에너지요구량·소요량·1차에너지

왜 배우는가: 에너지요구량·에너지소요량·1차에너지는 건축물 에너지절약설계기준의 평가 체계를 이루는 기본 용어다. 설계 단계에서 건물 자체의 성능과 설비의 에너지 사용을 구분해 평가하도록 하므로 실무 설계 검토에서 매번 쓰인다. 시험에서는 1교시 용어 문제와 평가기준 설명 문제로 반복 출제되어, 세 용어의 차이를 정확히 구분하는 것이 핵심이다.

출제 이력: 제134회 1교시 4번, 제116회 1교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 에너지요구량은 건축물이 표준 설정 조건을 유지하는 데 필요한 에너지량, 에너지소요량은 이를 만족시키는 설비기기가 쓰는 에너지량, 1차에너지는 채취·가공·운송·변환·공급 손실을 포함한 에너지다.

핵심 키워드

• 에너지요구량
• 에너지소요량
• 1차에너지
• 1차 에너지 환산계수
• 표준 설정 조건
• 설비 효율
• 단위면적당 1차에너지소요량

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 에너지요구량은 건물이 원하는 실내 상태를 만드는 데 필요한 에너지이고, 에너지소요량은 그 요구량을 실제 설비로 채울 때 쓰는 에너지다. 1차에너지는 현장에서 쓰는 에너지를 원래의 연료 단계까지 거슬러 계산한 값이다.

정식 정의는 「건축물의 에너지절약설계기준」 제5조에 따른다. 에너지요구량은 건축물의 냉방, 난방, 급탕, 조명 부문에서 표준 설정 조건을 유지하기 위해 해당 건축물이 필요로 하는 에너지량이다. 에너지소요량은 에너지요구량을 만족시키기 위해 냉방, 난방, 급탕, 조명, 환기 부문의 설비기기에서 사용되는 에너지량이다. 1차에너지는 연료의 채취, 가공, 운송, 변환, 공급 등의 과정에서 생기는 손실분을 포함한 에너지다.

• 에너지요구량: 건물 외피와 부하가 결정하는 값이다. 설비 효율과 무관하다.
• 에너지소요량: 설비기기의 효율과 운전 방식이 반영된 값이다. 설비 성능이 좋을수록 줄어든다.
• 1차에너지: 전기·가스 등 최종 에너지를 발전·공급 손실까지 환산한 값이다. 전기는 최종 에너지보다 1차에너지 환산값이 크다.

세 용어는 '건물 부하 → 설비 사용 → 원천 에너지' 순서로 범위가 넓어진다. 답안에서는 이 순서를 먼저 보여 주면 된다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 에너지 평가는 건물에서 사용하는 최종 에너지만 봤다. 이 방식은 전기를 많이 쓰는 설비와 가스를 쓰는 설비를 같은 기준으로 비교하지 못하는 한계가 있었다. 발전과 송배전 손실을 고려하지 않으면 전기 설비가 실제보다 유리하게 평가된다.

그래서 에너지 평가는 요구량, 소요량, 1차에너지의 단계로 나누어졌다. 건물 외피 성능은 요구량으로, 설비 효율은 소요량으로, 연료 종류에 따른 차이는 1차에너지 환산으로 분리해 평가한다. 이렇게 하면 단열을 강화한 설계와 고효율 설비를 적용한 설계를 같은 척도에서 비교할 수 있다.

또한 국제 규격에 따라 난방, 냉방, 급탕, 조명, 환기를 종합 평가하는 흐름이 자리 잡았다. 「건축물의 에너지절약설계기준」은 연간 단위면积당 1차에너지소요량으로 평가하고, 평가기준은 별표10에 따른다고 정하고 있다. 따라서 세 용어는 이 평가 체계의 출발점이다.

• 에너지절약설계기준 제5장의 평가 방식은 ISO 52016 등 국제 규격을 따르는 프로그램으로 산출한다.

4. 구성요소·원리·절차

세 양은 같은 건물을 서로 다른 단계에서 본 값이다. 에너지요구량은 건물이 표준 실내 조건을 유지하는 데 필요한 열과 빛의 양이다. 에너지소요량은 그 요구량을 채우려고 설비가 실제로 쓰는 에너지다. 1차에너지소요량은 에너지를 생산하고 운반하는 과정의 손실까지 더한 값이다.

표에서 보듯 에너지요구량은 건물 외피와 부하 조건으로 정해진다. 에너지소요량은 여기에 설비기기의 효율이 더해져 정해진다. 1차에너지는 같은 전력량이라도 에너지원과 공급 경로에 따라 값이 달라진다.

요구량과 소요량 사이를 잇는 것은 설비 효율이다. 「건축물의 에너지절약설계기준」 제5조제11호나목은 효율을 설비기기에 공급된 에너지에 대한 출력된 유효에너지의 비로 정의한다. 같은 요구량이라도 효율이 낮은 설비를 쓰면 소요량이 커진다.

요구량과 소요량의 관계를 식으로 쓰면 다음과 같다.

$E_{소요,j} = \frac{Q_{요구,j}}{\eta_j}$

Q_{요구,j}는 j 부문의 에너지요구량(kWh/년), \eta_j는 설비 효율(무차원, 0~1), E_{소요,j}는 에너지소요량(kWh/년)이다.

1차에너지소요량은 에너지원별 사용량에 환산계수를 곱해 합산한 뒤 연면적으로 나눈다.

$E_{1차} = \frac{\sum_k E_k \times f_k}{A}$

E_k는 에너지원 k의 연간 사용량(kWh/년), f_k는 1차에너지 환산계수(무차원), A는 연면적(㎡), E_{1차}는 단위면적당 1차에너지소요량(kWh/(㎡·년))이다. 환산계수 값은 「제로에너지건축물 인증 제도 운영규정」에 따르며, 제5조제19호가 그 근거다.

계산 절차는 다음과 같다.

• 외피 열관류율, 기밀, 창 성능을 정해 난방과 냉방 부하를 계산하여 에너지요구량을 구한다.
• 급탕과 조명의 요구량을 더한다.
• 설비기기 효율을 적용해 부문별 에너지소요량을 구한다. 환기 설비의 에너지도 소요량에 포함한다.
• 에너지원별 사용량에 1차에너지 환산계수를 곱해 합산한다.
• 합계를 연면적으로 나누어 단위면적당 1차에너지소요량을 구한다.
• 제21조제2항의 판정 기준과 비교해 적합 여부를 판정한다.

요구량에는 환기가 없고 소요량에는 환기가 포함된다. 이 차이는 제5조제17호와 제18호의 정의를 비교하면 바로 확인된다. 계산 순서를 거꾸로 하면 안 된다. 1차에너지는 최종 소요량에서 출발하므로 요구량만으로는 판정할 수 없다.

5. 관련 법령·기준·표준

세 개념의 정의는 「건축물의 에너지절약설계기준」 제5조(용어의 정의)에 있다. 제17호는 에너지요구량, 제18호는 에너지소요량, 제19호는 1차에너지를 정한다. 이 기준은 「녹색건축물 조성 지원법」에 근거를 두며, 에너지절약계획서 제출 대상과 설계 검토 기준을 함께 정한다. 냉방 또는 난방 열원을 공급하는 대상의 연면적 합계가 500㎡ 미만이면 에너지절약계획서를 제출하지 않는다(제3조제3항).

단위면적당 1차에너지소요량의 판정은 같은 기준의 제5장(건축물 에너지 소비 총량제)에서 다룬다. 신축 또는 별동으로 증축하는 업무시설과 교육연구시설 가운데 연면적 3천㎡ 이상 건축물은 건축물 에너지소요량 평가서를 제출한다. 평가는 ISO 52016 등 국제규격에 따른 프로그램으로 난방, 냉방, 급탕, 조명, 환기를 종합 평가하며, 별표10의 평가기준을 따른다.

판정은 단위면적당 1차에너지소요량 합계를 기준값과 비교하며, 연면적 1천㎡ 이상 건축물은 합계가 150kWh/㎡년 미만이면 적합한 것으로 본다. 연면적이 1천㎡ 미만이면 기준이 200kWh/㎡년 미만으로 완화된다. 공공기관 건축물은 130kWh/㎡년 미만으로 더 엄격하게 적용된다.

기계부문에서는 설계용 외기 조건이 요구량 계산의 입력이 된다. 난방과 냉방 설비 용량은 위험률 2.5%(냉난방기를 분리한 온도출현분포) 또는 1%(연간 총시간 온도출현분포)를 기준으로 정하거나 별표7의 외기 조건을 쓴다. 외기 조건이 달라지면 요구량이 달라지므로 같은 건물이라도 지역에 따라 1차에너지 값이 달라진다.