ARTICLE 넷제로에너지주택의부하매칭에관한연구 김법전 * 임희원 * 김덕성 ** 신우철 *** *** 대전대학교대학원건축공학과 *** 쏠라테크 ( 주 ) *** 대전대학교건축공학과 A Study of Load Matching on the Net-Zero Energy House Kim Beob-Jeon * Lim Hee-Won * Kim Deok-Sung ** Shin U-Cheul *** *** Department of Architectural Engineering, Graduate School, Daejeon University *** Solar Tech CO.,LTD *** Department of Architectural Engineering, Daejeon University Corresponding author: shinuc@dju.ac.kr OPEN ACCESS Journal of the Korean Solar Energy Society Vol.38, No.4, pp.55-66, August 2018 https://doi.org/10.7836/kses.2018.38.4.055 pissn : 1598-6411 eissn : 2508-3562 Received: 12 June 2018 Revised: 05 July 2018 Accepted: 10 July 2018 Copyright C Korean Solar Energy Society This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution NonCommercial License which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Abstract nzeh (net-zero Energy House) is defined as a self-sufficient energy building where the sum of energy output generated from new & renewable energy system and annual energy consumption is zero. The electricity generated by new & renewable energy system with the form of distributed generation is preferentially supplied to electrical demand, and surplus electricity is transmitted back to grid. Due to the recent expansion of houses with photovoltaic system and the nzeh mandatory by 2025, the rapid increase of distributed generation is expected. Which means, we must prepare for an electricity-power accident and stable electricity supply. Also electricity charges have to be reduce and the grid-connected should be operated efficiently. The introduction of ESS is suggested as a solution, so the analysis of the load matching and grid interaction is required to optimize ESS design. This study analyzed the load matching and grid interaction by expected consumption behavior using actual data measured in one-minute intervals. The experiment was conducted in three nzeh with photovoltaic system, called all-electric houses. LCF (Load Cover Factor), SCF (Supply Cover Factor) and (Grid Interaction Index) were evaluated as an analysis indicator. As a result, LCF, SCF and of A house were 0.25, 0.23 and 0.27 respectively; That of B house were 0.23, 0.23, 0.19, and that of C were 0.20, 0.19, 0.27 respectively. Keywords: 계통상호작용 (Grid Interaction), 분산발전 (Distributed Generation), 부하매칭 (Load Matching), 넷제로에너지주택 (net-zero Energy House) 기호설명 : 수전전력 (kw) : 송전전력 (kw) : 계통상호작용지표 (-) Journal of the Korean Solar Energy Society Vol. 38, No. 4, 2018 55
한국태양에너지학회논문집 : 발전전력 (kw) : 전기부하 (kw) : 계통순전력 (kw) 그리스문자 : 부하커버팩터 (-) : 공급커버팩터 (-) 1. 서론넷제로에너지주택 (net-zero Energy House, nzeh) 은연간에너지소비와신재생에너지시스템 (New & Renewable Energy System) 의생산된에너지합이 0이되는에너지자립주택을의미한다. 넷제로에너지주택의기술요소는패시브 (Passive) 요소와액티브 (Active) 요소를결합하여에너지소비를최소화하고태양광발전시스템이나태양열시스템, 연료전지등과같은신재생에너지시스템을이용하여에너지를공급하게된다. 여기서계통연계된신재생에너지시스템은소규모분산발전 (Distributed Generation) 의한형태로, 생산된전력은주택의전력수요에우선공급되며잉여전력은계통으로역송전된다. 그러나최근태양광발전주택의보급확대와 2025 년제로에너지건물의무화정책에따라이와같은분산발전의급격한증가가예상되며, 이과정에서계통연계운영에따른전압변동, 주파수변동으로인한계통불안정, 고장이나휴전으로계통분리시감전위험 1) 등이문제점으로제기되고있다. 이에효율적인계통연계운영과전력사고의대비, 전력공급의안정성등의해결방안으로에너지저장시스템 (Energy Storage System, 이하 ESS) 의도입과더불어분산발전의형태로넷제로에너지주택을평가하기위한부하매칭과계통상호작용 (Load Matching and Grid Interaction, 이하 LMGI) 의정량적지표가제안되고있다 2). 이와관련하여 Voss et al. 3) 은 IEA Task 40/Annex 52를통해수행된연구일환 (Subtask A) 으로제로에너지빌딩의 LMGI 에대한정량적지표를제안하고그결과를예측하였다. 이어 Salom et al. 4) 은가장일반적으로언급되는 LMGI 의정량적지표를소개하고사례건물에적용하였으며, 그결과제로에너지빌딩의다양한부하관리전략 (Load Management Strategies) 에대한평가수단으로 LMGI 지표가갖는유효성을강조하였다. 또한 Salom et al. 5) 은시뮬레이션과실측된 5개의사례분석을통해제로에너지건물에적용된다양한 LMGI 정량적지표의장단점을평가하고, 사용자그룹에가장적합한지표를제안하였다. 한편 2017년부터계약전력 1천 kw 이상의신축공공기관에대해계약전력 5% 이상규모의 ESS 설치를의무화하고있는국내에서도, 전력소비비중이 13.3% (2016년기준 ) 를차지하는주택분야 ( 가정용 ) 에대한소형 ESS 도입이점차제기되고있다 6). 이에따라현저히떨어지는소형 ESS 에대한경제성을보완하기위해설치보 56 Journal of the Korean Solar Energy Society Vol. 38, No. 4, 2018
넷제로에너지주택의부하매칭에관한연구 _ 김법전외 조금과 ESS 기본요금및충전전력할인, ESS 자가소비인센티브제공등의논의와더불어 ESS 최적화설계를위한국내제로에너지주택의 LMGI 관련실태파악이요구되고있다. 따라서본연구에서는태양광발전시스템이설치된 3가구전전화주택 (All Electric Houses) 을대상으로제로에너지주택에서예상되는다양한에너지소비행태에따른 LMGI 를 1분간격으로측정된실측자료를기반으로분석하고, ESS 도입에따른기초자료로제공하고자한다. 2. 실증주택 2.1 실증주택현황 Fig. 1은대전광역시유성구죽동 ( 위도 36.38, 경도 127.32 ) 에위치한실증주택 3가구의전경을나타낸것이다. Table 1과같이이들주택은거의동일한구조및규모를갖는 3층건물로정남향으로배치되어있으며, 취사와난방, 급탕을포함한모든에너지를전기로사용하고가스및유류등은전혀공급되지않는전기에너지주택이다 7). Fig. 1 Overview of houses Table 1 Architectural overview House A B C Building area (m 2 ) 87 87 87 Total floor area (m 2 ) 203 194 184 Table 2는실증주택의재생에너지시스템의설치현황을나타낸것이다. 모든주택에는 3 kwp 의계통연계형태양광발전시스템과냉난방및급탕공급을위한지열히트펌프시스템이설치되어있으며, 그용량은 A와 C 주택및 B 주택이각각 5 RT와 3 RT로설계되었다. 한편 B 주택은 4 m 2 의태양열급탕시스템이추가로적용되어있다. Journal of the Korean Solar Energy Society Vol. 38, No. 4, 2018 57
한국태양에너지학회논문집 Table 2 Renewable energy systems House A B C Remark Photovoltaic system (kwp) 3 3 3 Ground source heat pump (RT) 5 3 5 Solar hot water system (m 2 ) - 4 - Evacuated tube collector area 각주택의태양광모듈은 30 경사각의지붕에덧댄형식으로아스팔트싱글 (Asphalt Shingle) 마감재상부가 대에통기형으로설치되었으며, 연간주변장애물에의한음영발생은없는것으로나타났다. 2.2 실증주택원격모니터링시스템 Fig. 2는실증주택에설치된웹기반원격모니터링시스템개념도를나타낸것이다. 인버터와각종센서는 RS-485와 RS-232C 통신과연결된원격단말장치 (RTU : Remote Terminal Unit) 를통해서버컴퓨터의데이터베이스에전송되며, 웹서버를통해개인컴퓨터또는스마트폰으로도데이터를확인할수있다. Fig. 2 Web-based remote monitoring system 3. 실증주택의에너지성능평가 3.1 실증주택의발전및전력소비 Figs. 3~5는각주택의월별일일태양광발전량과전력소비량을비교한것이다. 3 가구모두동일한발전형태로 5월 15.5 kwh/day로가장많이발전되었으며, 가장적은 11월의 5 kwh/day에비해 3배이상증가하였다. 이에반해전력소비는태양광발전과매우대조적인형태를보이고있다. 모든주택에서 1월전력소비가가장높고 5~6월과 9~10월에가장낮은유사한분포를갖고있으나, 월별최대편차는 B 주택의 2.4배에서 C 주택의 3.5배까지나타났으며, 각주택의연간사용량이큰차이가있는것을알수있다. 58 Journal of the Korean Solar Energy Society Vol. 38, No. 4, 2018
넷제로에너지주택의부하매칭에관한연구 _ 김법전외 Fig. 3 PV generation (left) and electricity consumption (right) for house A Fig. 4 PV generation (left) and electricity consumption (right) for house B Fig. 5 PV generation (left) and electricity consumption (right) for house C 3.2 실증주택에너지자립율 Table 3은태양광발전에따른실증주택의연간에너지자립율 (Energy Independence Rate, EIR) 을평가한것이다. 3 주택의연간태양광발전량은 4,112~4,167 kwh로거의동일한반면, 전력소비량은 5,459~10,146 kwh로매우상이한분포를보이고있다. 이에따른식 (1) 의연간에너지자립율은 A 주택이 40.5%, B 주택 76.3%, C 주택 46.6% 로나타났다. Journal of the Korean Solar Energy Society Vol. 38, No. 4, 2018 59
한국태양에너지학회논문집 (1) 이상의결과를통해, 실증주택에태양광발전시스템이 (1~5kWp) 추가로설치되는경우넷제로에너지를예 상할수있다. 따라서본연구에서는 A 와 B, C 주택에각각 5 kwp 와 1 kwp, 4 kwp 의태양광발전시스템을증 설하고발전량은기존설치용량에비례한다는전제하에, 이들실증주택을넷제로에너지주택으로가정하였다. Table 3 Energy independence rate House PV capacity (kw) Before PV expansion PV generation (kwh) Electricity consumption (kwh) EIR (%) PV capacity (kw) After PV expansion PV generation (kwh) Electricity consumption (kwh) A 3 4,112 10,146 40.5 8 10,280 10,146 101.3 B 3 4,167 5,459 76.3 4 5,556 5,459 101.7 C 3 4,143 8,889 46.6 7 8,977 8,889 100.9 EIR (%) 3.3 에너지제로주택의 PV 발전및전력소비형태 Figs. 6 ~ 8은 A( 제로에너지 ) 주택의계절별일일소비전력및태양광발전분포를나타낸것이다. 소비전력을살펴보면계절별편차는있으나 250 ~ 1,000W 전력이지속적으로사용되고있으며, 냉 난방부하특성에따라히트펌프의작동이상이한것을알수있다. 동절기 (Fig. 6) 오전태양광발전전력은히트펌프의난방작동동력으로우선공급되고오후대부분계통으로송전되는반면, 하절기 (Fig. 8) 에는오전대부분계통으로송전되고, 오후냉방동력으로많은전력이사용되고있다. 한편중간기 (Fig. 7) 에는대부분의태양광발전전력은계통으로송전되고있다. Fig. 6 Electricity consumption and PV generation for selected day in winter season 60 Journal of the Korean Solar Energy Society Vol. 38, No. 4, 2018
넷제로에너지주택의부하매칭에관한연구 _ 김법전외 Fig. 7 Electricity consumption and PV generation for selected day in intermediate season Fig. 8 Electricity consumption and PV generation for selected day in summer season 4. 넷제로에너지주택의부하매칭 4.1 분석지표본연구에서는부하매칭 (Load Matching) 과계통상호작용 (Grid Interaction) 의정량적평가지표로부하커버팩터 (Load Cover Factor, LCF) 와공급커버팩터 (Supply Cover Factor, 이하 SCF) 및계통상호작용지표 (Grid Interaction Index) 를각각분석하였다. LCF 는전력소비량에실시간으로공급되는 PV 발전량의비율을의미하며식 (2) 와같이정의된다. (2) SCF 는태양광발전량에서실시간으로소비되는전력량의비율을나타내며식 (3) 과같이정의된다. (3) Journal of the Korean Solar Energy Society Vol. 38, No. 4, 2018 61
한국태양에너지학회논문집 계통상호작용지표, 는가장높은절대값으로정규화 (Normalized) 된송전이나수전된전력의변동성을 나타내는지표로서식 (4) 와같다. (4) 여기서 (5) 4.2 분석결과 Figs. 9~11은전술한계절별일일태양광발전및전력소비형태를 LCF 와 SCF 로분석한것이다. 일조시간이길고냉방전력사용량이많은하절기일평균 LCF 는 0.51로가장높았으며, 중간기의 0.41 과동절기의 0.25 순으로나타났다. SCF 는동절기와하절기에각각 0.32와 0.26이되었으며, 중간기가가장낮은 0.08 로대부분의발전전력이계통으로송전되는것을의미한다. Fig. 9 Load cover factor (left) and supply cover factor (right) for selected day in winter season Fig. 10 Load cover factor (left) and supply cover factor (right) for selected day in intermediate season 62 Journal of the Korean Solar Energy Society Vol. 38, No. 4, 2018
넷제로에너지주택의부하매칭에관한연구 _ 김법전외 Fig. 11 Load cover factor (left) and supply cover factor (right) for selected day in summer season Figs. 12 ~14 는제로에너지주택의월별부하매칭을비교한것이다. 주택에서 LCF 는가장낮은 11월이 0.11 로, 가장높은 5월의 0.44와큰편차를드러내며연평균 LCF 는 0.25가되었다. SCF 는 5월이가장낮은 0.15, 11 월이가장높은 0.41로연평균 SCF 는 0.23이되었다. 전력소비량이가장적고태양열급탕시스템이설치된 B 주택의월최저및최고 LCF 는 11월과 5월이각각 0.09와 0.45 로 A 주택에비해그편차는더욱증가하였으며, 연평균 LCF 는 0.23이되었다. SCF 는 1월이가장낮은 0.15, 8월이가장높은 0.41 로다소상이한분포로보였으 Fig. 12 Monthly LCF and SCF for house A Fig. 13 Monthly LCF and SCF for house B Journal of the Korean Solar Energy Society Vol. 38, No. 4, 2018 63
한국태양에너지학회논문집 Fig. 14 Monthly LCF and SCF for house C 나, 연평균 SCF 는 A 주택과동일한 0.23 으로나타났다. 한편 C 주택은 LCF 는 11월과 6월이각각 0.08과 0.37 이되었으며, 연평균 LCF 는 0.20 로다른주택에비해다소낮게나타났다. 또한 SCF 는 5월이 0.14로가장낮고, 11월이가장높은 0.33으로연평균 SCF 는 0.19가되어 A와 B 주택의 0.23 에비해큰차이를보이고있다. 이상의분석결과제로에너지주택의부하매칭은덴마크와스웨덴의실증주택 4가구 2) 의 LCF (0.14~0.239) 와 SCF (0.216~0.588) 와유사하나, 전력소비량에는부합하지않음을알수있다. 또한이는사무소건물 2) 의 LCF (0.582), SCF (0.575) 에비해낮은수준이다. Fig. 15는계통순전력 (ne) 의지속곡선 (Duration Curve) 을비교한것이다. 순전력이 0이될때완벽한부하매칭을의미하며 (+) 와 (-) 는계통을통한송전및수전을나타낸것으로, 연간 8,760시간중약 30% 에해당하는 2,700시간내외계통송전상태에있으며, 나머지대부분시간은수전되고있는것을알수있다. 한편전력소비량이가장많은 A 주택과 C 주택의지속곡선은거의유사한분포를보이고있다. A 주택의최대송전전력은 8.4 kw로 C 주택의 7.91 kw에비해높았으나, 최대수전전력은각각 9.77 kw와 10.30 kw로 C 주택이오히려다소높게나타났다. 전력소비량이가장적은 B 주택의경우계통순전력은두주택에비해확연히낮은분포를갖고있으며, 최대송전및수전전력은각각 4.16 kw와 7.37 kw로나타났다. Fig. 15 Duration curve for the net exported electricity 64 Journal of the Korean Solar Energy Society Vol. 38, No. 4, 2018
넷제로에너지주택의부하매칭에관한연구 _ 김법전외 Table 4 는제로에너지주택의 를분석한것이다. 지속곡선에서확인된바와같이소비전력과태양광발전 용량이유사한 A 와 C 주택이소비전력이적은 B 주택에비해변동성이큰것을알수있다. Table 4 Yearly grid interaction index House A B C 0.27 0.19 0.27 5. 결론본연구에서는태양광발전시스템이설치된 3 가구전전화주택을대상으로제로에너지주택에서예상되는다양한에너지소비행태에따른부하매칭과계통상호작용의정량적평가지표를 1분간격으로측정된실측자료를기반으로분석하였으며그결과를요약하면다음과같다. (1) 제로에너지주택 3 가구의 LCF 와 SCF 는각각 0.20 ~ 0.25와 0.19 ~ 0.23으로덴마크와스웨덴에서실증된제로에너지주택 4가구의유사한수준으로나타났다. (2) 에너지제로주택에서연간 8,760시간중약 30% 에해당하는 2,700시간내외계통송전상태로나타났으며, 나머지대부분시간은수전상태가되었다. (3) 계통순전력의변동성을나타내는계통상호작용지표, 는 0.19 ~ 0.27이되었으며, 소비전력과태양광발전용량이증가할수록높게나타났다. (4) 국내저렴한전기료로인해저용량가정용배터리의경제성이현저하게떨어지는현실을고려할때, 부하평준화를통해제로에너지주택의부하매칭수준을높이는방안이선행되어야할것으로판단된다. 후기 본연구는 2017 년도산업통상자원부의재원으로한국에너지기술평가원 (KETEP) 의지원을받아수행한연 구과제입니다 (No. 20173010140800). REFERENCES 1. Ahn, J. B. and Kim, Y. S., Distributed Generation and Grid Connection Technology, Journal of Electrical World Monthly Magazine, Issue. 347, pp. 12-20, 2005. 2. Salom, J., Marszal, A. J., Candanedo, J., Widén, J. Lindberg, K. B., and Sartori, I., Analysis of Load Match and Grid Interaction Indicators in NZEB with High-Resolution Data, IEA Task 40 / Annex 52, pp. 1-100, 2013. 3. Voss, K. Sartori, I. Napolitano, A. Geier, S. Gonzalves, H. Hall, M. Heiselberg, P. Widén, J., Candanedo, J. A., Musall, E., Karlsson, B., and Torcellin, P., Load Matching and Grid Interaction of Net Zero Energy Buildings, EuroSun 2010, Graz, Austria, 2010. 4. Salom, J., Widén, J., Candanedo, J., Sartori, I., Voss, K., and Marszal, A., Understanding Net Zero Energy Journal of the Korean Solar Energy Society Vol. 38, No. 4, 2018 65
한국태양에너지학회논문집 Buildings: Evaluation of Load Matchinbg and Grid Interaction Indicators, 12th Conference of International Building Performance Simulation Association, Sydney, 2011. 5. Salom, J., Marszal, A. J., Widen, J., Candanedo, J., and Lindberg, K. B., Analysis of Load Match and Grid Interaction Indicators in Net Zero Energy Buildings with Simulated and Monitored Data, Applied Energy, Vol. 136, pp. 119-131, 2014. 6. INI R&C, A Survey on the Current State of ESS Enlargement Policies and Proposal for Introduction of Domestic ESS in Response to the New Climate Regime, Korea Energy Agency, 2017. 7. Baek, N. C., Kim, S. B., Oh, B. C., Yoon, J. H., and Shin, U. C., Energy Performance Evaluation of Low Energy Houses using Metering Data, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 27, No. 7, pp. 369-374, 2015. 66 Journal of the Korean Solar Energy Society Vol. 38, No. 4, 2018