New & Renewable 2015. 3 Vol. 11, No. 1 ISSN 1738-3935 http://dx.doi.org/10.7849/ksnre.2015.03.1.049 [2015-3-RP-006] 기축건물의제로에너지하우스구축을통한설계및운영최적방안에관한연구 김선근 1)* ㆍ권순욱 2)** The Study of Optimum Method About the Design and Operating through a Zero-energy House Built in the Existing Building Sun-Geun Kim ㆍ Soon-Wook Kwon Received 3 March 2015 Revised 16 March 2015 Accepted 16 March 2015 ABSTRACT In this study existing buildings, house for living people was applied various Active and Passive elements. Based on a plan using energy simulation and construction for 3 months and after that for 27 months the monitoring results, materials are estimated and analyzed, zero-energy house possibility are diagnosed. Since then, to take advantage of this thesis, it s the purpose of this paper used for building effective zero-energy house.. Key words Zero House( 제로에너지하우스 ), New Renewable Active Factor( 신재생에너지액티브요소 ), Photovoltaic ( 태양광발전시스템 ), Solar Hot Water Heating ( 태양열급탕시스템 ), Heat Pump Cooling & Heating ( 지열냉난방시스템 ), Fuel Cell ( 연료전지시스템 ) 1. 서론 1.1 연구의배경및목적 우리나라국가총에너지소비량중가정에서소비하는량이전체의 10.5% 이상을차지하는것으로집계되고있다. 따라서주거분야에서도에너지절감노력이다양하게연구개발되어지고있고, 에너지절감노력의일환으로기존건물에비해에너지소비가적은건물설계및 신에너지및재생에너지 사용이적극적으로요구되고있다. 1) 1) ( 주 ) 대우건설기전담당 E-mail: sungeun.kim@daewooenc.com Tel: +82-10-6642-4358 Fax: +82-2-2288-5489 2) 성균관대학교공과대학건축토목공학부 E-mail: swkwon@skku.edu Tel: +82-31-290-4765 Fax: +82-31-2907570 정부정책또한 2015 년 1월1 일 온실가스배출권거래제법 시행하여온실가스를감축하거나배출권을구매하고, 녹색건축인증제도 (G-SEED) 제정하여에너지및환경적설계를고려한녹색건축인증기준으로에너지절약및환경오염저감에기여한건축물에대한친환경건축물인증을부여하며그린홈백만호보급사업을통해 2020 년까지신재생에너지주택 (Green Home) 100만호보급을목표하여신재생에너지설비를주택에설치할경우설치비의일부를정부가보조지원하는사업을추진하고있다. 2) 또한, 영국은 2016년부터신규건설주택에이산화탄소배출제로화을하여건물을사고팔때에너지효율인증서 (EPC : Performance Certificates) 를의무적제시하게하고, 일본은 2050년까지 60~80% 온실가스감축 Copyright c2015 by the New & Renewable This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
김선근ㆍ권순욱 목표로에너지자립촉진하여각종보조금및정책자금지원통한고효율저에너지건물보급확대해나가고있다. 미국은 2025년도까지제로에너지빌딩의무화 ( 주거용 : 2020 년도, 비주거용 : 2025 년도 ) 하여공공성을지닌민간기관중심으로인증프로그램 (LEED : Leadership in and Environmental Design) 활성화하고있다. EU 또한 ZEB화움직임확산되고있어 2009년 11월 EU각료이사회와 EU의회는건축물의에너지성능에관한지령개정에서 2020 년말까지모든신축주택 업무용빌딩을 ZEB(Zero Building) 화할것 이라는내용을개정지령에포함시키기로합의하였다. 3) 하지만기존사례는국내외적으로많은관심과기대를가지고있는제로에너지분야에기축건물이아닌신축건물이면서전시관이나실험적목적으로구축한제로에너지하우스이여서실질적인내용을연구하는데는한계가있다. 따라서본연구에서는주거시설의대상으로신축이아닌기축건물이면서사람이실제살고있는실거주주택에다양한 Active 요소와 Passive 요소를적용하여제로에너지하우스를 3개월거쳐시공하고, 시공후 27개월동안모니터링한결과를바탕으로얻어진자료를평가, 분석하여앞으로좀더효율적이고생산적인제로에너지하우스를구축하는데이논문의목적이있다. 1.2 연구의범위본연구는제로에너지하우스구축하는데필요한 Active 요소와 Passive 요소중 Passive 요소는검증절차및성능에대해서는제외하고, Active 요소에초점을맞추어진행하였다. 또한 Active 요소중태양광발전시스템, 태양열급탕시스템, 지열냉난방시스템, 연료전지시스템과같이현재건설현장에서적용가능한기술대상으로하였으며, 관련된장비개발이아니라, 즉현존하는기술의조합을통한최적구축방안에초점을맞추고있다. 1.3 관련연구고찰정부및학계에서제로에너지하우스에대한관심이높아짐으로써대형건설사나관련기관에서제로에너지에관한실험적주택을많이건립하고운영하였다. 따라서관련된프로젝트의자료를취합하여본연구논문과의차이점을비교평가해보려고한다. 1) LH The Green 관에적용된녹색기술 ( 대한설비건설협회, 2011) 에서는한국토지주택공사 (LH) 가서울시강남구자곡동보금자리지구에개관한전시관으로이전시관인 The Green 관은주택의에너지성능검증및발전등을위해에너지절약, 친환경, 재활용, 공간가변등총 60여가지의신기술을전시 체험할수있도록만들은전시관으로에너지제로관련 33가지, 친환경 재활용 7가지, 공간가변 9가지, 그린IT 12가지등을적용하였으며기축건물이아닌신축건물로서관련된요소기술들의전시. 체험관이라는한계가있다. 4) 2) 한국형제로에너지하우스 [Green Tomorrow] 구축사례 ( 삼성물산기술연구소센터친환경에너지연구소, 2009) Green Tomorrow 는전시 홍보 실험의목적으로건립되었고총68건의친환경 에너지효율기술의집약을통한에너지제로하우스를달성하게되어건물의친환경인증인국내친환경건축물최우수등급한국에너지기술연구원과미국의 LEED Platinum 인증을획득하였다. 주요내용은삼성물산의제로에너지하우스 Green Tomorrow 개요및 Zero House 기획과정 ( 연간전체에너지수지를 0 또는그이상으로유지 ), Passive 요소 (56%), 발전 (44%), 주요기술은태양광발전시스템, 풍력발전시스템, 지중열냉난방시스템을적용하였고, 특징으로는모든전력을직류로공급하여가정내에서교류의직류변환에따른에너지손실요인제거하였다는것과성능의예측과검증 (E-Quest, ESP-r 프로그램활용 ) 을사용하였다는것이특징일수있다. 하지만기축건물이아닌신축건물로서관련된요소기술들의전시. 체험관이라는한계가있다. 5) 3) 3L House 의설계시공및평가 ( 대림건설, 2006) Eco-3L House 는패시브하우스의개념내에서에너지소비량의목표를구체적으로 3리터 /m 2.a로규정한것이다 ( 독일에서는현재 1리터하우스까지구현된상태 ). 3L 하우스 ( 패시브하우스 ) 라는용어는다양한기술, 설계와재료를이용하는시공표준으로간주되며, 기본적으로저에너지건 50 신재생에너지
기축건물의제로에너지하우스구축을통한설계및운영최적방안에관한연구 축 (low energy house) 을기본모델로고안된것이다. 3L 하우스 ( 패시브하우스 ) 는통상적인냉난방장치없이겨울과여름철에쾌적한실내기후를창출한다. 이를허용하기위해서건물의난방부하가 10W/m 2 를초과해서는안되며, 이적은난방부하는대략평균난방에너지로 15kWh/yr.m 2 정도이다. 따라서 3L 하우스 ( 패시브하우스 ) 는일반적인건물 ( 주택 ) 보다약 80% 정도의에너지를절약할수있다. 적용기술로는고성능창호, 슈퍼단열, 이중외피, 폐열회수환기시스템, 연료전지등을적용하였다. 하지만본연구도사람이살지않는비거주조건에서평가된것으로향후재실조건을형성한측정을통해보다실질적인데이터를도출및하절기실내열쾌적에대한검토를실시할예정으로있다. 6) 4) ZeSH(Zero Solar House)-II 에적용된태양열 + 지열하이브리드시스템사례 ( 한화건설기술연구소, 2011) 주요내용은 ZeSH-I(70% 의열부하를자립하는에너지자립형주택개발 ), ZeSH-II( 전기에너지까지포함한총부하의 85% 이상에너지를자립하는상용화주택기술구현 ) 의개요및적용기술 ( 자연형태양열기술, Active-태양광 태양열 지열등신재생에너지원활용기술 ), 냉난방및급탕을위한신재생하이브리드시스템기술, 태양열 + 지열하이브리드시스템의성능측정및분석 ( 추가비용 20% 이하로총부하의 85% 이상의에너지자립달성 ) 에대해기술하였고이연구의특징은태양열급탕시스템과지열냉난방시스템의계통연계를통한하이브리드시스템구성하여연구를하였다는것이특징으로볼수있다. 7) 5) 제로카본그린홈 (ZCGH) 실증주택은난방에너지 80% 이상절감, 이산화탄소배출량 55% 감축을목표로 2012년 12월에경기도일산의한국건설기술연구원내에건립되였다. 제로카본그린홈은일반주택건축비의 20% 정도가증가하면서 10년내외에투자회수가이루어지는것을목표로하고있다. 8층규모에총15가구로구성되어있으며기준가구인 84M2를포함하여총4가지타입의가구로구성되어있다. 적용기술은에너지자립형제로탄소그린홈건축기술로진공유리, 삼중로이유리, 진공단열재등원천기술과건축기 술을융복합한고효율외피시스템, 여기에에너지관리기술및신재생에너지를통합하여건물에너지소비및이산화탄소배출을제로수준으로최소화하는그린홈구현통합패키지기술이적용되어있다. 하지만제로카본그린홈실증주택도실제로사람이살수있는리얼주택이라는데는의미가있지만모니터링프로젝트처럼기축건물에적용하지않았고다양한액티브요소나패시브요소를적용하지못했다는것에는한계가있다. 8) 2. 제로에너지하우스구축사례 2.1 모니터링프로젝트개요 Fig. 1에서보는것과같이모니터링프로젝트는동탄타운하우스 ( 경기도화성시반송동, 총 23개블록, 214,557m 2, 637세대 ) 지구내에동탄하임프로젝트 ( 경기도화성시반송동, 총 3개블록, 23,716m 2, 99세대 ) 내 333동복층 189m 2 Type에건립되어있다. Fig. 1. Plans of monitoring project 2.2 모니터링프로젝트제로에너지하우스달성개념 Fig. 2에서보는것과같이모니터링프로젝트제로에너지하우스달성개념은패시브요소인단열보강, 창호개선등을통하여는기존설계안대비 40% 에너지를적게사용하고, Active 요소인태양광발전시스템, 태양열급탕시스템, 지열냉난방시스템, 연료전지시스템을이용하여에너지를생산하여제로에너지하우스구현하는개념이다. 2.3 모니터링프로젝트특징모니터링프로젝트의특징은신축건물이아니라기축건 2015. 3 Vol.11, No.1 51
김선근ㆍ권순욱 Table 1. A comparative table of energy production and consumption [Design value] Fig. 2. Concept of Zero House 물에제로에너지하우스를접목하였고, 영상효과나가상의시뮬레이션을통해만들어진단순한전시나관람용주택이아니라사람이실제살고있는실증주택에총 70가지요소기술을적용하였다. 또한, 신재생에너지 Active 요소인태양광발전시스템, 태양열급탕시스템, 지열냉난방시스템, 연료전지시스템등을적용하여세대내의전력, 급탕, 냉난방, 수도, 취사등모든에너지소비가제로가되도록계획되어있는것이특징이다. 모니터링프로젝트요소기술는 Active 요소 5가지, 요소 2가지, Passive 요소 63가지총 70가지요소기술로구성되어있다. 2.4 모니터링프로젝트에너지시뮬레이션 Table 1은모니터링프로젝트의당초설계값및실제운영시측정한실제값을나타낸표이다. 2.4.1 생산에너지 1) 태양광발전시스템설치용량은 5.2kw( 태양전지모듈 200 Wp 26 set), Production consumption Photovoltaic Solar Hot Water Heat Pump Cooling & Heating and fuel cell system. Production and consumption (kwh) project Design value project actual value kwh % kwh % 6,833 Note1 ratio 32.7% 2,671 13.6% 39% 5,604 26.8% 4,572 23.2% 82% 8,454 Note2 40.5% 12,468 63.3% 147% SUBTOTAL 20,891 100.0% 19,711 100.0% 94% Lighting Fixtures 2,097 11.8% 1,921 13.4% 92% Outlet facilities 2,796 15.8% 2,553 17.8% 91% Heating and cooling/hot Water Heating etc. 3,949 Note3 8,878 Note4 22.3% 6,707 46.7% 170% 50.1% 3,189 22.2% 36% SUBTOTAL 17,720 100.0% 14,370 100.0% 81% The amount of energy (Production - consumption) 3,171 5,341 168% [ 주1] 5.2kw 3.65h 30일 12 개월반영 [ 주2] 전기와열생산, 하루 16 시간가동기준임 [ 주3] 지열활용냉난방저감분 ( 냉방 : 581, 난방 : 971, 급탕 : 2,397) [ 주4] 취사 : 2,197, 연료전지도시가스소비량 : 6,68 1포함 크기 (mm) 는 1,500(W) 993(H) 45(D), 중량은 20(kg), 설치수량은 26 set 이다. 가정용축전지는 4,752Ah(99Ah 48set) 가설치되어있고인버터는정격용량이 3kva( 계통연계형 ) + 3kva( 하이브리드형 : 계통연계형 + 독립형 ) 이고정격전압은 AC 220V ± 13V, 정격출력주파수는 60Hz이며기능은기동및정지, 최대전력점추종제어, RS-485 통신지원, 과전압, 저전압, 주파수보호, 계통전압연계, 계통주파수연계, 출력단락시시스템보호, 시스템과열보호, 교류출력단지락보호기능이있다. 당초에는 3,942kWh(3kw 3.65h 9) 30일 12개월 ) 로계획하였으나시뮬레이션결과모니터링프로젝트의전기용량부족이예상되어 6,833kWh(5.2kw 3.65h 30일 12개월 ) 로변경하여설계하였다. 전기에너지생산은 5.2kW(200Wp 26 Set) 3.65h = 52 신재생에너지
기축건물의제로에너지하우스구축을통한설계및운영최적방안에관한연구 18.98kWh / 일, 월로환산하면 570kWh 생산하여대한민국기준소비전력량 280.5kWh / 월, 99m 2 기준이므로약 2배의전력이생산이된다. 99m 2 기준으로했을때 34kWh 99m 2 = 3,366kWh / 12개월 = 280.5kWh 이다. 2010 년도아파트연면적당에너지소비량 34(kWh / m 2 ) 10) 2) 태양열급탕시스템태양열급탕시스템에서생산된에너지를주열원으로하고, 연료전지시스템의발전후배출되는폐열을보조열원으로하였으며, 가정용가스보일러를예비열원으로하는하이브리드급탕시스템으로구성하였다. 설치용량은태양열단일진공관 12m 3, 축열탱크용량 800l이고, 태양열방열기 ( 태양열의과축열을막기위하여환수배관에설치되는열매체온도저감방열기 ), 동파방지컨트롤러 ( 배관의동파방지를위하여온도가 5 이하로내려갈경우펌프를이용하여강제순환하는장치 ) 등이설치되어있다. 일일급탕에너지생산량이 25,920kcal / 일 (12m 2 2,160kcal/m 2 day) 이고 kw로환산하면 30kW(25,920kcal 860kcal/kW) 이다. 또한연간급탕에너지생산량으로계산하면 25,920kcal / 일 186일 = 4,819,237kcal / 860kcal = 5,604kWh / 년이다연료비절감효과가있어일간 LNG 기준절감량은 2.49 Nm 3 (1,904 원상당 ) 이고연간 LNG기준절감량으로하면 2.49 365 = 908.50Nm 3 (694,984원상당 ) 이다또한, 대기환경개선효과기있어석유환산톤 (TOE) 절감량이 0.698 TOE 이고이산화탄소 (CO₂) 절감량은 1.630 TCO₂이다. 해서태양열급탕설치효율은 400l/ 일 (80 ) 생산가능하므로, 환산시 7인가족 1일사용량이생산된다. 대한민국평균가정 1인 1일급탕사용량 : 100l/ 일 (60 ) 11) 3) 지열냉난방시스템설치용량은 5RT이고, 히트펌프 ( 냉방 : 18.2kW(15,652 kcal/h), 난방 : 17.9kW(15,394kcal/h), 지중열교환기 ( 깊이 125m, 2hole 천공 (HDPE PIPE + 벤토나이트그라우트 )), 버퍼탱크및팽창탱크, 열매체순환펌프및냉온수순환펌프가설치되여있다. 냉 / 난방에너지생산은 15,120kcal(5RT 3,024kcal/h 1h) 이고, 환산하면 15,120kcal 860kcal/kW = 17kW 이다. 설치효율는 5RT 3,024kcal/h 1h = 15,120kcal 에 4.5kW 전기를소비하므로 50평대아파트를일반에어컨으로냉방시 6.0kW 전기를소모하므로약 34% 절전효과가있다. 4) 연료전지시스템출력은 1kw ± 10% 이고, 전압은 AC 220V, 크기는 860 616 1,793(W D H) 이다. 부분부하운전가능 (50%, 75%, 100%) 하고도시가스소모량 : 0.25m 3 /h이다. 연간전기에너지생산량은 5,760kWh(1kw 16h 30일 12개월 ) 이고, 연간급탕에너지생산량 (30l/60. h) 2,694kWh(50.5m 3 / 월 12개월 = 606.4m 3 4.4kwh 이다. 연간전기에너지생산량과급탕에너지생산량을합산하면 8,454kwh가된다. 연간전기요금을 70만원절감 ( 월평균전력사용량 400 kwh 사용가정시, 30평형대 ) 하고천연가스 (LNG) 를에너지원으로하여시간당전기 (1kWh) 및온수 (30l/60 ) 를생산한다. 그러므로연료전지시스템설치효율을보면에너지효율측면에서보면약 30% 정도에너지를더소비하는것으로나타났으나, 생산원가측면에서는약 24% 원가절감이되는것으로나타났다. [ 도시가스소모량 : 0.25m 3 /h, 전기생산량 : 1kw/h, 급탕생산량 : 30l/60.h)] 2.4.2 소비에너지에너지시뮬레이션기법을이용한연간부하예측치는제너하임이기존설계안, 즉관련법규를충족하는수준으로시공되는기존건물과대비하여어느정도냉난방에너지절감이가능한지를 Table 2와같이에너지시뮬레이션기법을통해예측하였으며, 그결과는 Table 3과같다. 예측결과를살펴보면모니터링프로젝트에적용된기술을통해기존설계안대비냉난방에너지를약 68.7% 줄일수있음을알수있다. 12) Table 5는에너지관리공단발표한국내주거용건물에서의에너지소비구성비율을나타내주고있다. 2015. 3 Vol.11, No.1 53
김선근ㆍ권순욱 Table 2. simulation input parameters Existing designs (Legislation meets Level) Project designs wall 0.437 0.108 외피관련 roof 0.276 0.087 ( 열관류율, Windows W/m 2 k) and Doors 2.700 0.796 front door 3.000 0.580 Infiltration Amount 0.2 times / hr 0.1 times / hr Room conditions Summer (26 degrees), winter (20 degrees) Remark DOE-2 Residential building Operating schedule operating schedules applicable 주 ] 침기량 (Infiltration Amount) 은건물외피등을통하여계획되지않은외기가실내로침입한공기의양 Table 3. Annual load compared to forecast Existing designs (Legislation meets Level) Project designs Remark Cooling load 7,539 2,208 Heating load 9,427 1 3,108 Total 16,966 5,316 68.7% Table 5. Configuration of energy consumption in the domestic residential buildings Heating Electric Appliances Hot Water Cooking Lighting 59% 14% 12% 11% 15% 2 3 4 5 6 3. 모니터링프로젝트운영결과 3.1 일반사항 본모니터링프로젝트는 2010년 9월부터 2012년 12월까지 27개월간에걸쳐 Fig. 3에있는실시간에너지모니터링시스템 12,13) 을이용하여모니터링을실시하였다. 실시간에너지모니터링시스템은스마트분전반, 스마트전력량계, 원격검침, 태양광, 태양열, 지열, 연료전지시스템의순간및누적에너지변화량을 TCP / IP, RS-485 통신등을이용하여모니터링, 통계화하여실시간으로보여주는시스템이다. Table 4. Inferred annual energy consumption of the building Existing designs (Legislation meets Level) Project designs Reflect reductions utilizing Initially geothermal heating and cooling Remark Cooling 2,513 736 581 [7,539/3 = 2,513 ] Refrigerator coefficient of performance : 3.0 Heating 11,748 3,885 971 [9,427/0.8 = 11,748 ] [3,108/0.8 = 3,885 ] Boiler efficiency : 80% Hot Water 2,397 2,397 2,397 1 (4 / 2) Home Appliances 2,796 2,796 2,796 1 (3 / 2) Cooking 2,197 2,197 2,197 1 (5 / 2) Lighting 2,996 2,097 2,097 1 (6 / 2) 0.3 30% savings from LED lighting Fuel Cell LNG Consumption 6,681 Total 24,647 14,108 17,720 [ 주1] 난방에필요한보일러효율 80%, 냉동기 COP 3.0 부여하여결과도출. [ 주2] LED 조명을통한 30% 절감반영. [ 주3] 냉방및난방은지열활용냉난방저감분반영 [ 주4] 연료전지의도시가스 [LNG] 소비량반영 Fig. 3. Real-time system 3.2 생산량및소비량모니터링결과 Table 6은본연구프로적트에서실시간에너지모니터링시스템을이용하여 27개월동안각각의신재생에너지요소별로에너지생산량과소비량을모니터링한총괄표이다. 모니터링결과생산량과소비량을비교한에너지양 ( 생산량 - 소비량 ) 이 5,341kWh 로제로에너지하우스달성하는데문제가없다. Table 7은실시간에너지모니터링시스템을이용하여연도별로에너지생산량과소비량을집계한값과평균값을분석한표이다. 54 신재생에너지
기축건물의제로에너지하우스구축을통한설계및운영최적방안에관한연구 Table 6. A comparative table of energy production and consumption [Actual value] Produc tion consum ption Production and consumption (kwh) project Design value project actual value kwh % kwh % ratio Photovoltaic 6,833 32.7% 2,671 13.6% 39% Solar Hot Water 5,604 26.8% 4,572 23.2% 82% Heat Pump Cooling & Heating and fuel cell system. 8,454 40.5% 12,468 63.3% 147% SUBTOTAL 20,891 100.0% 19,711 100.0% 94% Lighting Fixtures 2,097 11.8% 1,921 13.4% 92% Outlet facilities 2,796 15.8% 2,553 17.8% 91% Heating and cooling/hot Water 3,949 22.3% 6,707 46.7% 170% Heating etc. 8,878 50.1% 3,189 22.2% 36% SUBTOTAL 17,720 100.0% 14,370 100.0% 81% The amount of energy (Production - consumption) 3,171 5,341 168% Table 7. An analysis table of yearly energy production and consumption Produc tion consu mption Photovoltaic Solar Hot Water Heat Pump Cooling & Heating and fuel cell system 2010 year (10~12) [A] 2011 year (01~12) [B] 2012 year (01~12) [C] Total [D=A+ B+C] Average [E=D/27] Production/ consumption (1 year) [F=E*12] 1,015 2,868 2,127 6,010 223 2,671 1,360 4,678 4,249 10,287 381 4,572 4,904 12,970 10,178 28,052 1,039 12,468 SUBTOTAL 7,279 20,516 16,554 44,349 1,643 19,711 Lighting Fixtures Outlet facilities Heating and cooling/hot Water Heating 618 1,915 1,789 4,322 160 1,921 696 2,294 2,754 5,744 213 2,553 2,949 7,301 4,841 15,091 559 6,707 etc. 236 3,319 3,620 7,175 266 3,189 SUBTOTAL 4,499 14,829 13,004 32,332 1,197 14,370 The amount of energy (Production - consumption) 2,780 5,687 3,550 12,017 445 5,341 3.3 생산에너지분석 Fig. 4는생산된에너지를실시간에너지모니터링시스템으로분석해본결과당초설계치와실제생산한량을비교한그래프이다. Fig. 4. Analysis graph of energy production 1) 태양광발전시스템당초설계목표치대비 33% 전기발전량부족하며원인은날씨와시공문제등이있다. 모니터링기간 852일중 358일이흐렸으며, 이는전체기간중약 42% 에해당한다. 시공상문제점으로는기축건물에시스템을후적용하면서효율감소가발생하였다. 또한, 축전지는충 / 방전시효율이약 10% 감소하고, 최대방전량이 60% 이므로잦은충방전발생으로효율감소에많은영향을끼쳤다. 2) 태양열급탕시스템당초설계목표치대비 15% 에너지생산량이부족하며원인은날씨와유지보수소홀문제등이있다. 또한, 전체생산량의많은부분은아니지만, 열매체보충불량에따른에너지생산중단이발생하였다. 3) 지열냉난방시스템당초설계목표치대비 50% 에너지를과생산하였으며시스템가동시간이많았던것이사유이다. 또한, 세대내냉 / 난방가동을많이하였거나, 필요시즉시사용목적으로일정량의에너지보유가필수이며이를위해주기적으로히트펌프가가동되는메커니즘에대한이해부족이원인이다. 2015. 3 Vol.11, No.1 55
김선근ㆍ권순욱 4) 연료전지시스템연료전지는초기시운전완료후계속해서발생되는급탕수 (30l/h) 처리등의문제로가동을중지한상태이다. 3.4 소비에너지분석 Fig. 5는소비된에너지를실시간에너지모니터링시스템으로분석해본결과당초설계치와실제소비한량을비교한그래프이다. Fig. 7. Standby power shut-off switch 2) 냉 / 난방관련부하는지열히트펌프 6KW, 냉 / 난방순환펌프 1.1kW, FCU 200W로구성되어있고당초설계대비 74% 초과소비를하였으며원인은냉 / 난방을담당하는지열시스템의과다가동이다. 또한, 실제냉 / 난방기과다사용과더불어일정량에너지보유를위한주기적시스템이작동하였고, 냉 / 난방가동이필요없을경우시스템 OFF를위해전기실에서차단기를작동시켜다. Fig. 5. Analysis graph of energy consumption 1) 전등, 전열전등부하는전체 LED조명을적용하였으며, 소비전력은 1.1KW이었다. 또한, 본프로젝트에는외출시일괄로전등및가스를차단하는센서감지형무선일괄제어시스템 [ 디자인등록제30-0617921호 ] 을적용하여전등에너지소비를절감하였다. 12,13) 3) 기타관련부하는연료전지가동을위한도시가스 (LNG) 및연구목적의에너지모니터링에필요한전력과전시관운영목적으로적용된설비이다. 당초설계대비 62% 소비량절감을하였으나, 주된원인은연료전지가동중단으로인한도시가스소비가없었고, 에너지생산및사용을지속적으로모니터링하는실시간에너지모니터링시스템과가정에서생산및소비하는전기를관측하여전력량을표시하여주는스마트디지털전력량계 [ 특허등록제10-0987667호 ] 을적용하여에너지의변화를관측하여 feedback 하여준것도계획대비절감원인이되었다. 12,13) Fig. 6. Wireless Sensor type batch control system 또한, 전체콘센트의약 30% 는조명제어, 온도조절, 에너지모니터링및대기전력을차단할수있는대기전력차단스위치 [ 특허등록제10-1105964 호 ] 를적용하여사용하지않고대기중인전원은자동차단하였다. 결과적으로, 당초설계대비 10% 내외의오차율을보이며, 목표대비절감을하였다. 12) Fig. 8. Digital Smart Meters 56 신재생에너지
기축건물의제로에너지하우스구축을통한설계및운영최적방안에관한연구 3.5 부하종류별에너지소비현황 Fig. 9는부하종류별로에너지소비현황을보여주는그래프로서지열 (46%), 전등 (14%), 서버 (13%), 태양열 (9%), 전열 (9%), FCU(4%), TV & PC(3%), 디밍제어기 (3%) 순으로소비형태를보여준다. 기위하여적정장비실공간확보및설치자재의규격화, 소형화가필요하다. 2) 에너지모니터링결과최초시스템설계시예상했던에너지생산량에미치지못하는결과가발생하여, 이를해결하기위해서는급변하는기후적인영향에따른보수적설계가필요하다. Fig. 9. consumption by type load status 3) 시스템연동과다에따른문제점발생하였다. 이러한문제점으로하자발생시원인규명어려움이있고, 복합연동에따른기기동작시간지연및작동오류가발생한다. 더불어개발소요기간과다발생하고, 중요제어장비에배선집중으로 short 등하자발생하여, 이를해결하기위해서는연동구조단순화및관련개발업체일원화가필요하다. 4. 결론본연구에서는기축건물이면서사람이실제살고있는실거주주택에다양한 Active 요소와 Passive 요소를적용하여 3개월거쳐구축하고, 구축후 27개월동안모니터링한결과를바탕으로주거시설에서제로에너지하우스가능여부검증및어떠한 Active 요소가최적제로에너지하우스구축에필요한지도출해보았다. 또한설계및운영단계시최적설계방안및최적운영방안을제시하므로써향후기축건물에제로에너지하우스를구축하는데활용할수있을것이라고판단이된다. 4.1 최적설계방안 1) 모니터링프로젝트는기축건물에시스템을적용하면서효율감소, 하자발생및유지보수에어려움이발생하였다. 기계실상부설비배관의집중으로인하여결로수가발생하여장비오동작이발생하고, 기계실공간협소에따른해결방법으로배관및장비배치 shop dwg. 이필요하다. 또한, 협소한신발장내설치된서버실의열발생으로장비오작동및노후화가진행된다. 태양광모듈의최적설치조건 ( 정남향, ±30 ) 불량으로효율감소하여 8) 이를해결하 4) 제로에너지하우스는에너지생산을위해서는반드시에너지소비가수반되므로설계시소비하는에너지에대한사전검토를실시하여요금이적게발생되는시스템설계가필요하다. 구체적으로보면전등, 전열은전기에너지를소비한고, 냉 / 난방 ( 지열시스템 ) 은지열히트펌프, 순환펌프등전기에너지가소비된다. 또한급탕 ( 태양열급탕시스템 ) 은순환펌프등전기에너지소비가소비된다. 연료전지시스템은도시가스 (LNG) 소비하므로에너지제로하우스라는의미가요금제로하우스라고볼수는없다. 5) 지열냉난방시스템은냉 / 난방동시운전이불가능한시스템으로환절기등냉 / 난방동시가동이필요한시기에대한시스템보완설계가필요하며이는냉방용보조에어컨및난방용보조보일러적용이필요하다. 6) 연료전지가동시시간당 30l/60 의온수가생산이되고, 태양열급탕에서는하루 400l/80 의온수가생산된다. 태양열급탕시스템의경우여름철에많은에너지를생산하는반면소비는겨울철에주로사용하는문제점이있어잉여에너지처리에대한대책이필요하며이를해결하기위해서는적정용량에대한설계검토및잉여급탕에너지를단지공용부에공급할수있는시스템이필요하다. 2015. 3 Vol.11, No.1 57
김선근ㆍ권순욱 7) 태양광발전시스템의축전지는충전과방전시에에너지소모가발생되며, 수명연한에가까워질수록잦은충방전이발생하여전체적인효율감소의원인이된다. 이에따라양방향전력량계의개발완료에따른계통연계형설계가필요하고, 향후축전지의성능이획기적으로개선될경우에한하여축전지적용을검토하여야한다. 8) 시스템별로 LCC 를고려한설계및운영시들어가는비용을고려하여설계를하여야한다. Table 8은시스템별로 LCC 분석및이에따른투입비용 을기록한표이다. 4.2 최적운영방안 1) 신규개발제품적용으로충분한사전검증이어려워예상치못한하자가발생하므로최초개발시예비품확보및프로그램백업필요하다. 2) 주거목적의주택을전시관으로운영함에따라에너지사용량과다발생하므로순수전시목적의부하를회로분리하여별도로과금하는것이필요하다. Geothermal Heating and Cooling s Solar Hot Water Real-time energy monitoring system Home network system Solar Power LED lighting Hybrid security lights Automatic Control Table 8. -specific LCC profiles Contents Geothermal Heat Pumps Heat exchanger tube cleaning solar collector Server (24 hours) Server (24 hours) Photovoltaic modules Period (years) Cost (million) Remark 10 100 Repair 4 100 15 300 3 100 3 100 25 1,500 Battery 3 3,800 SMPS 4 60 Converter for dimming 4 150 Battery 4 80 Automatic valves and sensors 7 400 DDC 10 1,000 Equipment and piping cleaning Treatment in the event of Treatment in the event of 12 years: 90%, 25 years 80% performance warranty Designed for grid connected Treatment in the event of Treatment in the event of 200Ah nickel cadmium Require the localization of the product 3) 태양열급탕시스템열매체고갈시사용자가시스템유지관리어려움이있어사용자의입장에서조작방법의단순화및자동화가필요하다. 4) 지열냉난방시스템은냉 / 난방이필요할때즉시사용하기위하여일정량의에너지보유가필수적이다. 이를위해주기적으로히트펌프가가동되어전기요금발생의원인이되었다. 이를해결하기위해사용자가가동상태에대한인지를쉽게할수있고시스템차단을간편하게할수있도록시스템을구축하여야한다. 5) 지열, 연료전지, 태양열급탕에서생산되는열에너지중소비후잉여에너지의처리에대한문제가발생하므로전기에너지의상계처리와같은제도적장치마련이필요하다. 6) 지열냉난방시스템의경우에너지생산을위해반드시전기에너지소비가수반되어야한다. 생산된열에너지는현재의상황에서는요금화할수없지만, 소비에너지는전기요금으로직결된다. 이에정부에서는지열시스템적용을장려하기위해누진제가적용되지않는일반용단가의전기요금을적용할수있도록하였다. 일반용단가는전기소비가많은경우에사용량단가가저렴하여혜택을받을수있지만냉 / 난방가동을하지않는계절에도기본요금이발생되는단점이있다. 이를해결하기위해서는전기료에대한현실적인정부지원이필요하며, 지열시스템에적용되는모터부하들의효율개선이필요하다. 58 신재생에너지
기축건물의제로에너지하우스구축을통한설계및운영최적방안에관한연구 7) 연료전지시스템은전기와열에너지생산을위해도시가스를소비하므로도시가스요금을고려할경우, 세대내전기사용량이일정량이상일경우에만경제성이있어시스템가동에제한적인문제가발생하므로원격검침시스템과연동하여세대내전기소비량에따라자동으로가동 / 중단되는시스템구축이필요하다. 4.3 단계별최적방안도출을위한체크리스트앞에서언급한모니터링프로젝트에서설계단계, 운영단계별로발생했던문제점을체크리스트로만들어서 Table 9와 10으로제시하였으며, 향후같은유형의제로에너지하우스구축시효과적으로활용할수있을것으로판단된다. Table 9. Step by Step check list [Design Phase] check list 1. 태양광모듈의최적설치조건 ( 정남향, ±30 ) 설계적용유무확인. 2. 급변하는기후적인영향에따른보수적설계적용유무확인. 3. 전등및전열설비전기에너지소비량확인. 4. 지열냉난방시스템의히트펌프, 순환펌프등전기에너지소비량설계반영여부확인. 5. 태양열급탕시스템의순환펌프등전기에너지소비량설계반영여부확인. 6. 연료전지시스템의도시가스 (LNG) 소비량설계반영여부확인. 7. 지열냉난방시스템은냉 / 난방동시운전이불가능하므로냉 / 난방동시가동위한냉방용보조에어컨및난방용보조보일러설계적용유무확인. 8. 태양광발전시스템계통연계형으로설계반영여부확인. 9. 전시목적의부하와주거부분부하회로분리하여별도과금하는시스템설계반영여부확인. 10. 시스템유지관리비용을최소화할수있는설계적용유무확인. Table 10. Step by Step check list [operational phase] check list 1. 태양열급탕시스템열매체고갈시알람기능이있어쉽게조작할수있도록단순화및자동화유무확인. 2. 지열냉난방시스템은냉 / 난방필요시즉시운전하기위하여자가가동상태에대한인지를쉽게할수있고시스템차단을간편하게할수있도록시스템구축여부확인. 3. 지열냉난방시스템, 연료전지시스템, 태양열급탕시스템에서생산되는열에너지중소비후잉여에너지의처리방법반영여부확인. 4. 연료전지시스템은원격검침시스템과연동하여세대내전기소비량에따라자동으로가동 / 중단되는시스템구축유무확인. 5. 신규개발제품은예상치못한하자가발생하므로최초개발시예비품확보및프로그램백업유무확인. 6. 기계실상부설비배관집중여부유무확인. 7. 기계실공간협소에따른해결방법으로배관및장비배치 shop dwg. 실시여부확인. 8. 서버실의열발생으로인한장비오작동및노후화진행여부확인. 9. 복합연동에따른기기동작시간지연및작동오류발생여부확인. 10. 제어장비에배선집중으로 short 등하자발생시, 이를해결하기위한연동구조단순화및관련개발업체일원화여부확인. References [1] Ministry of Trade Industry and, Master Plan 2, 2014, P36. [2] Chun-Sik Yoo, Comprehension of green energy and sunlight generation system, 2009, P246-269. [3] Woo-young No, JAPAN, towards a new architecture paradigm ZEB, 2010. [4] Korea Mech. Const. Contractors Association, LH The Green' green technologies applied to the tube, 2011. [5] Seung-ho Shin, Korean Zero House Green Tomorrow Success Stories, 2009. [6] Sun-hyo Park, Design and construction and evaluation of 3L House, 2006. [7] Yong-gyŏng Kim, Solar geothermal + hybrid system practices applied in ZeSH-II, 2011. [8] gyeongseok Choi, yongsang Youn, Domestic leading level of high-rise type Zero Carbon Homes Green Homes empirical implementations, 2012, P94. [9] Seoul Development Institute, A preliminary study on introducing solar power generation supporting system with mandatory RPS policies, 2012, P95. [10] economics institute, 2011 Consumption Survey, 2011, P152. [11] Refrigerating Engineers, Volume 4 sanitation. Fire. Environment, 2011, P1.4-7. [12] Jong-uk Sue, [ZENER HEIM] Guidebook, 2010. [13] Jong-uk Sue, [GREEN PREMIUM] Tech source book, 2010. 2015. 3 Vol.11, No.1 59