서 론
연구의 배경
연구의 목적
진천 친환경에너지타운 개요
실증운전설비 시스템 개요 및 설비제원
건설개요
모니터링 시스템 및 측정방법
모니터링 시스템 개요
측정방법 및 운영조건
성능측정 결과 및 분석
기상조건
열에너지 생산 및 공급
태양광 발전량 및 소비량
결 론
서 론
연구의 배경
쾌적한 환경에 대한 욕구 증가와 경제성장 및 에너지다소비 업종에 집중된 산업구조로 인해, 전 세계적 에너지수요는 꾸준히 증가하고 있다. 한정된 자원 속에서 에너지수요 증가는 전 부분에서 에너지 소비형태 개선을 요구하고 있다. 에너지소비 중 상당부분은 건물분야가 차지하고 있다. 우리나라는 총에너지 소비량의 약 24%를 건물분야가 차지하며, 유럽과 미국의 경우는 약 40%를 차지하고 있다. 이 때문에 독일, 덴마크 등 유럽 지역과 미국 등을 중심으로 건물에 필요한 에너지를 자체적으로 공급하는 제로에너지빌딩을 통해 건물에너지 소비를 감소시키는 노력을 하고 있다(김민경과 김민영, 2011).
우리나라도 2015년도에 체결된 파리기후협약으로 2030년까지 탄소배출량을 배출전망 대비 37%가량 감축해야 한다. 이를 위해 국토교통부는 2017년 주거용 주택 패시브 설계 의무화, 2020년 소형 공공건축물 제로에너지 의무화, 2025년 모든 신축건물 제로에너지 의무화 등 건물에너지 효율 개선을 위한 국가 로드맵을 제시하고 있다(국토교통부, 2014).
제로에너지빌딩을 구현하는 대표적인 방법으로 건물소재 및 설계구조 변형에 따른 패시브 설계기법(passive design)과, 건물에서 설비를 이용한 에너지절약기술로 액티브 설계기법(active design)이 있다(에너지신산업).
패시브 설계와 관련된 연구 사례로, Chel (2008) 은 인도 뉴델리에 진흙으로 지은 6개의 방으로 구성된 둥근 지붕형태(U자형 지붕, 돔형 지붕)의 패시브하우스를 건축하여 실증연구를 진행하였다. 대상 건물에 연간 난방열(1,481 kWh) 및 냉방열(1,813 kWh)을 공급하였는데, 이를 통해 5.2톤/년의 이산화탄소 절감효과와 €52/년 의 탄소배출권 잠재력을 가지고 있음을 확인하였다.
액티브 설계와 관련된 연구 사례로, Marszal and Heiselbergy (2011) 는 덴마크에 3가지 종류[1. 태양광(PV), 태양열(PVT), 공기 및 태양열원 히트펌프(ASHP), 2. 태양광, 지열원히트펌프(GSHP), 3. 태양광, 지역난방(DH)]의 제로에너지빌딩 시스템을 구성하여 수명주기비용을 분석하였다. 대상 시스템이 신재생에너지 사용에 한정되어 있고 평가목표가 에너지 절감에 따른 비용분석이라는 가정 하에, PV-PVT-ASHP로 구성된 시스템이 가장 효율적임을 확인하였다. 국내 연구사례로 정선영 외(2011) 는 에너지자립형 주택 개발을 목표로 지어진 상용화 모델 주택인 제로에너지 솔라하우스 Ⅱ(KIER Zesh-Ⅱ)의 실증연구를 진행하였다. 실증연구결과 Zesh-Ⅱ의 에너지자립도는 비주거상태인 경우 94%, 주거상태를 가정하면 85%로 측정되었다. 이왕제 외(2015) 는 2013년 초에 준공 및 입주된 전라북도 고창군 제로에너지 실증단지(주택 100세대와 커뮤니티센터 1개동) 내 29세대에 대한 모니터링을 진행하였으며, 실제 주거자를 대상으로 에너지 성능평가를 진행하였다.
이처럼 국내외에서 제로에너지빌딩과 관련된 다양한 연구들이 진행되고 있으며, 여러 실증연구를 바탕으로 제로에너지빌딩의 신뢰성과 타당성을 확인하고 있다.
연구의 목적
본 연구는 진천에 위치한 친환경에너지타운을 대상으로 수행되었다. 진천 친환경에너지타운은 태양광, 연료전지, 태양열, 지열, 하수열 등 다양한 신재생에너지 설비를 융복합 활용함으로써, 에너지를 자체적으로 생산하여 공급하는 것을 목적으로 하고 있다. 본 연구에서는 친환경에너지타운에 설치된 신재생에너지 시스템을 소개하고, 냉방을 공급한 2017년 6월 1일부터 2017년 10월 16일까지 측정된 에너지성능을 분석하고자 하였다.
진천 친환경에너지타운 개요
실증운전설비 시스템 개요 및 설비제원
진천 친환경에너지타운의 설비배치도는 Figure 1과 같으며, 주요설비 제원은 table 1과 같다. 타운에는 전력공급을 위한 계통선과 냉난방 및 급탕을 공급하기 위한 블록히팅 배관망이 설치되어 있다.
전기에너지는 태양광과 연료전지를 통해 생산되는데, 연중 필요한 만큼 생산된 전력은 판매하고 있으며 필요 전력은 기존 계통전력을 이용하고 있다. 태양광발전설비는 각 건물의 지붕이나 주차장, 산책로, 운동장 등 유휴부지를 활용하여 설치되었고, 연료전지 시스템은 LPG를 연료로 사용하여 전력과 열에너지를 생산한다.
태양열과 지열 및 하수열 등을 기반으로 생산된 열에너지는 계간축열조 또는 심야축열조에 저장되었다가 급탕 및 냉난방 열원으로 공급하고 있다. 주열원인 태양열시스템은 평판형 및 진공관형 집열기 각각 약 800 ㎡으로 구성되어 있다. 계간축열조는 봄에서 가을철까지 남는 태양열을 저장한 후 난방 및 급탕용 온열을 공급하는데 활용된다. 보조열원으로 50 RT급 히트펌프 3대가 설치되어있는데, 각각 계간축열조의 잔열, 하수열, 지열을 열원으로 운전하도록 되어 있다. 계간축열조 잔열은 난방 후 축열조에 남은 40℃ 이하의 잔열을 의미하며, 하수열은 인근 수질복원센터의 하수처리수에서, 지열원은 지중열교환기(깊이 150 m, 24공)에서 얻어진다. 경부하시간대 히트펌프를 통해 생산된 냉난방용 열에너지는 심야축열조에 저장되었다가, 주간시간대에 건물에 공급된다.
건설개요
진천 친환경에너지타운에는 고등학교, 도서관, 보건지소, 어린이집, 청소년문화센터, 통합제어관리실 등 총 6개의 공공건물이 위치하고 있다. 청소년문화센터는 아직 준공되지 않았기 때문에, 이를 제외한 5개 공공건물에 난방 및 급탕용 열에너지를 공급하고 있다. 또한 냉방부하가 큰 고등학교에는 흡수식 냉동기가 별도로 설치되었기 때문에, 본 실증시험 기간 중에는 고등학교와 청소년문화센터를 제외한 4개 건물에만 냉열을 공급하였다. 각 건물에 대한 개요는 table 2에 나타내었다.
모니터링 시스템 및 측정방법
모니터링 시스템 개요
통합제어관리실에는 타운 내 에너지설비의 제어와 각 건물의 에너지소비량을 실시간으로 확인할 수 있는 모니터링 시스템이 Figure 2와 같이 구축되어 있다. 모니터링을 위해 외부에는 수평면 및 경사면 일사량계와 외기 온습도계를 설치하였으며, 기계실내 에너지설비에는 온도센서 68개, 유량계 14개, 압력계 19개, 전력량계 21개 등을 설치하였다. 온도센서는 에너지설비 입출구에서의 유체 온도와 각 축열조 내 수직방향 구간별 온도를, 유량계와 압력계는 주요 배관을 흐르는 유체의 유량 및 압력을, 그리고 전력량계는 각 에너지설비의 소비전력을 측정한다.
건물에너지 모니터링은 Figure 3과 같으며, 각 건물의 주요 위치별 온도 및 습도와 소비전력을 확인할 수 있다.
측정방법 및 운영조건
열에너지 설비와 관련된 데이터는 30초 단위로, 그리고 태양광발전량과 각 건물의 온습도 상태 및 전력소비량은 1분 단위로 엑셀파일에 저장하였다.
본 연구에서는 2017년 6월 1일~2017년 10월 16일 사이 냉방기간에 공급된 냉방열과 급탕열에너지를 분석하였다. 냉방열과 급탕열은 각 건물에서 설정된 온도에 따라 심야축열조와 계간축열조에서 공급된 열에너지를 기준으로 측정하였다. 한편, 같은 기간 태양광발전 시스템의 총 발전량과 각 건물별 소비전력량도 분석하여 열 및 전력현황을 분석하였다.
진천 친환경에너지타운에 구성된 공조설비는 전수 방식으로 중앙기계실로부터 공급된 냉온수를 각 건물에 있는 유닛(Fan Coil Unit)에 공급하여 냉난방이 이루어지고 있다.
공공건물에 공급되는 냉방 및 급탕 공급온도는 Figure 4와 같다. 냉방열은 평균 14.3℃로 공급되어 14.9℃로 회수되고, 급탕열은 평균 57.0℃로 공급되어 55.8℃로 회수된다.
성능측정 결과 및 분석
기상조건
2017년 진천 친환경에너지타운에서 측정된 평균 외기온 및 상대습도 그래프와 일사량 그래프를 Figure 5와 Figure 6에 나타내었다.
월평균 외기온도는 0.0℃~29.8℃로, 월평균 외기 상대습도는 49.1%~74.8%였다.
한편, 월별 수평면 일사량은 81.4 kWh/m2~194.8 kWh/m2였으며, 경사면 일사량은 106.2 kWh/m2~191.3 kWh/m2로 기록되었다.
열에너지 생산 및 공급
실증단지 내 열에너지 공급은 계간축열조 및 심야축열조에 저장된 온수 또는 냉수를 각 건물에 공급함으로써 이루어진다. 각 축열조에서 공급된 열은 기계실 내 열교환기를 거쳐 공공건물에 전달된다. 냉방기간에는 심야축열조에서 냉열을 공급하였고, 계간축열조에서는 급탕만을 위한 온열을 공급하였다.
각 열량계산식은 식(1)과 같으며 냉열과 온열은 각각 심야축열조의 방열량과 온열 열교환기의 열전달량을 기준으로 계산하였다. 냉방기간에 공급된 열에너지는 Figure 7과 같다.
여기서, 
는 작동유체 비열(kJ․kg-1․℃-1), 
은 작동유체 유량(kg/s), 
은 열교환기 입구 온도(℃), 그리고 
은 열교환기 출구 온도(℃) 이다.
냉방기간 중 월별 총 냉방공급량은 2.8 MWh~31.8 MWh이며, 급탕공급량은 5.7 MWh~14.1 MWh로 측정되었다. 6월, 7월 급탕공급량이 다른 달에 비해 상대적으로 적은 이유는, 이 때 까지는 급탕 공급온도가 55℃였으나, 그 이후에는 여름철 식중독 원인균인 레지오넬라균의 생존온도를 고려하여 급탕 공급온도를 70℃ 이상으로 조정하였기 때문이다.
태양광 발전량 및 소비량
냉방기간 동안 태양광발전 시스템에 의한 월별 발전량과 각 건물의 총 소비전력량은 Figure 8과 같다. 6월부터 10월 16일까지의 총 발전량은 33.9 MWh~99.3 MWh이며, 청소년문화센터를 제외한 5개 건물의 총 소비전력량은 17.6 MWh~63.9 MWh로 측정되었다. 측정된 소비전력량은 조명, 환기, 냉난방, 급탕 등의 설비를 가동시키기 위한 소비전력량을 포함한 것이다. 발전량 대비 소비전력량의 비율인 플러스에너지율 계산식은 식(2)와 같으며, 월별 103%~208%로 계산되어 소비전력량보다 발전량이 더 많았음을 알 수 있다.
여기서, 
은 플러스에너지비율(%), 
는 총 소비전력량(kWh), 그리고 
는 총 발전전력량(kWh) 이다.
총 소비전력량에 대해서 각 공공건물의 소비전력량이 차지하는 비중을 Figure 9에 나타내었다. 소비전력량은 통합제어관리실, 고등학교, 도서관, 어린이집, 보건소 순으로 많았다. 통합제어관리실 내 기계실에는 주요 에너지설비들이 설치되었기 때문에, 이들의 운전을 위한 전력소비가 많았기 때문이다. 통합제어관리실을 제외하면, 건물의 규모순으로 전력소비가 증가하였다.
결 론
본 연구에서는 진천 친환경에너지타운에 냉방용 냉열을 공급한 2017년 6월 1일부터 2017년 10월 16일까지 생산 및 공급된 열에너지와 전력의 측정결과를 분석하였다. 이를 통해 실증단지의 에너지자립도를 확인하였고, 신재생에너지로 구성된 복합 에너지타운의 실현가능성을 확인하였다. 실증운전 데이터를 분석한 결과를 정리하면 다음과 같다.
(1) 냉방기간 동안 계간축열조에 저장된 잉여 태양열 중 총 37.9 MWh를 급탕용 온열로 공급하였으며, 지열원 히트펌프를 통해 생산되어 심야축열조에 저장된 냉열 총 101.4 MWh를 냉방용으로 공급하였다.
(2) 대상건물의 총 소비전력량은 242.8 MWh로 측정 되었으며, 에너지설비 운전으로 인해 통합제어관리실에서 가장 많은 양의 전력을 소비하였다.
(3) 태양광발전 시스템에서 이 기간 동안 생산된 발전량은 총 369.0 MWh로 측정되었는데, 이는 총 소비전력량 대비 약 152%이다.
냉방기간 중 청소년 문화센터는 준공 중이었으므로 향후 소비전력은 소폭 상승할 것으로 예상된다. 청소년 문화센터의 소비전력은 건물의 규모를 고려하였을 때 도서관의 소비전력보다 적을 것으로 예상이 된다. 따라서, 냉방기간 동안 도서관 소비전력 만큼 전력을 소비 한다고 가정할 경우 예측된 에너지자립률은 84%-181%를 기록할 것으로 예상된다.
냉방기간 동안의 실증연구를 통해 진천 친환경에너지타운 내 구축된 신재생에너지설비를 이용해 생산한 열에너지 및 전력으로, 타운 내 공공건물의 필요 에너지를 자체적으로 충당할 수 있음을 확인하였다.
