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Annual net-zero electricity feasibility of Riyadh villas depends more on subdivision into separate dwellings than on the 2024 massing rules

본 연구는 리야드 빌라의 경우, 2024년 매싱 규정 변경이 주로 연면적을 증가시키지만 이격 거리 제한으로 인해 태양광 패널 용량 증대 효과는 제한적인 데 반해, 부동산을 여러 주거 단위로 분할하는 것이 연간 넷제로 전력 상태를 달성하는 데 있어 훨씬 더 큰 영향을 미친다는 것을 입증한다.

원저자: Mohammed Alabbasi

게시일 2026-10-13

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CC BY 4.0

원저자: Mohammed Alabbasi

원본 논문은 CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. ✨ 이것은 아래 논문에 대한 AI 생성 설명입니다. 저자가 작성하거나 승인한 것이 아닙니다. 기술적 정확성을 위해서는 원본 논문을 참조하세요. 전체 면책 조항 읽기

햇살이 내리쬐는 사우디아라비아의 도시들에서, 현지에서 '빌라'라고 불리는 단독 주택은 가장 지배적인 주거 형태입니다. 이러한 구조물들은 강렬한 열기를 차단하도록 설계되었지만, 내부를 시원하게 유지하기 위해 에어컨에 크게 의존하며, 이 과정에서 국가 전력의 막대한 부분을 소비합니다. 사우디가 에너지 사용과 환경 목표 사이의 균형을 찾고자 노력함에 따라, 한 가지 중요한 질문이 떠올랐습니다. 과연 이 집들이 지붕 위의 태양광 패널을 통해 일 년 동안 스스로를 온전히 가동할 수 있을 만큼 충분한 전기를 생산할 수 있을 것인가 하는 점입니다. '넷 제로 에너지(net-zero energy)'라고 알려진 이 개념은 집이 사용하는 에너지 양과 지붕이 포착할 수 있는 햇빛의 양 사이의 미묘한 균형에 달려 있습니다. 그러나 건물의 형태와 건설을 규제하는 규칙은 이 균형에 매우 큰 역할을 합니다. 건물 자체나 이웃 건물에 의해 그림자가 많이 지는 넓은 지붕은, 해가 잘 드는 작은 지붕보다 훨씬 적은 전력을 생산할 것입니다.

2024년, 사우디 정부는 더 큰 규모의 주택을 허용하고 하나의 필지를 별개의 독립된 아파트들로 나눌 수 있도록 하는 빌라 건축 규칙을 업데이트했습니다. 그 의도는 주거 밀도를 높이고 더 많은 생활 공간을 제공하는 것이었습니다. 한 연구자는 이 새롭고 더 크며 더 밀집된 형태의 집들이 여전히 스스로 전기를 생성한다는 목표를 달성할 수 있는지 테스트하기 위해 연구를 시작했습니다. 그는 전형적인 리야드 빌라의 상세한 디지털 모델을 구축하고 수천 가지의 변형을 시뮬레이션하여, 새로운 규칙이 태양광 발전량과 주택에 필요한 에너지 사이의 관계에 어떤 영향을 미치는지 확인했습니다. 그는 유지보수를 위해 태양광 패널과 지붕 가장자리 사이에 반드시 두어야 하는 간격이나, 건물의 상층부 및 주변 구조물에 의해 생기는 그림자 등 새로운 규정의 특정 요구 사항들을 모두 고려했습니다.

연구자는 새로운 건축 규칙이 주거 면적을 늘리는 데는 성공했지만, 태양광 패널을 위한 공간을 크게 늘리지는 못했다는 사실을 발견했습니다. 건물은 부지 경계선으로부터 일정 거리 이상 떨어져 있어야 한다는 규칙 때문에, 주요 생활 공간의 크기는 대지의 전체 크기보다는 이러한 간격에 의해 제한되는 경우가 많기 때문입니다. 새로운 규칙이 상층부 확장을 더 크게 허용했을 때, 이는 오히려 태양광 패널을 배치할 수 있는 주요 지붕의 상당 부분을 덮어버렸습니다. 결과적으로, 단독 주택의 경우 스스로의 필요를 충족할 만큼의 전기를 생성하는 능력은 새로운 규칙 하에서도 거의 변하지 않았습니다. 생성된 태양광 전력과 사용된 에너지의 비율은 아주 미미하게 변했을 뿐이며, 이는 새로운 규정이 단독 빌라의 에너지 자립 경로를 크게 돕거나 방해하지 않았음을 의미합니다.

하지만 연구자가 하나의 빌라가 여러 가구로 나뉘는 상황을 살펴보자 이야기는 극적으로 바뀌었습니다. 연구는 한 필지에 거주하는 가족의 수가 건물 자체의 크기보다 훨씬 더 중요하다는 것을 밝혀냈습니다. 집이 세 개의 별도 주거 단위로 나뉘면, 각 가족이 각자의 냉방, 가전제품, 온수를 필요로 하기 때문에 총 전력 수요가 급증하는 반면, 태양광 패널을 위한 지붕 면적은 동일하게 유지됩니다. 시뮬레이션 결과, 단일 가족 주택을 지원하기에 충분했던 토지가 세 가족을 지원하기에는 갑자기 너무 작아졌으며, 이는 가장 효율적인 장비를 갖추더라도 마찬가지였습니다. 400제곱미터의 필지에서 단일 주택은 쉽게 넷 제로 상태에 도달할 수 있지만, 두 가족을 더 추가하면 필요한 토지 크기가 크게 늘어나, 결국 가용한 지붕 면적이 결합된 수요를 충족할 만큼의 전력을 생성할 수 없게 됩니다.

연구자는 또한 사용하는 에어컨 시스템의 종류가 결과에 상당한 차이를 만든다는 점도 발견했습니다. 모델링 결과, 만약 주택이 고급 인버터 방식 대신 표준 단속 제어 방식의 냉방 장치를 사용한다면 에너지 수요가 높아져 넷 제로 달성이 더욱 어려워질 것이라고 나타났습니다. 가장 까다로운 시나리오, 즉 지붕이 물탱크와 에어컨 유닛으로 가득 찬 경우, 연구자는 세 가족이 생활 공간의 상당 부분을 포기하지 않고서는 400제곱미터 필지에서 넷 제로 에너지를 달성할 수 없다는 것을 발견했습니다. 구체적으로, 이를 가능하게 하려면 상층부 확장을 매우 작은 크기로 줄여야 하며, 이는 새로운 규정이 제공하고자 했던 추가적인 바닥 면적을 희생해야 함을 의미합니다.

결국, 이 연구는 이러한 밀집되고 분할된 빌라를 에너지 자립형으로 만드는 핵심이 건축 규정 자체가 아니라, 처음부터 지붕을 어떻게 계획하느냐에 달려 있다고 결론짓습니다. 연구자는 가장 영향력 있는 요인이 유지보수 통로와 장비들을 고려한 후 실제로 태양광 패널을 설치할 수 있는 '가용 지붕 면적'이라고 밝혔습니다. 만약 지붕이 각종 설비로 복잡하거나 건물 구조물에 의해 그늘이 진다면, 태양광 발전 잠재력은 급격히 떨어집니다. 연구 결과는 분할된 빌라가 넷 제로 주택으로서 기능하기 위해서, 건축가와 설계자들이 지붕을 전용 에너지 생성 면적으로 우선순위에 두어야 함을 시사합니다. 즉, 기계 설비들을 그늘진 구역에 모아서 나머지 지붕을 패널을 위해 비워두는 등의 계획이 필요합니다. 이러한 세심한 계획이 없다면, 주거 밀도의 증가는 지붕이 주택에 필요한 전기를 생성하는 능력을 앞질러 버릴 것입니다.

기술 요약: 리야드 빌라의 연간 넷제로(Net-Zero) 전력 실현 가능성

문제 정의
2024년, 사우디아라비아는 빌라 건축 비율을 높이고 단독 가구 빌라를 여러 개의 독립된 주거 단위로 분할하는 것을 허용하는 시정 규정(장관 결정 제4500943139호)을 개정하였다. 이러한 변화는 주거 밀도를 높이는 것을 목표로 하지만, 재생 에너지 통합 측면에서는 중대한 갈등을 야기한다. 즉, 증가된 바닥 면적과 가구 수가 태양광(PV) 어레이에 필요한 제한된 지붕 공간과 경쟁하게 된다는 점이다. 기존 연구들은 외피 조치나 태양광 개보수를 개별적으로 다루며 에너지 절감 효과를 정량화했으나, 본 연구와 같이 2가 2024년의 특정 규제 변화(특히 이격 거리, 부속 건물, 태양광 접근 경로 간의 상호작용)가 리야드 빌라의 연간 넷제로 전력 실현 가능성에 미치는 영향을 다룬 연구는 없었다. 본 연구는 2018년 사우디 건축 법규(SBC 602)의 외피 제한을 준수하는 빌라가 새로운 매싱(massing) 규칙 및 분할 시나리오 하에서도 여전히 연간 넷제로 상태를 달 수 있는지 조사한다.

연구 방법론
본 연구는 300~900 m² 범위의 대지에 위치한 대표적인 단독 빌라 유형을 모델링하기 위해 EnergyPlus 25.1.0과 PVWatts 방정식을 이용한 포괄적인 시뮬레이션 캠페인을 수행하였다.

규제 모델링: 연구는 2024년 규정(이웃 간 이격 거리가 2m에서 1.5m로 감소, 지상/1층 비율 75%로 상승, 상층 부속 건물 제한이 하층의 70%로 상승, 10m의 어레이마다 0.9m의 접근 경로를 요구하는 2024년 태양광 가이드라인 포함)을 기준으로 사전 2024년 보고된 기준선과 비교하였다.
시뮬레이션 캠페인: 대지 크기, 주거 단위 수(1~3개), 외피 U-값, 침투율, 냉방 설정 온도 등 16가지 변수에 대해 라틴 하이퍼큐브 샘플링(Latin hypercube sampling)을 사용하여 1,400개의 설계를 생성하였다.
열 및 PV 모델링: 냉방 부하는 온도 의존적 COP 수정 계수를 적용한 이상 부하 시스템(주 냉방 모델)을 사용하여 계산하였으며, 단일 속도 유닛의 부분 부하 사이클링을 근사하기 위해 1.163 배수를 적용한 민감도 분석을 실시하였다. PV 출력은 파라펫(parapet), 부속 건물, 인접 빌라에 의한 차폐를 고려하여 직달 및 확산 일사량을 모델링하였다.
최적화 및 민감도 분석: 시뮬레이션 데이터에 기반하여 서로게이트 모델(gradient-boosted regression trees)을 학습시켜 Sobol' 민감도 분석과 다목적 최적화(NSGA-II)를 수행함으로써, 넷제로 달성을 위해 필요한 최소 성능 개선치를 식별하였다.
검증: 모델링 체인은 350 m² 빌라의 계측 데이터와 벤치마킹하였으나, 저자는 모델링되지 않은 기저 부하(base loads)로 인한 상당한 차이(NMBE 46%)를 언급하며, 이는 수요 수치의 절대적 검증을 제한한다고 밝혔다.

주요 결과

2024년 매싱 규칙의 영향: 테스트된 대부분의 대지에서 이격 거리가 (건축 비율보다) 1층 면적을 제한하는 것으로 나타났다. 결과적으로 2024년 규칙은 총 바닥 면적을 16~~24% 증가시켰으나, 가용 PV 어레이 면적은 4~~14%만 증가시켰다. 단일 가구의 연간 PV-대-수요 비율은 대지 크기와 지상층 높이 가정에 따라 4% 감소에서 11% 증가 사이에서 미미하게 변동하였다.
분할의 영향: 빌라를 별도의 주거 단위로 분할하는 것은 매싱 규칙보다 넷제로 실현 가능성에 훨씬 더 큰 부정적 영향을 미쳤다. 주거 단위 수가 증가함에 따라, 넷제로를 달할 수 있는 최소 대지 크기는 (잔여 지붕 계수 $\phi_{res}$ 가 0.7일 때) 주 냉방 모델 기준 350 m²(1가구)에서 560 m²(3가구)로 증가하였다. 단일 속도 냉방 조정을 적용할 경우, 이 임계값은 각각 약 435 m²와 650 m²로 높아졌다.
잔여 지붕 계수: PV 설치가 가능한 지붕의 비율( $\phi_{res}$ )은 대지 면적 다음으로 가장 영향력 있는 변수였다. 서비스 및 통로로 인해 어레이 면적의 50%만 사용 가능한 경우, 400 m² 대지의 3가구 모델은 (2024년 바닥 면적 이득의 86%를 포기하고 부속 건물을 71 m²로 줄이지 않는 한) 최대 외피 및 시스템 개선을 통해서도 넷제로에 도달할 수 없었다.
개선 경로: 넷제로 경계 근처의 설계에서는 외피 업그레이드보다 모듈 밀도와 정격 COP를 높이는 것이 더 효과적이었다. 그러나 기밀성(침투율을 0.2 ACH로 감소)을 개선하면 단독 빌라의 넷제로 비율을 최대 10.9%까지 높일 수 있었다.
경제적 현실: 연간 넷제로를 달성한다고 해서 전기 요금이 0원이 되는 것은 아니다. 낮은 자급률(PV가 수요의 34~37% 직접 충당)과 순계량(net-billing) 요금 체계(수입 요금이 수출 크레딧보다 높음)로 인해, 넷제로 설계라 할지라도 상당한 연간 비용(8,396 SAR 중 약 3,250 SAR)이 발생하였다.

의의 및 주장
본 논문은 리야드 빌라의 연간 넷제로 전력 실현 가능성이 2024년 매싱 규칙보다는 별도 주거 단위로의 분할에 더 크게 좌우된다고 주장한다. 연구는 2024년 규칙이 더 많은 바닥 면적을 허용하지만, 그에 따른 가구 수요 증가와 지붕의 물리적 제약(이격 거리, 부속 건물, 접근 경로)이 태양광 잠재력을 심각하게 제한한다는 점을 입증한다.

저자는 다음과 같이 주장한다:

가구 밀도는 바닥 면적 밀도보다 PV 적절성을 나타내는 더 강력한 지표이다. 각 추가 가구는 지붕 면적을 확장하지 않으면서 상당한 수요를 더한다.
건축 비율만을 근거로 한 규제 분석은 PV 잠재력을 과대평가한다. 본 연구는 이격 거리와 걸프 지역 빌라 특유의 기하학적 구조(높은 파라펫, 부속 건물)가 단순한 총 바닥 면적이 아닌 일사량의 주요 제약 요인임을 강조한다.
PV 계획은 분할보다 선행되어야 한다. 분할된 빌라에서 넷제로 실현 가능성을 유지하려면, 가구 밀도를 핵심 설계 제약 조건으로 간주하여 처음부터 PV를 위한 지붕을 계획해야 한다.
넷제로 주장은 엄격한 모델링을 필요로 한다. (이격 거리, 통로 또는 확산 차폐를 무시하는) 단순화된 가정은 넷제로 비율을 크게 과장한다. 본 연구는 단순한 건축 비율에 의존하기보다 이격 거리가 제한된 매싱과 실제 냉방 장비의 성능을 모델링해야 함을 강조한다.

본 연구는 결과가 특정 빌라 유형에 국한되며, 계측된(not metered) 수요에 의존하고, 코너 필지, 지하 공간 거주성 또는 가변 속도 냉방 장치를 고려하지 않았음을 인정하며 그 범위를 겸허히 설정하였다. 본 연구의 결과는 걸프 지역의 주거 밀집화 정책과 재생 에너지 목표 사이의 상호작용을 재평가하기 위한 기술적 근거를 제공한다.

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