소규모 학교시설의 열원설비시스템에 따른 제로에너지건축물인증 획득에 관한 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In Korea, various systems are implemented to reduce greenhouse gas emissions and increase green buildings based on the 2013 Framework Act on Low Carbon, Green Growth. The “Energy Saving Design Standards for Buildings” suggests minimum legal standards for preventing heat loss in buildings. Periodically strengthening these standards to save energy for buildings, it is now required to have insulation of buildings corresponding to the Passive-house level. In addition to these basic insulation performance standards, the “Building Energy Efficiency Rating” certification has been implemented since 2001 for residential use. This is a system that can totally evaluate the building energy performance unlike the evaluation method of each item in the “Energy Saving Design Standards for Buildings” and has been a representative standard for judging the energy performance of new buildings in Korea. From 2020, the zero energy building certification system is mandatory to raise the energy performance level of buildings to zero energy based on the “Energy Efficiency Rating Certification for Buildings and the Rules for Zero Energy Building Certification”. The main focus of the zero energy building certification system is the energy self-sufficiency rate, which is evaluated using the ECO2 program used in the building energy efficiency rating certification system.
Therefore, a case model according to the current school facility design status was selected, focusing on elementary, middle, and high school facilities that are subject to zero energy building certification, and deriving types according to the currently applied heat source systems. It was confirmed how much energy self-sufficiency rate is for each type. In addition, for the types that do not meet the conditions for obtaining certification, a method for meeting the criteria was proposed.
Small-scale school facilities of 1,000㎡ to less than 3,000㎡, which have achieved zero energy building certification, were largely divided into the gym and lunch room and main building for classrooms which are separately extension, and two case models were selected. Accordingly, the results of the energy independence rate and primary energy requirements of each type were analyzed by applying the cooling and heating systems, hot water supply systems, and new and renewable systems mainly used in school facilities.
In both the gym and the lunch room and the main building for classrooms, the type applied with gas was more advantageous to obtain zero energy certification than the combination of electricity and gas for cooling and heating source. In the case of the gym and the lunch room, the energy requirement is higher than the main building for classrooms. In order to meet the minimum standards for zero energy certification, additional consideration was needed for solar installation in addition to the effective area of ​​the roof. When applying a fuel cell with solar panel, the installation area of ​​solar panel compared to other types was reduced, so it was possible to obtain zero energy certification without considering additional area.
In the case of the hot water supply system, the gym and lunch room were found to be advantageous in the order of individual gas heat source, central gas heat source, and individual electric and gas heat sources. In the case of the main building for classroom, it was found that it is advantageous to obtain certification in the order of individual electric heat source, central gas heat source, and central electric heat source.
This study is a result of considering solar power with the goal of acquiring the minimum standard for zero-energy building certification, and it is considered that a detailed study according to various design factors in each field will be needed in the future.

국문 초록 (Abstract)

국내에서는 2013년 「저탄소 녹색성장 기본법」을 기반으로 건물 부문의 온실가스 배출량 감축 및 녹색건축물 확대를 위해 다양한 제도를 시행하고 있다. “건축물의 에너지 절약설계기준”에서 건축물의 열손실 방지를 위한 최소한의 법적기준을 제시하고 있으며 건축물 에너지 절약을 위해 그 기준을 주기적으로 강화시켜 현재는 패시브수준의 단열기준을 요구하고 있다. 이러한 기본적인 단열성능 기준과 함께 2001년 주거용을 시작으로 “건축물 에너지효율등급”인증제도가 시행중이다. 이는 “건축물의 에너지 절약설계기준”의 항목별 평가방법과 달리 건물에너지성능을 총량적으로 평가할 수 있는 제도이며 국내 신축 건축물의 에너지성능을 판단하는 대표적인 기준이 되어왔다. 2020년부터는 “건축물 에너지효율등급 인증 및 제로에너지건축물 인증에 관한 규칙”을 근거로 하여 건축물의 에너지 성능 수준을 제로에너지로 끌어올리기 위한 제로에너지건축물 인증제도가 의무 시행되고 있다. 제로에너지건축물 인증제도의 주안점은 에너지자립률 부문이며, 이는 건축물 에너지효율등급 인증제도에서 사용하고 있는 ECO2 프로그램을 활용하여 평가되고 있다.
이에 제로에너지건축물 인증 의무 대상인 초등학교, 중학교, 고등학교 시설을 중점으로 현재 학교시설 설계현황에 따른 사례모델을 선정하고, 현재 일반적으로 적용되고 있는 열원설비계통에 따라 유형을 도출하여 각 타입별 에너지자립률 수준을 확인하였다. 더불어 인증 획득 조건에 미치지 못하는 타입의 경우 기준 충족을 위한 방안을 제시하였다.
제로에너지건축물 인증을 획득한 1천㎡이상 3천㎡ 미만의 소규모 학교시설은 크게 체육관 및 급식실 별동 증축 건과 교사동 별동 증축 건으로 나뉘었으며 이에 2가지 사례모델을 각각 선정하였다. 이에 적용되는 설비시스템의 경우 학교시설에서 주로 적용하고 있는 냉방 및 난방 시스템, 급탕시스템, 신재생시스템을 적용하여 각 타입별 에너지자립률 및 1차에너지소요량의 결과를 분석하였다.
체육관 및 급식실과 교사동 모두 냉난방 열원은 전기 및 가스 조합인 유형보다 가스를 적용한 유형이 제로에너지인증 획득에 유리하였으며, 체육관 및 급식실의 경우 교사동에 비해 에너지요구량이 높아 제로에너지인증 최소 기준을 만족하기 위해 지붕의 유효면적 외 태양광 설치에 대한 추가적인 고려가 필요하였다. 태양광과 함께 연료전지를 적용하는 경우 타 유형대비 태양광 설치면적이 감소하여 추가 면적 고려 없이 제로에너지인증 획득이 가능하였다. 급탕설비시스템의 경우 체육관 및 급식실은 개별식 가스열원, 중앙식 가스열원, 개별식 전기 및 가스열원 순으로 유리한 것으로 나타났으며, 교사동의 경우 개별식 전기열원, 중앙식 가스열원, 중앙식 전기열원 순으로 인증 획득에 유리한 것으로 확인되었다.
본 연구는 제로에너지건축물 인증을 위한 최소기준 획득을 목표로 태양광을 중점으로 고려하여 도출한 결과이며 향후 각 분야별 다양한 설계요소에 따른 구체적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.

목차 (Table of Contents)

• 국문초록
• 제1장 서론 1
• 제1절 연구의 배경 및 목적 1
• 제2절 연구의 범위 및 방법 3
• 제3절 선행연구 고찰 5
• 제2장 예비적 고찰 7
• 제1절 건축물 에너지효율등급 인증제도 7
• 제2절 제로에너지건축물 인증제도 13
• 제3절 학교시설 에너지 현황 및 특성 20
• 1. 학교시설 에너지 사용 및 건축 현황 20
• 2. 학교시설 설계 특성 23
• 제3장 설비시스템 유형화 및 사례건축물 선정 27
• 제1절 인증 현황 분석 27
• 1. 제로에너지건축물 인증 현황 27
• 2. 건축물 에너지효율등급 인증 현황 31
• 제2절 사례건축물 선정 및 분석 조건 유형화 41
• 1. 현황분석에 따른 사례건축물 선정 41
• 2. 현황분석에 따른 설비시스템 유형화 47
• 제4장 설비시스템 유형별 제로에너지인증 분석 50
• 제1절 단위면적당 1차에너지소요량 및 에너지자립률 평가 50
• 1. 체육관 및 급식실 유형 (M1) 50
• 2. 교사동 유형 (M2) 60
• 제2절 제로에너지건축물 인증 획득을 위한 개선방안 분석 70
• 1. 체육관 및 급식실 유형 (M1) 70
• 2. 교사동 유형 (M2) 75
• 제5장 결론 79
• 참고문헌 81
• ABSTRACT 83