1. 서 론
1.1 연구 배경
1.2 연구방법 및 범위
2. 본 론
2.1 연구대상 장소 및 아파트 단지 선정
2.2 건물일사수열량 분석
2.3 BIPV 발전량 분석
2.4 실측 전기사용량 기반 에너지 자립률 계산
3. 결과 분석 및 고찰
3.1 일사량 분석 평가
3.2 발전량 분석 평가
3.3 전기사용량 분석 평가
3.4 에너지자립률 분석 평가
4. 결 론
1. 서 론
1.1 연구 배경
전 세계적으로 지구온난화 및 에너지 고갈 문제 등을 해결하기 위해 많은 노력을 하고 있다. 우리나라 역시 2030년까지 BAU 대비 37% 탄소 저감1) 등의 정책을 발표하고, 국내 에너지 사용의 30%에 해당하는 건물 부문2)은 3020 에너지 정책으로 2020년 공공부문 제로 에너지건축물 의무화3), 2025년 신축 공공건물 제로 에너지, 2030년 모든 신축건물 제로 에너지 의무화 정책이 있다. 이러한 정책과 더불어 신재생에너지 보급을 위한 설치 보조금 지원 정책 과 신재생 에너지 적용시 용적률의 인센티브 혜택 등 다양한 혜택을 제공하며4), 신축 건물의 에너지 자립률 20% 달성을 위한 신재생에너지를 활용한 많은 연구와 사례가 있다5,6). 이러한 신재생에너지 중 태양광은 높은 적용성과 셀 가격의 감소, 모듈 성능 향상 등으로 제로에너지 건물 구현을 위한 다양한 분야에서 적용하고 있고, 건물 적용 태양광 시스템에 대한 관심은 점차 증가하고 있다.7) 하지만 건물 적용 중 주거 사례의 대부분은 저층 단독주택이며, 국내 주택의 높은 비율을 차지하는 고층 공동주택은 상대적으로 제로에너지 건물 구현에 어려움을 겪고 있다.8) 어려움을 겪는 원인으로는 인동 간격으로 인한 음영 문제, 고층화에 따른 각 세대 지붕 면적의 감소 등 다양한 문제가 있다. 2019년 국내 주택 총조사 결과 전체 주거 비율중 62.3%를 차지하고9) 점차 증가하는 아파트는 제로에너지 구현을 위해 다양한 연구가 필요하다. 이러한 선행연구로 아파트의 외피 조건을 분석하고10) 도시 규모의 일조권 분석을 통한 도시 규모 에너지 자립률을 예측1)하고, 벽체와 지붕의 설치 위치에 따른 에너지 자립률을 분석11)한 연구가 있지만, 현재까지 전기사용량을 토대로 에너지 요구량과 에너지 자립률을 분석한 연구는 여전히 미흡하다. 따라서 본 연구는 아파트 형태와 배치를 분석하고, 이를 활용하여 건물 입면과 지붕에 태양광을 적용했을 때, 실제 고지된 전기사용량에 따른 에너지 자립률을 평가하기 위해 연구를 진행했다. 각 세대가 활용 가능한 입면과 지붕의 면적을 분석하고, 2000년대 초반 준공한 대전의 아파트 단지의 전기 사용량을 분석하고, 시뮬레이션 프로그램을 활용하여 태양광 발전량을 예측하고 입면 및 지붕의 세대별 설치 용량에 따른 전기 사용량의 에너지 자립률 분석하였다.
1.2 연구방법 및 범위
본 연구에서는 아파트 단지의 음영 영향 평가 및 전기사용량 데이터와 시뮬레이션을 통한 태양광 발전량을 비교분석을 하였다. 실제 전기사용량은 국토교통부의 ‘k-아파트’ 사이트에서 해당 아파트 단지의 공용전기와 전용전기(각 세대 사용량)의 사용량을 토대로 분석하였고, EnergyPlus 시뮬레이션을 통한 태양광 발전량 분석 결과를 기반으로 아파트 건물의 입면과 지붕면에 공용부하와 전용부하를 상쇄할 수 있는 태양광 설치 용량을 분석하였다.
2. 본 론
2.1 연구대상 장소 및 아파트 단지 선정
선정한 연구대상 장소는 대전광역시에 위치한(위도 36.3772N, 경도 127.3164E) Y 아파트 단지로 총 12개의 동으로 구성된 1개의 단지를 대상으로 분석하였다. 선정한 아파트 단지는 판상형 배치이고, 1개의 정동향 건물을 제외하고 모두 정냠향의 단지이며, Fig. 1과 같다. 아파트 규모는 한 세대가 24평형으로 약 80 m2이며, 12개의 동으로 이루어져 있고 증수는 15 ~ 21층이다. 단지의 총 세대수는 1084세대이며, 주거전용면적은 약 64,964 m2이다.
Fig. 2는 선정한 연구 대상 단지를 대전지역에 있는 아파트 단지와의 전기사용량을 비교한 그래프이다. 단위면적당 전기사용량으로 연구 대상 단지가 다른 아파트 단지 사례와 유사한 경향을 보인다.
2.2 건물일사수열량 분석
(1) 시뮬레이션의 일사량 계산방법
일사량 계산을 위한 기상데이터의 경우 본 연구는 ASHRAE (미국냉난방공조학회) IWEC2 대전지역 표준기상데이터를 사용하였으며, 이는 TMY3 (Typical Meteorological Year 3) 형태의 기상데이터베이스이다. IWEC2는 미국을 포함한 3,012개 지역의 12 ~ 25년 ISD 데이터를 기반으로 한다. 또한, 기상데이터는 온도, 습도, 기압, 풍속 등의 표준 매개변수와 일사량, 조도, 강수량 등이 포함되어 있다. 이 기상데이터를 EnergyPlus의 기상데이터 형식인 epw로 변환하여 사용했다. 아래의 Fig. 3은 본 연구에서 사용한 대전지역 기상데이터의 10분 단위 시간당 데이터를 그래프로 나타낸 것이다. GHI (Global Horizontal Irradiance)는 수평면전일사량, DNI (Direct Normal Irradiance)는 법선면 직달 일사량, DHI (Diffused Horizontal Irradiance)는 수평면 확산 일사량이다.
(2) 분석 대상 모델링
평가를 위한 건물은 한 세대의 바닥면적 100 m2를 기준으로 가로 10 m, 세로 10 m, 각 층별 층고는 3 m로 설정하였다. 세대별 창문 면적은 발전량을 계산하기 위해 정남향 건물은 남측입면에, 정동향 건물은 동측입면에 창면적비 50%를 기준으로 15 m2로 모델링에 적용하였다. Enegy Plus의 PV Watts 모듈을 사용하여 PV발전량을 계산하였으며, 지붕면은 우리나라 태양광 발전 최적 각도인 30°를 가정하여 분석을 진행하였다. 그 예시는 Fig. 4와 같다. 아파트 단지의 층수는 실제 단지와 동일하게 적용하고, 인동간격 및 배치는 아래 그림과 같이 적용했다.
2.3 BIPV 발전량 분석
(1) PV 발전량의 계산방법
발전량을 평가하기 위한 시뮬레이션은 EnergyPlus 9.2버전을 사용했고, EnergyPlus에서 제공하는 태양광 시스템 모듈 중 PVWatts 모듈을 활용하여 분석을 진행하였다. PVWatts는 모듈의 셀 온도 과 POA irradiance 를 활용하여 직류 전력을 계산합니다. 과 기준 셀온도 의 차에 온도 계수 γ를 곱하고, POA irradiance 이 주어진 특정 직류 등급인 와 을 곱한다. 또한, 어레이 효율은 온도 계수 γ에 의해 제어되는 온도 상승의 함수로 선형 속도로 감소한다고 가정한다. 계산에 사용된 기준 셀 온도 는 25℃, 기준 일사량은 1000 W/m2이다. Table 1은 모듈 계산에 사용되는 데이터이다
Table 1
Model input data
= Predicted DC power
= Transmitted POA irradiance
POA = Plane of array irradiance
(2) 설치 PV 모듈 및 용량
시뮬레이션에 사용된 PV는 단결정 PV모듈의 standard 타입으로 하였고, Array Type은 단축으로 하였으며, 시스템 손실은 14%에 정남향으로 설치하였다.
지붕면의 PV 설치 위치는 남측면의 50 m2의 지붕을 전부 사용하는 것과 50%인 25 m2을 사용할 때로 나누어 계산했다. 설치 위치는 Fig. 4의 ① 위치이다.
입면 PV 설치 위치는 발코니 부분의 창호 유리면 위에 추가 지지물을 이용하는 BAPV (Building Attached Photovoltaics) 형태로 설치하는 것으로 가정하여 Fig. 5의 ②위치로 왼쪽의 창문은 가로 1.9 m 세로 2 m이고, 오른쪽 창은 가로 5.6 m 세로 2 m로 총 면적이 15 m2이며, 벽면적은 30 m2로 창면적비는 50%이다. 이는 효율 20%인 모듈을 최대 3 kWp까지 설치 가능한 면적이지만, 계산에는 0.3 ~ 2 kWp만 적용했다.
(3) 인버터 설치 방법
또한, 인버터는 기기 효율을 고려하여 96%로 적용하였으며, 지붕면은 1개의 인버터, 입면은 건물의 층수에 따라 4 ~ 6개의 층마다 1개의 인버터로 적용하였다. 위의 Fig. 6은 인버터의 적용 예시를 나타낸 이미지이다.
2.4 실측 전기사용량 기반 에너지 자립률 계산
(1) 전기사용량 조사 방법
전기사용량은 국토교통부와 한국부동산원에서 제공하는 ‘K-아파트’ 사이트에서 제공하는 아파트의 관리비, 요금, 시설정보 등에서 고지된 전기에너지 및 전기요금의 실측데이터를 사용하였다. 이 데이터는 공용부분과 전용부분 (각 세대 사용량)을 구분하여 보여주며, 각 가정의 개별 데이터가 아닌 단지 전체의 월별, 연도별 데이터를 보여준다. 본 연구에서는 2019년 1월 ~ 12월 데이터를 사용했다.
(2) 에너지 자립률 계산 방법
에너지 자립률은 원래 신재생에너지 생산량과 총에너지 사용량을 활용하여 계산하지만, 본 연구에서는 총 에너지 사용량이 아닌 전기에너지 사용량으로 계산하였다. 전기 사용량에 대한 에너지 자립률(ESSR)을 다음과 같이 계산하였다.
= photovoltaics generation
= Electricity Consumption
전기 에너지 사용량을 단지 전체, 공용전기사용량, 전용전기사용량으로 나누어 분석한다. 이를 각각 얼마만큼의 태양광을 통한 생산량이 필요한지 분석하고, 이를 각 세대의 요구되는 태양광 설치 용량으로 계산했다.
3. 결과 분석 및 고찰
3.1 일사량 분석 평가
일사량 분석의 경우 단지 내의 건물에 의해 발생하는 음영만을 고려하였으며, 인접 아파트로부터 발생하는 음영 유·무를 고려하기 위해 총 두 번의 시뮬레이션을 진행하였다. 첫 번째는 모델링된 한 개의 동을 기준으로 개별 시뮬레이션을 진행하고, 두 번째는 단지 내의 모든 동을 모델링하여 시뮬레이션을 진행하였으며, 그 결과는 Fig. 7과 같다.
위의 값 중 파란색은 음영을 고려하지 않은 일사량, 주황색은 고려한 일사량, 회색선은 두 값의 차이를 비율로 나타낸 것이다. 단지 전체의 음영 영향은 평균 11%였으며, 건물 중 남북으로 긴 건물인 K 건물에 의해 서측면의 음영을 많이 받는 J 건물은 음영 영향 18%로 가장 높았으며, 정남향이 아닌 K 건물이 17%로 두 번째로 음영 영향이 높은 것으로 분석되었다, 또한, 단지내에서 상대적으로 층고가 낮은 B, G 건물의 음영 영향이 12%로 분석되었다.
또한, Table 2는 분석 대상 건물을 음영 영향에 따라 지붕층, 상부, 중부, 하부으로 나누었으며, 층수에 따라 3분의 1로 나누어 계산했다. 부위별 연간 단위면적당 받는 일사량을 나타낸 표이다. 가장 최상층 입면부 및 지붕면의 일사량을 기준으로 상부, 중부, 하부의 각각의 일사량과 비율을 계산하였다. Table 2의 제일 아래의 Roof area는 지붕(입면)의 면적이다. 분석 결과 최상층을 기준으로 상부는 5% 이내의 음영 영향을 보였으며, 중부는 대부분 10% 이상의 음영 영향을 보이지만, 음영 영향이 큰 일부 건물에서는 약 30%까지 상승했다. 하부의 경우 대체로 30 ~ 40%의 음영 영향을 보였지만, J 건물은 55%의 음영 영향을 나타냈으며, 이는 남북으로 긴 동향 건물인 K 건물에 의해 서측면에 음영이 발생하여 오후 시간대의 음영 영향으로 인한 일사량의 감소를 보였다.
Table 2
Result of irradiation analysis [kWh/m2·year]
3.2 발전량 분석 평가
Table 3는 각 세대의 입면의 0.3 ~ 2 kWp를 설치할 때의 발전량을 건물의 음영영역을 고려하여 최상부, 상부, 중부, 하부의 발전량을 나타내고, 단지 전체를 대상으로, 음영 영향을 고려한 경우와 고려하지 않은 경우의 발전량을 비교한 표이다.
Table 4는 지붕면의 발전량 분석 결과로 한 라인(세로 세대)당 설치한 용량을 나타낸 것이다. 박공 지붕면적의 남측면 50 m2 (100%)를 설치하였을 때와 25 m2 (50%)를 설치하였을 때를 비교한 그래프이다. 모듈 효율을 20%로 가정하였을 때, 50 m2 설치시 10 kWp 설치가 가능하며, 단지 전체의 발전량은 876,960 kWh이다. 25 m2 설치시 5 kWp를 설치 가능하며, 단지 전체의 발전량은 438,480 kWh이다.
Table 3
PV power generation on vertical area (90°) [kWh]
Table 4
PV power generation on roof area (30°) [kWh]
|
Area installed on the roof each household [m2] | Installation capacity per line [kWp] |
Apartment Complex Total power generation [kWh] |
| 50 | 10 | 876,960 |
| 25 | 5 | 438,480 |
3.3 전기사용량 분석 평가
Fig. 8은 단지 전체의 연간 공용부분의 사용량과 각 세대가 사용하는 전용 부분의 사용량을 월별로 나타낸 것이다. 공용전기 사용량과 전용전기 사용량의 연간 평균 비율은 약 15 : 85이며, 세대의 전기사용량이 높아지는 동절기와 하절기는 전용전기의 비율이 높아지며, 가장 높은 8월의 경우 5 : 95까지 비율이 높아진다. 단지의 연간 총 전기에너지 사용량은 2,684,376 kWh이며, 가장 높은 8월은 319,344 kWh이고, 가장 낮은 3월은 196,967 kWh이다. 이 사용량을 총 세대수 나누어 각 세대의 사용량을 보면 연간 2,476 kWh이며 월 평균 사용량은 세대당 206 kWh이며 가장 높은 8월 세대당 전기사용량은 295 kWh, 가정 적은 3월의 세대당 전기사용량은 182 kWh이다. 또한, 공용부하는 연중 고른 분포를 보인다.
3.4 에너지자립률 분석 평가
발전량 분석과 전기 사용량 분석 결과를 토대로 에너지 자립률을 계산하였다. ESS 등의 추가 설비나 계통망 연계 등의 에너지 저장을 고려하지 않고 단지내에서 직접 사용하여 소비하는 것으로 가정하였다. 주간 시간대에 발전하여 생산한 전기를 아파트 단지 내의 공용부하와 세대부하 그리고 전체부하로 각각 소비할 경우의 비율을 계산하였다.
Table 5는 각 세대별 입면 설치 용량에 따른 공용부하, 전용부하, 전체부하별 상쇄 가능 비율을 나타낸 것이다. 분석 결과 각 세대별 입면에 0.32 kWp를 설치하면 해당 단지의 공용부하를 평균 98% 상쇄시킬 수 있으며, 2 kWp를 설치하면 전용부하를 평균 95% 상쇄시킬 수 있다.
Table 5
Ratio of electricity consumption and generation on vertical area (90°) [%]
Table 6는 지붕면에 설치했을 때 공용부하, 전용부하, 전체부하별 상쇄 가능 비율을 나타낸 것이다. 지붕면에 한 라인당 5 kWp를 설치하면 24평형의 단지 공용부하를 110% 상쇄시킬 수 있으며, 10 kWp를 설치하면 단지 공용부하의 220%를 생산이 가능하여 추가적인 설비 등으로 남는 전기 생산량의 처리 방법이 요구된다. 한 라인에 5 kWp를 설치하면 세대의 전용부하를 19%, 전체부하의 16%를 충당할 수 있다. 하지만 지붕면에 설치하는 경우 한 라인에 설치한 양을 층수만큼 나누어야 각 세대에서 사용 가능한 설치량이 된다. 만약 20층짜리 아파트 한 라인에 5 kWp를 설치한다고 가정하면 한 세대당 0.25 kWp를 설치하게 되는 것이다.
Table 6
Ratio of electricity consumption and generation on Roof area (30°) [%]
|
Area installed on the roof each household [m2] | Installation capacity per line [kWp] | Compare with Public usage | Compare with Pusonal usage | Compare with Total usage |
| 50 | 10 | 220% | 38% | 33% |
| 25 | 5 | 110% | 19% | 16% |
각 세대의 입면에 2 kWp, 지붕면 한 라인당 5 kWp를 설치하면 전체부하의 97%를 상쇄시킬 수 있을 것이다.
4. 결 론
Enegy Plus 시뮬레이션 툴과 k—아파트 실측 데이터를 활용한 본 연구는 대전광역시 소재의 아파트 단지를 선정하여 음영 영향 및 발전량을 평가하였다. 고지된 실측 전기사용량 데이터를 기반으로 전기사용량 분석 및 발전량과의 비교 분석을 통해 아파트 단지의 세대당 설치 가능 면적을 분석하고 전기 사용량을 분석하여 에너지 자립율을 분석하고자 한 본 연구의 결론은 다음과 같다.
(1) 대전광역시 소재의 아파트 단지를 선정, 지도상의 위치와 층수를 동일한 단지내 음영 영향을 평가하였다. 음영 영향은 지붕면을 포함한 5개의 존으로 구분하였다. 최상부를 기준으로 상부는 5% 이내, 중부는 10% 이내, 서측음영 영향을 많이 받는 J건물은 27%, 하부는 30 ~ 40%에서 55%의 차이를 보였다.
(2) EnergyPlus의 PVwatts를 활용하여 발전량을 평가, 입면 분석 결과 전체 단지의 음영으로 인한 발전량 손실은 10%, 최상부대비 상부는 5%, 중부는 12%, 하부는 약 20%의 발전 손실을 보였다.
(3) K-아파트에 고지된 단지 전체의 전기사용량 평가 결과 공용부하와 전용부하의 비율은 전용부하가 평균 85%이며, 전기사용량이 증가하는 동절기와 하절기에는 전용부하의 비율이 95%까지 증가하고, 간절기에는 전용부하의 비율이 최대 78%까지 줄어든다. 또한, 공용부하는 연중 고른 형태를 보인다.
(4) 발전량 평가와 전기 에너지 사용량 평가를 통해 입면과 지붕의 전기 에너지 자립률을 분석했다. 각 세대 입면에 약 0.32 kWp를 설치하면 공용부하를 사용량을 상쇄시키고, 약 2 kWp를 설치하면 전용부하 사용량을 상쇄시킬 수 있다. 지붕면은 각 세대가 사용하기 어려워 한 라인(세로 세대)으로 계산했으며 지붕 면적의 50%인 5 kWp를 설치하면 공용부하를 상쇄시킬 수 있다.
향후 연구에서는 신뢰성 확보를 위해 시뮬레이션에 사용된 기상데이터 검증 예정이며 기상데이터의 종류에 따른 발전량의 변화를 반영한 에너지 자립률 분석을 진행할 예정이다. 또한, 실거주자의 생활 패턴을 고려한 주야간 시간대별 에너지 자립률 분석을 진행할 예정이다. 이러한 세부 내용을 바탕으로 지구 단위 아파트 단지 전기사용량을 기반으로 지구 단위의 에너지 자립률을 분석을 진행할 예정이다.
