3.1 스마트빌리지 건축 개요

본 연구에서는 단독주거 커뮤니티 분석 대상지로 부산 에코델타시티(EDC, Eco Delta City) 스마트 빌리지 내 19세대 및 커뮤니티센터를 선정하였다(Fig. 1). 19세대는 1~2층 구조로 총 4개의 평면 타입으로 10개동으로 구성되었다. 19세대 부지 내에는 주택뿐만 아니라 홍보관, 보행로, 주차장이 계획되어 있다. 스마트빌리지의 전체 대지면적은 7,202 ㎡이며, 건축면적은 2,200 ㎡, 연면적은 3,620 ㎡이며, 주거부문 전용면적은 2,160 ㎡이다. 단독주택은 37세대인 1단지와 19세대인 2단지로 구분된다. 1단지는 3층 규모의 단독주택으로 구성되어 있으며, 2단지는 2층 규모로 구성되어 있다. 데모주택이 있는 2단지의 단독주택은 벽면, 지붕, 바닥, 창문의 열관류율은 각각 0.27, 0.103, 0.175, 그리고 0.963 W/(㎡․K)이다. 커뮤니티센터의 벽면, 지붕, 바닥, 창문 열관류율은 0.147, 0.107, 0.212, 그리고 0.997 W/(㎡․K)로 구성되어 있다. 커뮤니티센터는 철근콘크리트구조로 이루어져 있으며, 건축면적 266 ㎡, 연면적 1,192 ㎡, 냉난방 공급면적 428.9 ㎡이다. 보행로의 건축면적은 299.28 ㎡, 주차대수 33대이다.

Fig. 1 Overview of Busan EDC Smart Village.

3.2 스마트빌리지 에너지설비 개요

커뮤니티센터와 단독주택은 건물일체형 태양광시스템 BIPV가 설치되어있으며, 커뮤니티센터 지하에 기계실이 위치하여 각 건물의 냉난방과 급탕을 위한 열을 생산하고 열네트워크를 통해 공급하는 방식이다.

열 네트워크는 기계실에서 중앙 공급방식으로 단독주택을 포함한 커뮤니티센터에 냉난방 및 급탕열을 공급한다. 냉방 및 난방공급은 냉난방 축열조를 통해 공급되며, 지열 및 수열히트펌프를 활용한다. 축열에 활용되는 히트펌프의 정격용량 및 COP는 다음과 같다. 지열난방 용량은 104.9 kW 및 COP 3.79, 지열냉방 용량은 113.2 kW 및 COP 4.93, 수열난방 용량은 71.3 kW 및 COP 3.98, 수열냉방 용량은 77.0 kW 및 COP 5.6을 기준으로 하는 시스템으로 적용되었다. 급탕은 급탕축열조를 통해 공급되며, 71.3 kW 용량의 지열히트펌프가 적용되었다. 각 세대마다 난방열교환효율 70%, 냉방 60%를 가지는 전열교환기가 설치되어 있다. 커뮤니티 센터의 냉방 및 난방은 3대의 수열 히트펌프를 통해 공급되며, 총 수열난방 용량 73.1 kW 및 COP 3.98, 수열냉방 용량 79.1 kW 및 COP 5.52의 성능을 가진 히트펌프가 적용되어 있다. 중앙 공급식 설비를 활용하는 경우, 단독주택으로 공급되는 네트워크 배관의 열손실이 있으나, 수열, 지열 등 다양한 신재생에너지설비를 활용할 수 있다는 측면에서 에너지 효율을 높일 수 있다. 또한 기존 개별 건물의 지열원 히트펌프 설치방식에 비해, 축열조 설치등을 통해 히트펌프 설치용량 절감의 장점이 있다.

Fig. 2 Overview of convergence energy system.

3.3 태양광 발전설비 설계 개요

단독주거 커뮤니티인 부산 EDC 스마트빌리지의 에너지성능 목표는 제로에너지건축물인증 1등급이다. 제로에너지건축물인증 1등급을 달성하기 위한 조건은 건축물에너지효율 1++ 등급 이상과 에너지자립율 100% 이상의 조건을 만족하여야 한다. 에너지자립율은 1차에너지 소비량 대비 1차에너지 생산량을 기준으로 정해진다. 이에 에너지자립율의 목표 달성하기 위해서는 BIPV시스템에서 생산된 발전량으로 1차에너지 소비량를 100% 이상 공급 되도록 설계를 해야 한다. 본 연구에서는 커뮤니티 내 주택, 홍보관, 보행로, 주차장을 대상으로 설치가 가능한 모든 부위에 BIPV시스템을 적용하여 다른 건물 혹은 지붕으로 인한 음영이 발생하지 않는 부분으로 설계하고 지붕 구조물까지 고려하여 최대 설치 가능한 용량을 산출하였다(Fig. 3). 설계를 통한 최대 설치면적을 산출한 결과, Table 1과 같이, 주택(House) 88.92 kW, 주차장(Garage) 10.79 kWh, 보행로 상부(Corridor) 34.86 kWh, 커뮤니티센터(Community center) 55.1 kWh 따라서 BIPV시스템 총 189.67 kW 용량을 설치할 수 있는 것으로 산출되었다.

Fig. 4(a)와 같이, 주택 지붕에 적용된 BIPV시스템의 모듈은 360 W용량에 1,116×1,621×40 mm 사이즈를 가지며, 효율은 19.9%이다. 주차장 및 회랑에 적용된 PV시스템은 450 W 모듈 용량에 사이즈는 2,171×1,030×35 mm이며, 20.1%의 효율을 가진다(Fig. 4(b)). 지붕 주택에 설치한 패널은 지붕색과 심미성을 고려한 검은색 BIPV 패널로 설치하였으며, 주차장 및 회랑은 효율과 용량이 더 높은 패널을 활용하여 적용하였다. 커뮤니티센터에 적용된 BIPV 시스템은 Fig. 4(c)와 같으며, 지붕에 설치된 모듈의 용량은 360 W에 크기는 1,116×1,621×40 mm이며 효율은 19.9%이다. 벽면에 설치된 모듈은 200 W용량에 1,116×1,621×40 mm이며 효율은 12.0%이다. 주택에 적용된 BIPV 시스템은 PV의 온도저감을 위해 후면통기가 가능한 타입으로 설계되었다.

Fig. 3 Simulation model of BIPV system.

Fig. 4 Installation of BIPV systems.

4.1 스마트빌리지 냉난방 요구량 분석 결과

ECO2 분석 결과, 19세대에 대한 난방 및 냉방요구량은 각각, 43.9 kWh/㎡와 22.0 kWh/㎡로 분석되었으며, 이는 연간 난방 및 냉방요구량이 각각 94.8 MWh/a와 47.5 MWh/a로 나타났다. 스마트빌리지의 주택의 19세대에 대해서는 모두 유사한 평면을 가지고 있어, 세대별 난방 및 냉방요구량에 차이는 거의 없었다. 커뮤니티센터의 난방 및 냉방요구량은 각각, 33.1 kWh/㎡와 32.2 kWh/㎡로 분석되었으며, 연간 난방 및 냉방요구량이 각각 14.2 MWh/a, 13.8 MWh/a로 분석될 수 있다. 시스템 기기 산정을 위한 RTS 프로그램을 활용한 19세대의 최대부하는 난방과 냉방부하가 각각 66.8 kW와 117.9 kW로 분석되었다. 커뮤니티시설의 경우, 난방 및 냉방 최대부하는 각각 33.7 kW 및 67.4 kW로 모두 분석되었다. 이를 통해 주거용 및 커뮤니티센터의 연간 난방부하가 냉방부하보다 크나, 피크부하의 측면에서는 냉방부하가 난방부하보다 더 큰 것으로 확인되었다.

4.2 BIPV시스템 발전성능 및 에너지자립율 분석 결과

다양한 설계 조건에 따른 스마트빌리지의 에너지 자립율을 분석하기 위해, 태양광 발전시스템을 설치 위치에 따라 5가지 조합으로 나눠 분석을 진행하였다. Case 1에서는 주택 지붕에 설치된 BIPV만을 고려한 경우, Case 2에서는 주택 지붕의 BIPV와 주차장의 PV를 고려한 경우, Case 3에서는 주택 지붕의 BIPV와 회랑에 설치된 경우, Case 4에서는 주택 지붕의 BIPV와 회랑 및 주차장 PV시스템을 고려한 경우, Case 5에서는 커뮤니티센터 BIPV시스템을 고려한 경우, 그리고 Case 6에서는 주택 지붕의 BIPV, 회랑, 주차장 PV시스템 및 커뮤니티센터를 포함한 모든 태양광발전시스템을 고려한 경우에 대해서 분석하였다. 본 분석에서는 각각 Case 별 연간 발전량이 에너지자립율 조건에 충족하는지 분석하고, 그에 따라 제로에너지건축물인증 등급을 검토하였다.

Fig. 5에서는 각 Case 별 발전량을 도출하였다. 그 결과, Case 1의 경우 연간 114.0 MWh의 발전량을 도출할 수 있었으며, Case 2, Case 3, 그리고 Case 4는 Case 1 대비 각각 10.7%, 24.1% 및 30.4% 많은 발전량을 얻을 수 있는 것으로 나타났다. 또한, 커뮤니티센터만을 대상으로 설치한 Case 5를 살펴보면, 지붕에 설치한 면적대비 발전량이 낮은 것을 확인할 수 있는데, 이는 커뮤니티센터에 설치된 태양광발전시스템 중 23%가 벽면에 설치되었기 때문으로 분석된다. 또한, 벽면에 설치된 BIPV로 인해, 겨울철 발전량이 6월~9월의 발전량에 비해 많은 것을 확인할 수 있었다. Case 6은 스마트빌리지의 주거용 및 비주거용 건물과 유휴부지에 모두 태양광을 설치할 경우, 연간 220.3 MWh의 발전량을 얻을 수 있을 것으로 분석되었다.

Fig. 6과 같이, 본 시뮬레이션 결과 중 주택 지붕에 설치된 BIPV의 발전량과 실제 스마트빌리지에 설치된 태양광 발전시스템에서 측정된 5개월(2022년 4월~8월)의 발전량을 비교할 경우, 2.6%의 차이만을 보이고 있어 비교적 정확한 시뮬레이션 분석이 진행된 것으로 분석되었다.

Fig. 5 Monthly electricity generation of BIPV system.

Fig. 6 Comparison of experimental and simulation electricity generation of BIPV system.

Table 2와 같이, 에너지 자립율을 분석한 결과, 주거 부분에서 주택에만 BIPV 시스템을 적용한 Case 1은 연간 발전량 113,960.4 kWh, 에너지자립율 75.77%, 제로에너지건축물인증 3등급으로 목표를 충족할 수 없는 조건으로 나타났다. 주택에 주차장을 포함시킨 Case 2도 에너지자립율이 82.95%, 제로에너지건축물 2등급으로 목표를 충족하지 못했다. 주택에 보행로를 포함시킨 Case 3은 에너지자립율이 102%, 제로에너지건축물 1등급으로 분석되어 목표를 달성할 수 있는 조건으로 나타났다. 주택, 주차장, 보행로를 모두 활용한 Case 4도 에너지자립율이 109.3%, 제로에너지건축물 1등급을 충족하였다. 따라서 주거 부분의 제로에너지건축물인증 목표를 달성하기 위해서는 최소 주택과 보행로를 활용하여 BIPV시스템을 적용해야 하는 것으로 나타났으며, 이 조건에 주차장을 포함시킨다면 BIPV시스템의 잉여 발전량이 1차에너지 소비량 대비 9.3% 발생하는 것으로 나타났다. 이 잉여 발전량으로 주거 부분의 에너지공유 시 활용될 수 있을 것으로 보인다. 커뮤니티센터인 Case 5는 지붕면과 벽면을 대상으로 적용가능한 모든 부위에 BIPV시스템을 적용할 경우, 에너지자립율이 171.7% 로 제로에너지건축물 1등급을 충족하는 것으로 분석되었다. 결과적으로 Case 6과 같이, 스마트빌리지에 전체 태양광을 설치할 경우, 120.5%의 제로에너지율을 보일 수 있는 것으로 분석되었으며, 제로에너지건축물 1등급을 충족시킬 수 있는 것으로 분석되었다.