지구 단위의 제로에너지 계획을 위한 에너지자립률 산정 및 신재생에너지 구성방안 연구 = A Study on the Estimation of Energy Independence Rate and the Composition of New and Renewable Energy for Zero Energy Planning in the District Unit

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Due to rapid urbanization around the world, the population living in cities is increasing, causing urban energy consumption and environmental problems. Accordingly, the response to climate change by country for energy saving and carbon reduction at the city level is emerging as a universal international problem.
Greenhouse gas is generated as a result of energy consumption, and in order to reduce it, it is necessary to save energy and to spread and expand new and renewable energy. In addition, it was confirmed that there is a limit to the energy saving of the net zero energy level with the existing laws, systems, regulations, and standards.
In this paper, as a plan to expand the concept of zero energy in the building unit to the district unit for energy saving, the calculation of the energy independence rate for the quantitative level and the composition of new and renewable energy were studied.
In this study, the concept of zero energy in the building unit was expanded and established in the district unit. A zero-energy design process for each district was proposed, and the calculation procedure and calculation method of the energy independence rate for quantitative analysis were presented. A ‘level algorithm’ applicable to the district unit was proposed. To evaluate the level of energy independence in the planning stage, an energy independence rate evaluation tool with a calculation formula applied was presented.
A model district was selected and a simulation of the surrounding environment and sunlight analysis of the entire district was performed in the solar analysis centered on the existing single building. Through the simulation, it was confirmed that the effect of shading on the buildings and public spaces of the entire district, such as the rooftops and elevations of buildings, and parks and green spaces other than buildings. The difference between the installable area and the installable capacity was verified through the analysis of the effect of shading.
For the verification and analysis of the algorithm for each step of the district-level zero-energy plan, the results for each case according to the level are presented. A new and renewable energy source was constructed so that the energy independence rate was satisfied by applying fuel cells to energy production that was lacking in buildings and outside PVs in the district. Fuel cells were classified into the household, building, and power generation, and their impact on the energy independence rate inside and outside the district was analyzed. As a result of the analysis, it was confirmed that the effect of the energy independence rate was higher in the fuel cell than in the PV. It was verified that energy production through the energy supply of fuel cells outside the earth is necessary for net-zero energy in the district unit.
For the zero energy plan at the district level, it is necessary to establish a PV installation plan after analyzing the sunlight in the entire district in the preliminary review step. In the case of insufficient energy, it is important to establish an energy plan that applies new and renewable energy such as fuel cells inside and outside the district to reach the target of the energy independence rate.
It is judged that this paper will be used in the certification criteria to quantify and standardize the zero energy plan at the district level. It is expected to contribute to greenhouse gas reduction and energy conversion by activating carbon neutrality, net-zero energy, and RE100 through reduction of fossil energy in the district unit and expansion of new and renewable energy.

국문 초록 (Abstract)

전 세계적인 급속한 도시화로 인해 도시에 거주하는 인구가 증가하여 도시의 에너지 소비와 환경문제를 야기하고 있다. 이에 따라 도시 단위의 에너지 절약과 탄소절감을 위한 국가별 기후 변화 대응이 보편적인 국제 문제로 부각되고 있다.
온실 가스는 에너지 소비의 결과로 발생되어 에너지절약과 신재생에너지 보급․확대가 필요하다. 또한, 넷제로에너지 수준의 에너지 절약은 기존의 법, 제도, 규정, 기준으로는 한계가 있음을 확인하였다.
본 논문은 에너지절약을 위한 건축물 단위의 제로에너지 개념을 지구단위로 확장하기 위한 계획으로 정량적 수준을 위한 에너지자립률 산정과 신재생에너지 구성방안에 대하여 연구하였다.
본 연구에서는 건축물 단위의 제로에너지 개념을 지구 단위로 확장하여 정립하였다. 지구 단위의 제로에너지 설계 프로세스를 제안하고, 정량적 분석을 위한 에너지자립률의 산정 절차, 산정 방법을 제시하였다. 지구 단위에 적용 가능한 ‘단계별(Level) 알고리즘’을 제안하였다. 계획단계에서 에너지자립률의 수준을 평가할 수 있도록 계산식이 적용된 에너지자립률 평가 Tool을 제시하였다.
모델지구를 선정하여 기존의 단일건물 위주의 일조분석에서 지구 전체의 주변 환경과 일조분석 시뮬레이션을 실시하였다. 시뮬레이션을 통하여 건축물의 옥상과 입면 및 건축물 외의 공원, 녹지 등의 지구 전체의 건물과 공용공간에 음영의 영향이 있음을 확인하였다. 음영 영향에 대한 분석을 통하여 설치가능면적과 설치가능용량의 차이를 검증하였다.
지구 단위 제로에너지 계획의 단계별 알고리즘의 검증 ․분석을 위해 Level에 따른 Case별 결과를 제시하였다. 지구 내 건축물 및 건축물 외의 PV에서 부족한 에너지생산을 연료전지를 적용하여 에너지자립률이 충족되도록 신재생에너지원을 구성하였다. 연료전지는 가정용․건물용, 발전용으로 구분하여 지구 내․외의 에너지자립률에 미치는 영향을 분석하였다. 분석 결과, 에너지자립률의 영향은 연료전지가 PV보다 높음을 확인하였다. 지구 단위의 넷제로에너지를 위해서는 지구 외의 연료전지의 에너지공급을 통한 에너지생산이 필요함을 검증하였다.
지구 단위의 제로에너지 계획을 위해서는 사전검토 단계에서 지구 전체에 일조분석 후 PV 설치계획을 수립하여야 한다. 부족한 부분은 지구 내․외에 연료전지 등의 신재생에너지를 적용한 에너지계획을 수립하여 에너지자립률의 목표치에 도달하도록 하는 것이 중요하다.
본 논문은 지구 단위의 제로에너지 계획을 정량화, 표준화하는 인증기준에 활용될 것으로 판단된다. 지구 단위의 화석에너지 절감과 신재생에너지 확대를 통하여 탄소중립, 넷제로에너지 및 RE100 활성화로 온실가스 저감과 에너지 전환에 기여할 것으로 기대한다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 동향 7
• 1.3 연구의 필요성 및 논문의 구성 10
• 제 2 장 에너지절약 방안과 지구 단위 제로에너지 13
• 2.1 에너지절약 관련 규정 13
• 2.1.1 에너지 관련 법령, 기준, 규칙 13
• 2.1.2 에너지사용계획 검토 18
• 2.2 지구 단위의 제로에너지 20
• 2.2.1 제로에너지건축물 인증기준 20
• 2.2.2 지구 단위 제로에너지의 개념 23
• 2.2.3 지구 단위 제로에너지의 에너지절감 요소 24
• 2.3 지구 단위의 에너지공급 및 생산 25
• 2.3.1 에너지공급 시 고려요소 25
• 2.3.2 태양광 발전설비 설치유형 및 일조 관련 규정 25
• 2.3.3 지구 단위의 에너지 범위 및 신재생에너지원 적용 29
• 제 3 장 지구 단위의 에너지자립률 산정을 위한 알고리즘 제안 34
• 3.1 지구 단위 제로에너지 설계 프로세스 제안 34
• 3.1.1 지구 단위 제로에너지 설계 프로세스 34
• 3.1.2 건축물 단위 제로에너지 설계 프로세스 36
• 3.2 지구 단위 에너지자립률 산정 방법 및 분석 알고리즘 제시 38
• 3.2.1 지구 단위 에너지자립률 산정 방법 38
• 3.2.2 지구 단위 에너지자립률 산정 알고리즘 40
• 3.3 지구 단위 에너지자립률 평가 Tool 활용 43
• 제 4 장 지구 단위의 모델 분석 및 에너지자립률 향상을 위한 신재생에너지 구성방안 46
• 4.1 모델지구의 주변 환경 및 지구 단위 분석의 구획 46
• 4.1.1 모델지구의 주변 환경 46
• 4.1.2 지구 단위 분석의 구획 47
• 4.2 모델지구의 일조분석 48
• 4.2.1 일조분석 방법 및 조건 48
• 4.2.2 일조분석 시뮬레이션 결과 53
• 4.3 PV의 에너지자립률 분석 58
• 4.3.1 PV의 설치 분석 58
• 4.3.2 BAPV의 설치 분석 70
• 4.3.3 건축물 용도별 PV, BAPV 분석 및 에너지자립률 산정 83
• 4.3.4 건축물 외 공간의 PV 일조분석 및 에너지자립률 산정 88
• 4.3.4.1 건축물 외 공간의 PV 일조분석 88
• 4.3.4.2 건축물 외 공간의 에너지자립률 산정 93
• 4.4 연료전지의 에너지자립률 분석 94
• 4.4.1 가정용․건물용 연료전지 분석 94
• 4.4.2 발전용 연료전지 분석 96
• 4.5 모델지구의 신재생에너지 구성안 분석 98
• 제 5 장 결 론 104
• 참고문헌 106