KIEAE Journal
[ Article ]
Journal of the Korea Institute of Ecological Architecture and Environment - Vol. 13, No. 2, pp.77-84
ISSN: 2288-968X (Print) 2288-9698 (Online)
Print publication date Apr 2013
Received 21 Aug 2012 Revised 04 Apr 2013 Accepted 10 Apr 2013
DOI: https://doi.org/10.12813/kieae.2013.13.2.077

A Study on Simplified Evaluation for Renewable Energy based Combination System in School

KimJi-Yeon*
*주저자, 한국감정원 녹색건축센터, 부연구위원/공학박사
학교건물의 신·재생에너지기반 복합시스템 간이평가 기법 연구

Schools are one of favorable public buildings for Renewable Energy(RE) systems due to site conditions and their energy demand profiles(e.g. daytime-based use of hot water and heating/cooling). Although the government encourages schools to be equipped with RE systems, the adoption of RE systems in existing energy supply systems faces technical and financial barriers. For example, when installing a RE-based combination system(RECS) to meet the energy demand at various school scales, identifying cost effective combination of capacities of the RECS is not trivial since it usually requires technically intensive work including detailed simulation and demand/supply analysis with extensive data. This kind of simulation-based approaches is hardly implementable in practice. To address this, a simpler and applicable decision-supporting method is suggested in this study. This paper presents a simplified model in support of decision-making for optimal capacities of RECS within given budget scales and schools sizes. The proposed model was derived from detailed simulation results and statistical data. Using this model, the optimal capacities of RECS can be induced from the number of classes in a school.

Keywords:

Renewable energy based combination system, Solar water heating system, Photovoltaic systems, Geothermal heat pump system, 신·재생에너지기반 복합시스템, 태양열급탕시스템, 태양광시스템, 지열히트펌프시스템

1. 서 론

1.1 연구의 배경 및 목적

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.

1.2 연구의 방법 및 내용

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.


2. 신 • 재생에너지복합시스템 간이평가모형

2.1 학교시설에 적용 가능한 신 • 재생에너지시스템

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

2.2 간이평가모형 정립

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.


3. 입력데이터 및 건물부하데이터

기상데이터는 대전지역의 1999~2004년까지의 시간평균 데이터를 이용하였다. 냉·난방부하를 계산하기 위해 <그림 3>과 같이 수집한 기상데이터와 캐드도면을 분석하고 각실의 용도를 파악하였다. 건물은 실의 사용목적 및 사용시간에 따라 냉·난방, 환기, 조명, 재실, 온수, 콘센트 및 팬 동력 등의 설정조건이 상이하므로 스케줄이 필요하며, 이에 대한 각각의 스케줄을 작성하였다. 이 중 냉·난방 및 환기는 건물의 공조방식 및 현행 법규를 고려하여 설정하였으며. 그리고 각 실의 특성에 맞게 존을 구획하고 구획 후 건물외벽, 창호의 면적과 물성치를 입력하여 건물부하를 계산하기 위한 모델링을 수행하였다.[5]

그림 3.

부하시뮬레이션 흐름도

3.1 냉난방부하

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.

3.2 급탕부하

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.

3.3 설치 및 에너지비용

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.

교육용 건물의 전력요금(2011년)

<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.

가스요금(2011년)


4. 시스템별 에너지소비량

4.1 경사면 일사량

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

4.2 태양열 집열기(2㎡)의 집열량

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

태양열 집열기 사양

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

4.3 태양광발전시스템(1㎾p)의 발전량

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

결정종류에 따른 공칭효율 및 온도계수

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

4.4 지열히트펌프시스템(55㎾)의 소비량

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


5. 투자비와 학급별 신 • 재생에너지시스템 최적용량 분석

학급수와 투자비별 최적용량을 같은 모듈조건을 기준으로 최적용량을 프로그램을 이용하여 분석하였으며 그 결과는 <표 5>와 같다.

투자비별 최적 용량

<표 5>를 기준으로 투자비에 따른 태양열급탕시스템의 최적용량을 산정한 결과, <그림 10>을 살펴보면 태양열급탕시스템은 투자비와 학급수에 따라 최적면적이 증가하지만 동일투자비 내에서 특정 학급수 이상이 되면 일정해지는 분포를 보이고 있었다. 1억을 투자할 경우 14~16학급의 최적 집열 면적은 66㎡, 17~21학급의 최적 집열 면적은 80㎡, 22학급 이상의 학교의 최적 집열 면적은 86㎡로 일정하게 나타났다. 2억을 투자할 경우 학급수 구간별로 일정한 면적의 보이고 29학급 이상이 되면 최적 집열 면적은 134㎡로 일정하게 나타났다. 3억을 투자할 경우 34~36학급의 학교의 최적 집열 면적은 178㎡로 나타났으며 37학급 이상이 되면 면적은 190㎡로 일정해지기 시작했다. 5억을 투자할경우, 15~19학급은 122㎡의 태양열급탕시스템을 설치하는 것이 가장 최적인 대안으로 나타났다.

그림 10.

학급수별, 투자비별 최적 태양열 집열기 면적

투자비가 최적용량에 비례하지 않고 투자비에 따라 특정 학급 이상이 되면 일정해지기 시작한다는 것을 알 수 있다. 이는 학급수에 따른 급탕부하는 정해져 있고 이에 대응되는 집열기의 집열량이 면적이 증가되면 면적증가에 따른 잉여열증가로 인해 면적 대비 가스소비량의 절감효과를 보지 못하기 때문인 것으로 판단된다. 따라서 투자비의 증가가 에너지나 비용효율적이지 않고 각 학급에 맞는 최적 집열 용량과 최적투자비가 있는 것으로 판단되며 학교시설에 신 • 재생에너지시스템 설계 시 투자비도 중요한 요소이지만 태양열급탕시스템의 최적 집열 용량 선정 시 급탕부하에 적절히 대응할 수 있도록 설계를 하는 것이 바람직 할 것으로 판단된다.

투자비에 따른 지열히트펌프의 최적용량을 산정한 결과, <그림 11>을 살펴보면 지열히트펌프는 학급수에 따라 용량이 증가하다가 특정학급 이상에 되면 다시 감소하는 분포를 보이고 있었다. 1억을 투자할 경우 10~11학급 이상의 학교의 지열히트펌프 최적용량은 11㎾로 나타났으며 12학급 이상의 학교는 지열히트펌프를 적용하지 않고 단일 태양열급탕시스템을 설치하는 것이 에너지소비절감이 큰것으로 나타났다. 3억을 투자할 경우 15학급까지 지열히트 펌프의 최적 용량의 증가를 보이다가 이후 다시 용량이 감소하는 추세를 보였다. 4억을 투자할 경우 18~19학급 사이에서 증가하다가 감소되는 추세를 보였으며 5억을 투자할 경우 23학급까지는 198㎾의 용량에서 점점 감소하다가 그 이상 학급수가 되면 지열히트펌프를 적용하지 않는 것이 적합한 것으로 나타났다.

그림 11.

학급수별, 투자비별 최적 지열히트펌프용량

투자비에 따른 태양광발전시스템이 최적용량을 산정한결과, <그림 12>를 살펴보면 1억을 투자할 경우 22학급 이상의 학교의 태양광발전시스템 최적용량은 0㎾p로 나타났으며 2억을 투자할 경우 29학급 이상의 학교는 6㎾p급 태양광발전시스템을 설치하는 것이 적합한 것으로 나타났다. 3억을 투자할 경우 11학급의 최적용량은 10㎾p이며 점점 감소하다가 23학급 이상부터 다시 증가하는 추세를 나타냈다. 4억을 투자할 경우 11학급의 최적용량은 20㎾p이며 점점 감소하다가 19학급 이상부터 다시 증가하는 추세를 나타냈다. 5억을 투자할 경우 11학급의 최적용량은 29㎾p이며 점점 감소하다가 23학급 이상부터 다시 증가하는 추세를 나타냈다.

그림 12.

학급수별, 투자비별 최적 태양광시스템용량


6. 결 론

본 연구에서는 학교건물의 특성을 살려 에너지비용과 운영비용을 최소화할 수 있는 효율적인 설계방안을 마련하기 위해 신·재생에너지기반 복합시스템을 개념적으로 정립하고 학교건물의 냉난방 및 급탕패턴을 선행 분석하여 동일한 초기투자비 내에서 에너지비용을 최소한으로 부담할 수 있고 학교 건물에 적용이 가능한 최적의 신·재생에너지 적용프로그램을 Matlab을 이용하여 개발하였으며 다양한 조건들에 대한 분석을 수행하였다.

본 논문의 주요 연구결과를 요약하면 다음과 같다.

2㎡의 유효집열 면적을 가진 태양열급탕시스템이 FRUL가 0.70W/㎡·℃이고 FR(τα)가 0.58일 때, 집열량은 1,278 ㎾h로 약 52.8%의 집열 효율을 나타냈다. 단결정 실리카 재질의 13%의 효율을 지닌 1㎾p 규모의 태양광발전시스템의 발전량은 1,136.42㎾h로 약 10.8%의 발전효율을 나타냈다. 58㎾급 지열히트펌프의 냉방전력소비량은 연간 2,753.34㎾h이고 난방전력소비량은 연간 389.70㎾h로 나타났다.

학급규모와 투자비에 따라 10∼40 학급까지 2㎡의 태양열급탕시스템, 1㎾p의 태양광발전시스템, 11㎾의 지열히트 펌프시스템을 모듈로 하여 최적용량을 산정한 결과, 태양열 집열기는 투자비규모보다는 급탕부하에 적절히 대응할 수 있도록 설계해야 하며 소규모학교에서는 1억원 이하의 투자 시 단일 태양열급탕시스템을 설치하는 것이 적합한 것으로 나타났다. 지열히트펌프시스템은 투자비와 학급수에 따라 증가하다가 제한된 히트펌프용량으로 인해 일정투자비 이상이 되면 다시 감소하는 경향을 보였다.

본 논문을 통해 개발된 간이프로그램은 투자자나 설계자가 학교 건물에 대한 최적의 신·재생에너지기반 복합시스템 최적용량을 결정하기 위한 도구로 활용할 수 있을 것이며, 실제 적용이 되는 모델의 데이터를 직접 입력하여 각 학교의 특성에 맞는 신·재생에너지기반 복합시스템 설계대 안 수립을 위한 평가 자료로 활용될 수 있을 것이다. 또한 본 연구에서는 태양열, 태양광, 지열히트펌프시스템을 신·재생에너지기반 복합시스템 모듈로 제안한 바, 추후에는 프로그램의 민감도분연구와 그 외의 여러 신·재생에너지를 최적화할 수 있는 연구가 진행되어야 할 것이다.

Glossary

1) 신에너지 및 재생에너지개발 이용보급 촉진법 제12조 제2항 및 동법시행령 제 15조

References

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  • 현진 남 외, 학교 건물의 신 • 재생에너지 적용을 위한 수요/공급 분석 및 평가에 관한 연구, 설비공학논문집, (2010), 22(4), p197-204.
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  • J.A Duffie, W.A Beckman, Solar Engineering of Thermal Processes-Second Edition, Wiley-Interscience, New York, (1991). [https://doi.org/10.1115/1.2930068]
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그림 1.

그림 1.
신 • 재생에너지기반 복합시스템의 개념도

그림 2.

그림 2.
프로그램 계산흐름도

그림 3.

그림 3.
부하시뮬레이션 흐름도

그림 4.

그림 4.
학급당 냉난방부하(67.5㎡)

그림 5.

그림 5.
학급규모에 따른 학교인원수

그림 6.

그림 6.
경사면의 총일사량

그림 7.

그림 7.
태양열 집열기(2.28㎡)의 집열량

그림 8.

그림 8.
태양광발전시스템(1㎾p)의 발전량

그림 9.

그림 9.
지열히트펌프시스템(55㎾)의 전력소비량

그림 10.

그림 10.
학급수별, 투자비별 최적 태양열 집열기 면적

그림 11.

그림 11.
학급수별, 투자비별 최적 지열히트펌프용량

그림 12.

그림 12.
학급수별, 투자비별 최적 태양광시스템용량

표 1.

교육용 건물의 전력요금(2011년)

구분 기본요금
(원/㎾)
전력량 요금
여름철
(7∼8월)
봄 • 가을철
(3∼6, 9∼10월)
겨울철
(11∼2월)
저압전력 4,090 73.00 46.90 53.10
고압A 선택Ⅰ 4,340 72.60 46.70 52.90
선택Ⅱ 4,970 69.30 43.50 49.30
고압B 선택Ⅰ 4,340 72.20 46.30 52.40
선택Ⅱ 4,970 68.80 43.10 48.80

표 2.

가스요금(2011년)

구 분 냉 • 난방용 취사용
1~2월 588.14 581.01
3~4월 574.08 570.47
5~6월 596.79 587.50
7~8월 613.26 608.55
9~10월 653.73 631.41
11~12월 669.89 665.40

표 3.

태양열 집열기 사양

집열기 총 면적 2.28㎡
FRUL 0.70W/㎡ • ℃
FR(τα) 0.58
집열기 경사각 30°
방위각
집열기 유량/면적 0.02㎏/sec • ㎡
유체 비열 4.18kJ/㎏ • ℃

표 4.

결정종류에 따른 공칭효율 및 온도계수

Section ηr(%) NOCT(℃) βp (%/℃)
Mono-Si 13.0 45 0.40
Poly-Si 11.0 45 0.40
a-Si 5.0 50 0.11
CdTe 7.0 46 0.24
CIS 7.5 47 0.46

표 5.

투자비별 최적 용량

학급 투자비 태양열
(㎡)
태양광
(㎾p)
지열
(㎾)
EHP
(㎾)
학급 투자비 태양열
(㎡)
태양광
(㎾p)
지열
(㎾)
EHP
(㎾)
11 1억 54 3 11 110 26 1억 86 0 0 286
2억 58 3 88 33 2억 128 7 0 286
3억 76 8 121 0 3억 136 8 66 220
4억 108 17 121 0 4억 128 8 154 132
5억 118 29 121 0 5억 132 7 231 55
12 1억 60 4 0 132 27 1억 86 0 0 297
2억 64 4 77 55 2억 128 7 0 297
3억 78 6 132 0 3억 136 8 66 231
4억 96 17 132 0 4억 134 7 154 143
5억 124 26 132 0 5억 142 8 220 77
13 1억 60 4 0 143 28 1억 86 0 0 308
2억 64 4 77 66 2억 128 7 0 308
3억 72 5 143 0 3억 142 9 55 253
4억 96 15 143 0 4억 146 7 143 165
5억 120 25 143 0 5억 142 8 220 88
14 1억 66 3 0 154 29 1억 86 0 0 319
2억 64 4 77 77 2억 134 6 0 319
3억 72 5 143 11 3억 148 8 55 264
4억 102 12 154 0 4억 146 7 143 176
5억 120 23 154 0 5억 142 8 220 99
15 1억 66 3 0 165 30 1억 86 0 0 330
2억 82 3 66 99 2억 134 6 0 330
3억 78 4 143 22 3억 154 9 44 286
4억 102 10 165 0 4억 158 7 132 198
5억 122 21 165 0 5억 154 10 198 132
16 1억 66 3 0 176 31 1억 86 0 0 341
2억 82 3 66 110 2억 134 6 0 341
3억 84 5 132 44 3억 142 9 44 297
4억 104 8 176 0 4억 158 7 132 209
5억 122 19 176 0 5억 154 10 198 143
17 1억 80 1 0 187 32 1억 86 0 0 341
2억 92 5 44 143 2억 134 6 0 352
3억 84 5 132 55 3억 160 10 33 319
4억 94 7 187 0 4억 158 7 132 220
5억 122 17 187 0 5억 166 10 187 165
18 1억 80 1 0 198 33 1억 86 0 0 363
2억 92 5 44 154 2억 134 6 0 363
3억 90 6 121 77 3억 172 10 22 341
4억 92 6 198 0 4억 170 7 121 242
5억 122 15 198 0 5억 166 10 187 176
19 1억 80 1 0 209 34 1억 86 0 0 341
2억 98 6 33 176 2억 134 6 0 374
3억 96 5 121 88 3억 172 10 22 352
4억 98 5 198 11 4억 174 10 99 275
5억 122 13 209 0 5억 166 10 187 187
20 1억 80 1 0 220 35 1억 86 0 0 341
2억 98 6 33 187 2억 134 6 0 385
3억 102 6 110 110 3억 178 11 11 374
4억 104 6 187 33 4억 180 11 88 297
5억 130 10 220 0 5억 166 10 187 198
21 1억 80 1 0 231 36 1억 86 0 0 341
2억 110 6 22 209 2억 134 6 0 396
3억 102 6 110 121 3억 178 11 11 385
4억 104 6 187 44 4억 180 11 88 308
5억 122 9 231 0 5억 166 10 187 209
22 1억 86 0 0 242 37 1억 86 0 0 341
2억 116 7 11 231 2억 134 6 0 407
3억 102 6 110 132 3억 190 11 0 407
4억 110 7 176 66 4억 192 11 77 330
5억 118 8 242 0 5억 188 12 154 286
23 1억 86 0 0 253 38 1억 86 0 0 341
2억 116 7 11 242 2억 134 6 0 418
3억 120 5 99 154 3억 190 11 0 418
4억 122 7 165 88 4억 162 11 77 341
5억 118 6 253 0 5억 188 12 154 264
24 1억 86 0 0 264 39 1억 86 0 0 341
2억 122 8 0 264 2억 134 6 0 429
3억 120 5 99 165 3억 190 11 0 429
4억 122 7 165 99 4억 198 12 66 363
5억 118 8 242 22 5억 200 12 143 275
25 1억 86 0 0 275 40 1억 86 0 0 341
2억 128 7 0 275 2억 134 6 0 440
3억 124 8 77 198 3억 190 11 0 440
4억 128 8 154 121 4억 198 12 66 374
5억 130 8 231 44 5억 200 12 143 297