3. 난방 방식에 따른 단계별 자립률
3.1 지역난방 단지
[그림 3-1] 지역난방 시스템의 에너지 공급 개념도
그림 3-1은 지역난방 단지의 에너지 공급 시스템 개념도를 나타내고 있다. 지 역난방 단지의 경우 기본적으로 지역난방 시스템으로부터 공급되는 중온수를 이 용하여 각 단지 또는 동의 기계실에 위치한 열교환기를 통하여 난방과 급탕에 필요한 열량을 취득하게 된다. 따라서 지역난방 단지에서는 연료전지에서 발생 한 배열을 회수하여 열교환을 거쳐 세대별로 공급하는 난방관과 급탕관에 연결 하여 지역난방으로 부터의 수열량을 감소하는 방안을 검토하였다. 아울러 전력 부하에 대해서는 태양광 발전과 연료전지로부터 생산되는 전력을 공용부 또는 각 세대에 공급하는 형태로 시스템 구성을 설정하였다.
(1) 표준형
표 3-10은 표준형 단지의 등급용 1차에너지 소요량 산정결과를 나타내고 있다.
등급용 1차 에너지 소요량 측면에서는 현 설계 수준으로 검토 시 약 125kWh/
㎡로 산정되어 에너지 효율등급 측면에서는 1등급에 해당하는 단지를 의미한다.
한편, 2022년의 단열기준을 적용하고 기타 고효율 설비를 적용하는 것을 고려한 다면 약 108Wh/㎡로 현재 수준 대비 약 15%의 성능개선을 기대할 수 있을 것 으로 분석 되었다. 추가적으로 태양광 발전 시스템을 설치할 경우 92.7kWh/㎡
로 성능이 향상되며, 해당 수치는 에너지 효율등급 1+에 해당 되지만 제로 에 너지 건축물 인증제에 대응하기 기본조건을 만족하지 못함을 알 수 있다.
따라서 지역난방 지구의 표준형 주택이 제로에너지 건축물 인증제를 만족하기 위해서는 기존의 태양광 발전 시스템 이외에 추가적인 신재생 에너지 시스템의 도입이 필요함을 의미한다. 10kW 급의 연료전지를 적용할 경우 등급용 1차에너 지 소요량은 약 82.9kWh/㎡가 되지만 신재생 에너지 시스템 적용을 통한 에너 지 자립률은 약 17% 수준으로 최소기준 20%에 도달하지 못하는 것으로 분석 되었다. 결과적으로 표준형 지역난방 단지의 경우 최소기준 20%를 달성하기 위 해서는 30kW급의 연료전지를 적용이 필수적임을 알 수 있으며, 이때 기대되는 에너지 자립률은 약 23.5% 이다.
아울러 연료전지 용량을 50kW, 100kW로 상향할 경우 등급용 1차 에너지 소요 량은 각각 52kWh/㎡, 30.5kWh/㎡로 개선 되며 이때 기대되는 에너지 자립률은 28.4%, 36.1%로 산정되었다. 결과적으로 본 연구에서 검토한 연료전지 용량의 최대값인 100kW 시스템을 설치하여도 등급상향으로는 이어지지 않는것으로 분 석 되었으며 등급상향을 위해서는 100kW 이상의 대용량 연료전지 시스템의 설 치가 필요할 것으로 예상할 수 있다.
구 분 신재생 난방 급탕 조명 환기 합계
BASE[현 설계] 32.7 36.0 40.2 15.8 124.7
1단계[패시브] 30 36.0 40.2 15.8 122.0
2단계[액티브] 31.8 36.0 25.1 15.8 108.7
3단계[태양광] 31.0 35.5 16.0 10.1 92.7
4단계 [연료전지]
10 30.2 42.8 6.0 3.8 82.9
30 33.0 48.6 (-)9.1 (-)5.7 66.8
50 34.9 55.6 (-)23.6 (-)14.9 52.0 100 43.5 58.1 (-)43.6 (-)27.5 30.5 [표 3-10] 지역난방 표준형 단지의 단계별 에너지 소비량 상세 (등급용 1차에너지 소요량)
구 분 신재생 난방 급탕 조명 환기 합계 자립률 ZE
등급 BASE[현 설계] 32.7 36.0 40.2 15.8 124.7
1단계[패시브] 30 36.0 40.2 15.8 122.0
2단계[액티브] 31.8 36.0 25.1 15.8 108.7 3단계[태양광] (-)16.0 31.0 35.5 16.0 10.1 92.7
4단계 [연료전지]
10 (-)19.4 30.2 50.1 6.0 3.8 90.2 17.69 30 (-)26.0 36.7 62.6 (-)9.1 (-)5.7 84.6 23.54 5 50 (-)31.7 41.6 76.9 (-)23.6 (-)14.9 80.0 28.37 5 100 (-)40.8 60.2 58.1 (-)43.6 (-)27.5 30.5 36.04 5 [표 3-11] 지역난방 표준형 단지의 단계별 에너지 소비량 상세 (1차에너지 소요량)
구분 BASE (현 설계)
1단계 (패시브)
2단계 (액티브)
3단계 (태양광)
4단계 (연료전지)
에너지 요구량 77.6 74.5 71.0 71.0 71.0
에너지 소요량 111.3 107.7 104.5 98.7 119.8
1차에너지 소요량 124.7 122.0 108.7 92.7 72.3
등급용 1차에너지 소요량 (등급)
124.7 (1)
122.0 (1)
108.7 (1+)
92.7 (1+)
30.5 (1+++)
1차에너지생산량 0 0 0 (-)16.0 (-)40.8
1차에너지소비량 124.7 122 108.7 108.72 113.07
에너지 자립률 0 0 0 14.73 36.04
에 너 지 성 능
외 피 성 능
외벽 0.17 0.15 좌동 좌동 좌동
창호
(간) 1.4 1.2 좌동 좌동 좌동
창면적비(%) 25.2
기밀성능 6회
열회수효율
(난방) 75% 좌동 좌동 좌동 좌동
조명밀도W/m2 8 좌동 5 좌동 좌동
태양광(효율) 미적용 좌동 좌동 408㎡
(20%) 좌동
연료전지 미적용 좌동 좌동 좌동 100kW
제로에너지 등급 - - - - 5등급
[표 3-12] 지역난방 표준형 단지의 단계별 자립률 달성 수준
(2) 고밀형
표준형에 비하여 고밀형 단지의 가장 큰 특징은 동당 세대수가 표준형의 150세 대/동에 비하여 217세대/동으로 동별 세대수가 약 30% 많은 단지이다. 결과적 으로 1개 동에 포함된 세대수가 높은 고층의 단지로 구성되어 있기 때문에 태양 광 발전 설비를 설치할 수 있는 면적의 차이로 이어질 수 있다.
표 3-13은 고밀형 지역난방 단지를 대상으로 검토한 단계별 등급용 1차에너지 소요량의 분석결과이다. 고밀형 단지의 경우 설계 수준으로 검토 시 약 116kWh/㎡로 산정되었으며 해당 수치는 에너지 효율등급 측면에서 1+등급에 해당된다. 단열기준 강화, 패시브 요소 적용 및 태양광 발전 시스템을 단계별로 적용하게 되면 등급용 1차 에너지 소요량은 약 87.6kWh/㎡ 까지 개선이 되는 것을 알수 있다.
그러나 태양광 발전 설비만으로는 에너지 효율등급의 기준을 만족하더라도 에너 지 자립률 측면에서는 13.9% 수준으로 제로 에너지 건축물 인증제 대응이 불가 능한 상황으로 분석되었다. 제로에너지 건축물 인증제에 대응하기 위해서는 표 준형과 마찬가지로 연료전지의 도입을 통하여 기대할 수 있으며, 구체적으로는 연료전지 50kW 급을 설치하였을 경우 에너지 자립률 23.1%, 등급용 1차 에너 지 소요량 62kWh/㎡을 기대할 수 있을 것으로 분석 되었다. 아울러 연료전지를 100kW 설치할 경우 에너지 자립률은 약 30%까지 상승하게 되나 제로 에너지 건축물 인증제 측면에서는 등급의 변화까지는 이어지지 않는 것으로 나타났다.
[표3-14,15]
구 분 신재생 난방 급탕 조명 환기 합계
BASE[현 설계] 30.5 31.1 40.2 14.6 116.4
1단계[패시브] 29.0 31.1 40.2 14.6 114.8
2단계[액티브] 30.9 31.1 25.1 14.6 101.7
3단계[태양광] 30.3 30.5 16.9 9.8 87.6
4단계 [연료전지]
10 29.8 34.9 10.7 6.2 81.6
30 32.0 38.2 0.7 0.4 71.3
50 33.3 42.3 (-)8.6 (-)5.0 62.0
100 39.6 45.2 (-)25.6 (-)14.9 44.3
[표 3-13] 지역난방 고밀형 단지의 단계별 에너지 소비량 상세 (등급용 1차에너지 소요량)
구 분 신재생 난방 급탕 조명 환기 합계 자립률 ZE
등급 BASE[현 설계] 30.5 31.1 40.2 14.6 116.4
1단계[패시브] 29.0 31.1 40.2 14.6 114.8 2단계[액티브] 30.9 31.1 25.1 14.6 101.7
3단계[태양광] (-)14.1 30.3 30.5 16.9 9.8 87.6 13.86
-4단계 [연료전지]
10 (-)16.1 29.8 39.3 10.7 6.2 86.0 15.80 -30 (-)20.4 34.7 46.7 0.7 0.4 82.5 19.81 -50 (-)24.0 38.0 55.3 (-)8.6 (-)5.0 79.6 23.14 5 100 (-)31.3 51.6 62.3 (-)25.6 (-)14.9 73.4 29.88 5 [표 3-14] 지역난방 고밀형 단지의 단계별 에너지 소비량 상세 (1차에너지 소요량)
구분 BASE (현 설계)
1단계 (패시브)
2단계 (액티브)
3단계 (태양광)
4단계 (연료전지)
에너지 요구량 73.3 71.6 68.1 68.1 68.1
에너지 소요량 101.0 98.9 95.9 90.8 105.5
1차에너지 소요량 116.4 114.8 101.7 87.6 73.4
등급용 1차에너지 소요량 (등급)
116.4 (1+)
114.8 (1+)
101.7 (1+)
87.6 (1++)
44.3 (1+++)
1차에너지생산량 0 0 0 (-)14.1 (-)31.3
1차에너지소비량 116.37 114.79 101.7 101.65 104.67
에너지 자립률 0 0 0 13.86 29.88
에 너 지 성 능
외피 성능
외벽 0.17 0.15 좌동 좌동 좌동
창호 0.9 0.8 좌동 좌동 좌동
창면적비(%) 23.2
기밀성능 6회
열회수효율
(난방) 75% 좌동 좌동 좌동 좌동
조명밀도W/m2 8 좌동 5 좌동 좌동
태양광(효율) 미적용 좌동 좌동 591㎡
(20%) 좌동
연료전지 미적용 좌동 좌동 좌동 100kW
제로에너지 등급 - - - - 5등급
[표 3-15] 지역난방 고밀형 단지의 단계별 자립률 달성 수준
(3) 저밀형
표 3-16은 저밀형 단지의 등급용 1차 에너지 소요량의 산출 결과를 나타내고 있다. 표준형과 고밀형에 비하여 상대적으로 층수가 낮고 동별 가구수가 표준형 의 60%, 고밀형의 42% 수준인 저밀형 단지의 경우 타 단지에 비하여 세대당 지붕 면적이 상승하기 때문에 태양광 발전 시스템의 설치에 따른 효과가 클 것 으로 기대할 수 있다. 구체적으로는 1 세대당 설치할 수 있는 태양광 발전 시스 템의 설치 용량이 고밀형과 표준형의 약 2배에 해당 된다. 저밀형 단지의 경우 현재의 설계 수준으로 검토 시 약 134kWh/㎡로 산정되었으며 해당 수치는 에너 지 효율등급 측면에서 1등급에 해당된다.
표준형과 고밀형에 비하여 상대적으로 등급용 1차 에너지 소요량이 높은 이유로 는 저층형과 동수가 타 단지에 비하여 약 2배이상 많기 때문에 외피면적의 증가 로 인하여 상대적으로 1차 에너지 소요량이 높게 산출 되었다. 타 단지와 동일 하게 단열기준 강화, 패시브 요소 적용 및 태양광 발전 시스템을 단계별로 적용 할 경우 등급용 1차 에너지소요량은 약 78kWh/㎡, 에너지 자립률은 약 34.6%
로 태양광 발전 시스템만으로도 제로 에너지 건축물 인증제 5등급을 기대할 수 있을 것으로 분석 되었다. 추가적으로 연료전지 시스템을 적용할 경우 30kW 시 스템 까지는 에너지 자립률이 약 39.2% 수준이었으나 50kW를 초과하게 되면 에너지자립률이 40% 이상 확보되기 때문에 제로에너지 건축물 인증제 4등급을 기대할 수 있는 것으로 나타났다. 다만 연료전지 시스템의 경우 가스를 연료로 하기 때문에 10kW 당 에너지 자립률의 개선 효과는 약 1% 수준으로 분석되었 다.
구 분 신재생 난방 급탕 조명 환기 합계
BASE[현 설계] 46.0 33.8 40.2 14.5 134.5
1단계[패시브] 43.6 33.8 40.2 14.5 132.0
2단계[액티브] 46.0 33.8 25.1 14.5 119.5
3단계[태양광] 42.9 32.3 1.9 1.1 78.1
4단계 [연료전지]
10 42.1 36.5 (-)3.9 (-)2.3 72.4
30 43.5 39.8 (-)13.1 (-)7.6 62.6
50 44.2 43.8 (-)21.8 (-)12.6 53.7
100 50.2 46.5 (-)38.9 (-)22.4 35.3
[표 3-16] 지역난방 저밀형 단지의 단계별 에너지 소비량 상세 (등급용 1차에너지 소요량)
구 분 신재생 난방 급탕 조명 환기 합계 자립률 ZE
등급 BASE[현 설계] 46.0 33.8 40.2 14.5 134.5
1단계[패시브] 43.6 33.8 40.2 14.5 132.0 2단계[액티브] 46.0 33.8 25.1 14.5 119.5
3단계[태양광] (-)41.3 42.9 32.3 1.9 1.1 78.1 34.59 5
4단계 [연료전지]
10 (-)43.3 42.1 40.7 (-)3.9 (-)2.3 76.6 36.09 5 30 (-)47.3 46.0 47.9 (-)13.1 (-)7.6 73.3 39.23 5 50 (-)50.7 48.6 56.2 (-)21.8 (-)12.6 70.5 41.85 4 100 (-)58.3 62.6 62.9 (-)38.9 (-)22.4 35.3 47.64 4 [표 3-17] 지역난방 저밀형 단지의 단계별 에너지 소비량 상세 (1차에너지 소요량)
구분 BASE (현 설계)
1단계 (패시브)
2단계 (액티브)
3단계 (태양광)
4단계 (연료전지)
에너지 요구량 84.8 82.3 79.1 79.1 79.1
에너지 소요량 124.5 121.2 119.0 104.0 118.5
1차에너지 소요량 134.5 132.0 119.5 78.1 64.1
등급용 1차에너지 소요량 (등급)
134.5 (1)
132.0 (1)
119.5 (1+)
78.1 (1++)
35.3 (1+++)
1차에너지생산량 0 0 0 (-)41.3 (-)58.3
1차에너지소비량 134.48 132.04 119.45 119.45 122.45
에너지 자립률 0 0 0 34.59 47.64
에 너 지 성 능
외피 성능
외벽 0.17 0.15 좌동 좌동 좌동
창호 0.9 0.8 좌동 좌동 좌동
창면적비(%) 19
기밀성능 6회
열회수효율(난방) 75% 좌동 좌동 좌동 좌동
조명밀도W/m2 8 좌동 5 좌동 좌동
태양광(효율) 미적용 좌동 좌동 1,803㎡
(20%) 좌동
연료전지 미적용 좌동 좌동 좌동 100kW
제로에너지 등급 - - - 5등급 4등급
[표 3-18] 지역난방 저밀형 단지의 단계별 자립률 달성 수준