[논문]학교시설 제로에너지인증제 시행에 따른 요소별 자립률 분석

맹준호; 김성중; 이승민; 고현수

doi:10.7743/kisee.2021.20.1.019

학교시설 제로에너지인증제 시행에 따른 요소별 자립률 분석
An Analysis of the Self-reliance Rate by Element according to the Implementation of Zero Energy Certification System in School Facilities 원문보기

교육녹색환경연구 = The journal of Sustainable Design and Educational Environment Research, v.20 no.1, 2021년, pp.19 - 28

맹준호 (한국교육녹색환경연구원) , 김성중 (한국교육녹색환경연구원) , 이승민 (한국교육녹색환경연구원) , 고현수 (한국교육녹색환경연구원)

초록
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국토교통부는 신(新)기후체제 출범에 따라 건물부분의 에너지절약 및 국가 온실가스 감축목표 달성을 앞당기기 위해 제로에너지건축물 인증제를 시행하고 있다. 2014년 ZEB 조기활성화 방안을 발표 하였으며, 2016년 1월 "녹색건축물 조성 지원법"을 개정하고 제도적 기반을 마련하여 2020년부터 공공부문을 시작으로 2025년 까지 민간부문 까지 단계적 제로에너건축물을 확산시키기 위한 계획을 수립 시행중에 있다. 2020년부터 공공부분에 속하는 학교시설은 제로에너지건축물 의무대상에 포함됨에 따라 본 연구에서는 학교시설 제로에너지건축물 인증시행에 따른 에너지요소별 자립률을 분석하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The Ministry of Land, Infrastructure, and Transport (MOLIT) is implementing a zero-energy building (ZEB) certification to save energy for the building section and to accelerate the achievement of national greenhouse gases reduction goals in accordance with a new climate regime. In 2014, the MOLIT announced a plan for early activation of the ZEB, and in January 2016, the "Green Buildings Construction Support Act" was revised and established. In addition, the plan was established to gradually spread zero-energy buildings from the public sector in 2020 to the private sector by 2025. Therefore, this study analyzed the self-sufficiency rate of each energy factor according to the implementation of the zero energy building certification of school facilities that belong to the public sector and are included in the mandatory zero energy buildings from 2020.

주제어

표/그림 (21)

그림 Figure 1. Energy usage status by building use (Statistics Korea)
그림 Figure 2. Amount of electricity used in school facilities by year
표 Table 1. Building energy efficiency certification grade
표 Table 2. Zero energy building certification grade
그림 Figure 3. Average heat transmission coefficient of region
표 Table 3. BEMS or Automatic meter reading electronic meter Installation evaluation items
표 Table 4. Building energy efficiency certification grade certification target
표 Table 5. Building energy efficiency certification grade Certification status by school grade
그림 Figure 4. Window area ratio to building envelope
그림 Figure 5. Heating and Cooling System by School Class
그림 Figure 6. Hot water supply systemby School Class
그림 Figure 7. Average Lighting Density in Heating and Cooling Spaces
그림 Figure 8. Analysis of Primary Energy Consumption by Window Area Ratio
그림 Figure 9. Analysis of Primary Energy Consumption by Change of Window heat transmission coefficient
표 Table 6. Sample School Overview
그림 Figure 10. Analysis of Primary Energy Consumption by Window Area Ratio
그림 Figure 11. Changes in Primary Energy Consumption and Self-reliance Ratio by Lighting Density
그림 Figure 12. Changes in the Primary Energy Consumption and Self-reliance Rate by the Efficiency of Heat Exchanger
그림 Figure 13. Self-reliance rate change according to capacity by solar energy efficiency
그림 Figure 14. Self-reliance rate changes with solar PV and BIPV capacities
그림 Figure 15. Changes in the Primary Energy Consumption and Self-reliance Ratio according to the Ratio of Heat Source Facilities

AI 본문요약
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문제 정의

에너지성능지표 중 전기설비부문 8.BEMS(건물 에너지관리시스템) 또는 건축물에 상시 공급되는 에너 지원별 원격검침전자식계량기 설치 여부를 확인하게 된다. 우선 BEMS는 4개의 공통항목과 5개의 개별항 목에 대하여 확인하며, 원격검침전자식계량기는 4개의 공통항목과 2개의 개별항목으로 총 6개의 평가항목이 있으나, 일부 항목은 추가를 권장하므로 총 6~9개 항 목으로 구성되어 있으며, <Table 3>과 같다.
패 시브 기술은 계절 외기온도에 대한 변화가 건축물에 미치는 영향을 최소화하여 적은 에너지를 사용하면서 실내환경을 유지할 수 있게 하는 기술로 자연환기, 고 성능 창호, 외단열, 차양 등이 있으며, 액티브 기술은 사용되는 기자재의 에너지사용은 적으면서, 높은 성능을 나타내는 기술로 고효율보일러, 폐열회수환기장치, LED조명, BEMS 등이 있다. 다만 ECO2에서 적용할 수 있는 패시브 및 액티브기술이 한정적이며, 적용한 가능할 패시브 및 액티브 기술들이 어떠한 영향을 미 치는지 분석하고자 한다. ECO2에서 학교시설은 규모 의 차이를 보일 뿐 “교실(초, 중, 고)” 사용하는 프로필은 동일하기 때문에 중부지역 12,000㎡ 규모의 학교시설 1개교를 대상으로 분석하였다.
본 연구에서는 정부 정책의 일환으로 제로에너지인 증제 시행에 따라 신축학교(건축물에너지효율등급 의 무시행일 기준일 2014년 9월)를 대상으로 학교시설의 설계현황을 분석하고, 1개 샘플학교를 대상으로 요소 별 분석을 통해 제도 정착의 정보제공을 위한 신축학 교의 요소별 자립률을 분석하고자 한다.
본 연구에서는 학교시설 제로에너지인증제 의무 시 행에 따라 건축물에너지효율등급 인증대상을 988건을 분석 하였으며, 1개 학교시설을 선정하여 에너지요소 별 1차에너지소요량 및 자립률에 미치는 영향을 분석하였다.
국토교통부 녹색건축 정책 추진경과에 따르면 2008 년~2017까지 단열기준이 22~29%로 상승하였다. 이에 ECO2 프로그램에서 단열재 변화에 따른 1차에너 지소요량 변화를 보고자 한다.
이에 은 신축학교 1개교를 대상으로 태양광 용량에 따른 태양광효율의 변화를 나타낸 것이다.
전국의 학교시설을 학교급, 지역 등을 포함한 학교 기본 현황과 설계요소 및 건축물 에너지효율등급의 결과 분석을 중심으로 검토하였다.
<Figure 9>는 창호열관류율 변화에 따른 1차에너지 소요량을 분석한 그래프이다. 창호열관류율 1.5W/㎡ ㆍK를 기준으로 낮은 열관류율 값을 가지는 창호가 ECO2에서 어떻게 변화하는지를 살펴보았다. 창호열 관류율 1.

제안 방법

PV(거치형) 및 BIPV(밀착형)의 상관관계에서는 PV의 태양광이 BIPV보다 약 2배 자립률이 상향된 차이를 보였으며, 제로에너지인증을 위한 태양광 설계시 무엇 보다 PV를 선택하고 모듈효율 18% 이상을 계획한다. 면 가장 효율적일 것으로 판단된다.
그 세부사항으로는 Passive요소에서 단열재, 창호열 관류율, 창면적비, Active요소에서 조명밀도, 전열교 환기효율, 신재생요소에서 태양광 및 지열등을 분석하였으며, 그 결과를 정리하면 다음과 같다.
연구범위 및 방법으로는 건축물에너지효율등급 인증 을 받은 2014년부터 2020년까지의 학교시설 988건 을 현황조사하고, 샘플학교 1개를 선정하여, ECO2 프로그램을 이용해 건축, 기계, 전기, 신재생 등 ECO2 입력요소에 따른 1차에너지 소요량 및 자립률 변화를 분석하였다.
제로에너지건축물 인증을 위한 ECO2에 분석한 Passive, Active, 신재생 요소별 1차에너지소요량 및 자립률의 결과를 살펴보았다. 크게 Passive 요소는 미 비하나 1차에너지소요량의 감소하였으며, Active 요 소에서의 조명밀도는 1차에너지소요량 과 자립률에 영향을 보였다.
학교시설의 에너지절약 설계현황을 분석하기 위해 건축물 에너지효율등급 인증 결과를 분석하였다.

대상 데이터

다만 ECO2에서 적용할 수 있는 패시브 및 액티브기술이 한정적이며, 적용한 가능할 패시브 및 액티브 기술들이 어떠한 영향을 미 치는지 분석하고자 한다. ECO2에서 학교시설은 규모 의 차이를 보일 뿐 “교실(초, 중, 고)” 사용하는 프로필은 동일하기 때문에 중부지역 12,000㎡ 규모의 학교시설 1개교를 대상으로 분석하였다. 그 세부 내용은 <Table 6>과 같다.
분석대상 범위는 와 같이 건축물에너지효 율등급 인증 결과 988건 중에서 초등학교, 중학교, 고 등학교를 분류하여 분석하였다.

성능/효과

1) 조명밀도의 경우에는 전력사용량과 직접적인 관 계성으로 인하여 조명밀도가 1W/㎡씩 줄 때마다 약 0.5%의 자립률 상향을 보였다.
1) 학교시설 단열성능 및 창호열관류율은 제도적 기 반아래 우수한 수준을 보이나 1차에너지소요량 및 자 립률에 미치는 영향은 미비하였다. 창면적비 또한 마 찬가지였으며, 3가지 요소는 에너지절약요소로 중요하 나 제로에너지 인증을 획득하기 위한 과도한 단열재 증가 및 무리한 계획보다는 에너지비용 측면을 고려한 설계가 필요할 것으로 분석되었다.
2) ECO2에 적용한 Passive요소에서 1차에너지소요 량 감소효과는 적게 보였으며, 제로에너지인증을 판단 하는 자립률에는 영향을 보이진 않았다. Passive요소 는 자립률과 직접적인 관계는 없는 것으로 판단되며, Active 요소는 1차에너지사용량에 따른 절감된 일부 에너지사용량이 자립률에 반영된다는 것을 알 수 있었다.
2) 전열교환기 효율은 교실에 사용되는 환기유닛을 중심으로 최초 난방 70%, 냉방 45% 기준값에서 최대 난방 90%, 냉방 65%까지의 1차에너지소요량 및 자립 률을 살펴본 결과는 1차에너지소요량 2.56kWh/㎡·y, 자립률 0.24%로 아주 미비한 결과를 나타냈다.
2) 창호열관류율은 1.5W/㎡ㆍK~0.8W/㎡ㆍK까지 단계적으로 강화된 열관류율값을 적용하였으나, 1차에 너지소요량은 단열재와 비슷한 결과로 거의 변화가 없었다.
3) 제로에너지인증을 위한 태양광은 필수요소이며, 모듈 효율에 따라 자립률 또한 다양한 결과를 보였다.
3) 창면적비는 선정한 모델의 창면적비 22.7%에서 1%씩 줄여서 창면적비가 9.7%까지의 1차에지소요량 은 약 6.5kWh/㎡·y 줄어드는 것으로 나타났다.
4) ‘신에너지 및 재생에너지 개발 이용보급 촉진법 시행령’ 에 따라 공공건물의 신재생에너지 이용시설 의무설치 비율이 매년 증가추세를 보이고 있다. 이에 따른 신재생에너지 이용시설의 경우 이용확대를 위해 다방면의 연구가 진행되고 있으며, 의무비율에서 선택 적 적용은 가능하나 ECO2 프로그램에 적용반영 할 수 있는 신재생설비 극히 제한적이기 때문에 ECO2 프로 그램에 추가 반영될 신재생설비의 추가적 연구가 필요 할 것으로 판단된다,
2) ECO2에 적용한 Passive요소에서 1차에너지소요 량 감소효과는 적게 보였으며, 제로에너지인증을 판단 하는 자립률에는 영향을 보이진 않았다. Passive요소 는 자립률과 직접적인 관계는 없는 것으로 판단되며, Active 요소는 1차에너지사용량에 따른 절감된 일부 에너지사용량이 자립률에 반영된다는 것을 알 수 있었다.
<Figure 12>는 교실에 사용되는 전열교환기의 난방 및 냉방 효율에 따른 변화값을 나타낸 것이다. 고효율 기자재인증제품 기준 전열교환기의 효율은 난방 70%, 냉방 45%에서 최대 난방 90%, 냉방 65%까지 효율을 변경적용 해본 결과 1차에너지소요량 및 자립률에는 큰 변화가 없었다.
이에 <Figure 13>은 신축학교 1개교를 대상으로 태양광 용량에 따른 태양광효율의 변화를 나타낸 것이다. 그 결과를 보면 기본값(약 12%)을 적용하였을 때 자립률 14.25%에서 태양광효율 18% 적용 시 자립 률 23.08%로 약 62%의 자립률 상향을 보였다.
6%를 차지하는 것으로 나타나고 있어 상용건물과 아파트 다음으로 많은 에너 지를 사용하고 있다. 그리고 상용건물, 아파트, 학교, 백화점이 우리나라 건물에너지 사용량의 약 60%를 차 지하고 있는 것을 알 수 있다. 건축물 비중이(동수 기 준) 약 3% (통계청, 2017년 문교사회용 2.
<Figure 8>은 에너지절약설계기준[국토교통부고시 제2017-881호]의 중부2지역(서울) 법적기준 열관류율 값을 기준으로 단열재를 10mm씩 증가시켜 1차에너지 소요량의 변화를 분석한 것이다. 법적 기준일 때 1차에 너지소요량 140.2kWh/㎡·y에서 단열재를 100mm까 지 증가시켰을 때 1차에너지소요량 137.1kWh/㎡·y로 약 3.1kWh/㎡·y 정도 줄어드는 것으로 나타났다.
신재생의무비율 30%를 적용한다고 가정했을 때, 건축물 에너지효율등급 자립률 20%를 달성 가능 여부 는 ECO2 프로그램을 시뮬레이션 이후 가능하기 때문에 신재생설비 적용 여부는 건축물 에너지효율등급, 제로에너지건축물인증 두 가지 모두 중요한 요소로 작 용한다. 시뮬레이션 결과를 보면 PV, BIPV, 지열의 1 차에너지소요량 및 자립률 결과는 PV 효율값이 영향이 BIPV보다 높게 나타났으며, 지열은 기존 EHP(40%), GHP(60%) 보다 1차에너지소요량 및 자립률 변화가 높게 나타났다.
크게 Passive 요소는 미 비하나 1차에너지소요량의 감소하였으며, Active 요 소에서의 조명밀도는 1차에너지소요량 과 자립률에 영향을 보였다. 신재생설비는 1차에너지소요량 과 자립 률 변화에 가장 큰 영역을 차지하고 영향력도 높았다.
이를 대체할 지열 시스템을 비율로 적용하여 살펴보면 그 결과는 와 같고 최초 열원설비 비 율(EHP 40%, GHP 60%)에서 신재생설비 지열을 60%, 100% 일때 각각의 1차에너지소요량 및 자립률 변화를 나타낸 것이다.
이를 대체할 지열 시스템을 비율로 적용하여 살펴보면 그 결과는 <Figure 15>와 같고 최초 열원설비 비 율(EHP 40%, GHP 60%)에서 신재생설비 지열을 60%, 100% 일때 각각의 1차에너지소요량 및 자립률 변화를 나타낸 것이다. 전체 냉난방 설비 중에서 지열 60% 설치했을 때 1차에너지소요량이 11.1kWh/㎡·y 감소, 자립률 1.68%가 나왔으며, 100%일 때 60% 대 비 1차에너지 소요량이 23.6kWh/㎡·y 감소, 자립률 이 8.39% 상향을 보였다.
5% 상승을 보였다. 조명밀도는 1차 에너지소요량 및 자립률에 영향을 미치는 것으로 나타났다.
조명밀도는 1차에너지소요량을 결정하는 중요한 인 자로 조명밀도 감소를 위한 고효율조명기기 및 간접조 명을 이용한 광선반 등 다양한 기술들이 있으며, 조명 밀도 감소에 따른 결과는 1W/㎡ 감소할 때마다 과 같이 평균 약 5kWh/㎡·y 씩 줄었으 며, 자립률은 약 0.5% 상승을 보였다.
1) 학교시설 단열성능 및 창호열관류율은 제도적 기 반아래 우수한 수준을 보이나 1차에너지소요량 및 자 립률에 미치는 영향은 미비하였다. 창면적비 또한 마 찬가지였으며, 3가지 요소는 에너지절약요소로 중요하 나 제로에너지 인증을 획득하기 위한 과도한 단열재 증가 및 무리한 계획보다는 에너지비용 측면을 고려한 설계가 필요할 것으로 분석되었다.
제로에너지건축물 인증을 위한 ECO2에 분석한 Passive, Active, 신재생 요소별 1차에너지소요량 및 자립률의 결과를 살펴보았다. 크게 Passive 요소는 미 비하나 1차에너지소요량의 감소하였으며, Active 요 소에서의 조명밀도는 1차에너지소요량 과 자립률에 영향을 보였다. 신재생설비는 1차에너지소요량 과 자립 률 변화에 가장 큰 영역을 차지하고 영향력도 높았다.
학교급별로 구분하여 전기사용량을 살펴보면 , 초, 중, 고등학교가 동일하게 2014년까 지 증가하다가 2015년에 잠시 감소한 뒤 다시 증가하고 있는 것으로 나타났다.

후속연구

4) ‘신에너지 및 재생에너지 개발 이용보급 촉진법 시행령’ 에 따라 공공건물의 신재생에너지 이용시설 의무설치 비율이 매년 증가추세를 보이고 있다. 이에 따른 신재생에너지 이용시설의 경우 이용확대를 위해 다방면의 연구가 진행되고 있으며, 의무비율에서 선택 적 적용은 가능하나 ECO2 프로그램에 적용반영 할 수 있는 신재생설비 극히 제한적이기 때문에 ECO2 프로 그램에 추가 반영될 신재생설비의 추가적 연구가 필요 할 것으로 판단된다,
학교에서 유지관리 측면에서는 중앙식 보일러가 높은 열효율과 관리의 용이성이 있으나, 비용이 비싸고, 시공 후 증설에 따른 배관 변경 공사가 어렵고 배관에 의한 열 손실이 큼으로 학교시설의 배치 및 기능에 따라 중앙식 보일러와 개별식 보일러의 효율적인 배치가 필요할 것으로 보인다.

참고문헌 (8)

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박재완 외 3인(2010), 고등학교의 Zero Energy School 구현을 위한 기술 요소별 에너지 시뮬레이션 평가에 관한 연구, 한국태양에너지학회, 2010(11), 260-265.
윤종호 외 4인(201), 전국 고등학교 시설의 에너지 사용실태 분석 연구, 한국태양에너지학회, 30(4), 55-62.
윤종호 외 4인(2010), 전국 중학교 시설의 에너지 사용실태 분석 연구, 한국생태환경건축학회, 10(4), 45-50.
김효중 외 4인(2010), 전국 초등학교 교육시설의 단위면적당 에너지 사용실태 분석 연구, 한국태양에너지학회, 2010(4), 55-60.
윤종호 외 4인(2009), 제로에너지 스쿨을 위한 초등 교육시설의 에너지 성능평가, 한국태양에너지학회, 121-126.
김강식 외 3인(2011), 고등학교 시설의 에너지 소비량특성에 관한 사례분석, 한국태양에너지학회, 31(5), 99-104.
조진일 외 4인(2009), 제로에너지.생태학교 모형 개발연구(II), 한국교육개발원 보고서, 174.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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