1.1. 연구배경 및 목적

최근 기후변화 대응을 위한 국제적 규제가 강화되면서 2050년 탄소중립 달성을 목표로 건물 부문의 에너지 절감 및 온실가스 저감의 중요성이 크게 부각되고 있다. 건물 부문은 국가 전체 에너지 소비의 약 25~30%를 차지하는 주요 에너지 소비원으로, 에너지 효율 향상과 재생에너지 적용을 통한 에너지 자립형 건축물 구현이 핵심 과제로 인식되고 있다. 국내에서도 제로에너지빌딩(Zero Energy Building, ZEB) 의무화 정책이 단계적으로 확대됨에 따라 건물 에너지 성능 향상과 신재생에너지 활용에 대한 요구가 지속적으로 증가하고 있다.

국외에서는 유럽연합(EU)의 Energy Performance of Buildings Directive(EPBD)를 중심으로 Nearly Zero Energy Building 개념이 도입되었으며, 최근에는 Zero Emission Building 개념으로 확장되어 건물 운영 단계에서의 탄소 배출 저감을 강조하고 있다. 미국 또한 Department of Energy(DOE)를 중심으로 다양한 ZEB 정의 및 달성 전략을 제시하고 있다^{[1, 2]}. 그러나 이러한 국제적 흐름에도 불구하고 ZEB의 정의는 표준화되어 있지 않으며, 에너지 수지 산정 기준, 신재생에너지 적용 범위 및 전력 계통과의 연계 방식에 있어 국가별로 상이한 기준이 적용되고 있다.

특히 기존의 ZEB 관련 연구는 주로 연간 에너지 자립률 또는 설비 용량 산정에 초점을 두고 있으며, 시간별 에너지 생산과 소비 간의 불일치에 따른 전력 수지 특성 및 부하 매칭 문제를 충분히 고려하지 못하고 있다^{[2, 3, 10]}. 실제로 태양광 기반 신재생에너지 시스템은 시간 변동성이 크기 때문에 잉여전력 및 전력 부족이 동시에 발생할 수 있으며, 이는 전력 계통 의존도 증가 및 시스템 운영 효율 저하로 이어질 수 있다.

또한 국내 제로에너지빌딩 인증제도는 난방, 냉방, 급탕, 환기 및 조명 등 일부 항목 중심으로 평가가 이루어지고 있어 실제 건물에서 큰 비중을 차지하는 플러그 부하(전열부하) 및 시간별 전력 소비 특성이 충분히 반영되지 못하는 한계가 존재한다. 이러한 한계는 연간 기준 에너지 자립과 실제 운영 단계에서의 시간별 전력 수지 간 괴리를 발생시키는 요인으로 작용한다.

한편, 에너지저장시스템(Energy Storage System, ESS)은 시간별 전력 수지 불균형을 완화하고 부하 매칭 성능을 향상시키는 핵심 기술로 주목받고 있다^{[4, 11, 12]}. ESS의 적용은 신재생에너지의 간헐성을 보완하고, 자가소비율 향상 및 계통 의존도 감소 측면에서 중요한 역할을 수행할 수 있다. 특히 냉장·냉동 설비 중심의 기저부하가 지속적으로 발생하는 상업시설에서는 시간별 전력 수지 안정화 측면에서 ESS의 중요성이 더욱 증가할 것으로 판단된다.

기존 ZEB 관련 연구들은 주로 주거용 건물 중심의 연간 에너지 자립률 분석에 초점을 두고 있으며, 상업시설과 같이 기저부하가 지속적으로 발생하는 건물의 시간별 전력 수지 특성을 충분히 반영하지 못하고 있다^[5]. 또한 PV 발전의 간헐성과 시간별 부하 불일치 문제에 대한 ESS 기반 Load Match 성능 분석 역시 제한적으로 수행되고 있다^{[3, 4, 11, 12]}. 따라서 상업시설 기반 ZEB에서는 연간 에너지 자립률뿐 아니라 시간별 전력 수지 및 부하 매칭 특성을 함께 고려할 필요가 있다. 이에 본 연구에서는 대표적인 ZEB 정의(Source ZEB, Emission ZEB, Cost ZEB, Load Match ZEB)를 검토하였으며, 이 중 전력 수지와 직접적으로 관련되는 Source ZEB 및 Load Match ZEB를 중심으로 시간별 전력 수지 및 부하 매칭 특성을 분석하고자 하였다. 이를 위해 24시간 운영되는 소형 리테일 상업시설(편의점형 건물)을 대상으로 EnergyPlus 기반 건물 에너지 시뮬레이션을 수행하였으며, 태양광 발전 시스템(PV) 및 에너지저장시스템(ESS)을 포함한 전력 공급 구조를 구성하여 시간별 에너지 생산 및 소비 특성을 분석하였다.

본 연구는 ZEB 정의에 따른 전력 시스템의 운영 특성을 정량적으로 비교·분석하고, 부하 매칭 성능 향상을 위한 시스템 구성 방안을 제시하는 데 목적이 있다. 특히 기존 연구와 달리 연간 에너지 자립률 중심의 평가에서 벗어나 시간별 전력 수지 및 부하 매칭 관점에서 ZEB 성능을 분석함으로써 기존 평가 방식의 한계를 보완하고자 한다. 또한 제한된 설치 면적을 가지는 소형 상업시설의 특성을 고려할 때, On-site 재생에너지만으로는 높은 수준의 시간별 에너지 자립 달성에 한계가 있을 수 있으며, 본 연구에서는 이를 시간별 전력 수지 및 부하 매칭 분석 결과를 바탕으로 논의하고자 하였다.

1.2. 연구 절차

본 연구는 제로에너지빌딩 정의에 따른 전력 수지 및 부하 매칭 특성을 분석하기 위하여 다음과 같은 절차로 수행하였다.

먼저, 에너지 수지 산정 방식에 따라 구분되는 ZEB 정의(Source ZEB, Emission ZEB, Cost ZEB, Load Match ZEB)를 고찰하고, 각 정의의 특성과 적용 기준을 비교·분석하였다. 이를 통해 기존 연간 기준 에너지 평가 방식과 시간별 부하 매칭 개념 간의 차이를 정리하였다.

다음으로, 24시간 운영되는 소형 리테일 상업시설을 대상으로 EnergyPlus 기반의 건물 에너지 시뮬레이션 모델을 구축하였다^[6]. 대상 건물은 냉장·냉동 설비, 조명, 플러그 부하 및 히트펌프 기반 냉난방 시스템을 포함하는 편의점형 상업시설로 설정하였으며^[7], 서울 지역 EPW(EnergyPlus Weather) 기상데이터를 적용하여 시간별 전력 소비 패턴을 도출하였다.

이후 PV 및 에너지저장시스템(ESS)을 적용하여 시간별 전력 수지 분석이 가능한 통합 모델을 구성하였다. PV 시스템은 계통연계형(Grid-connected) 시스템으로 구성하였으며, ESS는 자가소비 우선(Self-consumption priority) 제어 전략을 기반으로 충·방전이 이루어지도록 설정하였다.

구축된 모델을 기반으로 시간별 에너지 생산 및 소비 데이터를 분석하여 전력 수지, 에너지 자립률, 자가소비율, 계통 의존도 및 부하 매칭율(Load Match Index, LMI)을 산출하였다. 또한 PV 및 ESS 적용 수준에 따른 CASE별 시나리오 분석을 수행하여 시간별 전력 자립 특성과 계통 의존도 변화를 비교·분석하였다.

마지막으로 ZEB 정의별 시스템 구성에 따른 전력 특성 차이를 비교하고, 상업시설 기반 ZEB에서의 Load Match 향상 가능성과 ESS 적용 효과를 분석하였다. 또한 제한된 설치 면적 조건에서 On-site 재생에너지의 적용 한계와 향후 Off-site 재생에너지 연계 가능성에 대하여 논의하였다.

2.1. ZEB 정의 및 전력 수지 산정 방법

본 연구에서는 제로에너지빌딩(Zero Energy Building, ZEB) 정의에 따른 전력 수지 및 부하 매칭 특성을 분석하기 위하여 에너지 소비와 생산의 균형을 평가하는 대표적인 4가지 ZEB 정의를 적용하였다. 적용된 정의는 Source ZEB, Emission ZEB, Cost ZEB 및 Load Match ZEB로 구분되며, 각 정의는 에너지 수지 산정 기준과 전력 시스템 요구 조건 측면에서 서로 다른 특성을 가진다.

특히 기존의 ZEB 관련 연구는 주로 연간 에너지 자립률 또는 설비 용량 중심의 평가가 수행되어 왔으며, 시간별 에너지 생산과 소비 간의 불일치(Time mismatch)에 따른 실제 전력 수지 특성은 충분히 고려되지 못하였다. 이에 본 연구에서는 연간 기준 에너지 자립 개념에서 확장하여 시간별 전력 수지 및 부하 매칭 특성을 함께 분석하고자 하였다.

Table 1은 본 연구에서 적용한 ZEB 정의별 평가 기준 및 전력 수지 특성을 비교한 것이다. Source ZEB, Emission ZEB 및 Cost ZEB는 주로 연간 기준의 에너지 균형을 기반으로 평가되는 반면, Load Match ZEB는 시간별 에너지 생산과 소비의 일치 정도를 평가하는 특징을 가진다. 따라서 Load Match ZEB는 실제 전력 계통 관점에서 가장 엄격한 ZEB 개념으로 볼 수 있으며, 신재생에너지의 간헐성으로 인해 시간별 전력 수지 불균형이 발생할 수 있다^[8]. 본 연구에서는 다양한 ZEB 정의를 비교·검토하였으나, 실제 시나리오 분석은 시간별 전력 수지와 직접적으로 관련되는 Source ZEB 및 Load Match ZEB를 중심으로 수행하였다.

(1) Source ZEB (1차 에너지 소요량 제로)

Source ZEB는 건물에서 소비되는 연간 1차 에너지 소요량과 동일한 양의 에너지를 신재생에너지로 생산하는 개념으로, 에너지 생산 및 수송 과정에서 발생하는 에너지를 포함한 총 에너지 관점에서 평가된다. Table 1은 본 연구에서 적용한 주요 ZEB 정의의 평가 기준과 전력 수지 특성을 비교한 것이다.

본 연구에서는 국내 건축물에너지효율등급 제도에서 적용하는 1차 에너지 환산계수(전기 2.75, 가스 1.10, 지역난방 0.728)를 적용하여 건물 에너지 소비량을 1차 에너지로 환산하였으며, 신재생에너지 생산량 또한 동일한 환산계수를 적용하여 에너지 자립률을 산정하였다. Source ZEB는 연간 총량 기준에서 에너지 균형을 평가하기 때문에 시간별 전력 수지 불균형이 발생할 수 있으며, 이에 따라 잉여전력 및 계통 의존이 동시에 발생할 가능성이 존재한다. 따라서 연간 기준 에너지 자립률이 높더라도 실제 시간별 전력 자립 특성과는 차이가 발생할 수 있다.

(2) Cost ZEB (에너지 비용 제로)

Cost ZEB는 건물 사용자가 연간 지불하는 에너지 비용이 ‘0’이 되는 상태를 의미하며, 에너지 소비량뿐 아니라 에너지 단가 및 전력 거래 조건이 중요한 요소로 작용한다. 일반적으로 Cost ZEB는 건물의 에너지 소비량, 에너지 단가 및 전력 거래 조건을 기반으로 연간 비용 균형을 평가한다.

Cost ZEB는 시간별 전력 생산 및 소비 패턴에 따른 경제적 효과에 크게 영향을 받으며, 전력 거래 조건 및 자가소비율 변화에 따라 달성 가능성이 달라지는 특징을 가진다. 그러나 실제 전력 자립성과는 차이가 발생할 수 있으며, 요금 정책 변화에 따라 평가 결과가 크게 달라질 수 있다는 한계를 가진다.

(3) Emission ZEB (온실가스 배출 제로)

Emission ZEB는 건물 운영 과정에서 발생하는 온실가스 배출량을 신재생에너지 생산을 통해 상쇄하는 개념으로, 탄소 배출 관점에서 건물 에너지 성능을 평가한다. 일반적으로 Emission ZEB는 에너지원별 온실가스 배출계수를 적용하여 CO₂ 배출량을 산정하고, 신재생에너지 생산에 따른 배출 저감 효과를 반영하여 평가한다. Emission ZEB는 에너지 사용량뿐 아니라 에너지원의 탄소 배출 특성에 영향을 받으며, 특히 전력 사용 비중이 높은 건물에서는 전력 배출계수 변화에 따라 결과가 크게 달라질 수 있다. 또한 연간 기준 배출량 중심의 평가가 이루어지기 때문에 시간별 전력 수지 특성을 직접적으로 반영하기 어렵다.

(4) Load Match ZEB (부하 매칭 제로)

Load Match ZEB는 시간별 에너지 생산과 소비 간의 일치 정도를 평가하는 개념으로, 실제 전력 시스템 운영 관점에서 가장 엄격한 ZEB 정의에 해당한다. 최근에는 PV, ESS 및 수요 유연성을 통합한 부하 매칭 기반 ZEB 평가 방법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다^[13].

본 연구에서는 시간별 건물 부하와 PV 발전량 및 ESS 충·방전량을 비교하여 전력 수지를 분석하였으며, 부하 매칭 성능 평가를 위하여 LMI를 적용하였다^[9].

LMI는 시간 단위별 건물 부하와 신재생에너지 공급량 간의 일치 정도를 정량적으로 평가하는 지표로, 다음과 같이 정의된다.

여기서 Pload(t)는 시간 t에서의 건물 전력 부하를 의미하며, Psupply(t)는 동일 시간대에서의 신재생에너지 공급량을 의미한다. 또한 min(Pload(t), Psupply(t))는 해당 시간대에서 실제 부하에 활용된 신재생에너지 전력을 의미한다.

LMI는 0~1 사이의 값을 가지며, 1에 가까울수록 시간별 에너지 생산과 소비의 일치 정도가 높음을 의미한다. 반대로 값이 낮을수록 시간별 에너지 불일치가 크며, 이는 계통 의존도 증가 또는 잉여전력 발생으로 이어질 수 있다.

Cost ZEB와 Emission ZEB는 ZEB 평가 개념의 특성을 비교하기 위한 이론적 배경으로 활용하였으며, 정량적 시나리오 분석과 결과 해석은 시간별 전력 수지 및 부하 매칭 특성과 직접적으로 관련되는 Source ZEB와 Load Match ZEB를 중심으로 수행하였다. 이는 연간 기준 에너지 자립률만으로는 실제 건물의 시간별 전력 자립 특성을 충분히 설명하기 어렵다는 점을 반영한 것이다. 본 연구에서는 시간 단위 에너지 자급 특성을 직관적으로 평가할 수 있는 지표로서 LMI를 적용하였다.

2.2. ZEB 신재생에너지 공급 옵션 단계

제로에너지빌딩에서 신재생에너지 공급 방식은 에너지 공급 위치 및 범위에 따라 단계적으로 구분될 수 있으며, 일반적으로 에너지 수요 저감부터 외부 재생에너지 구매까지 총 5단계로 구성된다. 본 연구에서는 이러한 공급 옵션 체계를 기반으로 상업시설의 전력 수지 및 에너지 자립 특성을 분석하였다. Table 2는 ZEB 구현을 위한 신재생에너지 공급 옵션의 단계별 분류와 적용 기술을 나타낸 것이다. 공급 단계가 증가할수록 On-site 중심 구조에서 Off-site 재생에너지 활용 구조로 확장되는 특징을 가진다. 0단계는 고효율 설비, 패시브 설계 및 자연환기 등을 활용하여 건물 에너지 수요 자체를 최소화하는 단계로, 이후 신재생에너지 공급량 결정에 영향을 미치는 기본 조건에 해당한다.

1단계와 2단계는 건물 또는 부지 내에서 신재생에너지를 직접 생산하는 On-site 방식으로, 태양광(PV), 태양열 및 소형 풍력 등이 적용된다. 특히 On-site 기반 PV 시스템은 자가소비 기반 전력 공급이 가능하다는 장점이 있으나, 신재생에너지의 간헐성으로 인해 시간별 전력 수지 불균형이 발생할 수 있다. 반면 3단계와 4단계는 외부 재생연료 또는 재생에너지 전력을 활용하는 Off-site 방식으로, 특히 설치 가능 면적이 제한적인 소형 상업시설의 경우 On-site 재생에너지만으로 높은 수준의 에너지 자립 및 부하 매칭을 달성하는 데 한계가 존재할 수 있으며, Off-site 재생에너지 연계는 이를 보완할 수 있는 대안으로 고려될 수 있다. 따라서 본 연구에서는 On-site 기반 PV 및 ESS 시스템의 적용 효과를 분석하고, 분석 결과를 바탕으로 소형 상업시설에서의 On-site 재생에너지 적용 한계와 Off-site 재생에너지 연계 필요성을 검토하고자 하였다.

본 연구에서는 24시간 운영되는 소형 리테일 상업시설을 대상으로 On-site 기반 PV 시스템 및 ESS 중심의 전력 공급 구조를 구성하였다. 특히 냉장·냉동 설비 중심의 기저부하 특성과 태양광 발전의 시간 변동성을 함께 고려하여 시간별 전력 수지 및 부하 매칭 특성을 분석하였다. 또한 ESS를 적용하여 PV 발전량이 건물 부하를 초과하는 시간대에는 저장을 수행하고, 야간 및 저일사 시간대에는 저장된 전력을 활용함으로써 계통 의존도를 감소시키는 방식으로 모델링하였다. 이를 통해 단순 연간 에너지 균형뿐 아니라 시간별 자가소비율, 계통 의존도 및 부하 매칭 성능을 종합적으로 분석하였다. 따라서 본 연구에서는 기존 연간 기준 ZEB 평가 방식에서 확장하여, 상업시설 기반 ZEB에서의 시간별 전력 자립 특성과 ESS 적용 효과를 중심으로 분석을 수행하였다. 또한 분석 결과를 바탕으로 On-site 재생에너지 중심 ZEB 구현의 한계와 Off-site 재생에너지 연계 가능성에 대한 시사점을 도출하고자 하였다.

3.1. 건물 개요 및 시뮬레이션 입력조건

본 연구의 대상 건물은 서울 지역에 위치한 소형 리테일 매장으로 설정하였으며, 연면적 약 78.51㎡ 규모의 단일층 건물로 모델링하였다. 기상데이터는 EnergyPlus에서 제공하는 서울 지역 EPW(EnergyPlus Weather) 데이터를 적용하였다.

Table 3은 대상 소형 리테일 건물의 시뮬레이션 입력조건을 정리한 것이며, Table 4는 EnergyPlus 모델에 적용된 주요 입력변수를 나타낸다.

상업시설은 주거용 건물과 달리 조명, 플러그 부하 및 냉장·냉동 설비가 상시 운전되는 특성을 가지며, 이에 따라 전력 소비의 기저부하가 크게 나타난다. 이러한 특성을 반영하여 내부 부하는 조명, 플러그 부하 및 냉장·냉동 설비 부하로 구분하여 설정하였다. 특히 냉장 쇼케이스 및 냉동 설비는 24시간 지속 운전되는 부하로 가정하여 시간별 전력 수지 분석에 반영하였다.

건물 외피 및 열적 성능은 ASHRAE Handbook 및 국내 상업용 건물 설계 기준을 참고하여 설정하였으며, 창호는 Low-e 복층유리를 적용하고 일사취득계수(SHGC)는 ASHRAE 90.1 기준을 반영하였다.

또한 침기량 및 환기 조건 역시 상업시설 기준을 적용하여 모델링하였다. 운영 스케줄은 편의점과 같은 상업시설의 특성을 반영하여 24시간 연속 운전 조건으로 설정하였으며, 고객 이용 패턴을 고려하여 시간별 내부 부하 변동이 가능하도록 구성하였다. 특히 주간 시간대에는 조명 및 냉방 부하 증가에 따른 피크 부하가 발생하도록 설정하였으며, 야간 시간대에도 냉장·냉동 설비 중심의 기저부하가 유지되도록 모델링하였다.

이와 같이 구성된 시뮬레이션 모델은 시간별 전력 부하 프로파일 도출을 목적으로 하며, 이후 ZEB 정의에 따른 에너지 자립률, 전력 수지 및 부하 매칭 특성 분석을 위한 기초 데이터로 활용된다. 특히 냉장·냉동 설비 중심의 상시 기저부하는 태양광 발전의 시간적 변동성과 결합될 경우 시간별 전력 불일치를 증가시키는 주요 요인으로 작용한다.

3.2. HVAC 시스템 및 CASE 구성

본 연구의 대상 상업시설에는 실제로 전기식 공기열원 히트펌프(Air Source Heat Pump, ASHP) 시스템이 적용되어 있으며, 이를 기반으로 시뮬레이션 모델을 구축하였다. 해당 시스템은 냉방 및 난방을 통합적으로 수행하는 방식으로 운영되며, 상업시설의 장시간 운영 특성과 내부 발열 조건에 대응하기 위해 사용되고 있다.

상업시설은 조명, 냉장·냉동 설비 및 플러그 부하로 인한 내부 발열이 지속적으로 발생하기 때문에 냉방 부하의 비중이 상대적으로 크게 나타난다. 이에 따라 본 연구에서는 실제 적용된 히트펌프 시스템의 운전 특성을 반영하여 시간별 전력 소비 패턴을 모델링하였다.

Table 5에 제시된 바와 같이 냉방 및 난방에는 공기열원 히트펌프를 적용하였으며, 환기는 기계환기 방식으로 구성하였다. 또한 조명은 LED를 적용하고 냉장·냉동 설비를 기저부하로 반영하였다. 공기열원 히트펌프 시스템은 냉난방 통합형 전기식 시스템으로 설정하였으며. 냉방 COP는 3.4, 난방 COP는 3.2 조건을 적용하였다. 또한 냉장·냉동 쇼케이스 및 기타 전기기기는 상시 운전되는 기저부하(Base load)로 설정하여 전력 수지 분석에 반영하였다. 이를 통해 건물 전체의 전력 소비를 통합적으로 고려한 ZEB 분석이 가능하도록 하였다.

3.3. 시뮬레이션 시나리오 구성

본 연구에서는 제로에너지빌딩(ZEB) 정의에 따른 전력 수지 및 부하 매칭 특성을 분석하기 위하여 신재생에너지 및 에너지저장시스템 적용 수준에 따라 단계적으로 시뮬레이션 시나리오를 구성하였다.

CASE 1은 신재생에너지 시스템을 적용하지 않은 기준 건물로서 상업시설의 기본 전력 소비 및 시간별 부하 특성을 분석하기 위한 조건이다. 이를 통해 대상 건물의 에너지 소비 구조와 기저부하 수준을 파악하였다.

CASE 2는 태양광(PV) 시스템을 적용한 조건으로, 연간 에너지 수지 기준에서의 자립률을 평가하고 Source ZEB 달성 가능성을 분석하기 위한 시나리오이다. 이 경우 PV 발전량과 건물 부하 간의 연간 균형을 중심으로 분석을 수행하였다.

CASE 3은 PV 시스템과 함께 ESS를 적용한 조건으로, 시간별 전력 생산과 소비 간의 불일치를 완화하고 Load Match ZEB 관점에서의 부하 매칭 특성을 분석하기 위한 시나리오이다. 이를 통해 ESS 적용에 따른 자가소비율 및 계통 의존도 변화를 평가하였다.

Table 6에서와 같이 CASE 1은 기준 건물, CASE 2는 PV 적용, CASE 3은 PV-ESS 적용, CASE 4는 용량 확장 조건으로 구성하여 단계별 성능 변화를 비교하였다. CASE 4는 PV 및 ESS 용량을 단계적으로 증가시켜 Source ZEB 및 Load Match ZEB 달성 가능성을 분석하기 위한 이론적 시나리오이다. 본 시나리오는 실제 설치 가능 용량을 의미하기보다는 소형 상업시설에서 On-site 재생에너지 적용만으로 달성 가능한 수준과 한계를 평가하기 위한 목적으로 구성하였다. 이를 통해 ZEB 정의에 따른 요구 시스템 용량 및 시간별 전력 특성의 차이를 비교·분석하였다. 나아가 단순한 연간 에너지 균형 평가를 넘어, ZEB 정의에 따른 전력 수지 특성과 시간적 에너지 불일치 문제를 정량적으로 분석하고자 하였다.

3.4. 태양광(PV) 시스템 구성

본 연구에서는 ZEB 구현을 위한 신재생에너지 공급 시스템으로 PV 시스템을 적용하였다. PV 시스템은 계통 연계형(Grid-connected) 방식으로 구성하였으며, 발전된 전력은 우선적으로 건물 부하에 공급되고, 잉여전력이 발생할 경우 ESS 충전 또는 계통으로 송전되는 방식으로 설정하였다. 이러한 구성은 실제 국내 소형 상업시설에서 적용 가능한 자가소비 기반 운영 특성을 반영하기 위한 것이다. 다음 Table 7은 본 연구에서 적용한 PV 시스템의 주요 사양 및 설치 조건을 나타낸다.

태양광 시스템은 서울 지역의 기후 조건을 반영하여 남향 30°의 고정식 설치 조건으로 모델링하였다. PV 시스템 용량은 CASE별 분석 목적에 따라 단계적으로 설정하였으며, CASE 2와 CASE 3은 PV 단독 및 PV-ESS 적용 효과를 비교하기 위한 조건으로 구성하였다. 특히 대용량 PV 적용 시나리오는 실제 설치 가능 면적을 전제로 한 설계안이 아니라, 소형 상업시설에서 On-site 재생에너지 기반 ZEB 구현의 한계를 분석하기 위한 비교 시나리오로 활용하였다.

PV 발전량은 시간별 POA(Plane of Array) 일사량 데이터를 기반으로 산정하였으며, 서울 지역 EPW(EnergyPlus Weather) 기상데이터를 활용하여 실제 기상 조건에 따른 발전 변동 특성을 반영하였다. 이는 실제 서울 지역 EPW 데이터에 포함된 시간별 DNI 및 GHI 변동 특성을 반영한 결과이며, 실제 기상 조건 기반의 시간별 출력 변동 특성을 반영하기 위함이다. 또한 건물 부하와의 시간별 비교를 통해 전력 수지 및 자가소비 특성을 분석하였다. 상업시설의 경우 냉장·냉동 설비 중심의 기저부하가 지속적으로 발생하기 때문에, PV 발전이 집중되는 주간 시간대와 야간 기저부하 간 시간적 불일치(Time mismatch)가 발생하는 특징을 가진다. 특히 주간 시간대에는 잉여전력이 발생할 수 있는 반면, 야간 시간대에는 계통 의존도가 증가하는 경향을 나타낸다. 따라서 본 연구에서는 PV 발전 특성이 전력 수지 및 부하 매칭 성능에 미치는 영향을 주요 분석 변수로 설정하였으며, 이후 ESS 적용에 따른 시간별 전력 수지 개선 효과를 함께 평가하였다.

3.5. 에너지저장시스템(ESS) 구성

본 연구에서는 태양광 발전의 간헐성과 건물 부하 간의 시간 불일치를 완화하기 위하여 에너지저장시스템 ESS를 적용하였다. ESS는 PV 발전량이 건물 부하를 초과하는 시간대에 충전되며, PV 발전량이 부족한 시간대에는 저장된 전력을 방전하여 건물 부하를 보조하는 방식으로 운전된다.

이러한 운영 전략은 자가소비율(Self-consumption ratio)을 향상시키고 계통 의존도를 감소시키는 데 목적이 있다. 특히 냉장·냉동 설비 중심의 상업시설은 야간 시간대에도 일정 수준 이상의 기저부하가 지속적으로 발생하기 때문에, 시간별 전력 수지 안정화를 위한 ESS 적용 효과가 상대적으로 크게 나타날 수 있다.

ESS는 자가소비 우선(Self-consumption priority) 제어 전략을 적용하여 운영하였다. 즉, PV 발전 전력은 우선적으로 건물 부하에 사용되며, 잉여전력은 ESS에 저장된다. ESS가 최대 용량에 도달한 경우 잉여전력은 계통으로 송전되는 것으로 설정하였다. 반대로 PV 발전량이 부족할 경우 ESS를 우선 방전하고, 부족한 전력은 계통으로부터 공급받도록 모델링하였다.

ESS 용량은 건물의 평균 야간 기저부하 및 PV 잉여전력 규모를 고려하여 CASE별로 차등 적용하였다. 이를 통해 연간 에너지 자립률뿐 아니라 시간별 자가소비율 및 계통 의존도 변화 특성을 함께 분석하였다. 또한 시간별 부하 매칭 성능 평가를 위해 2장에서 정의한 LMI를 활용하였다. LMI는 시간별 에너지 생산과 소비 간의 일치 정도를 정량적으로 평가하는 지표로, ESS 적용에 따른 시간별 전력 수지 개선 효과를 분석하는 데 활용하였다.

특히 ESS 적용은 단순한 연간 에너지 생산량 증가가 아닌, 시간별 전력 불균형 완화 및 계통 연계 안정성 향상 측면에서 중요한 역할을 수행하는 것으로 판단된다. Table 8은 본 연구에서 적용한 ESS의 운영 전략 및 충·방전 조건을 정리한 것이다.

ESS 충·방전 제어는 이상적인 자가소비 우선 조건으로 가정하였으며, 실제 운영 환경에서 발생할 수 있는 제어 지연, 배터리 열화, 변환 손실 및 운전 제약 조건은 반영하지 않았다. 따라서 실제 자가소비율은 본 연구 결과보다 다소 낮아질 수 있다. 실제 운영 환경에서는 PCS 제어 지연, 배터리 SOC 제한 및 충·방전 출력 제한 등에 의해 실제 운전 성능이 달라질 수 있으며, 본 연구 결과는 이상적 제어 조건 기반의 상대 비교 결과로 해석할 필요가 있다.

3.6. 전력 수지 및 ZEB 성능 평가 방법

본 연구에서는 시간별 전력 소비량과 PV 발전량 및 ESS 충·방전량을 기반으로 전력 수지를 산정하였다. 시간 t에서의 전력 수지는 다음과 같이 정의된다.

여기서, Pnet(t)는 시간 t에서의 순계통전력을 의미하며, Pload(t)는 건물의 시간별 전력 부하, PPV(t)는 태양광 발전량, PESS(t)는 ESS의 방전(+)/충전(-) 전력을 의미한다. Pnet(t) > 0인 경우 건물은 계통으로부터 전력을 공급받는 상태를 의미하며, Pnet(t) < 0인 경우 잉여전력이 발생하여 계통으로 송전되는 상태를 의미한다. Table 9는 본 연구에서 사용한 주요 ZEB 성능 평가 지표와 각 지표의 정의 및 의미를 정리한 것이다.

이러한 시간별 전력 수지 분석을 통해 PV 및 ESS 적용에 따른 자가소비율, 계통 의존도, 잉여전력률 및 LMI를 평가하였다. 특히 상업시설의 경우 냉장·냉동 설비 중심의 기저부하가 지속적으로 유지되기 때문에 시간별 전력 생산과 소비 간 불일치 특성이 크게 나타날 수 있으며, 이에 따른 계통 연계 특성을 함께 분석하였다.

본 연구에서는 이러한 시간별 전력 수지 분석을 통해 PV 및 ESS 적용에 따른 자가소비율, 계통 의존도 및 시간별 부하 매칭 특성을 평가하였다. 특히 상업시설의 경우 냉장·냉동 설비 중심의 기저부하가 지속적으로 유지되기 때문에 시간별별 전력 생산과 소비 간 불일치 특성이 크게 나타날 수 있으며, 이에 따른 계통 연계 특성을 함께 분석하였다. 또한 ZEB 성능 평가를 위하여 에너지 자립률, 자가소비율, 계통 의존도, 잉여전력률 및 LMI를 주요 성능 지표로 활용하였다. 각 지표는 연간 에너지 균형뿐 아니라 실제 시간별 전력 자립 특성을 함께 평가하기 위하여 사용되었다.

특히 LMI는 단순 연간 에너지 자립률로는 파악하기 어려운 시간별 전력 수급 적합성을 정량적으로 평가할 수 있다는 점에서 Load Match ZEB 달성 여부를 판단하는 핵심 지표로 활용하였다.

4.1. 기준 건물 전력 부하 특성 분석 (CASE 1)

본 연구에서는 신재생에너지 시스템이 적용되지 않은 기준 건물(CASE 1)을 대상으로 시간별 전력 부하 특성을 분석하였다. 대상 건물은 24시간 운영되는 소형 리테일 상업시설로, 냉장·냉동 설비 및 플러그 부하가 지속적으로 운전되는 특성을 가진다. 이에 따라 일반 주거용 건물과 달리 야간 시간대에도 일정 수준 이상의 기저부하(Base load)가 유지되는 특징을 나타낸다.

Fig. 1. Annual average hourly end-use load profile of the retail building (CASE 1)

Fig. 1은 대상 건물의 연간 평균 시간별 전력 부하 프로파일을 나타낸 것이다. 해당 프로파일은 연간 시간별 부하 데이터를 평균화하여 도출한 대표 부하 패턴으로, 상업시설의 전형적인 에너지 소비 특성을 보여준다. 분석 결과, 냉장·냉동 설비 및 상시 플러그 부하에 의해 약 2.0~2.4 kW 수준의 기저부하가 지속적으로 발생하는 것으로 나타났다. 특히 새벽 및 야간 시간대에도 전력 소비가 유지되는 특성은 주거용 건물과 구별되는 상업시설의 대표적인 부하 특성으로 판단된다.

또한 주간 시간대에는 재실 증가와 조명 및 냉방 부하 상승에 따라 전체 전력 소비가 증가하는 경향을 나타냈다. 하절기 조건에서는 외기온도 상승에 따른 냉방 부하 증가로 인해 오후 시간대 최대 약 6.5 kW 수준의 피크 부하가 발생하는 것으로 분석되었다. 반면 야간 시간대에는 재실 및 조명 부하는 감소하지만 냉장·냉동 설비가 지속적으로 운전되기 때문에 일정 수준 이상의 전력 소비가 유지되는 것으로 나타났다.

이와 같은 상업시설의 기저부하 중심 전력 소비 구조는 태양광 발전의 시간적 변동성과 결합될 경우 시간별 전력 불일치를 증가시키는 요인으로 작용한다. 특히 태양광 발전이 발생하지 않는 야간 시간대에는 계통 의존도가 증가할 가능성이 높으며, 주간 시간대에는 잉여전력이 발생할 수 있다. 따라서 상업시설 기반 ZEB에서는 단순한 연간 에너지 자립률뿐 아니라 시간별 전력 수지 특성을 함께 고려할 필요가 있다. 또한 본 연구에서 분석된 기저부하 특성은 이후 PV 및 ESS 적용 시 자가소비율, 계통 의존도 및 부하 매칭율에 직접적인 영향을 미치는 주요 요인으로 작용한다.

4.2. PV 적용에 따른 전력 수지 특성 분석 (CASE 2)

CASE 2에서는 기준 건물에 PV 시스템을 적용하여 시간별 전력 수지 특성과 에너지 자립률 변화를 분석하였다. 본 분석에서는 서울 지역 EPW 기상데이터를 기반으로 시간별 태양광 발전량을 산정하였으며, 대표적인 하절기 조건을 대상으로 건물 부하와 PV 발전량 간의 시간별 전력 수지를 비교하였다.

Fig. 2. Hourly power balance between building load and PV generation under EPW-based irradiance conditions (CASE 2)

Fig. 2는 대표 하절일 기준 건물 부하와 PV 발전량 간의 시간별 전력 수지 변화를 나타낸 것이다. 대표일은 서울 지역 EPW 데이터 기준 높은 일사량과 최대 냉방 부하가 동시에 발생하는 조건을 기준으로 선정하였다.

분석 결과, PV 발전은 주간 시간대에 집중적으로 발생하는 반면 건물 부하는 야간 시간대에도 지속적으로 유지되는 특성을 나타냈다. 특히 오전 10시부터 오후 3시 사이에는 PV 발전량이 크게 증가하면서 일부 시간대에서는 건물 부하를 초과하는 잉여전력이 발생하는 것으로 나타났다. 반면 태양광 발전이 감소하는 오후 이후 시간대에는 계통으로부터 전력을 공급받는 시간이 증가하였다.

또한 상업시설의 지속적인 기저부하 특성으로 인해 PV 발전 전력의 상당 부분이 건물 내부에서 직접 소비되는 경향을 나타냈다. 이는 주거용 건물 대비 상대적으로 높은 자가소비율로 이어졌으며, 연간 기준 에너지 자립률 향상에도 긍정적인 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 그러나 PV 시스템만으로는 시간별 전력 불일치를 충분히 해소하기 어려운 것으로 나타났다.

특히 야간 시간대에는 PV 발전이 발생하지 않기 때문에 계통 의존이 지속적으로 발생하였으며, 일부 주간 시간대에서는 잉여전력이 계통으로 송전되는 특성이 나타났다. 또한 하절기 일부 시간대에서는 기상 조건 변화에 따른 PV 발전량 변동이 발생하면서 순계통전력(Net grid power)의 변동성이 증가하는 경향이 나타났다. 이는 실제 태양광 발전 시스템의 간헐적 특성이 시간별 전력 수지에 직접적인 영향을 미칠 수 있음을 의미한다. 정량적 분석 결과, CASE 2의 에너지 자립률은 0.584로 나타났으며, 자가소비율은 0.824 수준으로 분석되었다. 반면 계통 의존도는 0.382로 나타났으며, 부하 매칭율은 0.281 수준으로 분석되었다. 이는 연간 기준 에너지 자립률이 향상되더라도 실제 시간별 전력 자립 특성과는 차이가 발생할 수 있음을 의미한다.

따라서 PV 단독 시스템은 연간 에너지 자립률 향상에는 효과적이지만, 실제 시간별 Load Match 성능 측면에서는 한계가 존재하는 것으로 판단된다.

4.3. ESS 적용에 따른 부하 매칭 특성 분석 (CASE 3)

CASE 3에서는 PV 시스템과 함께 ESS를 적용하여 시간별 전력 수지 및 Load Match 성능 변화를 분석하였다. ESS는 자가소비 우선(Self-consumption priority) 제어 전략을 기반으로 운영되며, PV 발전량이 건물 부하를 초과하는 시간대에는 충전되고, PV 발전이 부족한 시간대에는 저장된 전력을 방전하여 건물 부하를 보조하도록 설정하였다.

Fig. 3. ESS charge/discharge operation and net grid power profile under CASE 3 condition

Fig. 3은 대표 하절일 기준 ESS 충·방전 및 SOC(State of Charge) 변화를 나타낸 것이다. 분석 결과, 주간 시간대에는 PV 발전량 증가에 따라 ESS 충전이 이루어졌으며, 오후 이후 PV 발전량 감소 시에는 저장된 전력이 방전되어 건물 부하를 보조하는 것으로 나타났다.

특히 ESS 적용 이후 계통으로 송전되는 잉여전력이 감소하고, 야간 시간대 계통 수전량이 감소하는 경향이 확인되었다. ESS 적용 이후 잉여전력과 계통 수전량이 동시에 감소한 결과는, ESS가 시간별 전력 수지 안정화에 기여할 수 있음을 보여준다. 또한 순계통전력(Net grid power)의 변동 폭이 감소하면서 전력 계통과의 상호작용이 보다 안정적으로 변화하는 특성을 나타냈다.

정량적 분석 결과, ESS 적용 이후 자가소비율은 CASE 2의 0.824에서 CASE 3의 0.952 수준으로 증가하는 것으로 분석되었다. 반면 계통 의존도는 0.282 수준으로 감소하였으며, 잉여전력률 또한 크게 감소하는 것으로 나타났다. 또한 부하 매칭율(LMI)은 0.281에서 0.382 수준으로 향상되는 경향을 나타냈다.

이는 ESS가 단순한 에너지 저장 기능을 넘어 시간별 전력 수급 적합성을 향상시키는 핵심 요소로 작용함을 의미한다. 특히 냉장·냉동 설비 중심의 상업시설은 야간 기저부하가 지속적으로 발생하기 때문에 ESS 적용 효과가 상대적으로 크게 나타나는 것으로 판단된다.

즉 상업시설 기반 ZEB에서는 ESS 적용이 단순한 에너지 자립률 향상뿐 아니라 실제 전력 자립성 및 계통 안정성 향상 측면에서도 중요한 역할을 수행하는 것으로 분석되었다.

4.4. ZEB 정의별 시간별 전력 수지 및 Load Match 성능 비교

본 연구에서는 CASE별 시뮬레이션 결과를 기반으로 에너지 자립률, 자가소비율, 계통 의존도 및 부하 매칭율(LMI)을 비교·분석하였다. 또한 Source ZEB와 Load Match ZEB 관점에서 요구되는 시스템 구성 특성의 차이를 함께 분석하였다.

Fig. 4. Monthly energy balance between building load and PV generation.

Fig. 4는 CASE별 월별 전력 수지 변화를 나타낸 것이다. 분석 결과, PV 시스템 적용 이후 연간 기준 에너지 자립률은 크게 향상되었으나, 계절별 및 시간별 전력 불일치 특성은 여전히 존재하는 것으로 나타났다. 특히 하절기에는 높은 일사량으로 인해 잉여전력이 증가하는 반면, 동절기에는 PV 발전량 감소와 야간 부하 증가가 동시에 발생함에 따라 계통 의존도가 증가하는 경향을 나타냈다.

Table 10은 CASE별 주요 ZEB 성능 지표를 비교한 것이다. CASE 1은 높은 계통 의존도를 나타낸 반면, CASE 2에서는 PV 적용에 따라 에너지 자립률이 크게 향상되는 것으로 나타났다. 그러나 시간별 부하 매칭율은 상대적으로 제한적으로 증가하였으며, 이는 PV 단독 적용만으로는 시간별 전력 자립 특성 개선에 한계가 있음을 의미한다. 반면 CASE 3에서는 ESS 적용에 따라 자가소비율과 LMI가 모두 증가하는 것으로나타났으며, 계통 의존도 또한 감소하였다.

Fig. 5. Comparison of ZEB performance indicators according to simulation cases

이는 ESS가 PV 발전의 시간적 변동성을 완화하고 실제 건물 단위의 전력 자립성을 향상시키는 데 중요한 역할을 수행함을 보여준다. 구체적으로 CASE 2의 에너지 자립률은 0.584 수준으로 증가하였으나 LMI는 0.281에 머물러 연간 에너지 균형과 시간별 전력 자립 특성 간 차이가 존재하는 것으로 나타났다. 반면 CASE 3에서는 ESS 적용을 통해 자가소비율이 0.952까지 증가하고 계통 의존도가 0.282로 감소하였으며, LMI 역시 0.382로 향상되었다.

또한 CASE 4에서는 에너지 자립률이 1.012로 Source ZEB 수준을 달성하였고, LMI도 0.812까지 향상되었다. 그러나 이를 위해서는 34.366kWp의 PV와 80kWh의 ESS가 요구되는 것으로 나타나, 높은 수준의 Load Match 성능 확보를 위해서는 상당한 규모의 추가 설비가 필요함을 확인할 수 있다.

Fig. 5는 CASE별 주요 ZEB 성능 지표 변화를 비교한 것이다. 분석 결과, PV 시스템 적용 이후 에너지 자립률은 크게 증가하였으나 부하 매칭율(LMI)의 향상 폭은 상대적으로 제한적으로 나타났다. 반면 ESS 적용 이후에는 자가소비율 증가와 함께 계통 의존도가 감소하였으며, 시간별 부하 매칭 성능 역시 개선되는 경향을 나타냈다.

CASE 4에서는 Source ZEB 및 Load Match ZEB 달성을 위한 PV 및 ESS 용량 조정 시나리오를 분석하였다. 분석 결과, 연간 기준 에너지 자립률 달성을 위한 PV 용량과 시간별 Load Match 성능 향상을 위한 ESS 요구 용량 간에는 상당한 차이가 발생하는 것으로 나타났다. 특히 높은 수준의 Load Match 달성을 위해서는 추가적인 ESS 용량 확보가 필요한 것으로 분석되었다. 정량적 분석 결과, CASE 4의 에너지 자립률은 1.012 수준으로 나타났으며, LMI는 0.812 수준까지 향상되는 것으로 분석되었다. 반면 이를 위해서는 약 34.366kWp 수준의 PV 시스템과 80kWh 규모의 ESS가 요구되는 것으로 나타났다. 이는 Source ZEB 달성과 높은 수준의 Load Match 성능 확보를 위해 상당한 규모의 재생에너지 및 저장설비가 필요함을 의미한다.

그러나 CASE 4에서 요구된 약 34.366kWp의 PV 용량과 80kWh의 ESS 용량은 대상 건물의 실제 설치 가능 면적을 고려할 때 현실적인 적용이 어려운 수준으로 판단된다. 따라서 CASE 4는 실제 설계 대안을 제시하기 위한 시나리오라기보다, 소형 상업시설에서 On-site 재생에너지만으로 Source ZEB 및 높은 수준의 Load Match ZEB를 달성하기 위해 요구되는 시스템 규모와 그 한계를 정량적으로 분석하기 위한 이론적 시나리오로 해석할 수 있다. 이러한 결과는 소형 상업시설의 경우 설치 가능 면적의 제약으로 인해 On-site 재생에너지만으로 높은 수준의 시간별 전력 자립성을 확보하는 데 한계가 있음을 보여주며, 향후 Off-site 재생에너지 구매, 커뮤니티 태양광 또는 외부 재생에너지 조달과 같은 보완적 공급 전략의 필요성을 시사한다.

이러한 결과는 연간 기준 에너지 자립률만으로는 실제 건물의 시간별 전력 자립 특성을 충분히 설명하기 어렵다는 점을 보여준다. 즉, Source ZEB 달성 여부와 실제 Load Match 성능은 서로 다를 수 있으며, 시간별 전력 수지 평가의 중요성을 시사한다.