1. 서 론

정부는 녹색건축물 조성 지원법 시행령¹⁾에 따라 30세대 이상의 공동주택에 대하여 공공부문은 2023년, 민간부문은 2024년부터 제로에너지건축물 의무화를 시행하고 있다. 서울시는 2022년 7월에 제2차 서울특별시 녹색건축물 조성계획²⁾을 발표하여 국가목표보다 앞선 2023년부터 1,000세대 이상의 대규모 신축 민간건축물을 대상으로 제로에너지건축물 의무화를 적용하고 있다.

다수의 지자체에서는 아파트 발코니에 설치할 수 있는 미니 태양광 설비 보급 지원사업을 2014년부터 추진해 오고 있다. 아파트 미니 태양광(Photovoltaic; PV) 설비는 발코니에 태양광 모듈을 설치하여 태양광 발전전력을 플러그를 통해 세대 콘센트로 직접 공급하는 개념이다. 공동주택 각 세대에서 지원받을 수 있는 태양광 설치용량은 50 W 이상 1 kW 미만이지만, 세대에서는 일반적으로 300 W급 태양광 모듈 1장을 설치하는 편이다. 태양광 설치용량 300 W급은 태양광 발전시간대의 세대별 전력소비량이 상이하기 때문에 세대가 직접적으로 전력소비량의 절감효과를 체감하는 것에 차이가 있을 수 있다. 공동주택 세대 단위에서는 태양광 모듈의 설치면적을 확보하기 어렵고, 별도 상계처리(자가소비 후 잉여전력량을 한전에 역송하고, 이후 한전으로부터 구매한 전력량을 역송한 잉여전력량에서 차감하는 방법³⁾)가 되지 않기 때문에 태양광 설치용량에 한계가 있다. 공동주택의 에너지 자립률을 높이기 위해서는 세대 단위의 전력소비량 절감이 필요하다. 이와 관련하여 태양광 설치용량 확대방안과 잉여전력량의 활용방안에 대한 연구가 필요하다.

선행연구로 Kim et al.⁴⁾과 Chin⁵⁾은 공동주택 발코니를 대상으로 BIPV (Building Integrated Photovoltaic) 모듈의 적용과 거주자 주택 점유율을 고려한 발코니 태양광 설비의 디자인에 대한 연구를 진행하였다. Kim et al.⁶⁾의 연구에서는 수도권 소재 아파트 3세대를 대상으로 세대별 1.2 kW급 용량의 발코니 태양광과 3 kW급 / 2 kWh 용량의 BESS (Battery Energy Storage System)를 연계하여 운전하는 실증을 통해 BESS의 활용효과를 분석하였다. Eum et al.⁷⁾은 경기도 고양시 소재의 다세대주택 1개동 8세대를 대상으로 세대별 1.2 kW급 용량의 옥상 태양광과 연계된 BESS를 실증하여 PV 단독 및 BESS의 활용에 따른 전력소비량의 절감효과를 분석하였다. 본 연구에서는 서울지역 아파트를 대상으로 약 1년 동안의 실시간 전력소비패턴 분석과 발코니에 설치된 미니 태양광 설비의 발전량을 분석하고자 한다.

2. 데이터 측정 장치 및 방법

2.1 대상 세대 및 발코니 태양광 설비 개요

대상 세대는 서울시 성동구와 구로구에 위치한 대규모 아파트 단지 내에서 전용면적이 80 m² 이상이고, 남동향인 4세대로 선정하였다. 아파트 단지와 세대별 세부 정보는 Table 1과 같다. 4세대 아파트는 1999년과 2000년에 사용승인을 받아 약 20년 이상이 된 아파트이다. 난방방식은 개별난방이고, 도시가스를 연료로 한다. 세대 정보를 기준으로 A세대와 D세대는 약 84 m²로 전용면적이 비슷하고, 방과 화장실 수가 3개와 2개로 동일하다. 다만, A세대가 D세대 보다 앞 동과의 거리가 가깝고, 층수도 14층과 9층으로 다르다. C세대는 4개 세대 중 전용면적이 가장 크고, 방과 화장실 수는 B세대와 동일한 4개와 2개이다. B세대의 층수는 5층으로 4세대 중 가장 저층이다. 아파트 세대별 거주자와 가전기기 정보는 실증 당시 설문조사를 통해 파악하였다.

발코니 태양광 설비는 태양광 모듈과 인버터로 구성되며, 거치대를 통해 각 세대 발코니 난간에 경사각 70°로 설치되었다. Fig. 1은 세대 발코니 난간에 설치된 태양광 모듈의 사진이다. 발코니 태양광 설비의 설치용량은 성동구 1.2 kW/세대, 구로구 850 W/세대이다. 성동구 2세대는 S사의 용량 300 W 모듈(모델명 SS-BM300PB, 정격효율 18.4%, 무게 18.4 kg) 4장, 구로구 2세대는 L사의 용량 300 W 모듈(모델명 LG425N2T-V5, 정격효율 19.3%, 무게 20.3 kg, 양면형) 2장을 설치하였다. 태양광 인버터는 H사의 용량 360 W 마이크로 인버터(모델명 HSPV-K360, 효율 95% 이상)를 모듈별 설치하여 사용하였다. Table 2는 세대별 발코니 태양광 모듈과 인버터 사양을 정리한 것이다. 대상 세대의 태양광 설치용량이 일반 300 W 급보다 이상으로 설치된 이유는 선행연구⁵⁾와 관련이 있다. 선행연구는 아파트 세대의 발코니 태양광 연계 BESS 운전실증에 대한 내용으로 해당 연구가 종료된 이후 BESS는 철거되었고, 마이크로 인버터를 태양광 모듈에 개별 설치하여 현재까지 대상 세대의 발코니 태양광 설비를 유지하고 있다.

Table 1

Information of apartments and households

Category		A household	B household	C household	D household
Apartment complex	Location	Seongdong-gu, Seoul		Guro-Gu, Seoul
	Number of households	3,404 households (35 buildings)		2,298 households (27 buildings)
	Lower / Upper floors	5th / 15th floors		19th / 27th floors
	Date of use approval	December 30, 2000		November 27, 1999
	Heating type / Fuel	Individual heating / City gas
Household	Exclusive use area [m2]	84.87	114.94	134.99	84.95
	Floor	14th	5th	10th	9th
	Number of rooms / bathrooms	3 / 2	4 / 2	4 / 2	3 / 2
	Direction	Southeast
	Floor plan
	Building location
	Number of residents	4 (double-income)	3 (triple-income)	4 (single-income)	2 (single-income)
	Home Appliances	Common - TV, refrigerator, kimchi refrigerator, washing machine, air conditioner, fan, microwave, rice cooker / A - Electric heater, styler, electronic piano / B - Electric heater / C - induction / D - massager, computer

Fig. 1.

Pictures of balcony PV modules in apartment households

2.2 데이터 측정 방법

세대별 전력소비패턴 및 발코니 태양광 설비의 발전량을 분석하기 위해 디지털 전력량계를 설치하여 세대 전체 소비전력(수전전력)과 태양광 발전전력 데이터를 계측하였다. 디지털 전력량계는 D사의 분전반 전력 측정기(모델명 PM-P110-WE, 최대허용용량 50 A, 통신방식 Wi-Fi)와 태양광 발전량 측정기(모델명 PM-B400-W, 최대허용용량 10 A, 2,200 W, 통신방식 Wi-Fi)로 각 세대 분전반과 태양광 인버터 출력단 플러그에 설치 및 연결되었다. Fig. 2는 디지털 전력량계 및 데이터 다운로드 웹페이지 사진이다.

데이터 계측 주기는 1분 단위로 무선통신을 통해 데이터 서버에 전달되고, 원격으로 확인 및 다운이 가능하도록 하였다. 데이터 수집 기간은 2021년 3월 25일부터 2022년 7월 2일까지이고, 데이터 분석은 2021년 7월 1일부터 2022년 6월 30일까지의 데이터를 활용하였다.

Fig. 2.

Pictures of realtime electric power meters

3. 데이터 분석 결과

3.1 일간 실시간 전력소비패턴 분석

Fig. 3은 서울지역 아파트 4세대의 하루 동안의 실시간(분 단위) 전력소비량을 연간 및 계절별로 평균한 그래프이다. 계절은 한국전력공사의 현행 계절별‧시간대별 요금제⁸⁾를 참고하여 여름철(6 ~ 8월), 봄‧가을철(3 ~ 5월, 9 ~ 10월), 겨울철(11 ~ 2월)로 구분하였다. 일간 실시간 전력소비패턴은 1분 단위의 세대별 전체(분전반) 측정 전력소비량과 1분 단위의 세대별 태양광 발전량을 활용하여 계산하였다. 다만, Fig. 3의 (b)는 무선통신 네트워크가 불안정하여 누락된 데이터를 보간 방법을 이용하여 추정하였으며, 다른 그래프와 달리 실시간(1분 단위) 데이터임에도 불구하고, 부드러운 패턴을 나타내고 있다.

세대별 일간 전력소비패턴은 거주자의 생활패턴에 따라 상이하기 때문에 큰 차이를 보였다. 공통적으로는 하루 중 저녁시간대의 전력소비량과 연중 여름철의 전력소비량이 가장 많았다. 여름철은 에어컨 등 냉방기기의 사용이 전력소비량 증가의 원인인 것으로 판단된다. A세대는 계절별 전력소비량의 차이가 크지 않았고, B세대와 D세대는 7시와 18시 사이에 전력소비량이 크게 감소하는 모습을 보였다. C세대는 여름철과 새벽시간대를 제외한 타계절과의 시간대에서 전력소비량의 변화가 크지 않았다. C세대와 D세대는 동일하게 5시와 18시에 최소와 최대 전력소비를 보였고, 기저부하는 약 300 W 정도로 추정된다.

Fig. 3.

Daily average power consumption patterns by apartment households

3.2 발코니 태양광 설비의 일간 운전특성 분석

발코니 태양광 설비의 일간 운전특성을 분석하기 위해 2021년 7월 1일부터 2022년 6월 30일까지의 기간 중 날씨가 맑음인 특정 일자(2022.03.28)를 대상으로 세대별 태양광 발전전력과 소비전력을 살펴보았다. 분석대상 일자는 기상청 날씨누리⁹⁾에서 제공하는 과거 관측 자료를 참고하여 평균운량 0.5, 평균기온 8.2℃, 최고기온 15.1℃, 최저기온 1.5℃, 일강수량 0.0 mm인 2022년 3월 28일(월요일)로 선정하였다.

Fig. 4는 분석대상 일자인 2022년 3월 28일의 세대별 1분 단위 태양광 발전전력과 태양광 발전전력의 자가소비가 반영된 소비전력을 그래프로 표현하여 발코니 태양광 설비의 일간 운전특성을 보이고 있다. 세대별 발코니 태양광 발전량은 설치용량과 설치환경의 영향으로 차이가 있지만, 태양광 발전시간대는 공통적으로 6시와 19시 사이였다. 정격발전 대비 설치조건에 의한 손실률은 4세대 평균 약 20%로 확인되었다. 태양광 발전효율은 태양광 모듈의 방위각, 경사각, 지역, 높이, 주위 음영 등 설치조건의 영향으로 손실이 발생한다. 해당 세대는 모두 태양광 모듈이 남동쪽, 70° 경사각으로 설치되어 정격효율 대비 발전효율 손실이 발생하였다.

태양광 잉여전력은 태양광 발전시간대에 세대에서 자가소비하고 남은 태양광 발전전력으로 Fig. 4에서 음(-)의 값으로 표시하였다. 전력소비량은 태양광 발전으로 인해 태양광 발전시간대에는 거의 발생하지 않았고, 그 외의 시간대에는 태양광 설비의 설치유무와 관계없이 일반 소비되었다. Table 3은 일간 전력소비량과 태양광 발전량, 태양광 잉여 전력량, 태양광 최대 발전전력을 표로 정리한 것이다. 태양광 잉여 전력량은 세대별 상이한 전력소비량과 발코니 태양광 발전량에 큰 영향을 받아 세대별 차이를 보였다.

Fig. 4.

Daily operation characteristics of balcony PV by apartment households (2022.03.28)

3.3 발코니 태양광 발전량 및 전기에너지 자립률 분석

4세대의 월별 전력량 변화는 연간 월별 전력소비량과 발코니 태양광 발전량으로 Fig. 5와 같이 나타내었다. Fig. 5에서 전력소비량과 태양광 발전량의 합산은 월간 총 부하로 태양광 설비를 설치하지 않았을 때의 세대 전체 전력소비량을 의미한다. 4세대 모두 태양광 발전량은 연 중 봄‧가을철에 많았고, 전력소비량은 연 중 여름철인 7월에 가장 많았다. 발코니 태양광 발전량은 설치용량과 설치환경에 큰 영향을 받아 세대별 차이를 보였으나, 태양광 발전량의 공급으로 전력소비량이 절감된 것을 확인할 수 있다.

Table 4는 4세대의 연간 전력소비량과 태양광 발전량, 태양광 잉여전력량, 전기에너지 자립률을 정리한 표이다. 전력소비량은 D세대, C세대, B세대, A세대 순으로 많았으나, 태양광 발전량이 많은 순서는 전력소비량의 역순으로 전기에너지 자립률은 A세대, B세대, C세대, D세대 순으로 높았다. 발코니 태양광 설비를 설치하였을 때, 4세대의 평균 전기에너지 자립률은 약 26%로 계산되었다.

공동주택 세대 단위의 전기에너지 자립률을 높이기 위해서는 태양광 용량 확대와 함께 현재 잉여전력량이 상계처리가 되지 않는 공동주택 특성을 고려하여 세대별 BESS의 활용이 필요할 것으로 판단된다. 발코니에 설치할 수 있는 태양광 용량은 세대별 발코니 면적에 비례하고, 동일면적 대비 용량과 발전효율은 연구개발을 통해 지속적으로 증가하고 있다. 또한 태양광 용량 확대방안으로 공동주택에 BIPV 모듈의 적용이 검토되고 있어, 향후 태양광 잉여전력량이 더욱 증가할 것으로 예상된다. 태양광 잉여전력량은 특히 날씨가 맑은 날에 많이 발생하기 때문에 BESS에 저장하여 전력소비량이 많은 저녁시간대에 사용하는 것이 가능하다.

Fig. 5.

Monthly operation characteristics of balcony PV by apartment households

4. 결 론

본 연구에서는 서울지역 아파트 4세대를 대상으로 2021년 3월 25일부터 2022년 7월 2일까지의 약 1년 동안의 실측 데이터를 통해 세대별 전력소비패턴과 발코니에 설치된 태양광 설비의 태양광 발전량을 분석하였다.

세대별 전력소비패턴을 분석한 결과, 거주자의 생활패턴의 영향으로 순간 전력소비량은 세대별로 큰 차이를 보였다. 다만, 하루 중 저녁시간대와 연 중 여름철, 특히 7월의 전력소비량이 공통적으로 가장 많았다. 발코니 태양광 발전량은 설치용량 및 설치환경에 따라 크게 달라졌으나, 연 중 봄‧가을철에 가장 많았고, 주간의 태양광 발전시간대에 잉여전력량이 많이 발생하였다. 특정 일자(날씨 맑음)를 기준으로 4세대 평균 정격발전 대비 설치조건에 의한 태양광 발전 손실률은 약 20%이다. 서울지역 아파트 4세대에 발코니 태양광 설비를 세대별 850 ~ 1,200 W를 설치함으로써 세대 전기에너지 연간 자립률은 7.1 ~ 51.5% (평균 26%)를 기록하였다.

공동주택 세대 단위의 전기에너지 자립률을 높이기 위해서는 태양광 발전 용량 확대와 더불어 잉여전력량의 활용방안으로 상계처리 또는 BESS의 활용이 요구된다. 추후 공동주택 단위세대 발코니형 및 건물일체형 태양광 등의 설치용량 확보 및 잉여전력의 활용방안에 대한 연구를 진행할 예정이다.