건물 시스템

시스템 개요

건물 시스템

통계에 따르면 우리나라의 에너지 사용량 중 약 20%를 건축물이 사용하고 있으며 그 중 약 80%가 냉·난방과 조명에너지로 사용됨. 그리고 온실가스 배출량의 약 25%를 건축물이 차지하고 있음. 그만큼 건물부분에서의 에너지와 온실가스배출량의 절감은 중요함. 이 문서에서는 건축물 에너지 절감을 위한 이론들과 구체적인 에너지 절감기술들을 살펴보기에 앞서 건축물에너지에 대한 현황, 건축물 에너지 국내외 제도, 건축물 종류, 건축물 열환경, 건축물 부하 등에 대해서 설명함.

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시스템 구성도
건물 시스템 시스템 구성도
개요
  • 환경조절 및
    에너지자립화
    방안
    환경조절 및
    에너지자립화
    방안

    건축물의 에너지절감 및 온실가스 감축을 위한 에너지자립화 기술적 방법은 액티브(Active)기법인 설비적(Active) 요소와 패시브(Passive)기법인 자연형(Passive) 요소로 구분하여 적용 할 수 있음. 설비적 기법으로 순수 건축구성 설비인 외피 단열재, 창호, 차양과 설비요소인 열원설비, 공조설비, 반송설비 및 조명설비와 요소, 신재생에너지 분야인 태양광, 태양열, 지열 연료전지등과 패시브 및 액티브 및 신재생에너지의 혼합형인 하이브리드 설비 등이 있음.

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  • 종합적 에너지 성능 향상 방안
    종합적 에너지 성능 향상 방안

    건물의 종합적 에너지 성능을 향상시킬 수 있는 방안으로
    1) 에너지절약 방법으로 단열수준 강화, 누기에 의한 침기 최소화, 창의 종류 및 설치 위치와 백업 기계설비의 고효율 기자재 채택 등이 있음.
    2) 일사조절 방안으로 제한된 수준의 자연형 태양열 기법으로, 창문을 재배치하여 남측면의 창면적을 증가시키고 다른 방위의 창을 줄임.
    3) 자연형 패시브 기법으로 태양열의 집열, 축열, 분배 기능을 완전히 갖춘 시스템으로 남측 창면적을 더 증가시키고 축열매스를 충분히 보강하며 건물 전체를 대상으로 열을 분배하고 제어할 수 있도록 고려되어야 함.

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  • 건물에너지
    정보 네트워킹
    및 모니터링

    건물에너지 정보 네트워크 및 모니터링 분야는 모니터링 및 제어시스템을 위한 게이트웨이 기술, 데이터 통신기술, 복합 센서 네트워크 기술 및 스마트그리드 연계기술 등을 이용하여 건물에너지를 절약하는 기술임

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구조체
  • 단열
    단열

    자연형 태양열 건물은 기본적으로 외피의 단열이 잘 되고 침기가 일어나지 않아야 만족할만한 성능을 발휘할 수 있음. 또한 열교 및 침기현상에 의해 당초 설계했던 단열시스템의 성능이 시공 후에 제 성능을 발휘하지 못할 수 있음으로 지역기후에 맞게 충분한 열저항값이 될 수 있도록 계획해야 함.

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  • 창호
    창호

    창호 계획시 동쪽과 서쪽에는 아주 낮은 차폐계수(SC; shading coefficient), 남쪽에는 중간정도의 차폐계수를 가진 유리 사용을 고려함. 저방사(Low-e ; low emittance)는 낮은 표면 방사율을 의미함. low-e 코팅은 따뜻한 창에서 차가운 창으로의 열 방사(복사)를 차단함. 난방을 주로 하는 건물에서는 겨울철 열 손실을 줄이기 위해서 내부 유리 면에 low-e 코팅을 한 특수 유리 사용을 고려함.

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패시브설비
  • 환경조절과
    기후디자인
    환경조절과
    기후디자인

    패시브 건축물의 적용에 있어 환경조절요소와 기후디자인 요소를 고려하여 적용하여야 함. 건축, 환경시스템 관계에서 환경조절 방법은 크게 자연적인 방법에 의한 자연형 조절과 기계적인 방법에 의한 설비형 조절, 2가지로 나누어짐. 자연형 조절 시스템은 건물의 형태, 구조, 외피계획을 통해 기계적 장치의 도움 없이 실내환경 조건을 인간의 감각적 요구에 적합하도록 조절하는 방법임.

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  • 패시브 설비
    요소기술
    패시브 설비
    요소기술

    건물 자연형 태양열의 건물설계는 조명, 냉, 난방, 환기와 같은 건물에서 사용되어지는 모든 형태의 에너지들이 서로 균형을 유지하도록 설계되어져야 함. 이러한 사항은 대체에너지로서의 태양에너지와 기존의 에너지 전략을 조합함으로써 최대한의 효과를 도출할 수 있으며, 패시브 요소기술들은 빛(lighting), 열에너지(heat) 및 자연환기의 특성들이 적절히 조합되어 에너지 효율의 극대화를 꾀할 수 있어야 함.

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  • 태양열시스템의 이용 원리
    태양열시스템의 이용 원리

    자연형 태양열 시스템은 크게, 집열부(Collector Element), 축열부(Thermal Storage Element), 그리고 이용부(Use Element)의 3가지로 구성됨.
    이들 구성요소간의 열전달 방법에 의해 태양열 시스템은 크게 3가지로 분류됨. 기계적 강제순환방식에 의할 때 이것을 설비형(Active) 시스템이라고 하며, 자연순환방식에 의할 때 이를 자연형(Passive)시스템이라고 분류함. 또, 주로 자연순환방식에 의한 것이나 약간의 기계적인 순환방식이 병용되는 방식은 혼합형(Hybrid)시스템이라고 함.

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  • 종합적인
    에너지
    성능 향상
    종합적인
    에너지
    성능 향상

    종합적 건물의 에너지 성능을 향상시킬 수 있는 방법은
    1. 에너지 절약 : 단열수준, 침기조절, 창의 종류 및 위치, 기계설비 등
    일사조절 : 제한된 수준의 자연형 태양열 기법으로, 창문을 재배치하여 남측면의 창면적을 증가시키고 다른 방위의 창을 줄임.
    2. 자연형 태양열 : 태양열의 집열, 축열, 분배 기능을 완전히 갖춘 시스템으로 남측 창면적을 더 증가시키고 축열매스를 충분히 보강하며 건물 전체를 대상으로 열을 분배하고 제어할 수 있도록 고려되어야 함.

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  • 패시브시스템의 기본개념

    자연형 태양열 시스템(Passive Solar System)인 패시브시스템이란 태양에너지를 건물의 냉난방 열원으로 이용하기 위해 팬이나 펌프 같은 기계설비를 이용하는 설비형 태양열 시스템과는 다른 접근방법으로 기계적인 설비를 이용하기 보다는 환경 설계수법을 사용하여 주위 자연환경으로부터 사용할 수 있는 에너지를 최대한 이용하는 방법임. 자연형 태양열 시스템에 설비형 태양열 시스템을 가미한 냉난방 시스템을 혼합형 태양열 시스템 (Hybrid Solar System)이라고 함.

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신재생설비
  • 태양열
    태양열

    설비형 태양열시스템은 태양열 집열기나 집광장치를 이용하여 태양복사에너지를 열에너지로 변환하여 변환된 열에너지를 직접 이용하거나 별도의 축열장치에 저장하였다가 필요시 사용하는 시스템. 필요한 온도에 따라서 신선외기 공기난방용 무창천공형집열기 UTC(Unglazed Transpired Collectr)와 태양광 PV 복합형인 PVT(Phothvoltaic Themal Collector), 급탕 및 냉난방용 창호일체형집열기, 평판형 및 진공관형 및 발전용으로 집광장치(구유형(PTC), Dish형, 타워형) 등 다양한 것들이 있으며, 용도에 따라서 냉난방 및 온수급탕용, 산업공정열, 발전용 등으로 구분됨.

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  • 지열
    지열

    지열에너지를 직접이용(direct use)과 간접이용(indirect use) 기술로 구분한다. 이는 인간이 이용할 수 있는 최종 생산물의 관점에서 분류한 것으로, 열(heat)을 생산하면 직접이용이고, 전기(electricity)를 생산하면 간접이용이 됨.
    지열에너지의 직접이용은 가장 오래된 기술로서 온천, 건물난방, 시설원예 난방, 지역난방 등이 대표적인 기술임. 땅에서 중온수(30~150℃)를 추출하여 사용자에게 직접 공급할 수 있으며, 또한 열펌프나 냉동기와 같은 에너지 변환기기의 열원으로 활용할 수 있음. 직접이용 기술 중 가장 큰 부분을 차지하는 기술이 지열 열펌프 시스템(geothermal source heat pump system, GSHP)임. 이 시스템은 저온(10~30℃)의 지열에너지를 효율적으로 활용하는 지열분야의 대표 기술이라고 할 수 있음. 상대적으로 저온의 에너지를 활용하지만, 연중 일정한 온도를 유지하기 때문에 항온성이 우수하며 지리적 제약이 없는 것이 큰 장점임.
    반면 간접이용 기술은 땅에서 추출한 고온수나 증기(120~350℃)로 플랜트를 구동하여 전기를 생산하는 지열발전(geothermal power plant)을 일컬음. 최종 생산물은 전기이며 화산지대에서 유리하기 때문에 지리적 제약이 매우 큼. 이러한 지리적 제약을 극복하기 위한 연구개발이 지열분야 선진국을 중심으로 진행 중.

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  • 태양광
    태양광

    태양광발전(Photovoltaic Power Generation)은 태양광을 직접 전기로 변환시키는 발전방식으로, 태양광발전 시스템은 발전기에 해당하는 태양전지 셀(어레이), 태양전지에서 발전한 직류를 교류로 변환하는 전력변환장치인 PCS(Power Conditioning System), 전력저장기능의 축전장치, 시스템 제어 및 모니터링과 부하로 구성되어 있음.
    태양광발전 시스템의 구성요소 중 가장 핵심적인 부품은 태양전지임. 태양전지는 기본적으로 반도체소자이며 빛을 전기로 변환하는 기능을 수행함. 태양전지의 최소단위를 셀이라고 하는데 보통 셀 1장에서 나오는 전압이 약 0.5~0.6 V로 매우 작기 때문에 여러 장을 직렬로 연결하여 수 V에서 수십 V 이상의 전압을 얻도록 패널 형태로 제작하며 이를 태양광모듈이라고 함. 또한 이러한 모듈을 여러 장으로 직병렬 연결함으로써 부하의 용량에 적합하게 연결하여 설치한 것을 태양광어레이라고 하는데, 이는 회전형 발전방식의 발전기에 해당한다고 함. 전력변환장치인 PCS/인버터는 태양광어레이로부터 발생되는 직류전기를 상용주파수, 전압의 교류로 변환하여 전력계통에 연계하여 전력을 송전하는 역할을 함과 동시에 시스템의 직류와 교류 측의 전기적인 감시 및 보호를 하는 구성임.

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  • 연료전지
    연료전지

    물을 전기분해하면 수소와 산소가 발생함. 연료전지는 이와는 반대로 수소와 산소로부터 전기를 생산하는 전기화학적 발전장치임. 연료전지에서는 전기와 동시에 열이 발생함. 연료전지의 기본 구성은 연료극/전해질층/공기극으로 접합되어 있는 셀(cell)이며, 다수의 셀을 적층하여 스택을 구성함으로써 원하는 전압 및 전류를 얻을 수 있음.
    일반적으로 연료전지 기본 셀에서 전기를 발생시키기 위하여 연료인 수소가스를 연료극 쪽으로 공급하면, 수소는 연료극의 촉매층에서 수소이온(H+)과 전자(e-)로 산화되며, 공기극 에서는 공급된 산소와 전해질을 통해 이동한 수소이온과 외부 도선을 통해 이동한 전자가 결합하여 물을 생성시키는 산소 환원 반응이 일어남. 이 과정에서 전자의 외부 흐름이 전류를 형성하여 전기를 발생시킴.
    연료전지는 전해질의 종류에 따라 고분자 전해질 연료전지(PEMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체 산화물 연료전지(SOFC), 알칼리 연료전지(AFC), 직접 메탄올 연료전지(DMFC) 등으로 구분됨.

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하이브리드설비
  • 공기식 집열기
    공기식 집열기

    태양열공기난방시스템 SAHS(Solar Air Heating System)은 UTC 집열기 적용 시설건물, UTC 집열기, 팬덕트, 공기층 등의 주 설비에 의하여 시스템이 구성되어지며 시간별 월별 외기조건에 대하여 적극적으로 대처하여 실건물 거주 쾌적조건을 유지시키기 위한 제어기, 주 난방설비등을 채택 사용하고 있음.
    SAHS 시스템은 기존의 일반적인 태양열 집열기와는 달리 유리덮개가 없으며, 도장 처리된 집열판에 미세구멍(porosity)인 기공을 통해 직접 외기를 도입하는 과정에서 외기 공기를 난방용공기로 예열하는 공기식 집열기의 일종으로 유기적 일련의 과정을 통하여 에너지수요 측면의 건물로 공급되어 건물의 공기질 개선과 환기용 에너지를 절감할 수 있는 기술임.

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  • 열병합발전
    PVT 집열기
    열병합발전
    PVT 집열기

    PVT(PV-Thermal)는 기존의 태양광모듈인 PV(Photo Voltaic)와 공기식 집열 모듈을 복합 구성한 시스템으로 PV 모듈 본연의 기능인 제벡효과(seebeck effect)에 의하여 전기를 생산하며 PV 후면에서 발생되는 열을 열원으로 이용하여 건물의 환기용 난방에너지 및 온수를 생산하는 열병합발전시스템임.
    이러한 PVT 시스템은 기존 PV 또는 BIPV에서 나타나는 과열 문제를 해결하여 PV의 발전효율을 높이는 기술로 PV 모듈의 열전변환 성능을 기존 단위면적 PV 모듈 비교 최대 200%획기적으로 개선할 수 있는 시스템임.

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  • 이중창호형
    태양열집열기
    이중창호형
    태양열집열기

    이중창호형 태양열집열 장치는 아파트, 빌라, 사무실과 같은 대단위 거주지 건물의 배란다 창호 대체형으로 설치될 경우, 기존 평판형, 진공관형 태양열 집열기에 필요한 공간이 필요하지 않으며, 또한 건물외피 및 지붕형 구조 집열기에 비하여 시공이 단순하여야 하고, 창호 본연의 목적인 조망과 실채광을 유지할 수 있는 시스템임.

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