도 설비용량 증가사례가 많다”라며 “ 사후관리 대비 및 실제 에너지소비량을 줄이려면 적정 설비용량 선정이 중요하다”고 강조했다.
이를 위해 설계용 외기조건 최근 기상데이터 검토, 실내 설정온도 실태조사와 향후 그린리모델링 적정 용량 산정을 위한 프로그램을 개발할 예정이다.
또한 대상건물의 쾌적(열쾌적, 실내공기질 쾌적 등)을 먼저 고려하며 에너지절약(온실가스 배출저감) 방안을 검토하는 것이 필요하다.
벤치마크데이터, GR 성능평가 활용 가능
서동현 충북대 교수는 ‘주거건물 에너지벤치마크데이터 개발 및 효율등급평가’를 주제로 발표했다. 세부적으로 벤치마크데이터를 소개하는 한편 △HEPS Microdata 활용 △건물에너지 벤치마크데이터 도출과 효율지표 제안 △국내 벤치마크데이터 결과 비교 등으로 구성됐다.
서동현 교수는 “미국의 벤치마크데이터 구축과 활용체계와 평가기술이 가장 진보적인 것”이라며 “기반 DB조사 및 구축과 B‧M DB구축 및 건물성능 평가체계, 평가도구와 건물검증 시행체계 등을 종합적으로 접근하는 것이 중요하다”고 강조했다.
국내의 경우 모든 것을 정부가 주도해 추진함으로써 형식은 갖췄으나 실효성은 떨어지는 상황으로 판단된다. 이에 따라 가장 기본적인 벤치마크데이터 확보가 시급하며 현재로서는 HEPS DB활용이 가장 현실적이다. 국토부 DB 보조활용도 가능하다.
현재 개발된 벤치마크데이터는 국토부 표준베이스라인 데이터에서 이미 주장한 것처럼 GR 성과평가에 직접 활용 가능하다.
서동현 교수는 “기술적으로는 다양한 용도건물 그룹별 에너지벤치마크데이터 제공으로 확대가 필요하다”라며 “점진적으로 평가체계 및 평가도구 개선, 지자체 시행역량강화로 확대가 필요하다”고 강조했다.
데이터넷, 융합 빅데이터 활용 실소비량 평가
김덕우 건설기술연구원 수석연구원은 ‘데이터넷: 새 시대의 새로운 데이터’라는 주제로 발표했다. 이를 통해 건물에너지소비 데이터 통합관리 기반기술 개발 사업을 소개했다.
2050년까지 달성해야 할 건물부문 탄소중립 로드맵을 통해 4가지가 강조됐다. 건물 온실가스 총량제를 에너지소비량 총량제와 동일시하면서 총량제와 연계한 노후건물 그린리모델링을 실시될 필요가 있다.
공공건물 그린리모델링 사업 지원 대상 확대 및 의무화 단계적 추진과 민간건물 그린리모델링 확산을 강조했다.
Building level identification(실효적 지표 기반 전국 건축물 선별-지원-관리)를 통해 필요데이터의 경우 에너지사용량과 영향인자간 상관관계가 고려돼야 한다. 융합 빅데이터 활용을 통해 실소비량에 대한 신뢰할 수 있는 평가가 가능하다.
프로젝트 데이터넷을 통해 쓸만한 고품질 데이터로 믿을만한 성능 평가결과가 가능하며 과학적 의사결정(지원이나 제재)이 가능하다.
지속적 커미셔닝 활성화 필요
윤성민 성균관대 교수는 ‘탄소중립을 위한 도시건물 디지털트윈 커뮤니티’를 주제로 발표했다.
윤성민 교수는 “건물 외피성능 향상을 위해서는 단열과 기밀이 중요하다”라며 “Smart thermostat 기술의 경우 IEA(국제에너지기구)가 효과적인 기술로 제시해 앞으로 주목된다”고 강조했다.
그린리모델링의 교훈을 통해 신축건물 가이드라인을 개발하는 것이 필요한데 예를 들어 미래의 그린리모델링을 위해 어떤 센서를 어디에 어느 정도 규모로 설치해야 하는가를 고려해야 할 필요가 있다.
그린리모델링 이후 사후관리 및 평가인 지속적 커미셔닝을 활성화시킬 필요가 있으며 디지털 환경을 활용한 광역진단 기술을 건물과 설비단위로 하향조정할 필요성이 제기됐다.
커뮤니티 단위의 그린리모델링 구현과 보다 폭넓은 시각을 통해 자원, 폐기물, 물 등 자원 활용 방안을 적극적으로 고민할 것을 주문했다.
GR 적용 시 신재생E 시도 다양화 요구
최영진 경기대 교수는 ‘그린리모델링에서의 신재생에너지 적용’을 주제로 발표했다. 서론을 통해 △지구온난화와 온실가스 △우리나라의 탄소중립 방향 △건축에서의 온실가스 배출 등을 진단했으며 건축물 신재생에너지 종류를 열거해 결론에서 종합적으로 향후 방향을 제시했다.
지구온난화 및 온실가스 배출이 사회적 문제로 대두됨에 따라 전 세계적인 관심과 노력이 진행 중이다. 국내에서도 온실가스 저감을 위해 다양한 연구 및 정책이 진행 중이지만 현재 국내 신재생에너지 발전 비중은 약 8%로 선진국에 비해 낮은 수준이다.
건축물의 성능 상승에는 한계가 있기에 건물에서 자체적으로 에너지를 생산하는 과정이 필요하다. 건축물에서 에너지를 생산할 수 있는 신재생에너지 종류와 장단점을 태양에너지를 중심으로 확인했다.
최영진 교수는 “그린리모델링에서 건축물에서의 신재생에너지 적용에 대한 다양한 시도와 연구를 통해 온실가스 배출을 억제하고 탄소중립 목표를 달성해야 한다”고 강조했다.
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