에너지제로 “이롭고 지속가능한” 공공주택단지

국내 최초의 제로에너지 공동주택단지인 노원에너지제로주택(NOWON EZ House)는 이름 자체도 에너지의 영문이니셜 ‘E’, 제로의 ‘Z’에서 차용하였으며, ‘이지’라는 발음은 ‘이롭고 지속 가능한’ 주택이라는 중의적 의미를 담고 있다. 노원구가 국토교통부의 지원을 받아 서울시, 명지대 산학협력단 등과 함께 세운 에너지제로주택인 노원에너지제로주택(NOWON EZ House)는 지난해 10월 완성됐다. 설계 단계부터 자체 에너지 생산과 온실가스 감축에 초점을 맞춰 주택 단지가 세워진 것은 국내에서 이 곳이 처음이기 때문에 노원에너지제로주택의 에너지 감축 정도와 지속가능성이 주목을 받고 있다. 독일수준의 패시브하우스 기술을 차용하되, 한국의 생활습관, 기후 그리고 주거환경을 반영한 100% 한국인의 제로에너지 설계기술과 국내자재를 접목하여 한국의 시공기술로 완성하였기에 더 의미가 크다고 볼 수 있다. 또한, 공공임대주택으로 주로 주거 취약계층에 공급되어 주거복지 향상에도 기여하였다.

‘집은 살기 위한 발전소이다’ – 이지하우스의 기획, 설계 및 R&D 책임을 맡은 이명주 명지대학교 연구단장의 이 말은 가장 쉽게 제로에너지주택단지를 설명하고 있다. 내 집에 필요한 전기는 내가 적절하게 생산한다는 뜻이다. 에너지 소모가 적은 공간에 에너지 효율이 높은 설비를 설치해 주택을 만들고, 필요한 에너지는 재생에너지로 충당하여 화석연료 없이도 기본적인 주거활동이 가능한 시스템으로, 공동 주거용 단지로서는 국내 첫 사례이다.

 

배경

본 노원에너지제로주택(NOWON EZ HOUSE)은 2013년 국토교통부가 발주하고, 국토교통과학기술진흥원이 연구, 관리한 국가 연구개발과제(R&D)이다. 본 사업에 참여하기 위해 총괄을 맡은 명지대학교 산학협력단은 협동연구기관으로 ㈜KCC건설, 서울주택도시공사 그리고 공동연구기관으로는 ㈜제드건축사사무소, ㈜누리텔레콤, 한국설비연구, ㈜프리모 케리앤에스 등과 함께 컨소시엄을 만들어 제로에너지주택연구단을 구성하였다. 그 후, 2013년 7월 명지대학교 제로에너지주택연구단은 노원구와 서울시와 함께 업무협약(MOU)을 맺고 공동 컨소시엄을 이루어 국토교통부 R&D 사업에 응모하였고, 2013년 9월 최종 사업자로 선정됨으로써 산학협력의 형태로 제로에너지주택연구단이 출범하게 되었다. 기획과 설계, 시공, 감리, 모니터링은 명지대학교 건축대학의 이명주 교수를 중심으로 구성한 명지대학교 제로에너지주택연구단이 담당했다. 121세대로 구성된 노원에너지제로주택의 각 세대가 사용하는 냉방(26도)과 난방(20도), 급탕, 조명, 환기 등 생활에 필요한 1차 에너지소요량(Primary Energy)가 연간 100% 제로에너지를 구현하는 단지로 계획되었다. 단지는 대지 면적 1만 1344㎡에 공동주택 아파트형 3개 동(106세대), 연립주택형 공동주택 1개 동(9세대), 합벽주택형 공동주택 2개 동(4세대), 단독주택형 공동주택 1가구(2세대)까지 총 121세대(연면적 1만7652㎡ )로 구성되며 부대시설로 교육 홍보관, 근린생활시설, 경로당, 마을회관, 도서관, 세미나실 등이 있다.

 

<노원 에너지제로주택(이지하우스) 사업 개요> 

사업목적 제로에너지 주택의 보급 확산을 위해 旣 개발된 기술을 바탕으로 주택단지 최적화모델 개발 및 실증단지 구축 
추진배경
  • 기후 변화 대응 및 주거비 부담을 줄여주는 국내 최초의 제로에너지주택 단지의 표준모델 개발을 위해 국토교통 R&D사업 추진
  • 5대 에너지 기준(난방, 냉방, 급탕, 환기, 조명)으로, 연간 1차 에너지 소비량과 생산량의 대차대조가 제로(net zero)가 되는 공동주택 실증 
사업내용

(위치) 서울시 노원구 한글비석로 97 (하계동 251-9) 

(규모) 대지면적 11,344㎡, 연면적 17,652㎡ (지하 2층/지상 7층, 주차면수 128대) 

(사업기간) 2015.10.29 ∼10.24 

(공사비)* 322억원 (R&D 109억원, 국비시비 지원 및 노원구 213억원) 

* 관급공사, 홍보관, 커뮤니티시설, 상가, 돌출발코니, 지하 2개층 주차장 등
부대시설 공사비 포함 

(실증목표) 5대 에너지 제로 공동주택단지 구현

(구성) 행복주택 121세대*, Mock-up주택 1세대, 홍보관 1개소 등

* 공동주택(39~59㎡) 106세대, 연립(49㎡) 9세대, 합벽주택(59㎡) 4세대, 단독주택(59㎡) 2세대 

사업성과 건축물에너지효율등급 1+++, 녹색건축 최우수등급, 국제패시브하우스 인증 

 

제로에너지 개념

주거를 위해 꼭 필요한 난방(20도), 냉방(26도), 급탕, 환기, 조명 등 건축물 5대 에너지를 단지 내에서 해결하는 것으로, 기후 조건 등으로 단지 내에서 생산되는 에너지가 부족할 경우 외부에너지 공급망으로부터 가져다 쓰고 반대로 많이 생산될 때에는 다시 되돌려줌으로써 쓰는 양과 되돌려주는 1차에너지소요량의 합이 제로가 되는 것을 ‘넷 제로 1차에너지’라고 한다. 이를 실현하기 위해서 노원에너지제로주택에는 패시브 설계기술, 고효율설비를 포함한 액티브 설계기술을 함께 적용했다.

 

   

 

패시브 (Passive) 설계와 액티브 (Active) 설계의 융합

에너지를 절약하기 위해 춥게 혹은 덥게 사는 것이 아니라 최소한의 에너지로 인간이 가장 쾌적하게 살 수 있는 온도를 유지하는 인간 중심의 설계가 핵심이다. 외단열, 삼중유리시스템 창호, 열교차단, 기밀성능 강화, 외부블라인드, 열회수형 환기장치 등을 적용하여 내부 온기나 냉기가 빠져나가지 않도록 했다. 이렇게 패시브설계 요소기술을 통해 건물의 에너지 성능 효율을 최대화하고, 부족한 에너지는 단지 내에서 생산한 재생에너지를 활용할 수 있게 하는 설비기술을 포함한 액티브기술로 보완했다.

 

독일패시브하우스연구소에 따르면, 패시브하우스는 기술적으로 “전통적인 방식의 냉난방 설비를 별도로 하지 않아도 열회수형 환기장치를 통해 후 냉각(Post-Cooling)과 후 가열(Post-Heating)만으로도 여름과 겨울에 쾌적함을 느낄 수 있으며 경제적이면서 동시에 환경친화적인 건축물이다. 노원에너지제로주택를 패시브하우스를 넘어 제로에너지 주택단지로 만들기 위해 설계 초기단계부터 난방, 냉방, 급탕, 환기, 조명 에너지 사용량을 획기적으로 줄이는 작업을 했다. 또한, 최근 국내의 여름철 40°C와 겨울철 -20°C를 넘나드는 극한 기후조건에서도 안정적으로 건축물 5대 에너지를 공급할 수 있도록 가장 먼저 건축물 외피의 단열과 기밀성능을 강화한 후 중앙형 열회수환기장치를 설치하였다. 그리고 고효율 설비시스템을 재생가능에너지원과 융·복합한 설계로 시공하였다. 태양광 전지판을 통해 생산된 전력으로 지중 열교환을 통해 난방(20°C), 온수, 냉방(26°C), 환기를 담당하는 지열히트펌프의 운영 전력과 조명에너지를 충당하도록 설계하였다. 참고로, 노원에너지제로주택에 설치된 태양광 전지판 용량은 총 409 kW (각 세대 당 약 3.4 kW, 121세대)이다. 전력 생산이 모자랄 때는 외부와 연결된 에너지 그리드를 통해 공급받고 남을 때는 돌려주어 연간 에너지 소비량과 생산량의 대차대조가 0인 넷 제로(Net zero) 1차에너지(Primary Energy) 주택이 되도록 도전하고 있다.

 

에너지비용 절감

노원에너지제로주택의 세대당 전기요금은 2018.7월 43,705원, 8월 47,718원 (부가세 포함)이었다. 이는 24시간 31일동안 실내온도 26~28도를 유지하면서 냉난방, 온수 등 건축물 5대 에너지 소비원 이외에도 취사, 가전제품 이용, 공동사용전기까지 포함한 요금이다. 일반주택에서 동일하게 에너지를 사용한다고 가정하면 약 3~5 배 이상의 전력요금을 지불해야 할 것으로 예상된다. 5대 에너지 기준 연간 1차 에너지 소비량과 생산량의 넷 제로 1차에너지(Net zero Primary Energy) 가능 여부는 겨울철 에너지사용량의 모니터링 및 결과 분석 후 발표할 예정으로, 이를 위해 명지대학교 제로에너지건축센터는 지역난방공사 및 노원구와 함께 모니터링을 진행하고 있으며, 이는 2021년까지 지속될 예정이다. 건축물에너지평가프로그램인 ECO2를 통해 산정한 바에 따르면 일반주택 대비 60% 이상 절감이 예상되며, 실측결과는 2019년 2월까지의 연간 에너지사용량을 모니터링 후 제시할 예정이다.

 

▲ 한국 평균주택단지와 노원 제로에너지 주택단지의 에너지소요량 계산

 

온실가스 저감 효과

독일 패시브하우스 인증을 받은 노원에너지제로주택는 온실가스 감축에도 큰 역할을 할 것으로 보인다. 동 주택단지에서 연간 배출하는 이산화탄소량보다 태양광 전지판을 통해 저감되는 이산화탄소량이 더 많기 때문에 (-34.905 tCO2/yr) “넷 제로 이산화탄소 배출 주택단지”라고도 할 수 있다. 2016년 주택법 기준으로 지어진 일반주택이 배출하는 이산화탄소량 (166.247 tCO2/yr) 대비 연간 120% 저감할 것으로 예측된다.

 

경제성 분석

제로에너지주택단지의 총 공사비는 322억원이 소요되었으며, 연면적(17,652㎡)을 기준 평당 599만원의 건축비가 들었다. 이는 커뮤니티 시설, 상가, 지하주차장 등 모든 부대시설 공사비를 포함한 것이다. 제로에너지주택 구현을 위한 액티브설계(태양광, 지열관련 설비기술 포함 등), 패시브설계(단열, 기밀 등) 기술을 적용하는 경우 세대당 약 4,800만원의 건축비용 상승이 발생한다. (평균 패시브설계 1,600만원, 액티브설계 3,200만원 소요) 이처럼, 현재 제로에너지주택의 경우 일반 건축물 대비 공사비가 30% 이상 증가한다. 특히 열공급을 담당하는 재생가능에너지원과 관련 설비시스템 설치 비용을 줄일 수 있는 방법을 고민해야 한다. 더 나아가 보다 종합적인 경제성 분석을 위해서는 화석에너지 절감, 이산화탄소 저감 효과 등 실질적인 부가가치에 대한 지속적인 연구가 필요하다. 노원에너지제로주택의 에너지 소비 및 생산 모니터링을 통해서 국내 최초로 제로에너지주택단지의 빅데이터를 수집할 수 있고, 제로에너지주택의 데이터와 계측방식의 표준화에 기여할 수 있을 것이다. 이는 곧 경제성을 갖춘 제로에너지 주택보급에 한 발 다가서는 길일 것이다.

 

성과 및 부대 효과

제로에너지 주택의 보급 확산을 위해 기존에 개발된 기술을 바탕으로 주택단지 최적화모델 개발 및 실증단지 구축을 위해 100% 국내 설계기술과 98.3%의 국내 자재만으로 제로에너지주택단지를 구축하였기에 다양한 성과를 낼 수 있었다. 대표적인 성과 내용은 다음 표와 같다.

 

번호 성과내용
1 2Bay-3Bay로 남향배치된 국내최초 제로에너지주택단지 구축
2 넷-제로 1차에너지 공동주택단지 구축
3 태양광설치를 통해 연간 418,000 kWh/yr 이상 전기를 생산
4 입면 일체형 대용량 태양광(PV) 패널 설치
5 내화성능 외단열 시스템을 적용
6 고기밀 성능 확보 공동주택단지(패시브기술로 에너지소비량 61%절감, 고효율설비로 13%절감, 태양광전지판으로 넷 제로 1차에너지달성
7 3중 유리 시스템창호(틸트 앤 턴) 적용
8 돌출발코니에 열교차단재 설치
9 전 세대 외부 전동 블라인드 설치
10 냉·난방과 환기 겸용 중앙형 열회수형 환기장치 설치
11 냉·난방 및 급탕설비를 지열시스템과 연계한 설비 고도화
12 건물 5대 에너지 분리 계측 가능
13 입주자와 운영자를 위한 모니터링 화면구축
14 대규모 에너지생산 모니터링 구현
15 마이크로그리드 적용(전력 생산, 소비
16 제로에너지 공동주택 비즈니스모델, 설계 가이드라인, 자재 및 운영 매뉴얼 개발
17 녹색건축 최우수등급 인증 취득
18 건축물에너지효율등급 1+++ 취득
19 장애물 없는 생활환경인증 우수예비등급 취득
20 아파트형 공동주택 독일 패시브하우스 인증 취득

 

아울러, 공공임대주택으로 기획되고 공급되었기에 주거 취약계층의 주거복지 향상에 기여하고 있다. 총 121세대에 이르는 단지 입주자는 신혼부부 101세대, 고령자 12세대, 산업단지 근로자 2세대, 이지공동체(전문가세대)주택 3세대, 연구모니터링 2세대, 그리고 게스트하우스 1세대로 입주민이 운영에 참여하는 협동조합형 공동주택인 노원에너지제로주택는 기후대응 이외에도 주거복지 향상, 최첨단 주거환경 체험 기회 제공 등 여러 긍정적인 효과를 불러왔다. 또한, 주민커뮤니티 등 마을공동체 조성에도 기여하고, 전시홍보관과 단기체험주택도 운영하여 일반 시민들도 제로에너지주택을 체험해 볼 수 있도록 하고 있다. 여러 기술의 접목과 최적화모델 개발 등의 설계 및 기술적인 접근에 이러한 커뮤니티 활동이 더해져서 노원에너지제로주택 설계의 4가지 철학인 “행복한 국민, 함께하는 마을, 쾌적한 환경, 따뜻한 건물”을 현실에서 구현해 내고 있다.

 

 

 

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