건축물의 신재생에너지시스템 최적 적용비율 도출에 관한 연구

홍준호 경북대학교 대학원 2015 국내석사

Recently demands for renewable energy systems in buildings are increasing to save energy, to satisfy the renewable factor regulation, and to build a sustainable building. Since each building has a different load profile, renewable energy resources, and purpose of using renewable energy, the optimized renewable energy system for each building is always different. In this study K.RESS is developed to analyze renewable energy systems on energy, renewable factor, net cost, and carbon emission. K.RESS was verified by comparing the energy ouputs with previous studies and energy simulations. The simulation model evaluated an office building equipped with renewable energy system on energy output, net cost, carbon emissions, and WCM(Weighted Coefficient Method). This study is consists of six chapters and the conclusion of this study and the summary is as follows 최근 건축물의 에너지 절약과 친환경성에 대한 관심이 증가하며 건축물의 신재생에너지 시스템에 대한 관심이 높아지고 있다. 건축물에서의 신재생에너지 시스템은 에너지비용을 절감 할 수 있으며, 기존의 화석연료와 전력 사용량을 절감시켜 친환경성 또한 우수하다. 그러나 건축물에 신재생에너지 시스템을 적용시킬 경우, 건축물의 부하, 일반열원시스템 성능, 신재생 에너지시스템 성능, 초기투자비, 자연조건등과 같은 조건에 의해 신재생시스템의 에너지 기술성, 경제성, 환경성과 같은 성능이 변화하게 된다. 따라서, 이와 같은 요소들을 종합적으로 고려하여 친환경건축물에 신재생에너지 시스템을 최적화할 필요성이 요구된다. 본 연구는 건축계획과 설계단계에서 건축물의 부하, 자원조건, 도입목적이 다른 신재생에너지 시스템을 최적화할 수 있는 방안을 개발하여 사무소건물을 대상으로 시뮬레이션 툴의 타당성을 검증하였다. 타당성 검증에서는 신재생에너지원별 에너지 기술성, 경제성, 환경성을 평가하였고, 가중계수법을 이용하여 신재생에너지 시스템 설계최적화 방안을 제시하였다.

주거 커뮤니티를 위한 연료전지 기반 복합 신재생에너지 네트워크 설계 및 분석

변지욱 고려대학교 대학원 2022 국내석사

에너지 생산을 위한 온실가스 배출의 증가의 문제로 인해 전세계 에너지 수요의 40%에 해당하고 이산화탄소 배출량의 37%를 차지하는 건물에너지를 줄이기 위한 다양한 방법들에 대해서 많은 연구들이 진행되고 있다. 건물에너지를 줄일 수 있는 방법들 중에서 다양한 신재생에너지시스템들로 구성된 복합 신재생에너지 네트워크 에너지 손실을 줄이고 탄소 배출을 줄이는 효과적인 방안으로 떠오르고 있으며 건물부문에서 활용되기 좋은 높은 효율의 열병합발전시스템인 연료전지를 활용하는 복합 신재생에너지 네트워크 설계에 대해서 현재 다양한 연구들이 진행되고 있다. 특히 시스템 성능, 경제성 관점에서 다양한 건물들로 구성된 에너지 커뮤니티들을 위한 복합 신재생에너지 네트워크 내 시스템들의 용량 최적화에 대한 연구가 많이 진행되었다. 하지만 이러한 연구들은 특정 신재생에너지시스템 구성의 복합 신재생에너지 네트워크 내 시스템 용량 최적화만을 진행하여 복합 신재생에너지 네트워크 구성에 따른 효과, 복합 신재생에너지 네트워크 내 각 시스템의 효과를 평가하지 못한다. 또한, 전력적인 면에서만 분석하여 열에너지를 공급하는 연료전지와 같은 시스템의 전체 효율성을 적절하게 반영하지 못했다는 한계점을 가진다. 또한, 시스템 성능의 관점이나 경제성 관점과 같은 한, 두가지 관점에서만 복합 신재생에너지 네트워크 를 평가하고 분석하는 경우가 많았다. 본 연구는 연료전지를 기반으로 하는 복합 신재생에너지 네트워크 설계 시 시스템 조합에 따른 효과와 시스템별 영향력을 정량화하고 가이드라인을 도출하는 방법론을 개발하는 것을 목표로 한다. 한국 서울 내 일반적 주거 커뮤니티를 대상으로 시간별 전력 및 열 부하에 대응하여 전력과 열을 공급할 수 있는 다양한 복합 신재생에너지 네트워크 시나리오를 구성하여, TRNSYS 프로그램을 통해 시나리오들을 모델링하고 시뮬레이션하였다. 첫번째 시나리오에서는 가스 기반 연료전지와 축열조로 구성하였고 지열히트펌프, 태양광시스템, 배터리, 전해조, 수소저장시스템을 점진적으로 추가하여 4가지 시나리오를 구성하였다. 각 복합 신재생에너지 네트워크 시나리오는 포함된 시스템의 용량과 열 공급 시스템 운영 setpoint를 설계변수로 규정하고 복합 신재생에너지 네트워크 시나리오를 평가하기 위해 신뢰성, 경제성, 환경성 관점의 평가지표들을 사용하였다. 사용한 평가지표에 대한 설계변수들의 영향력을 정량화 하기 위해 민감도 분석을 진행하였고 시나리오별 비용최적화 결과를 비교하고 최적설계안을 도출하였다. 또한 시나리오별 주요 시스템들의 용량에 따른 복합 신재생에너지 네트워크의 성능 차이를 분석하기 위해서 주요시스템들의 용량을 변경해가며 시뮬레이션 결과를 비교하였다. 본 연구 에서는 연료전지, 지열히트펌프, 태양광 시스템, 배터리로 구성된 시나리오 3이 신뢰성, 경제성, 환경성 관점 모두에서 뛰어난 시나리오로 도출되었다. 연료전지와 축열조로 구성된 시나리오 1에서 지열히트펌프를 추가함으로 열부하와 전력 부하의 차이와 비싼 시스템 구입비용을 줄일 수 있었고 태양광 시스템과 배터리를 통해 시간별 전력부하와 전력 생산량의 미스매치를 줄일 수 있었다. LNG 공급없이 연료전지를 사용하는 시나리오 4의 경우 수소의 원활하지 못한 공급과 수소시스템들의 비싼 시스템 구입비용으로 인해 시나리오 3보다 모든 관점에서 좋지 않았다. 종합적으로 연료전지를 비롯한 수소시스템들은 다른 신재생에너지 시스템들에 비해 비용 효율적이지 못하며 효율적인 에너지 공급을 위해 다른 신재생에너지시스템들의 보완이 필요하다. 또한 단순한 우선적으로 가동하는 시스템을 정하는 것이 아닌 효율적인 운영을 위한 운영 전력이 필요하며 LNG 공급없이 연료전지를 가동하기 위해서는 충분한 전력량과 수소 저장량을 고려하는 것이 매우 중요하다.

태양광발전과 연계된 ESS의 용량산정을 위한 설계알고리즘

이현구 건국대학교 대학원 2019 국내박사

우리나라에서는 발전설비용량이 500[MW] 이상인 발전사업자에게 신에너지 및 재생에너지 개발·이용·보급 촉진법에 의거하여 신재생에너지를 이용하여 발전한 전력을 공급하는 신재생에너지의무할당제(RPS, Renewable Energy Portfolio Standard)를 시행하고 있다. RPS에서 시행하고 있는 신재생 에너지원 중에서 가장 손쉽게 설치할 수 있고, 유지보수가 간편한 태양광 발전 설비가 각광받고 있다. 그러나 태양광 발전은 하루 평균 4시간가량 운전하는 간헐적인 발전원이기 때문에 계통운영자 측면에서는 제어가 불가능한 발전원이다. 태양광발전은 주간에 집중적으로 발전되기 때문에 계통의 주파수가 변동된다. 계통의 주파수조정을 위해서 대형 화력발전기의 감발운전이 필요하게 되어 년 간 7,000억 원의 운영비용이 증가할 것으로 추산하고 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해서 태양광발전원의 시간이동을 통하여 신재생에너지의 사용 효율을 높일 수 있는 방법으로 리튬이온 배터리를 이용한 에너지저장시스템(ESS, Energy Storage System)이 최근 전 세계적으로 핫 이슈로 떠오르고 있다. 태양광발전과 연계된 ESS는 발전된 전력을 저장하고, 야간에 계통으로 방전하여 신재생에너지의 전력품질을 높이는 동시에 전력계통의 운전효율을 높이고 있다. 정부에서는 태양광연계 ESS에너지원에 대해서 신재생 에너지 인증서(REC, Renewable Energy Certificate)에 가중치를 한시적으로 5.0배수로 운영하기로 2016년 말에 발표하고 2016∼2019년 6월까지 시행계획이 발표되었으며, 향후 가중치를 조정하여 운영한다는 계획을 발표하였다[1]. ESS에 대한 선행연구를 살펴보면 에너지저장장치의 종류를 서로비교하고 각각의 특징을 비교 및 조사연구[41,42], ESS의 마이크로 그리드 적용[43], 배터리의 충·방전 특성에 관한 연구[2], 최대수요전력을 저감시켜 전기요금을 절감하기 위한 최대수요이동용 배터리의 적용에 관한연구[3], 수요반응과 에너지저장효과에 관한연구[4], 고속철도 변전소 피크부하 저감용 ESS 용량산정 및 경제성분석에 관한 연구[5] 등의 선행연구가 이루어 졌으며, 태양광발전에 관한 발전량의 예측[6]과 태양광발전과 연계된 ESS의 용량산정에 관한연구[15] 등 전력수요에 대한 연구가 주로 이루어지고 있다. 전력계통에 연계된 태양광발전과 ESS에 대한 연구는 거의 없는 것이 현실이다. ESS는 PCS(Power Conditioning System), 배터리, EMS(Energy Management System) 등으로 구성되며, 건설비의 70%이상을 차지하는 배터리의 가격으로 인하여 ESS설치사업의 확산이 어려운 실정이다. 이러한 현실을 감안하여 최적의 ESS용량을 선정하는 것이 필요한 시점으로 판단되며, ESS용량은 태양광발전량의 약 75%차지하는 시간대인 오전10시부터 오후4시까지 충전하는 시스템을 구축하여야 한다. 발전한 전력을 충전할 수 있는 배터리용량을 구하기 위한 첫 과정으로 경제성이 나타나는 채산점(BEP, Break Even Point)을 찾아야 한다. 이런 과정을 통해서 태양광발전의 충전시간과 ESS용량과 BEP의 관계를 찾고 배터리의 특성과 설비의 장단점을 고려한 최적의 배터리용량을 산정하는 알고리즘을 실현한다. BEP의 예측이 ESS의 최적용량산정에 직접적인 영향을 미치므로 추정한 값의 정확도를 분석하기 위해서 일사량 데이터를 적용하여 추정 값과 2016년 1년간의 발전소운영 값인 실측값을 비교하였다. 일평균 발전시간으로 예측한 값과 실제 충전가능한 시간대인 오전10시부터 오후4시까지 실제 발전된 최저값이 4[MWh]로 확인되었고, 추정 값 3.77[MWh]과 최소5.75%의 오차를 보였고, 실제 발전소 운영된 년 평균값으로 비교하였을 때는 4.66[MWh]로 약 8%의 오차율을 나타냈다. 배터리가격과 ESS사업비의 민감도를 분석한 결과 현재가격대비 약 20%하락되는 시점에서 BEP가 나타났으며, 2030년에 배터리 가격이 70[$/kWh]이 도래 될 때 배터리가격과 REC가격의 민감도를 분석한 결과 REC가중치 3.0의 사업효과가 있는 것으로 분석되었다. 태양광발전과 연계된 ESS의 최적용량은 일평균 약 2.9시간의 충전시간을 가지고 있음이 확인되었으며, 계통연계용 ESS의 최적용량은 ESS설치비와 전력판매비에 관계가 있다. 또한 ESS사업비의 가장 큰 비중을 차지하고 있는 부분이 배터리 가격에 있음이 배터리 가격의 민감도를 분석하여 확인 하였다. 모든 경제적인 거래는 시장의 상황에 따라서 가격이 형성되고, 이에 따라서 정부정책은 시장상황에 도움이 되도록 하여야 한다는 것이 배터리 가격의 민감도분석으로 확인 되었다. In Korea, RPS (Renewable Energy Portfolio Standard) is a system in which large generation companies with a capacity of 500[MW] or higher are obliged to supply more than a certain percentage of renewable energy as set by and implemented by the government. Among the energy sources implemented in the RPS system, solar power generation, which is the easiest to install and maintain, is receiving spotlight. However, since solar power generation is an intermittent generation of about four hours a day on average. it is impossible to control and the generation is concentrated during the day. Also, the large-scale thermal power generator is required to be operated for frequency adjustment. It is estimated that operating costs of 700 billion won will increase yearly. To compensate for these shortcomings, ESS(Energy Storage System) using lithium-ion batteries has recently emerged as a hot issue worldwide. The ESS is a way to increase efficiency of use of renewable energy through time movement of solar power. For efficient use of energy sources and stable operation of the system, the government temporarily decided to operate the weight of new and renewable energy certificates at 5.0 for the associated ESS energy sources. This was announced at the end of 2016. It will be implemented by June 2019 and will be operated by adjusting weights in the future [1]. The prior studies are a comparative study on types of ESS[41,42], application of microgrid in ESS[2], application of ESS to reduce electricity charges by reducing peak demand electricity[4], application of ESS reducing peak load in high-speed-rail-road power supply[5], application of prediction of generation power about PVs[6], application of optimum capacity decision connected with PVs[15]. It is mainly the study of power demand, but the research of grid connected ESS has rarely been carried out. The ESS consists of PCS(Power Conditioning System), a battery, and EMS(Energy Management System). Of these, the ESS installation project has failed to spread due to the high price of batteries that account for more than about 70 percent of construction costs. Therefore, it is necessary to decide the optimum ESS capacity. the first step is that the optimum ESS capacity should be built with a system that charges from 10 am to 4 pm which is the highest generation time. The second step is BEP(Break Even Point), which is a point where the costs and benefits are equal. This should be obtained in order to find a capacity to properly store electricity that has developed. The relation of the generation time from PVs and charging time to ESS realize the design algorithm to find characteristics of the optimum capacity of ESS considering battery characters and pro and cons of ESS facilities through the finding of BEP process mentioned above. Since the predicted power of BEP directly affects the estimation of the optimal capacity of the ESS, the predicted powers and the real powers are compared to analyze the accuracy of the predicted power. Assuming that the predicted power is fully charged to ESS, the predicted power by the daily average is 3.77[MWh], which is the real power from 10AM to 4PM, the real charging time. When compared with the yearly real power, 4.0[MWh] and 4.66[MWh] showed an error rate 5.75% and 8%, respectively. After analyzing for the price of battery and the sensitivity of ESS construction cost come out economy point of BEP came out if the current battery price decreased about 20%. The REC weighting factor 3.0 was found to be effective when the battery pice reaches at 70[$/kWh] in 2030. The optimum capacity of ESS was found to have a charging capacity of approximately 2.9 hours and the optimum capacity of the grid connected ESS was related to the construction costs of ESS and the sale prices of electricity. In addition, the analysis of battery price sensitivity confirmed that battery price is the largest portion of the ESS construction costs. It has been confirmed by battery sensitivity analysis that all economic transactions are priced according to market conditions, therefore government policies should be carefully read to help the market.

신재생 에너지원과 에너지 저장장치가 연계된 직류 배전 시스템의 제어 및 안정도 해석

백종복 서울대학교 대학원 2014 국내박사

최근 지구온난화와 자원고갈 등의 환경 문제가 대두되고 전기 에너지의 신뢰성 향상에 대한 요구가 늘어남에 따라 신재생 에너지 분산발전과 에너지 저장장치에 대한 관심이 고조되고 있다. 다양한 신재생 에너지원과 에너지 저장장치를 효과적으로 활용하기 위해 시스템을 효율적으로 통합하고 운영하는 기술이 필요하다. 전력전자 기반의 직류 배전 시스템은 이러한 시스템의 통합이 용이하며, 잠재적으로 전체 시스템의 효율 향상이 가능하기 때문에 소규모 그리드에서 교류 배전 시스템의 대안으로써 연구가 활발히 진행되고 있다. 직류 배전 시스템에 대한 연구는 효용성 분석, 토폴로지, 운영 방법 등 다양한 측면에서 진행되어 왔으나 대부분 단일 전원을 대상으로 수행되었다. 따라서 직류 배전 시스템의 장점을 극대화하고 이를 확산시키기 위해 다양한 전원이 포함된 시스템 통합 기술에 대한 연구가 필요하며 전원의 특성을 고려한 운영 및 제어 전략이 함께 수립되어야 한다. 또한 다양한 전원이 컨버터를 통하여 연계되기 때문에 시스템 간의 간섭이나 전력 품질과 관련된 안정도 분석에 관한 연구가 필수적이다. 본 논문에서는 먼저 신재생 에너지원과 에너지 저장장치를 포함하는 직류 시스템의 특징을 기존 교류 시스템과 비교 분석하였다. 또한 직류 배전 시스템의 통합과 관련한 주요 이슈를 살펴보기 위해 소규모 직류 배전 시스템을 구성하고 동작을 구현하였다. 제시된 직류 배전 시스템의 운영과 제어 전략은 효율적인 에너지 관리와 안정적인 전압원 제공의 두 가지 측면에서 기술하였다. 이를 위해 제어구조를 두 개의 계층으로 분리하여 시스템이 동작하도록 하였으며 상위 제어기에서는 효율적인 운용을 위해 에너지 관리 스케줄링을 결정한다. 로컬 제어기를 통하여 컨버터는 서로 독립적으로 동작하면서 자동적으로 다양한 모드 변환을 시도할 수 있도록 하였으며 이를 통해 갑작스런 사고에도 버스 전압이 허용 범위 내에 안정적으로 유지되도록 하였다. 또한 직류 배전 시스템의 전력 품질에 관한 연구의 일환으로 우선 제안한 시스템의 다양한 모드에서 소신호 모델을 분석하였다. 이를 바탕으로 이질적인 전원이 전력변환장치를 통해 직류 형태로 통합된 시스템에서 시스템간의 간섭을 해결하고 버스 전압의 안정도를 보장하기 위한 가이드를 제시하였다. 더불어 사고 상황 해석과 여러 동작들이 전력 품질에 미치는 영향을 살펴봄으로써 제안한 방법의 타당성을 확인하고 시스템 설계와 운영에 관한 현실적인 문제에 대하여 논의하였다. 시스템의 동작을 검증하기 위해 Matlab/Simulink를 이용한 소프트웨어 테스트베드를 제작하고 모의 실험 결과를 제시하였으며, 하드웨어 시스템 장치를 구축하여 전력 시스템의 안정적인 동작과 제안한 제어 알고리즘을 실험적으로 검증하였다.

신축 건물의 ESS와 연계한 태양광 발전 수익률 분석에 관한 연구

김성수 건국대학교 대학원 2019 국내박사

Recently, the government's policy to expand the supply of renewable energies is actively under investment and distribution with their various technologies, such as PV and ESS. In particular, for systems combined with PV and ESS, various possibilities of utilization have been found and attention has been paid, but the gap between investment cost of facilities and profits on new and renewable energies continues to hamper the development of related businesses. System could be classified into two categories. One for the case by the power generator is a favorable level, break even-point being within 4 to 6 years, compared with the other for the case of energy efficiency in general buildings. The combination of PV and ESS applied to buildings is virtually hard to aim a proper profit in the market and it is because a combination of the government's electricity rate reduction policy is not feasible in the case of energy-intensive -buildings. In addition to the market environments, only a simple formula-based analysis by the design related engineers is therefore being performed in the area of economic evaluation of PV and ESS for the general buildings, which would be urgently required in the development of tools for economic evaluation. In this research, to find ways to address these problems, an existing building was initially selected and analyzed for the case where PV and ESS were applied according to the general engineer's design techniques. The results showed that the current government's policy of supporting renewable energy showed unacceptable economic feasibility with a break even point of 17.55 years while a returning period for investment by general building owners ranges less than five years around. In this paper, however, newly developed algorithms for analyzing optimal economics has been appled to selected buildings for the simulation and the result showed much improved economic assessment with a return period of 8.62 to 12.77 years, which is much better than a case analysis by existing engineers' intuition. This case yet shows that it was difficult to secure economic feasibility rather than around five-year requirement for building owners. There could be a variety of reasons for the economic difficulties to attain, but case studies have shown that the economics of a PV and ESS combination system are so poor if the maximum power consumption for buildings is low compared to contract demand. The government's new and renewable energy policy, which does not provide a reduction in the basic power rate for less than 30 percent of the building's power, makes it difficult to ensure economic feasibility even when the company has to supply PV or ESS at least 30 percent. The study in this paper also showed that commercial building selected for the case study were found to have a underwhelming economy compared to their investment in PV and ESS due to 31.7% percent of peak demand power compared with contract power. From the results, it has been proved that the existing buildings, having a peak demand power less than 40% due to commonly used Technical Regulation in Electricity Business Act, stay without doubt in low economic feasibility. It is therefore strongly recommended that the governmental support is essential to improve and overcome this situation. Finally this paper shows possible economic scenario by changing the peak demand power rates to predict economic feasibilities for both new and existing buildings with installation of new and renewable energy resources such as PV and ESS combinations. The prices for renewable energy keeps decreasing as the years go by because of technological development and expansion of investment in production facilities. In this paper, the economic evaluation with the same approach was conducted with consideration to a downward trend in prices of PV and ESS from 2019 to 2024 estimated by experts. In the results of economic evaluation, the payback periods has been estimated according to the decrease in prices of PV and ESS, which account for the largest percentage of the entire system. The payback periods in 2018 were estimated from 7.4 years to 12.77 years, and it declines from 6.31 years to 11.32 years in 2020. Eventually, it is expected that the payback period would be shortened from 4.26 to 8.56 years in 2024. This ensure that the payback period would equal to or less than five years, which is expected by the landlords. However, these payback periods calculated for the future were estimated on the assumption that peak demand power for contracted power was adjusted. The payback period, if not adjusted, would be more than five years. From the result, it was found that steady support for spread of renewable energy was needed through amendment in policy for renewable energy in order to activate the business and expand supply of renewable energy resources. 최근 정부가 추진하는 신재생에너지 보급 확대 정책으로 태양광 발전 (PV), 에너지저장시스템 (ESS) 등의 다양한 신재생 기술에 대한 투자 및 보급이 활발히 이루어지고 있다. 특히 PV와 ESS가 결합된 시스템의 경우 최근 다양한 활용 가능성이 발견되어 관심이 집중되고 있는 실정이지만 아직은 설비의 투자 비용과 신재생 발전으로 인한 이익 부분의 불균형이 계속되고 있어 관련 사업의 발전에 걸림돌이 되고 있는 실정이다. [1][2] PV와 ESS가 결합된 시스템의 경우 발전 사업자의 RPS (Renewable Energy Portfolio Standard, 신재생에너지 의무할당제) 대응을 위한 경우와 일반 건물에서의 에너지 효율화를 위하여 사용되는 경우로 분류가 가능한데 발전 사업자를 대상으로 하는 경우는 REC(Renewable Energy Certificate, 신재생에너지 공급인증서) 구입제도를 통해 의무량을 채우는 정부의 지원 제도로 인해 투자 대비 효과가 4∼7년 정도로 경제성 확보에 유리한 입장이다. 하지만 REC의 시장 거래가 현실적으로 거의 불가능한 일반 건물에 적용되는 PV와 ESS가 결합된 시스템의 경우 정부의 전기 요금 절감 정책에 의지하여 사업성을 확보할 수 밖에 없는 실정이지만 이를 따를 경우 에너지 사용량이 많은 초대형 건물의 경우를 제외한 중대형 건물의 경우 경제성의 확보가 거의 불가능한 실정이다. 또한 일반 건물을 기준으로 PV와 ESS가 투자될 경우의 경제성 평가 부분에 있어서도 관련 설계 엔지니어의 경험에 의한 단순 수식 기반의 분석을 수행하고 있어 정확한 투자대비 회수 시간을 산정하지 못하는 문제가 나타나고 있어 경제성 평가를 위한 도구의 개발이 요구되고 있는 실정이다. 본 논문에서는 이러한 문제점의 개선 방안을 모색하기 위해 우선 기존 일반적인 중대형 건물을 선정하여 PV와 ESS가 적용된 사례 분석을 일반적인 엔지니어들의 설계 기법에 의하여 분석을 수행하였다. 수행 결과 현행 유지되는 정부의 신재생에너지 지원 정책에 의하여 투자 대비 경제성을 산정할 경우 17.55년으로 일반적인 건물주의 투자 대비 회수 요청 기간인 5년보다 높게 나옴에 따라 경제성이 전혀 없음을 확인할 수 있었다. 최적의 경제성을 분석하기 위한 알고리즘을 개발하여 이를 실제 건물에 적용한 시뮬레이션을 수행하였으며 개선된 경제성 평가 알고리즘을 개발하여 적용한 결과는 기존 엔지니어의 직관에 의한 사례 분석보다는 많이 개선된 8.62년 ∼ 12.77년으로 산정되었다. 하지만 이 경우에도 건물주의 기대치인 5년 정도의 요구 기간보다는 경제성을 확보하기 어려운 것으로 연구되었다. 이러한 경제성을 확보하기 어려운 것은 다양한 원인이 있을 수 있으나 케이스 분석 결과 건물의 계약 전력 대비 최대수요전력이 낮으면 PV와 ESS가 결합된 시스템의 경제성이 나빠짐을 발견할 수 있었다. 건물 계약 전력의 30% 미만에는 기본 전력 요금에 대한 감면혜택이 없는 정부의 신재생에너지 정책에 따라 관련 사업자는 30% 이상의 조건에 맞는 PV, ESS를 공급하여야 하기 때문에 경제성을 확보하기가 어려운 실정이며 본 연구에서 사례 분석을 진행한 건물의 경우에도 이러한 조건을 만족시키기 위하여 계약전력 대비 최대수요전력이 30% 이상인 31.7%로 조정되어 경제성을 확보하지 못하는 것을 확인할 수 있었다. 국내 상업 건물에는 현실적으로 계약전력 대비 최대 수요전력 40% 미만임에 따라 PV, ESS의 투자대비 경제성이 좋지 않은 방향으로 나타나고 있음을 알수 있었다. 신재생에너지의 경우 매년마다 기술의 발전과 생산 시설 투자의 확대에 따라 가격이 낮아지는 추세를 보이는 데 전문가가 예상한 PV, ESS에 대한 2019년부터 2024년까지의 연도별 가격 하락 추이를 고려하여 동일한 케이스에 대하여 다시 경제성 평가를 수행하였다. 경제성 평가를 수행한 결과 전체 시스템에서 가장 큰 비율을 차지하는 PV, ESS의 가격 저하에 따라 2018년에는 최저 7.4년에서 12.77년까지의 투자대비 회수 기간이 계산되었고 2020년에는 최저 6.31년에서 11.32년으로 하락하는 것을 알 수 있으며 최종 2024년에는 4.26년부터 8.56년까지로 투자대비 회수 기간이 짧아지는 것으로 산정되어 건물주 들의 기대치인 5년 이하의 투자대비 회수 시간을 확보할 수 있다. 하지만 이 경우도 앞에서 서술한 계약전력 대비 최대 수요전력이 조정된 경우로서 조정이 되지 않은 케이스에는 5년 이상의 투자 대비 회수 기간을 보이고 있음을 알 수 있어 신재생에너지 관련 사업을 활성화하고 보급을 확대하기 위해서는 관련 제도의 정비를 통한 지원이 지속적으로 요구됨을 발견할 수 있었다.

신재생에너지 해상풍력 발전단지의 경제성분석 : -System Dynamics를 활용하여-

권영기 한국해양대학교 대학원 2018 국내석사

신재생에너지는 최근 대두되는 환경문제에 대한 사회적 관심 속에 기존의 석유석탄과 같은 화석연료와 원자력을 대체하는 새로운 에너지원으로 주목받고 있다. 이 가운데 해상풍력의 경우 해저지형이 완만한 지리적 이점과 양질의 풍황자원을 이용한 유럽을 중심으로 최근 급성장세를 보이고 있으며, 이런 유럽의 사례는 삼면이 바다이고 활용 가능한 국토면적에 한계가 있는 국내에도 시사하는 바가 크다. 이에 따라 해상풍력발전단지 사업을 효율적으로 추진할 수 있도록 개발착수에 앞서 충분한 사전조사가 이루어져야 하며 해상풍력 사업을 추진하는 판단기준인 경제성 분석에 대한 연구도 함께 진행되어야 할 것이다. 이를 위하여 본 연구에서는 시스템다이내믹스 기법을 활용하여 해상풍력발전단지의 수익성에 대한 구조를 모델링하고 수입과 비용에 대한 하위요소들 간의 인과관계를 정량적으로 분석하였으며 해상풍력발전단지의 수익성을 결정하는 주요 요인인 발전단지 규모 및 발전기 사양, 정부지원금, 자본비용의 변화에 따른 수익성 모델의 동태적 특성을 파악하였다. 발전기 용량을 2MW, 3MW, 4MW, 6MW 4개 Case로 설정하고, 발전단지규모를 48MW, 96MW, 144MW, 192MW, 240MW 5개 Case로 각각 설정하여 총 20개의 Case에 대한 수익성 분석 결과 발전기 용량이 6MW이고, 단지규모가 192MW, 240MW인 2개의 Case에서만 (+)수익이 발생하였고 나머지 18개의 Case에서는 수익성 확보가 불가능한 것으로 나타났다. 이는 발전기 및 해상설치 기술발전, 해상풍력발전단지의 운영실적 증가, 관련 산업의 성장 등 여러 요인을 통해 해상풍력발전의 경제성이 꾸준히 증가되어 왔으나 아직까지 정책적인 지원 수단 없이는 충분한 경제성 확보가 어려움을 나타낸다. 이렇듯 해상풍력발전의 활성화를 위해선 정부지원이 불가피하며 이러한 정부지원의 효과를 검증하기 위하여 정부지원금을 통하여 30%의 추가수익이 발생한다고 가정하여 앞서 분석한 20개 Case에 대하여 동일한 방법으로 분석하였다. 그 결과 (+)수익 확보가 가능한 Case가 기존 2개에서 11개로 증가하였으며, 발전기용량 3MW이상, 단지규모 144MW 이상에서는 (+) 수익성 확보가 가능한 것으로 나타났다. 해상풍력단지 건설이 활발한 유럽, 특히 영국의 경우 ROC(신재생에너지의무공급)와 같은 지원정책을 통해 전력판매수익이상의 추가수익 발생이 가능함을 고려하면 유럽에서 해상풍력발전단지 건설이 활발히 진행되고 있는 가장 큰 이유가 이러한 정부지원을 통한 경제성 확보임을 알 수 있다. 또 다른 중요 요소인 자본비용의 변동에 따른 수익성분석을 위해 발전기 용량 3MW, 규모 144MW인 발전단지에 대하여 WACC = 8.30%, 6.53%, 4.77%, 2.99%, 1.22%, 5개의 Case에 대하여 분석하였다. 그 결과 4.77%이하의 WACC에서는 (+)수익이 발생하는 것으로 나타났다. WACC가 4.77%로 감소함으로써 줄어들게 되는 자본비용은 앞서 분석한 전력판매수익의 30%를 추가수익으로 지원 하였을 때의 정부지원금 규모와 동일한 규모로써, ROC와 같이 추가수익을 보존해주는 직접적인 지원방식도 수익성 증가에 효과적이지만 저금리 자금 제공 등 자본비용을 낮출 수 있도록 하는 지원방식이 더 효과가 있다는 점을 제시하고 있다. Renewable Energy is regarded as a new energy source to replace existing energy like fossil fuel and nuclear energy in the glare of public attention for environmental issues. Offshore wind energy is making high growth rate in these alternative energy in Europe that has geometrical benefits of gentle subsea slope and good wind resources, recent high growth rate in Europe has great implications for us considering our geographical characteristic that is surrounded by water on three sides and is a limit on the land area to be developed. For this reason, pre-inspection should be conducted to push ahead with offshore wind farm before construction of offshore wind farm, and an economic analysis should be conducted with pre-inspection because it is a good criterion for project execution. For economic analysis, using system dynamics, make a modeling for profit structure of offshore wind farm, define quantitative causal relationship between child element of income & cost, and analyze the dynamic properties of system by the change of wind farm scale, wind turbine capacity, government grant, cost of capital. 20EA analysis case is defined according to the combination of wind turbine capacity (2MW, 3MW, 4MW, 6MW) and wind farm scale (48MW, 96Mw, 144MW, 192MW, 240MW), the result shows profits can be made in only two case (wind turbine capacity 6MW, wind farm scale 192MW and 240MW). It shows that offshore wind farm has not been economically viable if there is no government grant, although economics of offshore wind farm has been improved due to improvement of wind turbine technology, installation technology, operation record of wind farm, relative industry. As we have seen in result, government grant is inevitable to boost construction of offshore wind farm. To verify the effect of government grant, additional 20EA case are analyzed the same way, with assumed government grant of 30% for electricity sales revenue. The result shows that the number of case to make a profits increase from 2EA to 2EA, and profits can be made on condition that wind turbine larger than 3MW is installed and has wind farm scale larger than 144MW. When we consider that additional profits can be made in Europe, especially UK, by government grant like ROC, we can understand that government grant is important factor to promote construction of offshore wind farm by profit improvement. For cost of capital, other important factor in wind farm profits analysis, 5EA cases are analyzed in offshore wind farm that 3MW wind turbine is installed and has scale of 144MW, with assumed WACC of 8.30%, 6.53%, 4.77%, 2.99% and 1.22%. The results shows profits can be made on condition that WACC is lower than 4.77%. Cost that is reduced by decrease of WACC from 8.30% to 4.77% is the same with government grant of 30% for electricity sales revenue. The result shows that government grant by low cost loan is more efficient than government grant by additional profits.

마이크로그리드용 소용량 발전 수용가의 전력관리에 관한 연구

유현재 성균관대학교 일반대학원 2010 국내석사

Recently power systems reduce the use of the fossil fuel and use environment friendly resources. Specially, power systems have more Distributed Generation, which installs near the consumer, increasingly. The resources of Distributed Generation are more clean and economical than conventional generation and fit into the variable power demand. Generally, Distributed Generator installs in consumer or near consumer for reducing transmission cost. The large-scale Distributed Generators connect with Power Company,and supplies electrical power energy to consumer via power grid. On the contrary,small-scale renewable energy resources in consumer side can supply the electrical power to the local consumer and other consumers, which connect with power system. The change of the power system configuration needsfor development of the equipment that controls and/or monitoring the power system. There are too many efforts in development of the monitor and control the power system. From these results lead to develop the EMS(Energy Management System) and SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) system. Nevertheless, these systems are too huge and too expensiveto install in consumer side that works with small-scale renewable energy source. From that reason, it is need that develop a small size and inexpensive equipment that role of EMS or SCADA. In this paper describes development process of the inexpensive monitoring equipment that works with Distributed Generator at consumer side, and shows validity of measuring data. The roles of developed equipment is measuring voltage/current and storing measured data into hard disk drives in the general PC via USB communication for the calculating active/reactive power and detecting abnormal conditions and communicates with a higher control system. 2005년 2월 16일에 발효된 교토의정서는 공동이행제도(JI), 청정개발체제(CDM), 배출권거래제도(ET)의 유연성 체제를 통해 세계 각국의 능동적인 환경보호 참여를 유도하고 있으며[3] 선진국의 경우 5.2%의 온실가스 삭감을 결정하여 온실가스 감축 프로그램을 추진하고 있다.[2] 전력산업의 관점에서 한국, 미국, 일본의 대응을 살펴보면 미국의 경우, 기후변화에 대한 과학적 불확실성, 개도국 불참 및 자국경제에 미치는 파급영향을 이유로 교토의정서 비준을 거부하고 있지만[2] 전력망의 첨단화, 고도화를 위한 스마트그리드 사업을 추진하여 신재생에너지원등의 분산발전에너지시스템의 유연한 수용이 가능하게 하고 있어 교토의정서의 2차 공약기간인 2012년 이후 온실가스 감축의무를 수행할 것으로 보이며, 일본의 경우 신재생에너지 기반의 Micro-Grid 사업을 통해 실증단지를 구축하고 있다. 우리나라는 산업혁명시기에 활동하지 않은 사실을 인정받아 개도국인 비부속서 국가로 분류되어, 온실가스 감축 의무를 부여받고 있지 않지만 세계 10위권 이내의 온실가스 배출규모를 가지고 있고 OECD회원국으로 경제력을 보유하고 있어 온실가스 감축의무 부담을 국제적으로 요구 받고 있다. 이에 따라 05년부터 국내 전력망 첨단화, 고도화를 위한 전력 IT 사업을 추진 중이며 08년부터 실증단지 구축을 위한 사업에 착수하고 있다.[2,4,9] 이와 같은 전력 IT사업 및 그린홈 사업 등을 통해 전력계통에 각종 신재생에너지원의 도입 및 IT기술이 접목되고 있으며, 이에 따라 기존 배전계통이 방사형태의 마이크로그리드시스템으로 변화하고 있다. 마이크로그리드시스템은 IntelliGrid시스템과 마찬가지로 전력인프라와 정보인프라를 결합시킨 전력공급체제로 정의되며 마이크로터빈, 연료전지, 태양광발전, 풍력발전 등의 분산발전원을 전기부하와 통합시켜 특정지역 또는 수용가 단위의 에너지자급 또는 공급의 연속성을 확보하기 위한 기술로써 계통에 사고가 발생할 경우 IT기술을 이용한 마이크로그리드의 독립운전을 통해 경제적이고 효율적인 시스템운영이 가능하다.[4] 1-2. 연구내용 마이크로그리드시스템의 도입에 따라 발생하는 역조류, 사고전류의 증가, 독립운전에 의한 계통외란 등의 문제점을 제거하고 생산된 전력을 안정적, 경제적, 효율적으로 사용하기 위해서는 마이크로그리드시스템 각 요소의 전력을 계측, 감시하고 계측한 데이터의 분석을 통한 시스템제어가 필요하다. 본 논문은 전력계통의 구조가 신재생에너지의 개발 및 보급에 따라 변화하는 과정에 대해 기술하고 신재생에너지가 배전계통에 연계되어 방사형태의 마이크로그리드 시스템을 이루게 될 경우 발생하는 문제점을 해결하기 위해 전력계측 단말기를 구현하고 컴퓨터와 연계해 소용량 발전・수용가를 위한 전력계측 시스템을 구성했다. 구현된 전력계측단말기의 전압측정회로는 계측선로에 존재하는 고조파를 모두 측정회로로 받아들일 수 있도록 전압측정회로를 선형소자인 정밀저항을 이용해 설계 됐으나 정밀계측 및 고차고저파를 측정하기 위해서는 원 신호를 높은 샘플링비율로 획득해 고정밀 A/D 변환기의 이용이 필요하기 때문에 고가의 소자를 사용한 회로 구성으로인해 계측단말기의 가격을 상승시킨다. 이에 따라 구현된 전력계측 단말기는 산업용 정밀제어를 위한 것이 아니므로 계측단말기의 가격을 최소화하고 수용가측을 위한 기능성을 고려해 10bit A/D 변환기를 내장한 저가의 범용 마이크로프로세서인 ATmega128을 이용해 단말기를 구성하고 컴퓨터와 연결해 데이터처리 및 기존 BcN망을 이용한 통신이 가능하도록 시스템을 구성하였다. 구현된 전력계측 단말기를 기존 인프라인 컴퓨터와 연결해 수용가측 전력관리 시스템을 구성할 경우 추가적인 측정 및 제어 단말기의 도입을 통해 시스템을 손쉽게 확장할 수 있다. 이를 통해 수용가의 일부 혹은 수용가 전체의 주요선로 및 각 파워아울렛의 전력감시 및 제어가 가능하도록 수용가측 전력관리 시스템을 구성할 수 있게 되어 전력계측을 통해 단순히 전력사용량 및 전력요금을 통보 하는 것 뿐 아니라 수용가 내부의 각 선로의 모니터링을 통해 보다 세밀한 부하제어가 가능해 경제적이고 효율적인 전력에너지소비가 가능해 진다. 구현된 전력계측 단말기의 경우 전류변성회로는 국제표준을 만족하는 검증된 전류변성기를 사용하였지만 전압변성회로의 경우 일반적으로 사용하는 전압변성기가 아닌 정밀저항을 이용한 전압분배 회로를 구성해 입력전압을 변성하므로 전력계측 단말기를 통해 획득한 전압데이터의 신뢰성을 판단하기위해 1G 샘플링, 500MHz의 대역폭을 갖는 아날로그타입의 오실로스코프와 데이터 파형비교 실험을 통해 구현된 전력 계측단말기의 신뢰성을 보였다.

신재생에너지 연계 저압 직류배전시스템의 효율 및 안전성 분석에 관한 연구

박건우 성균관대학교 일반대학원 2022 국내박사

신재생에너지원의 직류전원과 직류부하인 디지털 부하가 등장하고 또 증가하면서 교류시스템 내에서 전원 설비와 부하 사이에는 직류/교류, 교류/직류의 불필요한 전력 변환 단계가 발생하게 되었다. 만약 직류전원 설비에서 바로 직류부하로 전력 변환이 필요 없이 배전한다면 이점이 발생하게 된다. 직류배전의 논의는 태양광 발전설비의 확대와 전자회로가 필요한 직류부하들의 증가로 부족 전력의 갈증을 해소하기 위해 본격적으로 이루어지기 시작했다. 기술이 발전되면서 ESS(에너지저장장치)를 통한 전기에너지의 저장, IDC(Internet Data Center) 등 고품질·고신뢰성 전력이 필요한 빌딩의 등장, 마이크로그리드(Micro-grid) 등 독립전원 계통의 공급과 효과적인 계통연계가 필요하게 되면서 교류시스템 대신 직류시스템이 이를 해결할 수 있게 되었다. 교류전원은 시간에 따라 정현적으로 크기가 변하는 특성이 있는데, 이는 진폭, 위상각이 모두 같아야 동일 전원으로 판단할 수 있기 때문에 동기화를 위한 문제가 발생하게 된다. 반면, 직류전원의 경우 일정한 크기와 방향을 갖는 전원으로 그 크기만 같으면 같은 전원이라 할 수 있다. 따라서 직류는 위상각을 고려하지 않아도 되고, 교류에서 위상각이 조금이라도 다를 경우 상호 간에 복잡한 전기 현상이 발생하여 문제점이 생기는 것과 달리 간소함과 안정도가 높은 특성이 있는 것이다. 직류배전은 전력변환의 최소화를 통하여 에너지 효율성을 증가시킬 수 있다. 직류 발전 및 사용량이 증가하면 전력 변환단계의 감소로 손실을 줄일 수 있는데, 이는 무정전 공급이 중요한 현장에서 전력 변환으로 인한 손실을 줄여 10〜15%의 효율성을 향상할 수 있음을 의미한다[1]. 신재생에너지에 의해 발생하는 전력을 이용하여 직류배전을 곧바로 사용하게 되면, 가전기기 내부에 탑재되는 전력변환장치를 최소화함으로써 부피 및 무게 그리고 에너지 전달 효율을 개선할 수 있는 장점이 있다. 현재, 직류배전 및 직류배전용 기기들의 개발이 미흡하며, 기개발된 제품에 대한 안정성 여부도 확인이 필요한 실정이다. 따라서, 본 연구를 통하여 380[VDC]로 구성된 저압 직류배전의 실증사이트를 기반으로 획득한 데이터를 검증하고자 EMTP/ATPDraw를 이용하여 실 계통에서 진행할 수 없는 다양한 모의시험을 진행하였고 직류배전의 타당성과 에너지효율 향상을 입증하였다. 직류전력이 도입되는 신재생에너지 부분의 접지방식은 기존의 전력계통에서 분산 전원(태양과, 풍력, 연료전지 등)의 외함 부분과 인버터 2차측 부분, 직류부하에 접속되는 외함 부분과 컨버터 2차측 부분, 직류부하 등이 기존의 접지방식과 차이가 있다. 그러나 접지방식에 있어서는 기존의 교류 부분과 같은 접지방식으로 구분할 수 있다. 교류계통 보호방식에서 크게 TN, TT, IT방식으로 분류되고 있다. 직류계통도 교류계통과 마찬가지로 접지방식에 따라 TN, TT, IT 방식으로 분류된다. 따라서, 본 논문에서는 직류배전 조명시스템을 기반으로 중점 접지방식과 비접지방식에 대해 고장 특성 및 안전성을 분석하였다. As DC(Direct Current) power of renewable energy sources and digital loads, which are DC loads, appeared and increased, unnecessary power conversion steps between DC/AC and AC/DC occurred between power facilities and loads in the AC system. If power is distributed directly from the DC power facility to the DC load without the need for power conversion, an advantage will arise. The discussion of DC distribution system began in earnest to quench the thirst for power shortage due to the expansion of solar power generation facilities and the increase of DC loads requiring electronic circuits. With the development of technology, storage of electrical energy through ESS(Energy Storage System), the emergence of buildings requiring high-quality and high-reliability power such as IDC(Internet Data Center), and the supply of independent power networks such as micro-grids and effective grid connection are required. As a result, the direct current distribution system instead of the alternating current distribution system was able to solve this problem. The AC distribution system has a characteristic that the size changes sinusoidally with time, which causes a problem for synchronization because the same power source can be determined only when the amplitude and phase angle are the same. On the other hand, in the case of DC power, it has a certain size and direction, and if the size is the same, it can be said to be the same power source. Therefore, direct current distribution system does not need to consider the phase angle, and in case of even a slight difference in phase angle in alternating current, a complicated electrical phenomenon occurs, which causes problems, but it has the characteristics of simplicity and high stability. DC distribution system can increase energy efficiency by minimizing power conversion. When DC power generation and usage increase, losses can be reduced by reducing the power conversion stage, which means that the efficiency can be improved by 10 to 15% by reducing the loss due to power conversion at sites where uninterruptible supply is important. If DC distribution system is directly used using the power generated by renewable energy, the volume and weight and energy transfer efficiency can be improved by minimizing the power conversion device mounted inside the home appliance. Currently, the development of DC distribution system and DC distribution devices is insufficient, and it is necessary to check the stability of the previously developed products. Therefore, through this study, a simulation test was conducted using EMTP/ATPDraw to verify the data obtained based on the demonstration site of DC distribution system, and the validity and energy efficiency improvement of DC distribution system were demonstrated. The grounding method of the new and renewable energy part where direct current is introduced is the enclosure part of the distributed power supply (solar, wind power, fuel cell, etc.) and the secondary part of the inverter in the existing power system, the part of the enclosure connected to the DC load and the secondary part of the converter, DC load, etc. are different from the existing grounding method. However, in the grounding method, it can be divided into the same grounding method as the existing AC part. In the AC system protection method, it is largely classified into TN, TT, and IT methods. Like AC systems, DC distribution systems are classified into TN, TT, and IT types according to the grounding method. Therefore, in this paper, failure characteristics and stability were analyzed for the central grounding method and the non-grounding method.

스마트그리드 導入을 위한 家庭用 太陽光發電시스템의 經濟性 評價에 관한 硏究

김광원 경북대학교 대학원 2015 국내석사

It agreed on the transformation technology in the G8 expansion summit conference taking place in Italy clitoris quillaic in 2009. Korea was chosen as the leading country of SMART GRID field. The smart grid refers to the next generation power network which makes the optimum energy efficiency possible since it is called as the second of the electric power revolution and we introduce ICT(Information & Communication Technology) in the existing power net and the power supplier and consumer exchanges the real-time information with the bidirectional. In addition, whereas the existing power net supplies power as the centralized, the smart grid does the way of adding the distributed power utilizing the new renewable energy system for the existing center-concentrated module with the basic power supply method. This research devised the stratagem supplying the electricity with the distributed power utilizing new and renewable energy as the fundamental research for the interior of a country smart grid introduction and activation. For this purpose, after monitoring the energy consumption of the home which we looked into the state of distribution of for domestic home new renewable energy system and selected the new renewable energy system which is available as this distributed power and is actually installed inside and productivity, the economical efficiency valuation was performed based on this data. Through this, the energy data of home energy consumption and renewable energy system are provided in the smart grid introduction afterward and basic data which can be referred to the installation of the distributed power the new renewable energy system and supply through the economical efficiency valuation try to be presented.

지열히트펌프 시스템의 변수와 최적 설계조건에 관한 연구

강형규 서울시립대학교 일반대학원 2012 국내석사

최근 정부는 에너지 고갈 및 탄소배출 문제가 세계적으로 대두되면서 신재생 에너지 보급을 2011년에 5%까지 공급될 수 있도록 총력을 기울이고 있다. 에너지 고갈 문제가 대두가 되는 이유는 전 세계적으로 인간이 냉난방용으로 사용하는 에너지양이 큰 부분을 차지하기 때문이다. 미국의 경우 냉난방으로 사용하는 에너지는 총 에너지의 약 17%에 이르고, 석유와 천연가스 사용량 의 25%에 해당한다. 우리나라도 생활수준이 향상됨에 따라 냉난방용으로 사용하는 에너지양이 매년 증가 추세이다. 석유 한 방울 나지 않는 우리나라의 경우 급속하게 증가하는 냉난방에너지를 감당하기 힘들 것이다. 또한, 대체 에너지원의 가용성에 관한 문제들은 우리가 앞으로 지속적으로 풀어나가야 할 과제이다. 대체 에너지인 신재생에너지 시스템 중 지열히트펌프시스템은 경제성이 높고, 친환경적이며, 지역이나 장소에 크게 영향을 받지 않고, 청정 지열에너지를 사용하기 때문에 전통적인 화석연료 보다 에너지가 50%~70% 이상 적게 소모된다. 그러나 많은 발전에도 불구하고 대다수의 신재생에너지 시스템은 높은 투자비로 인한 비용적한계 때문에 기존 시스템과 병행된 복합 시스템 혹은 비용과 법규만을 고려한 무의미한 시스템 설계를 하고 있다. 따라서, 본 연구에서는 건물에 가장 많이 적용되는 신재생에너지 시스템들 중 설계변수의 영향력이 가장 크지만, 높은 효율과 발전량을 보이는 지열히트펌프 시스템을 선정하고, 시뮬레이션(Energy Plus)을 이용하여 시스템 용량이 일정할 때 설계변수들의 특성과 영향력에 대해 연구하고, 크게 영향을 주는 변수들을 통해 건물 시스템에 최적의 에너지 효과를 가지는 최적 설계변수를 검토하였다. 본 연구를 통해 얻은 주요 결과는 다음과 같다. 1) 지열히트펌프 시스템은 지열 열교환기의 설계변수에 의해 다양한 에너지 효과를 보였다. 특히, 시스템의 전체 열전달을 담당하는 천공 깊이와 천공 개수 변수는 시스템에서 약 90%정도의 영향력을 보였다. 따라서 지열히트펌프 시스템의 설계에 있어 천공에 관련된 변수선정을 가장 신중히 해야 한다. 2) 지열 열교환기 재료의 영향력 분석을 통해 지열히트펌프 시스템은 변수의 열전달 특성에 따라 에너지 절감을 할 수 있었다. 각 재료의 비용적 차이가 크지 않다면 열전달 특성이 좋은 재료를 사용하는 것이 시스템 설계에 있어 효율적이다. 시뮬레이션을 통해 확인된 최적의 재료 변수는 열 저항이 작은 PE SCH-40 파이프와 열특성이 좋은 20%에틸렌 혼합 유체, 그리고 열전도율이 좋은 40%규사가 혼합된 벤토나이트 재료이다. 3) 지열히트펌프 시스템은 지열 열교환기의 전체 길이에 의해 서로 다른 에너지 사용량을 보였다. 또한 같은 열전달 길이를 가지더라도 기준 천공 깊이와 천공 개수의 변화에 따라 그 결과를 달리하였다. Case 30, 43, 52 모델과 국제학사는 같은 열전달 길이 이지만, 국제학사 모델은 Case 모델들 보다 에너지 효율이 떨어진다. 그 이유는 같은 열교환기의 길이를 가지더라도 기준 천공 깊이를 적절히 설계하고, 천공개수를 늘리는 것이 시스템에 효율적이기 때문이다. 4) 설계변수들의 시뮬레이션 분석결과 Case 25, 29, 34, 38, 42, 47 모델들은 베이스 모델보다 에너지 효율이 높고, 천공 길이도 짧았다. 본 연구의 모든 Case 모델들은 시스템 용량이 일정하다. 시스템의 용량이 같고, 설치비용도 같다면 설계변수의 비용을 줄이고 에너지 효율을 높이는 것이 최적의 조건이 된다. 따라서 선택된 설계변수 모델들은 최적의 변수조건이다. With the recent global increase in the problem of energy depletion and carbon emission, the South Korean government is doing all that it can to supply up to 5% renewable energy until 2011. The reason for the increase in the problem of energy depletion is mainly due to fossil energy use spent globally such as in air conditioning and heating. In the U.S., the energy used for air conditioning and heating reaches about 17% of total energy, which is equivalent to 25% of the quantity consumed of petroleum and natural gas. Our nation's quantity of energy usage, also, is increasing every year according to the improvement of the living standard. In case of our nation, which is oil-poor, it would be hard to cope with the capacity of rapidly increasing air conditioning and heating energy. Also, the matters of fusibility of alternative energy source are the tasks we have to consistently take care of from now on. Ground source heat pump system, among the renewable energy system which is alternative energy, is highly economical and environment-friendly, not largely affected by region or place, as well as using clean geothermal energy, more than 50%~70% of energy is less consumed than traditional fossil fuel. However, in spite of many such developments, most of renewable energy systems are designed as a complex system combined with existing system or planned to be a meaningless system design, where only cost and regulations are considered due to the limit of cost caused by high investment cost. Therefore, this study selected ground source heat pump system which shows high efficiency and power generation, though the influence of design variable is the biggest among the renewable energy systems which are applied to buildings the most, researched on the characteristics and the influences of design variables when the capacity of system is regular by using simulation, and examined the optimum design variable which has optimum energy effect in building system through largely affecting variables. The major results acquired through this study are as follows: 1) Ground source heat pump system showed various energy effects under the design variable of ground heat exchanger. Particularly, the variables of borehole depth and the number of boreholes which are in charge of overall heat transfer of system showed the influence of about 90% in the system. Therefore, in the design of ground source heat pump system, selection of variable related to borehole should be most carefully done. 2) Through influence analysis of ground heat exchanger material, ground source heat pump system could save energy according to heat transfer characteristics of variable. In case if there's no big difference in costs among the materials, it is efficient in system design to use the material which has a good heat transfer characteristic. The optimum material variables confirmed through simulation are such as PE SCH-40 pipe, which thermal resistance is low and 20% ethylene mixed fluid with good heat characteristics, bentonite mixed with 40% of silica which has good heat conductivity. 3) Ground source heat pump system showed different quantity of energy usage from each other under the condition of total length of ground heat exchanger. Also, even it had the same length of heat transfer, the results were various according to the change of standard borehole depth or the number of boreholes. Case 30, 43, 52 models and Guest house model have the same length of heat transfer though, Guest house model has lower energy efficiency than that of Case models. The reason is, though having the same heat exchange length, it is efficient for system to properly design standard borehole depth and to increase the number of borehole. 4) As the result of the simulation analysis of design variables, Case 25, 29, 34, 38, 42, 47 models showed higher energy efficiency and shorter borehole length than Base model. All Case models of this study have regular system capacity. In case if system capacity is the same and installation cost is the same as well, it is the optimum condition to lessen the cost of design variable and to elevate energy efficiency. Therefore, selected design variable models are the optimum variable conditions.