1. 서 론
2. 선행연구 고찰
3. 실증단지 개요
3.1 R-house 집단주거 단지
3.2 모니터링 시스템
4. 분석 결과
4.1 60세대 용도별 부하 분석
4.2 경부하, 중부하, 최대부하 산출
4.3 에너지 자립률 산출
5. 결 론
1. 서 론
국내의 그린 뉴딜 정책 본격화에 따라 탄소 중립 사회를 위한 다양한 관련 정책이 수행되고 있다. 2030년까지 국가 온실가스 37% 감축을 목표로 하고 있으며1), 본격적인 제로 에너지 건축 의무화 시행을 통해 2020년 공공건물 제로 에너지 건축물 의무화를 시작으로 2025년 민간 건축물 1,000 m2 이상, 공동주택 30세대 이상 건물을 대상으로 그 범위가 확대될 예정이다2). 제로 에너지 건물이란 제로 에너지건축물 인증 등급을 받은 건물로 에너지자립률에 따라 1~5등급으로 나뉜다. 에너지자립률은 단위면적당 1차 에너지생산량을 단위면적당 1차 에너지 소비량으로 나눈 백분율로 건물에너지해석 프로그램(ECO2)을 활용하여 산출한다. 그러나 이 해석 프로그램은 같은 건물 용도일 경우 재실자 사용패턴, 설비 운전시간, 최소 외기량 등 실의 특성을 결정하는 사용 프로필이 한 가지 종류로 단일 적용된다. 또 한 주거용 건물에서 필연적으로 발생하는 플러그 부하에 대한 정보는 고려하지 않는다. 그러나 실제 건물에서는 다양한 재실자 패턴이 존재하며, 플러그 부하 또한 필연적으로 발생 되는 부하 요소 중 하나이다. 따라서 정확한 분석을 위해 좀 더 현실적이며 세분화 된 입력데이터가 필요하다.
따라서 본 연구는 동일한 용도와 구성의 건물이라 할지라도 다양한 부하 패턴이 다양하게 존재함을 확인하고자 실제 단독주택 60가구의 연간 실측 모니터링 데이터(2019.10~2020.10)를 활용하여 난방, 냉방, 급탕, 환기, 조명, 플러그 부하 등 용도별 에너지 사용량을 정밀 분석하였고 이를 통해 경부하, 중부하, 최대부하로 총 3개의 대표 부하 패턴을 산출하여 예상되는 에너지 자립률을 산출하였다.
2. 선행연구 고찰
Wu et al. (2020)3)의 연구 결과를 보면, 거주자의 재실 패턴은 건물에너지 소비량에 영향을 미치는 매우 중요한 요인이며 정확한 거주자의 재실 프로파일 분석 및 적용에 따라 냉방에너지는 최대 40%, 난방에너지는 최대 60%까지 감소하였다. Ahn et al. (2017)4)은 재실 유형은 실제 에너지 사용과 시뮬레이션 간의 불일치에 기여하는 중요 요인으로 간주하여 무작위 재실 패턴을 가설로 실험을 수행하였고 새로운 개념인 “random walk” 재실자 모델을 제시하였으며 적절한 재실자 여부에 대한 모델링이 중요함을 강조하였다. Gucyeter (2018)5)은 가상의 건물을 통한 시뮬레이션을 통해 동절기와 하절기 서로 다른 민감도 제어 기반을 통한 다양한 패턴을 설정하여 분석을 수행하였고 부분적으로 과대평가되는 시간대를 발견하였으며 그 결과를 통해 거주자의 재실 특성을 일반화된 가정으로 수용하기보다 다양한 패턴 연구를 추가 수행하는 것이 필요함을 확인하였다. 그 외에도 이와 같은 재실 패턴과 건물에너지와의 영향을 분석하는 다양한 연구들을 수행하고 있으며6,7,8), 재실 패턴과 부하와의 상관관계가 매우 크다는 것을 확인할 수 있다. 플러그 부하 역시 건물에너지 사용의 중요한 요소로 국외 친환경 건축 인증제도인 LEED, BREAM 등에서는 플러그 부하를 포함하여 건물에너지 사용량을 산출한다. 건물의 플러그 부하에 대한 세분화된 접근은 에너지 절약에 대한 효율적인 전략을 세울 수 있으며9) 중앙 집중식 제어와 재실자의 적극적인 참여를 통해 플러그 부하를 제어하면 최대 32%가량 전기 소비량을 감소시킬 수 있다10).
상기 선행연구 고찰을 통한 재실 패턴과 플러그 부하의 중요성을 확인하였다. 특히 플러그 부하 관련 선행연구들은 대부분 상업용 건물에 대한 부하 분석으로 본 연구의 주거용 플러그 부하 분석 연구는 향후 주거용 건물의 제로 에너지 연구를 위한 중요한 자료로 활용될 것이다.
3. 실증단지 개요
3.1 R-house 집단주거 단지
Fig. 1은 분석 대상 인 S시(36°30'53.3"N 127°14'08.5"E) R-house의 주거단지 전경으로 총 60세대로 이루어져 있으며 전용면적 85 m2의 2층의 단독주택 제로 에너지 건물이다. 정남향으로 배치되어 동일한 용량의 태양광 시스템이 설치되어있다. 정부의 제로 에너지 빌딩 시범사업의 일환으로 모두 동일한 시스템이 적용되었으며 자세한 사항은 Table 1과 같이 정리하였다.
Table 1
R-house Building Application system
3.2 모니터링 시스템
모니터링 방식은 각 센서의 통신에 연결된 Remote Terminal Unit (RTU)을 통해 서버에 전송되며 이를 Web 플랫폼을 통해 실시간 사용 정보를 확인할 수 있다. Fig. 2는 실증단지에 설치된 모니터링 시스템의 개념도를 나타낸 것으로 60가구 전체의 세대별 데이터를 관리하고 있다. 취사를 포함한 가스 사용량은 11세대를 대표로 측정하고 있으며 전력 사용량은 60세대 모두 측정되고 있다.
4. 분석 결과
4.1 60세대 용도별 부하 분석
먼저 난방에너지 및 급탕, 취사의 연간 총 에너지 사용량의 분석 결과는 Fig. 3과 같다. H-1 가구의 난방에너지는 연간 총 12,316 kWh/yr로 가장 많은 사용량을 보였으며, H-7 가구의 사용량은 연간 총 2,813 kWh/yr로 가장 적은 사용량을 보였다. 급탕+취사의 경우 H-9 가구로 총 8,114 kWh로 최대 사용량을 보였으며, H-5 가구는 1,294 kWh/yr로 가장 적은 사용량을 보였다.
Fig. 4는 순서대로 냉방, 보일러, 환기, 조명, 플러그 부하 분석 결과이다. 측정된 가구 중 사용량이 없거나 측정 오류 등의 문제로 측정되지 않은 가구는 제외하였다. 먼저 냉방에너지 사용량 분석 결과 최대 사용 가구는 연간 1,175 kWh/yr로 분석되었고 최소 사용량은 22 kWh/yr로 분석되었다. 보일러 전력 사용량의 경우 최대 589 kWh/yr, 최소 40 kWh/yr로 분석되었다. 환기의 경우 가장 많이 사용한 가구의 사용량은 연간 459 kWh/yr로 분석되었고 최소 사용량은 5kWh/yr로 환기 장치를 거의 사용하지 않는 가구로 예상된다. 조명의 경우 최대 사용량은 연간 1,380 kWh/yr로 분석되었고 최소 사용량은 37kWh/yr로 분석되었다. 마지막 플러그 부하의 분석 결과 최대 사용량은 3,765 kWh/yr로 분석되었고 최소 사용량은 142 kWh/yr로 분석되었다.
60가구의 단위세대 평균 연간 에너지 소비량 분석 결과는 Fig. 5와 같다. 난방에너지는 54.1 kWh/m2⋅yr, 급탕 및 취사의 연간 에너지 소비량은 51.9 kWh/m2⋅yr로 가스 에너지의 연간 평균 사용량은 106 kWh/m2⋅yr로 분석되었다. 전기 에너지의 연간 평균 사용량은 32.6 kWh/m2⋅yr로 분석되었다. 플러그 부하는 전체 에너지의 12.2%의 비중으로 난방과 급탕(취사) 에너지 사용량 다음으로 가정에서 가장 많은 에너지 사용량 비중을 차지하는 것으로 분석되었다.
4.2 경부하, 중부하, 최대부하 산출
다음은 3개의 대표 부하 패턴을 산출하고자 분석한 결과로 상기 분석 결과를 통해 최댓값과 최솟값의 경우 각 부하의 대표성을 나타내기에 부적합하다고 판단하여 용도별 부하의 평균값, 상위 25%, 중앙 50%, 하위 25%에 각각 해당하는 값을 산출하였고 그 결과 다음 Table 2와 같이 분석되었다. 상위 25% 해당하는 값을 최대부하 값으로 하여 순서대로 중부하, 경부하로 가정하였다.
Table 2
Result of Energy Consumption by Use
따라서 최대부하는 총 14,071 kWh/yr, 중부하는 10,701 kWh/yr, 경부하는 7,682 kWh/yr로 분석되었다.
4.3 에너지 자립률 산출
다음은 산출된 대표 부하 패턴별 에너지 자립률 및 플러그 부하 유 무에 따른 에너지 자립률을 비교 분석하였다. 에너지 자립률은 국내 제로 에너지건축물 인증제도의 계산 방식에 따라 산출하였으며 신재생에너지(태양광 시스템) 생산량은 실제 R-house의 제로 에너지건축물 인증 당시 분석 결과 값을 사용하였다.
먼저 Table 3은 플러그 부하를 제외한 3가지 각 부하 패턴의 1차 에너지 소비량 분석 및 그에 따른 ZEB 인증 등급을 분석한 결과로 최대부하는 2등급, 나머지 중부하와 경부하는 1등급으로 분석되었다. 3개의 부하 패턴의 평균 1차 에너지 소비량을 기준으로 분석하면 에너지 자립률은 약 105%로 1등급을 달성할 수 있다.
Table 3
Analysis result of Zero Energy Building Rate on Each Load patterns (without Plug Load)
| Load Pattern | Primary Energy Consumption per Unit (kWh/m2⋅yr) | Energy independence rate (%) | ZEB rate |
| Maximum Load | 192.6 | 80 | 2 |
| Heavy Load | 143.8 | 107 | 1 |
| Light Load | 101.8 | 150 | 1 |
만일 Table 4와 같이 플러그 부하가 포함된다면 최대부하는 3등급, 중부하 2등급, 경부하 1등급으로 분석되며 3개 부하 패턴의 평균 1차 에너지 소비량을 기준으로 분석하면 에너지 자립률은 약 80%로 2등급을 달성할 수 있다.
5. 결 론
본 연구는 실증 주거단지의 실측 모니터링 데이터를 바탕으로 용도별 부하 분석 및 대표 부하 패턴을 산출하여 플러그 부하 유 무에 따른 에너지 자립률을 예측하는 분석을 수행하였다. 본 연구를 통해 동일한 조건과 동일한 용도의 건물일지라도 거주자의 재실 패턴 및 이용 패턴 변수들에 의해 다양한 부하 패턴이 산출됨을 확인하였으며 플러그 부하가 건물에너지 사용량의 12% 이상의 높은 비중을 차지함을 확인하였다. 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.
(1)총 60세대의 모니터링 데이터를 활용하였으며 분석 결과 난방, 급탕, 취사에 사용된 연간 가스 에너지 소비량은 106 kWh/m2⋅yr, 냉방, 보일러, 환기, 조명, 플러그에 사용된 연간 전기 에너지 소비량은 32.6 kWh/m2⋅yr로 연간 총 138.6 kWh/m2⋅yr를 사용하는 것으로 분석되었다.
(2)전체 건물 에너지 사용량에서 난방 에너지는 39%, 급탕 및 취사 에너지 사용량은 37.5%, 플러그 부하는 12.2%로 전기 에너지 소비량 중 가장 많은 비중을 차지하는 것으로 분석되었다.
(3)상기 분석 결과를 바탕으로 최대부하, 중부하, 경부하로 나누어 에너지 자립률을 분석한 결과 기존 방식에 따른 플러그 부하가 없을 경우의 에너지 자립률은 최대부하 2등급, 중부하와 경부하는 1등급으로 분석되었으며, 3개 부하의 평균 에너지 자립률은 약 105%로 1등급을 달성할 수 있는 것으로 분석되었다. 반면 플러그 부하를 포함하는 것으로 가정할 경우 최대부하 3등급, 중부하 2등급, 경부하는 1등급으로 분석되었으며, 3개 부하의 평균 에너지 자립률은 약 80%로 2등급 달성이 가능한 것으로 분석되었다.
(4)향후 주거용 건물의 정밀한 에너지 사용량 분석 및 다양한 부하 패턴 적용을 통한 정확한 에너지 사용량 분석이 필요할 것으로 사료 된다.
