A Study on the Optimization of a Renewable Energy System in Fire Station Buildings

소방서건물의 신재생에너지시스템 최적화에 관한 연구

이용호*, 홍준호**, 조영흠***, 황정하****

*경북대학교 건축토목공학부([email protected]), **([email protected]), ****([email protected])

***금오공과대학교 건축학부([email protected])

A Study on the Optimization of a Renewable Energy System in Fire Station Buildings

Lee, Yong-Ho* Hong, Jun-Ho** Cho, Young-Hum*** Hwang, Jung-Ha****

*School of Architecture & Civil Engineering, Kyungpook National University([email protected]),

**School of Architecture & Civil Engineering, Kyungpook National University([email protected]),

***School of Architecture, Kumoh National Institute of Technology University([email protected]),

****School of Architecture & Civil Engineering, Kyungpook National University([email protected])

Abstract

This study set out to evaluate the economy, environmentality, and complexity (economy+environmentality) of fire station buildings of public service facilities and propose ways to apply the optimization of renewable energy system to fire station buildings. As for economy according to life cycle costs, economy increased when the application percentage of the geothermal and solar heat system increased over the three renewable energy system types (geothermal, solar heat, and solar photovoltaic). On the other hand, economy decreased when the application percentage of the solar photovoltaic system increased. As for environmentality according to tons of carbon dioxide, environmentality decreased when the application percentage of the geothermal and solar heat system increased.

Environmentality increased when the application percentage of the solar photovoltaic system increased.

As for complexity (economy+environmentality) according to the weighted coefficient method, complexity increased when the application percentage of the geothermal system increased. It was highest at the combination of the solar heat system (20%) and geothermal system (80%). On the other hand, complexity decreased when the application percentage of the solar photovoltaic system increased. It was lowest at the combination of the solar photovoltaic system (80%) and geothermal system (20%).

Keywords : 신재생에너지시스템(Renewable Energy System), 총에너지사용량(Total Energy Usage), 생애주기비용 (Life Cycle Cost), CO



배출량(Ton of Carbon Dioxide), 가중계수법(Weighted Coefficient Method) [논문] 한국태양에너지학회 논문집

Journal of the Korean Solar Energy Society

Vol. 33, No. 1, 2013 I S S N 1 5 9 8 - 6 4 1 1 http://dx.doi.org/10.7836/kses.2013.33.1.001

Submit date : 2012. 12. 1, Judgment date : 2012. 12. 10, Publication decide date : 2013. 1. 25 Communication author : Hwang, Jung-Ha([email protected])

1. 서 론

1.1 연구배경 및 목적

세계 10대 에너지 소비국 가운데 하나인 우리나라는 전 세계적인 기후변화에 따른 문 제 해결 노력의 일환으로 ‘녹색성장’이라는 정책이념 아래 전체 에너지소비의 30%를 차지하고 있는 건물에너지를 절감하고자 건 물에너지 관련법과 규정을 강화하고 있다.

이러한 건물에너지절약 정책으로 기존의 화 석에너지를 대체할 수 있는 신재생에너지의 적극적 도입을 유도하고자 공공기관이 신·

증·개축하는 연면적 1,000㎡이상 건물에 총 에너지사용량의 10%이상을 신재생에너지로 공급하도록 하는 신재생에너지 이용·보급·

촉진법

¹⁾

을 제시하고 있다.

현행, 신재생에너지 이용·보급·촉진법에 의한 신재생에너지시스템 설계는 단위에너지생산 량과 원별보정계수 산정식을 이용하여 설계용 량이 결정됨에 따라 건물의 용도특성과 태양 일사량, 외기기온, 지중온도 등과 같은 환경인자 및 기기효율이 적용된 실제 건물의 총에너지생 산량과는 다소차이가 발생하므로, 시스템 최적 화를 위한 총에너지사용량의 도출을 통하여 신 재생에너지 설계에 반영할 필요성이 요구된다.

따라서 본 연구는 건축물 관련 법․규정을 만족하는 공공용 업무시설 가운데 소방서 용도의 대상건물에 대한 시뮬레이션을 실시 하여, 신재생에너지시스템의 적용방안을 제 안한 후, 건축물의 전생애주기비용(LCC: Life Cycle Cost)에 따른 경제성과 CO



발생량 (TCO



: Ton of Carbon Dioxide)에 따른 환 경성 및 가중계수법(WCM: The Weighted Coefficient Method)을 통한 복합성을 평가 하여 시스템간의 상호보완성이 고려된 소방 서 건물의 신재생에너지 최적화 적용방안을 제시하였다.

1) 신․재생에너지 설비의 지원 등에 관한지침 공고 제2012-7호 신․재생에너지 설비의 지원등에 관한 기준 별표3

1.2 연구의 방법 및 범위

본 연구는 공공용 업무시설 가운데 소방 서 건물에 신재생에너지시스템의 최적화 적 용을 위한 연구로서 연구방법과 범위는 다 음과 같다.

(1) 국내 소방서 건물의 건립현황과 평균연 면적 및 연면적별 신재생에너지 적용현 황 분석을 통하여 전형적인 평면형태의 대상건물을 선정하였다.

(2) Energy Plus Ver 7.1 시뮬레이션 툴을 이용하여 대상건물의 총에너지사용량을 분석하고, 시뮬레이션의 신뢰성을 검증하 고자 현장조사를 통한 대상건물의 연간 전력사용량과 연료사용량을 실측하여 시뮬 레이션 계산치와 상호비교 분석하였다.

(3) 시뮬레이션을 통하여 얻어진 대상건물의 총에너지사용량을 바탕으로 신재생에너 지 공급의무비율 10%에 해당하는 신재 생에너지생산량을 도출하고 건물 용도특 성에 적합한 신재생에너지시스템 적용방 안을 제시하였다.

(4) 신재생에너지시스템 적용방안별 경제성 과 환경성을 분석한 후, 가중계수법에 따라 등급별로 배점을 부여하여 복합성에 따른 신재생에너지시스템의 최적화 방안을 도출하였다.

2. 소방서 건물의 현황과 대상건물선정 2.1 국내 소방서 건물의 건립현황분석 국내 소방서 건물의 건립현황을 살펴보면, Fig. 1과 같이 2000년대 이전에는 평균연면 적 1,571∼3,212㎡범위내 129곳의 건물이 건 립된 반면, 2000년대 이후에는 잦은 재난·재 해의 발생과 주민복합민원 서비스 확대 등으로 평균연면적 4,203㎡이상의 소방서 건물이 78곳 건립되었으며, 최근 신축되는 소방서 건물은 종합방재센터라는 개념의 도입으로 인하여 건립규모가 점차 증가되고 있는 추세이다.

Fig. 1 The construction and total floor area of fire stations

2012년 11월 현재 Fig. 2와 같이 194개의 소방서가 운영되고 있으며, 연면적 3,000㎡미 만의 건물은 85곳으로 전체 소방서 건립 수 가운데 44%를 차지하고, 3,000㎡이상인 건물 은 109곳으로 66%를 차지하며, 이 가운데 연 면적 3,000㎡이상 4,000㎡미만의 소방서는 건 립수가 55곳으로 28%를 차지하고 있다.

한편, 소방서 건물 연면적별 신재생에너 지시스템 적용현황은 신재생에너지시스템이 적용된 소방서 건물은 전체 건물 194곳 가 운데 24곳(12%)으로 연면적 3,000㎡∼4,000

㎡미만 55곳 가운데 10곳(18.1%)이며, 4,000

㎡∼5,000㎡미만 47곳 가운데 9곳(19.1%), 5,000㎡∼6,000㎡미만 10곳 가운데 3곳 (30%), 6,000㎡이상 8곳 가운데 2곳(25%)인 것으로 나타났다.

Fig. 2 The application of renewable energy according to the total floor area of fire station building

2.3 대상건물선정

건물 총에너지사용량에 따른 신재생에너 지시스템 적용방안을 제시하기 위하여 앞서 조사된 자료를 바탕으로 평균 연면적 3,000

∼5,000㎡범위내의 전형적인 평면형태의 건 물을 대상으로 선정하였다.

선정된 대상건물은 아래 Table 1과 같이 연면적이 4,420㎡이며, 2개 동의 건물로 이 루어져 있으며 본관(A동)은 지하 1층, 지상 3층으로 업무시설과 민원실 및 숙소로 구성 되어 있고, 별관(B동)은 지하 1층, 지상 2층 으로 체력단련실과 식당 및 화재진압 장비 실로 구성되어 있다. 또한, 설비시스템은 소 방서 건물의 사용 특성에 맞추어 제어가 용 이한 전기히트펌프(EHP : Electric Heat Pump)시스템 냉·난방기기와 조명기기 및 사무기기가 각 실별로 설치되어 있다.

내용 위치 충청북도 충주시 용도 공공용 업무시설 건물규모

A동지하1층, 지상3층 B동 지하1층, 지상2층 건축면적 9,737㎡

연면적 4,420㎡

방위 정남향 시스템설비 개별공조 EHP

중앙급탕 A동 평면도 B동 평면도 Table. 1 The overview and planar form of the subject building

3. 대상건물의 에너지사용량 예측 3.1 에너지사용량 분석

건물 총에너지사용량을 예측하는 방법은 다양한 방법이 있으나, 본 연구에서는 Sketch-Up과 연동되는 Open- Studio방식 의 Energy Plus 7.1ver 프로그램 툴을 이용 하여 실용도별로 열적구획에 맞춰 Zonning 계획을 실시한 후, Fig. 3과 같이 건물 모델 링을 실시하였다.

Fig. 3 The modeling of the subject fire station building

구분 적용 시스템

EHP

성능 냉방(11.4kW), 9,732㎉/h 난방(13.1kW), 12,108㎉/h 개수

일반업무실(15Ea) 민원처리실(5Ea) 당직자숙소(4Ea), 기타(3Ea)

조명기기 조도 일반업무실 및 민원실: 400lx

복도 및 기타 공간: 100lx 주방 및 식당: 200lx

재실인원 근무

형태

주간상시근무 : 22명 교대근무인원 : 32명

기상조건 충주시 기상청 데이터

전기사용량

일반업무실 3 W/㎡

건물의 실제 사용 스케줄 적용

민원처리실 5 W/㎡

당직자숙소 2 W/㎡

주방/식당 500 W

급탕

일반사용 1 ton

숙소사용 3 ton

주방사용 2 ton

급수 사용방법에 따른 존별 스케줄 적용

가스 주방 조리 용도의 존별 스케줄 적용

Table. 2 The modeling boundary conditions of the subject building

건물 모델링 경계조건은 Table 2와 같이 건물 설계도면과 현장조사를 통하여 얻어진 냉방능력(11.4㎾)·난방능력(13.1㎾)인 EHP 27대 와 실내재실인원 54명(상시근무:22명, 교대 근무:32명), 조명기기 조도 100∼400㏓를 기 준으로 기상청에서 제공받은 충주지역 기상 데이터를 기반으로 전기사용량과 급탕·급수 및 가스 사용량에 따른 건물의 실제 사용 스케줄을 적용하여 분석하였다.

Fig. 4와 같이 대상건물의 연간 총에너지 사용량은 323,782㎾h/yr로 냉방부하에 따른 사용량은 98,566㎾h/yr (30.1%)이며, 난방부 하에 따른 사용량은 67,316㎾h/yr (20.8%), 조명기기부하에 따른 사용량은 41,721㎾h/yr (12.9%), 사무기기부하에 따른 사용량은 52,552

㎾h/yr (16.2%), 기계장치부하에 따른 사용 량은 49,712㎾h/yr (15.4%), 급수·급탕부하 에 따른 사용량 13,915㎾h/yr (4.3%)로 냉방 부하에 따른 에너지사용량이 난방부하에 따 른 에너지사용량보다 9.3% 정도 높은 것으 로 나타났다.

Fig. 4 Total energy consumption of the subject fire station building

3.2 계산치에 대한 신뢰도 검증

시뮬레이션 결과의 신뢰도를 확보하고자 대상건물의 연간 전력사용량과 연료사용량 을 실측하여 시뮬레이션 결과와 상호비교 한 후, 상관도 분석을 실시하였다.

Fig. 5는 대상건물에 대하여 2011년 1월부 터 12월까지의 총에너지사용량을 비교한 것 으로 전력사용량(㎾h)의 경우, 1월부터 6월까 지는 계산치가 실측치보다 높게 나타난 반면, 10월부터 12월은 실측치가 계산치보다 높게 나타나, 계산치가 실측치보다 전력사용량이 5,785㎾h(1.9%) 많은 것으로 나타났다.

Fig. 5 Monthly comparison between the actual measured and calculated total energy consumption

연료사용량(㎾h)은 계산치의 경우, 1월∼

12월 동안 급탕시설이 가동한 것으로 스케 줄이 적용된 반면, 실측치의 경우, 7월∼10 월 4개월 동안 당직실 및 의용소방대원 숙 소의 시설공사로 인하여 급탕시설 사용이 중단되어 계산치가 실측치보다 연료사용량이 1,533㎾h(11.2%) 많게 나타나 전체적인 대상건 물의 총에너지사용량은 실측치는 316,450㎾h/yr 이며, 계산치는 323,782㎾h/yr로 계산치가 실측치 보다 7,332㎾h/yr(2.3%) 높은 경향을 나타냈다.

한편, 신뢰도 확보를 위한 상관도 분석은 Fig. 6과 같이 회귀분석 선형 2차함수식을 이 용하여–1≦R≦+1 사이의 계수 가운데 상관 계수 R(Correlation coefficient)지표가 0.6이상 이며, 결정계수 R² (Coefficient of determination) 지표가 0.36이상일때, 상관관계가 있는 것으 로 판단하였다.

대상건물의 총에너지사용량 실측치와 계 산치에 따른 상관관계를 검토한 결과 상관 계수는 R=0.81이며, 결정계수는 R²=0.65로

높은 상관성을 보여, 시뮬레이션에 대한 신 뢰도가 높은 것으로 판단된다.

Fig. 6 Correlation diagram of actual and calculated measurement of total energy consumption

4. 신재생에너지 시스템의 적용 4.1 신재생에너지 시스템의 적용방안 대상건물의 총에너지소비량 323,782㎾h/yr 을 기준으로 신재생에너지 공급의무비율 10%

²⁾

에 해당하는 32,400㎾h/yr 에너지를 생 산할 수 있는 신재생에너지시스템 적용방안 [C

^01∼66

]을 Fig. 7과 같이 제안하였다.

태양광 태양열

태양광 에너지 생산량 (㎾h/yr)

0 3,240 6,480 9,720 12,960 16,200 19,440 22,680 25,920 29,160 32,400

0

C

01

C

02

C

03

C

04

C

05

C

06

C

07

C

08

C

09

C

10

C

11

32,400 29,160 25,920 22,680 19,440 16,200 12,960 9,720 6,480 3,240 0 3,240

C

12

C

13

C

14

C

15

C

16

C

17

C

18

C

19

C

20

C

21

29,160 25,920 22,680 19,440 16,200 12,960 9,720 6480 3,240 0 6,480

C

22

C

23

C

24

C

25

C

26

C

27

C

28

C

29

C

30

25,920 22,680 19,440 16,200 12,960 9,720 6,480 3,240 0 9,720

C

31

C

32

C

33

C

34

C

35

C

36

C

37

C

38

22,680 19,440 16,200 12,960 9,720 6,480 3,240 0 12,960

C

³⁹

C

⁴⁰

C

⁴¹

C

⁴²

C

⁴³

C

⁴⁴

C

⁴⁵

19,440 16,200 12,960 9,720 6,480 3,240 0

16,200

C

⁴⁶

C

⁴⁷

C

⁴⁸

C

⁴⁹

C

⁵⁰

C

^{51 적용시스템}

16,200 12,960 9,720 6,480 3,240 0

1가지 2가지 3가지

19,440

C

52

C

53

C

54

C

55

C

56 12,960 9,720 6,480 3,240 0 22,680

C

57

C

58

C

59

C

60

9,720 6,480 3,240 0 25,920

C

⁶¹

C

⁶²

C

⁶³

6,480 3,240 0 29,160

C

⁶⁴

C

⁶⁵

3,240 0 32,400

C

66

0

Fig. 7 Application classification of renewable energy systems

2) 지식경제부 제2012-154호, 공공기관 에너지이용합리화 춘진에 관한 규

정 및 해설서, 공공기관 신재생에너지이용 의무화 관련제도.

적용분류표에서 가로축(X

0∼100%

)은 태양광 시스템, 세로축(Y

0∼100%

)은 태양열시스템, 대 각선축(Z

0∼100%

)은 지열시스템의 에너지생산 량(㎾h/yr)을 나타내며, 각 시스템조합에 따 른 에너지생산량의 합은 공급의무비율 10%

에 해당된다.

4.2 적용방안별 경제성 분석

적용방안별 전생애주기비용(LCC : Life Cycle Cost)

³⁾

에 따른 경제성분석은 신재생 에너지시스템 설비의 사용기간 동안 발생하 는 초기투자비용, 유지보수비용, 교체비용에 소요되는 총비용을 현재가치 기준으로 산정 하였다.

초기투자비용의 경우, EHP와 급탕보일러 등은 업체 견적을 기초로 공사비를 추정하 였으며, 신재생에너지시스템의 경우는 지식 경제부고시에 의한 2011년 원별기준단가

⁴⁾

를 적용하여 초기투자비용(



)을 추정하였다.

또한, 주기적으로 반복되어지는 유지보수비 용(



)과 교체비용(



)은 (1)∼(2)식을 적용 하여 산출하였으며, 실질할인율(^)은 국토해양 부고시 기준에 따른 (3)식에 Table 3

⁵⁾

의 명목 할인율과 물가상승율을 반영하여 산출하였다.

∙



   

   

^

  ⋯    

^



×





_

  

^

  

^

  





(1)

- P

MR

:유지보수비용 현재가치, n:년수 - ⅰ:실질할인율(물가), M:연간유지보수비용

∙







^

^

^×_

^

^_{  }



 





₍₂₎

3) 국토해양부, 2008 생애주기 비용 분석 및 평가요령

4) 지식경제부고시 제2011-3호 「신재생에너지설비의 지원 등에 관한 기 준」 제11조.

5) 이성락, 정남기, 이건기, 이승훈, 오명도, 공동주택 에너지절약성능에 따 른 LCC분석, 대한설비공학회 2010 동계학술발표대회 논문집, pp254-259.

2010.

- P

^R

:교체비용 현재가치, R

ⁿ

:순가치, -ⅰ:실질할인율(물가), n:년수

∙_{  }^{  }_{ }

^

^{ } (3) -ⅰ:실질할인율,ⅰn:명목할인율,:물가상승률

[단위: %]

분석기간 명목

할인율 물가

상승율 전기비 상승율 가스비

상승율 유가

상승율 20년 6.13 2.96 5.78 10.94 13.3

실질할인율(물가) 3.08

실질할인율(전기) 0.33

실질할인율(가스) 4.34

실질할인율(유류) 0.01

Table. 3 LCC analysis variables

에너지비용(



)은 분석기간 20년 동안의 전기와 유류 및 가스사용에 따른 소요비용으 로 (4)식에 적용하여 현재가치로 산정하였다.

∙







^_{ }





_

(4)

- Pv:에너지비용 현재가치, Nv:순가치, -ⅰ:실질할인율(전기, 유류, 가스), n:년수

경제성(LCC) 분석을 위한 적용방안별 총 비용의 현재가치는 초기투자비용(



)에 (1)∼

(4)식을 통하여 산정된 유지보수비용(



)과 교체비용(



) 및 에너지비용(



)을 합산하여 현재가치로 산정하였다.

∙^

_

^

_

^

_

^

_

(5) - P

^I

:초기투자비용,

- P

MR

:유지보수비용 현재가치, - P

R

:교체비용 현재가치, - Pv:에너지비용 현재가치

적용방안에 따른 경제성은 Fig. 8과 같이

지열을 단일시스템으로 적용한 경우에 초기 투자비용(



) 65%, 유지보수비용(



) 0.3%, 교체비용(



) 23.1%, 에너지비용(



) 1.7%의 총 337,925,700원이 소요되며, 태양열 단일시 스템의 경우는 초기투자비용(



) 66.4%, 유지 보수비용(



) 0.5%, 교체비용(



) 23.7%, 에 너지비용(



) 9.4%인 총 401,914,000원이 소 요되었고, 태양광 단일시스템은 초기투자비 용(



) 72%, 유지보수비용(



) 0.5%, 교체비 용(



) 25.7%, 에너지비용(



) 1.7%인 총 1,990,272,080원이 소요되어 지열과 태양열의 비중이 증가할수록 경제성이 향상되는 반면, 태양광의 비중이 증가되면 경제성이 감소되 는 경향을 나타냈다.

단위:[천원]

태양광 태양열

태양광 에너지 생산량 (㎾h/yr)

0 3,240 6,480 9,720 12,960 16,200 19,440 22,680 25,920 29,160 32,400

0

C

01

C

02

C

03

C

04

C

05

C

06

C

07

C

08

C

09

C

10

C

11

337,925 503,189 668,420 833,652 998,883 1,164,115 1,329,346 1,494,620 1,659,903 1,825,207 1,990,272 3,240

C

12

C

13

C

14

C

15

C

16

C

17

C

18

C

19

C

20

C

21

343,455 508,773 674,004 839,236 1,004,467 1,169,699 1,334,930 1,500,162 1,665,739 1,830,789 6,480

C

22

C

23

C

24

C

25

C

26

C

27

C

28

C

29

C

30

349,703 514,966 680,197 845,429 1,010,660 1,175,893 1,341,136 1,506,396 1,671,679 9,720

C

31

C

32

C

33

C

34

C

35

C

36

C

37

C

38

356,139 521,402 686,634 851,865 1,017,097 1,182,329 1,347,573 1,512,833 12,960

C

39

C

40

C

41

C

42

C

43

C

44

C

45

362,645 527,908 693,139 858,371 1,023,602 1,188,834 1,354,078

16,200

C

46

C

47

C

48

C

49

C

50

C

51 Economy

369,201 534,432 699,664 864,895 1,030,127 1,195,359

19,440

C

52

C

53

C

54

C

55

C

56 High Middle Low

375,732 540,963 706,195 871,427 1,036,658 22,680

C

57

C

58

C

59

C

60

382,274 547,505 712,737 877,968 25,920

C

61

C

62

C

63

388,819 554,051 719,282 29,160

C

64

C

65

395,363 560,594 32,400

C

66

401,914

Fig. 8 Economy according to the application of renewable energy system

4.3 적용방안별 환경성 분석

적용방안별 CO



배출량(TCO



: Ton of Carbon Dioxide)에 따른 환경성 분석의 경우, 본 논문에서는 적용방안별 신재생에너지시스템 태양광, 태양열, 지열 등의 시설(장치)생산(제 작)과 운영 및 폐기에 따라 발생하는 전생애 주기이산화탄소(LCCCO



)발생량 가운데 신재 생에너지시스템을 소방서 건물에 적용한 후,

시스템을 운영하여 절감된 총에너지사용량을 시뮬 레이션을 통하여 예측하여 IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)

⁶⁾

의 에너지원별 탄소 발생량식(6)에 따라 화석연료·전기에너 지량을 CO



배출량으로 산정하여 환경성을 평가하였다.

에너지원 단위

순발열량

MJ kcal 석유환산톤 (10^-3TOE) 실내등유 ℓ 34.3 8,200 0.820 도시가스(L.N.G) N㎥ 39.4 9,420 0.942 전 기(소비기준) kWh 9.6 2,300 0.230

Table. 4 Calories based on energy conversion

∙

TCO ² =

[{

Eu

(

㎾h

)×0.00023×0.558}+

{

Fu

(

l

)×0.00082×0.812}+

{

Gu

(

Nm³

)0.000942×0.637}]×44/12

- E

u

:전기사용량, Fu:유류사용량, Gu:가스사용량 (6)

단위: [TCO



^] 태양광

태양열

태양광 에너지 생산량 (㎾h/yr)

0 3,240 6,480 9,720 12,960 16,200 19,440 22,680 25,920 29,160 32,400

0

C

01

C

02

C

03

C

04

C

05

C

06

C

07

C

08

C

09

C

10

C

11

98.582 97.122 95.586 94.049 92.512 90.975 89.439 88.006 86.596 85.235 83.291 3,240

C

12

C

13

C

14

C

15

C

16

C

17

C

18

C

19

C

20

C

21

95.258 93.932 92.395 90.858 89.321 87.784 86.248 84.711 84.022 82.040 6,480

C

22

C

23

C

24

C

25

C

26

C

27

C

28

C

29

C

30

94.210 92.750 91.213 89.676 88.140 86.605 85.098 83.631 82.219 9,720

C

31

C

32

C

33

C

34

C

35

C

36

C

37

C

38

93.831 92.371 90.835 89.298 87.761 86.226 84.719 83.252 12,960

C

39

C

40

C

41

C

42

C

43

C

44

C

45

93.682 92.222 90.685 89.148 87.612 86.077 84.570

16,200

C

46

C

47

C

48

C

49

C

50

C

51 Environmentality 93.674 92.137 90.600 89.063 87.527 85.992

19,440

C

52

C

53

C

54

C

55

C

56 High Middle Low

93.611 90.274 90.537 89.001 87.464 22,680

C

57

C

58

C

59

C

60

93.582 92.046 90.509 88.972 25,920

C

61

C

62

C

63

93.567 92.030 90.493 29,160

C

64

C

65

93.545 92.008 32,400

C

66

93.547

Fig. 9 Environmentality according to the application of renewable energy system

6) 이산화탄소 발생양 계산: IPCC 2006 Guidelines.

적용방안에 따른 환경성은 Fig. 9와 같이 태양광 단일시스템을 적용한 경우, 전기사 용량(E



) 86.7%, 유류사용량(F



) 10.7%, 가 스사용량(G



) 2.6%로 총 83.291(TCO



)의 CO



가 배출되었으며, 태양열 단일시스템을 적용한 경우는 전기사용량(E



) 94%, 유류사 용량(F



) 3.8%, 가스사용량(G



) 2.2%로 총 93.547(TCO



)의 CO



가 배출되며, 지열 단일 시스템을 적용한 경우는 전기사용량(E



) 88.9%, 유류사용량(F



) 9%, 가스사용량(G



) 2.1%로 총 98.582(TCO



)의 CO



가 배출되 어 지열과 태양열의 비중이 증가할수록 환 경성이 감소되는 반면, 태양광의 비중이 증 가될수록 환경성이 향상되는 경향을 나타 냈다.

4.4 가중계수법에 따른 분석

대상건물에 신재생에너지시스템을 적용 할 경우, 건물형태와 사용특성에 따라 시스 템별 고려사항이 추가되어야하므로 시스템 선정에 어려움이 따른다. 이에 본 절에서는 신재생에너지시스템 적용방안별 경제성과 환경성 분석을 근거로 7척도로 구분한 후, 가중치를 적용하여 신재생에너지시스템 복 합적용에 따른 최적화 적용방안을 도출하고 자 하였다.

가중계수법(WCM: Weighted Coefficient Method)은 앞서 제안된 소방서 건물의 신 재생에너지시스템 적용방안[C01

∼66

]을 대상 으로 상위항목은 매우우수(5%), 우수(10%), 약간우수(20%)로 구분하고, 중간항목은 보 통(30%), 하위항목은 약간미흡(20%), 미흡 (10%), 매우미흡(5%)의 7척도로 분류하여 경제성과 환경성에 따른 배점(±3.0)을 합 산하여 복합성에 따른 신재생에너지시스 템의 최적화 적용방안을 도출하였다.

가중계수법에 의한 경제성의 우선순위는 Fig. 10과 같이 지열시스템의 비중이 클수 록 등급이 높은 반면, 태양광시스템의 비중

이 클수록 등급이 낮아지는 경향을 보이며, 매우우수 한 등급은 [C

01, 12, 22

]이며, 매우미 흡 한 등급은 [C

10, 11, 21

]인 것으로 나타났다.

환경성의 우선순위는 Fig. 11과 같이 태양 광시스템의 비중이 클수록 등급이 높은 반 면, 지열시스템의 비중이 커질수록 등급이 낮아지는 경향을 보이며, 매우우수 한 등급 은 [C

^{21, 30, 38}

]이며, 매우미흡 한 등급은 [C

^01,

02, 03

]인 것으로 나타났다.

매우우수 (5%) 우수

(10%) 약간우수 (20%) 보통

(30%) 약간미흡 (20%) 미흡

(10%) 매우미흡 (5%) +3.0 +1.5 +0.5 0 -0.5 -1.5 -3.0

C

59

C

03

C

63

C

05

C

40

C

06

C

14

C

16

C

66

C

04

C

07

C

47

C

17

C

52

C

02

C

24

C

15

C

26

C

18

C

08

C

31

C

09

C

⁵³

C

²⁷

C

57

C

19

C

12

C

25

C

10

C

³³

C

35

C

¹³

C

²⁸

C

³⁹

C

²⁰

C

⁰¹

C

¹¹

C

22

C

61

C

58

C

34

C

36

C

29

C

21

C

46

C

64

C

23

C

62

C

41

C

42

C

43

C

44

C

37

C

38

C

30

C

32

C

48

C

49

C

50

C

45

C

65

C

51

C

55

C

⁵⁴

C

56

C

60

Fig. 10 Economy according to the weighted coefficient method

매우우수 (5%) 우수

(10%) 약간우수 (20%) 보통

(30%) 약간미흡 (20%) 미흡

(10%) 매우미흡 (5%) +3.0 +1.5 +0.5 0 -0.5 -1.5 -3.0

C

34

C

17

C

16

C

15

C

⁰⁹

C

⁴⁷

C

08

C

06

C

10

C

07

C

66

C

27

C

40

C

45

C

51

C

26

C

²⁵

C

24

C

64

C

46

C

11

C

04

C

56

C

32

C

19

C

39

C

30

C

63

C

03

C

60

C

65

C

44

C

61

C

29

C

22

C

21

C

01

C

38

C

37

C

50

C

59

C

14

C

31

C

02

C

20

C

²⁸

C

36

C

43

C

55

C

54

C

62

C

05

C

57

C

¹³

C

12

C

18

C

49

C

48

C

58

C

52

C

35

C

23

C

41

C

42

C

53

C

33

Fig. 11 Environmentality according to the weighted coefficient method

가중계수법에 의한 경제성과 환경성을 근거 로 복합성을 평가한 결과 Fig. 12와 같이 단일 시스템 적용의 경우는 지열(100%)인 [C

01

]과 태양열(100%)인 [C

⁶⁶

]이 배점(0)으로 우수한 시스템으로 나타났으며, 2가지 시스템의 적용

의 경우는 태양열(10%)+지열(90%)인 [C

12

]와 태양열(20%)+지열(80%)인 [C

22

] 및 태양광 (80%)+태양열(20%)인 [C

30

] 그리고 태양광 (70%)+태양열(30%)인 [C

38

]가 배점(+1.5점)으 로 우수한 시스템으로 나타났다. 또한, 3가지 시스템의 적용의 경우는 태양광(60%)+태양열 (20%)+지열(20%)인 [C

28

]과 태양광(60%)+태 양열(30%)+지열(10%)인 [C

³⁷

]가 배점(+1.0)으 로 복합성이 우수한 시스템으로 나타났다.

단위:[배점]

.태양광 태양열

태양광 에너지 생산량 (㎾h/yr)

0 3,240 6,480 9,720 12,960 16,200 19,440 22,680 25,920 29,160 32,400

0

C

01

C

02

C

03

C

04

C

05

C

06

C

07

C

08

C

09

C

10

C

11

0 -2.5 -3.0 -1.5 -0.5 -0.5 -0.5 -1.5 -1.0 -2.5 -1.5

3,240

C

12

C

13

C

14

C

15

C

16

C

17

C

18

C

19

C

20

C

21

+1.5 -1.0 -0.5 0 0 -0.5 0 0 0 0

6,480

C

22

C

23

C

24

C

25

C

26

C

27

C

28

C

29

C

30

+1.5 0 0 0 0 0 +1.0 0 +1.5

9,720

C

31

C

32

C

33

C

34

C

35

C

36

C

37

C

38

0 0 0 0 +0.5 0 +1.0 +1.5

12,960

C

39

C

40

C

41

C

42

C

43

C

44

C

45

0 0 0 0 +0.5 0 +1.0

16,200

C

46

C

47

C

48

C

49

C

50

C

51 Complexity

0 0 0 0 +0.5 0

19,440

C

52

C

53

C

54

C

55

C

56 High Middle Low

+1.0 +0.5 0 0 +0.5

22,680

C

57

C

58

C

59

C

60

+1.0 +0.5 0 0

25,920

C

61

C

62

C

63

+1.0 +0.5 0

29,160

C

64

C

65 +1.0 +0.5 32,400

C

66

0

Fig. 12 Complexity according to the application of renewable energy system

5. 결 론

본 연구는 공공용 업무시설 가운데 전형 적인 평면형태의 소방서 건물을 대상으로 에너지 시뮬레이션을 실시하여 경제성과 환 경성을 분석하고, 가중계수법을 통하여 우수 한 시스템을 도출함으로써 신재생에너지시 스템의 최적화에 대한 적용방안을 제시하고 자 하였으며, 결과를 요약하면 다음과 같다.

(1) 국내 소방서 건립은 2012년 11월 현재 194 개의 소방서가 운영되고, 3,000㎡이상 신 재생에너지가 적용된 건물은 24곳으로 12%비중을 차지하고 있으며, 신축되는 건

물의 건립규모는 점차 대형화되는 추세로 나타났다.

(2) 대상건물의 총에너지사용량은 323,782㎾

h/yr으로 부하별 사용량 비중은 냉방(30.1%), 난방(20.8%), 조명기기(12.9%), 사무기기 (16.2%), 기계장치(15.4%), 급수·급탕(4.3%) 이며, 신재생에너지의 의무사용 공급비율 10%에 해당하는 에너지생산량은 32,375

㎾h/yr인 것으로 나타났다.

(3) 대상건물 총에너지사용량에 대한 실측치와 계산치의 비교결과 계산치가 2.3%(7,332

㎾h/yr)정도 큰 경향을 보이나, 상관도 분 석에서 상관계수 R=0.81, 결정계수 R²=0.65로 나타나 계산치에 대한 신뢰도 가 높은 것으로 판단된다.

(4) 적용방안별 경제성은 지열과 태양열을 단 일시스템으로 적용한 경우가 경제성이 높 은 반면, 태양광을 단일시스템으로 적용한 경우에 경제성이 낮은 경향을 나타냈으며, 신재생에너지시스템을 복합적용하는 경 우에는 태양광의 비중이 작을수록 초기투 자비와 교체비용에 소요되는 비용이 감소 되어 경제성을 향상되는 것으로 나타났다.

(5) 적용방안별 환경성은 태양광을 단일시스 템으로 적용한 경우에 환경성이 높은 반 면, 지열과 태양열을 단일시스템으로 적 용할 경우에는 환경성이 낮아지는 경향을 나타냈고, 신재생에너지시스템을 복합적 용하는 경우는 태양광의 비중이 클수록 CO



배출량이 감소하여 환경성이 향상되 는 것으로 나타났다.

(6) 경제성과 환경성을 고려한 복합성은, 단 일시스템의 경우는 태양열과 지열시스템 [C

01

,

66

]이 우수한 반면, 2가지 시스템은 태 양열+지열 또는 태양광+태양열을 복합적 용한 [C

12

,

22

,

30

,

38

]시스템이 우수하며, 3가 지 시스템은 태양광(60%)에 태양열과 지 열을 복합적용한 [C

28

,

37

]시스템이 우수한 시스템인 것으로 나타났다.

이상 본 연구는 소방서건물의 신재생에너지 시스템 최적화 방안에 대한 도출이 이루어졌으 나 적용방안별 환경성 분석의 경우, 태양열, 태 양광, 지열시스템의 전생애주기(제작-운영- 폐기)에 따른 CO



배출량 가운데 운영에 따른 CO



배출량만을 고려하여 향후, 전생애주기이 산화탄소분석(LCCO



)을 통한 환경성 평가 및 가중계수법에 의한 복합성 평가가 보완되어져 야 할 것으로 사료되는 한편, 실측 자료를 보완 하여 건물규모에 따라 신재생에너지시스템의 설치 가능 면적 즉, 가용면적에 대한 추가 연구 가 이루어져 실제시공과 연계될 수 있도록 보 완되어져야 할 것으로 사료된다.

후 기

“이 논문은 2012년도 정부(교육과학기술 부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받 아 수행된 기초연구사업임 (20120002796) 또 한, 이 논문은 2012학년도 경북대학교 학술 연구비에 의하여 연구되었음.”

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