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에너지를 자급자족하는 건물, 제로에너지 빌딩  

오늘은 우리가 지금 있는 곳이자 사는 곳, 일하는 곳, 쉬는 곳인 건물에 대해 이야기 해볼까 합니다. 우리는 하루의 대부분을 건물 안에서 보냅니다. 적절한 실내온도가 유지되고 있으며, 편리한 각종 전자제품에 둘러쌓여 있어 모든 것을 할 수 있는 공간이죠. 

그런만큼, 전세계의 최종 에너지 소비의 약 36%는 건물부문에서 발생하고 있습니다. 건물의 냉방과 난방, 건물 내에서 사용하는 각종 전자제품 등이 수요의 많은 비중을 차지하는데요. 대부분 사용되는 에너지 생산을 화석연료에 의존하고 있기 때문에, 건물에서 직, 간접적으로 배출하는 CO2의 양도 전체 배출량의 15%에 달합니다.  

이 수치는 당장 줄어들기 어려워 보입니다. 우선 지속적으로 건물 면적이 확대되고 있고 이를 통한 에너지 수요 또한 증가하고 있습니다. 뿐만 아니라, 개발도상국의 에너지 접근성 향상, 기후변화 및 폭염으로 인한 전세계 냉방 수요 확대, 에너지 소비 가전 제품의 사용 증가 추세도 무시할 수 없습니다. 

때문에 건물에서 사용되는 에너지를 줄이고, 건물 자체적으로 에너지를 보다 효율적으로 관리하며 나아가 에너지를 자급자족하는 ‘제로에너지 건축’의 필요성이 점차 커지고 있습니다.   

사용에너지 – 생산에너지 = 0, 제로에너지 건축

‘제로에너지 건축’이란 사전적으로 건물의 사용 에너지와 생산 에너지의 합이 최종적으로 0(Net Zero)가 되는 건축물을 의미합니다. 건물에 필요한 에너지 사용을 최소화하고, 신재생 에너지를 활용해 건물에서 사용되는 에너지를 자급자족하는 것이죠. 다만, 현재의 기술 수준과 경제성을 고려해 정책적으로는 에너지 부하를 줄이는 건축물을 의미합니다.

출처: 국토교통부

제로에너지 건축물은 패시브(Passive) 방식과 액티브(Active) 방식을 함께 활용하게 됩니다. 패시브 방식이란 건물의 에너지 손실을 최소화 하는 것으로, 벽과 창문 등의 기밀성능 및 단열을 강화해 실내온도를 일정하게 유지하고 자연 채광 등을 활용해 에너지 사용량을 줄입니다. 

액티브 방식이란 건물에너지관리시스템(BEMS: Building Energy Management System) 등 시스템을 이용해 실시간으로 난방, 급탕, 조명, 환기 등의 에너지 사용량을 모니터링하고 최적화해 에너지 효율을 높이는 방식입니다. 여기에는 건물 자체적으로 태양광, 지열 등 신재생 에너지를 생산하고, 보관하며 사용하는 방식까지 포함합니다.

‘제로에너지 건축물’은 우리에게 낯선 개념은 아닙니다. 2010년도 초부터 국내에서도 소개되었으며, 2017년부터는 세계 최초로 제로에너지건축물 국가인증제를 도입, 인증 의무화를 추진하는 중입니다. 2020년부터는 새로 지어지는 1000㎡ 이상의 공공청사는 제로에너지 건축방식으로 지어야 하며, 민간에서도 제로에너지 건축물 도입을 추진하고 있습니다. 

제로에너지 건축물 로드맵, 출처: 제로에너지

서울시는 지난 7월에 발표한 ‘제 2차 서울특별시 녹색건축물 조성계획(2022~2026)’에서 민간건축물에도 제로에너지 건축물 의무화를 시행하겠다고 밝혔습니다. 주거 1,000세대 이상, 비주거 연면적 10만㎡의 대규모 건축물은 2023년부터 해당됩니다. 국토부에서도 ‘건축물의 에너지 성능개선 기준 개정안’을 통해 에너지 효율적인 녹색건축물 전환 확대 및 온실가스 감축을 기대하고 있습니다. 

전세계의 넷제로 빌딩들 

ⓒUnisphere

유니스피어(The Unisphere)는 메릴랜드주에 실버스프링스에 위치한 미국 최대 규모의 상업용 제로에너지 빌딩입니다. 총 3,000여개의 태양광 패널을 통해 연간 1MW 이상의 전력이 생산되는데, 이는 건물의 연간 전기 사용량을 능가하는 규모로 잉여 전기는 판매합니다. 또, 500피트(152.4m) 지하까지 연결된 52개의 지열정은 냉난방 시스템 효율을 25~50% 개선시킬 뿐 아니라 냉수와 온수도 공급합니다. 

ⓒUnisphere

창은 조명 대신 자연광을 이용할 수 있도록 설계되었으며, 열에너지를 반사하는 특수 소재를 이용해 25%이상 냉난방 효율을 개선했습니다. 또, 외부온도를 감지해 자연환기가 이뤄질 수 있는 시스템을 가지고 있어 에너지 손실은 최소화하고 쾌적한 실내 공기를 유지합니다. 건물 전체에 적용된 자동화시스템(BAS)을 통해 전체 건물의 조명 제어, 전력 모니터링 등을 수행해 실시간으로 에너지 사용 효율성을 모니터링합니다. 

ⓒJoyce Center for Partnership and Innovation

파트너십 및 혁신을 위한 조이스센터(Joyce Center for Partnership and Innovation)는 캐나다에서 가장 큰 규모의 넷제로 빌딩으로, 6,000평방피트(29,260.8㎡)의 에너지 자급자족형 건물입니다. 총 1,980개의 태양광 패널이 설치된 이 건물은 연간 730,000kWh의 에너지를 생산해 건물의 에너지 수요를 충족하며, 28개의 지열정으로 냉, 난방 효율성을 개선했습니다. 건물 자체로 높은 기밀성과 단열성을 갖추고 있어 열손실을 최소화해 냉난방에 사용되는 에너지 사용을 줄였습니다. 또, 옥상에는 태양열을 반사하는 정원을 갖추고 있습니다. 

건물 내에 설치된 빗물 저수 시스템은 228,000L의 빗물을 저장할 수 있습니다. 빗물은 폐수 배관 및 조경 시스템 등에 사용되어 깨끗한 물 사용량을 줄이는데 도움을 줍니다.  

국내 제로에너지 건축물 현황 

현재 국내에서는 290개의 건물이 제로에너지 건물로 인증받았습니다. 예비인증을 진행 중인 건물까지 따져보면 총 2,468건이 됩니다(2022년 9월 2일 기준). 다만, 인증 등급이 대부분 최저 수준인 4등급과 5등급으로 높지 않습니다. 아직 초기 단계로 앞으로 갈 길이 녹록지는 않습니다.

제로 에너지 빌딩 보급에 가장 큰 걸림돌은 비용입니다. 에너지 손실을 최소화 하기 위한 창이나 차양, 이중창 등 고기밀, 고단열의 제품을 사용해야 하고, 신재생 에너지 생산을 위한 태양광 패널, 지열 시스템 도입, 그리고 건물 전체의 에너지의 효율적 관리를 위한 BEMS 시스템 도입에도 적지 않은 비용이 소요됩니다. 이를 극복하기 위해서는 자재 및 설비의 표준화를 통해 보다 경제적으로, 쉽게 제로 에너지 건축물을 지을 수 있도록 하는 것이 필요합니다. 그 예로, 고기밀, 외단열을 충족하는 IDW와 같은 건축 자재를 사용하는 것도 도움이 됩니다.

넷제로 목표 달성을 위해서는 화석 연료로 생산한 에너지 사용을 최소화하고, 탄소 배출을 줄여야 합니다.  제로에너지 건축은 이제 선택이 아닌 필수입니다.