탄소중립도시 조성을 위한 에너지 저감형 지구설계 모형 연구 = A study on the energy-saving district design model for the creation of a carbon neutral city

국문 초록 (Abstract)

18세기 산업혁명 이후 주 에너지원으로 도시에서 꾸준히 소비되어온 화석연료는 오늘날 온실가스 배출의 주원인으로 기후변화에 의한 도시환경 문제를 야기하고 인류가 감당해야 할 사회적·경제적 피해의 규모와 부담을 가중시키고 있다.
정부의 ‘녹색성장’ 선언을 통해 도시의 친환경적 지속가능성에 대한 사회적인 공감대가 형성된 이래로 최근에 발표된 ‘2050 탄소중립 선언’은 도시에서의 환경과 기후변화에 대해 꾸준한 실천적 대응이 필수불가결한 고려 사항임을 다시금 상기시켜 주었다. 정부는 온실가스 비중의 절대적 우위를 차지하는 탄소의 배출을 줄이기 위해 「2050 탄소중립 시나리오안」, ｢한국판 뉴딜 2.0｣ 등 탄소저감에 이어 탄소중립을 실현하기 위한 정책을 지속적으로 펼쳐오고 있다. ｢저탄소 녹색성장 기본법｣과 그 뒤를 잇는 ｢기후위기 대응을 위한 탄소중립·녹색성장 기본법｣의 제정은 이를 위한 법제적 장치로, 탄소중립 실현의 의무와 체계를 강화해 온 그간의 발자취는 온실가스 감축에 대한 정부의 강한 의지를 확인할 수 있는 대목이다.
국내 온실가스 인벤토리의 에너지 분야 중 건물을 포함하는 '기타' 부문에서의 온실가스 배출량은 간접배출량을 제외하더라도 네 번째로 높은 배출량을 차지하고 있다. 특히, 많은 인구와 건물이 밀집한 수도인 서울에서는 건물 부문이 전체 배출량의 70%에 가까운 비중을 보이고 있어 건축·도시 분야는 온실가스 저감에 대한 의무감으로부터 자유로울 수 없으며 다각적인 대책이 필요하다.
이에 정부는 건축 부문에서의 탄소의 배출을 줄이기 위해 에너지 효율을 높이고 에너지 소비를 줄이기 위한 인증제도와 설계기준를 시행하고 있다. 하지만 대부분의 기준은 기계나 설비를 활용한 액티브 요소에 초점이 맞추어져 있고, 패시브 요소는 단열성능이나 열관류율 기준만 제시되고 있을 뿐 건물의 배치나 도시공간의 조성에 관한 계획 및 설계는 불명확한 기준으로 권장함에 그치고 있다.
오늘날 열섬효과 저감이나 바람길 형성 등 도시환경의 쾌적성 제고를 위한 국지적 공간설계의 중요성이 높아지는 가운데 도시공간의 형태적 요인은 단순히 경관 개선의 목적을 넘어 도시환경 개선을 위한 요소로 주목받고 있다. 그러나 도시공간의 형태적 요인을 에너지 성능의 관점에서 다루는 시도는 부족하다. 비록 도시의 입체적 관리제도로 운영 중인 지구단위계획제도가 있으나 도시의 밀도 관리를 위한 토지이용의 합리화와 심미적인 경관구조 형성에 주안을 두고 있으며, 제도에서 제시하는 에너지 성능에 관한 기준은 액티브 요소나 단열 성능에 국한되어 있어 도시의 환경적 지속가능성을 위한 계획수단으로서 한계를 보인다. 또한, 지구단위계획은 특정 구역에만 수립되므로 도시적 맥락의 분리를 야기할 가능성이 있어 도시공간 전체를 관리하기 위한 수단으로서도 한계가 있다. 따라서 에너지 성능 관점에서 도시공간의 입체적인 관리와 에너지 저감을 위해 지구차원에서 도시 전역을 진단하고 관리하기 위한 새로운 개념의 계획수단이 필요하다.
이에 본 연구는 탄소중립도시를 조성하기 위해 도시의 형태적 맥락에서 건물의 에너지 소비의 환경적 여건을 진단하고, 건물과 도시의 계획·설계에 관한 패시브 디자인 전략을 도출하여 건물의 에너지 소비량을 감축할 수 있는 계획도구로서 에너지 저감형 지구설계 모형을 정립함을 목적으로 하였다. 이를 위해 먼저 도시형태의 개념에 관한 고찰을 선행하여 도시공간의 구성요소를 검토하여 건물, 블록, 가로공간으로 구분하였고, 건축물과 필지 단위의 데이터셋을 통해 도시공간 구성요소별 데이터를 구축하여 통합 데이터 모형을 정립하였다. 이후 정립한 데이터 모형에 기초하여 건물의 에너지 소비의 관점에서 유의미한 도시공간 구성요소를 기준으로 도시공간을 유형화하고, 도시공간 유형별로 건축물 에너지 소비에 영향을 미치는 건물 및 토지에 관한 요인을 도출하여 최종적으로 지구설계 모형을 구축하였다. 모형의 효과를 검증하기 위해 지구단위계획이 수립된 대상지를 선정하여 지구단위계획대로 개발하였을 때의 에너지 소비량과 본 연구에서 도출한 모형을 적용했을 때의 에너지 소비량 차이를 비교하였다.
분석 결과는 다음과 같다. 첫째, 도시공간 유형은 대상지의 개발 여부와 개발밀도를 통해 구분할 수 있었다. 둘째, 건물의 에너지 소비를 저감하기 위한 건물의 형태를 계획할 때 건물의 상이도와 규모의 관계를 종합적으로 고려하여 계획하는 것이 필요하다. 셋째, 건물의 규모는 건물의 에너지 소비 증가의 주요인이며, 동일한 형태의 건물일 때 수평적으로 넓은 평면의 저층 건물보다 좁은 평면의 고층 건물이 상대적으로 에너지 저감에 효과적으로 나타났다. 넷째, 필지의 형상이 건물의 에너지 소비에 미치는 영향력은 미미하나 지형적으로 경사지이거나 높은 고도에 위치할수록 에너지 저감에는 효과적이다. 다섯째, 건물의 에너지 저감을 위해 건물의 용도에 따라 계획·설계 전략을 다르게 적용해야 한다. 여섯째, 건물밀도가 낮은 지역은 건물의 에너지 소비가 건축면적의 변화에 더 민감하며, 건물밀도가 높은 지역에서는 연면적의 변화에 더 민감하였다.
분석 결과에 따라 정립한 에너지 저감형 지구설계 모형은 도시공간을 계획하기에 앞서 건물의 에너지 소비의 관점에서 그 공간의 환경적 여건을 진단하고, 그 진단에 따라 건물의 에너지 소비를 저감할 수 있는 계획·설계 전략을 제시하도록 구성하였다. 특히, 두 가지 시나리오에 따라 에너지 저감에 효과적인 도시공간 유형을 검토하는 ‘에너지 조닝’의 과정을 선행한 후 계획하는 ‘선 진단-후 계획’의 방식을 취하여 도시공간에서의 건물 에너지 관리에 체계적인 계획수단으로 활용될 수 있는 틀을 마련하였다. ‘선 진단-후 계획’의 방식을 갖추어 계획 단계에서 면밀한 진단을 기반으로 삼아 계획의 방향을 설정한다는 점은 도시공간의 조성 단계에서부터 계획·설계적으로 접근하여 에너지 저감에 효과적인 도시공간과 건물을 설계하고, 이를 보완하는 역할로서 액티브 요소를 활용하는 체계를 통해 건물 부문의 탄소중립 실현에 계획·설계적 차원의 기여를 높일 수 있을 것으로 사료된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Fossil fuels have been constantly consumed as the main energy source in cities since the industrial revolution in the 18th century; today, they are the main cause of greenhouse gas (GHG) emissions, causing urban environmental problems due to climate change, and increasing the scale and burden of social and economic damage that mankind has to bear.
Since the government's 'Green Growth' declaration formed a social consensus on the city's eco-friendly sustainability, the recently announced '2050 Carbon Neutrality Declaration' reminded us again that a steady and practical response to environmental and climate change in cities has to be essentially considered. The government has been continuously implementing policies such as the 「2050 Carbon Neutral Scenario」 and 「Korean New Deal 2.0」that realize carbon neutrality following carbon reduction to reduce the emission of carbon that occupies the largest share of GHGs. The enactment of the ｢FRAMEWORK ACT ON LOW CARBON, GREEN GROWTH｣ and subsequent enactment of the ｢FRAMEWORK ACT ON CARBON NEUTRAL, GREEN GROWTH FOR RESPONSE TO THE CLIMATE CRISIS｣ are legislative tools to reduce the emission of carbon; strengthening the obligations and systems to realize carbon neutrality shows the government's strong will to reduce GHG emissions.
Among the energy sectors of the domestic GHG inventories, the GHG emissions from 'other sector' that includes buildings account for the fourth highest emission, excluding indirect emissions. Particularly, in Seoul, the capital of South Korea, with a large population and a high density of buildings, the building sector accounts for close to 70% of the total emissions of carbon. Therefore, the architecture and urban sectors cannot be free from the sense of duty to reduce GHG emissions, and multilateral measures are required.
Accordingly, certification systems and design standards to increase energy efficiency and reduce energy consumption are in force by the government in order to reduce carbon emissions in the building sector. However, most of the standards are focused on active design elements using high efficient machines or facilities, and passive design elements only provide insulation performance or thermal transmittance standards. Planning and design for building layout or urban space are suggested by unclear standards.
With increasing the importance of local spatial design to improve comfort of the urban environment such as reducing the heat island effect or forming a wind path, morphological factors of urban space are keys for improving the urban environment beyond a simple improvement of the landscape. However, there is a lack of efforts to deal with the morphological factors of urban space in terms of energy performance. A district unit planning system operated as an urban three-dimensional management system is mainly focused on the rationalization of land use to manage the density of a city and the formation of an aesthetic landscape structure. Because the energy performance standards suggested by the system are limited to active elements or insulation performance, they show limitations as a planning tool for urban environmental sustainability. As the district unit plan is established only in a specific site area, there is a possibility of causing separation of the urban context, and it has a limit as a means to manage the entire urban space. Therefore, for the three-dimensional management of urban spaces and energy reduction from the perspective of energy performance, a new concept of planning means is needed to diagnose and manage the entire city at a global level.
For this reason, the purpose of this study is to establish an 'Energy-saving District Design Model' to create a carbon-neutral city. This model is a planning tool that can reduce the energy consumption of buildings by diagnosing the environmental conditions of energy consumption of buildings in the context of the city and deriving passive design strategies for planning and designing buildings and cities. For this, I first considered the concept of urban form, reviewed the elements of urban space, and divided it into buildings, blocks, and horizontal spaces. Next, an integrated data model was established by constructing data for each urban space component through data sets of buildings and lots. Afterwards, based on the established data model, urban space was categorized based on the significant urban space components from the perspective of building energy consumption. Finally, a District Design Model was constructed by deriving factors related to buildings and land that affect building energy consumption by the type of urban space. In order to verify the effectiveness of the model, the site where the district unit plan was established was selected. After that, the difference in energy consumption when developed according to the district unit plan and when the model derived from this study is applied was compared.
The analysis results are as follows. First, the type of urban space could be classified by the development and the building density of the site. Second, when planning the shape of a building to reduce the energy consumption of the building, it is necessary to comprehensively consider the relationship between the degree of difference variations and the scale of the building. Third, the scale of the building is a major factor in the increase in energy consumption of buildings, and in the case of the same type of building, high-rise buildings with small planes were relatively effective in energy reduction than low-rise buildings with horizontally wide planes. Fourth, although the influence of the shape of the lot on the energy consumption of the building is insignificant, it is more effective in reducing energy as it is located on a geographically inclined or high altitude. Fifth, different planning and design strategies should be applied according to the purpose of the building for energy reduction in buildings. Sixth, energy consumption of buildings is more sensitive to changes in building area in areas with low building density, and more sensitive to changes in gross floor area in areas with high building density.
According to the analysis results, the 'Energy-saving District Design Model' was established; it diagnoses the environmental conditions of the space in terms of energy consumption of buildings before planning the urban space and presents plans and design strategies to reduce the energy consumption of the building. In particular, this model takes the 'pre-diagnosing and post-planning' method which precedes the ‘energy zoning’ process that examines the types of urban space effective for energy reduction according to two scenarios. This provided a framework that can be used as a systematic planning tool for building energy management in urban space. The 'pre-diagnosing and post-planning' method is a method of setting the direction of a plan based on a detailed diagnosis in the planning stage. This means approaching from the early stages of urban development through a planning and designing perspective. Through this, it is judged that the contribution of planning and design to the realization of the carbon neutral city in the building sector can be increased.

목차 (Table of Contents)

• 第 1 章 서 론 1
• 第 1 節 연구의 배경 및 목적 1
• 1. 연구의 배경 1
• 2. 연구의 목적 13
• 第 2 節 연구의 범위 및 방법 15
• 1. 연구의 범위 15
• 2. 연구의 방법 17
• 第 2 章 이론 및 개념 고찰 19
• 第 1 節 도시공간에 관한 고찰 19
• 1. 용어의 고찰 19
• 2. 도시공간 구성체계 고찰 22
• 3. 도시공간 유형화 고찰 27
• 第 2 節 도시공간의 입체적 관리에 관한 고찰 30
• 1. 도시계획 패러다임의 변화 고찰 30
• 2. 해외 도시공간의 입체적 관리 사례 36
• 3. 한국의 도시공간 및 에너지 관리 제도 49
• 4. 소결 60
• 第 3 節 도시에서의 건축물 에너지 소비에 관한 고찰 66
• 1. 도시공간과 미기후 고찰 66
• 2. 건축물 에너지 소비에 관한 고찰 75
• 3. 소결 82
• 第 4 節 연구 문제 설정 85
• 1. 건물 및 필지의 특성과 건축물 에너지 소비에 관한 연구 문제 85
• 2. 도시공간적 특성과 건축물 에너지 소비에 관한 연구 문제 87
• 3. 기존 연구와의 차별성 89
• 第 3 章 연구 설계 91
• 第 1 節 분석의 범위 및 방법 선정 91
• 1. 분석의 범위 선정 91
• 2. 분석의 방법 검토 94
• 第 2 節 연구모형 구축 109
• 1. 변수의 설정 109
• 2. 건축물 에너지 소비 데이터 통합모형 133
• 3. 건축물 에너지 소비 요인 분석 모형 137
• 第 4 章 분석 결과 139
• 第 1 節 도시공간 유형화 139
• 1. 도시공간 유형화 군집분석 139
• 2. 도시공간 유형별 특성 145
• 第 2 節 건축물 에너지 소비 요인 분석 149
• 1. 건물-필지의 특성과 건축물 에너지 소비 영향 관계 분석 149
• 2. 도시공간 유형별 건물-필지의 특성과 건축물 에너지 소비 영향 관계 분석 181
• 3. 소결 187
• 第 3 節 에너지 저감형 지구설계 모형 191
• 1. 건축물 에너지 소비 저감형 지구설계 모형 191
• 2. 에너지 저감형 지구설계 모형의 검증 197
• 3. 검증 결과 종합 210
• 第 5 章 결론 212
• 第 1 節 연구의 결론 종합 212
• 第 2 節 연구의 의의 및 한계 215
• 참 고 문 헌 218

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