아마노 노리야스(Amino Noriyasu)

파나홈 주택·기술연구소 쾌적성 연구실장

일본의 에너지 구조와 에너지 소비구조

일본 자원에너지청의 데이터에 따르면 제2차 오일쇼크 이후 석유대체에너지정책 추진 결과 1차 에너지 공급에서 차지하는 석유의 비율은 1973년 76%에서 2006년 44%로 낮아졌으며, 발전 전력량 점유율에서 차지하는 석유의 비율은 1973년 73%에서 2006년 9%로 낮아졌다(그림 1). 다만 화석연료(천연가스, 석탄, LPG, 석유)의 의존도에서 보면 1차에너지 공급에서 차지하는 비율은 2006년 83%, 발전 전력량 점유율에서 차지하는 비율은 2006년 60%로 여전히 높다.

한편 IEA가 발표한 각국의 에너지 자급률을 살펴보면 중국 93%, 영국 83%, 미국 71%인데 반해 일본은 6.6%를 기록한다. 원자력을 일본산으로 하더라도 16.3%로 일본의 에너지 자급률은 이탈리아와 동일한 정도로 현저히 낮다. 2007년 조사한 일본의 에너지 소비구조는 산업부문에서 45.6%, 민생부문 31.2%, 운수부문 23.2%이다. 다만 소비량의 성장 면에서 보면 1973년부터 2007년에 산업부문은 1.0배, 민생부문 2.5배, 운수부문 2.0배로, 민생부문의 에너지 소비량이 증가했다. 이 같은 자료의 분석을 통해 화석연료의 효율적 이용과 재생가능 에너지의 도입촉진에 의해 일본의 에너지 자급률을 향상시키는 것이 향후 에너지 구조에 대한 과제로 남았다는 것을 알 수 있다.

주택 부문에 있어서의 CO2 배출량

일본 환경성에서 발표한 자료에 따르면 일본의 CO2 배출량은 교토의정서 6% 삭감 목표에도 불구하고 증가하는 경향을 보인다. 2006년도 가정 부문의 CO2 배출량은 1억6,600만톤으로, 기초년(1990년)과 비교해 약 30%나 증가했다. 공조나 급탕 설비의 에너지 절약화와 건물 단열에 의한 부하 삭감은 진행되고 있지만, 에너지 절약에 의한 삭감 효과를 웃도는 생활수준의 향상이나 에너지 소비가 있다고 생각할 수 있다.

그림 2에는 파나홈의 2009년 상품인 전체 전기 주택의 하나로써, 연간 에너지 소비로부터 산출된 CO2 배출 총량과 그 내역을 나타낸다. CO2 배출량은 총 약 2.7톤이며, 그 내역은 생활 5대 소비인 난방 20%, 냉방 10%, 조명 9%, 환기 1%, 급탕 16% 및 그 외 가전이 44%로 나타났다. 차세대 단열 기준에 의한 건물의 고단열·고기밀화, 에코큐트를 채용한 급탕 설비, 고효율 타입의 에어컨을 채용한 전체 전기 사양이 표준 설정되어 있다. 더욱이 CO2 저감 추진에는 생활 5대 소비뿐만 아니라 가전제품을 포함한 생활 에너지에 의해 배출되는 CO2의 전체 삭감이 필요하다고 본다.

CO2 저감 모델 사업 프로젝트

생활 에너지로부터 배출되는 CO2를 현재 시판화해 보급할 수 있는 레벨 중에서 가장 많이 삭감할 수 있는 모델을 본 프로젝트에서 검토했다. 프로젝트의 포인트는 첫째, 종래부터 실시되고 있는 주택 본체와 설비라고 하는 하드웨어적 요소에 접근성을 두었다. 둘째, 거주자가 일상적으로 CO2 저감 활동을 정확하게, 그리고 효율적으로 실시할 수 있는 어프로치에 충실하도록 했다. 마지막으로, 해당하는 집뿐만 아니라 어느 가상 그룹을 만들어 그룹 단위에서의 에너지 절약 행동에 의해 보다 큰 삭감 효과를 이끌어냈다. 이렇듯 집과 거리 전체에서의 에너지 절약 효과를 노리고 있다.

프로젝트 전체 개요

그림 3에 본 프로젝트의 전체 개요를 나타낸다. 하드웨어적 요소로는 건물 본체 단열, 패시브 배려, W 발전, W 발전 대응 ECO 매니지먼트 시스템으로 구성되어 있으며, 소프트웨어적 요소로는 매일의 에너지 절약 포인트, 계절마다의 에너지 절약 컨설팅이 적용된다. 이 대처를 효율적으로 추진하기 위해 CO2 저감 모델 사업 사양을 구입하는 사람들에게는 유료 회원 조직 ‘파나홈 후레아이토모노카이’에 입회하도록 해 네트워크 TV나 컨설팅 페이퍼를 전달하는 방법으로 정보를 제공한다. 다음은 프로젝트의 각 요소 기술에 대해 설명한다.

CO2 저감 요소 기술

건물 본체 단열

건물의 단열성은 냉난방 부하에 크게 영향을 받는다. 그래서 이 건물의 단열성 설계에 있어 ‘차세대 에너지 절약 기준’을 건축지 기준으로 삼았다. 본래 4지역 기준으로 좋은 건물을 3지역 기준까지 향상해 단열성을 보다 좋게 했다(3지역이란 니가타·토치기·나가노 등의 한랭지). 이것은 일반적인 지역에 있어서 연간 난방 부하가 냉방 부하보다 큰 경향이 있으며, 따라서 이 난방 부하 즉 열손실을 작게 하려면 건물 단열성을 향상시키는 것이 가장 기본이 된다. 구체적으로는 개구부의 유리를 일반 페어 유리에서 고단열 Low E 유리로 변경하거나, 2층 천정 단열재의 두께를 증가시킨다. 이상에 의해 단열성능은 지역 기준을 통과한다.

패시브 배려

자연 에너지를 유효하게 활용하는 것은 CO2 저감에 있어서 중요하다. 본 모델 사업에서는 3개의 아이템을 채용했다.

▣ 2층 양(凉)환기 팬

그림 4에 2층 양환기 팬의 전체도를 나타낸다. 이 시스템은 여름에 마루밑 공간의 공기를 팬과 덕트를 이용해 2층 침실까지 바로 보내 시원한 느낌과 냉방 부하를 저감시키는 것으로, 파나홈 오리지널 기술이다. 양환기 팬을 취침 약 2시간 전부터 운전시켜 둠으로써, 침실의 온도가 1~2℃ 저하되는 효과를 실험을 통해 확인했다. 이 온도 저하에 의해 하계(60일간：7/15~9/15) 밤 10시 시점에서 28℃ 이하의 일수가 8일에서 21일로 약 3배로 늘어 냉방 운전 시간을 감소시켰고, 그 결과 침실 냉방 부하는 702MJ에서 556MJ로 약 20% 저감되는 것을 확인할 수 있었다.

▣ 풀 와이드 개구

사진 1~3은 풀 와이드 개구의 계절에 따른 사용 예를 나타낸다. 이 샤시는 샤시부 및 망창부를 개구부 옆 공간에 모두 격납해 해방감을 높였다. 일반적인 개구부는 망창이 있어 통상 개구 면적의 반을 차지하기 때문에 하계의 일사 차단 효과와 동계의 일사 취득 효과를 반반씩 나타낸다. 이 풀 와이드 개구는 망창이 개구부 전면에 설치할 수 있는 한편, 전면을 샤시 옆에 수납할 수 있기 때문에 하계는 전면 일사 차단, 동계는 전면 일사 취득이 가능하다. 더욱이 이 망창의 그물은 통상 시판되는 메쉬보다 촘촘하게 되어 있어 하계의 일사 차단 효과를 보다 크게 하고 있다(일사 침입율 0.3). 냉방 부하 9,228MJ에서 8,839MJ로 4.2%를 저감시키고, 난방 부하 역시 14,933MJ에서 14,690MJ로 1.6%를 저감시킨다. 더불어 CASBEE(일본 건축물 종합 환경성능 평가시스템) 거주(단독주택) 일사 조정 기능으로 레벨 5 상당이 가능하다.

▣ 하이브리드 환기 시스템

그림 5에 하이브리드 환기 시스템 개요도를 나타낸다. 통상의 건축물은 건축 기준법에 의해 환기 설비의 설치가 의무화되어 한시간당 환기량으로 건물 용적의 1/2이 필요하기 때문에 환기 설비를 24시간 365일 운전하게 된다. 파나홈은 이 환기에 대해 급기를 직접 바깥 공기로부터가 아니라 마루밑 공간으로부터 얻는 제2종 환기 방식으로 하는 한편, 실내외 온도차가 있는 동계에 한해서 자연 환기(온도차 환기)가 허가되고 있다. 이에 따라 동계는 바깥 공기보다 지냉열에 의해 따뜻한 마루밑 공기를 도입해 열부하를 저감시키는 동시에 동계의 환기 설비 운전이 불필요해져 환기 설비 운전 에너지도 삭감하고 있다. 이에 따라 CASBEE 자연 에너지 이용 레벨 3을 달성했다.

W 발전

가능한 한 계통 전력 부하를 저감하고 자가 발전에 의해 에너지 전송 손실이 적은 에너지를 사용한다는 목적으로 태양광발전과 연료전지의 W 발전 방식을 선택했다. W 발전의 설정 포인트는 첫째, 각 가정의 생활 스타일(예를 들면 가족 인원수나 마루 난방 설비의 선택 등)마다 사용되는 전기와 가스에 의한 CO2 배출량을 계산한다. 둘째, 연료전지로 조달되는 열량(급탕)과 발전량에 의한 CO2 삭감량을 계산한다. 셋째, 첫째와 둘째 결과의 차이를 조달할 수 있는 CO2 삭감이 가능한 태양광발전 탑재량을 계산한다. 이상에 의해 가정에서 나오는 CO2의 수치를 제로로 하고 있는 것이다.

W 발전 대응 ECO 매니지먼트 시스템

CO2 저감의 추진에는 앞서 기술한 하드웨어로서의 장치와 더불어 거주자가 올바르게 에너지 소비 정보를 아는 것 및 효율적으로 에너지를 삭감하는 방법을 아는 것이 중요하다. 그래서 집안에서 통상은 1개월 단위의 전기나 가스의 소비 에너지를 거주자가 보다 알기 쉽게 가시화하기 위해서 W 발전 대응 ECO 매니지먼트 시스템을 채용했다. 이 ECO 매니지먼트 시스템에서는 생성 에너지의 상황(태양광발전과 연료전지 발전량), 전기 회로 마다의 소비 에너지 상황을 시간·일·주간·월마다 표시할 수 있고, 동시에 각각 3개의 표시(에너지는 kWh, 광열비는 엔, CO2 배출량은 kg)로 나타낼 수 있기 때문에 기술자에서 일반인까지 누구라도 알기 쉽게 되어 있다. 게다가 에너지 절약 어드바이스 기능이 첨가돼 있어 전날의 회로마다 소비 에너지 중에서 과소비 되고 있는 회로(에어컨이나 텔레비전이 해당된다)를 알려주어, 사용 상황으로부터 “에어컨을 계속 켜두고 있지는 않으십니까?” 등 많은 어드바이스 중에서 적절한 어드바이스를 매일 모니터에 표시한다. 이 W 발전에 대응하는 ECO 매니지먼트 시스템은 서버를 경유한 기기의 원격 조작도 가능하다. 예를 들면 휴대전화 화면에서 센터 서버에 액세스 함으로써 자택의 조명기구나 설비기기의 사용 상황을 볼 수 있어 에너지 절약을 의식한 기기의 ON/ OFF 원격 조정도 할 수 있다. 이상과 같이 지금까지 막연히 사용하고 있던 에너지가 ECO 매니지먼트 시스템의 도입에 의해 회로마다 정확하게 가시화 됨으로써 나날이 CO2 저감 행동이 계발될 것이라고 생각한다.

에너지 컨설팅

W 발전 대응 ECO 매니지먼트 시스템은 전용 서버에 접속해 각각의 가정에서 생성된 에너지 및 소비 에너지 데이터가 일정 간격으로 서버에 송신되어 이 데이터를 해석하고 각 가정 전용으로 CO2 저감을 촉진시키는 컨설팅을 실시한다. 구체적으로는 계절이 달라지는 3개월을 기준으로 소비된 에너지 데이터를 주간마다 시간마다 회로마다 그래프화해 일상적으로 사용하고 있는 에너지를 제시한다(그림 6). 이 컨설팅을 계속함으로써 작년 같은 시기에 대해 올해는 줄었는지 증가했는지, 더욱이 내년에는 어떻게 할지 고안하는 가족 내에서의 CO2 저감 대책 회의를 촉진시킨다.

또 다른 하나의 특징은 ‘다른 가정과의 비교’이다. 이번 CO2 저감 모델 사업 사양에 입주된 건물주(30세대 상정)로 전체 그룹이 구성되어, 각 가정의 에너지 데이터를 집약해 전체로의 최대 최소 평균치와 자신의 집 에너지 소비를 알 수 있다. 자신의 집이 다른 집에 비해 많은지 적은지, 삭감량이 줄어 들었는지 증가했는지를 살피는 등의 과정을 통해 그룹 속에서 자신의 집의 에너지 사용 상황이 가시화되어 CO2 저감 추진에 자극이 된다(그림 7).

본 프로젝트의 CO2 삭감 효과 시산

그림 8은 본 모델 사업의 1호 당 CO2 삭감 효과를 나타낸다. 폐사의 대표적 플랜 건물의 CO2 배출량은 연간 약 2.8톤이다. 이에 대해 이번 CO2 저감 모델 사업 사양으로 함으로써 CO2 배출량은 마이너스 0.3톤으로 예측된다(생성 에너지의 CO2 배출 계수를 0.69kg-CO2 /kWh：화력 환산치로 했을 경우).

CO2 저감 모델 사업의 추진

본 CO2 저감 모델 사업은 하드웨어 및 소프트웨어의 양면으로부터 입주자에 대해 CO2 저감 활동을 올바르고 효과적이며 계속적으로 추진하는 것을 목적으로 한 프로젝트이다. 이번 CO2 저감 검증기간은 3년간이며, 이 기간 중에는 CO2 저감 현상을 볼 수 있을 것이다. 더욱이 본 모델의 향후 보급이 확대되어 단독주택의 CO2 저감 추진 모델 본보기가 될 것이라고 기대한다.

본 기사는 日本工業出版이 발행하는 월간 クリ-ンテクノロジ-와 기사협약에 의해 轉載한 것입니다.

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