1. 서론

최근 국내 다양한 산업 분야에서 에너지 저감에 대한 관심과 필요성이 증가하면서 관련된 국가 정책 시행 및 기술개발이 활발히 이루어지고 있다. “특히 건물 분야 에너지 소비의 경우 전체 에너지 소비 중 20% 이상을 차지하고 있으며 이중 주거용 건물이 큰 비중을 차지하는 것으로 나타났다^[1].” “국내의 경우 주거건물 형태 중 공동주택이 가장 큰 부분을 차지하고 있으며 현재 공정 및 운영 부분에서 에너지 및 자원 절감을 위한 많은 노력이 이루어지고 있다^[2-4].” “공동주택은 다양한 유틸리티를 통해 에너지 소비가 이루어지고 있으며 특히 전기 분야 유틸리티는 단지 내에서 사용되고 있는 조명설비, 각종 기구나 기기, 냉난방설비 등 다양한 분야에서 에너지가 사용되고 있다^[5].” 이러한 전기 유틸리티 설비 사양은 규정․법규, 설비 종류 등에 따라 설비 용량이 산정되고 있으나 이는 세대 인입, 세대별 수직부하, 동별 수평부하, 단지 등 설계 단위별로 해당 설비가 처리하는 실제 최대치 사용량 예측에 관한 통계, 정보 등이 전무하여 설계 적정성 여부를 판단하기 어렵고 일괄적으로 산정되어 과대 설계의 가능성이 높은 것으로 판단된다. 공동주택 전기 설비의 적정 설계 용량을 결정하기 위해서는 실제 전기 유틸리티의 연간 소비 패턴 분석이 필요하다. 본 연구에서는 공동주택의 불필요한 과대 설비 설계를 방지하기 위해 전기 유틸리티 사용량 모니터링 시스템의 세대별 사용량 정보를 활용하여 실제 요소별 유틸리티 사용량 분석을 하였다. 본 연구에서는 국내 주거용 건물 중 에너지 소비량의 큰 비중을 차지하는 아파트 단지의 데이터 확보가 가능한 공동주택 단지의 데이터 수집을 진행하였다. 다음으로 단지별 특성 및 전기 설비 시스템 차이 등을 고려하여 조건 및 주거 면적이 유사한 케이스를 선별하여 비교 분석을 수행하였다.

2. 연구방법

2.3 전기 유틸리티 사용 패턴 분석

조사된 15개 단지의 세대별 수직부하 단위(동일호수)로 전기 유틸리티의 동시 사용률 최대 발생 시점을 분석하였다. 다음 그림. 1은 전기 유틸리티의 최대 수용률이 발생하는 기간을 나타내는 것으로 전기 유틸리티는 주로 7~8월에 사용량이 많은 것을 확인할 수 있었다. 이는 하절기 고온다습한 환경 특성으로 인한 냉방, 제습 장비 사용 증가와 세면, 세탁 횟수 증가로 인한 결과로 판단된다. 다음으로 전기 유틸리티의 수용률 및 사용률을 주거면적에 따라 구분하여 도출하였다. 면적 구분 기준은 분석 대상인 15개 단지의 면적 60~150m² 범위의 주거 세대를 10m² 단위로 구분하여 분석을 실시하였다. 다음 그림. 2~그림. 3은 주거면적에 따른 유틸리티 수용률 및 사용률을 나타낸 것이다.

Fig. 1. Monthly maximum usage factor of electricity utility

Fig. 2. Demand factor results of electricity utility according to area

Fig. 3. Usage factor results of electricity utility according to area

그림. 3에서 보는 것과 같이 주거면적에 따른 유틸리티 소비 패턴 분석 결과 세대 최대부하 수용률은 상대적으로 중소규모 면적(60~120m²)에서 75% 이상으로 상대적으로 높게 나타나는 경향이 있으나 평균 수용률에서는 면적에 따른 경향이 나타나지 않는 것으로 나타났다. 라인별 평균 및 최대부하 사용률의 경우 마찬가지로 면적과의 상관성이 없었으며 평균 사용률은 16~30% 최대 사용률은 25~53%의 범위로 나타났다. 본 결과를 기반으로 동·단지범위로 확대하여 동시 사용률을 분석한 결과 전기 유틸리티의 평균 사용률은 26%, 최대 사용률은 48%로 나타났다. 다음 표 2는 앞서 분석한 주거면적, 동·단지 동시 사용률 결과를 기반으로 분석한 수용률 결과를 나타낸 것이다. 분석 결과 세대수 증가(세대 인입 > 세대별 수직부하 > 동별 수평부하)에 따라 수용률이 현저히 감소한 것을 확인할 수 있었으며 이를 통해 설계 용량 기준 하향 조정이 가능할 것으로 판단된다.

Table 2. Analysis results of electricity utility demand factor

구분	전기
실제 사용량	Peak 부하
설계기준	주택건설기준 & 내선규정"[6][6]"
세대 수용률	99%
세대별 수직부하 수용률	53%
동별 수평부하 수용률	48%

3. 최적 설계 사양 적용 및 효과검증

본 장에서는 현재까지 분석한 아파트 15개단지 5,881세대의 면적, 세대, 세대별 수직부하, 동 단위 동시 사용률 및 수용률 분석 결과를 통해 전기 유틸리티 의 차단기 및 간선의 최적 설계 기준을 산정한다. 기준 대상은 분석세대 중 가장 빈도가 높았던 84m² 면적의 주거 세대를 대상으로 한다. 다음으로 산정된 설계 기준을 실제 서울에 위치한 공동주택 단지에 적용하여 본 방법의 적용 효과를 검증한다.(그림. 4) 본 검증 수행 과정에서는 선정된 단지의 세대평균면적 108m² 의 549세대 대상으로 진행한다.

Fig. 4. The selected apartment complex

다음 그림. 5는 데이터 분석을 통한 전기 설비의 최적용량 산정 결과를 나타낸 것이다. 분석 결과 세대 인입부의 경우 부하 6,500VA, 차단기 50/50AT, 간선 16mm²×2로 기존 설계와 동일하게 적용해야 한다. 세대별 수직부하의 경우 13,000VA→11,000VA로, 차단기 100/75AT→100/60AT, 간선 35mm²×4→25mm²×4로 축소 적용이 가능하여 차단기 및 간선의 용량이 당초 대비 약 32%의 절감이 가능한 것으로 나타났다.

Fig. 5. Reduction rate of electricity facility capacity

다음으로 동별 수평부하의 경우 192kVA→163kVA로, 차단기 400/300AT→400/250AT, 간선 150mm²×4→120mm²×4로 축소 적용이 가능하여 차단기 및 간선의 용량이 당초대비 약 24%의 절감이 가능한 것으로 나타났다.

전기실은 1,445kVA→1,087kVA의 부하감소가 가능하며 전기실 수전용량이 2,000kVA→1,500kVA, 변압기 용량이 1,000kVA×2대→750kVA×2대로 기존대비 약 27%의 설비 절감이 가능한 것으로 나타났다.

전기 부분의 최적설계 적용 결과 세대부하의 경우 최대 부하 축소가 불가능 한 것으로 판단되지만 세대별 수직 및 동별 수평부하의 차단기 및 간선용량 그리고, 전기실 부하용량 산정시 동시 사용률을 고려해 수전용량과 변압기 용량의 축소가 가능한 것으로 판단된다.

다음 설계기준 변경 내용을 기반으로 초기 설계 단계에 적용시 전기설비의 비용 저감 가능성을 예측 하였으며 결과는 표 3과 같다. 선정된 단지를 기준으로 공사비 절감액을 예측한 결과 단지 기준 총 52,000,000원의 원가절감이 가능하며 이는 세대당 절감 비용 94,700원으로 대규모의 단지에 적용될수록 높은 효과가 나타날 것으로 판단된다.

4. 결 론

본 과업에서는 실제로 운영되는 15개 단지의 5,881세대를 대상으로 실제 사용되는 연간 전기 유틸리티 소비 데이터를 확보하여 조사/분석을 통해 공동주거 세대의 최적 설계 사양을 도출하였다. 다음으로 주택 설계시 적용할 수 있는 최적 설계 용량 산정을 하였고 실제 단지에 적용하여 효과를 검증하였다. 그 결론은 다음과 같다.

(1) 단지 단위로 전기 유틸리티의 최적 설계사양 도출 결과 라인 단위 수직부하는 32%, 동별 수평부하는 24%, 전기실 설비는 27% 절감되어 설계 사양 축소가 가능한 것으로 판단되며 (108Type 기준), 충분한 여유율 확보도 가능한 것으로 나타났다.

(2) 본 연구를 통해 도출된 설계 기준을 활용하여 실제 운영 중인 공동주택 단지에 적용한 경우 52,000,000원의 초기 투자비 절감이 가능한 것으로 나타났으며 단지 규모가 커질수록 효과는 높아 질 것으로 판단된다.

(3) 본 논문에서 제시한 전기설비 최적 설계 기준을 실제 프로젝트에 적용했을 때 기존에 사용하고 있던 설계 기준보다 하향 조정된 설계기준이 적용되어 원가절감 실현이 가능할 것으로 판단된다.

본 연구 사례에서는 전기 유틸리티에 초점을 맞춰 분석을 진행 하였으며 전기 사용과 관련된 사용자 소비 패턴, 지역 특성(기후), 운영 방식 등의 영향 요소를 반영 한다면 기존 내용보다 높은 효과가 나타날 것으로 판단된다. 또한 본 연구의 분석 방법을 공동 세대의 다른 유틸리티(수도, 급수, 가스 등) 설계 용량 산정에도 적용 한다면 요소에 따라 적정한 설계 용량 산정이 가능하며 건물 신축시 초기단계 투자비 절감 효과도 나타날 것으로 사료된다.

앞으로는 정부에서 추진하고 있는 신재생에너지와 제로에너지 하우스 정책 그리고 사회적인 트랜드인 4차 산업혁명으로 인한 설비의 효율화 등을 감안 한다면 지금보다 사용되는 기기들은 많아지겠지만 결코 설비용량은 커지지 않을 것으로 예상된다.

하지만, 앞에서 언급한 것과 같이 사용자 소비 패턴, 지역 특성, 운영 방식 및 정부에서 추진하고 있는 신재생에너지 및 제로에너지 정책 등의 요소를 추가 분석하고, 분석한 결과치를 다른 유틸리티(수도, 급수, 가스 등) 설계 용량 산정에도 적용할 수 있도록 추가 연구를 진행할 계획이다.