농어촌 주택 표준모델과 KNU 식물공장의 에너지 성능 및 경제성 분석 :Economical and Energy Analysis of Standard Rural House Model and KNU Plant Factory

이찬규

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자료유형: 학위논문

저자정보: 이찬규 (공주대학교, 공주대학교 대학원)

지도교수: 김우태

발행연도: 2013

저작권: 공주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (4)

2013

PV 시스템이 적용된 농어촌 주택 표준모델의 에너지 경제성 분석

이찬규 , 김우태 한국산학기술학회 논문지 2013.04 학술저널

농어촌 주택 표준모델과 KNU 식물공장의 에너지 성능 및 경제성 분석

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2012

농어촌 주택 표준모델의 냉난방에너지요구량 분석

이찬규 , 김우태 한국산학기술학회 논문지 2012.08 학술저널

창호특성 변화에 따른 농어촌 주택 표준모델의 건물에너지요구량 분석

이찬규 , 김우태 한국기계기술학회지 2012.01 학술저널

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건물의 연간 에너지 요구량을 시뮬레이션 프로그램을 사용하여 계산하고 에너지 절감을 위한 방안을 적용하여 비교 분석하였다. 귀농인들이 사용할 주택 표준모델의 경우 실내설정온도, 외벽의 열관류율, 창호타입, 환기량을 변화시키며 건물의 에너지요구량을 계산하고 PV 시스템을 설치하여 발전량과 경제성을 분석하였다. 또한 KNU 식물공장은 실내설정온도, LED 보광주기, LED 보광량, 외피의 구조변화에 따른 에너지 요구량을 계산하였다. 주택모델의 경우 모든 계산 케이스에서 난방에너지요구량이 냉방에너지요구량보다 크게 나타났다. 주택모델의 단열재 두께를 증가시켜 외벽의 열관류율을 감소시키면 단열효과의 증가로 난방에너지요구량은 감소하지만 냉방에너지요구량이 증가한다. 또한 단열재 두께를 늘리는 것보다는 외부에 직접 노출된 외벽의 면적을 최소화하는 것이 더 효과적인 것으로 판단된다. 계산에 사용된 4가지 창호 중 일반 이중창호의 난방에너지요구량이 가장 작았다. 침기량은 일정하게 유지하고 단위시간당 환기량을 증가시킨 경우 냉방에너지요구량은 큰 변화가 없었으나 난방에너지요구량이 증가하였다. 실내 공기질이 만족되는 범위 내에서 환기량을 최소화하는 것이 연간 건물에너지요구량을 줄이는데 유리한 것으로 판단된다. PV 시스템의 설치 면적이 Case 1에서 Case 2로 증가함에 따라 단위면적당 발전량이 2.6배 증가했다. 경제성분석을 실시한 결과 두 경우 모두 발전된 전력을 한국전력에 전량 판매하는 경우와 난방에 적용하는 경우를 비교하면 큰 차이가 없었지만 향후 전력 판매가격과 가스가격이 변동되면 결과는 달라질 수 있을 것으로 보인다. 정부보조금을 받게되면 한전에 전력을 판매할 수 없기 때문에 보조금 여부에 따른 경제성 분석을 하였다. 정부보조금이 없는 경우 초기투자비용 회수기간은 Case 1의 경우 약 13년차, Case 2의 경우 약 11년차가 지나면 회수된다. Case 2가 초기설치비용이 비싸지만 회수기간이 빠르고 회수기간이 지나면 Case 1보다 약 3배 더 많은 이익을 얻을 수 있어 수명연한인 25년 이상 사용 시 경제성 측면에서 유리할 것으로 판단된다. 정부보조금이 설치비의 40%일 경우 초기투자비용은 Case 1이 약 9년차, Case 2가 20년차가 지나면 회수되는 것으로 나타났다. 정부보조금을 받지 않고 전력을 판매하는 것이 경제성면에서 유리한 것으로 판단된다. KNU 식물공장의 경우 내부발열이 없는 식물공장의 실내설정온도를 20℃로 유지 시 냉방부하가 난방부하보다 크다. 내부에 작물과 LED 등 조명기기를 설치할 경우 냉방부하는 더 커지며 난방부하는 줄어든다. 야간보광이 주간보광보다 냉방부하 절감에 유리하지만 재배작물 종류에 따른 생장조건에 맞게 보광주기를 결정할 필요가 있다. 보광량이 줄때마다 냉방부하가 감소했다. 적용된 외피의 U-value가 작을수록 외부와의 열전달량이 작아져 식물공장 난방부하는 감소하고 냉방부하는 증가한다. 식물공장 에너지 소비량 절감을 위해서는 재배할 식물의 생장조건에 따라 적정 실내온도를 설정하고 난방부하 및 냉방부하의 크기를 고려한 창호구조를 선택해야한다.

Calculate annual building energy demand using simulation programs and compared building with method for building energy reduce. First, using standard rural house model which is using by people who is return to farming, calculate building energy demand about changing indoor temperature, wall U-value, window types and ventilation. Inaddition apply the PV system, calculate electricity generation and economic analysis. Also calculate energy demand about changing indoor temperature, LED supplemental lighting schedule and window glass in KNU plant factory. In all the simulation cases about standard rural house, heating energy demand was higher than cooling energy demand regardless of the buildinf size. When the lower U-value of the outer wall was applied to account for the thicker insulation layer, heating energy demand was decreased while cooling energy demand was increased. However, it is better to reduce the area of outer wall which is directly exposed to outdoor air because reducing the U-value of the outer wall is not effective in decreasing heating energy demand. Among the four different window types, the double skin window is most favorable because heating energy demand is the lowest. For a fixed infiltration rate, higher ventilation rate resulted in an increased heating energy demand and had minor impact on cooling energy demand. As long as the indoor air quality is acceptable, lower ventilation rate is favorable to reduce the annual energy demand. As compared to Case 1, Case 2 generates 2.6 times more electricity per exclusive using area. Calculate without the government subsides and with subsides cause if recieve subsides, occupants can''t sell the electricity to Korea electric power company. Without subsides case, the break-even point of Case 1 and Case 2 are about 13 and 11 years respectively. The annual profit from the Case 2 is 3 times higher than that of Case 1. Because the average life time of the selected PV system is 25 years, Case 2 is more favorable option for the given standard rural house model. Considering the government subsides 40% of the PV system installation cost, the break-even point of Case 1 and Case 2 are about 10 and 9 years respectively. As compared to with subside and without subsides, without subside and selling electricity to KEPCO case is more favorable in economical side. The annual profit from the Case 2 is 3 times higher than that of Case 1. Because the average life time of the selected PV system is 25 years, Case 2 is more favorable option for the given standard rural house model. In the KNU plant factory case, cooling energy demand was higher than heating energy demand when indoor temperature is 20℃. Cooling energy demand was increase and heating energy demand was decrease when installed supplemental lighting and growing equipments. In addition, night time lighting schedule gave better result as compared to day time lighting schedule. As the U-value of skin window decreases, the heating energy demand decreases and the cooling energy demand increases. To optimize the total energy consumption in the plant factory, it is required to set a proper indoor temperature for the selected plantation crop, to select a suitable window type depending on LED heat gain, and to apply passive and active energy saving technology.

제 1 장 서론 1
제 2 장 연구 방법 4
2.1 농어촌 주택 표준모델 4
2.1.1 모델생성 8
2.1.2 계산조건 14
2.2 KNU 식물공장모델 15
2.2.1 모델생성 17
2.2.2 계산조건 18
2.3 DesignBuilder 20
2.4 EnergyPlus 23
2.5 지배방정식 24
2.5.1 실내공조 시스템 기본 방벙식 24
2.5.2 창호 광학 특성 개조식 26
2.5.3 실내 설정 온도 조절 방정식 26
제 3 장 연구결과 28
3.1 농어촌 주택 표준모델 28
3.1.1 연간 냉난방에너지 요구량 분석 28
3.1.2 벽면 열관류율 변화 31
3.1.3 창호타입 변화 33
3.1.4 환기량 변화 35
3.1.5 33형 주택 표준모델의 연간 건물에너지 요구량 분석 35
3.1.6 주택 표준모델에 적용된 PV 시스템의 발전량 분석 36
3.1.7 주택 표준모델에 적용된 PV 시스템의 경제성 분석 38
3.2 KNU 식물공장 46
3.2.1 실내설정온도 변화 46
3.2.2 LED 보광주기 및 사용량에 따른 에너지요구량 변화 51
3.2.3 식물공장 유리외피의 구조변화 52
3.2.4 지붕구조물 변화에 따른 냉난방에너지요구량 54
3.2.5 Overhang, side 설치에 따른 냉난방에너지요구량 변화 55
제 4 장 결론 58
참고문헌 61
초록 (국문) 65
초록 (영문) 67

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