KIEAE Journal

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

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.

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.

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.

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.

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

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.

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

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.

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

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.

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

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