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문제 정의
- 에서는 전라북도 고창군의 제로에너지 실증주택에 대한 실증결과를 나타내었다. 본 연구에서는29세대의 제로에너지하우스에 대한 실증연구결과를 분석하였다. 주택 내 플러그 부하의 비율을 살펴본 결과,재실자의 주거 패턴에 따라 최소 22%에서 최대 41%까지 비율이 차이가 나는 것을 확인할 수 있었으며, 평균31%의 플러그부하를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
- 반면에 공기열원 히트펌프의 열성능은 외기의 온도에 영향을 받으므로, 지열원 히트펌프에 비해 성능은 낮으나 최근 다수의 연구에 따르면11,12,13) 태양열시스템이 축열조에 적용될 경우, 열성능 측면에서 지열원 히트펌프에 비해 큰 차이가없으며 경제성은 더 높은 측면이 있는 것으로 선행연구를 통해 나타내고 있다. 이에 본 연구에서는 공기식 히트펌프를 적용하는 방안을 고려하여 시뮬레이션을 진행하였다.
- 이에 본 연구에서는 제로에너지커뮤니티의 핵심 에너지 생산원 역할을 담당할 플러스에너지하우스의 기본 개념을 정립하고, 플러스에너지하우스를 위한 신재생 융복합 시스템을 제안하였다. 플러스에너지하우스의 설계와 에너지성능을 평가하기 위한 케이스 스터디로 KIER 플러스에너지솔라하우스(Korea Institute of Energy Research Energy-plus Solar House, KePSH)의 기본 설계를 진행하였다.
제안 방법
- 1층의 중심공간에는 실 안쪽의 폐쇄성을 탈피하기 위해 아트리움을 삽입하였으며, 이 아트리움은 자연채광, 자연환기를 유입시키면서 위요공간으로서 사이마당 기능을 하도록 하였다. 2층 레벨에서는 개인 침실을 배치시킴으로서 정적인 공간을 확보할 수 있도록 하였으며, 남측에 면한 옥상 정원에는 야외 휴게공간을 계획하였다.
- 이 모델은 싱글-스테이지(single-stage) 공기 대 물 방식 히트펌프를 모사한 것으로, 카탈로그의 사용자 제공 데이터 파일을기반으로 히트 펌프에 유입되는 수온 및 공기온도를 기준으로 용량(capacity) 및 동력(power)을 산정하게 된다.Type 94의 4-파라미터 등가회로(4-parameter equivalent circuit) 해석을 통해 단결정(monocrystal)이나 다결정(polycrystal) PV 모듈의 발전성능을 평가하였다. 시뮬레이션에 적용된 태양전지의 종류는 결정계이며 STC조건에서 모듈의 정격 효율은 18%를 나타내는 제품을 사용하는 것으로 산정되었다.
- 기상데이터는 한국표준과학연구원에서 제공하는 대전지역 TMY3를 이용하였으며, 시뮬레이션 분석은 TRNSYS 17프로그램을 이용하였다. 건물 부하는 Type 56을 이용하여 산정하였고 바닥복사난방은TRNBuild의 Active Layer를 통해 모사하였다. 또한 냉난방 설정온도는 선행논문의 실측데이터를 참고하여 작성하였다14).
- 신재생에너지 대안별 계획안을 각각 살펴보면, BIPV는 태양광패널 설치를 최대화할 수 있도록 지붕면적을 충분히 확보하고 발전효율을극대화하기 위해 32°의 경사형으로 계획하였으며, 경사형 지붕의 형태가 건물의 의장성을 결정짓도록 하였다.그리고 1층 거실창의 차양으로서 태양광패널을 계획하였다. BIST는 1층 남측 수직면에 태양열 집열기를 외장재 일체형으로 삽입하였다.
- 건물 부하는 Type 56을 이용하여 산정하였고 바닥복사난방은TRNBuild의 Active Layer를 통해 모사하였다. 또한 냉난방 설정온도는 선행논문의 실측데이터를 참고하여 작성하였다14).
- 남쪽을 향한 전면의 매스 형태에 거실, 식당 등 공적영역을 구성하고, 후면의 매스 형태에 침실, 서재, 화장실 등의 사적 영역을 배치함으로써 가족구성원의 활동 동선을 명확히 구분하고 개인공간의 독립성을 보장하였다. 또한 두 매스 사이에서 생성되는 위요공간은 사이마당으로 구성해 안뜰과 같이 안정된 외부환경 접촉기회를 제공하였으며, 아트리움/중정을 구성해 빛, 바람 등의 자연조건을 실내로 유입하였다.
- 매스 형태와 평면계획을 토대로 신재생에너지원별 계획안을 도출하였다[Fig. 3]. 신재생에너지 대안별 계획안을 각각 살펴보면, BIPV는 태양광패널 설치를 최대화할 수 있도록 지붕면적을 충분히 확보하고 발전효율을극대화하기 위해 32°의 경사형으로 계획하였으며, 경사형 지붕의 형태가 건물의 의장성을 결정짓도록 하였다.
- 이로서 거주자들에게 외부 환경과의 접촉기회를 저감시키고 형태적으로도 다양성을 확보하기 어려웠다. 본 과제에서는 플러스에너지하우스의보급을 고려할 때 에너지소비에 대한 대응뿐만 아니라 형태적인 의장성 확보도 중요하다고 판단하였으며, 이에따라 컴팩트형보다 디자인 발전 가능성이 높은 매스 분절형을 채택해 디자인을 진행하기로 하였다. 계획설계의진행은 기본 형태에서 BIPV, BIST 신재생에너지원이 적용될 수 있는 계획안으로 발전시켰다.
- 본 연구에서는 TESS에서 개발한 TRNSYS의 TYPE 941을 사용하여 히트펌프를 모델링하였다. 이 모델은 싱글-스테이지(single-stage) 공기 대 물 방식 히트펌프를 모사한 것으로, 카탈로그의 사용자 제공 데이터 파일을기반으로 히트 펌프에 유입되는 수온 및 공기온도를 기준으로 용량(capacity) 및 동력(power)을 산정하게 된다.
- 본 연구에서는 플러스에너지하우스에 대한 개념을 정립하고, KIER 플러스에너지솔라하우스에 대한 디자인을 실시하였다. 설계된 플러스에너지하우스에 대한 HVAC 시스템과 신재생에너지원의 적용성을 시뮬레이션을 통해 분석하였다.
- 플러스에너지하우스의 설계와 에너지성능을 평가하기 위한 케이스 스터디로 KIER 플러스에너지솔라하우스(Korea Institute of Energy Research Energy-plus Solar House, KePSH)의 기본 설계를 진행하였다. 선행문헌에서의 실험결과를 바탕으로 한 건물 내부 발열 부하를 바탕으로 건물의 패시브 부하를 분석하였으며, 신재생에너지시스템으로 BIPV (Building Integrated Photovoltaic)만을 적용한 방식과 BIPV와 BIST (Building Integrated Solar Thermal)를 적용한 방식을 비교하여 플러스에너지하우스의 에너지성능을 시뮬레이션을 통해 평가하였다.
- 본 연구에서는 플러스에너지하우스에 대한 개념을 정립하고, KIER 플러스에너지솔라하우스에 대한 디자인을 실시하였다. 설계된 플러스에너지하우스에 대한 HVAC 시스템과 신재생에너지원의 적용성을 시뮬레이션을 통해 분석하였다. 본 KIER 플러스에너지솔라하우스의 디자인 설계를 통해, 벽체의 열관류율, 창문의SHGC, 기밀도 등과 같은 최근의 강화된 패시브 기준을 적용할 경우, 일반적인 저에너지 주택의 컴팩트형 디자인을 탈피하여 두 개의 매스가 분절되고 외부와 면한 외피의 면적이 넓어지더라도 잉여 에너지를 생산할 수 있는 플러스에너지하우스로 구성이 가능함을 확인할 수 있었다.
- 신재생에너지 대안별 계획안을 각각 살펴보면, BIPV는 태양광패널 설치를 최대화할 수 있도록 지붕면적을 충분히 확보하고 발전효율을극대화하기 위해 32°의 경사형으로 계획하였으며, 경사형 지붕의 형태가 건물의 의장성을 결정짓도록 하였다.
- 기존 제로에너지주택에서는 5대 에너지부하를 기준으로 하였으나, 커뮤니티나 타운 규모에서의 제로 혹은러스에너지를 위해서는 5대 에너지부하와 취사 및 플러그부하를 포함하여야 한다. 이에 본 연구에서는 취사 및 플러그부하를 포함한 시뮬레이션을 진행하였으며, 이를 위해 선행문헌을 통해 도출된 취사 및 플러그부하를 이용하였다.
- 4와 같이 두 가지 방안을 고려하였다. 첫 번째 방안으로 BIPV를 중심으로 하는신재생 융복합 시스템(CASE 1), 그리고 두 번째 방안으로 BIPV와 BIST를 이용하는 시스템(CASE 2)을 적용하였다.
- 초기 건축물 계획의 형태적 접근에서 두 개의 매스를 분리시키면서 공적공간과 사적공간을 구분하고 외부환경과 접촉기회를 향상시켜주는 매스 분절형을 제안하였다. 남쪽을 향한 전면의 매스 형태에 거실, 식당 등 공적영역을 구성하고, 후면의 매스 형태에 침실, 서재, 화장실 등의 사적 영역을 배치함으로써 가족구성원의 활동 동선을 명확히 구분하고 개인공간의 독립성을 보장하였다.
- 평면계획은 Fig. 2와 같이, 1층 레벨에서는 남쪽 방향에 면해 거실, 식당, 주방을 배치시키고, 북쪽 방향으로서재와 게스트룸을 배치하면서 코어공간(화장실, 계단실)과 결합하였다. 1층의 중심공간에는 실 안쪽의 폐쇄성을 탈피하기 위해 아트리움을 삽입하였으며, 이 아트리움은 자연채광, 자연환기를 유입시키면서 위요공간으로서 사이마당 기능을 하도록 하였다.
- 플러스에너지하우스를 위한 신재생에너지 시스템으로 BIPV와 BIST 시스템을 선정하였으며, 실내 온열환경유지를 위한 냉난방 및 급탕, 환기의 통합시스템으로 공기식 히트펌프와 이코노마이저를 포함한 전열교환 환기시스템으로 구성되었다.
대상 데이터
- 태양열시스템은 2차 효율산정 방식과 2차 입사각계수 보정을 이용하는 Type 1b를 이용하여 해석하였다. KS B ISO 9806-1에 따른 태양열 집열기 성능시험 결과, 투과 면적 기준 광학적 최고효율 및 열손실계수는 각각 0.725, 4.468 W/m2K를 보이는제품을 선정하여 시뮬레이션을 진행하였다. 히트펌프와 축열조 및 주요 구성요소의 용량은 다음 Table 2와 같다.
- 플러스에너지솔라하우스의 냉난방 부하를 산정하기 위하여 다음 Table 1과 같은 입력자료를 이용하여 산정하였다. 기상데이터는 한국표준과학연구원에서 제공하는 대전지역 TMY3를 이용하였으며, 시뮬레이션 분석은 TRNSYS 17프로그램을 이용하였다. 건물 부하는 Type 56을 이용하여 산정하였고 바닥복사난방은TRNBuild의 Active Layer를 통해 모사하였다.
이론/모형
- 이에 본 연구에서는 Lim et al.(2016)7)에서 도출된 실측결과를 바탕으로 내부 발열 및 플러그부하 모델을 이용하여 시뮬레이션을 진행하였다.
- 시뮬레이션에 적용된 태양전지의 종류는 결정계이며 STC조건에서 모듈의 정격 효율은 18%를 나타내는 제품을 사용하는 것으로 산정되었다. 태양열시스템은 2차 효율산정 방식과 2차 입사각계수 보정을 이용하는 Type 1b를 이용하여 해석하였다. KS B ISO 9806-1에 따른 태양열 집열기 성능시험 결과, 투과 면적 기준 광학적 최고효율 및 열손실계수는 각각 0.
- 이에 본 연구에서는 제로에너지커뮤니티의 핵심 에너지 생산원 역할을 담당할 플러스에너지하우스의 기본 개념을 정립하고, 플러스에너지하우스를 위한 신재생 융복합 시스템을 제안하였다. 플러스에너지하우스의 설계와 에너지성능을 평가하기 위한 케이스 스터디로 KIER 플러스에너지솔라하우스(Korea Institute of Energy Research Energy-plus Solar House, KePSH)의 기본 설계를 진행하였다. 선행문헌에서의 실험결과를 바탕으로 한 건물 내부 발열 부하를 바탕으로 건물의 패시브 부하를 분석하였으며, 신재생에너지시스템으로 BIPV (Building Integrated Photovoltaic)만을 적용한 방식과 BIPV와 BIST (Building Integrated Solar Thermal)를 적용한 방식을 비교하여 플러스에너지하우스의 에너지성능을 시뮬레이션을 통해 평가하였다.
성능/효과
- 이에, PER 40%를 달성하기 위해서 BIPV 기준 6 kW의 용량이 설치되어야 하며, 동일 면적에서 BIST와의 융합을 통한 에너지절감 가능성을비교한 결과, BIPV를 6 kW 이용하는 방안이 더 높은 PER을 나타내는 것을 확인하였다. BIPV와 BIPV+BIST에대한 시뮬레이션 결과를 비교한 결과, BIPV만을 적용하는 방식이 59% 더 많은 잉여에너지를 얻을 수 있는 것으로 나타났다. BIST의 효과를 높여 히트펌프 운전에너지를 절감하기 위한 개선 방안으로 축열조의 용량을 증대시키거나 단일건물이 아닌 건물군에서의 대형축열조를 이용하는 방식에 대한 검토가 가능할 것으로 판단된다.
- 5는 월별 히트펌프 전력소비량 및 평균 COP (Coefficient of Performance)를 나타낸 것이다. Fig. 5(a)에서와 같이, CASE 1에서 플러스에너지하우스의 난방과 급탕 공급을 위한 월간 히트펌프 사용량은 1월에 410kWh와 145 kWh로 가장 많이 사용된 것으로 나타났으며, 히트펌프의 COP는 난방과 급탕운전시 각각 3.28과2.35으로 나타났다. 냉방 사용량은 8월에 483 kWh로 가장 많은 사용량을 나타내었으며, COP는 3.
- (2016)7)은 에너지제로 실증주택에 대한 연간에너지성능과 에너지자립률을 실측을 바탕으로 평가하였다. 그 결과, 2차 에너지기준 실증주택의 연간 에너지소비량은 7,919 kWh였으며, 태양광발전시스템과 태양열급탕시스템을 통해 실증주택의 에너지 자립률은 97.1%로 나타났다. 국외에서도 다양한 연구들이 진행되어 오고 있다.
- 초기 건축물 계획의 형태적 접근에서 두 개의 매스를 분리시키면서 공적공간과 사적공간을 구분하고 외부환경과 접촉기회를 향상시켜주는 매스 분절형을 제안하였다. 남쪽을 향한 전면의 매스 형태에 거실, 식당 등 공적영역을 구성하고, 후면의 매스 형태에 침실, 서재, 화장실 등의 사적 영역을 배치함으로써 가족구성원의 활동 동선을 명확히 구분하고 개인공간의 독립성을 보장하였다. 또한 두 매스 사이에서 생성되는 위요공간은 사이마당으로 구성해 안뜰과 같이 안정된 외부환경 접촉기회를 제공하였으며, 아트리움/중정을 구성해 빛, 바람 등의 자연조건을 실내로 유입하였다.
- 본 KIER 플러스에너지솔라하우스의 디자인 설계를 통해, 벽체의 열관류율, 창문의SHGC, 기밀도 등과 같은 최근의 강화된 패시브 기준을 적용할 경우, 일반적인 저에너지 주택의 컴팩트형 디자인을 탈피하여 두 개의 매스가 분절되고 외부와 면한 외피의 면적이 넓어지더라도 잉여 에너지를 생산할 수 있는 플러스에너지하우스로 구성이 가능함을 확인할 수 있었다. 단일 주거용건물에서 BIPV를 적용하여 그리드에연결하는 방식에서는 부하와 에너지 생산의 매칭에 대한 깊은 고려가 요구되지 않으나, BIST를 적용하는 방식에서는 급탕 및 난방 열저장 탱크의 용량한계로 인해, 급탕 부하와 BIST로부터의 열에너지획득에 대한 부하매칭이 어려워 효과적인 히트펌프 운전 저감효과를 얻지 못하는 것으로 나타났다. 이에, PER 40%를 달성하기 위해서 BIPV 기준 6 kW의 용량이 설치되어야 하며, 동일 면적에서 BIST와의 융합을 통한 에너지절감 가능성을비교한 결과, BIPV를 6 kW 이용하는 방안이 더 높은 PER을 나타내는 것을 확인하였다.
- 설계된 플러스에너지하우스에 대한 HVAC 시스템과 신재생에너지원의 적용성을 시뮬레이션을 통해 분석하였다. 본 KIER 플러스에너지솔라하우스의 디자인 설계를 통해, 벽체의 열관류율, 창문의SHGC, 기밀도 등과 같은 최근의 강화된 패시브 기준을 적용할 경우, 일반적인 저에너지 주택의 컴팩트형 디자인을 탈피하여 두 개의 매스가 분절되고 외부와 면한 외피의 면적이 넓어지더라도 잉여 에너지를 생산할 수 있는 플러스에너지하우스로 구성이 가능함을 확인할 수 있었다. 단일 주거용건물에서 BIPV를 적용하여 그리드에연결하는 방식에서는 부하와 에너지 생산의 매칭에 대한 깊은 고려가 요구되지 않으나, BIST를 적용하는 방식에서는 급탕 및 난방 열저장 탱크의 용량한계로 인해, 급탕 부하와 BIST로부터의 열에너지획득에 대한 부하매칭이 어려워 효과적인 히트펌프 운전 저감효과를 얻지 못하는 것으로 나타났다.
- Type 94의 4-파라미터 등가회로(4-parameter equivalent circuit) 해석을 통해 단결정(monocrystal)이나 다결정(polycrystal) PV 모듈의 발전성능을 평가하였다. 시뮬레이션에 적용된 태양전지의 종류는 결정계이며 STC조건에서 모듈의 정격 효율은 18%를 나타내는 제품을 사용하는 것으로 산정되었다. 태양열시스템은 2차 효율산정 방식과 2차 입사각계수 보정을 이용하는 Type 1b를 이용하여 해석하였다.
- 21을 보였다. 연평균 난방 COP와 냉방 COP는 각각 3.33과 3.28로 유사한 수준을 보이고 있으나, 급탕운전 시 COP는2.87로 나타났는데, 상대적으로 높은 출수온도를 보여, 난방운전에 비해 낮은 COP를 가지는 것으로 나타났다.
- 한편 CASE 2의 경우 동일한 조건에서 총 주택 전력소비량은 6,686 kWh가 되었으며, PV 설치용량 5 kWp에 따른 발전량은 8,600 kWh로 나타나, 29%의 플러스에너지율로 분석되었다. 이를 통해, CASE1이 CASE 2에 비해, 59% 더 많은 잉여에너지를 얻을 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
- 단일 주거용건물에서 BIPV를 적용하여 그리드에연결하는 방식에서는 부하와 에너지 생산의 매칭에 대한 깊은 고려가 요구되지 않으나, BIST를 적용하는 방식에서는 급탕 및 난방 열저장 탱크의 용량한계로 인해, 급탕 부하와 BIST로부터의 열에너지획득에 대한 부하매칭이 어려워 효과적인 히트펌프 운전 저감효과를 얻지 못하는 것으로 나타났다. 이에, PER 40%를 달성하기 위해서 BIPV 기준 6 kW의 용량이 설치되어야 하며, 동일 면적에서 BIST와의 융합을 통한 에너지절감 가능성을비교한 결과, BIPV를 6 kW 이용하는 방안이 더 높은 PER을 나타내는 것을 확인하였다. BIPV와 BIPV+BIST에대한 시뮬레이션 결과를 비교한 결과, BIPV만을 적용하는 방식이 59% 더 많은 잉여에너지를 얻을 수 있는 것으로 나타났다.
- 본 연구에서는29세대의 제로에너지하우스에 대한 실증연구결과를 분석하였다. 주택 내 플러그 부하의 비율을 살펴본 결과,재실자의 주거 패턴에 따라 최소 22%에서 최대 41%까지 비율이 차이가 나는 것을 확인할 수 있었으며, 평균31%의 플러그부하를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. Lim et al.
- 6%로 나타났다. 태양열 집열기를 5 m2로 설치함에 따라, 기존 시스템의 하절기집열기 과열 현상은 발생하지 않고 있으며, 동절기 급탕 열성능이 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
- CASE 1의 경우 연간 히트펌프 전력 소비량이 3,490 kWh로 총 주택 전력소비량은 7,283 kWh로 나타났으며, 6 kWp의 PV 발전량이 10,320 kWh로 나타나, 이에 따른 플러스에너지율이42%로 나타났다. 한편 CASE 2의 경우 동일한 조건에서 총 주택 전력소비량은 6,686 kWh가 되었으며, PV 설치용량 5 kWp에 따른 발전량은 8,600 kWh로 나타나, 29%의 플러스에너지율로 분석되었다. 이를 통해, CASE1이 CASE 2에 비해, 59% 더 많은 잉여에너지를 얻을 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
- BIPV와 BIPV+BIST에대한 시뮬레이션 결과를 비교한 결과, BIPV만을 적용하는 방식이 59% 더 많은 잉여에너지를 얻을 수 있는 것으로 나타났다. BIST의 효과를 높여 히트펌프 운전에너지를 절감하기 위한 개선 방안으로 축열조의 용량을 증대시키거나 단일건물이 아닌 건물군에서의 대형축열조를 이용하는 방식에 대한 검토가 가능할 것으로 판단된다.추후 연구에서는 본 플러스에너지하우스를 바탕으로, 냉방 및 제습을 포함한 에너지의 절감을 위한 외기전담시스템의 적용성을 검토하고, BIPVT (Building Integrated Photovoltaic and Solar Thermal system)에 대한 적용성, 그리고 잉여 전력의 판매에 대한 전력 프로슈머(electric prosumer)뿐만 아니라 잉여 열의 판매에 대한 열프로슈머(heat prosumer)를 위한 방안을 검토하는 연구가 진행될 예정이다.
- BIST의 효과를 높여 히트펌프 운전에너지를 절감하기 위한 개선 방안으로 축열조의 용량을 증대시키거나 단일건물이 아닌 건물군에서의 대형축열조를 이용하는 방식에 대한 검토가 가능할 것으로 판단된다.추후 연구에서는 본 플러스에너지하우스를 바탕으로, 냉방 및 제습을 포함한 에너지의 절감을 위한 외기전담시스템의 적용성을 검토하고, BIPVT (Building Integrated Photovoltaic and Solar Thermal system)에 대한 적용성, 그리고 잉여 전력의 판매에 대한 전력 프로슈머(electric prosumer)뿐만 아니라 잉여 열의 판매에 대한 열프로슈머(heat prosumer)를 위한 방안을 검토하는 연구가 진행될 예정이다.
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