일반 공동주택 대비 패시브 공동주택의 난방에너지 소요량 및 경제성 분석 - 제로카본 그린홈 사례를 중심으로 -^*

최근 기후변화에 따른 지구온난화 및 에너지 수급문제는 전 세계적인 시급한 문제로 대두되었다. 이에 정부는 2020년까지 온실가스 배출전망치 대비 30%의 감축을 목표로 설정한 바, 2009년 녹색도시･건축물 활성화 방안으로 국가 온실가스 배출의 25%를 차지하고 있는 건축(가정 및 상업)부문에서 26.9% 감축하기로 하였다(국토교통부, 2009). 이러한 온실가스 감축시나리오에 따라 2012년 냉･난방 에너지의 50%를 절감하고 2017년부터는 모든 신축주택은 패시브 하우스 수준, 2025년부터 제로에너지 주택 수준으로 의무화하는 로드맵을 발표하였다.

또한, 2015년 6월 보도자료에 따르면 정부는 12월 도출 예정인 신(新)기후체제를 앞두고 우리나라의 자체적 결정에 의한 온실가스 목표를 ‘2030년 BAU(851백만톤) 대비 37% 감축’으로 확정 및 발표하였다. 이에 따라 12월 파리에서 개최되는 COP21에서는 각국의 기여방안인 INDC(Intended Nationally Determined Contribution)를 바탕으로 자발적 감축량 제시를 통해 신(新)기후 체제 합의문이 도출될 예정이다.

따라서 이제는 2020년부터 적용 될 글로벌 신기후 체제를 주목해야 한다. 정부는 이번 감축목표 제시를 계기로 창의적이고 획기적인 온실가스 감축수단으로 에너지 신사업을 적극 육성하여 확산해나갈 계획이며 이를 위하여 규제보다는 시장과 기술을 통해 산업계가 자발적으로 에너지를 절약하고 온실가스 감축 노력을 할 수 있도록 지원제도를 개선･정비할 계획이라고 밝혔다. 이에 국토교통부에서는 2009년부터 녹색정책을 수립하여 그린홈 보급 및 제로에너지 건축물을 활성화하기 위한 시범사업을 수행하고 있다.

그러나 제로 에너지 건축물을 구현하기 위한 핵심적 패시브 요소기술인 고성능･고기밀 창호 및 외단열 공법에 있어 시장에 활발히 보급되고 있지 않고 있는 것이 현실이다. 이러한 원인은 다양하지만 무엇보다 비용 상승이 가장 큰 원인이 되고 있다. 따라서 우선적으로 핵심 패시브 요소기술의 비용 경제성이 확보되어야 패시브 공동주택의 보급이 가능해지며 이를 통해 신기후 체계에 대비한 정부의 정책목표의 달성은 물론 궁극적인 미래형 공동주택을 위한 지속가능성, 쾌적성, 경제성을 추구하는 주거공간을 이룰 수 있을 것이다.

본 연구의 목적은 국가 탄소배출량 저감을 위한 주요 방안인 2017년 패시브 공동주택의 보급을 위하여 패시브 공동주택의 경제성 분석을 위한 기초자료를 제공하는 것이다.

패시브 공동주택의 경제성은 일반 공동주택 대비 패시브 공동주택의 난방비용 절감금액과 시공비용 증가금액을 통해 산출된 비용회수기간(payback period)으로 평가될 수 있다. 그러나 경제성 평가시 기준이 되는 일반 공동주택에 대한 표준 모델이 명확하게 정의되어 있지 않아 어려움이 있다. 이에, 신뢰성 있는 경제성 평가를 위해서는 기준이 되는 일반 공동주택을 설정하기 위한 분석이 선행되어야 하고 이를 바탕으로 경제성을 향상시키기 위한 방안이 도출되어야 한다.

본 연구에서는 패시브 공동주택의 경제성을 평가를 위하여 일반 공동주택 모델 및 패시브 공동주택 모델을 도출하여 시뮬레이션을 통해 각 모델의 난방에너지 소요량을 산출하고 각 모델별 시공비용을 산출하였다. 기준이 되는 일반 공동주택에 대한 에너지 성능평가를 위하여 일반 공동주택 모델에는 건축물에너지절약 설계기준(국토교통부, 2001~2013)을 적용하였다. 건축물에너지절약 설계기준은 2001년 이후 몇 차례 개정을 통해 단열성능이 상향 조정되었다. 이를 반영하여 2001년, 2008년, 2011년, 2013년 건축물에너지절약 설계기준을 따르는 단열성능 기준을 적용한 4가지 모델을 경제성 평가를 위한 연도별 일반 공동주택 모델로 선정하였다. 또한, 해당 단열성능 기준을 충족시키는 창호 및 단열부위를 선정하고 물가자료(한국물가정보, 2014년 11월)를 통해 선정된 시스템에 대한 시공비용을 산출하였다.

패시브 공동주택 모델은 2012년에 8층 규모의 패시브하우스로 고양시에 건설되어 운영되고 있는 제로카본 그린홈 공동주택을 대상으로 하였다. 제로카본 그린홈에 실제 시공된 패시브 요소기술을 대상으로 건설 당시 실제 적용된 기술별 단가를 기준으로 시공비용(제로카본 그린홈 준공도서, 2012)을 산출하였다. 패시브 공동주택의 경제성 평가시 영향을 미치는 요인은 일반 공동주택 대비 패시브 공동주택의 난방비용 절감금액과 시공비용 증가금액이다. 난방비용 변동의 가장 큰 요인은 기준이 되는 일반 공동주택이 연도별 단열성능 차이이며 그로인해 난방비용이 크게 달라지게 되므로 최종적으로 패시브 공동주택의 경제성에 영향을 미친다. 시공비용의 경우도 실제 건설공사의 시공비용에는 낙찰율이 반영되므로 낙찰율에 따라 경제성이 달라지게 된다. 따라서, 신뢰할 만한 경제성 평가를 수행하기 위해서는 상기 변동요인들을 고려한 경제성 분석이 이루어질 필요가 있다.

본 연구의 방법 및 절차는 다음 <그림 1>과 같다.

그림 1. 연구방법 및 절차

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첫째, 일반 공동주택의 에너지 성능 특성을 분석하기 위하여 국내 건축물에 대해 에너지절약설계기준의 제도변화 및 주거건물의 건설실적을 조사하였고 국내 패시브 하우스 관련 연구 동향을 고찰하였다.

둘째, 연도별 건축물에너지절약 설계기준을 따르는 일반 공동주택 모델과 제로카본 그린홈 실증주택이 적용된 패시브 공동주택 모델에 대한 난방에너지 소요량 및 시공비용을 산출하고 모델별 차이를 분석하였다.

셋째, 패시브 공동주택의 경제성에 영향을 미치는 난방비용 및 시공비용 절감요인을 도출하였다.

끝으로, 연도별 일반 공동주택 모델 및 낙찰율에 따른 경제성 분석을 통해 기준이 되는 일반 공동주택 모델의 준공년도를 제안하였다.

정부는 ’17년 모든 신축 건축물의 패시브 하우스를 목표로 에너지 절약형 녹색건축물을 보급･확대하기 위해 2013년 녹색건축물 조성지원법을 공포･시행하였다. 또한 세부 건축기준인 ‘건축물 에너지절약설계기준’을 개정하여 건축허가 시 단열 및 설비 등의 요소별 적용수준을 평가하여 기준 점수 이상을 획득하도록 하고 있다.

정부는 1976년 건축물의 열손실 방지를 목적으로 건축법을 제정한 이후, 수시로 개정을 거듭해 오고 있다. 기후변화 협약 및 고유가 시대에 대응하기 위해 건축물의 에너지효율 강화의 필요성이 대두되자, <표 1>과 같이 2001년에는 건축물의 열손실 방지규정 등의 내용을 골자로 하는 ‘건축물의 에너지절약설계 기준’(국토해양부 고시 제2001-314호)의 정비 및 강화를 통해 효율적인 에너지 절약을 추진하기 시작하였다. 2001년 개정이후 단열기준을 평균 20% 강화하였고, 건축물 열손실에 가장 영향을 미치는 창호의 열성능을 창틀 및 유리를 포함한 전체 열관류율로 세분화하였다. 2009년 녹색 도시･건축물 활성화 정책을 계기로 2011년부터 창호에 대한 단열성능 뿐 아니라 외피에 대한 단열성능 기준도 대폭 강화되었다.

연도별 국내 주택건설 실적과 주택 유형별 분포를 조사하여 전체 주택 중 공동주택이 차지하는 분포를 조사하였다. 국내 주택건설 실적은 통계청의 국가통계포털에서 주택건설실적통계(통계청, 2015) 결과를 활용하여 분석되었다. <그림 2>와 같이 1995년부터 2014년까지의 주택건설실적을 확인한 결과 1990년대에는 1998년 외환위기 이전까지 연평균 60만호의 건설실적을 유지하고 있었으나 1998년에는 30만호로 감소하였다. 2001년에 들어서 다시 급격하게 증가하여 67만호에 달하였다가 2008년 금융위기 이후 다시 감소하여 2014년 연평균 50만호의 건설수준을 유지하고 있다.

그림 2. 국내 주택 건설 실적 자료 : 통계청, 2015.

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또한, <그림 3>과 같이 주택 유형별 건설 실적을 분석한 결과, 2000년 이후 아파트를 비롯한 다세대 주택 등 공동주택이 전체 주택의 59.3%로 과반수를 넘어서게 되었고 2010년에는 71.6%로 국내 대다수의 주택이 공동주택임을 알 수 있다. 이에 본 연구에서는 공동주택을 국내 주택의 대표 건물유형으로 선정하여 연구를 수행하였다.

그림 3. 주택 유형별 분포 자료 : 통계청 주택총조사, 2010.

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탄소배출 저감을 위하여 국내 공동주택의 에너지효율성능 강화를 위한 관련 연구는 대부분 공동주택의 에너지 소비량 부문에 집중되어 있다. 박설희(2014)는 일반 공동주택의 실제 운영단계에서 에너지 소비량에 관한 연구에서는 2002년부터 2011년사이 준공된 공동주택 단지 17곳을 대상으로 난방, 급탕, 전기, 가스(취사) 부문의 에너지 사용량에 대한 실태조사를 수행하였다. 정창헌(2010)은 패시브 주택과 건물에너지효율등급의 에너지성능 평가 기준을 비교･분석하고 실제 패시브 건물 및 건물에너지효율등급 인증을 받은 건물에서의 에너지 소비량에 대한 조사를 통해 건물에너지효율등급 인증제도의 개선점을 제안하였다.

저에너지 공동주택이나 패시브 공동주택에 관련된 연구들도 대부분 특정 요소기술의 적용시 에너지사용량 절감효과에 대해 다루고 있다. 송승영(2009)은 시뮬레이션을 통해 외단열시스템 적용시 연간 난방에너지 저감 효과를 분석하였다. 최윤정(2013)은 공동주택에서 냉난방 부하에 가장 큰 영향을 미치는 창호를 대상으로 관련 평가방법에 대한 고찰을 통해 창호의 통합 에너지성능 평가를 위한 계산식을 도출하였다.

이와같이 관련 연구들이 대부분 건축물의 에너지 소비와 관련된 부분에 집중되어 있다. 그러나 패시브 공동주택의 보급을 위해 선행되어야 하는 경제성 평가를 위해서는 건축물의 에너지 소비뿐 만 아니라 경제성 평가시 기준이 되는 일반 공동주택에 대한 표준 모델(Baseline)의 정립 및 실제 공동주택의 시공비 산정 시 이에 영향을 미치는 요인들에 대한 연구가 필요하다.

또한 공동주택에서 사용되는 전체 에너지 사용량와 난방에너지가 차지하는 부분에 대하여 고찰하였다. 에너지 총조사 보고서(2008)에 따라 공동주택에서 사용되는 전체 에너지사용량은 연간 2008년 기준으로 33평형의 경우 전체 15,217kWh 중 장비 3,104kWh(20.4%), 조명 574kWh(3.8%), 난방 7,430kWh(48.8%), 급탕 3,183kWh(20.9%), 취사 926kWh(6.1%)인 것으로 조사되었다. 이중 난방에너지가 차지하는 부분에 대한 고찰은 <표 2>와 같이 2008년 및 2010년 법적기준으로 공동주택의 에너지사용용도별 연간 에너지사용량을 살펴 본 결과 대략적으로 50% 가량을 차지하는 것으로 확인되었다. 이에 본 연구에서는 공동주택 모델별 에너지 사용량 평가시 난방에너지를 대상으로 선정하여 연구를 수행하였다.

본 연구에서 패시브 공동주택의 모델로 적용된 제로카본 그린홈은 <그림 4>와 같이 총 8층, 15세대의 패시브 공동주택으로 건설되었다. 제로카본 그린홈 요소기술의 최적설계 및 적용을 위하여 통합설계(Integrated Project Delivery) 기법을 도입되었다(미국 건축가협회 AIA, IPD: A GUIDE, 2007). 제로카본 그린홈의 의미는 건물의 전 생애(Life Cycle)가 아닌, 건물 사용단계에서 발생하는 CO₂ 배출을 Zero로 하는 공동주택을 목표로 하는 것이며, 건물의 사용단계에서 발생하는 CO₂ 배출량과 신･재생에너지 시스템을 통해 에너지를 생산함으로써 저감된 CO₂ 배출량의 합이 제로가 되는 것으로 정의하였다. 제로카본 그린홈의 에너지 성능 목표는 패시브 시스템과 신･재생에너지 공급시스템의 적용을 통해 기존 공동주택 대비 난방 87%, 전기 80%의 에너지 절감과 건축물의 운영단계에서 이산화탄소 배출의 제로이다. 제로카본 그린홈 실증주택에 적용된 주요 요소기술의 종류 및 성능은 <표 3>과 같다.

그림 4. 제로카본 그린홈 실증주택 전경

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일반 공동주택과 패시브 공동주택의 난방 에너지 사용량의 차이는 크게 단열방식과 단열성능, 환기방식의 차이에 기인한다. 일반 공동주택의 경우 내단열 방식을 적용하고 있어 발코니 및 바닥과 벽체 접합부에 열교를 통한 열손실이 큰 반면, 패시브 공동주택은 외단열 방식의 적용을 통해 열교의 생성을 원천적으로 차단하고 있다. 창호 및 벽체의 단열성능도 큰 차이가 나는데 패시브 공동주택의 경우 일반 공동주택보다 단열성능이 2~4배 이상 높다. 게다가, 일반 공동주택의 환기시스템은 대부분 열교환이 되지 않는 일반 급/배기 시스템으로 도입된 환기량 만큼 난방에너지가 증가하게 된다. 그러나 패시브 공동주택의 경우 전열교환환기시스템의 적용으로 환기로 인한 난방에너지 손실이 기존대비 80% 이상 저감된다. 이러한 단열 및 환기 방식의 차이에 의한 난방에너지 소요량을 비교하기 위하여 시뮬레이션을 통해 연도별 일반 공동주택 모델과 패시브 공동주택 모델의 난방에너지 소요량을 산출하였다.

연도별 일반 공동주택 모델은 해당 연도의 건축물에너지절약 설계기준의 단열성능에 따라 4가지 모델로 구분되며 각각의 단열기준을 충족시키는 창, 문, 단열재, 환기 시스템, 보일러 등 난방에너지와 관련된 요소기술이 적용되었다. 패시브 공동주택 모델은 제로카본 그린홈에 실제 시공된 요소기술 및 단열성능이 적용되었다. 각 모델별 난방에너지 소요량은 2001년부터 공동주택 에너지효율등급인증에 활용되었던 평가프로그램을 패시브 하우스에 대한 해석이 가능하도록 업그레이드된 ECO-Home 프로그램(한국건설기술연구원, 2012)을 사용하여 계산되었다. ECO-Home은 신축 뿐만 아니라 기존 주택을 대상으로 외단열 및 내단열 방식별 열교의 영향이 반영되었으며 환기시스템 및 침기 부분의 영향을 반영한 주택 에너지 사용량 산출 프로그램이다.

평가 대상 공동주택 모델의 평면은 <그림 5>와 같이 제로카본 그린홈에서 중간층에 해당하는 6층 평면을 적용하였으며 시뮬레이션을 통해 산출된 결과는 두 세대의 평균값을 적용하였다. 대상 건물이 위치한 지역은 중부지역, 건물의 향은 정남향이며 적용된 공동주택 모델의 세대당 난방면적은 105㎡, 비난방공간의 바닥면적은 14.2㎡, 층고는 3m이다. 패시브 공동주택 모델에서는 난방공간뿐만 아니라 비난방공간인 공용복도까지 외단열 방식이 적용되었다. 일반 공동주택 모델에서는 동일한 평면에 내단열 방식을 적용하고 비난방공간인 공용복도에서 외기에 접하는 벽체에는 단열을 하지 않는 것으로 설정하였다. 두 경우 모두 계단실은 외기가 통하는 외부공간으로 설정하였다.

그림 5. 대상 세대 평면(제로카본 그린홈 6층, 2세대)

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시뮬레이션에서 모든 모델에 공통되는 설정 조건인 벽체 및 창호의 면적과 실내외 설정온도, 기기 발열량 등은 <표 4>와 같으며 각각의 모델별로 달라지는 단열성능, 환기성능, 시스템 효율은 <표 5>와 같다.

패시브 공동주택의 경제성 분석을 위해 앞서 시뮬레이션을 통해 계산된 난방에너지 소요량을 통해 연도별 일반 공동주택 및 패시브 공동주택의 난방비용을 산출하여 패시브 공동주택의 난방비용 절감금액을 산출하였다. 또한, 각 모델별 적용 요소기술에 대한 시공비용을 산출하여 일반 공동주택 대비 패시브 공동주택의 시공비용 증가금액을 산출하였다. 여기에서, 각 모델별 시공비용 산출시 전체 모델에 공통적으로 적용되는 골조, 전기 및 설비시스템 등에 대한 시공비용은 제외하였다. 연도별 일반 공동주택의 시공비용은 해당 단열기준을 충족시키는 창호 및 단열시스템에 대한 각각의 시공비용을 물가자료(한국물가정보, 2014)를 기준으로 산출되었다. 패시브 공동주택의 시공비용은 2012년 제로카본 그린홈 실증주택 건설시 실제 적용된 요소기술별 단가를 기준으로 시공비용(제로카본 그린홈 준공도서, 2012)을 산출하였다.

최종적으로 연도별 일반 공동주택 모델 및 낙찰율에 따른 경제성 분석을 통해 기준이 되는 일반 공동주택 모델의 표준을 제안하고 패시브 공동주택의 보급을 위한 핵심 요소기술의 적정 시공비용의 수준을 제안하였다.

패시브 공동주택의 경제성 평가시 영향을 미치는 요인인 일반 공동주택 대비 패시브 공동주택의 난방비용 절감금액과 시공비용 증가금액이다. 여기서 시공비용은 설계가부터 낙찰금액까지 다양하게 나타나므로 시공비용에 영향을 미치는 낙찰율을 고려하여 평가하였다. 따라서 경제성 분석을 위해 시공비용은 설계가와 통상적인 적격율인 87.745%와 최저 낙찰율로 70%를 가정하여 산정하였다.

먼저, 설계가를 기준으로 연도별 일반 공동주택 모델 및 낙찰율에 따른 패시브 공동주택의 경제성을 분석한 결과는 다음 <표 15>와 같다. 연도별 일반 공동주택 모델 및 낙찰율에 따라 비용회수기간은 최소 13.9년에서 최대 41.3년까지 다르게 나타났다.

앞서 3장에서 기준이 되는 일반 공동주택 모델의 단열성능 기준은 2001년 및 2008년 에너지절약 설계기준이 타당한 것으로 평가되어 해당 모델을 기준으로 비용회수기간을 산출한 결과, 통상 적격률 적용시 비용회수기간은 각각 17.4년 및 21.3년을 나타내고 최저 낙찰률 적용시 각각 13.9년 및 17.0년을 나타낸다.

이와 같은 분석결과는 패시브 공동주택 수준의 건축시장이 형성되지 않아 나타난 결과로써, 패시브 공동주택이 일반적으로 보급되는 시점에서는 관련 요소기술의 가격 경쟁력 확보로 비용회수기간이 현재수준보다 줄어 들 것으로 평가된다.

4. 일반 공동주택 및 패시브 공동주택의 난방 에너지비용 및 시공비용 추이

2009년 정부는 온실가스 배출량 감축을 위하여 2017년부터 모든 신축주택을 패시브 하우스 수준으로 의무하는 로드맵을 발표하였다. 이에, 본 연구에서는 2017년에 패시브 공동주택이 적용되는 것을 가정하여 연도별 일반 공동주택과 패시브 공동주택에 대한 연간 난방에너지비용 및 시공비용의 추이를 분석하였다.

<그림 7>에서와 같이 연간 난방비용의 경우 연도별 일반 공동주택에서 패시브 공동주택으로 갈수록 단열기준의 향상에 따라 난방비용이 점진적으로 줄어드는 것으로 나타났다. 그러나 관련 요소기술의 시공비용은 일반 공동주택에서는 연도별 단열기준의 향상에 따라 유사한 수준으로 증가하고 있으나 패시브 공동주택의 경우 급격하게 높아진 것을 알 수 있다. 이와 같은 패시브 공동주택의 시공비용 증가의 원인은 고기밀･고단열의 창호 및 문, 외단열 시스템, 팰릿보일러 등이 아직 시장에 활발히 보급되지 못하여 높은 가격을 형성하고 있기 때문인 것으로 분석되었다.

그림 7. 연도별 일반 공동주택 및 패시브 공동주택의 연간 난방비용 및 요소기술 시공비용 분포

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이에 패시브하우스의 보급의 활성화를 위해서는 고성능 창호 및 외단열 시스템에 대한 성능 대비 가격 경쟁력이 향상된 건축시장이 형성될 필요가 있다. 이를 위해서는 창호 및 외단열 시스템, 기밀관련 기술개발 투자를 통해 보급형 제품이 보급될 필요가 있다. 한편, 정부에 로드맵에 따라 2017년으로 설정한 패시브하우스 성능 목표를 달성하면서 보급 활성화를 이루기 위해서는 단열성능 기준을 급속히 강화하는 것 보다는 단계별로 세부적인 검토를 거쳐 패시브 공동주택이 안착될 수 있도록 로드맵에 대한 재검토와 직‧간접적인 지원방안이 마련될 필요가 있다.