1.1 연구의 개요

최근 건축물의 에너지 수요 감축의 방안으로 건축물 내 재생에너지 보급 확산을 추진하고 있다. 국내에서는 재생에너지발전 중 태양광발전의 보급률이 가장 높다. 태양광발전은 태양으로부터 오는 빛을 받아들이고 반도체 소자의 광전효과를 통해 전기에너지를 생산한다. 화석연료와는 달리 고갈의 염려가 없는 청정한 자연에너지를 발전원으로 사용하여 친환경 대체에너지원으로 각광받고 있다.

대학교는 여러 건물들이 밀집되어 캠퍼스(Campus)를 이루고 각 건물마다 용도 및 형태가 다양하다. 대학교는 운영하는 건물의 수가 많아 에너지다소비건물 현황 조사에서 매년 최상위에 위치하고 있으며 평균적으로 약 10,163 TOE의 에너지를 소비하는 것으로 조사되었다^[1]. 캠퍼스 내 건물 중 행정 및 연구동은 연간 운영시간이 타 건물에 비해 길어 특히 에너지 수요가 많다. 대학교도 신재생에너지의무화제도의 일환으로 태양광발전을 설치하고 있는 추세이다^[2,3]. 고층 빌딩에 둘러쌓인 도심의 건물들에 비해 대학교는 상대적으로 넓은 부지를 사용하고 있고 건물들 간 태양 일사에 의한 음영 간섭이 적기 때문에 태양광발전 설치에 유리하다. 태양광발전은 대학교 건물의 에너지 자립율을 높이는 데에도 일조한다.

다만 태양광발전의 설치로 인해 건축물의 환경 미관에 해를 끼칠 수 있다. 태양광발전 설비는 발전효율을 높이기 위해 주로 건축물 옥상에 최적 경사각을 유지한 채 비스듬히 높게 설치한다. 비스듬하고 높게 설치된 태양광발전 어레이는 일조권과 조망권을 침해하게 된다.

본 연구에서는 대학교 건물의 에너지 절감을 위해 태양광발전 시스템을 설치하고 동시에 태양광발전 설비가 건축물의 환경 미관을 해치지 않도록 하는 방안으로 수평형 태양광발전 설치법을 제시하고 TRNSYS 시뮬레이션 툴을 활용하여 시뮬레이션 모델을 구현하였다. 시뮬레이션 결과를 기반으로 기존의 태양광발전 설치방법과 에너지 생산량 비교를 통해 효용성을 평가하고자 한다.

2.1 TRNSYS(트랜시스)

TRNSYS는 미국의 매디슨 주 위스콘신대학교의 태양광에너지연구소(Solar Energy Laboratory, SEL)에서 개발한 시뮬레이션 소프트웨어이며 열적, 전기적 에너지 해석을 위한 컴포넌트 라이브러리를 제공한다. 각 컴포넌트들을 조합하여 시뮬레이션 모델을 만들 수 있다. TRNSYS는 주로 태양광발전 시스템, 태양열 시스템, 건물에너지해석, HVAC 시스템 등 건축, 기계, 전기 분야에서 사용된다.

2.2 건축물 모델

실재하는 건축물에 대한 에너지 수요와 에너지 생산을 분석하는 것이 가장 이상적인 건물에너지해석이라 사료되지만 국내의 실재 건축물에 대한 정보를 취득하기에 한계점이 있어 본 연구에서는 그와 유사한 3D 건축물 모델을 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다.

건축물 모델은 미국의 에너지부(Department of Energy)에서 제공하는 표준 상업용 건물(Commercial Building)인 Medium Office Building으로 선정하였다. Figure. 1과 같은 구조이며 Table 1에 건축물의 상세정보를 정리하였다. 본 건물모델은 대학교 건축물 또는 국내의 오피스 건물과 유사하다고 판단하였다. 건축물의 단열성능은 국토교통부에서 고시하는 건축물의 에너지 절약설계기준서의 중부지방 열관류율 기준을 참조하여 적용하였다. 기준은 아래 Table 2와 같다.

2.3 건축물 운영환경

대학교 강의동은 여름과 겨울 방학기간이 있어 실제 연간 사용시간이 짧은 반면, 행정 및 연구동은 방학기간에도 유동인원의 변동이 거의 없고 운영시간도 규칙적이므로 상대적으로 에너지 수요가 크다.

본 연구에서는 시뮬레이션 건축물의 용도를 에너지 수요량이 많은 행정 및 연구동으로 가정하고 아래 Table 3의 공조조건을 적용하였다. 건축물의 에너지 절약설계 기준서의 학교 냉난방 설비의 실내 온습도 기준에 따른다. 건축물 실내 냉난방 설비는 패키지형 개별 공조기를 사용한다. 1대마다 개별로 운전할 수 있는 특징을 가지므로 모든 건물유형의 각 실별 에너지 요구량을 산정하기에 적절하다^[4]. 건축물의 기밀성능은 침기를 배제한 고기밀 신축 건축물이라 가정하고 발열조건은 미국공조냉동학회(ASHRAE) Handbook 기준과 동일하다^[5].

2.4 시뮬레이션 기상데이터

본 연구에서는 서울특별시 TMY2 포맷의 기상데이터를 활용하여 에너지 시뮬레이션을 수행하였다. TMY2 포맷의 기상데이터는 미국 국립연구소에서 배포하고 있다. TMY2는 샌디아 방식을 적용하여 30년간의 자료를 통계적으로 분석하고 새로운 1년의 기상데이터를 생성한다. TMY2 기상데이터는 최근의 기상변화를 반영하여 일사량 데이터의 정밀성이 크게 향상되었다^[10,11].

TMY2 기상데이터는 약 90개의 Output을 제공하며특히 외기온도, 상대습도, 전일사량, 풍속, 날씨에 따른 일사의 변화 등을 건물모델에 적용하여 연간 에너지 수요를 취득할 수 있다. 또한 운량, 적설량, 강우량 등은 본 연구의 주요 시뮬레이션 모델인 태양광발전의 효율을 결정하는 주요요소이다.

3.1 건축물 연간 에너지 수요

건축물의 에너지 수요는 TRNSYS Type56을 사용하여 취득하였다. 건축물 에너지 수요는 외기의 영향에 민감하다. 외기온도를 분석한 결과 다음과 같았다. 서울특별시의 월 평균기온은 1월부터 2월까지 영하의 기온분포를 보이며 3월부터 8월까지 지속적으로 상승하고 9월부터 12월까지 다시 기온이 하락하는 난대성 기후와 한랭성 기후의 점이적 특색을 나타내고 있다.

일 평균기온 데이터를 활용하여 냉난방 도일법(Heating/Cooling Degree Day Method, HDD/CDD Method)을 적용할 때 서울특별시는 HDD의 경우 231일, CDD의 경우 134일로 분석되었다. 그에 따른 월별 에너지 수요 경향은 Figure. 2에 도식화하였다. 종합적으로, 대상 건축물은 Table 4와 같이 냉방 에너지 수요량에 비해 난방 에너지 수요량이 비교적 많았다.

태양광발전 설치방법에 따른 효용성 평가는 본 결과를 바탕으로 건축물의 연간 에너지수요 총량 대비 연간 발전량으로 평가하고자 한다.

3.2 기존 태양광발전 설치법

기존 태양광발전 설치방법은 Figure. 3의 (a)와 같이 태양광발전 어레이를 일정 경사각을 유지한 채 설치하는 것이 일반적이다. 태양광발전 어레이의 경사각은 태양 일사를 최대로 받을 수 있도록 산정한다.

서울특별시의 기상데이터를 활용하여 어레이의 경사각에 따른 발전량에 대한 시뮬레이션을 선행하였다. 태양광발전 어레이의 총 용량은 44.25kW이며 같은 규격의 패널 150개를 사용하였다. 태양광발전 모듈의 규격은 아래 Table 5와 같다. 용량은 경사각에 관계없이 일정하게 적용하였다. 본 시뮬레이션 목적은 같은 용량 조건에서 수평형(경사각 0°) 설치법을 적용한 모델의 발전량을 파악하기 위함이다.

시뮬레이션 결과는 아래 Table 6과 같고 Figure. 4에 도식하였다. 어레이의 발전량은 경사각이 30°인 모델에서 가장 많게 나타났다. 수평형(경사각 0°) 모델의 발전량은 경사각 30° 모델의 발전량과 비교할 때 약 90% 수준이었으며 정량적으로 약 10,524,549kJ의 차이를 보인다. 발전량이 가장 낮았던 모델은 경사각 90° 모델이며 수평형 모델의 76% 수준으로 나타났다.

3.3 어레이의 경사각에 따른 설치용량

태양광발전 어레이를 비스듬히 설치하면서 생기는 음영은 태양광발전 어레이의 발전효율을 감소시키기 때문에 태양광발전 어레이 간의 적절한 이격거리를 두고 설치할 필요가 있다^[6-9]. 어레이 간 이격거리는 Figure. 5의 모듈의 길이, 태양의 남중고도 및 어레이의 경사각으로 산출하고 이격거리에 따라 설치 가능한 태양광발전 용량이 결정된다.

식 (1)은 어레이 경사각에 따른 어레이 높이를 계산하며 식 (2)에 식 (1)을 대입하여 식 (3)을 구한다. 식 (3)은 어레이 경사각과 태양 고도각에 따른 어레이 이격거리를 산출하는 최종식이다.

여기서

$L$ : 모듈의 길이

$H$ : 모듈의 높이

$\beta $ : 태양 고도각(적위 : 위도 + 23.5)

$\gamma $ : 어레이 경사각

$\chi $ : 어레이 이격거리

식 (3)을 기반으로 건축물 옥상에 최대로 설치 가능한 패널의 수와 발전용량을 아래 Table 7에 정리하였다. 태양광발전 모듈은 3.2절 Table 5의 규격을 동일하게 갖는다.

어레이의 경사각과 이격거리는 아래 Figure. 6에 도식하였다. 수평으로 태양광발전을 설치할 때는 어레이 간 음영간섭이 없기 때문에 가장 많은 용량을 설치할 수 있었고 40° ~ 80°의 경사각을 가질 때에는 설치 가능한 용량이 최소로 나타났다. 다만 어레이 간 이격거리의 차이가 거의 없으므로 설치 가능한 용량은 동일하였다. 경사각과 이격거리의 관계에 따른 설치용량을 각 모델에 반영하여 시뮬레이션을 수행하였다.

3.4 시뮬레이션 결과

설치용량이 동일할 경우 태양광발전 어레이를 30°의 각도로 설치할 때 수평형 설치에 비해 발전량이 10% 더 많았다. 하지만 수평형 설치방법을 적용하면 약 75% 이상 설치용량이 증가하면서 수평형(경사각 0°) 모델의 연간 발전량은 경사각 30° 모델의 발전량에 비해 약 197GJ 만큼 많은 것으로 나타났다. 본 연구에서 선정한 건축물의 연간 총 에너지 수요가 689GJ인 것을 고려할 때 에너지 수요의 약 28% 이상을 수평형 태양광발전 시스템이 더 부담할 수 있다는 결과이다. 수평형 태양광발전 모델은 기존의 설치방법을 적용한 모델 중 가장 많은 용량을 설치할 수 있었던 90° 모델과의 발전량 비교에서는 46% 이상 많은 수치를 나타냈다. Figure. 7은 각 태양광발전 시뮬레이션 모델의 월별 에너지 생산량을 종합하여 도식한 그래프이다. 결과적으로 전체 시뮬레이션 모델과의 비교에서 경사각 0°인 수평형 태양광발전 모델의 발전성능이 가장 우수했다. Figure. 8에서 도식한 바와 같이 설치용량과 발전량의 비율은 유사한 경향을 보인다. 이는 시뮬레이션에 사용된 기상조건과 건축물 모델, 지리적 위치 등의 환경적 요인에 의해 변화할 수 있을 것이다. 어레이 경사각에 따른 연간 에너지 생산량의 그래프와 경사각과 설치용량에 대한 그래프의 기울기가 다른 것은 앞서 기술한 경사각에 따른 발전성능 차이에 의한 결과이며 경사각에 따른 발전성능 수준의 차가 클수록 그래프 기울기 차가 작을 것으로 판단된다.