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제로에너지건축

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| 제로에너지 건축

1. 제로에너지 건축물이란?

제로에너지 건축물은 말 그대로 에너지를 쓰지 않는 건물이지만, 에너지를 전혀 사용하지 않는 건물을 의미하는 것은 아니다. 건물에서 에너지를 사용한만큼 에너지를 생산해서 에너지 사용과 생산의 합이 ‘0’, 제로가 되는 건축물을 의미한다. 그러나 건축물 내에서 사용하는 전기제품의 종류와 소비량 포함 여부, 재생에너지 생산의 포함 여부 등 제로에너지 건축물을 과학적으로 객관적으로 정의하고 검증하는 것은 쉽지 않다. 그래서 나라마다 조금 다른 방식으로 제로에너지 건축물을 정의하고 있다.

미국

1차 에너지 사용량을 기준으로 연간 사용되는 에너지양이 해당되는 부지에서 연간 생산되는 재생 가능한 에너지양보다 작거나 같은 효율적인 건축물로 정의하고 있다.

유럽연합(EU)

매우 에너지 성능이 높은 건물로서 건물에 필요한 거의 제로이거나 매우 낮은 양의 에너지 중 상당 부분을 해당 대지 또는 인근의 재생가능한 에너지에서 공급하는 건물로 정의하고 있다. 건물에너지성능지침(EPBD, Energy Performance of Building Directive)에서 모든 회원국들이 2019년부터 모든 신축 공공건물에, 2021년부터 모든 신축 건물에 제로에너지빌딩(NZEB, nearly zero energy building) 기준을 적용하도록 규정하고 있다.

EU회원국

나라마다 편차가 있기는 하지만, 제로에너지 건축물에서 최대 1차 에너지 소비량을 규정하여 최소한의 에너지 성능을 전제로 재생가능한 에너지를 도입하도록 정의하고 있다. 또, 재생가능한 에너지에 대해서도 구체적이고 정량적인 기준을 정의해 둔 나라도 있다.

일본

건축물 에너지 소비량을 건축물과 설비의 에너지 절감 성능 향상과 부지내 재생가능에너지를 활용하여 연간 에너지 소비량이 ‘0’이 되도록 하는 건축물로 정의하고, CO₂ 배출량에 대한 개념도 포함하고 있다.

한국

2016년 개정된「녹색건축물 조성지원법」제2조(정의) 4항에서 “건축물에 필요한 에너지 부하를 최소화하고 신에너지 및 재생에너지를 활용하여 에너지 소요량을 최소화하는 녹색건축물”을 제로에너지 건축물이라고 정의하고 있다. 이것은 고단열, 고기밀 외벽 및 창호와 같은 패시브 기술을 활용하여 건물의 부하를 줄이고, 태양광 발전, 지열, 연료전지와 같은 신재생에너지 설비, 고효율 냉난방 기기 및 열교환 장치 등의 액티브 기술을 통해 건축물에 필요한 에너지를 충당하는 건축물이라고 할 수 있다.

2. 건축물과 기후변화는 어떤 관계가 있을까?

정부에서는 이런 제로에너지 건축물을 통해 건물에너지 소비량을 효과적으로 줄이기 위해 2014년 7월 <제로에너지 국가 로드맵>을 작성하였고,「건축물 에너지효율등급 인증에 관한 규칙」을「건축물 에너지효율등급 인증 및 제로에너지 건축물 인증에 관한 규칙」으로 개정하여 제로에너지 건축물 인증제도를 도입했다. 건축물은 전 세계 온실가스 배출의 약 40%를 차지하고 있고 기후변화의 진행에 따라 직접적인 피해를 입고 있다. 폭염과 열대야, 한파, 폭우, 폭설, 대형 우박, 가뭄, 해일 등 이상 기상현상은 건물에 직접적인 피해를 주고 건물의 수명을 줄이는 등 재산상의 피해를 줄 수 있을 뿐 아니라, 거주 쾌적성을 떨어뜨리거나 건물의 냉난방 에너지 수요를 더 높여 기후변화를 가속화시킬 수 있다.
다행히 건물 부문의 에너지 수요를 획기적으로 줄일 수 있는 다양한 기술이 있어 이 악순환의 고리를 선순환으로 바꿀 수도 있다. 건물의 효율을 높여 건물에서 사용하는 에너지 수요를 최소화하고, 꼭 필요한 에너지는 태양광, 태양열, 지열과 같은 신재생에너지로 생산하면 건물 부문의 온실가스 배출을 거의 제로화할 수 있어 기후변화를 완화시키고 지속가능하고 쾌적한 환경을 만들 수 있다. 건물에서 기후변화를 완화하는 방법은 크게 재생에너지를 중심으로 하는 저탄소 연료 전환, 기기설비 효율 개선 및 건물 외피 성능 개선 등 고효율 기술의 도입, 제로에너지건물 확대 및 도시 에너지 공급기술 교체 등 도시계획과 건축계획을 통합한 시스템 및 기반시설 효율 개선, 그리고 에너지 사용자의 행동과 생활양식 변화를 통한 배출량 저감방법이 있으며, 이를 통해서 신축건물에서는 약 50-90%, 기존 건물에서는 약 50-75%까지 에너지 사용량을 줄일 수 있다.

3. 제로에너지 건축물에 필요한 기술을 알아볼까?

제로에너지 기술요소

제로에너지 건축물은 연간 에너지 사용량과 생산량의 합이 ‘0”이 되는 건물이다. 이론상으로 제로에너지 건축물은 건물의 에너지 사용량을 최대한 줄이고 신재생에너지를 생산하여 사용량과 생산량의 합을 ‘0’으로 만들 수 있고, 건물의 에너지 사용량은 그대로 두고 신재생에너지 생산을 충분히 늘려서 건물의 에너지 사용량과 생산량을 ‘0’으로 만들 수도 있다. 제로에너지 건축물을 계획하기 위해서는 세 단계가 중요하다. 단열이나 기밀성능 개선 등을 통해 에너지 요구량을 최소화하고, 보일러나 기계・전기 설비의 효율화를 통해서 에너지 사용량을 줄이고, 마지막으로 최소화된 에너지 사용량만큼 재생가능한 에너지를 생산하는 것이다.  여기서 단열 성능을 강화하거나 기밀성능을 개선하고 태양에너지 일사를 조절하는 등 건물  자체의 성능을 개선하는 방법을 <패시브 기술>이라고 하고, 기계 설비의 효율이나 재생가능한 에너지 생산과 관련된 것을 <액티브 기술>이라고 한다. 제로에너지 건축물은 패시브와 액티브 기술을 종합적으로 고려하여 만들어진다.
패시브 기술요소는 설계 뿐 아니라 시공 과정도 매우 중요하다. 단열재를 연속적으로 꼼꼼하게 설치하고 외피 전체를 기밀하게 설치해야 한다. 시공 중 열화상 카메라나 기밀테스트 등 별도의 시공 품질관리로 매우 세심하게 시공해야 한다. 대개 우리나라 건설현장에서는 내단열이 선호되어 왔지만, 단열성능이 높아질수록 내단열시 슬래브 부분 등에 발생하는 구조적 열교로 인한 열손실의 비율이 커지고 이에 따른 결로 및 곰팡이도 발생할 수 있다.  
건물의 에너지 효율화 설비는 직접적으로 에너지 사용량을 줄여주는 역할을 한다. 냉난방이나 조명, 급탕, 환기 등과 관련된 설비 하나를 바꾸면 에너지 사용량을 전체적으로 줄일 수 있기 때문에 기존 건물에서 에너지 효율개선을 할 때 쉽게 적용할 수 있다. 건물의 수명과 직접적으로 연관되어 있는 패시브 기술요소보다는 교체 관리 주기가 짧기 때문에 정기적인 진단과 관리를 통해 효율을 유지, 개선해 나가는 것이 중요하다.
건물에서 이용할 수 있는 신재생에너지는 태양광, 태양열, 지열, 풍력발전, 연료전지, 바이오매스 등이 있지만, 서울과 같은 기존 도심에서는 재생가능 에너지원을 찾는데 한계가 있다. 특히 건물이 모여 있는 고밀 지역에서는 건물에서 사용하는 에너지를 해당 대지 내에서 모두 생산한다는 것이 쉽지 않다. 현재 우리나라의 제로에너지 인증기준은 대지 외의 신재생에너지 생산량을 인정하고 있지만, 높은 땅값 등으로 대지 외의 신재생에너지 생산 부지를 찾는 것도 쉽지 않다.  따라서 도시의 건물에너지 자립률을 높이기 위해서는 건물일체형 신재생에너지 시스템의 도입이나, 지역 단위 신재생에너지 발전네트워크, 신재생열에너지와 연결된 지역냉난방 시스템을 도입하는 것이 필요하다. 이것은 앞으로 제로에너지 건축물을 확산하고 제로에너지 도시로 나아가는데 매우 중요하다.  

건물일체형 신재생에너지 시스템의 대표적인 예는 BIPV 시스템(건물일체형 태양광발전 시스템, Building Integrated Photovoltaic System)으로, 이것은 건물의 벽면이나 지붕 등에 마감재를 대신하여 태양광 설비를 설치한다. 기존에 태양입사각에 최적화하여 설치되었던 지붕 태양광과 비교하면 방향이나 태양입사 각도면에서 불리하여 단위 모듈 대비 에너지 생산량은 적지만 건물을 통한 에너지 생산량을 극대화할 수 있고 건물의 외장재를 대체할 수 있어 시공비 일부를 절감할 수 있다. 또, 기후변화에 적응가능한 도시를 만드는 과정에서 건물 대부분에 태양광을 설치해야 할 때 도시의 경관을 고려했을 때도 꼭 필요하다.

제로에너지 정책동향

2015년 파리에서 열린 <제21차 유엔 기후변화협약 당사국 총회(COP21)>에서는 196개국 대표가 모인 가운데 파리협정이 체결되었다. 파리협정은 금세기 말까지 지구 평균 온도의 상승을 산업화 이전 대비 2℃보다 훨씬 아래로 제한하고, 1.5℃까지 제한하기 위해 노력한다고 합의했다. 이 협정은 인류 생존을 위한 구체적인 목표 온도에 전 세계가 처음으로 합의했다는 점에서 매우 큰 의미가 있다. 또, 보편적 기후변화 대응원칙에 따라 모든 나라가 자발적인 감축의무를 정하도록 하고 있다. 2020년 6월 현재 196개국 중 165개국의 자발적인 감축목표(NDC, National Determined Contribution)가 제출되었는데, 주요국의 자발적인 감축의무 내용은 아래와 같다. 우리나라도 국제사회의 흐름에 따라 2015년 6월 2030년 배출전망(BAU)인 8억 5,060만 톤 CO₂ 대비 37%를 감축하겠다는 목표를 수립했다.

우리나라 제로에너지 건축 인증제도

우리나라는 2009년 11월 <제6차 녹색성장위원회 보고회의>에서 2025년까지 모든 신규 건물의 제로에너지 건축 기준 의무화를 위해 건축물의 연간 에너지소비량 기준을 단계적으로 강화하는 로드맵을 발표했다. 2014년에 발표된 <제로에너지빌딩 조기 활성화 방안>은 시장선도형 제로에너지빌딩 모델 개발을 위한 단계적 시범사업 추진 등을 담아 2017년 제로에너지빌딩 상용화 및 패시브 설계 의무화, 2020년부터 소형 공공건축물 제로에너지 의무화, 2025년 모든 신축 건축물을 제로에너지로 의무화하는 로드맵을 제시했다. 2016년 1월 개정된「녹색건축물 조성 지원법」에는 처음으로 제로에너지 건축물의 정의 및 인증 관련 내용이 추가되었고, 2017년 1월「건축물 에너지효율등급 인증에 관한 규칙」을 「건축물 에너지효율등급 인증 및 제로에너지 건축물 인증에 관한 규칙」(국토교통부, 산업통상자원부 공동부령)으로 개정하여 제로에너지 건축물 인증제도가 도입되었다. 이 인증제도를 바탕으로 2019년에는 <제로에너지 건축물 의무화 세부 로드맵>이 수정 발표되면서 관련 법령이 개정되었다. 이에 따라 2020년부터 연면적 1,000m² 이상 공공건축물, 2025년부터 연면적 500m² 이상 공공건축물과 연면적 1,000m² 이상 민간건축물 및 30세대 이상 공동주택, 2030년에는 연면적 500m² 이상의 모든 공공 및 민간 신축건축물에 제로에너지 건축물 인증이 의무화 된다. 이와 관련하여 대지 외 신재생에너지 생산도 인정하고 있다. 

4. 제로에너지 건축 사례를 알아볼까?

국내 제로에너지 건축

전 세계 많은 나라들은 공공건축물과 민간건축물을 제로에너지 건축물 기준을 적용하도록 의무화하고 있다. 제로에너지 건축물은 신축과 리모델링, 소형과 중대형 건축물, 단독주택과 공동주택, 학교, 관공서, 호텔 등 등 다양한 사례를 찾을 수 있다. 또, 제로에너지를 넘어 추가적인 에너지를 생산하여 전기차 등 모빌리티까지 운용할 수 있는 플러스에너지 건축물도 등장하고 있다. 초기의 국내 제로에너지 건축물은 삼성물산의 그린투모로우(2009), 국립환경원 탄소제로건물(2011), 코오롱 e+ 하우스(2011)와 같은 연구목적의 시범사업으로 지어졌다. 이후 2014년에 발표한 제로에너지빌딩 조기 활성화 방안에 따라 저층형과 고층형, 타운형(지구단위)으로 나누어 업무시설, 도서관, 저층 주택단지, 가로주택 정비사업, 학교, 고층 공동주택 등  다양한 유형의 시범사업이 추진되었다. 2017년 <제로에너지 건축물 인증제도>가 도입된 후 2020년 6월 현재 137개 건물이 제로에너지 건축물 예비인증을 취득했고 그 중 16개가 본인증을 취득했다.

해외 제로에너지 건축

1980년대 오피스를 생애주기 기준으로 플러스에너지빌딩으로 리모델링한 건물인데, 기존 건물 대비 약 90%의 에너지를 절감하고 있다. 연간 단위면적당 난방에너지 요구량이 약 5.9kWh/m²yr로 최저 연간 단위면적당 1차 에너지 소요량도 약28.3kWh/m²yr 수준이다. 지열히트펌프 10공이 냉난방과 급탕에너지를 충당하고 있고, 지붕에 약 1,400m² 태양광 발전설비가 설치 되어 최종에너지 100%를 재생에너지로 충당 하고도 단위면적당 연간 약 18.4kWh/m²yr의 재생에너지 잉여생산량이 있다.
959년 건축된 버려진 공장을 리모델링하여 플러스에너지 사옥으로 개조했다. 리모델링 이전 대비 연간 단위면적당 난방에너지 요구량이 약 270kWh/m²yr 수준에서 25kWh/m²yr 수준으로 약 90% 줄었다. 기존 스프링쿨러 탱크를 급탕탱크로 활용하는 등 건축자재를 재활용하여 생애주기를 통한 건물의 환경적 영향을 최소화했을 뿐 아니라 건축공사비 m²당 409EUR (약 53만 원 정도), 설비공사비 m²당 219EUR(약 28만 원 정도) 수준으로 공사비용도 최소로 줄였다. 단위면적당 1차 에너지 소요량은 약 163kWh/m²yr이며, 목재펠렛 보일러를 사용하고, 태양광 설치를 통해 연간 단위면적당 약 32.3kWh/m²yr는 직접 사용하고, 33.3kWh/m²yr 정도를 공공전력망으로 제공하고 있다. 이 에너지로 전기차도 충전하고 있다. 재생에너지를 통한 최종 전기에너지 자립률은 약 175%, 최종 열에너지 자립률은 약 100% 수준이다.
독일 최초의 넷제로(Net Zero) 공공 업무시설로 독일 환경부 청사이다. 연간 단위면적당 난방에너지 요구량을 패시브 수준인 15kWh/m²yr로 설계했고 연간 단위면적당 1차 에너지 소요량도 50kWh/m²yr 미만으로 계획되었다. 연간 약 50,000 kWh의 재생에너지를 생산하고 있으며, 이중 48,000kWh 정도를 소비하는 것으로 설계했다.
1972년 완공한 학교를 2012~2013년 리모델링하여 플러스에너지학교로 변신했다. 연간 단위면적당 난방에너지 요구량은 14.5kWh/m²yr 정도의 패시브 수준으로 계획되었으며, 태양열 급탕과 화목보일러, 태양광 50kWp 설치를 통해 연간 1차 에너지 요구량을 69.2kWh/m²yr로 최소화했다.

5. 제로에너지 건축물 활성화를 위한 지원제도

제로에너지 건축물에 대한 지원제도

정부와 서울시는 제로에너지 건축물을 보급하기 위해 제로에너지 건축물 인증을 취득할 경우 건축기준을 완화해 주거나 세제 혜택 및 금융지원, 신재생에너지 설치 보조금 지원, 에너지이용 합리화 자금 지원 등 인센티브를 주고 있다. 제로에너지 건축물에 대한 지원은 예비인증 또는 본인증 취득으로 이루어지며, 예비인증으로 인센티브를 받은 경우에는 해당 등급 이상의 본인증을 반드시 취득해야 한다.

기존 건물 에너지 성능 개선 지원제도

① 그린리모델링 민간이자지원사업  | https://greenremodeling.or.kr

LH그린리모델링 창조센터에서는「녹색건축물 조성 지원법」제27조에 따라 2020년 기준 민간건축물의 에너지 성능 개선 및 촉진을 위해 공사비 대출이자 일부를 보조하고 있다. 지원대상은 기존 민간건축물에 시행되는 모든 유형의 민간 사업으로 단열보완, 기밀성 강화, 외부창호 성능개선, 일사조절장치 등 외피 성능향상 공사 중 한 가지 이상이 필수조건으로 포함되어야한다.

② 저소득층 에너지효율개선 지원사업  | https://www.seoulhousing.kr/html/0305001.do

단열 창호 공사와 고효율 기기 지원을 통한 에너지효율 개선으로 저소득층의 에너지 구입비용을 줄이고 난방에너지 공급기반을 마련하기 위한 사업이다. 수선 유지비 지급대상을 제외한 기초생활 수급가구, 차상위 계층, 사각지대에 있는 지자체 추천 일반 저소득가구가 지원대상이며, 지원대상에 해당하는 가구의 신청이나 지방자치단체의 추천을 통해 현장 실사 후 효율개선사업 시공 및 물품지원이 필요한 가구를 지원한다.

③ 서울시 건물에너지 효율화사업(BRP) 융자지원  | https://www.seoulhousing.kr/html/0305003.do

에너지 이용 효율을 높이고 온실가스를 감축하기 위해 서울시가 건물 단열공사, LED 조명교체, 고효율 보일러 교체 등 에너지 절약 설비를 설치할 때 장기 저리로 융자를 지원해 주는 사업이다. 2008년 도입 이래 사용승인일 3년 이상 경과한 건물에 대해 공사비 융자를 지원하고 2020년 5월 <2020년 서울특별시 건물에너지 효율화사업(BRP) 융자지원 활성화 계획>을 발표하면서 융자조건을 개선하였다. ZEB(제로에너지 건축물) 인증 건물에 대한 지원 조건도 추가되었다.

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