제로에너지·제로탄소주택

왜 배우는가: 제로에너지·제로탄소주택은 건물 부문의 에너지 소비와 온실가스 배출을 줄이는 대표 수단이어서, 건축기계설비 설계의 방향을 정하는 핵심 개념이다. 시험에서는 zero energy house와 zero carbon house의 차이를 묻는 형태로 반복해서 출제되었다. 두 개념의 정의 차이를 정확히 구분해야 답안에서 감점을 피할 수 있다.

출제 이력: 제98회 1교시 5번, 제89회 3교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의는 다음과 같다.

제로에너지주택은 단열·기밀로 에너지 요구량을 줄이고 신재생에너지로 연간 소비 에너지를 상쇄하여 순 에너지 소비가 0인 주택이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 제로에너지주택(Zero Energy House)
• 제로탄소주택(Zero Carbon House)
• 신재생에너지 자급률
• 에너지자립률
• 1차 에너지(Primary Energy)
• 패시브 하우스(Passive House)
• 운영 탄소(Operational Carbon)
• 내재 탄소(Embodied Carbon)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 집이 쓰는 에너지만큼 집 안에서 에너지를 만들어 상쇄하는 집이다. 먼저 건물 외피의 단열과 창호로 난방·냉방 부하를 줄이고, 남은 부하를 태양광이나 지열 같은 신재생에너지로 채운다.

정식 정의는 연간 건물에서 사용하는 에너지 총량과 건물 부지 안에서 생산하는 신재생에너지량이 같아지는 주택이다. 국제에너지기구(IEA)는 화석연료를 쓰지 않고 탄소를 배출하지 않는 건물로 정의한다. 일본은 건물 소요 에너지와 부지 내 신재생 발전량을 합산하여 연간 1차 에너지 소비량이 0이 되는 건축물로 정의한다. 미국 ASHRAE는 연간 에너지 사용량이 대지 내 재생에너지 생산량보다 적은 건물로 정의한다. 정의는 기관마다 다르지만 건물이 외부 에너지 공급에 기대지 않는다는 기본 개념은 같다.

[1] 기준으로 보면 미국에서 zero net site energy는 부지 내 재생에너지 생산량이 건물 사용량과 같은 경우를 말한다. zero net source energy는 에너지 생산·수송 과정의 손실까지 포함하여 같은 양을 맞추는 경우다. 따라서 source 기준은 site 기준보다 더 많은 발전량이 필요하다.

제로탄소주택(zero carbon house)은 에너지 종류보다 온실가스 배출에 초점을 둔다. 직접 배출(Scope 1)과 화석연료로 만든 전기를 쓰는 간접 배출(Scope 2)을 모두 0으로 만드는 주택이다. 일반적으로 주로 이산화탄소 배출을 0으로 보며, 천연가스 배관이나 기기에서 새는 메탄도 함께 고려한다.

핵심 차이는 기준에 있다. 제로에너지주택은 에너지 양을 기준으로 하고, 제로탄소주택은 배출되는 탄소량을 기준으로 한다. 같은 집이라도 에너지 소비는 0이어도 전기를 화석연료 발전으로 얻으면 탄소 배출은 0이 아닐 수 있다.

3. 등장 배경과 필요성

주택은 국가 전체 에너지 소비에서 큰 비중을 차지한다. 화석연료 자원이 줄어들고 기후변화가 심해지면서 건물의 에너지 소비를 줄이는 것이 필요해졌다. 특히 건물 운영 중 난방·냉방·급탕·조명에서 나오는 운영 탄소를 줄이는 것이 중요하다.

세계 주거용 건물은 전체 온실가스 배출에서 상당한 비중을 차지하며, 그 상당 부분은 난방과 냉방에서 나온다는 자료가 있다. 이 때문에 주택 부문의 에너지 절약과 탄소 저감이 중요한 정책 과제가 되었다.

각국은 이러한 배경에서 제도를 마련했다. 유럽연합은 거의 제로에너지 건물(nZEB)을 2020년까지 역내 모든 건물에 적용하는 목표를 세웠다. 우리나라는 2025년 이후 신축 건축물에 제로에너지건축물 인증을 단계적으로 확대하고 있다. 2020년부터 1,000㎡ 이상 공공건축물에 제로에너지건축물 인증을 의무화했다.

제로에너지건축물 인증은 에너지효율등급 상위 기준 이상, 에너지자립률 기준 이상, 건물에너지관리시스템 또는 원격검침 전자식 계량기 설치의 조건을 모두 충족해야 한다. 에너지자립률은 단위면적당 1차 에너지 생산량을 1차 에너지 소비량으로 나눈 비율이다. 인증 등급은 자립률에 따라 1~5등급으로 나뉜다.

최근에는 내재 탄소에 대한 관심도 커졌다. 건설 부문은 전 세계 배출에서 상당한 비중을 차지한다는 자료가 있다. 운영 탄소만 줄이는 기존 기준으로는 건설 자재에 들어간 내재 탄소를 충분히 다루지 못하므로, 제로탄소주택 개념이 함께 논의되고 있다.

**

4. 구성요소·원리·절차

제로에너지·제로탄소주택은 세 단계로 구현한다. 첫째, 건물 외피의 단열·기밀과 설비 효율로 필요한 에너지 부하를 줄인다. 둘째, 태양광·지열·태양열 등 신·재생에너지로 남은 에너지를 현장에서 생산한다. 셋째, 생산량과 소비량을 연간 단위로 맞추어 순 에너지 또는 순 탄소 배출을 0으로 만든다. 이 순서가 바뀌면 생산 설비 규모가 과도해져 경제성과 현실성이 떨어진다.

가. 구성요소

부하 저감 요소는 생산 설비 용량을 결정한다. 외피 성능이 낮으면 같은 면적에서 필요한 생산량이 크게 늘어난다. 따라서 설계는 외피와 설비 효율을 먼저 확정한 뒤 생산 설비를 정한다.

나. 원리

제로에너지의 핵심 원리는 에너지 수지(energy balance)다. 연간 생산량과 연간 소비량이 같아지면 순 에너지가 0이 된다. 제로탄소는 여기에 배출계수를 곱해 온실가스 수지를 0으로 맞춘다. 태양광처럼 운영 중 배출이 없는 신·재생에너지를 쓰면 운영 단계 탄소가 0에 가까워진다. 다만 계통 전력을 쓰는 경우 전력의 배출계수가 남으므로 이를 상쇄하는 생산이나 구매가 필요하다.

다. 절차

• 대상 건물의 연간 에너지 요구량을 산정한다(난방·냉방·급탕·조명·환기).
• 외피 단열·기밀·창호 성능을 높여 부하를 줄인다.
• 고효율 설비를 선정해 소비량을 확정한다.
• 확정된 소비량에 맞춰 신·재생에너지 생산 설비 용량을 정한다.
• 연간 생산량과 소비량을 비교해 순 에너지 또는 순 탄소를 검증한다.
• 미달분은 설비 보강 또는 인증 가능한 재생에너지 구매로 채운다.

라. 계산 예제

연면적 A = 120\,\mathrm{m^2}, 단위면적당 연간 1차에너지 소비량 E_c = 150\,\mathrm{kWh/(m^2 \cdot yr)}, 단위면적당 연간 생산량 E_p = 20\,\mathrm{kWh/(m^2 \cdot yr)}인 주택의 에너지자립률은 다음과 같다.

$\text{에너지자립률} = \frac{E_p}{E_c} \times 100 = \frac{20}{150} \times 100 \approx 13.3\%$

E_p는 생산량, E_c는 소비량(모두 kWh/(m²·yr))이다. 결과 13.3%는 20% 미만이므로 이 주택은 현행 인증 기준에 미달한다. 연간 생산량을 30 kWh/(m²·yr)로 늘리면 \frac{30}{150} \times 100 = 20\%가 되어 기준에 맞는다. 값은 상식 범위 안에 있다.

5. 관련 법령·기준·표준

국내 제도의 근거는 「녹색건축물 조성 지원법」과 「건축물의 에너지절약설계기준」이다. 제로에너지건축물 인증은 한국에너지공단이 운영한다. 인증은 건축물 에너지효율등급, 에너지자립률, 건물에너지관리 여부 세 조건을 모두 충족해야 한다. 인증 등급은 에너지자립률에 따라 1~5등급으로 나뉜다.

가. 인증 조건 및 등급 기준

에너지자립률은 단위면적당 1차에너지 생산량을 단위면적당 1차에너지 소비량으로 나눈 값이다. 이 값이 20% 이상 40% 미만이면 최하위 5등급을 받는다. 등급이 높을수록 자립률 기준이 높아진다.

나. 국제 정의 비교

제로 사이트 에너지는 현장 기준이라 계산이 단순하다. 제로 소스 에너지는 송배전 손실까지 포함하므로 생산 설비가 더 커야 한다. 제로 탄소는 에너지 양이 아니라 배출량을 기준으로 삼는다.

다. 개정 연혁

정부는 2025년까지 제로에너지 주택 의무화를 추진하는 방향을 제시했다. 2020년부터 1,000m² 이상 공공건축물에 인증을 의무화했다. 이후 적용 대상과 기준은 단계적으로 확대되는 흐름이다. 세부 시행 시기는 해당 고시의 개정 이력으로 확인해야 한다.