충북 공공건축물 그린리모델링 시그니처 사업 적용에 따른 에너지 절감효과 사례분석

1.1. 연구의 배경

산업화 이후 발생한 기상이변으로 인해 범세계적 환경문제가 야기됨에 따라 1988년 기후변화에 관한 정부 간 협의체(IPCC)가 출범했다. IPCC가 2018년 지구온난화 특별보고서를 승인하면서 파리협정(2016) 의제인 평균 상승온도 1.5℃ 제한에 대한 과학적 근거가 마련됐다. IPCC는 2030년까지 이산화탄소 배출량을 2010년 대비 45% 이상 감축, 2050년에는 온실가스 배출·흡수량의 합이 0(Net-Zero)인 탄소중립을 목표로 제시했다. 이에 파리협정 비준국인 우리나라는 국가 결정 기여 온실가스 감축 목표(NDC)에 따른 방안을 수립하기 위해 UN에 2050 장기 저탄소 발전 전략(LEDS) (관계부처합동, 2020)을 제출하였다[1].

LEDS는 우리나라의 2030년 온실가스 예상 순 배출량을 2017년 기준(667.6백만톤) 24.4% 감축(504.7백만톤)을 목표로 보고 있다. 그중 건물부문의 에너지 효율을 극대화하는 수단으로 2020년부터 공공건축물을 기점으로 기존 건물의 그린리모델링을 활성화할 계획임을 밝혔다. 이와 더불어 탄소중립 시나리오(2050 탄소중립녹색성장위원회, 2021)와 탄소중립 로드맵(국토교통부, 2021)에서는 모든 공공·민간 건물의 단계적 제로에너지 적용을 목표로 하고 있다. 또한, 기후위기의 심각성을 고려하여 2050년 온실가스 순 배출량이 0인 탄소중립을 목표로 Table 1.과 같이 상향된 2030 NDC 감축 목표를 제시했다[2,3].

Table 1.

2030 enhanced NDC target

전국 건축물 현황(국토교통부, 2022) 자료에 따르면 10년 이상의 노후 건축물이 전체 건축물의 73%(연면적 기준)를 차지한다. 이러한 배경으로 건물부문에서 건축물의 에너지절약설계기준을 높여 온실가스 배출량을 감소시키는 그린리모델링에 대한 인식 확산 필요성이 대두되고 있다.

1.2. 연구 대상

국토교통부는 2020년부터 노후 공공건축물에 대해 국비지원금을 지원하는 공공건축물 그린리모델링 지원사업을 실시하였다. 지원사업의 일환으로 그린리모델링에 대한 지역별 인식의 저변 확산을 위해 권역별 지역거점 플랫폼을 설치하였고, 그린리모델링 대상 건축물 중 사업비 투자를 강화한 시그니처 사업을 마련하였다.

본 연구에서는 공공건축물 그린리모델링 시그니처 사업 적용에 따른 충북 S 보건지소의 에너지 절감효과 비교와 절감량 대비 비용효율 분석을 진행하고자 한다. 해당 건물은 준공 후 10년 이상의 노후 공공건축물로 그린리모델링 지원사업 대상이다. 동시에 연면적·사용 인원·상징성 등을 고려해 그린리모델링 혜택과 홍보 효과가 높을 것으로 예상하여 2022년 시그니처 사업에 선정됐다[4].

시그니처 사업의 지원금액은 Table 2.와 같이 공공건축물 그린리모델링 사업 가이드라인(국토교통부, 2022)을 통해 안내되고 있다. 시그니처 사업은 3.3㎡ 당 국비지원금액이 150~280만원인 일반 그린리모델링과는 다른 샹항된 국비를 지원받는다[5].

Table 2.

Government support amount for signature project

1.3. 연구 목적

본 연구의 목적은 건축물 에너지소요량 평가프로그램(ECO2-OD)을 이용하여 S 보건지소의 그린리모델링 전·후 에너지 평가를 실시, 효과를 정량적으로 파악하는 것이다. 아울러 그린리모델링 공사요소별 에너지 감소량을 평가하고 이에 따른 비용·효과 분석을 실시하였다. 이 같은 성능개선 효과 분석 결과는 향후 그린리모델링 지원사업 가치향상의 토대가 되는 기초자료로 활용할 수 있다.

2.1. 그린리모델링 관련 규정

녹색건축물 조성 지원법(국토교통부, 18469호, 13조)에 따르면 에너지 효율이 낮은 공공건축물에 대하여 에너지 효율 및 성능개선이 필요하다. 녹색건축물 조성 지원법 시행령(국토교통부, 33466호, 12조)에서는 해당 건축물을 대상으로 건축물 에너지효율등급 인증을 추진하고 있다.

S 보건지소의 연면적은 377.1㎡로 에너지효율등급 인증 의무화 대상(난방면적 500㎡ 이상)에 포함되지 않기에 필수사항은 아니지만, 그린리모델링 사업 취지는 노후 공공건축물에 대한 에너지 소비 효율을 높이는 것이다. 그러므로 건축물 에너지효율등급 인증은 그린리모델링 전·후 에너지 소요량에 따른 효율을 확인하는 기준이 된다. 따라서 이전에 실시된 그린리모델링 사업 사례들과 동일하게 ECO2-OD를 이용한 시뮬레이션과 에너지효율등급 인증제도를 기반으로 건축물의 전·후 에너지 변화를 평가할 필요가 있다[6-10].

2.2. 기존 그린리모델링 시그니처 사업 사례

그린리모델링 시그니처 사업 평가요소와 건물의 전·후 에너지율등급 변화를 확인하기 위해 그린리모델링 공사가 진행된 기존 사례를 검토하였다.

Fig. 1.은 2020년 그린리모델링 시그니처 사업 사례인 세종시 SS 보건진료소(공공건축물 그린리모델링 지원사업 가이드라인, 국토교통부, 2023)의 리모델링 전·후 외관 모습이다. 해당 사례는 창호의 변경 및 단열·기밀성능의 강화와 신재생에너지·환기장치 등을 이용한 패시브(Passive)와 액티브(Active) 방법이 모두 사용됐다.

Fig. 1.

SS Health Care Center

SS 보건진료소의 그린리모델링 적용 요소는 7가지로, Table 3.과 같다. 적용 요소 중 외벽(Exterior wall)·지붕(Roof)·창호(Windows)·냉방장치(Air conditioning)·조명(Lightng)의 5가지 부문은 기존 구성요소를 보강 또는 변경하였고, 신재생(Renewable)·환기(Ventilation) 부분은 신규 요소를 추가하는 방향으로 진행됐다. ECO2-OD를 이용한 공사 전·후 시뮬레이션 결과 연간 에너지 요구량은 69.6kWh/㎡·a로 기존 대비 47.6% 감소하였다. 연간 에너지 소요량은 355.4kWh/㎡·a에서 117.4 kWh/㎡·a로 67.7%, 연간 1차 에너지 소요량은 67% 감소했다. 그 결과 건축물 에너지효율등급이 기존 3등급에서 1++등급으로 4단계 상승했다[11].

Table 3.

Comparison before and after green remodeling of SS Health Care Center

3.1. 대상 건물 개요

본 연구의 시그니처 사업 대상인 S 보건지소(그림 2)는 충북 보은군 삼승면에 존재하는 2개의 공공의료시설 중 하나로, 2006년 준공하여 17년이 지난 노후 건축물로 분류된다. 공공건축물 그린리모델링 사업 사전 조사 및 컨설팅 용역(국토교통부, 2022) 결과 상주 인원은 1명, 일일 방문 인원은 5명 내외로 전기에너지만 사용하고 있다. 일부 냉난방기 교체와 내측 창호 추가 등의 개보수 이력이 존재하지만, 겨울철 에너지사용량이 과다하게 나타나고 있다(Fig. 3.). 이외에도 벽체·지반침하 균열, 옥상 방수층 파손 등의 문제점들이 파악되었다[12].

Fig. 2.

Exterior view of S health care center

Fig. 3.

Actual electricity usage from 2020 to 2022

전기에너지 사용량을 검토하기 위해 한국전력공사와 건축데이터 민간개방 시스템에서 사용량을 비교한 결과 두 기관의 결과값이 동일한 것을 확인했다. Fig. 3.은 건축데이터 민간개방 시스템에서 조회한 값을 토대로 2020~2022년 3년간 전기에너지 사용량을 그래프로 나타낸 자료이다. 3년간 모두 겨울 1~2월의 전기에너지 사용량이 평균 10,000kWh/월 이상 기록되는 것을 볼 수 있다. 이와 대조적으로 외부 평균 온도가 상대적으로 높을 것으로 예상하는 5~10월의 전기에너지의 사용량은 5,000kWh/월을 넘지 않는다.

3.2. 그린리모델링 적용 방향

S 보건지소(Table 4.)가 위치한 충북 보은군 삼승면 지역은 지속적인 인구밀도(2,295명, 22년) 감소와 주 연령층이 60~69세(주민등록 인구통계)라는 특징으로 이용률이 저조하였다. 해당 건물의 그린리모델링 시그니처 사업 방향성 관련하여 자문단(담당 공무원 3인·건축 분야별 전문가 5인) 회의 결과 해당 건물이 지역 의료시설로의 역할이 불가능하다고 판단되었다.

Table 4.

Target building overview

시그니처 사업은 그린리모델링 사업의 취지에서 나아가 그린리모델링 혜택에 대한 지역적 홍보 효과를 높이는 것이 목적이다. 공공건축물의 사용가치를 높이기 위해 충북지역 사례인 진천군 D 건강생활지원센터를 참고하여 기존 보건지소 용도에서 어린이 보건 체험관으로 사용 용도를 변경하기로 하였다.

S 보건지소의 그린리모델링 공사 주요 적용 사항은 Table 5.와 같이 기존 단열과 창호의 보강·교체하고 전열교환기·태양광발전설비를 추가 설치하는 것이다. 외부 변경사항으로는 1층 정면 입구와 2층 발코니에 존재하는 임의 증축 구조물인 캐노피와 이용률이 떨어지는 화단을 철거할 예정이다. 내부 공간은 어린이 보건 체험관 용도 변경 취지에 적합하도록 원활한 공간 이용을 위해 내벽 철거를 진행하여 일부 공간을 확장할 예정이다.

Table 5.

Green remodeling implementation details

4.1. 건물 외관 및 평면도 비교

S 보건지소는 2022년 그린리모델링 시그니처 사업에 선정, 2023년 후반기에 공사가 완공될 예정이다. Fig. 4.는 그린리모델링 전·후 건물 변화의 직관적인 비교를 위해 S 보건지소의 건축도면과 변경사항을 바탕으로 3D 모델링한 자료이다. 건물 정면 기준 남서향을 바라보고 있어 연중 내부로 유입되는 일조량이 많다. 외관에서 확인할 수 있는 변경사항으로 앞에서 언급되었던 임의 증축 구조물인 정면 캐노피(Canopy)와 화단이 제거되었다.

Fig. 4.

Building exterior before and after green remodeling

외벽 마감 색상은 어린이 보건 체험관이라는 시그니처 구상 방향에 맞춰 주 이용대상인 어린이의 기호를 고려하여 포인트 색상 디자인을 사용했다. 정면에 추가된 커튼월(4,100mm×3,000mm)은 대형 창을 통해 느낄 수 있는 시각적 개방감과 내부 공간감이 연장되도록 기존 벽체와 창(1,000mm×2,000mm) 일부를 제거 후 설치했다. 단열재와 마감재를 포함 170mm의 외단열 보강이 진행되어 외벽 부분에서 시각적인 차이를 보인다. 그리고 건물 외·내부의 기존 철재와 목재 문이 유리문으로 교체됐다.

이외에도 주차장에는 9kW 용량의 후면통풍형 형태의 태양광발전설비가 약 41.4㎡ 면적으로 설치된다. 건물 배면의 2층 발코니에 존재하던 캐노피 또한 철거되었다. 추가로 우측과 배면에 각 2개씩 존재하는 동일 규격의 기존 창(1,500mm×1,500mm)은 설치 높이(1.5m, 바닥 기준)로 인해 이용성이 떨어졌다. 해당 문제점에 대해 보건지소 담당자의 의견을 반영하여 기존 설치 높이를 변경하기로 했다. 실내 이용자의 접근성이 용이하도록 벽 일부를 철거하고 창(1,500mm×1,900mm) 규격을 교체하여 설치 높이(1.1m, 바닥 기준)를 조절하였다.

Fig. 5.의 리모델링 전·후 평면도를 통해 확인할 수 있는 가장 큰 내부 변화로, 기존 1층과 2층의 내벽이 일부 철거되고 Table 6.와 같이 실내공간이 통합됐다. 이때 확장공사를 통해 기존 7개의 공간이 건강체험실로 통합되면서 기존 비공조존인 X-RAY실·창고의 면적이 공조존으로 변경되었다.

Fig. 5.

Floor plans before and after green remodeling

Table 6.

Changes in the use of interior space before and after green remodeling

1층 보건요원실은 진료실로 용도가 변경되면서 방풍실과 맞닿는 부분의 벽체 일부를 제거하였다. 제거된 벽체 부분에는 어린이의 시야에서 진료실 내부공간을 볼 수 있는 창(1,800mm×1800mm)이 출입문의 연장선으로 설치되었다.

2층의 경우 기존에 관사로 사용되던 주거공간의 주방과 욕실을 철거하고 욕실 환기창을 매립 후 영상실로 용도가 변경되었다. 영상실로 사용될 공간의 내부확장으로 가로길이가 3.9m에서 6m로 변경되면서 면적은 19.89㎡에서 30.6㎡로 약 54%가 증가했다.

4.2. 리모델링 전후 에너지 소비량 분석

건축물 에너지 평가프로그램으로는 한국에너지공단에서 제공하는 건축물 효율등급인증 평가프로그램인 ECO2와 ECO2-OD가 있다. 본 연구에서는 그린리모델링 전·후 변경사항에 따른 공조영역의 에너지 소요량 평가를 수행하기 위해 일반적으로 적용되는 ECO2-OD 프로그램을 사용했다.

전·후 비교를 위한 ECO2-OD 공통 입력 요소인 외피면적은 단열재가 존재하는 벽체라는 공통 기준을 적용하였다. 그린리모델링 후 바닥면적은 내부공간 확장을 진행하면서 Fig. 6.과 같이 약 4% 증가한 공조면적으로 비교를 진행했다. 공사 사항으로는 필수공사인 외단열·내단열·창호·난방기기·냉방기기·환기장치·조명장치·신재생에너지 등 8가지 부분과 선택공사인 전기용량 증설이 진행됐다. 필수공사 요소별 에너지 절감효과는 기존 건축물 정보에 특정 요소를 변경 적용하여 ECO2-OD 시뮬레이션을 진행했다.

Fig. 6.

Air conditioning area input to ECO2-OD before and after green remodeling

Table 7.은 8가지 요소를 각각 단일 적용하여 개별 시뮬레이션한 분석 결과로, 리모델링 전 연간 에너지 소요량 119.4kWh/㎡·a을 기준으로 특정 요소 적용에 따른 에너지 절감률을 산출하였다. 결과에서 가장 높은 절감효과를 보인 요소는 난방기기로 에너지 소요량이 72.2kWh/㎡·a가 줄어들며 기존 대비 약 60%의 절감효과를 보였다. 절감률 2위인 창호는 전체면적이 12%로 증가하였지만, 평균 열관류율이 4.003W/㎡·K에서 1.198W/㎡·K로 약 70% 줄어들면서 에너지 소요량은 21.1kWh/㎡·a 감소를 기록했다. 3순위로는 신규로 추가되는 41.4㎡ 규모의 태양광발전설비로 단일 적용하였을 때 10%인 11.7kWh/㎡·a가 감소했다. 외·내단열 각각의 절감효과는 9%·4%로, 단열재를 통해 총 13%의 절감효과가 나타났다. 벽체 변경사항으로는 단열재와 마감재 포함 170mm가 추가되면서 열관류율이 0.444W/㎡·K에서 0.152W/㎡·K로 65%가 감소했다. 지붕은 기존 단열재인 스티로폼 110mm가 NF 보드 130mm로 교체되면서 열관류율은 0.288W/㎡·K에서 0.148W/㎡·K로 48% 낮아졌다. 신규 설치된 환기기기의 에너지 절감률은 7%로 냉난방 효율이 나타났는데 이는 1층에 냉·난방회수율이 가각 57%·71%와 53%·72%인 풍량 1000CMH, 250CMH의 전열교환기가 설치되면서 나타난 변화이다. 냉방기기는 전체 냉방용량이 37.8kW에서 69.7kW로 약 84%가 증가하였지만, 에너지 절감효과는 1%로 미미하였다. 냉방기기는 창면적 증가에 따른 일사유입 증가로 에너지사용량이 기존보다 증가하였다.

Table 7.

Analysis of energy savings by green remodeling application elements

Fig. 7.은 그린리모델링 전·후 S 보건지소의 냉·난방에너지 요구량을 월별로 분석한 그래프이다. 냉·난방에너지 요구량의 월별 양상은 20~22년의 전기에너지 사용량과 비슷한 패턴을 보였다. 리모델링 전 난방에너지 요구량은 1월 23.9kWh/㎡·a, 냉방에너지 요구량은 8월에 3.2kWh/㎡·a로 가장 높았다. 리모델링 후 변화된 난방에너지 요구량은 1월 11kWh/㎡·a, 냉방에너지 요구량은 8월에서 최고 4.7Wh/㎡·a를 기록하였고 난방에너지는 감소, 냉방에너지는 증가했다. 월별 요구량을 합산한 연간 냉·난방에너지의 요구량은 각각 난방에너지 98.1kWh/㎡·a에서 40.4kWh/㎡·a로 59% 감소, 냉방에너지 7.2kWh/㎡·a에서 13.4kWh/㎡·a로 86%가 상승했다. 결과적으로 그린리모델링 후 전체 냉·난방에너지 요구량은 105.3kWh/㎡·a에서 53.8kWh/㎡·a로 약 49% 가량 감소했다.

Fig. 7.

Monthly cooling and heating energy demand before and after green remodeling

Table 8.은 앞서 Table 7.에서 개별로 각각 적용했던 그린리모델링 요소들을 동시에 통합 적용하여 그린리모델링 전·후 에너지 소비 총량을 비교한 자료이다. 건물의 연간 에너지 요구량은 그린리모델링 적용 전·후 121.4kWh/㎡·a에서 71.0kWh/㎡·a로 42%가 감소했다.

Table 8.

Comparison of energy consumption before and after green remodeling

연간 에너지 소요량은 119.4kWh/㎡·a에서 35.8kWh/㎡·a, 연간 1차 에너지 소요량은 352.3kWh/㎡·a에서 100.4kWh/㎡·a로 적어지며 각각 70%와 72%가량 감소했다. 아울러 건물 에너지효율등급은 3등급에서 1++등급으로 4단계 높아진 것을 확인했다.

4.3. 공사 요소별 에너지 절감에 따른 비용편익분석

S 보건지소 그린리모델링 시그니처 사업의 예산은 6.4억 원으로, 그중 건축과 설비 관련 공사비용은 약 4.9억 원가량이다. 해당 비용에는 공사 과정에서 발생하는 철거비용·인건비용·운송비용·자재비용·경비 등이 복합적으로 포함된다. 해당 사유로 요소별 공사비를 산정하기 위해 명확한 기준이 필요하였고 산정된 공사비의 기준은 다음과 같다.

공사비는 외단열, 내단열, 창호, 냉·난방기기, 공조기기, 신재생에너지로 분류한 6가지 요소에서 기타비용을 제외한 자재·기기 금액만을 산정했다. 조명기기의 경우 유일하게 에너지 소요량이 증가함에 따라 소요량 감소에 따른 비용 분석의 취지에 맞지 않는다고 판단해 제외했다. 이러한 기준으로 산정된 공사비용은 1.27억 원으로 건축·설비 공사비용의 약 25.5%, 총 공사비용의 약 19.9%에 해당한다.

Table 9.는 S 보건지소에 적용된 그린리모델링 요소별 비용편익 즉, 1kWh의 연간 에너지 소요량이 감소하는데 사용된 공사비용을 산출한 결과이다. 요소별 공사비를 합산한 전체 공사비 약 1.27억 원에 대한 면적당 공사비용은 337,158원/㎡이고, 에너지당 공사비용은 22,936원kWh·a으로 나타났다.

Table 9.

Analysis of construction cost per energy saving amount by green remodeling element

공사비 규모는 외단열 공사(External insulation)가 3.7천만 원으로 공사비용 중 30%로 가장 높았고, 2%인 환기기기(Ventilation) 공사비용 2.2백만 원과 비교하여 약 17배 차이가 났다. 그러나 비용편익(비용대비 효율:Construction cost per energy reduction)은 환기기기가 664원/kWh·a로 전체 중 가장 높고, 14%로 구성 비율 5순위인 내단열(Internal insulation)이 11,291원/kWh·a로 가장 낮은 수치를 보였다. 효율 3순위인 창호(Windows and doors) 공사는 2.4천만 원으로 전체 공사비의 19%가 사용되었고 에너지 감소당 공사비용은 3,023원/kWh·a이 나타났다. 그리고 에너지 절감률에서 60%로 가장 높은 수치를 나타냈던 난방기기(냉방기기 포함)의 공사비는 18%, 에너지 감소당 공사비용은 881원/kWh·a로 2순위의 효율을 보였다, 신재생에너지(Renewable energy)는 에너지의 감소당 공사비용 4,873원/kWh·a로 에너지 감소량 당 공사비 효율은 4순위에 해당한다. 결과적으로 비용편익은 환기기기, 냉·난방기기, 창호, 신재생에너지, 외단열, 내단열 순서로 높았다.