1. 서 론
2. 리모델링을 통한 공동주택 난방비 절감 효과 분석
2.1 난방비 부과내역을 통한 난방에너지 소요량 산출
2.2 난방비 절감에 따른 관리비 절감 효과 분석
3. 리모델링 공동주택의 제로에너지 건축물 성능 수준 검토
3.1 리모델링 전/후 에너지소요량 검토
3.2 에너지자립률 확보를 위한 옥상 태양광 설치 효과 분석
4. 결 론
1. 서 론
국토교통부는 공동주택의 에너지 소비절감과 탄소중립을 실현하기 위해 2020년부터 로드맵을 통해 신축건물은 제로에너지건축물(ZEB) 5등급 수준의 에너지 성능을 충족하도록 관련 법규를 개정하였다1). 이때, 건축물의 에너지 성능을 표현하는 제로에너지건축물 인증은 가장 낮은 등급인 5등급부터 1등급을 넘어 최근 +등급까지 구분하고, 설계도서 기반의 에너지성능 평가 해석 도구인 ECO2를 사용한 평가를 수행한다. 최소한의 기준인 5등급을 만족하기 위해서는 건축물에너지관리시스템(BEMS)을 설치한 후, 에너지자립률 20% 이상을 달성하거나 연간 단위면적당 1차에너지 소요량 90 kWh/m2yr 미만(비주거용은 130 kWh/m2yr 미만)을 충족해야 한다2). 이러한 건축물의 에너지 성능 수준을 나타내는 인증 제도는 건축물의 에너지 소비 수준을 나타내는 중요한 기준이 되고 있다.
신축 공동주택에 대한 에너지 성능 강화가 강조되는 만큼 기존 건축물의 노후화에 따른 에너지 성능 개선도 필요성이 증가하고 관련 연구들이 진행되고 있다. 특히, Kim et al.3)은 공공데이터를 활용한 공동주택의 난방에너지 사용량을 조사한 결과, 1990년대와 2010년대 준공 시기에 따라 난방에너지의 사용량이 최대 60% 차이가 발생함을 확인하였고, 난방/급탕/전기/수도 사용 비율에서도 1970년대와 2000년대까지는 난방 비용의 비율이 높고 2000년대 이후는 전기 사용 비율이 높아짐을 확인하여, 공동주택의 에너지 사용량 중 비중이 높은 난방에너지 절감을 위해서는 노후 공동주택의 단열 성능 강화와 같은 개선이 필수적이라고 볼 수 있다. 다만, Kim et al.4)은 노후 공동주택의 에너지소비량 절감과 동시에 주거환경을 개선하기 위해 진행되는 재개발 및 재건축을 통한 신축 전환 방식의 수익성 문제와 동시에 환경오염, 자원낭비, 부동산 투기 문제 등 다양한 사회문제가 발생하기 때문에 보다 효율적인 방법으로 공동주택의 리모델링이 대안이 될 수 있을 것으로 예상하였다.
Lee et al.5)에 의하면 공동주택의 리모델링은 준공 후 15년 이 경과한 시점에 가능하기 때문에 전국 공동주택의 약 60% 이상에 해당되며, 계속 증가할 것으로 예상된다. 리모델링은 기존 구조체를 일부 해체하고 기존 구조체와 신규 구조체를 연결/보강함과 동시에 설비등을 새로 설치하여 거주성능을 향상시킬 수 있는데, Kim et al.6)은 주요 구조체를 존치하면서 세대의 면적이 증가하는 형태가 주를 이루기 때문에 리모델링이 이루어지는 시기와 면적증가에 대한 다양한 연구를 수행하였고 최근 들어 준공된 리모델링 공동주택의 실제 입주가 이루어져 거주자의 실제 생활이 다년간 이루어지고 있는 경우도 존재하기 때문에 리모델링 전/후 비교를 통한 거주성능 개선 효과 및 에너지 성능 개선에 의한 에너지절감효과의 정량적 검토가 가능할 것으로 판단된다.
본 연구에서는 실제 리모델링한 공동주택을 대상으로, 공동주택의 에너지 소비량에 큰 비중을 차지하는 난방에너지 절감량에 대한 정량적 효과 검토를 수행하고자 한다. 실제 관리비 부과내역을 통한 절감 효과 분석을 수행하고, 에너지 성능 개선의 수준을 검토하기 위해 리모델링 전/후 시뮬레이션 비교와 에너지자립률 확보용 태양광 설치를 통해 리모델링 공동주택의 에너지 절감 수준 및 개선 가능성을 확인하고자 한다.
2. 리모델링을 통한 공동주택 난방비 절감 효과 분석
2.1 난방비 부과내역을 통한 난방에너지 소요량 산출
본 연구에서는 서울지역에 위치한 지상 16층 규모, 2개동 232세대의 리모델링 공동주택 단지를 대상으로 선정하여, 리모델링 전/후 난방비 부과내역을 기반으로 리모델링을 통한 건물의 에너지효율 개선효과를 난방에너지 소요량 절감량으로 확인하고자 한다. 대상 공동주택은 1991년 최초 사용 승인되어 Fig. 1과 같이 2019년부터 2021년까지 별동의 증축이나 세대 수 증가 없이, 기존 세대 면적 확장형 리모델링을 수행하였고 수평 증축을 통한 세대별 평균 약 27%의 전용면적이 증가하였다. 이때, 외기에 직접 면한 외벽은 허가 당시 건물의 법적 단열 성능 기준(0.270 W/m2K 이하, 중부지역)을 만족하고, 외기에 직접 면한 창호는 열관류율 0.965 W/m2K을 만족하는 창호로 시공하였다.
대상 공동주택의 관리비 내역은 공동주택 관리정보 시스템7)의 단지별 관리비 내역을 바탕으로 확인하였으며, 리모델링 이전 기간인 2015 ~ 2018년(48개월), 리모델링 이후 기간인 2022년 ~ 2024년(36개월)으로 구분하여 리모델링 전/후 난방비용을 산출하였다. 해당 단지는 지역난방이 공급되는 단지임에 따라 단위 면적당 난방비 내역을 확인할 수 있고 이를 통해 시기별 열 요금을 고려한 난방에너지 소요량을 확인할 수 있다. 이때 열 요금은 한국지역난방공사8)의 시기별 열 요금을 참고하고 계절별 차등 요금을 반영하였다.
리모델링 전/후 난방에너지 소요량을 확인한 결과, Fig. 1과 같이 리모델링 전 4년간 월별 난방비 기준 평균 연간 난방비 합계는 6,404원/m2, 리모델링 후 3년간 월별 난방비 기준 평균 연간 난방비 합계는 2,684원/m2으로 감소하였다. 이때 Fig. 2(a)와 같이 열 요금 단가를 춘추절기(3월 ~ 5월, 9월 ~ 11월)와 동절기(12월 ~ 2월)로 구분하여 해당 시기별로 각각 반영한 결과, Fig. 2(b), (c)에서 연간 평균 난방 에너지 소요량은 101.7 kWh/m2 (리모델링 前)에서 33.7 kWh/m2 (리모델링 後)으로 약 66.8% 감소하였고 리모델링을 통해 증가한 세대별 전용 면적(리모델링 前:84 m2, 리모델링 後:108 m2)을 반영하는 경우, 세대별 연간 난방에너지 소요량은 8,637 kWh/m2 (리모델링 前)에서 3,644 kWh/m2 (리모델링 後)로 약 57.8% 절감된 것을 확인하였다.
2.2 난방비 절감에 따른 관리비 절감 효과 분석
리모델링을 통해 절감된 난방에너지 소요량이 전체 관리비에 미치는 영향을 확인하기 위해 전체 관리비 내역 중 난방비 부과내역을 통해 관리비 절감 효과를 분석하였다. 공동주택 관리정보시스템을 통한 단지별 관리비 내역은 공용관리비와 개별 사용료, 장기수선충당금으로 구분되고, 난방비는 전기사용료 등과 같이 개별 사용료에 포함된다. 리모델링 전 산출 기간 평균 연간 관리비와 리모델링 후 산출 기간 평균 연간 관리비를 비교한 결과, Fig. 3과 같이 연간 관리비는 리모델링 후 약 5.3% 증가하였고 개별 사용료는 리모델링 전 관리비의 약 46%를 차지하고 리모델링 후 약 52.4%를 차지한다. 이는 난방비와 전기요금을 결정하는 열 요금과 전기 요금의 단가 상승이 이루어짐에 따라 난방비로 부과되는 열 요금의 단가가 리모델링 후 최대 약 74% 증가하고 전기요금 또한 리모델링 후 최대 약 35% 증가하였기 때문으로 판단된다. 다만 앞서 확인한 바와 같이 난방에너지 사용량은 감소했기 때문에, 개별 사용료의 구성 내역을 살펴보면 난방비의 비중이 약 37.7% (리모델링 前)에서 약 16.0% (리모델링 後)로 나타났다. 따라서 난방비의 비중만 살펴보면 난방비의 비중은 리모델링 전에 비해 리모델링 후 약 57.5% (21.7%p) 감소하는 것을 확인할 수 있다.
3. 리모델링 공동주택의 제로에너지 건축물 성능 수준 검토
본 연구에서는 리모델링을 통한 공동주택의 에너지 성능 향상 수준을 파악하기 위해 제로에너지 건축물 성능 검토 절차를 활용하여 리모델링 전/후 1차에너지 소요량 절감 수준을 파악하고 제로에너지 건축물 인증 기준을 인용하여 해당 기준을 만족하기 위해 필요한 에너지자립률 확보용 신재생에너지원인 옥상 태양광 설치 대안 검토를 통해 설치용량 및 최대 설치 효과를 검토하고자 한다.
3.1 리모델링 전/후 에너지소요량 검토
리모델링을 통한 공동주택의 에너지 소요량 절감 수준을 파악하기 위해 제로에너지 건축물 성능 검토에 활용되는 에너지 성능 분석 도구인 ECO2를 활용하여 리모델링 전/후 에너지소비량 절감량을 확인하였다.
Table 1과 같이 대상 공동주택은 리모델링 전후 동일한 232세대로 구성되고 전용면적이 세대별로 증가하였다. 또한 최초 사용승인이 1991년 1월 임에 따라 리모델링 전 모델링은 당시 건축물 에너지절약설계기준을 만족하는 단열 성능을 적용하였고 리모델링 후는 리모델링 수행 설계도서를 참고하여 단열 성능을 반영하고 실제 설치된 열 회수 환기장치를 반영하였다. 리모델링을 통해 설계에 반영된 사항 외에 세대별/거주특성 별 차이가 발생할 수 있는 기밀 성능과 조명밀도 등은 분석 결과에 영향을 최소화하기 위하여 리모델링 전/후 동등 수준으로 가정하였다.
Table 1.
Overview of Remodeling apartment’s input data for energy simulation
ECO2 분석 결과, 리모델링 전 대상 공동주택 단지의 1차 에너지소요량은 Fig. 4와 같이 연간 148.2 kWh/m2으로 산출되었고 리모델링 후 1차 에너지소요량은 연간 119.0 kWh/m2으로 약 19.7%의 에너지소요량이 절감되는 것으로 나타났다. 이때, 난방 에너지 소요량은 리모델링 전 연간 84.3 kWh/m2에서 리모델링 후 연간 34.4 kWh/m2으로 약 59.2% 절감되므로 리모델링 전/후 1차 에너지소요량 절감량 대비 난방에너지 절감효과가 상대적으로 높은 것으로 나타났다.
3.2 에너지자립률 확보를 위한 옥상 태양광 설치 효과 분석
신축 공동주택은 주거용 건축물로서 제로에너지건축물 인증 최소 기준인 5등급을 획득하기 위해 에너지자립률 20% 또는 1차에너지 소요량 90 kWh/m2를 만족해야 한다. 대상 공동주택은 리모델링 공동주택임에 따라 의무사항은 아니나 제로에너지 건축물(ZEB)로서의 성능 수준 검토를 위해 대안검토를 수행하였다. 신재생에너지원은 태양광 설비를 옥상에 설치하는 것으로 가정하였으며, 대상 공동주택의 옥상 면적은 약 2,628 m2이며, 이중 엘리베이터 등의 기계실이 포함된 옥탑 부분의 면적인 294 m2 (약 11%)을 제외하고 옥상 태양광 모듈의 실제 설치 가능 면적은 약 1,142 m2 (약 43.5%)임에 따라 약 552개의 태양광 모듈을 설치한 것으로 가정하였다. 설치한 태양광 모듈은 수평으로 설치하는 형태로 Fig. 5와 같이 415 W 용량의 20.02% 효율을 가진 모듈을 배치하고 모듈의 성능 상세를 ECO2에 입력하여 분석하였다.
대상 건물의 리모델링 후 옥상에 태양광 모듈을 설치하여 ECO2 시뮬레이션을 수행한 결과, Fig. 5와 같이 1차 에너지소요량은 94.0 kWh/m2으로 나타났고 에너지자립률은 20.94%로 제로에너지 인증 5등급 수준을 만족하는 것으로 나타났다. 대상 공동주택은 옥상면적에 설치 가능한 태양광 모듈을 수평면으로 설치함으로써 ZEB 5등급 수준을 만족하였으나, 추가로 단열 성능이 ’26년 현재 신축 설계 법규의 의무 외벽 열관류율 수준으로 강화되고 창호의 교체나 개보수를 통한 성능이 향상된 3회/h 수준의 기밀 성능을 반영하는 등 에너지 절감요소를 추가한다면 보다 높은 등급의 ZEB 인증을 획득할 수 있을 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 공동주택의 리모델링을 통한 에너지 절감 효과를 분석하기 위해 실제 리모델링을 수행한 공동주택 단지를 대상으로 리모델링 전/후 관리비 분석을 통한 난방비 절감 효과를 정량적으로 파악하였고, 건축물의 에너지 성능 수준 파악을 위해 제로에너지인증 제도의 절차를 활용하여 리모델링 전/후 에너지 소요량 분석과 태양광 발전 설비를 설치하는 대안을 검토하여 에너지자립률을 확인하고 제로에너지 인증 5등급 획득 가능성 여부를 파악하였다.
대상 공동주택의 리모델링 전/후 부과된 난방비를 통한 난방에너지 소요량을 비교한 결과, 리모델링 후 단위면적당 약 66.8% 감소하였고 증축을 통한 난방면적이 증가한 세대 면적을 반영한 세대별로 비교 시 약 57.8% 감소하는 것을 확인하였다. 이는 리모델링 전에 비해 외벽 단열과 창호의 단열 성능 수준을 향상시킴에 따른 단열 성능 증가 효과가 크기 때문으로 예상되고 더불어 동일한 세대수를 유지하는 세대 증축형 리모델링에 따른 특징으로, Fig. 1과 같이 늘어나는 난방면적에 비해 외기 노출면적이 증가하는 폭이 적기 때문에 에너지 절감효과가 큰 것으로 추측된다. 즉, 리모델링을 통해 거주 세대가 연속으로 배치된 건물 형태에서 인접한 세대와 동일하게 난방면적이 증가함으로 외기 노출면적이 측벽세대 이외에는 증가하지 않기 때문에 이러한 세대 증축형 리모델링은 동절기 외기 노출에 의한 열 손실에서 유리할 것으로 추측된다.
관리비 절감효과 분석을 통해 확인한 총 관리비 중 난방비의 비중을 비교한 결과, 리모델링 전에 비해 리모델링 후 약 57.5% 감소한 것으로 볼 때, 리모델링을 통한 난방에너지 소비량 절감효과는 물가 상승과 에너지 비용의 상승으로 열 요금의 단가 상승이 약 74% 증가하였음에도 불구하고 난방비가 절감되는 효과를 나타내고 있으며, 에너지 비용 상승에 영향을 받는 관리비 측면에서 아주 유리할 것으로 판단된다.
건축물의 제로에너지 성능 수준 비교를 위해 리모델링 된 공동주택의 제로에너지 인증제도 시뮬레이션 검토 결과, 리모델링 후 1차 에너지소요량이 119.0 kWh/m2 수준으로 나타났고 에너지자립률 확보를 위한 옥상에 설치 가능한 태양광 모듈을 설치한 대안 분석 결과, 에너지자립률 20.94%를 달성함으로써 리모델링을 통해서도 제로에너지 5등급 수준 달성이 가능할 것으로 판단된다. 공동주택의 옥상면적은 옥탑이나 별도의 구조물에 의해 태양광 모듈 설치 면적이 제한되는 경우가 많으나 대상 공동주택은 수평 증축을 통해 옥상면적이 일부 증가하기 때문에 옥상에 설치 가능한 태양광 발전 모듈의 설치 량이 같이 증가하므로 에너지자립률 달성에 유리할 수 있다. 이러한 결과를 통해 용적률이 높은 고층의 신축 공동주택에 비해 상대적으로 저층이며 수평으로 증축되는 리모델링 공동주택은 옥상 태양광 설치를 통한 에너지자립률 달성에 유리할 것으로 판단된다.
리모델링을 통한 건축물의 에너지 절감 성능을 확인하기 위해 실제 부과된 난방비를 바탕으로 에너지 절감 효과를 확인하였으나, 실제 건축물의 리모델링을 통한 기밀 성능의 향상, 효율 높은 LED 조명의 도입에 따른 조명밀도 변화, 창호의 교체를 통한 일사획득량 변화 등 다양한 에너지 절감 요소들로 에너지 절감효과가 더 클 것으로 예상되며, 이를 확인하기 위한 관리비 내역이나 계측을 통한 추가 연구가 필요하다.
공동주택의 리모델링 시에 에너지 저감을 위한 단열재 두께 증가는 실내 공간 감소를 방지하기 위해 두께 증가 없이 단열 성능이 높은 단열재를 도입해야 하고 기계실이나 부지 환경의 제약조건을 고려하는 신재생에너지원을 설치해야 하기 때문에 신축에 비해 상대적으로 에너지절감 기술의 초기 투자비용이 상승할 수 있다. 다만, 장기적으로 상승할 수 있는 에너지 비용 절감을 통해 상쇄할 수 있고 정부나 지방자치단체에서 제로에너지 건축물 인증 시 제공되는 인센티브를 적극 활용하여 상쇄할 수 있을 것으로 판단된다. 따라서 현재 리모델링을 앞둔 공동주택의 리모델링 시 적극적인 에너지 저감 기술 적용이 필요할 것이다.
