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Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

ISO Journal TitleKorean J. Air-Cond. Refrig. Eng.
  • Open Access, Monthly
Open Access Monthly
  • ISSN : 1229-6422 (Print)
  • ISSN : 2465-7611 (Online)

  1. 한국건설기술연구원 전임연구원 ( Research Specialist, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology, GoyangSi, 10223, Korea )
  2. 한국건설기술연구원 수석연구원 ( Principal Researcher, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology, GoyangSi, 10223, Korea )



Passive house(패시브하우스), Photovoltaic(태양광발전), Zero energy building(제로에너지빌딩), Energy storage system(에너지저장장치), Peak load control(피크 부하 제어)

1. 서 론

녹색건축물 조성 지원법 제17조 6항, 시행령 제12조 2항 및 [별표 1]에 따라 2020년부터 1,000 ㎡ 이상 공공 건축물부터 제로에너지건축물 인증 표시 의무 대상에 해당하며, 2030년에는 500 ㎡ 이상 모든 건축물로 확대 되어 대부분의 신축 건축물이 제로에너지화를 앞두고 있다. 이에 따라 창호 및 벽체와 같은 외피부문의 단열 성능을 극대화 하여 냉난방에너지를 저감 하는 패시브 기술 뿐 아니라 태양광, 지열과 같은 신재생에너지를 생산하는 액티브 기술을 통한 에너지소요량 저감을 위한 기술 개발이 필요한 시점이다. 이미 국내 단열기준은 패시브하우스 설계기준에 도달하였으며, 일정 수준 이상 단열재를 증가시키는 것은 공사비 증가대비 열적 성능 확보 측면에서는 비효율적이라고 할 수 있으므로,(1) 제로에너지건물 구현을 위해서는 에너지 생산 기술이 함께 적용되어야 한다.

에너지 생산 기술 중 태양광 발전은 정부 및 지자체의 적극적인 지원금 제도와 더불어 유지관리 및 사용의 편의성으로 인하여 가장 널리 적용되는 신재생에너지원이라 할 수 있다. 하지만 태양광발전은 발전 시간의 한계로 인하여 주간에 발생할 수 있는 잉여 전력에 대한 관리 방안이 필요한데, ESS와 같은 전력 저장장치가 결합될 경우 궁극적인 제로에너지빌딩을 구현할 수 있다.

본 연구에서는 오피스 건축물을 대상으로 건물에 설치된 태양광 발전 패널을 통한 발전량을 계측하여 에너지 사용량을 분석하였다. 또한 건물에서 사용하는 전력량 측정 결과를 보일러 및 기타 장비로 구분하여 기간별 전력 사용량 및 ESS에 의한 전력 저감효과를 분석하여 대상 건물의 전력사용량 행태와 절감효과를 분석하고자 하였다.

이를 통해 건물의 에너지 자립률 향상을 위한 기초자료로 활용하고, 신재생에너지의 효율적 활용이 가능한 제로에너지 빌딩 활성화에 기여하고자 한다.

2. 기존 연구문헌 조사

기존 연구문헌 중, 건물에 태양광패널 등 신재생에너지 이용 시스템을 실제 적용하여 에너지사용량 및 에너지 의존률을 분석한 논문은 다음과 같다.

Lee et al.(5)에서는 29세대 규모의 에너지자립형주택에 대한 에너지 사용량을 측정하였으며 태양열, 태양광 및 지열이 설치된 저에너지 단독주택에 대한 에너지 사용량을 측정 및 분석을 수행하였으며 신재생에너지에 의한 에너지 의존률이 70.4%인 것으로 분석하였다.

Cho et al.(4)에서는 패시브 공동주택에 대한 에너지 사용량을 분석하여 일반 공동주택 대비 난방에너지 사용량 80% 절감, 전력 사용량 85%가 저감된 것으로 분석하였다.

신재생에너지 시스템과 ESS 시스템을 연계하여 운영 최적화 방법에 대한 연구로는 Park et al.(6) 및 Woo et al.(7) 등이 있는데, Park et al.(6)에서는 일반적인 사무환경에서 사용하는 전기 소비량을 가정하여 태양광 발전량과 ESS의 최적운영 알고리즘을 도출하였다. 여기에서는 ESS를 피크전력 완화를 위하여 적용하였으며, 800 Wh를 피크전력으로 설정하였을 때 최대 270 Wh 이상을 절감할 수 있는 것으로 나타났다. Woo et al.(7)는 태양광 발전 시스템과 ESS를 연계하여 최적 운용할 수 있는 동적 프로그램을 개발하여, 이를 이용해 적정 설비용량 및 운용 방안 검토, 민감도 분석을 수행하여 전기요금의 변화, 각 시스템의 설치 단가 변화 등이 투자회수기간에 미치는 영향을 분석한 바 있다. 그 결과, PV 단독 운전시보다 ESS와 연계하였을 때에 전기요금이 절감되는 장점이 있으나, 경제성이 떨어졌으며, 따라서 효율적인 시스템 운영이 필요함을 강조하였다.

ESS는 사무소 건물에 적용하는 경우, 계약단가를 줄여주어 비용을 절감할 수 있다는 이점이 있다. 그러나 설치단가가 높아 경제성이 떨어지고, 따라서 효율적인 시스템 운용, 피크부하 절감 효과 분석 및 이에 따른 운영비용 분석을 통한 경제성 분석이 필요하다.

기존 연구에서는 주로 ESS 가 적용된 주거용 건물에 대한 실증이 이루어졌으나 사무용 건물의 경우 주로 ESS 용량 산정 운영 알고리즘 개발 등에 대한 연구에 그쳤기 때문에 실제 운영을 통한 ESS 적용 효과 분석에 대한 연구가 필요한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 건물의 운영 패턴 및 전력 사용 패턴을 파악 후, 피크 전력 완화를 위한 운전을 수행하여 태양광 발전 시스템과 연계 시 전력 부하 조절의 가능성을 우선적으로 살펴보았으며, 이러한 결과를 바탕으로 추후 계절별 최적 운영 알고리즘 및 경제성 분석도 실시하고자 한다.

3. 대상건물 개요 및 에너지 사용 현황 분석

3.1 대상 건물 개요

신재생에너지와 ESS 적용에 따른 효과분석을 위한 대상 건물은 8층 15세대 규모의 공동주택으로 2012년 공동주택으로 준공되었으나 이후 내부 구조변경을 통하여 사무용 건물로 사용 중이다.

재실 근무인원은 약 40인으로 총 8개 층 중 4개 층을 사무용으로, 나머지 공간은 기계실 및 실험용 시설로 사용 중이며 오피스로 사용 중인 3, 6층은 전기보일러를 사용하여 바닥복사 난방 및 급탕을 하고, 냉방은 시스템 에어컨을 사용하고 있다. 근무 시간은 개인마다 조금씩 다를 수 있으나 대체적으로 오전 9시부터 오후 6시까지 일반적인 사무실 건물의 근무 패턴을 따르고 있다.

7, 8층은 EHP를 사용하여 난방 및 냉방을 하고 있으며, 온수는 전기보일러를 사용하여 공급한다. 전기보일러는 약 50 kW 용량으로 건물 전체에 난방(7, 8층 제외)과 온수를 공급하고 있다.

Fig. 1 Experimental building.
../../Resources/sarek/KJACR.2021.33.7.350/fig1.png

Table 1 Building specification

Item

Detail

Floor Area

2207.75 ㎡/1~8F/15 Units

Classification

Office

Structure Type

Reinforced Concrete

U-Value

Wall : 0.15/Window : 0.9(W/㎡K)

Heating/Domestic hot water

Electric boiler(50 kW)

PV System/Angle

36 kW(300 W×120 EA)/30°

Cooling

EHP

(Individual installation per floor)

Occupants

43

Completion Date

2012. 12

전력 공급을 위한 태양광 발전 시스템은 건물의 옥상에 300 W급 단결정모듈 120매(36 kW 규모)가 설치되어 있다(Fig. 1, Table 1 참조).

3.2 대상 건물의 태양광 발전량

대상 건물이 운영을 시작한 2014년 1월 1일부터 2018년 12월 31일까지 옥상에 설치된 PV 모듈을 통해 생산된 전력량을 분석하였다. 2014년부터 2018년까지 시간대별 평균 일사량과 발전량은 Fig. 2와 같다. 일사량은 13~ 15시경 480 Wh/㎡의 최대값이 발생하고, 일출부터 일몰 때까지의 평균값은 236 Wh/㎡인 것으로 나타났다. 대상 건물의 옥상에 설치된 36 kW 용량의 태양광 발전 시스템은 연평균 약 45,000 kWh를 생산하였으며, 하루 중 13시~15시 구간에서 약 27 kW의 최대출력이 발생하고 인버터에 의한 전력 손실을 포함한 최대 출력은 약 25 kW인 것으로 나타났다.

Fig. 2 Average hourly power generation(Average of 2014~2018).
../../Resources/sarek/KJACR.2021.33.7.350/fig2.png

3.3 기간별 전력 사용량 분석

분전반에 부착한 전력 계측장비를 사용하여 보일러와 일반 전기장치(기타 기기)로 구분하여 건물 내에서 사용한 전력 사용량을 측정하였다. 이때 일반 전기 장치는 건물 내 EHP, 콘센트, 조명 등 보일러를 제외한 모든 기구를 의미하며 2020년 1월부터 7월까지 15분 단위로 전력량을 측정하였다. 본 건물의 태양광 시스템은 계통연계형으로 설치되어 발전량이 적은 야간에는 외부에서 전력을 공급받고 발전이 충분한 주간의 경우 소진하지 못한 전력은 외부로 송전하도록 되어 있기 때문에 계측된 전력량은 건물 내 전력 사용량에서 PV에 의한 발전량을 뺀 값과 동일하다.

월별 측정된 전력 사용량 중 난방용 보일러에서 소모한 전력과 기타 기기에서 사용된 비율을 비교한 결과, 난방 비율이 높은 동계의 경우, 보일러 가동량 증가에 의한 전력 사용량이 매우 높아 1월(73%)이 7월(16%)에 비하여 57%가 높았으며 기타 기기의 전력 사용량은 계절 구분 없이 일정한 수준(5~7 MWh)을 보이고 있다. 1월부터 7월의 데이터에서는 보일러 사용량 증감에 따라 1월의 총 전력 사용량이 7월보다 2배 이상 높았음을 확인할 수 있다(Fig. 3 참조).

요일별 평균 전력사용량을 조사한 결과 사무소로 사용되는 건물 특성이 반영되어 주중(일평균 598 kWh)과 주말(일평균 350 kWh)의 전력 사용량 차이가 약 248 kWh인 것으로 나타났다(Fig. 4 참조).

Fig. 3 Monthly power consumption(MWh).
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Fig. 4 Average daily power consumption(kWh).
../../Resources/sarek/KJACR.2021.33.7.350/fig4.png

Fig. 5 Average hourly power consumption by season(kWh).
../../Resources/sarek/KJACR.2021.33.7.350/fig5.png

계절별로 구분하여, 1월(동계), 4월(춘계), 7월(하계)의 시간대별 전력 사용량을 표현하면 Fig. 5와 같다. 하루 중 전력의 피크구간은 모든 계절에서 일정하게 발전 시작 직전인 6~8시 구간에서 크게 발생하였으며 이는 야간에 저탕조 온도 유지를 위한 보일러 가동 및 출근 시 냉난방 시스템 가동에 따른 전력 사용량 증가의 영향인 것으로 판단된다. 일출 후, 태양광 발전이 시작하면서 전력 사용량이 감소함을 알 수 있었다. 18시 이후에는 발전이 멈추기 때문에 전력사용량이 증가하였다가 퇴근 이후 시간부터는 일정한 사용량이 유지되었다. 1월의 평균 외기온도는 1.6℃, 4월의 평균 외기온도는 11.1℃, 7월의 평균 외기온도는 24.1℃었는데, 1월의 경우, 난방과 급탕을 위한 전기보일러 가동 빈도가 높기 때문에 최저 25 kW에서 최대 55 kW의 전력을 사용하였고, 4월은 피크 시 약 30 kW의 전력사용량을 보였으며 대부분 구간에서 20 kW를 넘지 않는 수준의 사용량을 보였다. 7월의 경우, 냉방기를 사용하는 계절 특성상 낮 시간에 피크 전력이 발생하는데, 발전량이 함께 높아지기 때문에 대부분 구간에서 10 kW 수준을 유지하였다.

3.4 일일 시간대별 전력 사용량 분석

측정기간(2020년 1월~7월) 동안 건물에서 사용되는 전력 사용량을 시간 단위로 정리하면 Fig. 6과 같다. 주간에 발전에 의한 전력공급이 이루어지기 때문에 전력 사용량 감소가 있었음을 알 수 있다.

Fig. 6 Power consumption and PV generation(kWh).
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총 기간 동안 일 평균 전력 사용량은 666 kWh이며, 태양광 발전 패널에 의한 발전량은 평균 118 kWh인 것으로 나타났다. 따라서 외부에서 공급한 총 전력량은 550 kWh로 약 22%의 전력량이 태양광 발전에 의하여 공급되었음을 알 수 있다.

외부에서 유입되는 전력량의 피크는 6~8시 구간에 발생하였으나 이는 태양광 발전으로 인한 것으로 실제 건물에서 사용한 전력은 10~14시 구간에서 피크가 발생하고 있다. 이를 바탕으로 유사한 특성의 건물에 대한 전력계통 설계 및 전기요금 계약 시 전력 사용규모 및 비용을 예측하는데 활용이 가능할 것이다. 또한 ESS와 같은 전력 저장 장치를 활용하여 일출 및 일몰 시점에 발생하는 전력 피크 구간에 대한 사용량 조절을 통하여 효율적 전력 관리가 가능할 것으로 판단된다.

4. ESS 설치에 따른 에너지 사용량 분석

4.1 ESS 설치 개요

대상건물의 전력사용량 절감 및 피크전력 감소를 위한 ESS를 설치하고 운영단계에서의 전력사용량을 분석하였다. ESS는 PV 모듈의 최대 발전 출력인 27 kW를 고려하여 20 kW 수준의 충/방전이 가능하며 야간 전력 사용량(하계 기준 평균 시간평균 8 kWh), 설치 공간 및 비용을 고려하였을 경우 42 kWh(3 kWh 배터리 14 EA 병렬구성) 용량을 적정선으로 판단하여 리튬인산철 배터리를 20 kW급 하이브리드 인버터와 함께 구성하였다. 용 EMS 시스템의 충방전 제어 알고리즘은 배터리의 완전 방전 및 과충전에 의한 손상을 방지하기 위하여 10~ 90%의 용량 구간에서 운용하도록 하였으며, 목표 충/방전량을 사용자가 임의 설정 할 수 있어 계절이나 내부 전력 사용 현황에 맞추어 PV/Grid 충전 전환, 방전 출력 등 개별 설정이 가능하여 실시간 전력 감시에 의한 전력 활용이 가능하다. 본 연구에서는 ESS 시스템을 활용하여 2020년 9월부터 10월까지 대상 건물의 피크 부하 제어를 실시하였고, 태양광 발전량 및 ESS 충방전 제어에 따른 전력 사용량을 분석하였다.

Fig. 7 ESS installation and concept diagram.
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4.2 전력사용량 감소 및 피크제어 효과 분석

4.2.1 피크 전력 분석

앞서 계절별 전력 사용량 분석 결과를 참고하여, 측정기간인 추계의 경우 춘계와 마찬가지로 하루 중 약 2~3회, 평균 약 30 kW의 피크구간이 발생하고 나머지 구간에서는 15 kW 전후의 전력을 사용할 것으로 예상하였다. 설치된 배터리의 최대 방전 출력은 20 kW이기 때문에 피크 제어를 위한 목표 값을 10 kW로 설정하여 배터리에 의한 피크 저감효과를 분석하였다. 재실자가 없는 야간의 경우 전력 사용량이 8 kW가량으로 목표값인 10 kW에 미달할 경우 배터리를 충전하도록 하고, 주간에 태양광 발전 시에도 전력 사용량이 목표치 보다 낮을 경우 즉시 충전하여 피크 전력 제어에 중점을 두도록 EMS를 설정하여 기상조건에 의한 주간 발전량 부족이나 내부 기기 사용 정도에 따라 배터리 잔량 부족에 의한 오전 중 전력 피크의 발생 방지가 가능하도록 하였다. 또한, EMS 시스템의 피크 감소를 위한 충방전 제어는 1분과 15분 단위로 계측된 실시간 전력 사용량에 대한 회귀분석 알고리즘에 의하여 전력 사용 추세를 감지하여 배터리의 충방전이 자동 제어 된다.

피크 전력 제어에 따른 결과는 특정일(9월 24일)을 대상으로 분석하였다(Fig. 8 참조). 피크 전력 제어를 통해, 기존 대상건물의 전력 사용량이 증가했던 2시~7시, 16시~20시 구간에 방전을 하였고, 이를 통해 피크 제어 목표 값인 10 kW를 유지할 수 있었다. 특히 하루 중 가장 전력부하가 크게 발생했던 오전 7시경에는 배터리 방전을 통해 약 6.5 kWh를 절감한 것으로 나타났다.

Fig. 8 Peak reduction by battery(kWh).
../../Resources/sarek/KJACR.2021.33.7.350/fig8.png

4.2.2 전력사용량 분석

일반적으로 태양광 발전 패널과 ESS가 조합된 시스템에서 건물의 전체 전력 사용량을 저감하기 위해서는 주간에 태양광 발전 시 충전하고 야간에 일괄 방전 하는 방식이 이상적일 수 있으나, 본 연구에서는 피크전력 제어 기능을 유지한 상태에서 전력 사용량 저감 여부를 확인하였다.

9월과 10월간 태양광 발전 패널에서 생산된 전력량(PV Power), 발전량이 차감된 건물의 전력 사용량(Load), 그리드전력(Grid) 사용량 및 ESS를 통해 절감된 전력 사용량(Saving)은 Table 2와 같다. 9월에는 약 6.3%, 10월에는 약 5.24%의 전력 사용량을 절감할 수 있었던 것으로 나타났다. 또한 측정기간의 총 전력사용량은 전력 부하가 10,333.05 kWh, 실제 사용량 전력량은 9,730.34 kWh로 약 5.83%의 전력 사용이 감소되었다.

Table 2 Summary of power consumption by battery(unit : kWh)

Month

PV Power

Load

Grid

Saving

September

4,466.30

5,659.53

5,302.10

357.43(6.3%)

October

4,006.10

4,673.52

4,428.24

245.28(5.24%)

Total

8,472.40

10,333.05

9,730.34

602.71(5.83%)

Fig. 9 Reduction of power consumption by battery(kWh).
../../Resources/sarek/KJACR.2021.33.7.350/fig9.png

Fig. 9는 ESS를 사용함으로써 절감된 전력 사용량을 날짜별로 표현한 그래프이다. 여기에서 막대그래프로 표현한 부분은 해당일의 전력 사용량과 그리드 사용량의 차이로 ESS에 의하여 절감된 전력량을 의미한다. 측정기간인 2020년 9월~10월 두 달 간 일일 최대 전력 사용량은 9월 3일, 10월 16일과 21일로, 이때 약 370 kWh를 사용하였는데, 이는 일사량이 낮아 주간 태양광 발전에 의한 전력 생산이 부족했기 때문인 것으로 판단된다. 측정기간 중 일일 평균 발전량은 147 kWh, 건물 내부 기기에 의한 전력 사용량은 182 kWh이었으나 그리드를 통하여 공급받은 전력량은 172 kWh로 ESS를 통하여 평균 10 kWh의 전력 사용량을 줄일 수 있었으며 피크제어와 동시에 총 전력 사용량이 저감되었음을 확인하였다.

5. 결 론

본 연구에서는 태양광 발전 시스템이 설치된 저에너지 사무소 건물에 ESS를 설치하여 건물 내 전력 사용량과 배터리에 의한 피크제어 및 총 전력 사용량 저감 효과를 분석하였다. 이에 따라 얻은 결론은 다음과 같다.

(1) 대상건물에 설치된 태양광 발전 패널(36 kW)에 의하여 연간 45,000 kWh의 전력이 생산되며 건물 내 전력 사용량의 22%의 공급이 가능하다.

(2) 동계 전력 사용량이 하계에 비하여 약 4배 높았으며 이는 전기보일러에 의한 전력사용량이 매우 높았기 때문인 것으로 판단된다.

(3) 건물 내 에너지 사용량은 10시~14시 구간에 피크를 기록하였지만, 태양광 발전에 의하여 실제 전력 피크 발생 구간은 6시~8시, 18~20시 구간이며, 피크 값은 약 9 kWh 감소하였다.

(4) 10 kW의 피크목표값을 설정하여 ESS를 운영한 결과, 측정기간인 9~10월, 대부분의 기간 중 피크제어가 가능하였으며 측정기간 동안 5.83%의 그리드 전력 사용량을 저감할 수 있었다.

본 연구에서는 비난방기간인 9~10월 동안의 피크 제어를 통한 전력 사용량을 분석하였으며, 동계의 경우 대상건물의 보일러 및 EHP 사용량에 따라 최대 전력이 60 kW까지 소요되고 있기 때문에 태양광 발전이 불가능한 흐린날 주간의 경우 본 시스템의 최대 방전출력인 20 kW까지 피크 제어가 가능할 것으로 판단된다. 이와 관련해 추후 연구에서는 동계 및 하계에 대한 피크 제어 분석을 수행하고 연간 전력 사용량 절감 효과를 분석할 예정이다.

본 연구 결과는 제로에너지 건축물 확산을 위한 기초자료로써 활용 될 수 있을 것으로 판단되며, ESS 적용 저에너지 건물의 용도별 최적 운영 및 제어방안에 관한 연구를 추가적으로 수행할 예정이다.

후 기

본 연구는 과학기술정보통신부(MSIT)의 지원을 받아 수행한 한국건설기술연구원 주요사업 연구 과제의 성과입니다(No. 20210294-001).

References

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