제로에너지 솔라하우스 건축사례
한국에너지기술연구원
백 남 춘
제로에너지 솔라하우스(ZeSH) 필요성
국내 총 9.2백만 가구 중 47% 가 단독주택
연간 주택 에너지소비 : 국가 총에너지 소비 량의 13.8% (63%가 단독주택에서 소비)
이중 77%가 난방 및 급탕에 소비
지금까지 건물에너지관련 연구 : 단일기술 별로 접근 한계에 봉착
Zero/Low Energy Solar House : “건 물 요소기술 +태양열주택” 으로 실현가능
체계적 접근방법 및 연계기술 확보로 가능
Industry
55%
Transportation
21%
Building
(residential)
18%
Building
(commecial, public)
6%
³
¹æ 64%
± ÞÅÁ Ãë »ç 14%
8%
Àü ±â 14%
204
kWh/m
2yr
ZeSH 기술의 특징
주택은 여러 요소기술이 모인 통합시스템
주택 부하구성비에 맞는 핵심 요소기술을 선별
요소기술의 통합적인 연구 및 적용을 통해
효율적인 에너지 자립화 가능
부하 별 핵심기술
[핵심분야] 성분별 부하량
[핵심기술]
분야별 목표달성을 위한 핵심기술 개발(적용) 및 기술 우선순위
난방 급탕 취사 전기
부하 제로화를 위한 단계별 기술적용 분야
128 kWh/
㎡년
%
29 kWh/
㎡년
%
17 kWh/
㎡년
%
29 kWh/
㎡년
%
1 단 계
기존 난방부하
최소화 -90 70
∙외피 슈퍼단열 시스템 개발
∙자연형 태양열 TI 축열벽 시스템 개발
∙고단열 저방사 일사조절 창호시스템
∙가스충진 고단열 슈퍼윈도우 창호시스템
환기부하 최소화 및
실내공기 정화 ±15
∙저가 소형 환기부하 회수시스템 개발
∙태양열 연계 배열회수 히트펌프 시스템 개발
∙광촉매 실내공기정화 내장마감재 개발 잔여 급탕 /난방
부하처리 -28 22 -26 85
∙고효율 태양열 난방/급탕 시스템 개발
∙냉난방겸용 구조체 축열시스템 개발 시스템요소 통합
성능평가 및 설계
∙ 요소기술의 통합성능평가 및 설계
∙시스템 통합 자동제어 및 모니터링 전기부하 처리 -5 30 -20 70 ∙지붕마감재형 광열복합 태양전지 모듈
개발(5kW) 전기 및 잔여
급탕/난방 부하 -10 8 -3 15 -12 70 -9 30 ∙PV연계 하이드로젠 백업 시스템 개발 에너지의존도 0 0 0 0 0 0 0 0 ꀴ [100% 에너지자립화 실현]
부하 별 핵심기술
• 슈퍼단열기술
•
슈퍼단열, 열교방지, 기밀 및 방습시공 등.
• 자연형 태양열 시스템
•
Trombe Wall, Transparent
Insulation Mass Wall, Direct Gain Floor, Sun Space, Night Insulation, Daylight
• 설비형 태양열시스템
•
고효율 TI M 집열기 시스템, 저온난방 시스템, SDHW
• 보조열원 (냉난방 및 급탕)
•
태양열 및 지중열원식 Heat Pump System
• 배열회수 시스템
•
소형 환기회수장치
• 건물일체화 기술
•
지붕일체형 PV System, 태양열집열기
KIER ZeSH 핵심기술
KIER ZeSH 적용기술
일반주택과의 단열비교
열교 방지 및 기밀화
G.L
외부 내부
외부 내부
G.L
내부 외부
내부 외부
기존
개선
①
②
③
④
⑤
⑥
내
외장재 마감용 브라켙 보 하부 보 측면 외
• 외피 개구부의 숫자와 크기를 줄임.
• 공기 및 습기 차단막 설치
• 벽과 천장, 벽과 바닥 모서리 등 접합부위 밀봉
• 설비 배관용 슬리브, 전기콘센트 등 설비부분 밀실 시공
기밀화 공기/수증기
차단막
비닐시트
자연형 축열벽시스템
Passive components
• Direct gain system in living room
• Movable night insulation • Movable shading device
• Skylight on the east side of roof
요소기술별 에너지 절감효과
0 5 10 15 20 25 30
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec
Energy(kWh/m2)
0 5 10 15 20 25 30
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec
Energy(kWh/m2)
0 10 20 30 40 50
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec
Energy(kWh/m2)
inf03 inf01
0 10 20 30 40 50
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec
Energy(kWh/m2)
침기량 슈퍼윈도우 적용시
(U-value=1.33W/㎡℃)
기준모델
슈퍼단열49% 절감
1회/h : 36% 절감
3회/h ; 17% 절감
15% 절감
0 10 20 30 40 50
Jan Feb
Mar Apr
May Jun Jul Aug
Sep Oct
Nov Dec
Energy(kWh/m2)
Tim-Brick Tim-Conc
0 2 4 6 8 10
Jan Feb
Mar Apr
May Jun Jul
Aug Sep Oct Nov
Dec
Energy(kWh/m2)
T-2f-room1 T-1f-room1 R-2f-room1 R-1f-room1 TIM 설치시 축열벽
종류에 따른
투명단열재를 적용한 실과 기본모델
13% 절감
0 10 20 30 40 50
Jan Feb
Mar Apr
May Jun Jul Aug
Sep Oct Nov
Dec
Energy(kWh/m2)
TIM Double-G
부착온실에 설치된 이중유리와 투명단열재
TIM : 5%
D.G : 4%
0 10 20 30 40 50
Jan Feb
Mar Apr
May Jun Jul Aug
Sep Oct
Nov Dec
Energy(kWh/m2)
TIM-Vent Dbl-Vent
부착온실과 인접존과의 환기에 따른
요소기술별 에너지 절감효과
0 10 20 30 40 50
Jan Feb
Mar Apr
May Jun Jul Aug
Sep Oct
Nov Dec
Energy(kWh/m2)
Supins-inf01 Refer
0 10 20 30 40 50
Jan Feb
Mar Apr
May Jun Jul Aug
Sep Oct
Nov Dec
Energy(kWh/m2)
Supins-inf03 Refer
0 10 20 30 40 50
Jan Feb
Mar Apr
May Jun Jul Aug
Sep Oct
Nov Dec
Energy(kWh/m2)
0 10 20 30 40 50
Jan Feb
Mar Apr
May Jun Jul Aug
Sep Oct
Nov Dec
Energy(kWh/m2)
Supins- inf03-supwin Refer
슈퍼단열+침기량0.1회/h:
79% 절감
슈퍼단열+침기량0.3회/h : 65%절감
슈퍼단열+침기량0.1회/h+슈퍼윈도우 90% 절감
슈퍼단열+침기량0.3회/h+슈퍼윈도우 77% 절감
0 10 20 30 40 50
Jan Feb
Mar Apr
May Jun Jul Aug
Sep Oct
Nov Dec
Energy(kWh/m2)
Supins-inf01-supwin-Tim Refer
0 10 20 30 40 50
Jan Feb
Mar Apr
May Jun Jul Aug
Sep Oct
Nov Dec
Energy(kWh/m2)
Supins-inf03-supwin-Tim Refer
81.6% 절감 92% 절감
슈퍼단열 + 침기량0.1회/h
+ 슈퍼윈도우+TIM 슈퍼단열 + 침기량0.3회/h
+ 슈퍼윈도우+TIM
적용기술별 에너지 절감효과
6,417 46.3 46.03 49
10,570 76.3 13.1 15
7,923 57.2 32.15 36
10,235 73.9 15.5 17
À
Ú ¿¬ Çü 11,392 82.2 7.1 8
½
à ½º ÅÛ 11,114 80.2 9.1 10
10,684 77 12.2 13
ºÎ Âø ¿¹ ¿ ȯ ±â 12,379 89.3 - -
¿
 ½Ç (X) 12,401 89.5 -0.02 -1
¿
¹ ¿ ȯ ±â 11,912 86 3.3 4
(O) 11,332 85.2 4.1 5
2,683 19.4 70 79
4,357 31.4 57.9 65
½
´ ÆÛ ´Ü ¿ + ħ ±â ·® 0.3ȸ /h +½´ ÆÛ À© µµ ¿ì
½
´ ÆÛ ´Ü ¿ + ħ ±â ·® 0.1ȸ /h +½´ ÆÛ À© µµ ¿ì + TIM
½
´ ÆÛ ´Ü ¿ + ħ ±â ·® 0.3ȸ /h +½´ ÆÛ À© µµ ¿ì + TIM
½
´ ÆÛ ´Ü ¿ + ħ ±â ·® 0.3ȸ /h Ä
§ ±â ·®
À
Ì Áß À¯ ¸® (Åõ ¸í ) Å
õ ¸í ´Ü ¿ (ºÒ Åõ ¸í ) À
Ì Áß À¯ ¸® (Åõ ¸í ) Å
õ ¸í ´Ü ¿ (ºÒ Åõ ¸í )
80.7 90
2,851 20.6 68.7 77
1,195 8.6
969 7 82.3 92
2,266 16.4 73 81.6
½
´ ÆÛ ´Ü ¿
½
´ ÆÛ À© µµ ¿ì 0.1ȸ /h 0.3ȸ /h
´Ü ⠸Š½º ¿ù (¾à 15§³ ) À
Ì Áß ·Î ÀÌ À¯ ¸® ¸Å ½º ¿ù (¾à 15§³ ) Å
õ ¸í ´Ü ¿ ¸Å ½º ¿ù (¾à 15§³ )
½
´ ÆÛ ´Ü ¿ + ħ ±â ·® 0.1ȸ /h +
½
´ ÆÛ À© µµ ¿ì
½
´ ÆÛ ´Ü ¿ + ħ ±â ·® 0.1ȸ /h
적용기술 총난방에너지
(kWh) (kWh/㎡) (kWh/㎡) (%)절감량 절감비율
요 소 기 술
통
합
기
술
Active Solar System + Ground Source H.P.
Thermal Storage for Heating &
Cooling Service
Water DHW
Ground Coupled Heat Exchanger
T1
T2
T3
T4
T5 T6
T7 T8
T9
T10 T11
H3
H4
H6 H7
H8
Thermal Storage H9 For Solar System
T12 T13 T14
H5
Heat PumpH1
H2
Solar Collector
Heat Exchanger
Load
집열기 경사각과 집열면 일사량
1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 경사각
1월 3월 5월 7월 9월 11월 년평균
일사량 (kca l/ m
2day )
• 난방 : 45-55
• 급탕 : 36- 40 도
* 절별 열부하량을 고려해서
집열기 경사각 결정
태양열 및 지열히트펌프 설비 제원
• 집열기 면적 : 24 m^2
• 집열기 설치 : 외형을 고려 건물 일체감이 있도록 설치
• 축열조 용적
– 온수급탕용 : 600 리터
– 태양열 난방 축열조 : 4000리터
– 고온축열조(하절기는 냉축열조) : 1000리터
Heat Pump용
• 히트펌프 용량 : 3kW
– 태양열원 및 지중열원 이용
• 태양열과 보조열원(Heat Pump )과의 연계 : 태양열 시스 템의 효율저하를 최소화하도록 하였음
• 각종 시험을 위해 시험용 위주로 설계
☞ 태양열 시스템 집열효율 향상 :
최대 50% 이상
☞ 보조에너지 소비량 : 보일러의 25%
그림 1). Zero Energy Solar House
저온 태양열 난방방식 집열효율 향상
• 바닥난방 코일시스템 • 지열히트펌프 냉냉방 및 급탕시스템 (보조열원)
• 저온 바닥난방 시스템
-저온으로 난방이 가능하도록 바닥방열시스템 구축
* 난방코일
* 방열저항 최소화
• 큰용량의 태양열 축열조 :
배열회수 시스템
• 급기덕트 (침실)
• 배열회수장치
• Inlet & outlet for heat recovery system
• 배열회수개념도
ZeSH 시공
• Exterior insulation for basement
• Vapor barrier for basement
• Exterior insulation for basement • Exterior insulation for wall • Finishing with plastic siding
모니터링 시스템 구축(전체)
모니터링 시스템 : 열설비
모니터링 시스템 : 축열벽
모니터링 결과 I
<월별 에너지 공급량 및 자립율>
기간
평균외 기온 (oC)
에너지 공급량(MJ)
자립율 from (%)
Solar
from
H.P Total
11월 5.4 326 0 326 100
12월 2.1 3,873 286 4,123 93 1월 -1.9 4,669 2,449 7,118 66 2월 -1.2 4,184 2,245 6,430 65 3월 4.7 3,220 1,038 4,258 77
4월 13.3 432 0 432 100
전체 - 17,016 6,019 23,035 74
