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문제 정의
- 본 연구에서는 신·재생에너지 이용 인증대상 건축물에서 소요되는 에너지의 일부를 지붕형 태양광 설비를 통해 생산된 전력으로 충당하고자 할 때, 특정 선정기준에 따른 태양광 어레이의 최적 배치안을 선정하는 프로세스 모델을 구축하고자 한다.
제안 방법
- 또한, 반구체상 모든 지점들의 섹터분류인 스카이맵 구성을 통해 산란광을 산출한 후, 직사광과 산란광을 합하여 각 그리드별로 일사량을 산정한다. 1년 중 매월별로 태양의 위치 및 고도가 조금씩 달라지기 때문에, 월별 일사량을 별도로 산정한 후 12개월의 일사량 총합을 계산하여 그리드별 연간 일사량을 최종 산출한다.
- 본 연구에서 구축하고자 하는 지붕형 태양광 어레이 배치 최적화 모델은 3차원 지형공간정보 모델을 기반으로 하여 시설물 및 인접 건축물에 의한 음영분석을 통해 어레의 최적 배치안을 산출하는 모델이다. 3차원 지형공간정보 모델링을 통해 지붕의 각 그리드별 일사량을 산정하고, 기온 데이타를 반영하여 그리드별 발전량을 산정한 후, 일정 크기의 태양광 어레이를 그리드에 배치하고자 할 때, 선정기준에 따른 태양광 어레이의 최적 배치안을 도출하는 프로세스 모델을 구축하였다.
- 본 연구에서는 신·재생에너지 이용 인증대상 건축물에서 소요되는 에너지의 일부를 지붕형 태양광 설비를 통해 생산된 전력으로 충당하고자 할 때, 특정 선정기준에 따른 태양광 어레이의 최적 배치안을 선정하는 프로세스 모델을 구축하고자 한다. 3차원 지형공간정보를 활용하여 건축물 지붕을 일정간격의 그리드로 나누고, 그리드별로 방위각, 경사도, 음영영역을 정밀하게 분석하여 일사량과 발전량을 산정하고, 유전 알고리즘을 사용하여 일정 크기의 태양광 어레이의 최적 배치안을 도출하고자 한다. 태양광 어레이의 배치안 선정기준으로는 발전량의 최대값 기준인 PGmax, 수익에서 비용을 차감한 순현재가치의 최대값 기준인 NPVmax, 그리고 인증등급을 만족시키는 발전량 수준에서의 최대 NPV 기준인 NPVneed의 세가지 항목을 적용한다.
- ArcGIS 9.3.1에서 산출된 그리드별 좌표와 일사량 데이터를 엑셀 2007로 불러 온 후, 매크로와 함수를 사용하여 일정 크기의 태양광 어레이가 배치될 수 있는 모든 경우의 수를 도출하고 상호 중첩여부를 체크한다. 지붕이나 옥상에는 사용자의 요구나 설계자의 의도에 의해 조형물, 조형수, 통로나 휴게공간 등 경관 편의 시설이 설치되는 경우가 있다.
- 신·재생에너지 공급률에 따른 신·재생에너지 이용 건축물 등급은 3등급에 해당한다. 각 어레이의 선택여부가 상호간 독립적으로 결정되도록 레시피(Recipe) 계산 방식을 적용하였으며, 모집단 크기(Population Size)는 50, 돌연변이율(Mutation Rate) 0.1, 교배율(Crossover Rate) 0.5를 적용하여, 총 유효 반복회수가 3,885회로 시뮬레이션 되었다.
- 대상 건축물의 3차원 설계모델링은 건축설계 단계에서 오토 캐드나 3차원 설계 툴을 사용하여 구축한다. 최근의 건축설계에 서는 대부분 3차원 설계툴이 적용되는 추세로 3차원 설계모델링의 구축은 용이하게 진행될 수 있다.
- 1에 포함된 일사량 툴은 DSM형태 래스터 파일의각 그리드별로 일정 기간 동안의 일사량을 산정하여 데이터베이스의 형태로 저장한다. 대상 래스터 파일의 각 그리드에서 하늘을 바라볼 때의 가시영역을 반구체로 표현하는 가시영역을 구성하고, 반구체 투영면 상에 하루 중 특정 시간대 및 일년 중 특정 기간대에 따라 변화되는 태양의 경로를 나타내는 썬맵 구성을 통해 직사광을 산출한다. 또한, 반구체상 모든 지점들의 섹터분류인 스카이맵 구성을 통해 산란광을 산출한 후, 직사광과 산란광을 합하여 각 그리드별로 일사량을 산정한다.
- 동 모델에서는 오토캐드 2009를 사용해 신·재생에너지 이용 인증대상 건축물의 3차원 설계 모델링을 수행하고, ESRI사의 ArcGIS를 사용한 지형공간정보 모델링을 구축하여 건축물 지붕의 각 그리드별 일사량을 산출하였다.
- 프로세스의 첫 번째 단계는 대상 건축물의 3차원 설계 모델링 단계이다. 두 번째 단계는 지형공간정보 모델링을 통한 일사량 산정 단계로 ESRI사의 ArcGIS를 사용해 DSM (Digital Surface Model)을 구축하고 건축물 지붕의 각 그리드별 일사량을 산출한다. 세 번째 단계는 MS 엑셀 기반의 유전 알고리즘 솔루션인 Palisade사의 Evolver 5.
- 대상 래스터 파일의 각 그리드에서 하늘을 바라볼 때의 가시영역을 반구체로 표현하는 가시영역을 구성하고, 반구체 투영면 상에 하루 중 특정 시간대 및 일년 중 특정 기간대에 따라 변화되는 태양의 경로를 나타내는 썬맵 구성을 통해 직사광을 산출한다. 또한, 반구체상 모든 지점들의 섹터분류인 스카이맵 구성을 통해 산란광을 산출한 후, 직사광과 산란광을 합하여 각 그리드별로 일사량을 산정한다. 1년 중 매월별로 태양의 위치 및 고도가 조금씩 달라지기 때문에, 월별 일사량을 별도로 산정한 후 12개월의 일사량 총합을 계산하여 그리드별 연간 일사량을 최종 산출한다.
- 동 모델에서는 오토캐드 2009를 사용해 신·재생에너지 이용 인증대상 건축물의 3차원 설계 모델링을 수행하고, ESRI사의 ArcGIS를 사용한 지형공간정보 모델링을 구축하여 건축물 지붕의 각 그리드별 일사량을 산출하였다. 산출된 일사량을 MS 엑셀 기반의 유전 알고리즘 솔루션인 Palisade사의 Evolver 5.7 소프트웨어를 통해 불러 온 후 선정기준에 따른 최적 배치안을 도출하였다. 발전량을 최대로 하는 PGmax에 따른 배치안은 인증등급이 3등급인 반면 NPV가 너무 낮고, 경제성을 최우선으로 하는 NPVmax에 따른 배치안은 반대로 인증등급이 4등급으로 낮아지는 것으로 분석되었다.
- 신·재생에너지 이용 인증대상 건축물에서 소요되는 에너지의 일부를 지붕형 태양광 설비를 통해 생산된 전력으로 충당하고자 할 때, 특정 선정기준에 따른 태양광 어레이의 최적 배치안을 선정하는 프로세스 모델을 구축하였다.
- 어레이 및 경관편의시설의 배치 경우의 수를 바탕으로 하여 Evolver 5.7의 유전 알고리즘을 적용하고 일정 크기의 어레이과 경관편의시설들의 최적 배치안을 도출한다. 어레이의 최적 배치를 위한 선정기준으로 발전량의 최대값 기준인 PGmax, 수익에서 비용을 차감한 순현재가치의 최대값 기준인 NPVmax, 그리고 인증등급을 만족시키는 발전량 수준에서의 최대 NPV 기준인 NPVneed의 3가지 기준을 설정하였다.
- 7의 유전 알고리즘을 적용하고 일정 크기의 어레이과 경관편의시설들의 최적 배치안을 도출한다. 어레이의 최적 배치를 위한 선정기준으로 발전량의 최대값 기준인 PGmax, 수익에서 비용을 차감한 순현재가치의 최대값 기준인 NPVmax, 그리고 인증등급을 만족시키는 발전량 수준에서의 최대 NPV 기준인 NPVneed의 3가지 기준을 설정하였다. 순현재가치를 산정하기 위해서 태양광 설비의 투입비용으로 김세종(2010)이 분석한 고정형 박막형 태양광 시스템의 공사비 평균3)을 적용한다.
- 우선 3차원 오토데스크사의 오토캐드 2009를 활용하여 3차원 설계도면을 구축한다. 다음 건축물의 연면적을 근거로 건축물 에너지효율 1등급에 해당되는 소요 에너지량을 산출한다.
- 태양광 어레이의 최적 배치를 위한 세 가지 선정기준, 즉 PGmax, NPVmax, 그리고 NPVneed을 각각 적용하여 도출된 최적 배치안 결과를 상호 비교하면 다음의 표7과 같다.
- 현행 공공건축물의 신·재생에너지 사용 의무비율 10%를 신·재생 에너지 공급률로 설정하였다.
대상 데이터
- 34%로 산출되었으며, 이는 신·재생에 너지 이용 건축물 인증등급 3등급에 해당되는 수치이다. PGmax 및 NPVmax와 동일하게 레시피계산 방식과, 모집단 크기 50, 돌연변이율 0.1, 교배율 0.5를 적용하여, 총 유효 반복회수가 2,546회로 시뮬레이션 되었다.
- 구축된 모델의 적용과 검증을 위한 대상 건축물은 서울 여의도 지역에 위치한 연면적 1,991㎡의 공공빌딩이다. 다음 그림5는 건축물 에너지효율 1등급을 전제로 대상 건축물의 소요 에너지량을 산정한 결과이다.
- 대상 건축물의 일사량이 분석되어 저장된 그리드는 1m×1m 크기로 모두 1,825개이다.
- 본 연구에 적용된 경관편의시설은 2m×13m 크기의 조형물로 태양광 어레이의 최적 배치에 맞추어 임의의 위치에 배치되도록 설정하였다.
- 48%의 신·재생에너지 공급률은 신·재생에너지 이용 건축물 인증등급에 따르면 4등급에 해당하는 수치이다. 최대 발전량 기준인 PGmax와 동일하게 레시피계산 방식과, 모집단 크기 50, 돌연변이율 0.1, 교배율 0.5를 적용하여, 총 유효 반복회수가 5,657회로 시뮬레이션 되었다.
이론/모형
- 어레이의 최적 배치를 위한 선정기준으로 발전량의 최대값 기준인 PGmax, 수익에서 비용을 차감한 순현재가치의 최대값 기준인 NPVmax, 그리고 인증등급을 만족시키는 발전량 수준에서의 최대 NPV 기준인 NPVneed의 3가지 기준을 설정하였다. 순현재가치를 산정하기 위해서 태양광 설비의 투입비용으로 김세종(2010)이 분석한 고정형 박막형 태양광 시스템의 공사비 평균3)을 적용한다. 발전수익 산정을 위해서 2012년부터 도입되는 신·재생에너지설비 설치의무화 제도(RPS, Renewable Energy Portpolio Standard)에 따른 신· 재생에너지인증서(REC, Renewable Energy Certificate) 구입가 격과 한전거래소에서 거래되는 전력 시장거래가격(SMP, System Marginal Price)을 아래 표4와 같이 적용한다.
- 유전 알고리즘(Genetic Algorithm)은 진화의 원리를 문제풀이 또는 모의실험에 이용하는 연구방법인‘진화연산’의 대표적인 한 분야로서(문병로 2003), John Holland에 의해서 1975년에 개발된 전역적인 최적화 알고리즘이다. 자연 선택의 원리와 자연계의 생물 유전학에 기본 이론을 두며 병렬적이고 전역적인 탐색 알고리즘으로서, 모든 생물은 주어진 다양한 환경 속에 적응함으로써 살아 남는다는 다윈(Darwin)의 적자생존(Survival of the fittest)의 이론을 기본 개념으로 한다. 풀고자 하는 문제에 대한 가능한 해들을 정해진 형태의 자료구조로 표현한 다음 이들을 점차적으로 변형함으로써 점점 더 좋은 해들을 만들어 낸다.
성능/효과
- NPV값을 최대로 하여 배치안을 산정함에 따라 15,061kWh의 예상 발전량과 총에너지 사용량 대비 6.48%의 신·재생에너지 공급률로 낮은 발전량 수준을 보이고 있다.
- 경제성을 판단하는 NPV가 3,833,285원으로 최대값을 확보할 수 있는 배치안의 경우에는 발전량이 낮아 신·재생 에너지 공급률이 6.48% 수준에 그치는 것으로 분석되었다.
- 모두 18개의 어레이와 조형물의 배치에 따라 27,179kWh의 예상 발전량이 산출되었으며, 이는 총에너지사용량 대비 11.12%의 신·재생에너지 공급률이다.
- 7 소프트웨어를 통해 불러 온 후 선정기준에 따른 최적 배치안을 도출하였다. 발전량을 최대로 하는 PGmax에 따른 배치안은 인증등급이 3등급인 반면 NPV가 너무 낮고, 경제성을 최우선으로 하는 NPVmax에 따른 배치안은 반대로 인증등급이 4등급으로 낮아지는 것으로 분석되었다. 요구되는 발전량을 만족시키는 수준에서의 최대 NPV 기준인 NPVneed에 따른 배치안은 적정수준의 NPV가 확보되고, 인증등급도 3등급으로 유지할 수 있어 최적의 대안으로 평가되었다.
- 배치안 선정 결과에 따르면 대상 건축물의 지붕을 활용한 2m ×6m 어레이를 기준으로 한 태양광 설비의 최대 발전 가능량은 27,179kWh/연이며, 이는 11.12%의 신·재생에너지 공급률값을 가진다.
- 발전량을 최대로 하는 PGmax에 따른 배치안은 인증등급이 3등급인 반면 NPV가 너무 낮고, 경제성을 최우선으로 하는 NPVmax에 따른 배치안은 반대로 인증등급이 4등급으로 낮아지는 것으로 분석되었다. 요구되는 발전량을 만족시키는 수준에서의 최대 NPV 기준인 NPVneed에 따른 배치안은 적정수준의 NPV가 확보되고, 인증등급도 3등급으로 유지할 수 있어 최적의 대안으로 평가되었다.
- 현행 공공건축물의 신·재생에너지 사용 의무비율 10%를 신·재생 에너지 공급률로 설정하였다. 총에너지 사용량의 10%를 충족시키기 위해 모두 16개의 어레이와 조형물이 배치되었으며, 발전량은 25,038kWh, NPV는 -1,703,132원으로 분석되었다. 신· 재생에너지 공급률은 10.
- 현행 공공건축물 신·재생에너지 에너지 의무할당 비율인 10%를 만족하면서 경제성을 최대로 확보할 수 있는 배치안인 NPVneed 기준의 결과값의 경우 NPV가 -1,703,132원으로 PGmax 대비 75%를 절감할 수 있는 반면, 발전량은 8% 이하로 감소되어 최적의 대안으로 분석되었다.
후속연구
- 본 연구에서는 저사양 컴퓨터의 사용과 컴퓨팅에 소요되는 시간의 제약으로 인하여 지형공간정보 모델의 해상도가 1m×1m 로 적용되어, 지붕 구조물간의 미세한 음영 영역이나 태양광 어레이나 지형공간 시설물의 정밀한 치수 반영을 통한 상호 중첩 분석에 한계가 있었다.
- 또한, 인접 시설물이나 건축물을 같이 모델에 반영하여 인접 시설물이나 건축물에 의한 음영분석이 이루어지지 못했다. 향후, 고해상도 기반의 3차원 지형공간정보 모델 구축 및 인접 시설물이나 건축물의 반영을 통해 태양광 어레이 및 시설물의 정밀한 음영분석 및 배치안 선정이 필요하다.
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