[논문]공공건축물의 신재생에너지 적용분석 및 건물에너지 분담률 분석

강수현; 유시완; 황정하; 조영흠

문제 정의

대상건물에 대하여 개정된 규정인 예상에너지 사용량의 10%이상을 신재생에너지로 공급토록 의무화하는 제도를 만족하는지 검토해 보았다.
이러한 현재 상황과 관련하여 법률개정 이전의 건물들이 현행 법규에 맞출 필요는 없으나 에너지의 중요성이 널리 확대되고, 신재생에너지 법규가 날로 강화되는 상황에서 기존 건물들 또한 기존에 설치된 신재생 설비를 이용하여 에너지 분담률을 향상시킬 필요가 있다고 판단되었다. 따라서 기존 설비 시스템을 이용한 분담률을 높일 수 있는 방안에 대하여 살펴보았다.
따라서 본 연구에서는 법 개정 이전, 즉 총 건축공사비의 5%이상이 신재생에너지 설치에 투자된 공공건물에 대하여 건물에너지 분담률을 분석하고, 기존의 신재생에너지 설비를 이용하여 추가비용 없이 효율을 향상시키는 방안에 대하여 검토해 보고자 한다.
본 논문은 신재생에너지의 사용의 확대와 이에 따른 법적규제가 강화됨에 따라 기존의 신재생에너지시스템 중 태양광 발전시스템이 설치된 건물을 대상으로 사용현황을 분석한 후, 기존의 시스템을 활용하여 추가적인 비용 없이 건물 에너지 분담률을 향상시키는 방안을 모색해 보았다. 본 연구의 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 경북 구미에 위치한 K 대학교 내의 태양광 발전설비가 설치된 업무시설에 대하여, 태양광 발전설비의 발전량 및 건물에너지 분담률에 대하여 분석하였으며, 기존의 태양광 발전설비를 이용하여 추가적인 비용 없이 효율을 향상 시킬 수 있는 방안에 대하여 살펴보았다. 에너지 분석 도구는 EnergyPlus를 사용하였다.
이러한 방법 중 본 연구에서는 기존의 신재생 설비 시스템을 이용하여 건물에너지 분담 률을 향상시키는 방안에 대하여 살펴보았다.
지식경제부가 시행하고 있는 공공기관 신축건물에 대한 신재생에너지 설치 의무화 사업의 개요 및 절차와 관련규정을 검토해 보았다.

가설 설정

대상건물은 냉난방을 시스템 에어컨에 의하여 실시하고 있으나, 본 시뮬레이션에서는 ‘HVACTemplate:Zone:IdalLoadAirSystem'을 적용하였다.이는 실내의 부하에 따라 이상적인 시스템에 의해 공조가 이루어진다고 가정하는 것이다.

제안 방법

건물의 Geometry를 작성한 후, 도면을 통하여 외벽, 창호, 내벽, 바닥, 지붕, 천정 등의 자재 정보를 수집 하였고,‘Material’Class에 이들의 물성치를 적용하였다.
대상건물은 일반건물에 속하며 고정식 태양광 설비가 설치되어 있으므로 설치단가 9,240/kW를 적용하였다.그 결과 설치용량은 최소 37.
대상건물의 모델링은 GooGleSketchUp의 OpenStudio를 활용하여 건물의 Geometry를 작성 하였으며,이후 EnergyPlus로 연계하여 세부사항을 입력하였다.
오명석 외 2인의 ‘아파트에 적용된 태양광발전 시스템의 성능평가 및 개선방안에 관한 연구(2008)’에서는 태양광발전 시스템이 설치된 아파트를 대상으로 운전현황 및 실태를 파악하고, 시스템의 성능평가 및 비교를 통하여 개선방안을 제시하였다. 또한,태양광 발전 시스템에 영향을 주는 요인으로서 방위및 설치각도, 일사량 및 일조시간,전지의 전력변환효율, PV 시스템의 온도상승과 변환 효율, 음영, 인동거리, 식생 등 7가지 요소를 제시하고, 이를 바탕으로 아파트에 적용된 태양광 설비 시스템 발전량을 분석하였다.
또한 추가적인 비용이 필요하지 않고 발전량을 향상시킬 수 있으므로 설계시 적정 각도와 향의 설정은 반드시 고려되어야 한다. 이러한 관점을 바탕으로 기존의 연구문헌을 분석하였다.
현재 설치된 PV 시스템의 발전효율을 살펴보기 위하여 특정일의 일일 발전량을 분석해 보았으며 그 결과는 그림 1과 같다. 최대 피크 발전량은 일사량이 가장 많은 11시와 12시에 25kWh로 나타났으며, 일 발전량은 총 215kWh로 나타났다.
현재 설치된 PV 시스템이 건물에서 소비되는 전력을 어느 정도 대체하는지를 시뮬레이션을 통해 분석하여 보았다. 표 7은 월별 건물의 사용전력량과 PV 발전량 및 분담률을 나타낸 것이다.

대상 데이터

건물의 조닝은 건축도면을 바탕으로 실별구분을 하였으며, 총 65개의 존으로 구성되었다.건물의 Geometry를 작성한 후, 도면을 통하여 외벽, 창호, 내벽, 바닥, 지붕, 천정 등의 자재 정보를 수집 하였고,‘Material’Class에 이들의 물성치를 적용하였다.
기상데이터의 경우 대상건물이 위치한 지역의 데이터를 사용하는 것이 가장 바람직하나, 구미지역의 기상데이터가 부족하여 인접지역인 대구지역의 기상데이터를 사용하였다.
대상건물은 경북 구미시에 위치한 K 대학 교의 업무용 건물을 선정 하였다. 본 건물은 2010년 12월에 완공하였으며, 총 건축공사비의 5%가 PV 발전 시스템에 투자되었다.
대상건물은 냉난방을 시스템 에어컨에 의하여 실시하고 있으나, 본 시뮬레이션에서는 ‘HVACTemplate:Zone:IdalLoadAirSystem'을 적용하였다.
대상건물은 경북 구미시에 위치한 K 대학 교의 업무용 건물을 선정 하였다. 본 건물은 2010년 12월에 완공하였으며, 총 건축공사비의 5%가 PV 발전 시스템에 투자되었다. PV 시스템은 2월부터 발전을 시작 하였다.
재실자, 조명, 기기의 스케쥴은 업무용 건물의 스케쥴을 사용하였다.

데이터처리

송종화 외 5인의 ‘건물일체형 투광성 PV 모듈의 설치 각도별 발전특성에 관한 연구 (2008)’에서 박막 태양전지를 이용한 PV 복층창 시스템의 실제 건물 적용모델을 대상으로 경사각별 발전성능을 측정하고 시뮬레이션(TRNSYS) 결과와 비교 분석하였다.

이론/모형

본 연구에서는 경북 구미에 위치한 K 대학교 내의 태양광 발전설비가 설치된 업무시설에 대하여, 태양광 발전설비의 발전량 및 건물에너지 분담률에 대하여 분석하였으며, 기존의 태양광 발전설비를 이용하여 추가적인 비용 없이 효율을 향상 시킬 수 있는 방안에 대하여 살펴보았다. 에너지 분석 도구는 EnergyPlus를 사용하였다.

성능/효과

Mock-Up모델의 경사각별 단위 출력량 분석 결과 0°, 30°, 90°의 경사각 중 30°에서 발전량이 가장 높았으며, 시뮬레이션 결과 또한 Slope_30°에 설치된 PV 모듈의 발전량이 가장 우수함을 나타내었다.
그 결과 공공기관을 중심으로 건물에 신재생에너지를 도입하는 비율이 증가하였으며,이후 2009년 3월 증·개축하는 건물에까지 확대적용 되었다.
대상건물은 일반건물에 속하며 고정식 태양광 설비가 설치되어 있으므로 설치단가 9,240/kW를 적용하였다.그 결과 설치용량은 최소 37.80kW 이상을 설치하여야 하며,실제 설치용량은 그보다 많은 41.16kW를 설치하였다.
그 결과 전국 평균 태양광 어레이 설치 경사각은 24∼36° 분포를 나타내었다.
기존 건축공사비의 5%가 신재생에너지 설비에 투자된 건물을 대상으로 예상에너지 사용량의 10%를 신재생에너지로 공급하여야 한다는 개정된 기준을 적용한 결과 8.8%의 분담률을 나타내어 기준을 만족시키지 못하는 것으로 나타났다.
Mock-Up모델의 경사각별 단위 출력량 분석 결과 0°, 30°, 90°의 경사각 중 30°에서 발전량이 가장 높았으며, 시뮬레이션 결과 또한 Slope_30°에 설치된 PV 모듈의 발전량이 가장 우수함을 나타내었다. 방위각별 발전량은 Slope_30을 기준으로 정남향에 설치된 PV 모듈이 가장 우수한 발전량을 나타내었다.
시뮬레이션 분석 결과 PV 시스템의 건물 전력량 분담률은 월별 6.4%∼11.9%의 분포를 나타내었으며, 연간 평균 8.8%로 나타났다.
1)을 통하여 구할수 있다.원별 설치 규모를 현재의 41.16kWh 를 적용하여 계산된 신재생에너지 의무 공급 비율은 연간 약 8.3%로서 기준인 10%를 충족시키지 못하는 것으로 나타났다.
이는 현재 에너지 사용량의 10%를 신재생 에너지로 공급해야하는 의무사항에 미치지 못하는 것을 알 수 있다. 이러한 현재 상황과 관련하여 법률개정 이전의 건물들이 현행 법규에 맞출 필요는 없으나 에너지의 중요성이 널리 확대되고, 신재생에너지 법규가 날로 강화되는 상황에서 기존 건물들 또한 기존에 설치된 신재생 설비를 이용하여 에너지 분담률을 향상시킬 필요가 있다고 판단되었다. 따라서 기존 설비 시스템을 이용한 분담률을 높일 수 있는 방안에 대하여 살펴보았다.
제주도를 제외한 전국의 최적 태양광 어레이 설치 경사각은 30∼36°이며, 이러한 경사각을 적용하였을 경우 최대의 태양 일사를 받아들이는 것으로 나타났다.
현재 설치된 PV 시스템의 발전효율을 살펴보기 위하여 특정일의 일일 발전량을 분석해 보았으며 그 결과는 그림 1과 같다. 최대 피크 발전량은 일사량이 가장 많은 11시와 12시에 25kWh로 나타났으며, 일 발전량은 총 215kWh로 나타났다. 또한 17시 이후에 발전량이 없는 것은 대상건물 서쪽에 위치한 산 지형에 의한 것이라 판단되었다.

후속연구

그 결과 공공기관을 중심으로 건물에 신재생에너지를 도입하는 비율이 증가하였으며,이후 2009년 3월 증·개축하는 건물에까지 확대적용 되었다. 그러나 이후 신재생에너지 설비의 적정 사용 및 효율성의 문제로 인하여 예상건물에너지 사용량의 10%를 신재생 에너지로 공급토록 의무화하였으며 향후 관련 법규를 강화해 나갈 예정에 있다.
또한 현행 연면적 3천제곱미터 이상의 건축물만 적용되었던 내용이 향후 2012년부터 공공기관이 신·증·개축하는 연면적 천제곱미터 이상의 건축물로 강화될 것으로 고시하고 있다.
향후 연구사항으로 기존의 태양광 어레이를 이용한 건물에너지 분담률을 향상시키기 위하여 지역별, 계절별, 월별 최적각도를 적용하여 PV 시스템의 발전량 향상 방안에 대하여 연구가 필요할 것으로 판단된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	신재생에너지에 대한 관심이 높아지는 이유는?	현재 전 세계는 고갈되는 화석연료와 온실 가스 감축을 위하여 신재생에너지에 대한 관심이 높아지고 있으며, 미국, 유럽, 일본 등의 선진국에서는 대체에너지의 개발과 보급이 범정부 차원에서 이루어지고 있다.우리나라는 에너지의 해외 의존도가 97%에 달하는 자원 빈국으로서, 에너지 수급 불안정에 따른 에너지 안보 확보를 위해 신재생에너지 개발 및 보급에 박차를 가하고 있다.
	우리나라 에너지의 해외의존도는 몇 %인가?	현재 전 세계는 고갈되는 화석연료와 온실 가스 감축을 위하여 신재생에너지에 대한 관심이 높아지고 있으며, 미국, 유럽, 일본 등의 선진국에서는 대체에너지의 개발과 보급이 범정부 차원에서 이루어지고 있다.우리나라는 에너지의 해외 의존도가 97%에 달하는 자원 빈국으로서, 에너지 수급 불안정에 따른 에너지 안보 확보를 위해 신재생에너지 개발 및 보급에 박차를 가하고 있다.그러한 정책 중 하나로서 공공기관이 신축하는 연면적 3,000m2이상의 건축물에 대하여 총 건축공사비의 5% 이상 신재생에너지 설치에 투자해야 하는 신재생에너지 설치 의무화 사업을 2004년부터 실시하였다.
	기존의 시스템을 이용하여 건물 에너지 분담률을 향상시킬 수 있는 방법에는 어떠한 방법이 있는가?	1) 기존 신재생 설비 시스템을 이용한 방법 2) 추가적 신재생에너지 증설 3) 건물 에너지 저감을 통한 분담률 향상

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