Research Article

Journal of the Korean Solar Energy Society. 30 August 2022. 93-104
https://doi.org/10.7836/kses.2022.42.4.093

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 분석대상 학교건물 현황분석

  •   2.1 건축개요

  •   2.2 에너지공급계통 및 열원설비 개요

  •   2.3 원격모니터링시스템

  • 3. 에너지소비 분석

  •   3.1 기후분석

  •   3.2 연간 에너지사용량 분석

  •   3.3 용도별 에너지사용량 분석

  • 4. 결 론

1. 서 론

국공립 초․중․고등학교 등의 교육 시설은 ‘공공기관 에너지이용 합리화 추진에 관한 규정’에 따라 공공건축물로 분류되며, 2020년 1월부터 연면적 1,000 m2 이상의 신축건물에 대해 제로 에너지건축 의무화 대상에 포함되고 있다. 또한, 지난 2021년 2월 발표된 교육부의 ‘그린 스마트 미래학교 종합 추진계획’에 따라 40년 이상 경과 한 학교 건물 중에서 2,835동(약 1,400개교)을 개축 또는 리모델링 하여 제로 에너지 학교조성 및 생태교육 공간조성으로 탄소중립 실천을 목표로 하고 있다1). 이와 같이 신축 및 증․개축 학교 건물의 제로 에너지 구현은 시급한 현안으로 대두되고 있다. 일반적으로 학교 건물은 동․하절기 방학을 포함한 사용 스케줄에서 주거 및 업무용 건물 등과는 상이 한 에너지 소비특성을 갖고 있다. 이에 따라 학교 건물의 제로 에너지 구현을 위해서는 기존 학교 건물의 실제 사용실태를 전제로 에너지 절감 및 (신)재생에너지시스템 도입방안이 검토되어야 하나, 제로 에너지 건축물의 인증평가 도구는 ECO2 시뮬레이션에 한정되고 있어, 실제 운영과정에서 에너지 소비형태는 반영되지 않는 실정이다.

초․중․고등학교에서 에너지사용량이 가장 많은 고등학교를 대상으로 에너지 소비실태와 관련한 연구를 살펴보면, Cho et al. (2002)은 대구지역의 학교시설에 대한 건축 현황과 에너지원별 월간 사용량을 조사하고 그 특성을 분석하였다. 그 결과 2001년 기준 33개 고등학교의 평균 에너지원단위는 70.6 kWh/m2yr로 나타났다2). Yoon et al. (2010)은 2008년 한 해 동안 실제 사용된 전국 고등학교 교육 시설의 실제 에너지사용량을 교육통계데이터베이스를 통해 수집하고 공급 에너지원 사용특성과 에너지원단위를 분석하였다. 전국 평균 연면적 및 공조면적 기준 에너지원단위는 각각 60.8 kWh/m2yr와 98.3 kWh/m2yr로 나타났다3). Kim et al. (2011)은 전국 고등학교 에너지사용량에 대한 통계자료를 기반으로 기준학교를 선정하고 현장 실태조사 및 시뮬레이션을 통하여 에너지 소비실태를 파악하였다. 그 결과 2차 에너지원단위는 140 kWh/m2yr로 이 가운데 난방에너지가 36%로 가장 큰 비중을 차지하였으며, 다음으로 식당의 취사용 가스 26%, 기저전력 11%, 조명전력 9%, 냉방에너지 7%, 플러그 부하 6%, 기타 5% 순으로 나타났다4). Kim et al. (2016)은 서울지역 고등학교 건물에 대한 5년간의 에너지사용량을 한국전력 iSmart 시스템과 도시가스 공급업체의 고지자료를 통해 분석하였다. 2015년 기준 1차 에너지원단위는 158 kWh/m2yr로 식당에서 소비되는 에너지가 18%를 차지하였으며, 나머지 82%를 본관에서 소비되었다. 본관의 경우 화장실 급탕을 제외한 기저 및 상시전력이 40%, 화장실 동파방지를 포함한 난방이 20%, 화장실 급탕이 14%, 냉방이 8% 순으로 나타났다5). 이와 같이, 국내 선행연구는 다양한 방식의 자료 분석을 통해 고등학교건물의 에너지사용량을 평가하고 있으나, 1․2차 에너지 기준이 불분명하며, 연간 에너지사용량에 한정되어 있어, 용도별 에너지사용량을 파악할 수 없다. 또한, 노후 된 건물로 근래의 단열수준에서 제로에너지 학교 구현을 위한 에너지 소비실태를 파악하기에는 연구자료가 부족한 실정이다.

따라서 본 연구는 원격모니터링시스템이 구축된 고등학교를 대상으로 열원별 에너지 소비특성과 용도별 부하 형태를 분석함으로써, 에너지 절감 및 제로에너지 구현을 위한 기초자료로 제시하고자 한다.

2. 분석대상 학교건물 현황분석

2.1 건축개요

본 연구에서는 학교시설의 연간 에너지 소비특성을 분석하기 위하여, 충청북도 진천군에 위치한 S고등학교를 선정하였다. Fig. 1은 S고등학교의 전경을 나타낸 것이다. 본관동과 식당 및 강당 등의 용도로 사용되는 다목적 교실동으로 구성되어있다.

Table 1은 건축개요를 나타낸 것이다. 연면적은 10,432 m2로 전국 고등학교 평균 연면적 12,700 m2에 비해 다소 작은 규모이며, 지하 1층 지상 4층의 철근콘크리트조로 구축되었다. 2017년 3월에 개교한 S고등학교는 각 학년 8학급으로 2021년 기준 523명의 학생이 재학 중이다.

Table 2는 S고등학교의 부위별 열관류율을 나타낸 것이다. 건축 당시 에너지 절약 설계기준에 따른 법적 단열기준보다 강화된 수준의 열관류율이 적용되었으며, ‘건축물 에너지효율등급’은 본 인증을 통해 1+등급을 획득하였다.

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Fig. 1.

Front view of ‘S’ high school

Table 1

Architectural scheme

Item Content
Gross area 10,432
Building area 3,889
Heating area 9,784
Structure Reinforced concrete construction
Scale Main building : 1 basement level / 4 floors above ground
Multipurpose classroom building : 2 floors above ground
Number of Classes General class : 24 classes
Special class : 1 class
Table 2

Thermal performance of external wall

Item Applied level [W/m2K] Legal standard [W/m2K]
Wall 0.227 0.320
Roof 0.136 0.180
Ground Floor 0.178 0.250
Window 1.264 1.800

2.2 에너지공급계통 및 열원설비 개요

Table 3은 S고등학교의 에너지 공급계통을 나타낸 것이다. 블록히팅과 1개의 전력계통, 2개의 도시가스 계통으로 구성되었다. 여기서 블록히팅(Block heating)은 S고등학교 주변에서 계간축열 태양열 시스템에 의해 생산된 온수를 난방 용도로 공급하는 소규모 지역난방 시스템을 의미한다. S고등학교의 경우 ‘진천친환경타운’ 에너지사업의 일환으로 블록히팅 시스템이 적용되는 지역으로 배관망을 통해 난방수를 공급받고 있다6). 전력은 본관과 식당, 강당 등 모든 건물에 공급되는 계약전력 800 kW의 ‘교육용(갑) 고압A’이 공급되고 있으며, 도시가스는 식당 취사에 사용되는 ‘업무용(취사 및 난방)’과 본관 냉방을 위해 흡수식 냉동기에 공급되는 ‘업무 난방 및 냉방’으로 구분되어 있다.

한편 S고등학교는 전술한 ‘진천친환경타운’ 내에 위치한 시설로 신재생에너지 설치 의무화의 면제 대상이지만, ‘진천친환경타운’의 발전사업을 위한 태양광발전시스템이 설치되었으며 ‘건축물 에너지효율등급’ 평가과정에서도 반영되었다.

Table 3

Energy supply grid

Supply system Usage
Block heating Main building (Heating)
Electricity Education service (A)
- High Voltage A
Main building
Restaurant
Rest room
City gas Business heating Main building
(Heating and cooling)
Business
- Cooking & heating
Restaurant
(cooking and hot water)

Table 4는 S고등학교의 주요 냉․난방 설비를 나타낸 것이다. 난방 및 냉방 주 열원은 블록히팅과 흡수식 냉동기가 담당하는 수방식으로, 천장 카세트형 팬코일유닛(Fan coil unit, 이하 FCU)을 통해 각 실에 공급되는 중앙방식이며, 교무실, 행정실, 식당 등 일부실에는 전기히트펌프(Electric heat pump system, 이하 EHP)와 가스엔진히트펌프(Gas engine heat pump, 이하 GHP)에 의한 개별 냉난방 시스템이 적용되었다. 또한, 화장실에는 동파 방지를 위한 전기 온풍기가 설치되었다. 한편 급탕(Domestic hot water, 이하 DHW)은 화장실 온수공급을 위한 중앙공급 저탕식 전기온수기와 음용용 순간 전기냉온수기가 별도로 설치되었으며, 화장실 및 기계실, 주방 등을 제외하고 별도의 환기설비는 적용되지 않았다.

Table 4

Heating and cooling equipments

Item Contents Remarks
Block heating Heat exchanger 1*930 kW
Heating Electric fan heater 18*1.8 kW Toilet
Heating & cooling Absorption chiller-heater 1*1,120 kW
EHP 1*14.5 kW
EHP 1*40.6 kW
GHP 1*56.0 kW
GHP 1*71.0 kW
Domestic hot water supply Electric water heater 1*15 kW
11*1.5 kW
8*2.5 kW
1*5 kW
Gas water heater 1*79 kW Restaurant

2.3 원격모니터링시스템

S고등학교는 설계 당시부터 용도별 에너지사용량 분석을 위한 Fig. 2의 원격 모니터링시스템이 구축되었다. 블록히팅의 공급 열량을 측정하기 위한 1대의 열량계(Calorimeter)와 단상 기준 24개 채널을 갖는 24개의 전력량계를 통해 189개의 기기별 전력사용량을 1분 단위로 측정하고 있다. Fig. 3은 분전반에 설치된 전력량계를 나타낸 것이다. 측정되는 주요설비를 용도별로 분류하면 Table 5와 같다.

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Fig. 2.

Remote monitoring system

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Fig. 3.

Electric meter in distribution panel

Table 5

Main devices by application

Heating and cooling DHW Ventilation Lighting Appliance & Plug, etc.
- Electric fan heater
- EHP
- Circulation pump for heating and cooling
- Cooling tower
- Coolant circulation pump
- FCU
- Etc.
- Electric water heater
- DHW circulation pump
- Supply fan
- Exhaust fan
- Indoor light
- Outdoor light
- Plug load
- House pump
- Drain pump
- Freezer
- Refrigerator
- Electric oven
- Sanitary sterilizer
- Dish washer
- Exhaust hood
- Air curtain
- Communication & TV
- Broadcasting equipment
- Etc.

3. 에너지소비 분석

에너지소비량의 분석은 원격 모니터링시스템의 측정자료와 도시가스 공급업체의 고지된 자료를 기준으로 하였다. 본 연구에서는 정확한 학교 건물의 기기사용 특성을 반영하기 위해, COVID_19에 의해 정상적인 학교운영이 이루어지지 않은 2020 ~ 2021년을 제외하고 2019년도 데이터를 기준으로 에너지 분석을 진행하였다.

3.1 기후분석

Fig. 4는 2019년 해당지역의 연간 월별 평균 수평면 총 일사량 및 외기온을 분석한 것이다. 연평균 외기온과 수평면 총 일사량은 각각 13.8℃와 1,465.3 kWh/m2yr로 나타났다.

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Fig. 4.

Monthly insolation and mean temperature

3.2 연간 에너지사용량 분석

Fig. 5는 S고등학교의 1차 에너지 기준 에너지원별 연간 에너지사용량을 정리한 것이다. 원별 사용분포를 살펴보면 전기 에너지가 1,099,847 kWh/yr로 74.4%를 차지하였으며, 도시가스가 192,612 kWh/yr로 13%, 블록히팅이 185,197 kWh/yr 12.5% 순으로 파악되었다. 여기서 1차 에너지의 원별 환산계수는 2.75 (전기), 1.1 (도시가스), 0.728 (블록히팅)을 각각 적용하였다7). 총 에너지사용량은 1,477,657 kWh/yr로 연면적 및 공조면적 기준 에너지원단위는 각각 139.4 kWh/m2와 151.0 kWh/m2로 나타났다. Table 6은 전국 및 충북지역 고등학교, S고등학교의 2020년 연간 1차 에너지사용량 원단위를 비교한 것이다. S고등학교의 연면적 기준 에너지원단위는 139.4 kWh/m2yr로 전국 고등학교의 평균 에너지원단위 157.4 kWh/m2yr, 충북지역 고등학교 에너지원단위 158.8 kWh/m2yr에 비해 다소 낮은 수준으로 나타났다8).

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Fig. 5.

Annual energy consumption by source

Table 6

Regional annual energy consumption

Region Annual primary energy consumption [kWh/m2yr]
Nationwide 139.4
Chungcheongbuk-do 157.4
‘S’ high school 158.8

Fig. 6은 월별 에너지사용량을 나타낸 것으로, 에너지사용량이 가장 많은 12월이 175,285 kWh로 가장 적은 1월의 87,572 kWh에 비해 100% 이상 증가하였다. 블록히팅에 의한 난방에너지공급은 11월부터 4월까지 지속 되며, 12월을 제외하고 월별 공급량은 유사한 수준으로 나타났다. 도시가스의 경우 흡수식 냉동기의 냉방공급에 따라 6월부터 9월까지 사용량이 증가하는 것을 알 수 있다.

Fig. 7은 원격모니터링시스템을 통해 측정된 연간 실시간 전력사용 분포를 나타낸 것이다. 방학 기간을 제외한 동․하절기 전력사용이 봄․가을에 비해 증가하고 있으며, 피크(Peak) 전력이 약 190 kW로 이 기간에 동일하게 발생하고 있다. 여기서 증가 된 전력은 냉난방 순환펌프 운전에 의한 것으로 확인되었으며, 피크 전력은 계약전략 800 kW의 25% 수준으로 나타났다.

Fig. 8은 일 평균 외기온에 따른 블록히팅의 일일 난방 공급열량(2차 에너지 기준)을 나타낸 것이다. 블록히팅에 의한 난방공급은 일 평균 외기온이 19℃일 때까지 이루어지며, 14℃ 이하에서는 학사 일정에 관계 없이 항상 운전되는 것을 알 수 있다. 일 최대 공급 열량은 3,213 kWh로 나타났다.

Fig. 9는 연간 도시가스의 용도를 구분한 것이다. 총 에너지사용량 192,612 kWh에서 주방 조리용으로 60% (115,872 kWh)가 공급되었으며 나머지 40% (76,742 kWh)가 GHP의 냉난방 열원인 것으로 나타났다.

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Fig. 6.

Monthly energy consumption by sources

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Fig. 7.

Annual electricity distribution

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Fig. 8.

Daily space heating supply for block heating

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Fig. 9.

Annual gas consumption by usage

3.3 용도별 에너지사용량 분석

Fig. 10은 연간 용도별 에너지사용량을 나타낸 것이다. S고등학교의 1차 에너지 기준 연간 에너지사용량을 ‘건축물 에너지효율등급인증’평가대상인 난방 및 냉방, 급탕, 조명, 환기 등 5가지 항목과 기타로 구분하였다. 총 에너지사용량 1,477,657 kWh/yr에서 난방 26%, 냉방 20%, 조명 12%, 급탕 3%, 환기 2% 순으로 5가지 항목이 63%를 차지하였으며, 나머지 주방 조리, 전열 및 플러그 전력 등이 포함된 기타 항목이 37%로 나타났다.

용도별 에너지사용량에서 에너지원별 구성을 살펴보면, 382,289 kWh의 총 난방에너지 사용량의 경우 48%인 185,197 kWh가 블록히팅에 의한 열에너지 공급, 32%인 124,258 kWh가 난방 순환펌프 및 EHP로 공급된 전기 에너지, 나머지 19%인 73,834 kWh가 GHP의 난방운전에 소비된 도시가스로 나타났다. 냉방의 경우 약 54%인 155,226 kWh가 EHP의 냉방 운전과 냉방 순환펌프에 소비된 전기 에너지, 나머지 46%인 134,430 kWh가 GHP의 냉방 운전에 따른 도시가스 사용으로 구성되었다. 급탕 및 조명, 환기의 경우 모두 전력으로 사용되었다.

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Fig. 10.

Annual energy consumption by usage

Fig. 11은 ‘건축물 에너지효율등급인증’평가방식에 따라 산출된 실측 에너지사용량의 에너지원단위(Energy use intensity, 5가지 항목의 단위면적당 1차 에너지소비량)를 인허가 당시 건축물 에너지효율등급 본 인증서의 에너지원단위와 상대 비교한 것이다. 여기서 에너지원단위 산정에 적용된 용도별 면적은 Table 7과 같다. 실제 에너지사용량 분석에 따른 S고등학교의 에너지원단위는 125.9 kWh/m2yr로 1++등급에 해당 되었으며, 본 인증을 통해 평가된 에너지원단위 188.9 kWh/m2 (1+등급)의 약 66% 수준으로 나타났다. 전술한 바와 같이 본 인증에서는 발전사업으로 설치된 교내 태양광발전시스템의 발전량이 반영된 것으로, 이를 제외할 경우 그 격차는 더욱 커지게 된다. 한편, 본 인증의 용도별 에너지원단위는 냉방이 36%로 가장 많았으며, 난방 31%, 조명 11%, 환기 10%, 급탕 9% 순으로, 실제 에너지사용량 기준 원단위 구성(난방 31%, 환기 25%, 냉방 23%, 조명 15%, 급탕 6%)과 매우 상이한 형태를 보이고 있다.

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Fig. 11.

Energy use intensity

Table 7

Applied area of energy use intensity

Usage Heating Cooling DHW Lighting Ventilation
Area [m2] 9,784 9,763 6,682 9,850 1,056

4. 결 론

본 연구에서는 원격 모니터링시스템의 측정자료와 도시가스 공급업체의 고지된 자료를 기준으로 충청북도 진천군에 위치한 S고등학교의 에너지사용 특성을 분석하였다. COVID_19에 의해 정상적인 학교운영이 이루어지지 않은 2020 ~ 2021년을 제외하고 2019년도 데이터를 기준으로 에너지 분석을 진행하였으며, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.

(1) 1차 에너지 기준 연간 총 에너지사용량은 1,477,657 kWh/yr로 연면적 및 공조면적에 따른 에너지원단위는 각각 139.4 kWh/m2와 151.0 kWh/m2로 나타났다.

(2) 연간 총 에너지사용량에서 ‘건축물 에너지효율등급인증’평가대상인 난방 및 냉방, 급탕, 조명, 환기 등 5가지 항목이 63%를 차지하였으며, 나머지 주방 조리, 전열 및 플러그 전력 등이 37%로 나타났다.

(3) ‘건축물 에너지효율등급인증’평가방식에 따라 산출된 실측 에너지사용량의 에너지원단위는 125.9 kWh/m2yr로 1++등급에 해당 되었으며, 본 인증 통해 평가된 에너지원단위 188.9 kWh/m2 (1+등급)의 66% 수준으로 나타났다.

(4) ‘건축물 에너지효율등급’ 인증 평가 도구인 ECO2를 통해 평가된 인증서 상의 연간 에너지사용량 및 용도별 에너지 사용분포가 실제 측정된 에너지사용량과 달라 이를 기반으로 ECO2의 적정성이 평가되어야 할 것으로 판단된다.

Acknowledgements

본 연구는 2018년도 산업통상자원부의 재원으로, KETEP의 지원을 받아 수행한 연구과제입니다(No. 20182010600110).

References

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Yoon, J., Shin, U., Cho, J., Kim, H., and Lee, C., A Study on Analysis of Energy Consumption of a High School Facilities in Korea, Journal of the Korean Solar Energy Society, Vol. 30, No. 4, pp. 55-62, 2010.
4
Kim, K., Park, J., Yoon, J., and Shin, U., A Case Study of Characteristics of Energy Consumption of a High School Education Facilities, Journal of the Korean Solar Energy Society, Vol. 31, No. 5, pp. 99-104, 2011. 10.7836/kses.2011.31.5.099
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6
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7
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8
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