1. 서 론

기후변화로 인한 이상기후 현상은 국제사회의 위기의식을 이끌어냈고, 이 기후위기 극복을 위해 UN(United Nations)은 1988년 세계기상기구 Intergovernmental Panel on Climate Change(IPCC)를 설립하였다. 이 IPCC는 2022년까지 6차에 달하는 기후변화 관련 평가보고서를 제출하였고, 이를 통해 전 지구적으로 2030년까지 CO₂ 배출량을 2010년 대비 45% 감축하고, 2050년까지는 탄소중립을 달성해야한다는 목표를 제시하였다(Oh, Song, & Kim, 2023). 이에 따라 대한민국 정부는 23년 ‘2030 국가 탄소중립 녹색 성장 기본계획안’을 발표하였고, 2030년까지 436.6 Mt(2018년 대비 40%)의 CO₂ 배출량 감축을 목표로 설정하였다(PCCNGG, 2023). 여기서 건물 분야의 감축량은 총 35 Mt이며 이는 2018년도의 52.1 Mt 대비 32.8% 감축된 값이다.

건물 분야의 탄소배출량 저감을 위해 신축 건물의 에너지관련 허가 기준은 수년에 한번씩 강화되어 온 반면(Lim, 2017), 기존 건물의 에너지효율화를 위한 방안은 명확하지 않은 상황이다(PCCNGG, 2023). 준공 후 10년 이상 된 기존 건축물들은 성능 저하로 인해 에너지 효율이 급격히 낮아지기 때문에 그린리모델링을 통한 기존 건물의 에너지 성능 향상이 탄소배출량 감축 목표 달성을 위해 필수적이라고 할 수 있다(Jeong, 2024).

신축 건물을 위해 적용되는 제로에너지건축물 설계 기술은 먼저 패시브 기술을 적용하여 에너지 요구량을 최소화하고, 이 최소화된 에너지요구량에 맞춰 고효율의 액티브 기술을 적용하며, 마지막으로 신재생에너지를 생산하여 에너지소요량을 최소화하는 것이 일반적이다(Jeong, 2023). 이런 신축 건물과는 달리 기존 건물을 그린리모델링하는 경우는 단열이나 창호의 교체와 같은 패시브 기술만 우선 적용하는 경우가 많은데 이는 이 패시브기술이 에너지요구량을 최소화하여 기존 공조관련 설비의 효율을 높여주는 효과를 보여주기도 하지만, 상대적으로 공사가 용이하면서 경제적이고, 적용 전 후 온열환경 개선으로 인한 거주자의 만족도가 높기 때문으로 분석된다(Lim, Han, & Kang, 2017). 특히 창호의 경우 신축시 외피의 평균 열관류율 최대값을 의무화한 법령에 의해 그 비율이 제한될 정도로 단열 성능이 낮은데다가 기존 건물은 신축에 비해 그 단열 성능의 차이가 더욱 커서 2000년 전후에 지어진 건물의 경우 벽체와의 단열성능 차이가 6배까지 벌어진다(MCT, 1992; MCT, 2001). 이에, 기존 건물의 경우도 액티브 기술이나 신재생에너지 기술이 반영되기 전에 필히 그 에너지 관련 성능을 향상시킬 필요가 있다. 기존 건물의 창호 그린리모델링 방법으로는 주로 기존 창호를 철거하고 고성능 창호를 재설치하는 방법을 많이 활용하나 이는 공사기간이 길고 철거비나 폐기물 처리 문제 등이 추가되어 기존 창호에 덧창을 설치하는 그린리모델링 이중외피 창호 기술이 개발된 상황이다. 이에, 본 그린리모델링 이중외피 창호 시스템의 정량적 성능 분석을 통해 그 에너지성능을 확인하고, 그 분석 값을 실제 업무시설을 대상으로 한 에너지 시뮬레이션에 적용하여 건물분야 탄소배출량 저감을 위한 기초자료로 활용하고자 한다.

2. 연구 진행

2.1. 분석 대상 건물

법제처에서 제공하는 건축물의 신축을 위한 연도별 단열기준 변화를 분석해보면, 2000년 이전에 적용된 법령에 부위별, 지역별로 단열재의 두께를 다르게 지정한 규정이 있으나 창의 경우 복층유리를 적용하면 허가에 문제가 없었다(MCT, 1992). 2001년부터는 유리와 프레임 결합된 창호의 열관류율을 허가 기준으로 적시하여 창호의 단열성능이 강화되었다(MCT, 2001). 이에, 본 연구의 분석 대상은 2000년 이전 준공되어 외피 성능이 낮지만 건축물의 물리적 내용연수를 50년으로 볼 때 (Kim et al., 2024) 최소 20~30년은 더 운영될 가능성이 높고, 지자체 등에 의해 탄소배출량이 우선적으로 관리될 공공기관으로 선정하였다(Figure 1). 분석 대상으로 선정된 건축물은 중부 2지역에 위치한 공공 업무시설이며 1994년에 건축허가를 득하고 1998년 준공되어 준공 후 약 26년이 경과한 상태이다. 본 건물의 현황관련 정보는 Table 1과 같다. 대상 건물의 준공 도면을 분석한 결과, 건축물의 에너지절약설계기준 별표1에 의한 ‘라’등급 단열재가 외벽과 최하층 바닥에는 50 mm, 지붕층에는 80 mm 설치된 것으로 확인되었다. 기존 창호는 금속제 프레임의 18 mm 복층유리창이었고 조명은 현재 모두 50 W LED로 교체된 상태였다.

Figure 1.

Base floor plan of the office building.

2.2. 그린리모델링 이중외피 창호시스템

그린리모델링 이중외피 창호시스템은 Figure 2와 같이 기존 창호 실내 측에 수평형 블라인드를 설치하고 그 블라인드 내측(사무공간 측) 에 별도의 내창을 설치하여 기존 창호와 함께 이중외피를 구성하는 시스템이다. 이 중간에 설치된 블라인드의 슬랫 각도를 조절하여 겨울에는 일사를 실내로 유입하고, 여름에는 차단하는 방법으로 태양열취득율(solar heat gain coefficient, SHGC)의 조절이 가능하다(Figure 3).

Figure 2.

Green Remodeling double-skin window system.

Figure 3.

Slat angle changes of the Green Remodeling double-skin window system.

준공 도면에 따르면, 분석 대상 건물의 창호는 18 mm 복층유리(6 mm 유리 + 6 mm 공기층 + 6 mm 유리)와 알루미늄 프레임으로 구성되어있고, 이는 열관류율 4.0 W/m²K 수준(건축물의 에너지절약설계기준에 별표4)이다. 현재 중부 2 지방 신축 비주거 건물 창호 단열 성능 기준이 열관류율 1.5 W/m²K 이하이므로(MOLIT, 2023) 이를 달성할 수 있는 최소 조건인 24 mm(6 mm 유리 + 12 mm 공기층 + 6 mm 로이유리) 로이복층유리창을 초기 시뮬레이션을 통해 선정하고 그린리모델링 이중외피 창호시스템의 내창으로 구성하였다.

2.3. 그린리모델링 이중외피 창호시스템의 열관류율과 SHGC

대상 건물을 위해 구성된 그린리모델링 이중외피 창호 시스템이 건물에너지소요량에 미치는 영향을 시뮬레이션 하기 위해서는 본 시스템의 열관류율과 SHGC 값을 산정할 필요가 있다. 이에 이 정량적 성능을 분석하기 위해 창호의 성능 분석에 일반적으로 활용되는 창호 성능 평가 툴 Lawrence Berkeley National Laboratory(LBNL)의 Window / Therm 7.8을 활용한 시뮬레이션을 실시하였다(Figure 4). Window / Therm은 NFRC(National Fenestration Rating Council Incorporated)의 시뮬레이션 기반 창호 성능 평가 도구이다.

Figure 4.

Therm modeling images of vertical section.

Therm 7.8은 창호 프레임의 단면에 대한 전열해석에 활용되었고, 이를 이용하여 프레임 단면의 열관류율 그리고 프레임과 유리의 연결부위인 Edge부에 대한 열관류율을 산출한다. Window 7.8은 복층유리 구조를 반영하여 창호의 시스템을 분석하는 툴로 열관류율과 SHGC를 산출하여 Therm 7.8의 입력데이터를 생성한다. 이와 함께 Therm 7.8에서 계산한 프레임 각 부분의 데이터를 조합하여 그린리모델링 이중외피 창호시스템의 성능을 평가할 수 있다(NFRC, 2014). 분석을 위한 환경조건은 KS F 2278(2017) 창 및 문의 단열성능 측정 방법을 따랐다.

그린리모델링 이중외피 창호시스템의 경우 중간 블라인드의 각도에 따라 열관류율이나 SHGC가 달라질 수 있기 때문에 Figure 3에서 묘사한 바와 같이 슬랫각도 90도와 0도 두 가지 모드로 시뮬레이션을 실시하였다. Table 2는 본 시뮬레이션 결과 산출된 열관류율과 SHGC이다. 블라인드 슬랫 각도에 따라 U-value도 약간 변화하는 결과를 보여주었는데 일사를 받아들이는 슬랫 각도 0°의 경우 슬랫 각도가 90°인 경우에 비해 단열성능이 약 6%정도 낮아지는 것으로 계산되었다.

2.4. 대상 건물의 연간 에너지소요량 시뮬레이션

이전 섹션에서 산정한 그린리모델링 이중외피 창호시스템의 블라인드의 슬랫각도에 따른 열관류율과 SHGC를 활용하여 연간에너지소요량 시뮬레이션을 진행하였다. 시뮬레이션 툴은 ECO2이며 Table 3은 시뮬레이션에 활용된 그린리모델링 전후 인풋데이터에 대한 정보이다. 본 인풋데이터에 대한 정보는 2.1 섹션의 대상 건물 정보 및 기존 문헌의 값을 참고하였다. Table 3에서 볼 수 있듯이, 본 연구의 범위는 그린리모델링 이중외피 창호시스템의 적용을 통한 탄소배출 저감량 산출이기 때문에, 벽체, 지붕, 바닥 등의 단열성능이나 열원시스템, 조명밀도 등의 인풋데이터는 고정된다. 그린리모델링 이중외피 창호시스템 적용 전후 침기량의 경우 시뮬레이션으로 확인하기 어려운 한계가 있어, 통계 기반 분석 결과를 활용하여 20ACH50(Bae, Ahn, Yun, & Kang, 2022)로 입력하였으며, 그린리모델링 후의 침기량은 기존 실험 결과(Cho and Cho, 2022)을 활용하여 5.7ACH50로 입력하였다. 대상 건물의 냉난방설비는 흡수식 냉동기가 적용되어 있었으나 현재 효율을 확인하기 어려운 문제가 있어 기존 문헌(Lee, Kim, Oh, Park, & Hwang, 2022) 에서 제시된 준공연도별 열원설비의 평균 COP를 활용하였다. 환기의 경우 별도의 전열교환기 등이 설치되지 않은 상태이므로 화장실 배기 팬만 계산에 반영되었다.

ECO2 프로그램은 월이나 계절을 구분하여 창호의 열관류율이나 SHGC를 입력하는 것이 가능하지 않다. 이에, 시뮬레이션을 두 번 실시하여 냉난방에너지소요량의 합계가 작은 값을 월별로 선택하여 합계하였다. 계산결과, 10월~4월까지는 슬랫의 각도가 0°인 쪽이, 5월~9월까지는 슬랫의 각도가 90°인 쪽이 월별 냉난방에너지소요량의 합계가 작았다. 이에 10~4월까지는 슬랫 각도를 0°로, 5월~9월까지는 슬랫 각도를 90°로 운전하는 상황을 가정하여 연간 냉난방에너지소요량을 산출하였다.

대상 건물의 그린리모델링 전 1차에너지소요량은 시뮬레이션 결과 197.6 kWh/m²a, 1차에너지소요량은 239 kWh/m²a 분석되었다. 여기서 난방에너지소요량의 비율이 63%로 매우 높았는데 이는 낮은 외피성능(열관류율, SHGC, 침기량)이 원인으로 분석된다(Table 4, Figure 5).

Figure 5.

Comparison of energy consumption before and after GR.

그린리모델링 이중외피 창호시스템을 적용한 후 난방 1차에너지소요량은 150.1 kWh/m²a에서 60.5 kWh/m²a으로 약 60% 낮아졌고, 냉방 1차에너지소요량은 35.0 kWh/m²a에서 6.5 kWh/m²a로 약 82%가 절감되었다. 총 1차에너지소요량의 절감 비율은 전체의 약 49%였다. 여기서, 난방 1차에너지소요량 절감량은 89.6 kWh/m²a로 냉방 1차에너지소요량 절감량 28.5 kWh/m²a의 약 3배에 달하지만, 냉방 1차에너지소요량 절감 비율은 82%로 난방 1차에너지소요량 절감 비율 60%에 비해 약 37% 높은 상황을 보여준다.

냉방 1차에너지소요량 절감 비율이 난방 1차에너지소요량 절감 비율에 비해 두드러지게 높아진 이유는 기존 건물에서 0.7이었던 SHGC가 그린리모델링 이중외피 창호시스템의 적용 후 0.31과 0.15로 전 계절에 걸쳐 낮아져 일사의 유입이 절반 이상 줄었기 때문으로 확인된다. 반대로 난방의 경우 낮은 SHGC로 일사획득량이 줄었기 때문에 이를 보완하기 위해 에너지가 추가로 소모되었을 것이고 이에 냉방에 비해 상대적으로 낮은 절감 비율을 보인 것으로 분석된다. 그럼에도 불구하고, 대상 건물의 경우 본 그린리모델링 이중외피 창호시스템의 적용만으로도 냉난방 1차에너지소요량 약 68%, ECO2로 계산된 총 1차에너지소요량의 약 50%를 절감할 수 있을 것으로 계산되었다.

3. 토 의

이전 섹션의 시뮬레이션 결과는 엘리베이터 가동이나 전열과 같은 기기관련 에너지소요량이 포함되지 않은 값으로 실제 현장에서의 에너지소요량 절감 비율과는 차이가 있다. 이에, 기존 연구(Kim, 2016) 에서 통계자료를 기반으로 분석한 공공기관 기기에너지 사용량 값인 51.7 kWh/m²를 시뮬레이션 결과에 합계하였다. 그 결과는 Figure 6, 7과 같다.

Figure 6.

Comparison of energy consumption before and after GR with plug energy.

Figure 7.

Comparison of CO₂ emissions before and after GR with plug energy.

기기에너지소요량을 반영한 1차에너지소요량 합계는 그린리모델링 이중외피 창호시스템 적용 전과 후가 각각 386.6 kWh/m²a과 283.4 kWh/m²a이며, 이산화탄소 배출량은 68.4와 46.7 kgCO₂m²였다(Figure 7). 본 이산화탄소 배출량은 ECO2에서 제공하는 에너지소요량 값에 IPCC 배출계수(LNG 0.202 kgCO₂/kWh)와 국내 에너지공급사에서 공시하는 배출계수(전력 0.465 kgCO₂/kWh)를 반영하여 산출하였다.

이 값은 기존 연구(Hwang, 2024)에서 조사한 업무시설 17년~19년 평균 배출량 60 kgCO₂m² 보다 약 14% 높은 값으로 대상 건물이 준공 후 약 26년이 지났음을 고려할 때 합리적인 결과로 보여진다. 즉, 본 그린리모델링 이중외피 창호시스템을 설치하는 것으로 본 대상 건물은 약 32%의 탄소배출량을 절감할 수 있을 것으로 보인다.

4. 결 론

본 연구를 통해 2000년 이전에 준공된 한 공공 업무시설의 그린리모델링 이중외피 창호시스템의 적용을 통한 탄소배출량 저감 효과가 분석되었고 그 결과는 다음과 같다.

1. 그린리모델링 이중외피 창호시스템의 적용을 통한 기존 건물의 탄소배출량 저감 효과 분석을 위해 블라인드의 슬랫각도별 열관류율과 SHGC를 시뮬레이션을 통해 분석하였다. 그 결과 슬랫각도가 0도인 경우 열관류율, SHGC 각각 1.37 W/m²K, 0.31, 슬랫각도가 90도인 경우 열관류율, SHGC 각각 1.29 W/m²K, 0.15임을 확인하였다.

2. 본 그린리모델링 이중외피 창호시스템을 적용했을 경우 연간 에너지소요량 절감 효과를 분석하기 위해 2000년 이전에 준공된 공공 업무시설을 대상 건물로 선정하고 ECO2를 활용해 시뮬레이션을 실시하였다. 그 결과, 난방 1차에너지소요량은 150.1 kWh/m²에서 60.5 kWh/m²으로 약 60% 낮아졌고, 냉방 1차에너지소요량은 35.0 kWh/m²에서 6.5 kWh/m²로 약 82%가 절감되었다. 총 1차에너지소요량 절감 비율은 약 49%였다.

3. 기존 업무시설에서의 실제 탄소배출량과의 비교를 위해 ECO2 상에서는 반영되지 않는 기기에너지 사용량를 통계에 근거하여 추가 반영하였고 그 결과, 17~19년 업무시설 표준 탄소배출량 보다 약 14% 높은 값으로 확인되어 기존 건물의 시뮬레이션 결과는 합리적인 수준으로 판단되었다. 대상 건물에 그린리모델링 창호시스템을 설치할 경우 약 32%의 탄소배출량이 절감될 것으로 예측되었다.

2030년까지 건물 분야에서 감축되어야할 탄소배출량은 약 32.8%이며, 이는 기존 건물의 그린리모델링 없이는 달성되기 어려운 값이다. 이에, 준공된 지 오래된 건물을 우선 순위로 다른 기술들에 비해 적용이 용이한 창호의 그린리모델링을 통해 신속히 탄소배출량을 절감하는 전략 구상이 필요한 시점으로 판단된다.

향후 창호 그린리모델링이 수행되지 못한 건축물의 통계데이터를 준공연도별로 수집하고, 이 건물들에 그린리모델링 이중외피 창호시스템을 설치하는 경우 탄소배출량 저감효과에 대한 연구를 실시할 계획이다. 이는 국가적으로 절감이 가능한 탄소배출량에 대한 추정을 가능하게 할 것이며, 기존 건물의 탄소배출량 저감 전략 구상을 위한 유용한 기초데이터가 될 것으로 예상한다.