지표 상향을 통한 에너지 소비 효율 등급 기준 개선에 관한 연구

박성우 동국대학교 일반대학원 2024 국내박사

국가적정 감축행동 측정·보고·검증(NAMA MRV)에 대한 에너지소비효율등급제도 적용성 연구

유기호 동국대학교 2014 국내석사

우리나라는 온실가스를 줄이기 위해 산업부문과 비산업부분에서 다양한 제도 마련과 실천 노력을 하고 있다. 이러한 제도들중에서 비산업부분중 생활 부문과 밀접한 관련성이 있는 가전기기 분야에 있어 에너지이용 효율 향상의 제도 분석을 통한 기후변화 대응 관계에 대해 연구하고자 한다. 먼저, 국내외 여러 관련 제도들을 간략히 살펴보고, 연구 범위를 국내 에너지소비효율등급제도 제품을 대상으로 하였다. 이중 주요 제품에 대해 에너지절감 효과를 산정하고 이를 통해 온실가스 감축량으로 환산하여 제품별 에너지 절감량을 분석하고 이를 NAMA의 MRV 방법론 구축을 통한 향후 국내 에너지정책과 연계한 활용방안에 대해 간략히 논의하고자 한다. International Community have been discussing new mechanisms which participate in developed and developing countries for Climate Change since Post Kyoto Protocol. NAMA(Nationally Appropriate Mitigation Actions) is new market mechanisms which to overcome the problems and Limitations in the 16th Conference of the Parties as the developing countrie's role is increasing in the activities of Climate Change. This study presents a new approach for a nationally appropriate mitigation actions (NAMA) framework that can solve the huge potential for greenhouse gas mitigation in dispersed energy end-use sectors in developing countries; especially, Energy efficiency rating label. The new NAMA framework described in this paper is designed to fulfill Measurement, Reporting, Verification (MRV) discussing as any national guideline. The Energy efficiency sector is used as an example to demonstrate how NAMA measures can be registered and implemented. This is an essential step to achieve the global climate change mitigation target and support sustainable development in developing countries. This study demonstrate that Energy efficiency rating label shows how to properly evaluate NAMA MRV.

Evaluation, prediction and improvement on the performance of green building policies using an energy benchmarking process

정재욱 Graduate School, Yonsei University 2016 국내박사

Most developed countries have struggled to reduce greenhouse gas (GHG) emissions and energy consumption which can occur the climate change, their efforts have been stimulated through the enactment of the United Nations Framework Convention on Climate Change in Rio de Janeiro, Brazil, in 1992, the Kyoto protocol in Japan in 1997 which regulated the obligatory GHG emissions from the developed countries and it have been continued to the Paris agreement in 2016. The building sector accounts for about 40% of the global primary energy consumption. Many developed countries, including South Korea have established their own policies to improve the energy performance of building and to facilitate the green buildings. However, South Korea ranked 57th of 61 countries as very poor level in the results of 2016 climate change performance index in terms of the performance level for managing the climate changes. And Green Standard for Energy and Environmental Design (G-SEED), Building Energy Efficiency Rating (BEER) and Building Energy Consumption Certification (BECC) as representative green building policies have been implemented to reduce the energy consumption and GHG emissions, however, the validations for the buildings certified by these green building policies in terms of the energy performance have not been conducted with scientific methodologies. In this regard, this thesis aims to develop the integrated energy benchmarking process for the existing multi-family housing complexes (MFHCs) through the various data-mining techniques. After then, three kinds of applications for evaluating the energy performance of GB certification, predicting the cost savings potentials of BEER, and improving the problems of the BECC are conducted based on the developed energy benchmarking process and additional methodologies. The research procedure for the energy benchmarking process and the three applications are provided by four phases, as follows: • Energy Benchmark. The title is “Development of an Energy Benchmarking Process using various data-mining techniques for a Multi-Family Housing Complex”. The developed energy benchmarking process has the following procedure: (i) establishment of database from various data sources; (ii) development of energy benchmarks through the energy benchmarking process; and (iii) comparative analysis using the operational rating system to validate the developed benchmarks. • Application 1: Evaluation. The title is “Evaluation the Energy Performance of Certified Green Buildings focused on G-SEED and LEED”. The proposed evaluation method has the following procedure: (i) the review of the energy performance rating system in G-SEED and LEED; (ii) establishment of database of GB-certified and non-certified MFHCs; (iii) groups development for comparison through the energy benchmarking process, and verification of the developed groups; and (iv) comparative analysis of GB-certified and non-certified MFHCs • Application 2: Prediction. The title is “Development of a Prediction Model for the Cost saving potentials of Energy Performance Certificates focused on Building Energy Efficiency Rating”. The developed prediction model has following procedure: (i) review of the BEER system as EPCs in South Korea; (ii) establishment of a database; (iii) development of groups for comparison; (iv) energy performance evaluation of BEER; (v) establishment of the prediction model framework; (vi) LCC analysis for energy cost savings; (vii) LCC and ROV for CO2 emission reductions; and (viii) prediction of the cost saving potentials for BEER system • Application 3: Improvement. The title is “Improvements of an Operational Rating System for an existing Multi-Family Housing Complex focused on Building Energy Consumption Certification”. The proposed improvements have following procedure: (i) the potential problem analysis of BECC as the operational rating; (ii) the hypotheses testing for the classification problems; (iii) alternatives analysis for improving the grading system; (iv) comparative analysis of the operational rating between the current BECC and the improved BECC using the energy benchmarking process and the modified grading process. The energy benchmarking process and the three applications were tested using a database, including hundreds of MFHCs using district heating. A total of 504 MFHCs were tested in Energy Benchmark and Application 3: Improvement. Application 1: Evaluation and Application 2: Prediction was analyzed using the data of 455 MFHCs and 437 MFHCs, respectively. The result and their contributions are as follows: • Energy Benchmark. The database was classified into three groups based on average enclosed area per household (AEA) and the energy benchmarks of site energy use intensity (EUI), source EUI and CO2 emission intensity were provided for three groups. All benchmarks of small-AEA group were higher than other groups, and large-AEA group had the lowest benchmarks. The mean differences of benchmarks were significant for all groups, it was identified that the developed benchmarks worked well through the case study using 504 MFHCs. It was shown in this research that the buildings belonged to same category can be subdivided to conduct a fair and reasonable evaluation considering the attributes which affect the energy performance of buildings. And AEA is derived as a critical criteria of classification among various attributes of MFHCs. Eventually, the residents can understand the accurate energy performance of their MFHCs through the energy benchmarking process. And the energy benchmarking process can be applied to the future research for evaluating the energy efficiency of other buildings, in other regions. • Application 1: Evaluation. Based on the comparison of all MFHCs using 321 non-certified, 126 G-SEED and 8 LEED MFHCs, the G-SEED and LEED MFHCs could be considered to have up to 10 and 15% energy savings, respectively. However, the evaluation by the developed Groups 1, 2, 3, and 4, classified by AEA, revealed that the G-SEED MFHCs and the non-certified MFHCs had no significant differences in energy performance in all groups. The LEED MFHCs which had “Certified” grade also didn’t show the statistical significance in energy savings. This research provides the way of fair evaluation the energy performance of GB certifications like G-SEED and LEED. And it was identified that the rating system of G-SEED for MFHCs need to revise in the direction of improving the energy performance for keeping a role as official Green Building certification in South Korea. • Application 2: Prediction. BEER first-grade MFHCs showed a significant energy savings as up to 11 and 13% in the developed evaluation process. The data of 321 non-certified MFHCs were applied to the prediction model for predicting the cost saving potentials of BEER. The average cost saving potentials of BEER first-grade MFHCs for Groups 1, 2, and 3, classified by the energy benchmarking process, were predicted 3.77%, 2.78%, and 2.87% of expected construction cost, respectively. This research provides a model for predicting the cost saving potentials of BEER to help a decision-making of developers (or architects, engineers) in the design phase. The cost saving potentials can be utilized as an upper limit of additional costs for applying energy saving techniques relevant to BEER-certification in the design phase. In governmental aspects, it can be used to calculate the subsidy and to determine the duration of validity for green building policies. • Application 3: Improvement. A data of 504 MFHCs were applied to the existing BECC clauses, the potential problems with the classification criteria were identified that the current BECC might cause the irrational judgements, and grading system of BECC generated the problematic situation which over 94% of MFHCs ranked “C” and “D” grade as near an average. To solve the problems, the energy benchmarking process provided the reasonable classification criteria, and the modified grading process provided the way of finding the reasonable number of grades and its range using the cluster analysis This study provides the logical validations and the alternatives for the clauses of current BECC. It was identified that revision of BECC is required to minimize the problematic clauses related to the classification of clusters. In addition, the current grading system is also required to revise for providing effective grades and its ranges considering the distribution of actual energy consumption. The modified grading process is applicable to determine the proper number of grades and its ranges for other buildings. The energy benchmarking process and three applications can be useful to understand the current energy performance of green buildings, to select the Green Building certification and its objective level, and to propose the improvements of the existing policies. While, the scope of this research was limited to MFHCs using district heating due to efforts of data collection, the developed energy benchmarking process and the proposed model from three applications can be extend to the future research for analyzing the energy performance of other buildings, in other regions. 기후변화의 주된 원인인 온실가스의 배출 및 에너지 사용량을 저감시키기 위해 많은 선진국들이 노력하고 있으며, 이러한 노력은 1992년 리우 데 자네이로에서 발효된 유엔기후변화협약 (United Nations Framework Convention on Climate Change)과 1997년 선진국의 온실가스 감축 목표를 명시하는 교토 의정서(Kyoto protocol)로 가시화되었고, 가장 최근인 2015년 파리협약 (Paris agreement)까지 이어지고 있다. 전세계의 1차 에너지 소비량의 약 40%가 건물 부문에서 발생하고 있기 때문에, 한국을 포함한 많은 국가들이 건물의 에너지 성능을 향상시키고, 녹색건축물을 확대하기 위한 고유의 제도들을 수립하고 있다. 그러나, 한국의 경우 2016 기후변화성과지표 (climate change performance index) 분석결과, 평가대상 61개국 중 57위라는 최하위수준에 머무르고 있다. 또한, 건축물의 온실가스 배출 및 에너지 사용량 저감을 위해, 녹색건축인증 (G-SEED), 건축물에너지효율등급 (BEER), 건축물에너지소비증명제 (BECC)를 시행하고 있으나, 이러한 제도들의 에너지 성능 개선효과에 대한 과학적 검증은 제대로 이루이지지 않았다. 이러한 측면에서 본 연구는 한국의 건축물 유형 중 에너지소비량이 가장 큰 공동주택을 대상으로 데이터-마이닝 기법을 적용한 에너지 벤치마킹 프로세스를 개발하고자 한다. 그리고 에너지 벤치마킹 프로세스와 추가적인 연구 방법론을 통해 녹색건축인증의 효과를 평가하고, 건축물에너지효율등급의 비용절감효과를 예측하고, 에너지소비증명제의 문제를 개선하는 3가지 응용연구를 진행하고자 한다. 이를 위해 아래와 같은 4단계의 연구과정이 수행되었다. • 에너지벤치마크 (Energy Benchmark): 데이터-마이닝 기법을 이용한 공동주택 에너지벤치마킹 프로세스 개발. 에너지 벤치마크는 다음과 같은 과정에 따라 개발한다: (i) 다양한 데이터 소스를 통한 데이터베이스 구축; (ii) 에너지 벤치마킹 프로세스를 통한 에너지 벤치마크 개발; (iii) 개발된 벤치마크의 검증을 위해 operational rating 방식의 비교평가 실시. • 응용연구 1: 평가 (Application 1: Evaluation): 녹색건축 인증건물의 에너지성능 평가방법은 다음과 같은 과정에 따라 개발한다: (i) G-SEED와 LEED의 에너지성능평가 방법에 대한 리뷰; (ii) 녹색건축 인증단지와 미 인증단지에 대한 데이터베이스 구축; (iii) 에너지 벤치마킹 프로세스에 따른 비교그룹 생성 및 검증; (iv) 녹색건축 인증단지와 미 인증 단지 비교분석. • 응용연구 2: 예측 (Application 2: Prediction): 건축물에너지효율등급의 비용 절감 잠재력 예측모델은 다음과 같은 과정에 따라 개발한다; (i) 에너지성능인증제도로써 건축물에너지효율등급제도에 대한 리뷰; (ii) 데이터베이스 구축; (iii) 비교그룹 구축; (iv) 건축물에너지효율등급 인증 공동주택의 에너지성능평가; (v) 에너지 절감 잠재력 예측모델 체계 수립; (vi) 에너지비용절감 산출을 위한 생애주기비용 분석; (vii) CO2 배출 저감효과 산출을 위한 생애주기비용 분석 및 실물옵션평가; (viii) 건축물에너지효율등급 제도의 비용절감 잠재력 예측 • 응용연구 3: 개선 (Application 3: Improvement): 에너지소비증명제 개선을 위한 대안은 다음과 같은 과정에 따라 개발한다; (i) operational rating 측면에서 에너지소비증명제가 갖는 잠재적 문제점 분석; (ii) 평가집단 분류체계에 대한 가설검증; (iii) 평가등급체계 개선을 위한 대안 제시; (iv) 현행 에너지소비증명제와 에너지 벤치마킹 프로세스와 등급보정 프로세스를 통해 개선된 에너지소비증명제에 대한 비교평가 에너지 벤치마킹 프로세스의 개발과 3가지 응용연구를 위해 지역난방 공동주택 단지정보를 사용하였다. “에너지벤치마크” (Energy Benchmark)와 “응용연구 3: 개선” (Application 3: Improvement)에는 총 504개 단지의 정보를 적용하였고, “응용연구 1: 평가” (Application 1: Evaluation) 그리고 “응용연구 2: 예측” (Application 2: Prediction)은 각각 455개와 437개 단지의 정보를 통해 분석하였다. 이에 따른 결과와 기여내용은 다음과 같다. • 에너지벤치마크 (Energy Benchmark): 504개 단지의 데이터 베이스는 공동주택 단지별 평균 단위세대면적 (AEA)에 따라 세 그룹으로 나누어졌으며, 각 그룹별 단위면적당 최종에너지, 1차에너지, CO2 배출량에 대한 그룹별 벤치마크가 도출되었다. 모든 벤치마크 값은 평균 단위세대면적이 작은 그룹에서 크게 나타나고, 단위세대면적이 큰 그룹은 벤치마크가 작게 나타났다. 각 그룹의 벤치마크 값의 평균 차이는 통계적으로 유의하게 검정되었으며, 504개 단지에 대한 케이스 스터디를 통해 개발된 에너지벤치마크의 효과를 확인하였다. 동일한 공동주택이라도 공정한 평가를 위해서는 여러 속성을 고려한 평가그룹 분류가 필요함을 확인하였고, 여러 속성정보 중 단위세대면적이 분류기준으로 제시되었다. 거주자들은 에너지 벤치마킹 프로세스를 통해 자신의 공동주택에 대한 정확한 에너지 성능을 파악할 수 있으며, 개발된 에너지 벤치마킹 프로세스 모델은 다른 건축물 유형에 대한 에너지 성능평가에 적용될 수 있다. • 응용연구 1: 평가 (Application 1: Evaluation): 그룹 구분 없이 기존 방식에 따라 321개의 미 인증 단지, 126개의 G-SEED단지, 8개의 LEED 단지를 전체 비교 시, G-SEED와 LEED는 각각 10~15%까지 에너지 절감효과가 있는 것으로 나타났다. 그러나 개발된 에너지 벤치마킹 프로세스를 적용하여 단위세대면적에 따라 도출된 동등 조건의 그룹들간의 비교평가를 실시한 결과, G-SEED와 LEED 인증 공동주택은 미 인증 공동주택과 비교해서 유의한 수준의 에너지절감 효과가 없는 것으로 나타났다. 본 연구는 G-SEED와 LEED같은 녹색건축인증 건축물의 에너지성능에 대해 공정한 평가방법을 제시하였다. 그리고 G-SEED가 한국의 공식적 녹색건축인증의 역할을 유지하기 위해서는 평가기준을 에너지 성능을 향상시키는 방향으로 개정해야 함을 확인하였다. • 응용연구 2: 예측 (Application 2: Prediction): 앞서 개발된 에너지 성능 평가방법 적용 시, 건축물에너지효율 1등급 공동주택만이 11~13%의 유의한 에너지 절감효과를 나타내었다. 기존 321개 일반 공동주택 단지의 정보를 개발된 예측모델에 적용하여 건축물에너지효율등급 획득에 따른 투자 잠재력을 산출하였다. 미인증 공동주택에 건축물에너지효율1등급 적용 시, 에너지 벤치마크 프로세스에 따라 도출된 그룹 1,2,3는 생애주기 20년 기준으로 각각 3.77%, 2.8% 그리고 2.87%의 평균 투자잠재력을 갖는 것으로 예측되었다. 개발된 예측 모델은 설계단계에서 건축물에너지효율등급 인증여부에 따른 투자잠재력을 예측함으로써 투자자의 의사결정을 돕는다. 비용절감 잠재력은 공동주택 프로젝트의 설계단계에서 선택할 수 있는 다양한 에너지절약요소기술(ESTs)의 적용에 있어 비용 상한선으로 활용할 수 있다. 정부입장에서는 이를 녹색건축 인증관련 인센티브의 산출 혹은 녹색건축인증의 적절한 유효기간 산정에도 활용할 수 있다. • 응용연구 3: 개선 (Application 3 : Improvement): 504개 공동주택 단지에 대해 현행 에너지소비증명제 기준을 적용한 결과, 현행 제도의 분류기준이 갖는 문제들이 비합리적 평가결과를 야기할 수 있음이 확인되었으며, 현행 등급체계에서는 94% 이상의 공동주택이 평균에 가까운 평가등급인 “C”와 “D”를 받는 결과가 발생하였다. 이러한 측면에서, 공정한 평가기준을 수립하기 위한 에너지 벤치마킹 프로세스를 적용하였고, 군집분석을 통해 적정 평가등급의 개수와 그 범위을 통계적으로 산출할 수 있는 등급보정 프로세스를 새롭게 제안하였다. 본 연구는 현행 에너지소비증명제의 잠재적 문제점을 통계적으로 검증하고, 이에 대한 대안을 제시하였다. 이를 통해 에너지소비증명제 중 평가집단 분류와 관련된 조항은 수정될 필요가 있음을 확인하였다. 그리고 보다 변별력 있는 결과를 제공하기 위해서는 현행 평가등급체계를 수정할 필요가 있으며, 제안된 등급보정 프로세스는 적정한 평가등급의 개수와 그 범위를 결정하는데 사용될 수 있다. 에너지 벤치마킹 프로세스와 세가지 응용연구 결과는 현행 녹색건축물의 에너지 성능 수준을 평가하고, 신축 건축물에 있어 녹색건축인증 여부와 목표등급을 결정하고, 기존 녹색건축제도의 문제점에 대한 대안을 제시하는데 활용될 수 있다. 본 연구의 범위는 자료조사의 한계로 수도권의 지역난방 공동주택으로 제한되었지만, 개발된 에너지 벤치마킹 프로세스와 제안된 응용연구의 방법론은 향후 에너지 성능과 관련하여 다른 용도의 건물이나 지역에 대한 연구에 활용 가능하다.

공동주택 에너지 최적화를 위한 외피성능기준

임도요 연세대학교 대학원 2008 국내석사

본 연구에서는 공동주택의 에너지 성능을 최적화하기 위해 설계 시 평면의 방위와 주동형태에 따라서 달라지는 개방유형 등을 고려한 적정한 외피성능 기준을 제시하고 창호의 단열성능 강화 시 2010년부터 적용할 수 있는 1등급 수준의 외피성능을 제시하였다.해석대상은 2008~2010년 까지 분양중이거나 분양예정인 공동주택의 53개 단지, 평면377개를 선정하였으며 사례조사를 통해 외피성능에 영향을 미치는 S/V비와 평면의 방위변화, 장단변비의 범위를 도출하고 기존문헌을 참고하여 4가지 개방유형을 정하였다.사례조사 결과 공동주택의 주동 형태는 판상형 주동이 52%를 차지하고 탑상형 주동이 48%를 차지하는 것으로 나타났다. 평면을 개방유형에 따라서 분류한 결과, 판상형 주동에서 대부분 나타나는 양면개방이 58%, 직각개방이 29%, 삼면개방 9%, 단면개방이 4%로 나타났다. 평형별, 개방형별로 S/V비는 10~20으로 나타나 이를 시뮬레이션 해석 범위로 했다.에너지 저감 목표는 ‘건물에너지효율 등급제도’ 1등급 수준인 표준주택 대비 난방에너지 소비량 33.5% 저감을 기준으로 하였다. 표준주택의 외피 설계 기준은 외벽의 경우 열관류율이 0.47W/m2K, 외벽의 측벽은 0.35W/m2K 이며 유리의 열관류율은 3.4W/m2K이다. 이에 따른 난방에너지 소비량 35% 저감 시 외피성능에 영향을 미치는 S/V비, 평면의 방위, 개방유형과 장단변비에 따른 외피성능을 제시하였다.외피성능은 S/V ratio 10~20 범위 내에서 외벽은 0.47W/m2K에서 0.4W/m2K, 창은 3.4W/m2K에서 2.22~2.8W/m2K으로 향상됐다.방위에 따른 연간 단위면적당 에너지 사용량은 동향이 가장 크고 그 다음으로는 서향, 남향 순으로 나타났다. 이에 따른 외피성능은 에너지 사용량이 가장 큰 동향일 때 가장 크고 그 다음으로 서향, 남향 순으로 향상되었다.방위별로 개방유형에 따른 난방에너지 사용량이 동향이 6.77~7.5%, 서향이 36.3~38.7%, 남향이 37~46%로 각기 다르게 나타나므로 이를 고려하여 외피성능의 향상 기준을 제시하였다. 외피성능은 2.3~2.45W/m2K, 서향에서 2.35~2.6W/m2K, 남향에서는 2.48~2.8W/m2K의 범위를 보였다.개방유형의 연간 단위면적당 난방에너지 사용량은 동향에서는 양면이 47029.4 Kcal/m2, 삼면은 49407.3Kcal/m2, 직각개방은 51785.2Kcal/m2 으로 양면, 삼면, 직각개방 순으로 나타났다. 남향에서는 에서는 직각 29063.1Kcal/m2, 양면 37253.6Kcal/m2, 삼면개방 40952.5Kcal/m2이며, 서향에서는 직각34083.1Kcal/m2 , 양면 46236.7Kcal/m2, 삼면개방 47822.0Kcal/m2으로 동서향이 동일하게 직각, 양면, 삼면개방 순으로 나타났다. 이에 따라 외피 성능은 동향에서는 직각개방이 가장 크고 그 다음으로 삼면, 양면개방 순으로 향상되었고 서향과 남향에서는 삼면개방이 가장 크고 그 다음으로 양면, 직각개방 순으로 향상되었다.장단변비가 변할 때는 S/V ratio가 동일해도 개방유형에 따라서 에너지 사용량이 달라지고 외피성능에 영향을 미쳤다. 직각개방형일 때는 에너지 사용량의 변화가 크지 않았지만 양면개방형일 때는 장단변비가 커질 때 에너지 사용량이 6.2~12.2%까지 증가되어 외피성능에 영향을 미치는 것으로 나타났다.에너지성능을 최적화하기 위한 외피성능은 단열성능이 취약한 창의 면적과 성능에 따라 영향을 받으므로 설계 시 공동주택의 S/V비, 개방유형, 방위에 따라서 적정한 외피성능을 제시해야 한다. 2010년까지 창호단열성능 법적기준 강화되어 난방에너지 35%저감 시 외피성능은 1.5~1.7W/m2K의 범위를 만족해야한다.