LEAP 모형을 이용한 건축물의 온실가스 감축 시나리오 분석 : 서울세관건물 그린리모델링 시범사업을 중심으로

1. 서 론

국내 건물부문의 에너지 소비는 2011년 기준 국가 전체 최종에너지 소비의 약 20.5%(42,102 천TOE)를 차지하고 있으며, 이는 1990년 대비 약 59%가 증가한 수치이다(에너지경제연구원, 2013). 2013년 ‘에너지와 기후변화에 관한 주요경제포럼 MEF(Major Economies Forum on Energy and Climate)’ 회의에서는 국가 온실가스 감축목표 달성에 있어서 건물부문의 중요성에 대해 강조하고, UN기후협약의 성공적 이행과 청정에너지 공급 및 건물부문을 포함한 국가 온실가스 감축에 대한 공동의 목표와 기준을 설정하였다(조상규, 2013).

건물부문의 녹색건축 및 온실가스 감축 관련 사업은 그동안 산업통상자원부, 환경부 주축으로 시행되어 왔으나, 2010년 이후 그린홈 100만호 보급사업, 혁신도시 녹색시범사업 등 녹색건축물 조성 관련 사업이 증가하면서 국토교통부 주관사업이 증가하고 있다. 2013년 2월에는 건물부문 온실가스 감축의 핵심 정책으로 ‘녹색건축물 조성지원법’이 제정됨에 따라 녹색건축물 활성화를 위한 다양한 정책들이 발표되고 있다. 최근 국토교통부에는 건물부문 온실가스 감축 및 에너지효율화 전략의 하나인 ‘건축물 에너지 수요 절감을 위한 그린리모델링 활성화 방안’을 발표하였으며, 그린리모델링 창조센터에서는 에너지 절감비용으로 공사비용을 분할ㆍ상환할 수 있는 제도를 운영하고 있다.

한편, 우리나라에서는 녹색건축물 건설에 따른 당위성과 방향성에 대한 연구는 많은 반면, 기존건축물에 대한 온실가스 감축정책 도입효과 및 실증사업을 분석한 연구는 부족한 실정이다.

본 연구에서는 국토교통부의 ‘그린리모델링 시범사업’ 중 하나인 ‘서울세관 별관동 그린리모델링 시범사업’을 대상으로, 장기에너지계획 분석모형(LEAP)을 이용하여 에너지 절감 및 온실가스 감축 효과를 실증 분석하고, 이를 통해 시나리오 별 전력 절감액을 분석하고자 한다.

2. 연구방법

2.1 LEAP(Long-range Energy Alternatives Planning System) 모형의 개요

LEAP(Long-range Energy Alternatives Planning System) 모형은 에너지 절감과 온실가스 감축 효과를 분석하기 위한 모형으로, 스톡홀름 환경연구소-보스톤센터(Stockholm Environment Institute - Boston)에서 개발되었다. LEAP 모형은 정부기관, 비정부 기관, 학계, 컨설팅 회사, 에너지 관련 기업을 포함한 전 세계 약 190개 이상의 국가에서 채택되어 사용하고 있다. LEAP 모형은 다른 모형에 비해 사용이 용이하고, 개도국 연구자들과 학생들은 무료로 사용이 가능하다는 장점이 있다.

LEAP 모형은 넓게는 국가 수준, 좁게는 특정 지역의 에너지 수급을 분석하거나, 수요부문, 발전부문, 전환부문 등 특정부분을 대상으로도 분석이 가능하다. 시간적 범위는 중ㆍ장기로, 대체적으로 20∼50년의 예측 기간을 분석 범위로 한다. 자료는 계층적인 구조(hierarchical tree)로 입력되며, 사회ㆍ경제적 변수들을 입력하는 핵심 가정 모듈, 수요 부문 분석 모듈, 통계 오차 모듈, 전환 부문 분석 모듈, 재고 변화 모듈, 자원분석 모듈, 비에너지 부문 배출량 분석 모듈로 구성된다. 또한 시나리오별로 인구, GDP, 성장률, 산업구조 등의 주요 가정과 수요 부문의 활동도(activity) 파라미터, 에너지 집약도(Energy Intensity) 등을 통해서 부문별 최종 에너지수요를 전망할 수 있다.

본 연구의 경우 에너지 집약도(Energy Intensity)를 통해 에너지 소비량이 결정되도록 하는 에너지소비 활동도 분석(Activity Analysis)과 사용기기의 보급대수(Stock), 기기당 에너지 소비량(Energy Intensity per device)을 통해 분석하는 스톡 분석(Stock Analysis)을 사용하였다(Table 1).

Table 1.

Method of analysis of LEAP model

3. 분석 대상 사업 및 시나리오 구성

3.1 분석 대상 사업

3.1.1 서울세관 그린리모델링 시범사업

서울세관 그린리모델링 시범사업(이하 서울세관 시범사업)은 시범사업 공모를 통해 2013년 3월 19일 국토교통부 고시 제2013-151호 ‘2013년 녹색건축물 조성 시범사업(공공건축물 그린리모델링)’으로 지정되었다.

서울세관 시범사업은 공공건축물의 녹색화를 유도하기 위해 기획설계를 지원하는 설계지원사업과 건축공사ㆍ기계설비공사ㆍ신재생에너지 설치 등의 공사비를 보조하는 시공지원 사업으로 구분되는데, 서울세관 시범사업은 설계지원사업에 해당된다.

서울세관 시범사업은 기존 건축물에 대한 에너지 소비 패턴 분석부터 사후 모니터링까지의 내용을 포함하고 있으며, 사업목표는 크게 4가지로 구분된다.

첫째는 에너지성능 개선을 통해 기존 건축물 대비 1차 에너지 소비량의 20%를 절감하는 것이다. 둘째는 녹색건축물 조성지원법의 에너지절약계획서 단열기준을 준수하여 신축수준의 단열성능을 구현하는 것이다. 셋째는 저비용 고효율 기술의 적용 검토와 기존장비를 최대한 재사용하는 것이다. 마지막으로는 노후화된 외관을 개선하는 것이다.

3.1.2 Seoul Custom 2035 모형 구축

서울세관 시범사업에 따른 에너지 수요를 전망하기 위해 Seoul Customs 2035모형을 구축하였다. Seoul Customs 2035모형은 핵심가정모듈(Activity), 에너지 집약(강도)모듈(Energy Intensity), 에너지 수요모듈(Energy Demand), 환경 부하모듈(Environmental Loading)로 구분된다(Fig. 1).

Fig. 1.

Module of Seoul Custom 2035.

서울세관 별관동의 에너지 사용 용도는 도시가스(LNG)를 에너지원으로 하는 난방ㆍ온수, 취사와 전력을 사용하는 냉방, 조명, 기기 기타로 구분된다. 에너지원으로는 전력의 사용량이 약 80% 정도였고, 도시가스가 나머지를 차지하였다(향후 그린리모델링 시나리오를 통해 태양광 발전이 보급될 예정임). 용도별 에너지 사용량은 기타 기기가 약 40%로 가장 많은 비중을 차지하고 있었고, 조명 23.6%, 냉방 16.8%, 난방/온수 16.1%, 취사 3.8% 순이었다(Fig. 2).

Fig. 2.

Energy balance of Seoul Custom.

3.2 시나리오 구성

본 연구에서는 서울세관 시범사업 내용에 따른 에너지 절감 및 온실가스 감축 효과를 분석하기 위해 시나리오를 구성하였다. 시나리오는 그린리모델링이 실시되지 않는 상황을 가정한 ‘Baseline 시나리오’, 실제 사업을 반영한 ‘그린리모델링 시나리오’(EHP 도입, 단열강화, LED 조명교체), 그린리모델링 사업 수행 시 반영 가능한 ‘행태개선 및 재생에너지보급 시나리오’(행태개선, 태양광에너지 보급), 그리고 ‘그린리모델링 시나리오’와 ‘행태개선 및 재생에너지보급 시나리오’를 동시에 적용하는 ‘통합 시나리오’ 총 4가지로 구성하였다(Table 2).

Table 2.

Scenarios for anlysis energy savings on Seoul Main Customs building pilot project

3.2.1 Baseline 시나리오(BAU Scenario)

Baseline 시나리오(이하 BAU 시나리오)는 그린리모델링이 실시되지 않는 상황을 가정하였다. 따라서 서울세관 별관동의 과거(2009년)부터 현재(2013년)까지의 에너지사용량 감소율을 적용하여 2035년까지 전망하였다.

3.2.2 그린리모델링 시나리오(GRE Scenario)

그린리모델링 시나리오(이하 GRE 시나리오)는 실제 그린 리모델링 사업 내용을 반영한 시나리오로, 설비 부분의 EHP 도입, 건축 부분의 단열 개선, 전기 부분의 LED 조명 교체라는 3가지 사업 내용을 포함하고 있다.

EHP 도입은 설비(기계)부분에서 기존의 GHP(Gas engine Heat Pump) 시스템을 EHP(Electric Heat Pump) 시스템으로 전환하는 내용이다. 세부적으로 EHP 도입은 설비 교체를 통하여 기존 난방ㆍ온수 부문의 주 에너지원이었던 도시가스(LNG)가 온실가스 배출계수가 높은 전력으로 대체되면서 온실가스 배출량이 증가하는 효과를 모형 내 적용하였다. 단열강화는 외피 리모델링과 이중창 설치로 인한 냉ㆍ난방에너지 소비 감소, 차양효과를 통한 조명 사용시간 감소 효과를 포함하고 있다. LED 조명교체는 기존 형광등 및 백열등을 LED 조명으로 교체하면서 에너지소비가 감소되는 내용을 적용하였다.

3.2.3 행태개선 및 재생에너지보급 시나리오(BAR Scenario)

서울세관의 에너지 절감대책(행태개선)과 서울세관 시범사업에는 공간적 제약으로 인해 실시되지 않았지만, 향후 그린리모델링사업 범위에 포함될 예정인 재생에너지 보급(태양광 에너지)을 추가하여 행태개선 및 재생에너지보급 시나리오(이하 BAR 시나리오)를 작성하였다.

‘행태개선’은 2011년부터 전력부문에서 전년도 에너지 사용량 대비 10% 절감을 의무화하고 있는 내용을 참고하여, 분석기간 동안 모형 내 전력 부문에 적용하였고, ‘재생에너지 보급’은 본관동 옥상에 실제로 설치되어 있는 5 kW급 태양광 발전 설비를 별관동 건물에 적용하는 내용을 포함시켰다.

3.2.4 통합 시나리오(TOT Scenario)

통합 시나리오(이하 TOT 시나리오)는 GRE 시나리오와 BAR 시나리오의 모든 효과를 종합하여 모형 내 적용하였다.

위 시나리오를 종합하여 Table 2에 나타내었다.

4. 연구결과

4.1 시나리오별 장기 에너지 절감량 분석

LEAP 모형에 의한 분석 결과, BAU 시나리오의 에너지 수요는 분석기간 동안 연평균 1.2%씩 감소할 것으로 분석되었다. 같은 기간 동안 GRE 시나리오와 BAR 시나리오의 에너지 수요는 각각 연평균 3.8%, 4.6%씩 감소할 것으로 전망되었다. TOT 시나리오는 6.2% 감소할 것으로 전망되었으며, 가장 높은 에너지 절감률을 보였다. 최종년도의 경우, BAU 시나리오(173.8 TOE)를 기준으로 GRE 시나리오의 에너지 수요는 12.2%, BAR 시나리오는 16.1%, TOT 시나리오는 22.6%가 감소할 것으로 분석되었다(Fig. 3).

Fig. 3.

Energy demand forecast for each scenarios.

분석기간 동안 GRE 시나리오, BAR 시나리오, TOT 시나리오의 누적 에너지 절감량은 BAU 시나리오 대비 각각 341.6 TOE, 487.4 TOE, 699.2 TOE인 것으로 분석되었다. 각 시나리오의 연평균 누적 에너지 절감률을 분석해 보면, BAR 시나리오가 3.8%로 가장 높았고, GRE 시나리오가 3.3%, TOT 시나리오가 3.1%인 것으로 나타났다(Fig. 4).

Fig. 4.

Energy saving forecast(compared to BAU scenario).

위와 같은 결과가 나타난 이유는 그린리모델링의 경우, 사업 시행에 따른 효과가 동일하게 나타나는 반면, 행태개선의 경우에는 매년 에너지 절감 효과가 증가하기 때문이다. 따라서 BAR 시나리오의 연평균 에너지 절감률이 그린리모델링을 적용하고 있는 GRE 시나리오와 TOT 시나리오의 연평균 에너지 절감률보다 높은 것으로 분석된다.

4.2 시나리오별 온실가스 감축량 분석

BAU 시나리오의 온실가스 배출량은 2013년 878.2 tCO₂eq에서 2035년 826.2 tCO₂eq로 5.9% 정도 감소할 것으로 전망되며, 같은 기간 동안 GRE 시나리오는 8.8%(연평균 1.8%), BAR 시나리오는 23.8%(연평균 5.3%), TOT 시나리오는 20.6%(연평균 4.5%)가 감소할 것으로 분석되었다(Fig. 5).

Fig. 5.

GHG emission forecast for each scenarios.

분석 결과, 2025년까지는 GRE 시나리오의 온실가스 배출량이 BAU 시나리오의 온실가스 배출량보다 오히려 더 많은 것으로 분석되었다. 이러한 결과는 GRE 시나리오에 EHP 도입으로 온실가스 배출계수가 큰 전력의 사용량이 증가한 내용을 적용했기 때문인 것으로 분석된다. TOT 시나리오의 경우에도 타 시나리오들에 비해 에너지 절감량은 많았지만, BAR 시나리오에 비해 온실가스 감축량이 크지 않은 이유는 EHP 도입으로 전력의 사용량이 증가했기 때문이다.

따라서 온실가스 감축을 가장 많이 한 BAR 시나리오가 GRE, TOT 시나리오보다 더 효과적인 온실가스 감축 시나리오라는 결론을 도출할 수 있다.

분석기간 동안 BAU 시나리오 대비 BAR 시나리오, TOT 시나리오의 누적 온실가스 감축량은 각각 2,768.1 tCO₂eq, 2,030.3 tCO₂eq인 것으로 분석되었고, GRE 시나리오의 경우 BAU 시나리오 대비 오히려 온실가스를 22.5 tCO₂eq 배출한 것으로 분석되었다(Fig. 6).

Fig. 6.

GHG reduction forecast (compared to BAU scenario).

모든 시나리오에서 온실가스를 지속적으로 감축했지만, EHP 도입으로 전력 사용량이 증가한 GRE 시나리오의 경우, BAU 시나리오 대비 오히려 온실가스를 배출한 것으로 분석되었다. 세부적으로 BAU 시나리오 대비 GRE 시나리오의 온실가스 감축 추세를 보면, 2025년까지는 온실가스를 배출하였고, 2026년 이후부터 온실가스를 감축한 것으로 분석되었다. BAR 시나리오와 TOT 시나리오의 경우, 에너지 절감량과는 반대로 BAR 시나리오의 온실가스 감축효과가 TOT 시나리오의 온실가스 감축효과보다 더 큰 것으로 분석되었다.

4.3 시나리오별 전력 절감액 분석

본 연구에서는 LEAP 모형을 이용하여 BAU 시나리오 대비 전력 절감량을 추정하고, 이를 금액으로 환산하였다. GRE 시나리오와 TOT 시나리오는 도시가스를 에너지원으로 사용하는 취사 부문, BAR 시나리오는 난방ㆍ온수, 취사 부문을 제외하고 전력 절감액을 산정하였다. EHP 도입을 적용한 GRE와 TOT 시나리오의 경우, 유지관리비 항목의 운영인건비는 서울세관 시설과 직원이 직접 관리하기 때문에 제외하였다. 보전관리비는 초기투자비의 1.5%를 반영하였고(박률, 2003), 재생에너지 보급에서 태양광발전(5 kW)의 경우, 운전유지비로 고정비의 1%를 적용하였다(김진형, 2010). 추가적으로 모든 시나리오에 적용된 전력가격 인상율은 제6차 전력수급계획에 따라, 과거(2001∼2013년)의 전기요금 인상률 수준을 적용하였다.

위의 조건들을 적용하여 BAU 시나리오 대비 각 시나리오 별 전력 절감액을 산정해 보면, GRE 시나리오는 약 6억 3천만원, BAR 시나리오는 약 7억 3천만 원, TOT 시나리오는 약 10억 5천만 원의 전력 절감액이 발생하는 것으로 분석된다. GRE 시나리오 대비 BAR 시나리오와 TOT 시나리오의 전력절감액은 각각 12.7%, 39.6% 정도 더 높은 것으로 분석되었다(Table 3).

Table 3.

Analysis of electric power reduction cost for each scenarios (unit : million won)

5. 결 론

본 연구에서는 국토교통부의 ‘그린리모델링 시범사업’ 중 하나인 서울세관 별관동 사례를 대상으로, LEAP 모형을 이용하여 시나리오별 에너지 절감과 온실가스 감축 및 전력 절감비용효과를 분석하였다.

시나리오는 총 4가지로, 그린리모델링이 실시되지 않는 상황을 가정한 ‘BAU 시나리오’, 실제 그린리모델링 사업 내용을 적용한 ‘GRE 시나리오’, 서울세관 내 에너지 절감대책(행태개선)에 재생에너지(태양광) 보급을 추가한 ‘BAR 시나리오’, 그리고 GRE 시나리오와 BAR 시나리오를 종합한 ‘TOT 시나리오’로 구성하였다.

2035년 BAU 시나리오의 에너지 수요는 기준년도인 2013년 대비 약 6.1% 감소할 전망이며, GRE 시나리오는 17.5%, BAR 시나리오는 21.1%, TOT 시나리오는 27.3% 감소할 것으로 분석되었다. 분석기간 동안 BAU 시나리오 대비 GRE 시나리오, BAR 시나리오, TOT 시나리오의 에너지 절감량은 각각 341.6 TOE, 487.4 TOE, 699.2 TOE로, TOT 시나리오의 에너지 절감량이 가장 많은 것으로 전망되었다.

BAU 시나리오의 온실가스 배출량은 2013년 878.2 tCO₂eq에서 2035년 828.3 tCO₂eq로 5.9% 정도 감소할 것으로 전망되었다. BAU 시나리오 대비 GRE 시나리오의 누적 온실가스 감축량은 분석기간 동안 약 -26.8 tCO₂eq, BAR 시나리오는 약 2.8천 tCO₂eq, TOT 시나리오는 약 2천 tCO₂eq인 것으로 분석되었다. 이렇게 GRE 시나리오가 타 시나리오에 비해 온실가스를 오히려 배출하는 결과가 나타나는 이유는 EHP 도입에 따라 난방ㆍ온수의 에너지원인 도시가스(LNG)가 온실가스 배출계수가 높은 전력으로 전환되는 요인 때문인 것으로 해석된다.

전력 절감액은 GRE 시나리오의 경우 약 6억 3천만 원, BAR 시나리오는 약 7억 3천만 원, TOT 시나리오는 약 10억 5천만원으로, TOT 시나리오의 전력 절감액이 가장 많은 것으로 분석되었다.

LEAP 모형을 이용한 분석 결과, 누적 온실가스 감축에서 오히려 온실가스를 배출하는 것으로 전망되는 GRE 시나리오보다 매년 온실가스 감축 효과가 증가하는 BAR, TOT 시나리오가 더 효과적인 온실가스 감축 시나리오라는 결론을 도출할 수 있다. 하지만, 그린리모델링은 노후화된 건물의 에너지 효율을 개선하는 것 이상의 쾌적성과 편리성을 함께 수반한다. 따라서 에너지 효율향상 사업들(단열강화, LED 조명교체, 재생에너지 보급 등)을 건물의 특성에 맞게 디자인하고, 이와 함께 행태개선 등을 수행한다면 그린리모델링을 통한 온실가스 감축 효과가 극대화될 것으로 판단된다.

더불어 본 논문은 LEAP 모형의 분석대상이 국가 및 지역을 다루는 타 연구에 비해, 현실적인 데이터 사용과 시나리오 구성을 통한 분석결과를 도출했다는 점에서 연구의 불확실성을 낮췄다는 장점이 있다. 또한 그린리모델링 실증사업을 연구에 적용시켜, 제도 시행 전 실증효과를 산정해보고, 시사점을 도출했다는 점에서 타 연구와의 차별성 및 본 연구의 의의를 찾을 수 있다. 하지만 그린리모델링은 현재 몇 곳의 시범사업 사례만 있을 뿐, 건물의 용도별ㆍ특성별 에너지 절감, 온실가스 저감 효과분석에 대한 연구가 미비하여 시나리오 구성 및 에너지 절감액 산정에 대한 구체성은 한계점으로 지적할 수 있다. 따라서 향후 이런 점들이 보완되어 많은 연구가 진행된다면, 그린리모델링 정책에 대한 면밀한 평가와 효과적인 건물에너지 절감 정책 수립이 가능하리라 사료된다.

Acknowledgments

본 연구는 환경부 『기후변화특성화대학원사업』의 지원으로 수행되었습니다.

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