1. 서 론

이산화탄소 배출 규제, 미세먼지 문제, 신재생에너지 분산전원의 확대 등으로 에너지 분야는 빠르게 변화하고 있다. 특히, 2차 에너지기본계획(‘14년) 이후 기존 공급관리의 한계를 수요관리로 보완하는 정책변화에 따라 에너지 수요에 대한 시간별, 용도별 분석 및 예측의 중요성이 커졌다⁽¹⁾. 한편 학계에서는 전기, 가스, 열 등 다양한 에너지원을 통합해서 관리하는 복합에너지관리(Smart Enery System)에 대한 관심도 커지고 있다⁽²⁾.

소매점의 한 형태인 편의점은 1989년 국내 7개를 시작으로 꾸준히 증가하고 있고⁽³⁾, 2020년 COVID-19에 의한 경기 불황에도 성장세가 이어지고 있다. 편의점은 업종 특성상 냉동/냉장/냉난방 에너지를 주로 소비이며, EHP를 활용한 전기에너지가 많이 사용된다. 특히, 간편식 발달, 신선식품 수요 증가에 따라 냉동/냉장 에너지 사용이 증가되고 있을 것으로 추측된다⁽⁴⁾. 본 논문은 특정 편의점의 냉동/냉장/냉난방 에너지사용을 각각 구분해서 측정하여 분석하고, 에너지 사용에 영향인자인 날씨와의 상관관계를 도출함으로써 에너지 수요관리, 복합에너지관리에 도움을 주는 DATA를 제공코자 한다.

2. 편의점 에너지 사용

1989년 국내 최초의 편의점은 고급주택가 거주자를 대상으로 탄생했으나 조금씩 주요 소비자 변화됐다⁽³⁾. 현재는 일반 서민들을 상대로 대형마트의 저렴한 가격에 대응하기 위해 근접한 거리에서 오랜 영업시간을 장점으로 간편식, 신선제품 등 일정 상품에 대한 경쟁력을 유지하고 있다⁽⁴⁾. 에너지 사용 측면에서는 타 업종과 다르게 하루 24시간 비교적 일정하게 에너지를 사용하고 있으며 냉동/난장 에너지 비중이 크다. 그림 1은 사무실 건물과 편의점의 하루 동안 전력사용량을 보여준다. 사무실 건물은 경기도 안산에 위치한 피크전력 약 500kW을 소비하는 사무실 군의 전력 사용량을 임의 날짜 2017년 8월 14일에 측정한 것이다. 편의점은 서울시 구로구에 위치한 피크전력 약 20kW을 소비하는 편의점의 임의날짜인 2019년 8월 7일 전력 사용량을 나타낸다. 그림 1은 전력사용량의 절대적인 크기보다 경향을 파악하기 위해 각각을 최대전력량으로 정규화(Normalization)한 소비전력을 나타낸다. 사무실 전력사용량은 약 100개 기업이 입주한 연면적 53,000m²이상 건물의 전력사용량이므로 경향을 일반화하는데 무리가 없다. 하지만, 편의점은 1개 점포를 측정한 것으로 결과를 일반화하는 것에는 한계가 있다.

사무실 건물의 전력사용량은 출근시작전인 8시부터 급격히 증가해서 일정하게 유지되다가 퇴근시간인 6시 이후에 차츰 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 그림 1에는 표현되지 않았지만 휴일, 주말에는 전력사용량이 크게 떨어지는 등 시간, 날짜 등에 큰 영향을 받는다. 반면 편의점은 사무실과 다르게 주야간의 구분하기 어려운 전력사용량을 갖는다.

3. 전력사용량 측정

서울시 구로구에 위치하고 24시간 영업하는 편의점의 냉동/냉장/냉난방 전기사용량을 측정하였다. 편의점의 전력사용량은 편의점의 위치, 면적, 주 소비자, 냉동/냉장/냉난방 설비 용량 등에 따라 차이가 있으며 심지어 편의점 근무자에 따라 냉난방 사용량에 차이가 있다. 다수 편의점의 전력사용량을 측정했다면 절대적인 에너지사용량이 의미가 있을 수 있지만, 본 논문은 1개의 편의점만을 측정하였으므로 절대적인 수치보다도 변화하는 경향에 의미를 주어야 한다.

우리나라 편의점의 냉장/냉동/냉난방 부하는 개별적인 냉동기기를 사용하고 있어 에너지효율, 설치공간, 설치비용 등을 이유로 일원화시스템이 개발되고 있다.⁽⁵⁾ 본 연구는 냉동/냉장/냉난방의 전기사용량을 구분해서 측정함으로써 일원화 시스템의 용량선정, 제어범위 결정 등의 기초자료로 사용되고자 한다.

본 연구는 편의점 점주의 허락을 받아 전기공사 없이, 최소한의 장치점검으로 에너지 사용량을 측정해야 했다. 따라서 내장 배터리로 2달 이상 연속동작 되며 데이터를 자체 저장할 수 있으며, 냉동/냉장/냉난방 각각의 설비의 전력사용량을 동시에 측정해야 했기에 전력모니터링 모듈을 직접 제작하였다. YHDC사 15A까지 측정가능한 SCT-013 전류센서를 주로 활용하였다. Main bus는 전체 순간전류 15A이상인 경우가 있어 100A까지 측정 가능한 SCT-013-070V 모델로 교체하였다. 제작된 전류센서는 상용 전력량 측정계 Fluke 434-2와 비교해서 최대 오차 50W 이하인 것으로 확인하였다. 이러한 성능은 전력사용량의 변화경향을 확인하는 본 연구의 목적을 고려하면 적절하다.

편의점 전력사용량 측정은 2019년 3월 20일부터 2020년 01월 02일 289일간 측정하였다. 4계절을 모두 포함하는 365일 동안 측정하려고 하였으나, 전력사용량 모니터링 모듈의 배터리 결함으로 289일간의 측정 결과만을 분석한다.

표 1은 편의점의 주요 제품별 전력사용량 범위를 보여주다. 그림 5는 측정된 편의점 전체 전력사용량과 냉동, 냉장, 냉난방 각각 1개씩 제품의 전력사용량을 샘플로 보여준다. 전력량은 편의점의 설비 종류에 따라 다르므로 절대적인 전력사용량 크기보다도 변화 경향이 의미가 있다. 냉동에 사용되는 전력은 시간, 계절에 관계없이 일정하다. 측정된 편의점은 사무실이 밀집되어 있는 지역에 직장인들 상대로 영업하는 곳으로 냉동기기가 작은 편이다. 냉장 에너지는 여름철에는 크고 겨울에는 줄어드는 경향이 있다. 하지만 겨울이라 할지라도 일정비율 이상의 에너지를 지속적으로 사용한다. 냉난방 에너지는 여름 및 겨울에 커지고 봄과 가을에 작아진다. 상대적으로 여름에 비해 겨울이 크며 이것은 본 편의점에 설치된 냉난방기의 난방효율이 떨어지는 것인지 일반적인 경향인지는 판단하기 어렵다. 냉난방 에너지가 날짜별로 매우 크게 변화되는 것을 확인할 수 있는데 이것은 해당일의 근무자 유형, 즉 점주가 직접 관리할 때와 종업원이 관리할 때 차이가 있음을 일부 확인하였다. 따라서 냉난방 에너지의 날짜별 큰 변화는 일반적인 경향으로 보기 어렵고 계절별, 월별 변화에 의미가 있다.

4. 전력사용량과 날씨 관계

그림 6은 냉동/냉장/냉난방 전력사용량을 기온, 습도, 풍속, 일사량 등 날씨로 표현하였다. 냉동 전력사용량은 어떤 날씨와도 관계없이 비교적 일정한 값을 유지하는 상수로 볼수 있다. 냉장/냉난방 전력사용량은 기온과 상관관계가 있다. 냉장 에너지는 기온 높을수록 많은 에너지가 사용되므로 기온에 따른 선형적 관계로 표현된다. 냉난방은 최적온도에서는 전력 사용량이 작고 온도가 커지거나 작아질수록 에너지 사용량이 커지는 2차 함수를 갖는다. 각각의 계수는 R 프로그램과 같은 통계해석 S/W로 추출이 가능하다.

5. 결 론

편의점의 냉동/냉방/냉난방 소비전력을 개별적으로 측정하고 분석하였다. 특히 온도에 따른 영향을 도식화 하였다. 냉동 전력소비는 일정하며, 냉장 소비전력은 온도가 상승함에 따라 증가하는 1차 함수, 냉난방에너지는 특정 온도를 변곡점으로 상승하거나 하강하는 2차 함수를 갖는다. 본 연구는 다수의 편의점이 아닌 1개의 편의점만을 측정했다. 향후에는 본 Data를 시간별로 추가 분석하고, 더 많은 편의점의 측정결과를 확보하여 시간별, 요일별, 더 다양한 날씨별 분석이 이루어질 예정이다. 본 연구 결과는 소매점포 냉동/냉장/냉난방 일원화 기기 설계 및 제작에 활용될 예정이다.