KIEAE Journal
[ Article ]
The International Journal of The Korea Institute of Ecological Architecture and Environment - Vol. 18, No. 5, pp.41-46
ISSN: 2288-968X (Print) 2288-9698 (Online)
Print publication date 31 Oct 2018
Received 09 May 2018 Revised 26 Sep 2018 Accepted 30 Sep 2018
DOI: https://doi.org/10.12813/kieae.2018.18.5.041

넷 제로에너지주택 실증사례 분석에 관한 연구

임희원* ; 조상훈** ; 신우철***
A Study of Empirical Case Analysis of Net-Zero Energy Houses
Lim, Hee-Won* ; Cho, Sang-Hoon** ; Shin, U-Cheul***
*Dept. of Architectural Engineering, Graduate School, Daejeon Univ. hee2ws@gmail.com
**Coauthor, Hyangdosi Architects hyangac@naver.com
***Corresponding author, Dept. of Architectural Engineering, Daejeon Univ. shinuc@dju.ac.kr


@ 2018 KIEAE Journal

Abstract

Purpose:

This study analyzed and evaluated the NZEB (Net Zero Energy Building) on energy and cost based an electricity data from KEPCO (Korean Electric Power Corporation).

Method:

The experiment was conducted in three houses with different location and size. The experimental houses were constructed with high thermal insulation and air tightness, and also designed as all-electric houses where all the energy supplies (including heating and cooking) are made of electricity which reduces the maintenance cost and makes maintenance easier. 6kWp of Grid connected Photovoltaic System and air source heat pump for heating and hot water were applied to all houses, and one of them had an additional of solar domestic-hot water system with 5m² of collector.

Result:

For two years, all energy (including plug load, heating, cooling, lighting, how water supply and ventilation) was supplied by PV system and consequentially zero energy was achieved in two houses except A. Monthly electricity bill by the amount of used were not charged, however, additional fees by domestic electricity charging system were charged such as basic electricity fee, VAT on receiving electricity and development fund; average $123 were paid per household.

Keywords:

Net-Zero Energy System, Renewable Energy System, Energy Performance Evaluation

키워드:

넷제로에너지주택, 신재생에너지시스템, 에너지성능평가

1. 서론

제로에너지건물(이하 ZEB, Zero Energy Building)은 연간(1월부터 12월까지)을 기반으로 에너지비용, CO발생, 1차(Primary) 및 2차(Site) 에너지 제로 등 크게 4가지 유형으로 정의되며 이때, ZEB는 한정된 용도의 에너지사용량을 대상으로 하는 Nearly Zero Energy, 건물에서 사용되는 모든 에너지를 대상으로 하는 Zero Energy, 그리고 건축 시공부터 폐기까지 건물 전 생애 걸쳐 발생 되는 모든 에너지를 대상으로 하는 Plus Energy 등 총 3단계로 구분되고 있다 [1-2]. 한편, 2017년부터 녹색건축물 조성 지원법 개정에 따라 국내에서 시행되고 있는 ZEB 인증제도를 살펴보면, 건물에너지효율등급의 1++ 이상 만족하는 건축물을 대상으로 플러그(가전제품) 부하가 제외된 난방, 냉방, 조명, 급탕, 환기 등 5가지 항목에 한정하여 1차 에너지 기준 총 5단계로 평가되며 전술하였던 ZEB 정의 단계 중 1단계인 nZEB(nearly Zero Energy Building)에 해당이 된다. 그러나 5가지 항목에 한정된 제로에너지(Nearly Zero Energy) 조차, 현 기술단계에서 사무소나 공동주택 등 특별한 경우[3]를 제외하고 신재생에너지 설비의 설치 면적 제약, 주변 인근 건물의 일사 차폐로 인한 발전저하 등 어려움이 있어 실질적 에너지 제로는 ‘주거용 건물’에 한정되고 있다 [4-5].

국내 제로에너지 주택의 현황 및 성능평가에 관한 선행연구를 살펴보면, Lee등은 다름슈타트의 크라니히슈타인에 건축된 세계 최초 패시브 연립주택의 사례를 기반으로 계획된 노원구 하계동에 위치한 실증단지의 에너지 분석을 통해 제로에너지주택 구현 가능성에 대하여 기술하였다 [6]. Lee등은 실제 거주하고 있는 제로에너지 실증 단지 29세대에 대한 모니터링 결과를 통해 패시브 및 액티브 기술이 적용된 솔라하우스에 대한 에너지 분석을 수행하였고 그 결과 입주자들의 에너지 절약 의지의 중요성을 강조하였다 [7]. Baek등은 대전지역 동일한 시스템과 형태, 규모를 갖는 6가구의 제로에너지주택을 대상으로 에너지사용량을 분석하였으며 그 결과 각 주택의 실제 에너지자립율은 39 ~ 78%로 나타났다 [8]. 그러나 이들 연구의 대부분은 시뮬레이션에 한정되었거나, 100% 에너지자립의 국내 실증사례 분석은 전무한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 현 기술수준 및 경제성에 기반을 두고, 모든 에너지를 포함 제로화(Zero Energy)를 목표로 계획된 3 가구 주택을 대상으로 에너지제로 구현을 실증분석하고 비용측면의 효과를 고찰하고자 한다.


2. 실증주택

본 실증주택 3가구는 건축가 및 엔지니어, 그리고 건축주가 에너지 제로를 목표로 수행한 제로에너지주택 프로젝트의 일환이다. 기획 초기단계부터 경제성을 고려하여 단열 및 기밀성능의 강화를 지양하고 재생에너지 투자 비중을 높였으며, 유지보수의 편의성 및 비용제로 측면을 고려하여 난방 및 취사를 포함한 모든 에너지 공급이 전기로 이루어지는 전전화(全電化) 주택으로 계획하였다.

2.1. 대지위치

Fig. 1.은 실증주택 3가구의 전경을 나타낸 것이다. A주택은 충청남도 공주시 유구면의 동·서가 산으로 둘러싸인 골짜기 형태의 대지에 위치하고 있으며 2013년 11월에 준공되었다. B주택은 공주시 반포면 공암리, C주택은 천안시 동남구 광덕면 광덕리의 주변 차폐가 없는 나대지에 위치하고 있으며 2015년 9월과 2016년 4월에 각각 준공되었다.

Fig. 1.

View of the demonstrated houses

2.2. 건축개요

Table 1.과 Fig. 2.는 실증 3주택의 건축개요 및 평면도를 나타낸 것이다. A 및 C주택은 단층구조와 다락으로 구성되었고, 연면적은 각각 166.3 ㎡,92.51 ㎡ 이며, B주택은 2층 구조와 다락으로 구성되어있으며, 연면적은 213.7 ㎡이다.

Houses overview

Fig. 2.

Floor plan of the demonstrated houses

모든 주택의 구조는 구조적 안정성이 우수하고 시공성이 용이한 경골목구조를 사용하였다. A와 B 주택 외벽의 경우 단열은 “2 x 6” 구조목 사이로 140mm 셀룰로오스 단열재를 충진하고 구조목 부위의 열손실을 줄이기 위해 100mm의 비드법 보온판 을 추가로 시공하였다(단, C주택의 경우 “2 x 8” 구조목에 185mm 셀룰로오스 단열재 충진 및 30mm 비드법 보온판 추가 시공). 남측면 외벽은 외부 블라인드 설치로 인한 외단열 시공의 제약이 있어 “2 x 10” 구조목과 235mm 셀룰로오스 단열재를 사용하였다. 지붕에는 “2 x 10” 구조목 사이로 235mm 셀룰로오스 단열재를 충진하였으며, 지면에 면한 1층 바닥은 온수배관 하부에 150mm 비드법 보온판을 시공하였다.

2.3. 건축단열 및 기밀

Table 2.는 실증주택 3가구의 외피 부위별 단열수준을 나타낸 것이다. 모든 주택에서 단열성능은 건축당시 에너지절약설계기준(중부지방)에 비해 다소 높은 수준이나 패시브하우스(Passivhaus) 기준 보다는 낮게 건축되었으며, 기밀성능(ACH@50Pa)은 각각 1.2와, 1.3, 1.25로 측정되었다.

Thermal performance of envelope(unit: W/㎡·K)


3. 실증주택 에너지시스템

3.1. 재생에너지 시스템

Table 3.은 실증주택 3가구에 설치된 재생에너지시스템을 나타낸 것이다. 모든 주택에 지붕 거치형 태양광발전시스템 6 kWp가 설치되었으며, A주택의 경우 5 ㎡의 집열면적을 갖는 벽면 일체형 태양열 급탕시스템이 추가 적용되었다.

Renewable system specifications

태양광발전시스템은 Fig. 3.과 같이 주택전력 계통연계형으로 태양광모듈에서 발전된 DC 전력은 인버터에서 AC로 변환된 후 주택 전기부하에 우선 공급되고, 잉여전력은 한전으로 송전 되며 다음 달로 이월된다.

Fig. 3.

Schematic diagram of grid connected PV system

3.2. 난방 및 급탕시스템

3주택 모두 L사의 공기열원 물방식 히트펌프(Air-to-water heat pump)가 적용되었다. 주택전력에 연계된 공기열원 히트펌프는 지열히트펌프(GSHP)에 비해 작동 열성능이 다소 떨어지나, 초기투자비가 저렴하며 일반전력에 연계되는 지열히트펌프에 비해 월별 기본요금 부담이 거의 없는 장점을 갖고 있다.

Table 4.와 Fig. 4.는 공기열원 히트펌프 시스템의 용량 및 계통도를 나타낸 것이다. 급탕 우선방식의 히트펌프에서 가열된 온수는 급탕탱크에 저장되고 난방온수는 실온조건에 따라 버퍼탱크 없이 직접 공급되며, A주택의 경우 태양열로 예열된 시수가 급탕탱크로 공급된다.

Specifications of air-to-water heat pump

Fig. 4.

Schematic diagram of heating and hot water system

3.3. 배열회수 강제환기시스템

모든 주택에는 상시환기를 목적으로 배열회수 강제 환기 시스템이 적용되었다. Table 5.는 각 주택에 설치된 환기장치의 용량을 나타낸 것이다. B 주택의 경우 1층과 2층을 분리하여 2대를 설치하였다.

Specifications of forced ventilation heat recovery system

Fig. 5는 B 주택의 강제 환기시스템의 덕트 계통도를 나타낸 것으로, 1층에 4개의 급기구과 3개의 배기구를 2층에는 3개의 급기구와 3개의 배기구를 각각 설치하였다.

Fig. 5.

Schematic of forced ventilation heat recovery system

3.4. 기타 에너지절약 및 고효율기기

모든 주택의 조명시스템은 LED가 적용되었으며, A 및 B 주택은 안방과 게스트룸에는 외부 가동형 자동 블라인드시스템을 각각 설치하였다. 한편, C주택의 경우 거실면에 수평형 고정 차양을 설치하여 하절기 과도한 일사유입을 차단할 수 있도록 하였다.


4. 실증 제로에너지주택의 에너지 성능평가

4.1. 전력량 분석

본 분석에서는 한전(사이버지점)에서 제공하는 2016년 1월부터 2017년 12월까지 총 2년간의 월별 전력량데이터가 활용되었으며, 2016년 4월 준공된 C주택의 경우 21개월의 전력량데이터가 사용되었다. 여기서 한전 데이터는 월별 송·수전 전력량에 한정되기 때문에 태양광발전시스템을 통해 실시간으로 부하에 공급된 전력은 분석에서 제외되었다.

Fig. 6.은 A주택의 지난 2년간 월별 송·수전 전력량을 나타낸 것이다. 계통으로부터 수전된 전력량은 2017년 2월에 836 kWh로 가장 높았고 2016년 6월에 128 kWh로 가장 낮았으며, 송전 전력량은 2016년 6월에 647 kWh로 가장 높았고 2017년 1월에 245 kWh로 가장 낮게 나타나 월별 송전 및 수전 전력량의 편차가 큰 것을 알 수 있다. 이와 같은 현상은 태양광발전과 난방부하가 불일치하는 국내 기후 특성을 반영한다.[9] 한편, 2016년 연간 송·수전 전력량은 각각 4,938 kWh와 4,681 kWh로 잉여 전력량은 257 kWh가 되어 넷 에너지제로가 구현되었으나, 2017년 연간 송·수전 전력량은 각각 5,168 kWh와 5,621 kWh로 -453 kWh의 잉여 전력량을 기록하여 넷 제로에너지에 도달하지 못하였다. 전년대비 송전전력은 4.6% 증가로 큰 변화가 없었으나 동·하절기 난방 및 냉방전력으로 증가로 인해 수전전력이 20% 이상 상승했기 때문이다. 이것은 거주자의 에너지 사용패턴에 따라 제로에너지 구현이 유동적인 것을 의미하며, 제로에너지주택의 규정에 따른 에너지사용 범위가 한정되어야 할 것으로 판단된다[8].

Fig. 6.

Monthly import and export the electricity of A house

Fig. 7.은 A주택의 지난 2년간 누적 잉여 전력량의 추이를 나타낸 것이다. 중간기 및 하절기는 상대적으로 연중 전력소비가 적어 잉여 전력량이 증가하고, 동절기는 난방전력 사용 등 상대적으로 높은 전력사용량으로 인해 잉여 전력량이 감소하여 “0”에 도달되며 다시 증가하는 형태의 주기를 보이고 있다.

Fig. 7.

Monthly excess electricity of A house

Fig. 8.은 B주택의 월별 송·수전 전력량을 비교한 것이다. 2016년 연간 수전 전력량은 4,532 kWh, 송전 전력량은 5,447 kWh로 잉여 전력량은 915 kWh가 되었으며, 2017년 연간 수전 전력량은 4,554 kWh, 송전 전력량은 6,584 kWh로 2,030 kWh의 잉여 전력량이 나타나 2016 및 2017년 모두 연간 에너지 제로를 달성한 것으로 분석되었다. 한편 A 주택과 비교할 때 연도별 수전 전력량이 큰 변화가 없는 것을 알 수 있다.

Fig. 8.

Monthly import and export the electricity of B house

Fig. 9.의 누적 잉여 전력량 추이를 살펴보면, 동절기에 다소 감소하고 있으나 중간기 및 하절기에 지속적으로 증가하여 2년간 총 누적 잉여 전력량은 4,592 kWh로 나타났다. 이는 태양광시스템 용량 과다설계가 된 것을 의미한다.

Fig. 9.

Monthly excess electricity of B house

Fig. 10.은 C주택의 송·수전 전력량을 월별로 나타낸 것이다. 2016년 태양광 발전 시스템이 설치된 후 4월부터 12월까지 수전 전력량은 2,248 kWh, 송전 전력량은 4,837 kWh로 잉여 전력량은 2,589 kWh가 되었으며, 2017년 연간 수전 전력량은 5,036 kWh, 송전 전력량은 6,549 kWh로 1,513 kWh의 잉여 전력량이 나타나 2016 및 2017년 모두 연간 에너지 제로를 달성한 것으로 분석되었다. 이에 따라 2년간 총 누적 잉여 전력량은 4,102 kWh로 나타났다. 또한, Fig. 11.의 누적 잉여 전력량의 추이는 주택 B와 거의 동일한 것을 알 수 있다.

Fig. 10.

Monthly import and export the electricity of C house

Fig. 11.

Monthly excess electricity of C house

4.2. 에너지 비용분석

전술한 바와 같이 제로에너지주택에 적용되는 지열히트펌프시스템은 일반전력에 연계되며, 이때 수전 전력량은 태양광발전의 잉여전력에 상계되지 않기 때문에 전력요금을 별도로 지불하게 되고 매월 계약전력에 따른 기본요금(2018년 6월 기준; 6,160원/kW 부가세 제외) 또한 부담하게 된다. 따라서 주택전력에 연계한 공기열원 히트펌프는 비용(제로) 측면에서 지열히프펌프에 비해 유리한 조건을 갖게 된다.

한편 국내 주택용 전력요금(저압) 체계에서는 태양광 발전으로 당월 사용량이 상계되어 청구 전력량이 0 kWh가 될 경우에도 국내 전기요금체계에 따라 기본요금 및 수전된 전력량에 대한 부가가치세가 발생하여 요금이 부과된다.

Fig. 12.는 B주택의 2016년 5월 주택용(저압) 전기요금 내역을 나타낸 것이다. 수전 전력량은 331 kWh로 당월 잉여 전력량과 상계되어 청구 전력량은 “0”이 되었으나, 한전요금 체계에 따라 수전 전력량에 대한 부가가치세(49,998원×10% = 5,000원)와 기본요금(1,000원), 그리고 전력기금(49,998원×3.7% = 1,840원)이 합산된 7,840원이 부과되었다.

Fig. 12.

Electric bill of B house

Fig. 13. ~ 15.는 각 주택의 2년간 전기요금을 월별로 나타낸 것이다. A주택의 2016년 및 2017년 월별 총 전기요금은 각각 187,130원, 178,190원으로 확인되었으며 B주택의 2016년 및 2017년 월별 총 전기요금은 각각 137,530원, 110,290원으로 나타났다. 또한, C주택의 2016년 9개월 및 2017년 총 전기요금은 각각 56,080원, 133,200원으로 나타났다. 전력요금체계 개정에 따라 2016년 12월 1일 이후 누진세가 완화되었기 때문에 2017년 1, 2월 수전 전력량이 2016년 1, 2월 보다 많음에도 불구하고 전기요금이 더 적은 것을 알 수 있다.

Fig. 13.

Monthly electric charges of A house

Fig. 14.

Monthly electric charges of B house

Fig. 15.

Monthly electric charges of C house


5. 결론

본 연구에서는 설계초기단계부터 에너지제로로 계획된 3가구의 단독주택을 대상으로 한전에서 제공하는 2년간의 월별 수전 및 송전 전력량데이터를 이용하여 에너지제로 구현을 분석하였다. 실증주택은 모든 에너지 공급이 전기로 이루어지는 전전화(全電化)로 설계되었으며, 6kWp의 태양광발전시스템과 공기열원 히트펌프가 난방 및 급탕열원으로 적용되었다. 분석 결과를 요약하면 다음과 같다.

(1) 2016년부터 2017년까지 2년 동안 1 주택의 2017년을 제외하고 모든 주택에서 취사 및 플러그부하를 포함한 모든 에너지를 자급자족하는 넷 제로에너지주택이 구현되었다.

(2) 거주자의 에너지 사용 변화에 따라 1 주택에서 제로에너지 구현이 유동적인 것으로 나타났으며, 제로에너지주택의 규정에 따른 에너지사용 범위가 한정되어야 할 것으로 판단된다.

(3) 넷 에너지제로주택에서 주택전력에 연계한 공기열원 히트펌프는 일반전력에 연계되는 지열히프펌프에 비해 비용절감 효과가 큰 것으로 나타났다.

(4) 계통 연계된 넷 제로에너지주택은 태양광 발전에 따른 잉여전력량이 발생함에도 불구하고 국내 전기요금 체계에 따라 수전 전력에 대한 부가가치세 및 기본료 등이 책정되었으며, 그 요금은 가구당 연 평균 약 133천원으로 나타났다.

Acknowledgments

본 연구는 2017년도 산업통상자원부의 재원으로 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구과제입니다. (No. 20173010140800)

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Fig. 1.

Fig. 1.
View of the demonstrated houses

Fig. 2.

Fig. 2.
Floor plan of the demonstrated houses

Fig. 3.

Fig. 3.
Schematic diagram of grid connected PV system

Fig. 4.

Fig. 4.
Schematic diagram of heating and hot water system

Fig. 5.

Fig. 5.
Schematic of forced ventilation heat recovery system

Fig. 6.

Fig. 6.
Monthly import and export the electricity of A house

Fig. 7.

Fig. 7.
Monthly excess electricity of A house

Fig. 8.

Fig. 8.
Monthly import and export the electricity of B house

Fig. 9.

Fig. 9.
Monthly excess electricity of B house

Fig. 10.

Fig. 10.
Monthly import and export the electricity of C house

Fig. 11.

Fig. 11.
Monthly excess electricity of C house

Fig. 12.

Fig. 12.
Electric bill of B house

Fig. 13.

Fig. 13.
Monthly electric charges of A house

Fig. 14.

Fig. 14.
Monthly electric charges of B house

Fig. 15.

Fig. 15.
Monthly electric charges of C house

Table 1.

Houses overview

Items A B C
Gross Area(㎡) 166.3 213.7 92.51
Building Area 113.5 82.37 57.04

Table 2.

Thermal performance of envelope(unit: W/㎡·K)

House A B C Legal Passivhaus
Roofs 0.22 0.23 0.23 0.18 0.15
Walls 0.18 0.18 0.21 0.27 0.15
Ground floors 0.19 0.22 0.22 0.35 N/A

Table 3.

Renewable system specifications

House A B C
PV
module
Pmax (Wp) 250 250 250
Cell type Mono
crystalline
Mono
crystalline
Mono
crystalline
Efficiency (%) 15 15.22 16.89
Solar Thermal
System
Collector’s area (㎡) 5 · ·
Tank size (liter) 300liter · ·

Table 4.

Specifications of air-to-water heat pump

House A B C
Model AHUW096A1 AHUW166A1 AHBW166A0
Heating Capacity (kW) 9.00 16.00 16.00
Power (kW) 2.2 3.81 3.81
COP 4.09 4.20 4.20

Table 5.

Specifications of forced ventilation heat recovery system

House A B C
Capacity (㎥/h) 150 2*150 150
Power (W) 104 2*104 104