학교 건축물의 신재생에너지원별 에너지 성능 및 경제성 분석 : 전북특별자치도교육청 신설학교 중심으로 = Analysis of the Energy Performance and Economic Feasibility of Renewable Energy Sources for School Buildings: A Case Study of Newly Established Schools under the Jeonbuk Provincial Office of Education

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 전 지구적 기후변화 대응 및 건물의 에너지 자립도 향상이 라는 목표 아래, 신재생에너지 설비 설치가 의무화된 신설 학교에 최적 화된 시스템 적용 방안을 모색하는 것을 목적으로 한다. 특히 학교 건축 물이 높은 전력 수요와 냉난방 부하에 따른 큰 변동성을 지닌다는 고유 한 에너지 소비 특성에 초점을 맞추어, 태양광(PV), 지열, 수소연료전지 시스템의 에너지 절감 효과와 장기적인 경제적 타당성을 종합적으로 분 석하였다. 연구 방법은 크게 세 가지로 구성된다. 첫째, 전북특별자치도교육청 관 할 신설학교 17개교의 3개년 실증 데이터를 바탕으로 신재생에너지 설치 에 따른 공공요금 절감 효과를 분석하였다. 둘째, 신설학교 1개교를 선정 하여 에너지 해석 프로그램 ECO2-OD를 활용하여 태양광, 지열, 수소연 료전지 시스템을 의무 공급 비율에 맞춰 단일 열원으로만 100% 적용했 을 때의 에너지 성능을 시뮬레이션을 통해 비교하였다. 셋째, 20년 기준 의 생애주기비용(LCC) 분석을 통해 각 에너지원의 경제적 타당성과 우 위성을 평가하였다. 연구 결과, 첫째, 학교 건물의 냉난방 에너지는 연간 총에너지 소비량의 약 50∼60%를 차지하는 핵심 요인이며, 태양광 발전설비는 전기식 냉난 방 시스템(EHP, 지열)의 전력 소비를 상쇄하여 전기요금을 절감하는 데 효과적임을 확인하였다. 둘째, 시뮬레이션 결과 연간 단위면적당 1차에너 지소요량은 태양광 시스템(10.0 kWh/㎡·yr)이 가장 우수했고, 이어서 지 열 시스템(131.2 kWh/㎡·yr), 수소연료전지 시스템(149.3 kWh/㎡·yr) 순 으로 나타났다. 태양광은 소비량보다 월등히 많은 전력을 생산하여 에너 지 효율을 극대화했으며, 지열은 고효율 냉난방으로 외부 에너지 소요량 자체를 감소시켰다. 반면 수소연료전지는 시스템 가동을 위한 도시가스 사용량이 반영되어 상대적으로 효율이 낮게 평가되었다. 셋째, 20년 생애 주기비용(LCC) 분석 결과, 태양광 시스템이 19.9억원으로 가장 경제적이 었고, 지열 시스템(28.2억원), 수소연료전지 시스템(51.8억 원)이 그 뒤를 이었다. 최종적으로, 학교의 주간 중심 에너지 소비 패턴과 태양광의 발전 시간 대가 일치하여 생산된 전력을 손실 없이 자체 소비할 수 있는 태양광 시 스템이 가장 높은 경제성과 운영 효율성을 가지는 것으로 판단된다. 또 한, 태양광 설치 부지가 제한적일 경우, 냉난방 부하 저감에 탁월한 지열 시스템을 복합적으로 적용하는 것이 효과적인 대안임을 확인하였다. 반 면 수소연료전지는 초기 투자비와 유지관리비로 인해 현시점에서는 전면 적인 도입에 경제적 부담이 따르는 것이 사실이다. 그러나 향후 기술 성 숙에 따른 비용 저감이 실현된다면, 미래 학교 에너지 시스템의 중요한 축으로 그 역할이 재평가될 충분한 잠재력을 지닌다고 판단된다. ※ 이 논문은 2026년 2월 한국교원대학교 교육정책전문대학원위원회에 제출된 교육학석사(교육시설환경정책)학위 논문임.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구의 필요성 및 목적 1
• 2. 연구문제 4
• 3. 연구내용 4
• 4. 연구의 한계점7
• Ⅱ. 이론적 배경 8
• 1. 신재생에너지 관련 법령 개요 8
• 가. 공공기관 신재생에너지 설치 의무화 제도 8
• 나. 제로에너지건축물(ZEB) 인증제도 11
• 2. 학교 건축물 에너지 부하 설비 개요 15
• 가. 냉난방 부하 16
• 나. 급탕부하 17
• 다. 조명부하 17
• 라. 환기부하 17
• 3. 신설학교 적용 중인 신재생에너지 개요 18
• 가. 태양광 발전 장치 18
• 나. 지열냉난방 시스템 19
• 다. 수소연료전지22
• 4. 학교 신재생에너지 설치현황 24
• 가. 도내 학교 신재생에너지 설치 현황 24
• 나. 도내 신설학교 신재생에너지원 적용 현황 26
• 5. 선행연구 검토 28
• Ⅲ. 연구 방법 31
• 1. 조사 대상 및 방법 31
• 가. 신재생에너지의 공공요금 절감효과 분석 31
• 나. 프로그램(ECO2-OD)을 통한 에너지원별 성능평가 32
• 다. 에너지원별 생애주기비용(LCC) 분석 33
• 2. 에너지 성능 평가프로그램 개요 34
• 가. 건축부문 입력 36
• 나. 설비부문 입력 40
• 다. 신재생부문 입력 47
• 라. 평가결과 해석 50
• 3. 생애주기비용(LCC) 분석 이론 53
• 가. 초기투자비 53
• 나. 유지관리비 53
• 다. 에너지비용 57
• Ⅳ. 연구 결과 59
• 1. 신재생에너지 설치학교 공공요금 절감효과 분석 59
• 가. 에너지 유형에 따른 분석 59
• 나. 신설학교 1차에너지 소요량 분석66
• 2. 프로그램(ECO2-OD)을 통한 에너지 성능 평가 69
• 가. 실제 신설학교 신재생에너지 복합적용 에너지 성능 분석 71
• 나. 신재생에너지 미 적용 시나리오 에너지 성능 분석 73
• 다. 에너지원별 단독 적용 시나리오 에너지 성능 평가 75
• 3. 에너지원별 생애주기 비용(LCC) 분석 80
• 가. 초기투자비 산출 81
• 나. 유지관리비용 산출 82
• 다. 에너지비용 산출 84
• 라. 생애주기비용(LCC) 결과 분석 86
• 4. 종합논의 88
• Ⅴ. 결론 및 제언 96
• 1. 요약 및 결론 96
• 2. 제언 99
• 참고문헌101
• ABSTRACT 105
• 부록 108