[논문]학교건물의 신·재생에너지기반 복합시스템 간이평가 기법 연구 - 학급규모와 투자비 중심으로 -

김지연

doi:10.12813/kieae.2013.13.2.077

문제 정의

따라서 본 연구의 목적은 신·재생에너지의 효과적인 설치를 위해 동일한 초기투자비 내에서 에너지비용을 최소한으로 부담할 수 있으며 학교시설에 적용이 가능한 간이 신·재생에너지 적용프로그램을 개발·분석하고 그에 적합한 최적용량을 제안하는데 있다.
본 논문의 주목적은 학교건물에 적용할 수 있는 신·재생에너지시스템의 최적용량을 선정할 수 있는 방안을 마련하는 것이다.
본 연구에서는 Matlab 프로그램을 이용하여 동일투자비 대비 단일 신·재생에너지시스템이 아니라 적용이 가능한 여러 신·재생에너지시스템을 조합하여 최적의 용량을 찾을 수 있는 간이프로그램을 개발하고 이를 이용하여 교실의 이용률이 높은 고등학교를 대상으로 신·재생에너지 기반 복합시스템의 최적용량을 분석하였다.
본 연구에서는 학교건물의 특성을 살려 에너지비용과 운영비용을 최소화할 수 있는 효율적인 설계방안을 마련하기 위해 신·재생에너지기반 복합시스템을 개념적으로 정립하고 학교건물의 냉난방 및 급탕패턴을 선행 분석하여 동일한 초기투자비 내에서 에너지비용을 최소한으로 부담할수 있고 학교 건물에 적용이 가능한 최적의 신·재생에너지 적용프로그램을 Matlab을 이용하여 개발하였으며 다양한 조건들에 대한 분석을 수행하였다.

가설 설정

여기서 가스의 발열량은 10,550kcal/Nm³으로 가정한다.

제안 방법

건물은 실의 사용목적 및 사용시간에 따라 냉·난방, 환기, 조명, 재실, 온수, 콘센트 및 팬 동력 등의 설정조건이 상이하므로 스케줄이 필요하며, 이에 대한 각각의 스케줄을 작성하였다.
이 중 냉·난방 및 환기는 건물의 공조방식 및 현행 법규를 고려하여 설정하였으며. 그리고 각 실의 특성에 맞게 존을 구획하고 구획 후 건물외벽, 창호의 면적과 물성치를 입력하여 건물부하를 계산하기 위한 모델링을 수행하였다.[5]
냉·난방부하는 전기구동히트펌프(EHP)와 지열히트펌프가 담당하며 히트펌프의 전력부하의 일부는 태양광발전시스템에서 공급할 수 있도록 하였다.
냉·난방부하를 계산하기 위해 과 같이 수집한 기상데이터와 캐드도면을 분석하고 각 실의 용도를 파악하였다.
본 연구에는 단결정 실리카 재질의 PV모듈을 적용하여 시뮬레이션을 수행하였다.[7]
이 중 냉·난방 및 환기는 건물의 공조방식 및 현행 법규를 고려하여 설정하였으며.
대부분의 학교 급식실의 보일러의 가동시간은 평균적으로 7:00~19:00이었다. 이를 토대로 일일 시간별 부하비율을 계산하였다.
일반 교실 한 학급의 평균부하를 TRNSYS를 이용하여 계산하였으며, 와 같이 학급당 평균부하모듈을 작성하였다.
재실자(학생, 교직원 등)의 실제 실 사용기간을 조사하기 위해 각 학교의 시정표, 월간행사계획표, 보충수업일정 및 시간표를 수집하여 실제 고등학교 교실의 냉·난방부하 스케쥴을 작성하였다.
냉·난방부하는 전기구동히트펌프(EHP)와 지열히트펌프가 담당하며 히트펌프의 전력부하의 일부는 태양광발전시스템에서 공급할 수 있도록 하였다. 태양열 집열기를 통해 발생된 열은 축열조에 저장이 되며 부족한 급탕부하는 가스보일러가 담당하도록 하였다. 건물부하는 공기열원과 지열원, 급탕부하는 태양열원 그리고 히트펌프에서 발생된 전력부하는 태양광발전시스템으로 충당함으로서 학교시설에 전기과 가스소비량 및 요금을 절감할 수 있을 것으로 기대된다.
학급수와 투자비별 최적용량을 같은 모듈조건을 기준으로 최적용량을 프로그램을 이용하여 분석하였으며 그 결과는 와 같다.

대상 데이터

43이다. L사 제품의 성능표를 이용하여 성능곡선을 작성하고 시뮬레이션의 입력자료로 사용하였다. <그림 9>는 55kW급 용량의 지열히트펌프시스템의 전력소비량이다.
기상데이터는 대전지역의 1999～2004년까지의 시간평균 데이터를 이용하였다. 냉·난방부하를 계산하기 위해 <그림 3>과 같이 수집한 기상데이터와 캐드도면을 분석하고 각 실의 용도를 파악하였다.
본 연구에 적용된 시뮬레이션 대상 지역은 대전이며 대전지역의 위도는 36.18°, 경도는 127.25°이다.
본 연구에 적용된 신·재생에너지원별 설치단가는 해마다 에너지관리공단에서 공시하고 있으며, 공단에 제시된 설치단가를 이용하여 분석하였으며 2011년 설치단가를 기준으로 하였다.
본 연구에 적용된 집열기는 유창형/진공관형 집열기로로 집열량을 구할 수 있으며, 의 집열기 사양을 갖는다.
본 연구에서 적용된 지열히트펌프는 물-냉매방식의 히트펌프로 전부하 운전조건에서 냉방시 열원수 인입온도 30℃ 일 때 EER은 5.0이며 난방시 열원수 인입 온도 20℃일 때 COP는 5.43이다. L사 제품의 성능표를 이용하여 성능곡선을 작성하고 시뮬레이션의 입력자료로 사용하였다.

성능/효과

투자비에 따른 지열히트펌프의 최적용량을 산정한 결과, <그림 11>을 살펴보면 지열히트펌프는 학급수에 따라 용량이 증가하다가 특정학급 이상에 되면 다시 감소하는 분포를 보이고 있었다. 1억을 투자할 경우 10～11학급 이상의 학교의 지열히트펌프 최적용량은 11kW로 나타났으며 12학급 이상의 학교는 지열히트펌프를 적용하지 않고 단일 태양열급탕시스템을 설치하는 것이 에너지소비절감이 큰 것으로 나타났다. 3억을 투자할 경우 15학급까지 지열히트펌프의 최적 용량의 증가를 보이다가 이후 다시 용량이 감소하는 추세를 보였다.
3억을 투자할 경우 15학급까지 지열히트펌프의 최적 용량의 증가를 보이다가 이후 다시 용량이 감소하는 추세를 보였다. 4억을 투자할 경우 18～19학급 사이에서 증가하다가 감소되는 추세를 보였으며 5억을 투자할 경우 23학급까지는 198kW의 용량에서 점점 감소하다가 그 이상 학급수가 되면 지열히트펌프를 적용하지 않는 것이 적합한 것으로 나타났다.
이와 관련하여 냉·난방에너지를 절감하기 위해 교실에 적용된 지열원 히트펌프 시스템의 성능을 평가하고 분석한 논문이 있다.[1] 여기서 지열원 냉난방시스템을 적용할 경우 기존 학교의 냉난방에너지의 70%를 절감할 수 있는 것으로 나타났다.
[6] 학급수에 따라 학교상주인원인 학급수에 따른 교직원과 학생수를 조사한 결과 와 같이 학급수에 비례하여 증가하는 것으로 나타났으며 학급수에 비례하여 학급규모별 급탕부하를 산정하는 것이 적합할 것으로 판단된다.
이는 학급수에 따른 급탕부하는 정해져 있고 이에 대응되는 집열기의 집열량이 면적이 증가되면 면적증가에 따른 잉여열증가로 인해 면적 대비 가스소비량의 절감효과를 보지 못하기 때문인 것으로 판단된다. 따라서 투자비의 증가가 에너지나 비용효율적이지 않고 각 학급에 맞는 최적 집열 용량과 최적투자비가 있는 것으로 판단되며 학교시설에신 재생에너지시스템 설계 시 투자비도 중요한 요소이지만 태양열급탕시스템의 최적 집열 용량 선정 시 급탕부하에 적절히 대응할 수 있도록 설계를 하는 것이 바람직 할 것으로 판단된다.
또한 초등학교건물에 20kW급 태양광발전시스템의 성능 및 경제성을 분석한 결과에 따르면 태양광시스템의 연 평균 발전효율은 12.8%이고 평균 전력부하 부담률은 18.8%로 비용/편익분석의 관점으로 보았을 때, 경제성은 크게 떨어지는 것으로 나타났다.[3]
위 논문들을 살펴볼 때 학교시설에 신·재생에너지시스템을 설치 할 경우, 경제성은 떨어지는 결과를 보였으며 대부분 학교시설에는 단일 신·재생에너지시스템에 대한 연구만 진행되고 있다는 것을 알 수 있다.
은 경사면이 받을 수 있는 일사량을 시뮬레이션한 결과, 주어진 대전지역 연간 수평면 전일사량은 1,220.83kWh이었으며, 경사면이 30°일 때 총 일사량은 연간 1,209.76kWh로 일정한 분포를 보이고 있었다.
학급규모와 투자비에 따라 10∼40 학급까지 2㎡의 태양열급탕시스템, 1kWp의 태양광발전시스템, 11kW의 지열히트펌프시스템을 모듈로 하여 최적용량을 산정한 결과, 태양열 집열기는 투자비규모보다는 급탕부하에 적절히 대응할 수 있도록 설계해야 하며 소규모학교에서는 1억원 이하의 투자 시 단일 태양열급탕시스템을 설치하는 것이 적합한 것으로 나타났다. 지열히트펌프시스템은 투자비와 학급수에 따라 증가하다가 제한된 히트펌프용량으로 인해 일정투자비 이상이 되면 다시 감소하는 경향을 보였다.
태양광발전시스템을 분석한 결과, 에서 알 수 있듯이 1kWp의 발전용량을 가진 PV array의 발전량은 연간 1,136.42kWh로 약 10.78%의 발전효율을 나타냈다.
태양열 집열기의 집열량을 분석한 결과, 에서 알 수 있듯이 2㎡의 유효집열면적을 가진 집열기의 집열량은 연간 1,278kWh로 약 52.8%의 집열 효율을 나타냈다.
투자비에 따른 지열히트펌프의 최적용량을 산정한 결과, 을 살펴보면 지열히트펌프는 학급수에 따라 용량이 증가하다가 특정학급 이상에 되면 다시 감소하는 분포를 보이고 있었다.
투자비에 따른 태양광발전시스템이 최적용량을 산정한결과, 를 살펴보면 1억을 투자할 경우 22학급 이상의 학교의 태양광발전시스템 최적용량은 0kWp로 나타났으며 2억을 투자할 경우 29학급 이상의 학교는 6kWp급 태양광발전시스템을 설치하는 것이 적합한 것으로 나타났다.
학교시설의 고효율 태양열 냉난방시스템 최적화를 위해 열경제학적으로 분석한 논문에 따르면 TRNSYS 프로그램을 통해 태양열 냉난방시스템을 분석한 결과, 1차 에너지절감율은 64.7%로 나타났으며 겨울철과 여름철의 태양열의존율은 각각 46.2%, 27.7%로 나타났다. 설치지원금을 받는 조건하에 단순투자비 회수기간은 12년으로 나타났다.
학급규모와 투자비에 따라 10∼40 학급까지 2㎡의 태양열급탕시스템, 1kWp의 태양광발전시스템, 11kW의 지열히트펌프시스템을 모듈로 하여 최적용량을 산정한 결과, 태양열 집열기는 투자비규모보다는 급탕부하에 적절히 대응할 수 있도록 설계해야 하며 소규모학교에서는 1억원 이하의 투자 시 단일 태양열급탕시스템을 설치하는 것이 적합한 것으로 나타났다.

후속연구

태양열 집열기를 통해 발생된 열은 축열조에 저장이 되며 부족한 급탕부하는 가스보일러가 담당하도록 하였다. 건물부하는 공기열원과 지열원, 급탕부하는 태양열원 그리고 히트펌프에서 발생된 전력부하는 태양광발전시스템으로 충당함으로서 학교시설에 전기과 가스소비량 및 요금을 절감할 수 있을 것으로 기대된다.
기후데이터, 부하데이터, 그리고 시스템관련데이터를 입력하게 되면 태양열급탕시스템과 태양광발전시스템의 집열량과 발전량에 가장 큰 영향을 미치는 요인인 경사면의 일사량이 계산된다. 이에 따라 단위 모듈당 각각 집열량과 발전량, 전력소비량을 산정할 수 있게 된다.
따라서 본 논문을 통해 국내 학교시설에 적합한 신·재생에너지기반 복합시스템을 선정하고 최적용량을 제시한다면 건물계획단계에서부터 용이하게 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
또한 본 연구에서는 태양열, 태양광, 지열히트펌프시스템을 신·재생에너지기반 복합시스템 모듈로 제안한 바, 추후에는 프로그램의 민감도분연구와 그 외의 여러 신·재생에너지를 최적화할 수 있는 연구가 진행되어야 할 것이다.
본 논문을 통해 개발된 간이프로그램은 투자자나 설계자가 학교 건물에 대한 최적의 신·재생에너지기반 복합시스템 최적용량을 결정하기 위한 도구로 활용할 수 있을 것이며, 실제 적용이 되는 모델의 데이터를 직접 입력하여 각 학교의 특성에 맞는 신·재생에너지기반 복합시스템 설계대안 수립을 위한 평가 자료로 활용될 수 있을 것이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	급탕부하를 계산하기 위해 급탕량을 산정하는 방법에는 어떤 방법이 있는가?	급탕부하를 계산하기 위해 급탕량을 산정하는 방법으로는 건물의 급탕대상 인원이 정확한 경우에 거주자의 1일 사용수량을 설정하고 거주인원에 의하여 사용수량을 산정하거나 급탕대상 인원이 확실하지 않은 경우는 기구수에 의한 방법이 있다.[6] 학급수에 따라 학교상주인원인 학급수에 따른 교직원과 학생수를 조사한 결과 <그림 5>와 같이 학급수에 비례하여 증가하는 것으로 나타났으며 학급수에 비례하여 학급규모별 급탕부하를 산정하는 것이 적합할 것으로 판단된다.
	학교의 급탕부하에는 어떤 부하가 있는가?	학교의 급탕부하는 크게 식당의 취사와 세척을 위한 부하와 화장실의 온수사용을 위한 부하가 있다. 학교시설에서 온수의 90% 이상은 급식실에 쓰인다.
	급식실의 급 탕부하를 중심으로 급탕부하를 산정하는 것이 바람직한 이유는?	학교의 급탕부하는 크게 식당의 취사와 세척을 위한 부하와 화장실의 온수사용을 위한 부하가 있다. 학교시설에서 온수의 90% 이상은 급식실에 쓰인다. 따라서 급식실의 급 탕부하를 중심으로 급탕부하를 산정하는 것이 바람직할 것이다.

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