KIEAE Journal

국내의 학교시설은 산업자원통상부고시 제2012-18호 공공기관 에너지이용합리화 추진에 관한 규정에서 신·재생에너지설비 설치를 의무화하고 있다. 정부는 공공기관이 신축하는 연면적 3,000㎡ 이상의 건축물에 대하여 총 건축공사비의 5% 이상을 신·재생에너지설비 설치에 투자하도록 의무화하기 시작하여 현재 신·증·개축하는 연면적 1,000㎡ 이상의 건축물에 대하여 예상에너지사용량의 11% 이상을 설치·투자하도록 의무화하고 있다.¹⁾

현재 우리나라는 녹색 뉴딜사업의 일환으로 초·중·고교에 신재생에너지설비 설치사업을 추진하고 있다. 이와 관련하여 냉·난방에너지를 절감하기 위해 교실에 적용된 지열원 히트펌프 시스템의 성능을 평가하고 분석한 논문이 있다.[1]여기서 지열원 냉난방시스템을 적용할 경우 기존 학교의 냉난방에너지의 70%를 절감할 수 있는 것으로 나타났다.

학교시설의 신·재생에너지 적용을 위한 수요/공급을 분석한 논문에 따르면 신·재생에너지시스템을 고려할 때, 전력수요 패턴과의 일치도에 따라 태양광 패널과 풍력발전기의 수가 결정되며 급탕패턴에 따라 태양열 집열기의 설치 수가 결정됨을 알 수 있다.[2]

또한 초등학교건물에 20㎾급 태양광발전시스템의 성능 및 경제성을 분석한 결과에 따르면 태양광시스템의 연 평균 발전효율은 12.8%이고 평균 전력부하 부담률은 18.8%로 비용/편익분석의 관점으로 보았을 때, 경제성은 크게 떨어지는 것으로 나타났다.[3]

학교시설의 고효율 태양열 냉난방시스템 최적화를 위해 열경제학적으로 분석한 논문에 따르면 TRNSYS 프로그램을 통해 태양열 냉난방시스템을 분석한 결과, 1차 에너지절감율은 64.7%로 나타났으며 겨울철과 여름철의 태양열의존율은 각각 46.2%, 27.7%로 나타났다. 설치지원금을 받는 조건하에 단순투자비 회수기간은 12년으로 나타났다.[4]

위 논문들을 살펴볼 때 학교시설에 신·재생에너지시스템을 설치 할 경우, 경제성은 떨어지는 결과를 보였으며 대부분 학교시설에는 단일 신·재생에너지시스템에 대한 연구만 진행되고 있다는 것을 알 수 있다. 그리고 현재 학교시설에 신·재생에너지설치를 의무화하고 있기 때문에 신축공사 시설치를 검토하고 시행하고 있지만 설치가이드라인이 충분치 않아 학교시설의 특성을 살려 에너지비용과 운영비용을 최소화할 수 있는 효율적인 설치방안을 제시하기 어렵다. 그리고 성능이 좋은 신·재생에너지 설비기기가 도입되고 정책이 앞서간다고 하여도 교육시설의 신 • 재생에너지에 대한 도입 규모 등에 대한 적정한 용량 기준이 없는 실정이다. 이에 학교시설에 적합한 최적시스템을 구축하고 이에 대한 경제성이 분석되고 평가되지 않는다면 에너지절약을 기대할 수 없을 뿐만 아니라 시스템 구축에 어려움이 따를것으로 예측된다.

따라서 본 연구의 목적은 신·재생에너지의 효과적인 설치를 위해 동일한 초기투자비 내에서 에너지비용을 최소한으로 부담할 수 있으며 학교시설에 적용이 가능한 간이 신·재생에너지 적용프로그램을 개발·분석하고 그에 적합한 최적용량을 제안하는데 있다.

본 논문의 주목적은 학교건물에 적용할 수 있는 신·재생 에너지시스템의 최적용량을 선정할 수 있는 방안을 마련하는 것이다. 본 연구에서는 Matlab 프로그램을 이용하여 동일투자비 대비 단일 신·재생에너지시스템이 아니라 적용이 가능한 여러 신·재생에너지시스템을 조합하여 최적의 용량을 찾을 수 있는 간이프로그램을 개발하고 이를 이용하여 교실의 이용률이 높은 고등학교를 대상으로 신 • 재생에너지 기반 복합시스템의 최적용량을 분석하였다.

서론에서 살펴보았듯이 기존의 학교시설과 신·재생에너지 관련 논문을 살펴보면 단일 신·재생에너지시스템을 실제로 설치하여 측정한 데이터를 분석하거나 시뮬레이션을 통해 성능과 경제성을 분석하고 연구한 논문이 대부분을 차지하고 있다. 그리고 학교시설의 전력부하와 냉난방부하 패턴을 고려하여 신·재생에너지기반 복합시스템을 적용하고 최적화한 논문은 전무한 실정이다. 따라서 본 논문을 통해 국내 학교시설에 적합한 신·재생에너지기반 복합시스템을 선정하고 최적용량을 제시한다면 건물계획단계에서부터 용이하게 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

건물에 적용이 가능한 신·재생에너지시스템은 전력공급을 할 수 있는 태양광, 풍력, 연료전지, 소수력발전시스템등이 있다. 냉난방과 급탕부하를 담당할 수 있는 시스템은 지열과 태양열 등이 있으며 자연형 태양열 디자인을 통해 냉난방부하와 환기부하를 절감할 수 있다.

풍력시스템의 경우 일정 풍속 미만이거나 이상일 때에 발전이 제한되며 소음으로 인한 불쾌감으로 수업에 방해될수 있으며, 소수력발전시스템은 일정한 유속이 흐르는 하천주변에 학교가 위치해 있어야 하기 때문에 장소의 제약이 따른다. 따라서 학교시설에 적용이 가능한 설비형 신·재생에너지시스템으로 히트펌프시스템, 태양광발전시스템, 태양열급탕시스템을 선정하는 것이 바람직하다.

<그림 1>은 본 연구에서 제안한 신·재생에너지기반 복합시스템의 개념도이다. 냉·난방부하는 전기구동히트펌프(EHP)와 지열히트펌프가 담당하며 히트펌프의 전력부하의 일부는 태양광발전시스템에서 공급할 수 있도록 하였다. 태양열 집열기를 통해 발생된 열은 축열조에 저장이 되며 부족한 급탕부하는 가스보일러가 담당하도록 하였다. 건물부하는 공기열원과 지열원, 급탕부하는 태양열원 그리고 히트펌프에서 발생된 전력부하는 태양광발전시스템으로 충당함으로서 학교시설에 전기과 가스소비량 및 요금을 절감할 수 있을 것으로 기대된다.

그림 1. 
신 • 재생에너지기반 복합시스템의 개념도

학교건물의 신·재생에너지기반 복합시스템 간이평가프로그램의 개발을 위해 평가모형의 이론전개 결과를 종합하여 평가단계별로 요약하면 <그림 2>와 같다.

그림 2. 
프로그램 계산흐름도

기후데이터, 부하데이터, 그리고 시스템관련데이터를 입력하게 되면 태양열급탕시스템과 태양광발전시스템의 집열량과 발전량에 가장 큰 영향을 미치는 요인인 경사면의 일사량이 계산된다. 이에 따라 단위 모듈당 각각 집열량과 발전량, 전력소비량을 산정할 수 있게 된다.

그 다음 단계는 투자비와 학급수를 입력하면 설치할 수 있는 태양열 집열기 면적, 태양광발전용량, 지열히트펌프용량과 EHP용량이 출력된다. 동일투자비 대비 각각의 대안들에 대한 1년 동안의 시간별 가스소비량과 전기소비량과 피크전기부하가 출력이 되면 입력된 월별 가스단가, 전기기본요금, 전기단가와 함께 전기요금과 가스요금이 출력되고 최종적으로 에너지요금이 계산된다. 동일투자비 대비 대안들에 대한 에너지요금 중 가장 적은 요금이 나온 대안이 최적대안으로 출력된다.

여기서 급탕부하는 가스보일러와 태양열급탕시스템이 분담하며, 집열량에 의해 보일러 운전에 의한 가스소비량은 감소하게 된다. 학급의 냉·난방부하는 지열히트펌프와 EHP가 담당하며 지열히트펌프의 전력소비량과 EHP의 전력소비량에 태양광발전시스템에 의한 발전량을 감하게 되면 최종적인 전력소비량이 계산된다.

일반교실의 위치는 최상층, 최하층, 측면 등의 다양한 곳에 위치한다. 따라서 위치에 따라 부하의 크기 차이가 있을 수 있다. 하지만 지역별, 적용용량크기에 따른 에너지사용량을 시뮬레이션하기 위해서는 일반 교실의 냉·난방부하를 모듈화시켜 에너지시뮬레이션을 영향을 줄 수 있는 변수를 최소화시켜야 할 것이다.

재실자(학생, 교직원 등)의 실제 실 사용기간을 조사하기위해 각 학교의 시정표, 월간행사계획표, 보충수업일정 및 시간표를 수집하여 실제 고등학교 교실의 냉 • 난방부하 스케쥴을 작성하였다. 서울을 제외한 기타지역의 평균정규수업시간은 1,323시간이며 평균 보충수업 및 자율학습시간은 1,174시간으로 전체 수업시간의 47%를 차지하였다. 거의 대부분의 학생이 보충수업과 자율학습에 참여하고 있었으며 오후 10:00나 11:00까지 교실을 이용하고 있는 것으로 나타났다. 일반 교실 한 학급의 평균부하를 TRNSYS를 이용하여 계산하였으며, <그림 4>와 같이 학급당 평균부하모듈을 작성하였다.

그림 4. 
학급당 냉난방부하(67.5㎡)

1월과 8월은 보충수업기간으로 인해 교실에 냉 • 난방을 하기 때문에 부하가 큰 것으로 나타났다. 최대냉방부하는 약 8.3㎾(8월 6일)이며 최대난방부하는 약 5.8㎾(1월 8일)으로 나타났다. 또한 2월은 각종 행사(졸업식, 입학식)나 춘계방학으로 인한 휴일이 많아 난방부하가 거의 발생하지 않는 것으로 나타났다.

학교의 급탕부하는 크게 식당의 취사와 세척을 위한 부하와 화장실의 온수사용을 위한 부하가 있다. 학교시설에서 온수의 90% 이상은 급식실에 쓰인다. 따라서 급식실의 급탕부하를 중심으로 급탕부하를 산정하는 것이 바람직할 것이다.

급탕부하를 계산하기 위해 급탕량을 산정하는 방법으로는 건물의 급탕대상 인원이 정확한 경우에 거주자의 1일 사용수량을 설정하고 거주인원에 의하여 사용수량을 산정하거나 급탕대상 인원이 확실하지 않은 경우는 기구수에 의한 방법이 있다.[6] 학급수에 따라 학교상주인원인 학급수에 따른 교직원과 학생수를 조사한 결과 <그림 5>와 같이 학급수에 비례하여 증가하는 것으로 나타났으며 학급수에 비례하여 학급규모별 급탕부하를 산정하는 것이 적합할 것으로 판단된다.

그림 5. 
학급규모에 따른 학교인원수

학교시설 조사 결과 고등학교 급식은 중식과 석식으로 나뉜다. 각 학교의 내부방침에 따라 방과 후 보충학습이 선택인 학교와 필수인 학교로 구분이 되기 때문에 중식은 학생과 교직원이 대부분 이용하지만 저녁급식은 개인의 선택에 맡기거나 필수인 학교로 나누어졌다. 대부분의 학교 급식실의 보일러의 가동시간은 평균적으로 7:00～19:00이었다. 이를 토대로 일일 시간별 부하비율을 계산하였다.

본 연구에 적용된 신·재생에너지원별 설치단가는 해마다 에너지관리공단에서 공시하고 있으며, 공단에 제시된 설치 단가를 이용하여 분석하였으며 2011년 설치단가를 기준으로 하였다.

전력요금은 기본요금과 사용요금의 합으로 이루어지며 교육용 건물의 전력요금은 주거용 건물과 타 건물에 비해 저렴한 편으로 <표 1>과 같다. 기본 전력요금은 지난달의 사용전력 중 최대 사용전력을 선택하여 기본요금 책정에 적용된다. 조사 결과, 모든 학교가 고압A 선택 Ⅰ의 요금을 적용하였다. 따라서 에너지비용 계산 시 고압A 선택 Ⅰ의 요금을 적용하였다.

<표 2>의 가스요금은 비주기적으로 요금이 갱신되고 지역마다 차등 적용되기 때문에 대전요금을 기준으로 하며 대전지역의 요금도 구역마다 담당하는 회사가 다르기 때문에 2011년 대전지역평균값을 기준으로 적용하였다. 여기서 가스의 발열량은 10,550㎉/Nm³으로 가정한다. 가스요금은 취사용과 냉·난방용 가스요금이 구분되어 있다.

본 연구에 적용된 시뮬레이션 대상 지역은 대전이며 대전지역의 위도는 36.18°, 경도는 127.25°이다.

<그림 6>은 경사면이 받을 수 있는 일사량을 시뮬레이션한 결과, 주어진 대전지역 연간 수평면 전일사량은 1,220.83㎾h이었으며, 경사면이 30°일 때 총 일사량은 연간 1,209.76㎾h로 일정한 분포를 보이고 있었다.

그림 6. 
경사면의 총일사량

본 연구에 적용된 집열기는 유창형/진공관형 집열기로로 집열량을 구할 수 있으며, <표 3>의 집열기 사양을 갖는다.

태양열 집열기의 집열량을 분석한 결과, <그림 7>에서 알 수 있듯이 2㎡의 유효집열면적을 가진 집열기의 집열량은 연간 1,278㎾h로 약 52.8%의 집열 효율을 나타냈다. 집열량이 가장 많이 발생되는 월은 5월과 8월로 각각 156.41㎾h/mon.와 135.61㎾h/mon.을 집열할 수 있는 것으로 나타났다.

그림 7. 
태양열 집열기(2.28㎡)의 집열량

η_r , NOCT와 β_p는 적용하려는 PV모듈에 영향을 받는다. 이들은 사용자에 의해 입력되거나 표준기술에 의거하여 <표 4>의 값을 토대로 적용하면 된다.

본 연구에는 단결정 실리카 재질의 PV모듈을 적용하여 시뮬레이션을 수행하였다.[7]

태양광발전시스템을 분석한 결과, <그림 8>에서 알 수 있듯이 1㎾p의 발전용량을 가진 PV array의 발전량은 연간 1,136.42㎾h로 약 10.78%의 발전효율을 나타냈다. 집열량이 가장 많이 발생되는 월은 5월과 8월로 각각 135.06㎾h/mon.와 112.92㎾h/mon.의 전력을 생산할 수 있는 것으로 나타났다.

그림 8. 
태양광발전시스템(1㎾p)의 발전량

본 연구에서 적용된 지열히트펌프는 물-냉매방식의 히트펌프로 전부하 운전조건에서 냉방시 열원수 인입온도 30℃일 때 EER은 5.0이며 난방시 열원수 인입 온도 20℃일 때 COP는 5.43이다. L사 제품의 성능표를 이용하여 성능곡선을 작성하고 시뮬레이션의 입력자료로 사용하였다. <그림 9>는 55㎾급 용량의 지열히트펌프시스템의 전력소비량이다. 냉방전력소비량은 연간 2,753.34㎾h이고 난방전력소비량은 연간 389.70㎾h로 나타났다. 고등학교의 특성상 재실밀도가 높아 난방부하는 감소, 냉방부하는 증가하고 여름방학에는 보충수업과 자율학습으로 인해 냉방부하가 7월과 8월에 증대하기 때문인 것으로 판단된다. 그리고 성능계수도 난방시 더 높게 나타나며 부분부하에 따른 효과도 작용된 것으로 판단된다.

그림 9. 
지열히트펌프시스템(55㎾)의 전력소비량