이 보고서는 넷 제로 에너지 성능을 만족하도록, 현재 진행 중인 태양에너지 사무소건물 설계과정 중에서 습득된 경험을 공유할 목적으로 만들었다. SOLAR XXI 건물은 실증프로젝트로써 2006년 포르투갈 수도인 리스본에 건설되었다. 신재생에너지(태양광전지, 태양 집열기)와 건축 패시브 설계기술의 통합으로 구성된 이 건물은 현 관점에서 볼 때, 가까운 미래에 넷 제로 에너지 건물이 될 것으로 판단된다. SOLAR XXI 건물이 당장 넷 제로 건물에 이르기에는 부족함에도 불구하고, 설계단계에서 습득되고 획득된 경험은 주목할 만한 가치가 있다고 믿는다. 건물에너지 성능은 실험적인 모니터링과 EnergyPlus 프로그램을 이용한 에너지 모델링 결과에 의해 검증되었다.

 

소개

 

유럽연합국가의 주거용 건물과 상업용 건물의 에너지소비는 최종 에너지소비의 대략 40%수준이다. 건물에 패시브 디자인을 적용하여 에너지효율을 측정하는 방법은 이제 우선적으로 적용하는 방법이다. 유럽에서 2019년에 이행되어야 하는 또 다른 전략은 대지에서 생산된 신재생에너지로 건물의 에너지 수요를 절감하는 것이다. 에너지 효율 계측(고 성능 단열 및 창호, 배열회수환기, 건물의 지속가능한 설계, 고효율 기기 등)이 대지에서 생산된 신재생에너지원과 성공적으로 결합될 때, 에너지소비와 생산량은 거의 동일한 수준이 되며, 이룩된 결과는 ‘거의 넷 제로 에너지’ ‘넷 제로 에너지’ 또는 ‘에너지 플러스 빌딩’으로 간주될 수 있다. 이러한 용어들이 각각 다른 의미를 갖고, 또한 종종 잘못 이해되더라도, 넷 제로 에너지 빌딩개념은 1년 동안, 전력망으로부터 얻은 공급량만큼 동일한 에너지를 생산한다는 의미를 갖는 빌딩이라고 규정될 수 있다. 실질적으로 제로에너지에 이르는 이 전략의 성공적인 적용은 정의된 목표에 더욱 잘 반응하기위한 어떠한 기술적인 전략을 선택하느냐에 달려있다. 이러한 맥락에서, 이 보고서는 2006년 포르투갈 리스본에서 건설한 태양열 사무소건물의 에너지 성능을 기술하고 있다. 건물의 패시브 설계와 신재생기술(태양전지)을 결합한 설계로 구성된 이 건물은 거의 넷 제로 에너지 건물로써 고려되고 있다. 넷 제로 에너지 건물의 상황에 못 미치는 태양열 건물임에도 불구하고, 설계단계에서 얻은 교훈과 경험은 가치 있는 과정이었다.

 

제로에너지를 향한 주요 단계

넷 제로 에너지 건물 개념에 따라, 이 제로에너지 성능은 결과적으로 2종류의 기본적인 단계를 따랐다. 첫째, 건물에너지 수요를 저감하고, 둘째, 요구에너지의 수요와 공급 평형관계를 달성할 만큼, 다른 에너지 전달기기나 전기생산이다. SOLAR XXI 건물의 관점에서, 설계는 위에서 언급한 두 가지 단계를 모두 수행한다. 첫째, 냉난방, 조명부하를 줄이기 위해 적용된 전략과 수많은 에너지 효율수단을 포함한다, 그리고, 주요 건물 입면에 통합된 태양전지 시스템과 주차장 차양막에 설치된 태양전지 어레이는 연간단위 건물의 전기에너지 소비량의 대략 78%를 충당한다.

 

에너지 수요 저감

SOLARXXI 건물은 National Laboratory of Energy and Geology에 속해 있으며 상주인원은 대략 20명의 사무소이다. 리스본 기후는 일반적으로 5개월 1/3정도는 난방기간으로 일반적으로 따뜻하고 맑은 날이며, 약 4개월은 냉방기간이다. 월 평균온도는 1월에 10.6ºC 8월에 22.6ºC 사이에서 변화하는 지역이다. 평균 난방도일(HDD)은 1190ºC .days 로써 평균최소온도는 8ºC도와 10ºC 사이다. 여름철에, 태양일사량은 일일 6.5 kWh/㎡ 이상의 값에 도달할 수 있으며 최대 온도는 35ºC 이상 높을 수 있으나, 최대 평균공기온도는 여름철에 약 28ºC 이다.

 

건물외피의 열 성능 최적화

 

열 부하를 줄이고, 최적의 열적 안락함을 제공하기 위해 SOLAR XXI 건물설계에서 채택한 전략중 하나는, 고품질의 건물외피 통합을 구성하는 것이다. 이 건물 외피는 발포용 폴리스틸렌 6센티 두께로 외단열되고 22센티 두께의 벽돌조 벽체로 구성되었다. 건물지붕은 발포용 폴리스틸렌 10센티 두께로 외단열 되었다. 창호는 투명 이중창으로 구성되었다. SOLARXXI 건물의 평균외피 열관류율은 0.88 W/㎡ k 이며, 형상계수는 0.33 ㎡/㎥ 이다. 건물외피의 요소특징은 표 1과 같이 요약된다.

 

태양열 에너지 취득/ 패시브 난방

남쪽방향에 면한 주 입면은 창호와 태양전지 모듈이 동일한 비례로 구성되어있다. 건물의 가장 넓은 유리 면적(남쪽입면의 46%와 바닥면적의 12%)은 사무실 공간에, 직접적인 태양에너지를 집광하고, 이 공간에 자연 빛과 열을 공급한다. 주요 창호지역의 위치, 크기, 방향과 같이 필요한 형상을 적용하여 겨울철 태양열 취득량을 증가시키는 것은 건물설계에서 주요전략중의 하나이다.

 

(그림 1)

 

창호를 통한 태양에너지 취득 적용에 추가하여, 태양일사량을 전기로 전환하는 과정에서 버려진 열이 성공적으로 회수될 때, 남쪽입면 통합형 태양전지 시스템은 난방시즌의 낮 시간동안 실내 환경 개선에 기여하고 있다. 태양전지 패널사이와 건물외피 사이에 중간공간이 형성되도록 태양전지 패널이 건물입면에 통합된다. 이 방법으로 이 시스템은 태양전지 패널로 구성된 바깥표면 층과 건물외피로 구성된 내부표면 층으로 구성된다.

 

(그림 2)

 

 

패시브 냉방 설계

 

이 건물은 외부 블라인드가 직접적인 태양열 취득을 제한하기 위해, 유리창 외부에 설치되었다. 지중냉각시스템은 냉각에너지원으로 지중 튜브를 이용하여 건물 내부에 미리 냉각된 공기가 들어오도록 구성되어 있다.

 

(그림 3)

 

 

이 시스템은 직경 30센티의 튜브 32개로 지하 4.5미터 깊이에 묻혀있다. 지중 온도는 연간 13ºC에서 19ºC까지 변동되는데, 이 온도는 여름철동안 훌륭한 냉각에너지원이 된다. 공기는 건물로부터 15미터 떨어진 튜브 어레이에 들어가서, 지중온도 근처까지 튜브 순로를 냉각하게 되고, 이 냉각된 공기는 건물 내 사무실 공간으로 작은 팬을 통해 강제 대류되거나, 자연 대류되어 투입된다. 이 시스템은 실내온도가 매우 높을 때인 무더운 여름날 매우 효율적으로 운영된다. 사무실 실내로 투입된 공기온도는 22~23ºC 로 실내온도를 약 2~3ºC 낮추는 결과를 가져온다.

 

자연 환기/ 자연 조명

자연환기는 건물에서 사계절 내내 중요한 역할을 수행한다. 건물 입면과 지붕레벨에 뚫린 개구부를 통해 굴뚝 효과와 옆바람 효과 때문에 자연환기가 진행된다. 모든 사무실에 조절 가능한 환기구를 갖는 건물입면 개구부는 공기가 실내에서 실외로, 또한 실외에서 실내로 유입되는 역할을 수행한다. 건물의 중앙 홀에서는 천창이 있는데, 이 천청은 굴뚝효과로 자연환기를 가능하게 한다. 일련의 환기전략(낮과 밤)은 여름철에는 매우 안락한 수준을 제공하고 특히, 밤 시간대에는 건물과 건물온도 범위 내에서 낮 시간 동안 축적된 열 부하를 밤 시간동안에 적용한다.

 

(그림 4)

 

 

에너지 생산/ 신재생에너지 통합

이 건물설계에서 신재생에너지 시스템의 통합은 이 프로젝트의 주요 주제중의 하나였다. 건물 에너지 수요를 저감하기위해, 이 건물은 태양전지 다결정질 실리콘 모듈 76개로 구성된 면적 96㎡를 남쪽 건물입면에 적용하였고, 추가적으로 100개의 태양전지 다결정질 실리콘 모듈 95㎡ 은 주차장 차양막 근처에 위치하였다. 2010년까지 전체 최고 전력량은 18kW (건물 입면쪽에서 12kW, 주차장쪽에서 6kW)으로 연간 전력량은 거의 20MkW 에 달했다. 2007년에 태양전지입면 모듈에서 생산된 전력 1,004 kWh/kW, 주차장 모듈에서 생산된 전력 1,041 kWh/kW는 내부 전력망에 연결되었다. 2010년 2월, 주차장 차양막 보조 장치로 새로운 태양전지 12 kWh 가 설치되었는데, 구성은 150개의 태양전지 박막모듈로써, 면적은 110㎡이었다. 이 박막태양전지 모듈에서 생산된 전기는 그 이전 주차장에 설치된 태양전지 모듈 생산량와 거의 유사하였다. 이 건물은 공간난방을 위해 16㎡ 면적의 태양열 집열기 어레이가 지붕위에 설치되었다. 태양열 시스템은 11 MWh 열 에너지를 공급하는데, 5 MWh는 겨울철 동안, 대부분 북쪽에 위치한 방의 공간난방을 위해 사용되었다. 이 태양열 난방시스템은 천연가스 보일러에 의한 난방을 보조하는 설비이다.

 

넷 제로 에너지 성능- 건물에너지 성능

 

그림 5에서 보는 바와 같이, 1차에너지 분포를 계산하기위한 목표로 수치해석결과, 사무소의 기기(컴퓨터, 프린터, 복사기, 팩스)와 데이터로거 가 65%의 1차에너지를 차지했고, 17%가 조명, 12%가 난방(천연가스 보일러) 그리고 대략 5%가 기타를 차지했다.

 

 

 

 

넷 제로 에너지 성능- 전기에너지 소비/신재생 에너지 공급

2007년에 수행된 모니터링 분석결과, 총 전기에너지 소비량은 27MWh 태양전지에 의해 생산된 전기생산량은 21MWh 였다. 그림 6은 2007년에 전기에너지 소비량 대비 태양전지 시스템에서 공급된 에너지에 대한 연간 매월 전기에너지 소비량을 비교한 데이터이다.

 

 

넷 제로 에너지에 도달하기

Solar XXI 건물은 넷 제로 에너지에 도달하기위해 신재생에너지를 포함하여, 에너지 사용량을 저감한 특징으로부터, 에너지 효율적인 해결책과 전략을 도입하였다.

아래 도표는 넷 제로 에너지 주택에 도달하기위한 에너지 소비 대비 에너지 공급에 관한 에너지 균형을 위한 접근방식을 예측한 것이다.

 

 

 

 

Solar XXI 건물이 현재 포르투갈 빌딩코드에 따라 설계된 “정상적인” 사무소건물이라면, 통상적인 사용자들의 부하를 포함하여 대략 연간 에너지원 단위, 101 kWh/㎡. y 이다. Solar XXI 건물이 건물외피 수준을 개선한다면 건물 에너지원 단위는 90 kWh/㎡. y 소비될 것이다. 건물외피를 개선하고, 패시브 기술과 전략을 따른다는 조건이면 이 건물의 연간에너지 소비량은 36 kWh/㎡. y 이 된다. 2007년에 전력회사 전력망에서 사용된 전기에너지의 대략 31%가 청정에너지 기술이라면, 연간 에너지 원단위는 29 kWh/㎡. y 로 줄어든다. 또한, 에너지소비량은 태양전지와 태양열 집열기에 의해 생산된 신재생에너지원 22kWh/㎡. y 적용으로 자체 공급이 되면, 실제 소비량은 더욱 줄어들어, 건물의 최종에너지 소비 대비 공급은 거의 제로에너지 성능에 근접한다. 그러나 추가로 설치된 태양전지로 인하여, 연간 에너지원 단위는 35 kWh/㎡. y 로 증가될 예상이어서, Solar XXI 건물의 에너지 수급은 결국 소비보다 공급이 더 많은 구조가 될 전망이다.

 

맺음말

Solar XXI 건물에 적용된 설계 방안은 건물외피, 주광 성능, 자연 환기전략, 패시브 냉난방 전략, 그리고 신재생에너지 시스템의 통합이었다. Solar XXI 건물의 에너지성능은 포르투칼에서 적용되고 있는 표준형 사무소건물의 에너지성능보다 10배 뛰어났다. 넷 제로에너지 건물의 관점에서 건물에너지 수요와 공급을 바라보면, 신재생시스템을 가진 표준에너지 성능과 혁신적인 에너지성능을 잘 조합하면 특별한 노력 없이도 제로에너지 성능에 도달할 수 있음을 보여줬다. Solar XXI 건물의 설계, 시공과 운영과정에서 습득된 기술은 남유럽 국가에서 수행되는 훌륭한 에너지 프로젝트들이 흥미를 가질만한 실마리를 제공할 것이다.