1.1 연구의 필요성

현대 건축물의 전력 시스템은 점차 복잡해지고 있으며, 에너지 효율, 안정성에 대한 요구가 증가하고 있다. 건축물 내 변압기는 전력 공급체계의 중요한 장비로 적절한 용량을 선정하지 못할 경우 과부하, 에너지 손실 및 시스템 불안정성 등의 문제가 발생할 수 있다. 최근 건설되는 건축물은 초고층화, 대형화와 더불어 제4차 산업혁명 인공지능 및 첨단기술 도입과 함께 다양한 정보통신기기, 전력변환장치 적용으로 전기 소비가 급격히 증가하고 있다. 또한, 전기차 보급의 활성화로 전기차 충전설비 확충 및 데이터 센터 건설에 있어 변압기 용량을 선정하는 데 있어 가장 중요하다.

특히나, 변압기 용량을 산정하는데 있어 가장 크게 비중을 차지하는 중요계수는 부하설비의 추정 데이터, 수용률 (DF: Demand Factor) 및 부등률 (DF: Diversity Factor)이라 할 수 있다^[1].

초기에는 추정 데이터를 기반으로 건축물의 실별 계획, 건축 면적 산정 및 건축주의 의도 등을 적용하여 계획한다. 전기설계에서는 변압기 용량에 따라 수·변전설비의 전력계통 구성, 변압기 장비의 크기, 이격거리 등을 고려하여 변전실 면적을 정할 수 있으므로 부하설비의 추정값은 가장 중요하다. 설계도서 작성 시는 실제 부하를 근거로 용량을 선정하여, 추정용량을 보정한다. 수용률은 건축물의 부하의 종류, 계절(사계절, 여름 및 겨울)부하, 동력설비(냉·난방, 급·배기 FAN, 배수펌프 등)별 운전시간을 고려하여 부하의 특성에 맞게 수용률을 적용하여야 한다^[2].

우리나라의 경우 수용률에 대한 기준은 한국전력공사 전기공급약관 “계약전력환산율”, 한국전기설비규정 (KEC: Korea Electro-technical Code), 현재 국토교통부 법령정보 행정규칙 자료에 등재된 과거 국토해양부에서 발간한 2011년 건축전기설비설계기준, 2024년 한국토지주택공사 설계지침 (LH: Korea Land & Housing Corporation)을 적용하고 있다.

최근 2024년 8월 개정된 “KDS 32 20 10_수변전설비” 4.4 변압기의 구성 및 용량 결정 내용을 살펴보면 부하설비의 용량과 수용률 등을 고려하여 변압기 용량을 결정, 수용률은 부하 용도에 따른 유사건물 데이터를 참조할 수 있다고 제시하고 있다. 다만 공장의 경우 에너지관리기준 별표 6을 참조하고 있다^[3].

보통 대형 건설사, 각 지역의 지방자치단체 공공기관에서는 일반 건축물, 공공시설물 및 공동주택 등 공사 완료 후 월 단위별로 실시간으로 실제 변압기 이용률을 측정하여 자체 통계자료를 설계지침서에 반영하고 있다. 이를 토대로 국내 대부분의 전기설계사무소에서 많이 적용하고 있으나, 건축물 및 부하의 종류가 다양하여 일률적으로 적용하기 어려운 부분이 있다. 특히나, 불명확한 설비에 대해서는 80~90%, 많게는 100%까지 수용률을 적용하고 있다. 이로 인해 변압기 용량의 과다설계 되는 문제점이 발생하고 있어 경제적인 비용 증가를 초래하고 있다. 사실상 수용률을 법적으로 정하거나 기술적으로도 명확하게 기준을 정할 수는 없으므로 변압기 용량 산정은 매우 어려운 영역이라고 볼 수 있다.

1.2 연구의 목적 및 방법

국내 전기설계에 적용되는 기준은 KEC를 적용하고 있으며, 일부 KEC에서도 IEC (International Electro technical Commission), 미국전기규정 (NEC: National Electrical Code) 및 전기·전자공학자협회 IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers) 규정을 인용하여 적용하고 있다. 현재 최근 첨단기술과 산업의 국제화, 4차산업 시대의 흐름에 맞춰 글로벌 Standard를 요구되고 있어 국제기준을 좀 더 구체적으로 살펴볼 필요가 있다. 따라서, 본 논문에서는 NEC와 IEEE에서 변압기 용량 산정에 필요한 부하설비의 용량 추정값 적용 방법과 수용률의 적용에 대해 검토하였으며, 또한 기본설계 단계에서 적용하는 부하설비별 용량 추정방법과 건축물의 종류별, 부하의 특성별, 면적별 등에 대해서 수용률 적용 방법에 대해 고찰하여 향후 국내에서 부하의 추정 데이타, 수용률 관련 기준의 제정 시 기초 데이터로 활용할 부분이 있는지 조사를 통해 확인하고자 한다.

2.1 국내기준 부하설비 추정방법 고찰

변압기 용량 산정은 부하설비 용량의 합산으로 이루어진다. 부하설비 용량의 합산에서는 부하 리스트에 의한 실제 설치된 기계설비 장비, 조명기구, 전열 수구 및 기타 장비의 소비전력을 합산하는 실 부하 계산법으로 선정하고, 부하가 확정되지 않은 경우는 부하설비 추정용량으로 사용되며, 부하의 종류에 따라 단위면적당 표준부하로 계산할 수 있다. 설계 초기 단계에서는 장비의 상세한 부하 리스트를 정확히 알 수 없어 부하설비의 추정용량 자료로 적용하고 있다.

따라서, 국내 KEC의 건축물 부하의 상정 추정방법과 미국 기준 NEC에서 적용되고 있는 건축물 종류별 부하설비의 용량 추정 데이터값, 단위면적 부하 값[VA/㎡]에 대해 함께 검토하였다.

식 (1)은 일반 건축물의 설비부하용량을 산정한다^[4].

여기서, P: Table 1의 건축물 바닥면적 [㎡]

Q: Table 2의 부분적인 바닥면적 [㎡]

A: Table 1의 표준부하 [VA/㎡]

B: Table 2의 표준부하 [VA/㎡]

C: 별도 가산하여야 할 [VA] ^[4].

Table 3은 공동주택 각 세대의 전용면적 기준으로 부하설비용량을 적용되고 있으며, 공용부의 부분적 바닥면적은 제외하고 있다^[4]. 예를 들어 세대 전용면적이 100㎡일 경우 세대 부하설비용량 값은 식 (2)와 같다.

식 (2)의 계산은 전용면적 60㎡ 이상 기본 부하설비용량은 3kW를 적용하고, 10㎡당 0.5 kW의 가산 부하를 적용하게 되면 100㎡의 세대당 총 부하설비용량은 약 5kW로 선정할 수 있다.

Table 4는 전열 콘센트에 연결되는 소형 조명 및 대형 조명부하에 연결하는 콘센트의 수량을 의미하며, 하나의 전열 콘센트의 부하 용량은 150 VA, 300 VA로 나타내고 있다^[4].

Table 5는 2024년 LH 설계지침 부하산정에 적용되는 표준부하설비의 추정값에 대해 검토하였다. 하지만 일부 건축물(근린생활시설)에 한정하고 있으며, 관련 근거의 출처가 불분명할 뿐만 아니라, 최근 기술발전 등을 고려한 구체적인 기초자료가 없는 실정이다. 최근 대도시 중심으로 건설되고 있는 초고층 사무용 건물, 융복합 건축물, 데이터 센터 등 건축물의 종류가 세분되고 있으며, 건축물에는 전력전자 변환 기기의 부하, 동력부하의 단일 대용량 부하 등 단위면적별 에너지밀도가 많은 전력기기 장비 등 증가하는 추세이며, 특히나 공동주택의 경우 최근 주거환경 변화가 있으며, 삶의 질이 높아지면서 인공지능 가전제품, 주방기기(쿡탑, 김치냉장고, 식기세척기, 전자오븐 등)의 대용량화로 전력수요가 과거보다 급격히 증가하는 추세이다. Table 1에서부터 Table 4와 같이 부하설비의 추정값 적용은 현시점에 맞는 표준부하 값으로 적용하면서 한계가 있고, 부하의 다양성에 대해 많이 부족하다고 볼 수 있다.

2.2 미국 기준 부하 용량 추정방법 고찰

미국 기준 NEC와 국내에 주둔하고 있는 주한미군 통합설계기준 (UFC: Unified Facilities Criteria)_UFC 3-501 -01 “Electrical Engineering and Interior Electrical Systems”에서는 변압기 용량을 산정하는데 있어 부하별 설비용량, 부하의 수용률을 적용하고 있다. 초기 설계단계에서는 실부하 데이터를 알 수 없어 건축물의 Electrical Room Space(변전실 및 층별 EPS 면적)를 계획 시 건축물 종류에 따른 표준부하로 적용하고 있다. 미국 기준은 국내와 다르게 부하의 용도별 표준부하를 구분하지 않으며, 단순히 건축물의 종류로 구분하고 있다. Table 6은 건축물 종류별 표준부하 값을 나타내고 있다^[6].

Table 7은 전열 수구 2구와 3구일 경우 하나의 단위 예상 부하는 180 VA로 같이 적용되며, 전열 수구 1구로 단독일 경우 90 VA로 계산하고 있다. 또한, 4구용 전열 콘센트는 1구당 90 VA로 계산된다. 즉, 1구당 90 VA로 볼 수 있다^[5].

3.1 수용률의 개념

수용률 (DF: Demand Factor)은 최대수요전력을 구하기 위한 것으로 최대수요전력의 총부하설비용량에 대한 비율을 의미한다^[3]. 이를 토대로 변압기 용량을 선정하는 기준이 된다. 수용률에 대한 식은 (3)과 같이 계산할 수 있다.

3.2 수용률 적용 기준

수용률은 전력계통 설계와 운용에 있어 중요한 개념으로, 전력 소비 패턴을 예측하고 설비 용량을 효율적으로 결정하는데 활용된다. 국내에서 적용하고 있는 수용률 기준은 대표적으로 한국전력공사 기본공급약관 20조에 근거로 한 계약전력환산율, 2024년 LH 설계지침 및 각 공공기관의 계절별, 시간대별 등 부하예측을 통한 수용률 데이터를 활용하고 있다.

교통교통붕 행정규칙의 2011년 건축전기설비설계기준 계약전력 환산율을 적용하고 있다^[7]. 한국전력공사 기본공급약관 20조의 계약전력환산율은 계약상 사용할 수 있는 최대 전력을 말하며, 수용가와 공급계약을 위한 기초자료로 사용되고 있다. 계약전력환산율에 관한 내용은 Table 8을 참조한다^[8].

LH 설계지침에서 수용률은 크게 단위세대, 공용 부분(승강기 및 동력 변압기 등) 및 근린생활 시설로 구분하여 적용되고 있다. 하고 있다. 공용부 동력 변압기의 수용률은 지역난방지역 및 고층 개별난방지역을 구분하고 있으며, 각각의 비상상동력 및 일반동력 부하에 50%를 적용하고 있다. 또한, 승강기의 수용률에 대해서는 승강기 댓수별로 적용하고 있으며, 근린생활 시설의 점포 건축연면적에 따른 부하종류별로 수용률을 적용하고 있다. 승강기 및 근린생활 시설 수용률은 Table 9를 참조한다^[5].

2024년 LH 설계지침에서는 공동주택에 대한 간선의 수용률을 적용하고 있다. 일반전력용 간선의 수용률은 저층 주택(승강기가 없는 경우)과 분양 주택 및 고층 주택(전기 이용도가 높은 경우)으로 구분하고 있다. 저층 주택의 경우는 다가구주택, 소형 빌라와 단독주택으로 저압 수전으로 전력공급을 받는 경우가 많고 대부분 50세대 미만으로 구성되는 경우가 많다. 한국전력 전기공급규정에서는 다가구의 주택 등에 전력 인입에 대한 수용률은 50세대 미만은 수용률을 고려하지 않은 100%를 기준으로 한다.

분양 주택 및 고층 주택은 대단지로 조성된 공동주택이라 할 수 있다. 분양 주택의 경우 주방기기(쿡탑, 전기오븐, 김치냉장고 등), 고효율 가전기기, 냉, 난방 시스템 에어컨 등 높은 전기소비전력이 요구되고 있으며, 공동주택 세대수 별 간선의 수용률은 Table 10을 참조한다^[5].

4.1 수용률 적용 기준

미국 기준 NEC에서 수용률을 적용하는 데 있어 크게 3가지를 고려하여 적용하고 있다. 첫째, 모든 전기기기가 동시에 최대 부하로 작동하지 않음을 고려하여 설치된 전기설비의 용량을 줄이고, 효율적으로 설비용량을 산정하는 설비의 용량 최적화, 둘째, 과도한 설비용량을 줄이기 위한 경제적 효율성, 셋째, 수용률을 고려하여 설계된 전력 시스템의 과부하 발생 가능성을 줄이고 전기공급의 안정성을 높일 수 있는 안정적 전기공급으로 구분하고 있다^[6].

부하의 용도별, 건축물별에 대한 수용률의 적용은 NEC Article 220_Branch-Circuit, Feeder and Service Load Calculations 기준을 적용하고 있다. 수용률은 변압기 용량 산정 이외에도 분전반, 케이블 굵기 선정 등에도 적용하고 있으며, 부하 용도에 따라 구분하여 적용된다. Article 220에서는 큰 범주 내에서는 건축물 용도와 부하의 종류로 구분하고 있다. 건축물의 용도에는 크게 2가지로 주거용(Dwelling Unit)과 비주거용(Non-Dwelling Unit)으로 구분된다. 주거용 이란 하나의 독립된 공간에 침실, 거실 및 주방이 포함된 공간을 의미하는데 쉽게 일반 가정집(공동주택, 다가구주택 및 원룸 등)으로 볼 수 있다. 비주거용은 주거용 이외의 모든 건축물에 적용한다^[6].

건축물 용도 조명부 하에 대한 수용률 적용 방법으로는 주거용, 호텔, 모텔, 공동주택, 저장공간(창고) 및 기타 건축물로 나타내며, Table 11을 참조한다^[6].

주거용이 아닌 비주거용의 일반 건축물에 대한 전열 부하에 대한 수용률을 적용하고 있다. 대용량 부하(전동기를 사용하는 기기, 기계동력부 하를 사용하는 기기)에는 적용하지 않는다. 건축물 면적과 관계없이 시설부하의 처음 10,000VA 이하는 수용률 100%를 적용하고, 10,000VA 이상의 부하는 수용률 50%를 나타내며, Table 12를 참조한다^[6].

NEC Article 220.84에서 공동주택(주거용)에 대한 종합 수용률을 적용하고 있다. 세대수는 최초 3세대부터 적용되며, 62세대 초과로 적용하고 있다. 즉, 3세대 이하 세대수에 대해서는 수용률 45%까지만 허용된다는 의미로 각각의 세대수의 수용률은 Table 13을 참조한다^[6].

주거용 건축물에 사용되는 소용량 부하의 종류는 조명과 전열설비이다. 이러한 부하에 대한 수용률은 어느 정도 적용 범위를 가지고 적용하고 있으나, 대용량 부하설비에 대해서는 별도로 수용률을 구분하여 적용된다. 주거용 건축물의 대용량 부하는 크게 주방 부하와 실내 시스템 에어컨 부하로 구분하여 각각의 수용률을 적용되고 있다. 주방 장비에 대한 수용률은 Table 14에 표기 하였으며, 실내 에어컨 부하에 대한 수용률은 Table 15를 참조한다^[6].

Table 16은 국내에 주둔하고 있는 주한미군 통합설계기준 (UFC: Unified Facilities Criteria)의 수용률 관련 규정에서는 초기 설계단계에서 적용되는 수용률은 부하의 종류별로 적용하며, 수용률의 설정 범위가 넓다. 또한, 부하의 종류별 불분명할 경우 사계절 부하 65%, 여름철 부하 80%, 겨울철 부하 85%까지 적용하고, 부하와 관계없이 종합 수용률은 약 65%까지 적용할 수 있다. 또한 연속부하(4시간 이상)의 경우 과부하율 125%를 추가 적용하고 있다^{[9, 10]}.

5.1 설계자료 및 동일한 부하조건

국내에서 변압기 용량계산 방법은 통상적으로 사용되는 LH 설계지침을 적용하였다. 물론 다양한 설계 기준이 있으나, 국내 대형 건설사 및 각 공공기관 건설공사 발주되는 공동주택 및 일반 건축물의 설계지침은 70~90% 이상 LH 설계지침을 적용하고 있어 단순 비교검토를 위해 적용하였다.

Table 17에서는 국내 및 미국 기준 적용한 변압기 용량계산을 위한 설계조건(건축물 종류 및 부하의 종류)을 공통으로 제시하고 있다.

5.2 국내 및 미국기준 변압기 용량 계산

Table 18에서는 국내 및 미국 기준 변압기 용량계산 방법을 나타내고 있다. 단순한 용량 비교검토이므로 부하의 역률, 효율, 부등률 및 수용률은 1.0 기준이며, 상기에서 제시한 각종 자료만 참조하여 동일한 조건으로 계산하였다.

첫 번째는 국내기준 적용한 $TR_{KS}$ 변압기 용량계산으로 식(4)와 같이 계산할 수 있다.

두 번째는 미국 NEC 기준을 적용한 $TR_{US}$ 변압기 용량계산으로, 식(5)와 같이 계산할 수 있다.

5.3 계산 결과

국내 및 미국 방식 변압기 용량계산에 대해 비교검토 하였다. 설계조건, 부하의 용량 등 동일한 조건, 객관적 비교 데이터를 적용한 결과 국내보다는 미국 기준으로 계산 값이 약 13%(+119 kVA)가 높게 계산되었다. 가장 큰 차이점은 미국 기준의 경우 단위세대 표준부하 적용은 건축바닥 전용면적 [㎡] 이 제한이 없이 표준부하 값을 적용하고, 전열, 조명 및 냉난방 부하에서 4시간 연속부하일 경우 과부하율 125%를 가산하기 때문에 미국 기준 용량 값이 크게 나온 이유라 볼 수 있다. 변압기 용량 비교는 Table 19를 참조한다.