친환경 건축물을 위한 신재생에너지 최적화 시뮬레이션 프로그램 개발 및 적용

Abstract

국 문 요 지

최근 건축물에서의 에너지 절약 및 친환경성에 대한 관심이 증가하며 건축물에서의 신재생에너지 시스템에 대한 관심이 높아지고 있다. 건축물에서의 신재생에너지 시스템은 에너지비용을 절감 할 수 있으며, 기존의 화석연료와 전력 사용량을 절감 시켜 친환경성 또한 우수하다. 그러나 건축물에 신재생에너지 시스템을 적용 시킬 경우 건축물의 부하, 일반열원시스템 성능, 신재생에너지시스템 성능, 초기투자비, 자연조건, 에너지여건 등과 같은 조건에 의해 신재생에너지 시스템의 에너지 출력량, 경제성, 친환경성과 같은 성능이 변화하게 된다. 따라서 이와 같은 요소들을 종합적으로 고려하여 친환경건축물에서의 신재생에너지 시스템을 최적화할 필요성이 있다. 본 연구에서는 건축계획과 설계단계에서 건축물의 부하, 자원조건, 도입목적이 다른 신재생에너지 시스템을 최적화할 수 있는 시뮬레이션 툴, MORE-B (Model for Optimizing Renewable Energy in Buildings)를 개발하였다. 또한 사무소건물을 대상으로 시뮬레이션 툴의 타당성을 검증하였다. 타당성 검증에서는 신재생에너지원 별 에너지 출력량, 경제성, 친환경성능을 평가하였고, 이를 바탕으로 신재생에너지 시스템 설계를 위한 최적화 방안과 평가지표(SEG, Sustainable and Environmental Grade)를 제시하였다.

본 논문은 총 6장으로 구성되어 있으며, 각 장의 내용은 다음과 같다.

제1장에서는 연구의 배경 및 필요성, 연구의 목적, 연구의 범위 및 방법에 대하여 기술하였고, 신재생에너지 최적화 연구에 대한 기존 연구를 고찰하였다.

제2장에서는 개발한 신재생에너지 시뮬레이션 모델의 주요계산모델과 알고리즘에 대하여 기술하였다. 일반열원과 신재생에너지원의 주요 계산식과 신재생에너지시스템 계산 알고리즘에 대하여 설명하고, 기존 연구와의 비교를 통해 개발한 모델의 타당성을 검증하였다.

제3장에서는 최적화 대상 건물의 부하 프로파일에 대해 기술하였다. 사무소 건물의 제원과 인천지역의 기상조건을 적용하여 부로파일을 작성하였다. 또한 기존 연구의 사무소건물 부하와 비교하여 계산한 부하 프로파일의 정도를 분석하였다.

제4장에서는 신재생에너지원 별 경제성 및 친환경 성능을 검토하였다. 우선 신재생에너지원 별 에너지 출령량과 신재생에너지 사용비율을 분석하였다. 또한 신재생에너지원 별 생애비용을 이용하여 경제성을 평가하고, 탄소배출량을 이용하여 친환경성을 평가하였다.

제5장에서는 신재생에너지 활용 최적화 방안을 검토하여, 1개의 신재생에너지원이 아닌 다수의 신재생에너지를 활용한 신재생에너지시스템을 최적화하였다. 사용한 최적화 탐색법과 제안한 평가지표SEG에 대해 설명하고, 평가지표SEG를 활용하여 최적화 방안을 검토 하였다.

제6장에서는 본 연구에서 도출된 결론을 기술하였으며, 내용을 요약하면 다음과 같다.

1) 건축물의 신재생에너지시스템을 계산 모델을 제안 하였다. 기존연구와의 비교를 통해 신재생에너지시스템 계산 모델의 타당성을 검증을 한 결과, 신재생에너지에 따라 2~28%의 오차를 나타내고 있으나, 간이 계산모델로 사용하기에는 타당한 것으로 확인되었다.

2) 신재생에너지원 별 분석 결과 태양광, 태양열, 풍력과 같이 재생에너지를 이용하는 경우에는 탄소배출량은 적었으나, 피크부하대비 장치비율에 비해 실제 발전량과 발열량이 크게 떨어지는 경향이 있었다. 연료전지와 지열히트펌프 같이 기존의 에너지원을 이용하는 경우에는 충분한 발전량과 발열량을 확보할 수 있었으나, 기존 에너지 사용으로 인해 탄소배출량이 증가하는 경향이 있었다. 태양광과 풍력의 경우 현재의 조건에서는 경제성이 없었으며, 지열과 태양열의 경우에는 장기간 사용 시 생애비용이 우수한 것으로 나타났다.

3) 사무소에 대해 친화경성, 경제성, 평가지표 SEG가 우수한 시스템을 선정하였다. 생애비용이 가장 적은 경제성이 우수한 시스템은 지열75%, 연료전지5%, 태양열20%을 설정한 경우이었다. 탄소배출량이 가장 적은 친환경성이 우수한 시스템은 태양광100%, 태양열100%을 설정한 경우였다. SEG로 평가한 결과 풍력100%, 태양열57%, 지열43%이 가장 우수한 것으로 나타났다. SEG를 이용 하여 최적화할 경우 두 가지 평가요소에 대해 모두 합리적인 시스템을 선정할 수 있는 장점이 있는 것으로 조사 되었다.

4) 본 연구는 사무소 건물의 부하를 대상으로 하였으며, 추후 다른 용도의 건물 부하에 따른 최적 신재생에너지시스템에 대한 분석을 할 필요가 있다. 경제성 평가에서는 생애비용과 에너지비용을 분석 범위로 하였으나, 향후 성능계선, 초기투자비 감소 등과 같은 민감도 분석을 할 필요가 있다. 또한, 탄소배출량을 이용한 친환경성 분석에서는 에너지소비에 의한 탄소배출량뿐만 아니라 LCA분석을 이용한 전 생애에 걸친 탄소배출량에 대한 분석이 추가 될 경우 건축 계획 및 설계단계에서 신재생에너지 시스템의 최적화가 보다 합리적으로 이루어질 수 있을 것으로 판단된다.