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%

³­¹æ

64%

±ÞÅÁ

14%̑ ȍ

8%

Àü ±â

14%

204

kWh/m2yr

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) 및기술 우선순위

난방 급탕 취사 전기

부하 제로화를 위한단계별 기술적용 분야

128kWh/㎡년

%29

kWh/㎡년

%17

kWh/㎡년

%29

kWh/㎡년

%

1단계

기존 난방부하최소화

-90 70

∙외피 슈퍼단열 시스템 개발∙자연형 태양열 TI 축열벽 시스템 개발

∙고단열 저방사 일사조절 창호시스템∙가스충진 고단열 슈퍼윈도우 창호시스템

환기부하 최소화 및실내공기 정화

±15

∙저가 소형 환기부하 회수시스템 개발

∙태양열 연계 배열회수 히트펌프 시스템개발∙광촉매 실내공기정화 내장마감재 개발

잔여 급탕 /난방부하처리

-28 22 -26 85∙고효율 태양열 난방/급탕 시스템 개발∙냉난방겸용 구조체 축열시스템 개발

시스템요소 통합성능평가 및 설계

∙ 요소기술의 통합성능평가 및 설계∙시스템 통합 자동제어 및 모니터링

전기부하 처리 -5 30 -20 70∙지붕마감재형 광열복합 태양전지 모듈개발(5kW)

전기 및 잔여급탕/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

내외외장재 마감용 브라켙 보 하부 보 측면

• 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/수증기차단막

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 슈퍼단열

49% 절감

1회/h : 36% 절감3회/h ; 17% 절감 15% 절감

0

10

20

30

40

50

JanFebMarAprMay Ju

n JulAugSepOctNovDec

Energy(kWh/m2)

Tim-Brick

Tim-Conc

0

2

4

6

8

10

JanFebMarApr

May Ju

nJul

AugSep O

ctNovDec

Energy(kWh/m2)

T-2f-room1

T-1f-room1

R-2f-room1

R-1f-room1

TIM 설치시 축열벽종류에 따른

투명단열재를 적용한실과 기본모델

13% 절감

0

10

20

30

40

50

JanFebMarAprMay Ju

n JulAugSep OctNovDec

Energy(kWh/m2)

TIM

Double-G

부착온실에 설치된이중유리와 투명단열재

TIM : 5% D.G : 4%

0

10

20

30

40

50

JanFebMarAprMay Ju

n JulAugSepOctNovDec

Energy(kWh/m2)

TIM-Vent

Dbl-Vent

부착온실과 인접존과의환기에 따른

요소기술별 에너지 절감효과

0

10

20

30

40

50

JanFebMarAprMay Ju

n JulAugSepOctNovDec

Energy(kWh/m2)

Supins-inf01

Refer

0

10

20

30

40

50

JanFebMarAprMay Ju

n JulAugSepOctNovDec

Energy(kWh/m2)

Supins-inf03

Refer

0

10

20

30

40

50

JanFebMarAprMay Ju

n JulAugSepOctNovDec

Energy(kWh/m2)

0

10

20

30

40

50

JanFebMarAprMay Ju

n JulAugSepOctNovDec

Energy(kWh/m2)

Supins-inf03-supwinRefer

슈퍼단열+침기량0.1회/h: 79% 절감

슈퍼단열+침기량0.3회/h

: 65%절감

슈퍼단열+침기량0.1회/h+슈퍼윈도우90% 절감

슈퍼단열+침기량0.3회/h+슈퍼윈도우77% 절감

0

10

20

30

40

50

JanFebMarAprMay Ju

n JulAugSepOctNovDec

Energy(kWh/m2)

Supins-inf01-supwin-Tim

Refer

0

10

20

30

40

50

JanFebMarAprMay Ju

n JulAugSepOctNovDec

Energy(kWh/m2)

Supins-inf03-supwin-Tim

Refer

81.6% 절감92% 절감

슈퍼단열 + 침기량0.1회/h

+ 슈퍼윈도우+TIM슈퍼단열 + 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

ÀÚ ¿¬ Çü 11,392 82.2 7.1 8

½Ã ½º ÅÛ 11,114 80.2 9.1 10

10,684 77 12.2 13

ºÎ Âø ¿¹ ¿­ È ±â 12,379 89.3 - -

¿Â ½Ç (X) 12,401 89.5 -0.02 -1

¿¹ ¿­ È ±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 ·® 0.3È /h +½ ÆÛ À© µµ ¿ì

½ ÆÛ Ü ¿­ + ħ ±â ·® 0.1È /h +½ ÆÛ À© µµ ¿ì + TIM

½ ÆÛ Ü ¿­ + ħ ±â ·® 0.3È /h +½ ÆÛ À© µµ ¿ì + TIM

½ ÆÛ Ü ¿­ + ħ ±â ·® 0.3È /h

ħ ±â ·®

ÀÌ Áß À ® (Åõ í )

Åõ í Ü ¿­ (ºÒ Åõ í )

ÀÌ Áß À ® (Åõ í )

Åõ 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

0.1È /h

0.3È /h

Ü Ã¢ Å ½º ¿ù (¾à 15§³ )

ÀÌ Áß ·Î ÀÌ À ® Å ½º ¿ù (¾à 15§³ )

Åõ í Ü ¿­ Å ½º ¿ù (¾à 15§³ )

½ ÆÛ Ü ¿­ + ħ ±â ·® 0.1È /h +

½ ÆÛ À© µµ ¿ì

½ ÆÛ Ü ¿­ + ħ ±â ·® 0.1È /h

적용기술총난방에너지 절감량 절감비율(kWh) (kWh/㎡) (kWh/㎡) (%)

요

소

기

술

통합기술

Active Solar System + Ground Source H.P.

Thermal Storage for Heating &

Cooling

ServiceWater

DHW

Ground Coupled Heat Exchanger

T1

T2

T3

T4

T5

T6

T7T8

T9

T10

T11

H3

H4

H6 H7

H8

H9Thermal StorageFor Solar System

T12

T13

T14

H5

Heat

PumpH1H2

SolarCollector

HeatExchanger

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

일사

량(k

cal/

m2day

)

• 난방 : 45-55

• 급탕 : 36- 40 도

* 절별열부하량을고려해서집열기경사각결정

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 시스템의 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 • Finishing with plastic siding• Exterior insulation for wall

모니터링 시스템 구축(전체)

모니터링 시스템 : 열설비

모니터링 시스템 : 축열벽

모니터링 결과 I

<월별 에너지 공급량 및 자립율>

기간평균외기온(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

모니터링 결과 II

< KIER ZeSH의 에너지 자립도 >

맺음말

1단계 연구 : 열부하의 70% 자립 데모주택 개발

현재 2단계 상업용 모델 개발 중 : 2007.1. ~ 2009. 12.

2008년 상용화 모델 설계 및 시공 신축 부지 물색 중

저에너지 주택 보급을 위한 제반 기반구축

제도적

기술적

단지차원의 에너지 자립

제로에너지 타운 개발 및 시범조성

신재생에너지 복합적용

단일건물에 적용기술

단지 차원의 적용기술 : 적용효과가 큼