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2-05. 에너지요구량, 소요량, 소비량, 1차에너지소요량
2-05. 에너지요구량, 소요량, 소비량, 1차에너지소요량2012.02.26 : 에너지요구량의 내용을 보강
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건축물의 에너지를 아는데 또 알아야 할 것이 있다.
바로 에너지요구량, 소요량, 소비량, 1차에너지소요량이다.
에너지를 알기전에 먼저 독일의 마이어가 발견한 "에너지보존법칙"을 이해하자.
"에너지보존법칙"은 에너지 100에서 결코 130의 에너지가 나오지 않는다는 뜻이다.
에너지는 변환하면 할 수록 손실이 발행한다. 즉, 에너지의 형태가 변하면 그 량이 점차 줄어가고, 각각의 변환과정에서의 손실분과 최종에너지 량을 더하면 최초의 공급에너지와 등가를 이룬다.
워낙 쉬운 개념이고 누구나 다 알고있지만, 사기꾼이 가장 많이 나오는 이론 분야이기도 하다. 그만큼 속기 쉽다는 이야기이다.
연료없이 물이 데워질 수는 없다
1. 에너지요구량
에너지요구량은 특정조건 (내,외부온도, 재실자, 조명기구 등)하에서 실내를 쾌적하게 유지하기 위해 건물이 요구하는 에너지이다.
이 특정조건은 용도별로 동일하다. (외부온도만 지역별로 다르다)
이 양은 건축조건만을 고려하며 설비 등의 기계 효율은 계산되지 않는다. 설비 등의 효율을 합산한 것은 에너지소요량이다. 즉, 설비가 개입되기 전 건축 자체의 에너지성능이라는 뜻이다.
이 개념은 무척 중요하다. 우리나라의 에너지효율등급에서는 1차에너지소요량으로 등급을 따지지만, 이는 국가의 입장에서 바라본 개념이다. 실제 건축물은 이 에너지요구량이 훨씬 중요하다. 건축만의 성능이기 때문이다. 아래의 개념도를 보면 좀 더 이해가 빠를 것이다.
A라는 건물이 있다. 이 건물의 에너지요구량이 무척 크다.
이 건물을 목표로 하는 소요량을 맞추기 위해서는 각종 최고 효율의 설비와 신재생에너지가 개입되어야 한다.
그러나, B라는 건물이 있다. 이 건물의 에너지요구량이 작다. 이 건물의 에너지소요량을 A건물과 동일하게 하기 위해서는 그저 일반 설비만 필요로 하고, 극단적인 표현을 하는 사람 중에는 신재생에너지도 필요없다고 이야기하기도 한다. (하지만, 요구량이 아무리 줄어도 신재생에너지는 필요하다. 인류공영의 목적을 위해서도 그러하고, 소요량을 더 줄이기 위해서도 그러하다. 실제로 패시브하우스에서의 신재생에너지설비는 적극적으로 권장된다.)
둘 중에 어떤 건물이 경제적일 것이가? 는 말할 필요도 없다.
물론 B건물 만큼의 요구량이 나오기 위해서는 패시브적 요소(단열/기밀/고성능창호/외부차양 등..)가 추가로 개입되어야 한다. 이 추가 되는 것 만큼 A건물보다 공사비가 추가된다. 그러나, 이 추가된 건축적 요소는 건축물의 수명과 거의 같은 수명을 유지한다.
A건물은 건축공사비가 저렴할 지는 모르나, 각종 설비와 신재생에너지로 추가 비용이 발생하며, 이 설비의 수명은 건축물의 수명에 비해 짧을 수 밖에 없다. 결과적으로는 B건물의 비용이 적게 들어간다.
또한, B건물은 건물의 온도를 쾌적하게 유지하기 위해 설비에 의존하지 않는다. 즉, 건물 자체의 열적 성능이 좋기 때문에 냉난방을 최소화하거나 아예 가동하지 않더라도 실내를 쾌적한 온도로 보존하는 것이 가능하다.
이 개념이 패시브건축물이 지향하는 목표인 것이다.
그래서 "에너지요구량"이 건축물에서는 가장 중요한 개념인 것이다.
** B건물의 건축공사비가 무조건적으로 상승되는 것도 아니다. AV값의 최소화, 즉 건물의 외피를 최대한 단순화한다면 외피부분에서 공사비를 최소화 할 수 있으며, 에너지요구량도 덩달아 줄어들게 된다. 물론 디자인의도와 상충된는 면도 있겠지만, 근거없이 요란한 건물보다 근거있는 심플한 건물이 더 가치가 있을 것이다.
** 이글의 촛점은 건축물에서 신재생에너지가 필요없다는 뜻이 아니다.
건축적으로 비효율적으로 설계/시공된 건물에 신재생에너지로 에너지를 절감하고자 한다면, "밑빠진 독에 물붙기"와 다름 없다는 의미를 설명한 것이다.
일부 전문가는 패시브하우스로 인해 신재생에너지사용량이 줄어 들 것이라는 우려를 하시는 분이 있다. 이는 완벽한 오해라고 보아야 한다.
만약 건축적으로 정말 잘 해서 기존 100 이었던 사용량을 20 으로 줄인다면, 그 동안 30 이 팔려왔던 신재생에너지가 20 으로 줄 수도 있을 것이다. 그러나, 그런 걱정은 기우에 지나지 않는다. 이론적으로 패시브하우스가 줄일 수 있는 에너지의 최대치는 기존 주택 대비 약 60% 정도로 알려져 있다.
제로에너지로 가기 위해서는 그래도 40% 만큼을 신재생에너지가 담당해 주어야 한다는 것이다. 이 40%는 이른바 비용과 설치면적의 한계로 인한 신재생에너지 도입 용량의 최대치라 보여진다. 즉, 패시브하우스(60%절감) + 신재생에너지(40%절감) = 제로에너지건축물 이며, 이는 찰떡 궁합이라는 표현이 적당할 듯 싶다.
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패시브하우스에서는 이 "에너지 요구량"을 따진다.
보통 몇리터하우스라고 이야기하는 것은 에너지요구량중에서도 "난방에너지요구량"이다.
패시브하우스에서는 건축적요소를 우선시해서 판단한다는 뜻으로도 풀이될 수 있다.
물론 아래나오는 1차에너지소요량의 총합을 이야기하기도 한다. |
2. 에너지소요량
이 것은 건물이 요구하는 에너지요구량을 공급하기 위해 계량기를 통해서 전기가 나가고, 보일러에서 온수가 나간다. 이러한 건물내의 분배 등에는 배관손실, 보일러효율에 의한 손실등이 따르고, 에너지요구량에 이 손실량을 모두 더해서 에너지소요량이라고 계산된다.
이 양에는 예를 들면 보일러의 효율같은 변수가 들어간다. 보일러가 얼마큼 효율이 좋은가에 따라서 1리터의 석유가 90%만큼 더운물로 바뀌었는지, 50%만큼 바뀌고 나머지 절반은 손실되었는지를 따진다.
현재 우리나라의 고효율보일러가 약 87%정도의 효율을 가진다. 즉 석유 100을 공급하면 더운물은 약 87정도 데워져서 나온다는 이야기이다. 나머지 13%는 보일러내에서 손실된 것이다.
이 보일러의 효율에 의한 차이는 무척 커서, 효율이 70%인 보일러를 87%의 효율이 나오는 콘덴싱보일러로 바꾸면 난방과 급탕에 들어가는 석유의 량을 약 20%절약한다고 볼 수 있는 것이다.
그렇기 때문에 고효율기자재는 의미가 크다. 생활하면서 석유 20%를 줄이는 것은 결코 쉽지않기 때문이다.
전세계 거의 모든 기계분야 엔지니어가 이러한 기계의 효율을 높히는데 힘을 쓰고 있는 이유이기도 하다.
3. 에너지소비량
에너지소비량은 실제 건물이 완공되어 입주한 후에 입주자가 실제로 사용한 에너지이다.
이 양은 재실자의 온도, 물사용 등의 습관에 따라 완전히 달라지며 계획시 전혀 예측할 수가 없다. 즉, 소비량은 취향이라는 이야기이다. 에너지요금을 국가가 징수하는 것은 이 에너지소비량에 따른다.
4. 1차에너지소요량
이 단어가 어렵게 느껴지는 것은 발음을 "1차~에너지소요량"이라고 읽어서 그렇다. 이 발음은 "1차에너지~소요량"이라고 읽으면 이해가 훨씬 쉬워진다. 1차에너지를 요구한다는 이야기이기 때문이다.
그럼 1차에너지란 무엇인가? 그림처럼 에너지소요량을 공급하기 위해서는 석유와 전기가 필요하다. 특히 전기의 경우는 발전소에서 석유를 태워서 전기를 발생시킨다.
1차에너지란 이러한 공급받는 에너지를 만들기 위해 들어간 1차적에너지 즉, 화석연료의 량을 이야기한다. 석유를 태우는 보일러의 경우 에너지형태가 1번만 변형되기 때문에 손실이 적다. 즉 석유가 지니고 있는 열량의 대부분이 열로 변화한다. 그러나 전기는 어떤가 석유를 태워서 터빈을 돌리고 이 운동에너지가 전기로 변한다. 이 전기는 고압이여서 다시 집근처 변전소에서 생활 전압으로 변경하여 집에 공급이 된다.
그만큼 전기는 비효율적이다.
이런 변환과정의 모든 손실을 더한 것이 1차에너지소요량이다.
소요량을 산출하는데 사용된 연료의 종류에 따라 1차에너지환산계수를 곱하면 나오는 결과이며, 이 환산계수는 국가가 정한다.
즉, 소요량 x 사용 연료별 환산계수 = 1차에너지소요량 인 것이다.
[표 9] 1차 에너지환산계수
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연료(가스,석유) |
1.1 |
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전력 |
2.75 |
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지역난방 |
0.728 |
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지역냉방 |
0.937 |
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2009년 12월31일 개정된 건축물에너지효율등급에서 규제를 하는 년간 에너지량이 바로 이 "1차에너지 소요량"인 것이다. |
맨 앞에 이야기한 최종에너지에 변환손실을 모두 더하면 최초의 화석연료량이 나오는 에너지보존법칙을 따라간 것이다.
국가적 관점에서는 같은 양을 쓴다면 난방비를 아끼는 것보다는 전기에너지를 아끼는 것이 더 효율적이라는 이야기이다. (물론 둘다 아껴야 한다.)
물론 주택에서는 난방에너지를 훨씬 많이 사용하나 1차에너지개념으로 본다면 난방1차에너지량과 전기1차에너지량은 거의 등가이다.
여기서 한가지 시사점이 생긴다.
우리가 사용하는 전기가 너무 싸다는 것이다. 등유 1리터가 약 10KWh하고 열량이 같다. 1리터의 가격이 1,100원정도인데. 전기10KWh의 가격도 약 1,100원으로 거의 동일하다.
1차에너지로 따지면 전기값이 석유값의 3배가 되어야 한다. 즉, 전기 10KWh가 약 3000원이 되어야 한다는 이야기이다. (물론 이 계산은 원자력발전이나, 신재생에너지에 의한 발전은 고려하지 않은 가격이다.)
이 때문에 전기에너지를 다시 열로 변환시키는 전열기가 우리나라에서 호황이다.
전기를 다시 열로 바꾸는 것은 참으로 비효율적이다. 이는 변환과정만 보면 명확하다.
석유는 [석유→집→보일러→열] 인데.
전기는 [석유→열→터빈→전기→변압기→집→계량기→전열기→열]인 것이다.
이 얼마나 비효율적인가? 그렇기 때문에 전기를 다시 열로 바꾸는 기기는 가급적 사용하지 않는 것이 좋다. (이런 기기를 만드시고 파시는 분들에게는 죄송스럽다.)
물론 누진제를 적용하고 있어 전기료가 조금 걱정이 되나 편하고 깨끗함이 있기 때문에 마다할 이유가 없는 것이다.
제도가 전기사용량을 늘리고 있는 것이다.
누진제 역시 전기 사용을 억제하는 효과가 있기는 하지만 엄밀히 이야기하면 정확한 계산의 제도는 아닌 것이다. 많이 사용한다고 불이익을 주는 것은 이해가 되나 어쩔 수 없이 많이 쓰는 경우인 경우에는 그 부담이 너무 크기 때문이다.
이 전기가격을 현실화하자니 전기료만큼 서민의 생활과 밀접한 요금이 없기 때문에 그냥 올리기도 힘들다.. 이래저래 어렵다..
여기서 잠깐 정확한 전기요금을 알아보자.
그림처럼 우리나라 전기요금체계는 100KWh 별로 나뉘어져서 6단계로 되어져 있고 500KWh를 넘는 요금은 무척 비싸다.. 즉, 가정에서 전기료를 아끼려면 어떠하든 500KWh이하로 사용량을 맞추는 것이 좋다는 이야기이다.
패시브협회에서 이런 이야기를 하는 것이 낯간지럽기는 하나 결론은 역시 패시브건물이다.
난방을 거의 할 필요가 없으니 전열기를 쓸 이유도 없다.
개인도 좋고 나라도 좋고 지구도 행복하다.
조금이라도 도움이 되셨다니 다행입니다. 잦은 조언 부탁드리겠습니다. 감사합니다.
어제 세미나에서 배우고. 여기서 정리된 자료를 보니 이해가 정말 쉽게되네요.
면전에서 강의를 듣는 것같습니다.
개정본에 따르면 1차에너지 환산계수도 약간 달라지네요.
참조바랍니다.
다름이 아니고, 전기를 열로 다시 바꾸는것이 비효율적이라는 부분에서 질문이 있습니다.
말씀하신 바에는 동의를 하는데
그렇다면 열을 가정으로 직접 보내지 않고 굳이 비효율적이게 전기로 바꿔서 공급하는 이유가 무엇인지 알 수 있을까요? 혹시 열을 직접 공급하는 것보다 전기로 변환시켜서 각 가정으로 공급하는게
열보다 손실이 더 적어서 전체적으로 계산해봤을땐 전기로 변환시켜서 공급하는게 더 효율적이기 때문이 아닐까.. 라는 생각이 들어서 질문합니다!
손실측면이 아니라, [전기]가 필요해서 겠죠... 열만 사용하는 것은 아니니...
또한 전기를 보낼 때는 [열]로 바꾸어 쓰라는 의미로 보내는 것도 아닙니다. 전기 가격이 싸니.. 그 것을 사용자가 열로 바꾸어서 사용하는 것 뿐입니다.
열적인 측면에서 본다면.. 열->전기->열 로의 변환은 극히 효율적이지 못하다는 것입니다. (다만, 히트펌프는 제외)
유럽은 많은 국가에서 열을 직접 보냅니다. 우리나라도 지역난방구역에서는 열을 직접 보내구요..
그러므로, [열보다 손실이 더 적어서 전체적으로 계산해봤을땐 전기로 변환시켜서 공급하는게 더 효율적] 이지 않습니다.
이상적인 형태는, 인구 밀집 지역 근교에서, 공해를 만들지 않는 대규모 발열(?)소를 설립하여 각 가정에 보내는 것이라 생각합니다. 여건이 허락하지 않으면, 더 먼 거리에서 발전소를 지어 전기를 전송해야겠죠.
참고할만한 문서들입니다.
http://asehl.org/vol2_2016/16.pdf
http://insideenergy.org/2015/11/06/lost-in-transmission-how-much-electricity-disappears-between-a-power-plant-and-your-plug/
아마도 이 논의는 "거리"와 상관있지 않을까 합니다.
지역난방이란 것이 결국 적으신 것처럼 "근린주구"내에서 행해 지니까요..
울산의 원전에서 서울로 열을 보내는 것은 무모할 것입니다.
그러므로 말씀하신 대로..
근린주구에서는 열로 공급하는 것이..
원거리의 경우 열-전기-히트펌프의 조합이 더 경제적이지 않을까 합니다.
에너지요구량/ 에너지소요량/ 1차에너지소요량 관계에서요.
에너지소요량은 final energy
1차에너지소요량은 primary energy
입니다.
secondary energy 는 2차에너지입니다. 대표적으로 전기에너지가 있습니다.
"1차에너지소비량"은 잘못된 용어일 뿐입니다.
위의 댓글을 풀어서 말씀드리면...
현행 규정에서 "1차에너지소비량"이라고 표현되는 것은, 표준 관점에서 잘못된 표현이어요.
"소비"는 말 그대로 "준공 이후의 실제 사용량"을 의미하는데... 이미 요구량, 소요량이 있기에, 이를 피해서 만들다 보니 "소비"라는 단어를 가져다 사용했다는 심증은 있으나, 이런 식의 용어 선택은.. ㅠㅠ
그런 의미에서 달았던 댓글이었습니다. 말을 짧게 표현하여 죄송합니다. 좀 더 신경쓰겠습니다.
비슷한 사례로 목구조 용어중 밑깔도리 이중 깔도리라는 표현이 있습니다.
"도리"란 의미는 우리나라 서적에 보(외국에선 beam)중 서까래가 얹혀지는 보를 도리라 명칭하는데 목조협회등에선 외국어를 한국어로 번역하며 마구잡이로 쓰이게 되었죠. 이젠 보편화 되서 우리나라의 멋들어진 도리란 표현이 너무 퇴색되어서 안타깝습니다.
우리나라 에너지열량 환산기준(제5조 제1항)에 따르면 등유 1리터 총발열량은 36.8MJ 이고 전기 1kWh는 9.6MJ 인데 '등유 1리터가 약 10KWh하고 열량이 같다'는 말씀이 어떠한 뜻인지 궁금합니다. 감사합니다.
즉 1kWh= 9.6MJ 이므로,
10kWh = 96MJ
96/2.75 = 34.9 MJ
등유 1리터 = 36.8MJ
36.8/1.1 = 33.45 MJ
그러므로 거의 같습니다.
1차에너지환산계수인 2.75 와 1.1 의 정밀도 차이일 뿐입니다.
100/36 = 2.777(배)
"1차 에너지 소요량"만 고려한다면 전기차가 내연기관보다 나을 것은 없네요. 내연기관 효율이 요즘 40%에 육박하니, 전력의 환산계수 외 전기의 기계에너지 전환으로 인한 모터효율과 배터리 충전 손실까지 감안하면 전기차의 1차 에너지 소요량은 내연기관 대비 더 많을거 같습니다.
결국 (탈원전의 논란은 뒤로 하더라도) 전기를 화석 연료 없이 생산할 수 있는 기술에 집중을 해야 한다는 의미로 보시면 될 것 같습니다. 그래서 지금 인공태양 기술에 많은 투자를 하고 있는 이유이기도 하고요.
그리고 이를 떠나서 발전량만 본다면 결국 같은 전기 이므로, 2.75를 곱하시면 되세요.
연료전지의 경우 1차에너지 환산 계산을,
(열 생산량) + (전기생산량)*2.75 - (가스소비량)*1.1 을 사용하는데
전해조를 사용할 경우
(열 생산량) + (전기생산량)*2.75 - (전해조 전력 소비량)*2.75
로 계산하면 될까요?
다만 연료전지의 생산 구조로 볼 때, 제시하신 방법에서 달리 벗어나기는 어려울 것 같습니다.
다만 이 전력에 대한 1차에너지환산계수는 국가가 정한 상수입니다. 계산하신 것에서 이동손실 등을 더 추가로 고려한 것일거여요.