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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 주거시설을 대상으로 신축이 아닌 기축건물이면서 사람이 실제 살고 있는 실 거주 주택에 다양한 active요소와 passive 요소를 적용하여 제로에너지 하우스를 3개월 거쳐 시공하고, 시공 후 27개월 동안 모니터링 한 결과를 바탕으로 얻어진 자료를 평가, 분석하여 앞으로 좀 더 효율적이고 생산적인 제로에너지 하우스를 구축하는데 활용하는 것을 이 논문의 목적이 있다.
- 본 연구에서는 신축이 아닌 기축건물이면서 사람이 실제 살고 있는 실거주 주택에 다양한 active요소와 passive요소를 적용하여 3개월 거쳐 구축하고, 구축 후 27개월 동안 모니터링 한 결과를 바탕으로 주거 시설에서 제로 에너지 가능 여부 및 하자 사례를 통하여 어떠한 문제점이 발생하고 발생 시 처리 방법 등을 통계 자료를 통해 도출해 보았다. 또한 공종별 문제점 및 해결 방안에 대해 제시함으로써 향후 기축건물에 제로에너지 하우스를 구축하는데 활용할 수 있을 것이라고 판단이 된다.
가설 설정
- 2. Concept of zero energy house.
제안 방법
- 1) 도시가스(LNG) 공급 시점상의 문제로 매탄가스를 연료로 사용하면서 기존의 프로그램으로 가동하여 shut-down되는 문제가 발생되므로 메탄가스에 맞는 프로그램으로 수정·보완한다.
- 1) 예비용으로 설치한 가스보일러 가동 설정 온도와 탱크 온도가 같아 가스보일러가 가동하지 않아 급탕 온도 부족 현상이 발생하므로 사전에 보일러 연동 테스트를 실시한다.
- 2) 그린통합 스위치 대기 전력량이 실내 전기 미사용 시 1 W 등의 수치 오류값으로 나타나는 문제점이 발생하여 일정 값 이하는 강제로 ‘Zero’로 표현하도록 연산 기능을 수정한다.
- 3) 모니터링 프로젝트의 특징은 신축건물이 아닌 기축건물에 제로에너지 하우스를 접목하였고, 영상효과나 가상의 시뮬레이션을 통해 만들어진 단순한 전시나 관람용 주택이 아니라 사람이 실제 살고 있는 실증주택에 총 70가지 요소기술을 적용하였다. 또한, 신재생에너지 active요소인 태양광 발전시스템, 태양열 급탕시스템, 지열 냉난방시스템, 연료전지시스템 등을 적용하여 세대 내의 전력, 급탕, 냉난방, 수도, 취사 등 모든 에너지 소비가 제로가 되도록 계획되어 있는 것이 특징이다.
- 정부 및 학계에서 제로에너지 하우스에 대한 관심이 높아짐으로써 대형 건설사나 관련기관에서 제로에너지에 관한 실험적 주택을 많이 건립하고 운영하고 있다. 따라서 관련된 자료를 취합하여 본 연구 논문과의 차이점을 비교 평가해 보려고 한다.
- 1 KW, FCU 200 W로 구성되어 있고 당초 설계 대비 74% 초과 소비를 하였으며 원인은 냉난방을 담당하는 지열시스템의 과다 가동이다. 또한, 실제 냉/난방기 과다 사용과 더불어 일정량 에너지 보유를 위한 주기적 시스템이 작동 하였고, 냉난방 가동이 필요 없을 경우 시스템 off를 위해 전기실에서 차단기를 작동시켰다
- 본 연구 프로젝트는 2010년 9월부터 2012년 12월 까지 27개월간에 걸쳐 실시간 에너지 모니터링시스템을 이용하여 모니터링을 실시하였다. 실시간 에너지모니터링시스템은 스마트 분전반, 스마트 전력량계, 원격 검침, 태양광, 태양열, 지열, 연료전지시스템의 순간 및 누적에너지 변화량을 TCP/IP, RS-485 통신 등을 이용하여 모니터링, 통계화하여 실시간으로 보여주는 시스템이다 [7,8].
- 본 연구는 제로에너지 하우스 구축하는데 필요한 active요소와 passive요소를 같이 진행하였으나 passive요소는 검증 절차 및 성능에 대해서는 제외하고, active요소에 초점을 맞추어 진행하였다. 또한 active요소 중 태양광 발전 시스템, 태양열 급탕 시스템, 지열 냉난방시스템, 연료전지시스템과 같이 현재 건설 현장에서 적용 가능한 기술 대상으로 하였으며, 관련된 장비 개발이 아니라, 현존하는 기술의 조합을 통한 최적 구축 방안에 초점을 맞추고 있다.
- 따라서 3 L 하우스(패시브 하우스)는 일반적인 건물(주택)보다 약 80% 정도의 에너지를 절약할 수 있다. 적용기술로는 고성능 창호, 슈퍼 단열, 이중 외피, 폐열회수 환기시스템, 연료전지 등을 적용하였다. 하지만, 본 연구도 사람이 살지 않는 비거주 조건에서 평가된 것으로 향후 재실 조건을 형성한 측정을 통해 보다 실질적인 데이터를 도출 및 하절기 실내 열쾌적에 대한 검토를 실시할 예정으로 있다 [6].
- 2) 한국형 제로에너지 하우스[Green Tomorrow] 구축사례(삼성물산기술연구소, 2009) ‘Green Tomorrow’ 는 전시・홍보・실험의 목적으로 건립되었고, 총 68건의 친환경・에너지 효율기술의 집약을 통한 에너지 제로하우스를 달성하게 되어 건물의 친환경 인증인 국내 친환경 건축물 최우수 등급과 미국의 LEED platinum 인증을 획득하였다. 주요 내용은 개요 및 zero energy house 기획 과정, passive 요소(56%), 발전(44%)을 적용하였으며, 주요 기술은 태양광 발전시스템, 풍력발전시스템, 지열 냉난방시스템을 적용하였고, 특징으로는 모든 전력을 직류로 공급하여 가정 내에서 교류의 직류 변환에 따른 에너지 손실 요인 제거하였다는 것과 성능의 예측과 검증(ESP-r프로그램 활용)을 사용하였다는 것이 특징일 수 있다. 하지만 이 또한, 기축건물이 아닌 전시 및 체험 목적으로 한 신축건물을 대상으로 건립 운영하였다는 한계가 있다 [5].
- 하자 사례 모니터링 기간은 2010년 9월부터 2012년 12월까지 27개월 동안 실시하였고, 하자 접수 및 처리 방법은 하자 처리 표준양식을 사용하였다.
대상 데이터
- 본 연구는 제로에너지 하우스 구축하는데 필요한 active요소와 passive요소를 같이 진행하였으나 passive요소는 검증 절차 및 성능에 대해서는 제외하고, active요소에 초점을 맞추어 진행하였다. 또한 active요소 중 태양광 발전 시스템, 태양열 급탕 시스템, 지열 냉난방시스템, 연료전지시스템과 같이 현재 건설 현장에서 적용 가능한 기술 대상으로 하였으며, 관련된 장비 개발이 아니라, 현존하는 기술의 조합을 통한 최적 구축 방안에 초점을 맞추고 있다.
성능/효과
- 1) LED조명의 특성상 직진성이 강하여 은은한 간접등 분위기 연출이 어려우므로 LED조명 전용 글로브 적용하여 빛의 산란효과 높임 여부 확인.
- 1) 각 냉난방기에 외출모드가 있으나 월패드에서 외출기능을 지원하지 않음으로써 외부에서 제어가 되지 않아 문제가 발생하므로 월패드에서 외출 기능을 추가하여 난방 시 설정온도 이하로 떨어질 경우에 동파방지 운전을 가동할 수 있도록 한다.
- 1) 거실 FCU를 꺼놓고 다른 방을 계속 가동할 경우 거실 FCU 현재 온도가 너무 낮게 되어 가동이 불가능하게 되는 현상 발생 시 온도 감지 센서를 실내기 외부에 설치하여 왜곡현상을 감소시킨다.
- 1) 태양광 발전시스템의 축전지 수명 연한 도달에 따른 하이브리드 type 인버터(독립형 + 계통 연계형)에서 계통 연계형 인버터 type으로 변경한다.
- 2) 거실 FCU 온도 감지 센서가 실내기 내부에 설치되어 실내기 미가동 상태로 냉수가 계속 순환되고 있는 현상이 발생 시 실내 온도 감지가 왜곡되는 현상 발생하므로 온도감지 센서를 실내기 외부에 설치하여 왜곡현상을 감소시킨다.
- 2) 월패드 내부기판 파손에 의한 shut-down 발생할 때는 월패드 타입을 게이트 웨이 일체형에서 게이트웨이 분리형으로 교체한다.
- 2) 장비간 인터페이스 불안정으로 냉방 시와 난방시 제어장비가 다르고 통신 방식이 각 장비마다 달라 통신 속도가 느리고, 작동 시 오류가 발생하므로 제어 장비를 단순화 한다.
- 2) 조경용 수전은 동절기 전에 부동수전에 연결된 메탈호스를 제거하여 사전 동파방지 유무를 확인한다.
- 2) 지열 및 태양광 발전량이 정상 출력 되지 않는 문제점이 발생 시 출력 오류문제 해결 시 오류가 났던 데이터 값을 전체 삭제하지 않아 문제가 발생하므로 데이터 값을 완전히 삭제하여 문제를 해결한다.
- 2) 태양열 급탕 시스템 열매체 보충이 이뤄지지 않아 원활한 급탕 생성이 안 되므로 태양열 급탕시스템 열매체를 주기적으로 보충한다.
- 2) 한국형 제로에너지 하우스[Green Tomorrow] 구축사례(삼성물산기술연구소, 2009) ‘Green Tomorrow’ 는 전시・홍보・실험의 목적으로 건립되었고, 총 68건의 친환경・에너지 효율기술의 집약을 통한 에너지 제로하우스를 달성하게 되어 건물의 친환경 인증인 국내 친환경 건축물 최우수 등급과 미국의 LEED platinum 인증을 획득하였다.
- 3) 3 L House의 설계 시공 및 평가(대림건설, 2006) ‘Eco-3 L House’는 패시브 하우스의 개념 내에서 에너지 소비량의 목표를 구체적으로 3리터/㎡.
- 3) 디밍 제어용 컨버터 불량으로 인하여 거실등 반불 현상 제거하기 위하여 사전 테스트 실시 유무를 확인한다.
- 3) 옥외 보안등 점등시간 setting (21시~24시) 여부 및 각 세대 내 현관 및 계단실 일정 시간 후 자동 소등되는 조도 자동조절 조명기구 적용 유무 확인.
- 3) 태양광 발전 모듈 용량 변경에 따른 추가 공사 시 태양광 발전모듈 설치 불량 사례가 발생하므로 공사 초기 시뮬레이션 검토를 철저히 하여 재시공 방지한다.
- 또한, 전체 콘센트의 약 30%는 조명 제어, 온도 조절, 에너지 모니터링 및 대기 전력을 차단할 수 있는 대기전력 차단 스위치[특허 등록 제10-1105964호]을 적용하여 사용하지 않고 대기 중인 전원은 자동 차단 하였다 [7]. 결과적으로, 당초 설계 대비 10% 내외의 오차율을 보이며, 목표 대비 절감을 하였다.
- 그림 8은 하자 사례를 기획/설계, 시공, 유지보수 분야별로 분리하여 본 결과 그래프이다. 그 결과를 보면 기획/설계 분야가 28%, 시공 분야가 50% 유지보수 분야가 22%를 차지하는 것을 볼 수 있다.
- 1 KW이었다. 또한, 본 프로젝트에는 외출 시 일괄로 전등 및 가스를 차단하는 센서 감지형 무선일괄제어시스템[디자인 등록 제30-0617921호]을 적용하여 전등 에너지 소비를 당초 설계대비 7% 절감하였다 [7,8].
후속연구
- 2) 충방전 과다 발생으로 불필요한 전기에너지 소모되므로 향후 축전지 사용을 지양하고 양방향 전력량계 개발 완료에 따른 계통 연계형으로 설계한다.
- 3) 냉난방기와 SI업체, 지열 장비업체가 모두 다르기 때문에 업체 변경 시 통신 프로그램을 다시 수정해야 하는 복잡함이 발생하므로 초기 단계부터 관련 업체의 가능성 여부의 검증이 필요하다.
- 본 연구에서는 신축이 아닌 기축건물이면서 사람이 실제 살고 있는 실거주 주택에 다양한 active요소와 passive요소를 적용하여 3개월 거쳐 구축하고, 구축 후 27개월 동안 모니터링 한 결과를 바탕으로 주거 시설에서 제로 에너지 가능 여부 및 하자 사례를 통하여 어떠한 문제점이 발생하고 발생 시 처리 방법 등을 통계 자료를 통해 도출해 보았다. 또한 공종별 문제점 및 해결 방안에 대해 제시함으로써 향후 기축건물에 제로에너지 하우스를 구축하는데 활용할 수 있을 것이라고 판단이 된다.
- 앞에서 언급한 모니터링 프로젝트에서 발생한 하자를 공종별로 구분하여 문제점을 체크 리스트로 만들어서 표 2로 제시하였으며, 향후 같은 유형의 제로에너지 하우스 구축 시 효과적으로 활용할 수 있을 것으로 판단된다 [2,3].
- 적용기술로는 고성능 창호, 슈퍼 단열, 이중 외피, 폐열회수 환기시스템, 연료전지 등을 적용하였다. 하지만, 본 연구도 사람이 살지 않는 비거주 조건에서 평가된 것으로 향후 재실 조건을 형성한 측정을 통해 보다 실질적인 데이터를 도출 및 하절기 실내 열쾌적에 대한 검토를 실시할 예정으로 있다 [6].
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