스마트 빌리지 커뮤니티의 건물 용도 및 부하 특성에 따른 에너지자립율 평가: 장기 실증 연구 = Case Study on Energy Self-sufficiency Ratio by Building Type and Load Characteristic in Smart Village Community: A Long-term Experimental Evaluation

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 커뮤니티 단위에서 에너지 공유 플랫폼 기술을 구현하기 위해 대한민국 부산에 위치한 스마트 빌리지 커뮤니티에서 재생에너지 BIPV 발전량에 대한 장기 에너지자립률 실증 연구를 수행하였다. 본 연구는 용도가 다른 건물들로 구성된 커뮤니티에서 난방, 냉방, 급탕, 조명, 환기 등 5대 부하뿐만 아니라 플러그 부하, 전기차(EV) 충전 부하 등에 다른 에너지자립율 패턴을 실측 분석함으로써 커뮤니티 단위에서 에너지절감과 에너지공유를 위한 실증 데이터를 확보하는 데 큰 의미가 있다고 판단되며 그 결과는 다음과 같다.
(1) 커뮤니티 내 주거건물 56가구의 5대 주요 부하(난방, 냉방, 급탕, 환기, 조명)의 에너지자립률은 89.4%였으며, 난방과 급탕이 68.4%로 가장 큰 비중을 차지하였다.
(2) 주거건물 56가구 5대 부하, 플러그 부하, 전기차(EV) 충전 부하를 합한 에너지자립률은 58.4%였으며 EV 부하는 7.7%, 플러그 부하 32%, 5대 부하 60.3%의 비중을 차지하였다.
(3) 비주거 건물 문화센터와 데이터센터의 에너지자립률은 각각 106.5%, 6.6%로 큰 차이를 보였으며, 이는 부하 소비 패턴의 차이 때문인 것으로 나타났다.
본 연구는 대규모 커뮤니티에서 장기 실증 연구를 통해서 재생에너지의 에너지 생산과 건물의 용도 및 건물의 부하에 따른 에너지소비에 대한 에너지자립율의 실측데이터를 확보하고, 실증 데이터를 기반으로 케이스별 커뮤니티의 에너지 자립율을 분석하였다. 현재 커뮤니티에서 발생되는 낮시간 잉여전력은 중앙의 ESS에 잉여 발전 전력을 충전하고, 히트펌프를 이용하여 축열조에 열을 저장하도록 P2H(Power-to-heat) 전략으로 운영된다. 이를 통해 최대부하시간대 전력소비량을 최소화하고 커뮤니티 내 자가소비를 최대화하도록 운영하고 있다. 이후 남는 전력은 한전 계통으로 역송되어 월단위 상계정산을 통해 처리되고 있다.
연구의 한계점으로 22개월의 실증 기간이 계절 변화를 충분히 포함하고 있으나, 장기적인 시스템 성능 저하나 기후 변화의 영향을 평가하기에는 더 긴 관측 기간이 필요하다. 본 연구는 부산 지역의 특정 커뮤니티를 대상으로 하였으므로, 다른 기후대나 건물 유형에 대한 일반화에는 제약이 있다. 또한, 거주자 행태의 변화나 계절별 사용 패턴의 변동성에 대한 정량적 분석이 추가적으로 필요하다.
향후 연구에서는 월별 부하 패턴에서 일별 및 시간별 부하 패턴에 따른 에너지 자립율을 분석하고, 커뮤니티의 자가소비율 증대 및 에너지 비용 절감이 가능한 다양한 에너지 공유를 위한 제어 및 전력요금 절감 대한 분석을 수행할 예정이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study developed an energy-sharing platform technology and conducted a long-term evaluation of the energy self-sufficiency ratio for a smart village community in Busan. This community serves as a large-scale demonstration site to assess the extent to which renewable energy installed in buildings can meet the electricity and thermal energy needs, thereby contributing to greenhouse gas reduction in the building sector. The community comprises 56 residential households, a cultural center, and a community data center. The self-sufficiency ratio for each building was analyzed using long-term data collected over 22 months, from March 2022 to December 2023. In the residential buildings, we examined the self-sufficiency ratio for five major energy loads—heating, cooling, domestic hot water, ventilation, and lighting—across the 56 households, in relation to the renewable energy produced by building-integrated photovoltaics (BIPV). We also assessed the self-sufficiency ratio for the electric vehicle (EV) load installed in the parking lot, which had a minimal impact on the total energy consumption of the residential households. The energy self-sufficiency ratio for the cultural center and the community data center was significantly influenced by their electricity consumption patterns.