1. 서 론
1.1. 연구 배경 및 목적
1.2. 연구 범위 및 방법
2. 이론적 배경
2.1. 기존 연구 고찰
2.2. 태양열 급탕시스템
3. 태양열 급탕 시스템 사용 특성에 따른 적정 급탕부하 분담률
3.1. 분석 대상 선정
3.2. 태양열 급탕부하 분담률 분석
3.3. 경제성 분석에 따른 적정 분담률 산출
4. 결 론
1. 서 론
1.1. 연구 배경 및 목적
현 인류 사회는 화석연료의 무분별한 사용으로 인한 연료 자원의 고갈과 지구온난화 문제에 직면하고 있으며, 이로 인해 인류의 지속 가능한 생존 자체가 위협받고 있다. 특히 기후변화로 인한 자연재해의 발생 빈도와 강도는 꾸준히 증가하고 있으며, 단순한 환경적 문제를 넘어 경제적·사회적 위기를 초래할 수 있다는 점에서 그 심각성이 날로 커지고 있다.
이에 대응하기 위하여 국제사회는 화석연료를 대체할 수 있는 친환경 에너지 체계로의 전환을 필수적 과제로 인식하고, 각국 정부와 국제기구는 온실가스 감축과 에너지 안보 확보를 동시에 달성하기 위한 정책과 제도를 마련하기 위해 신재생에너지 기술개발, 보급 확대 전략을 적극적으로 추진해왔다.
특히 건물 부문은 냉난방, 급탕, 조명 등 다양한 에너지 수요로 인해 전 세계 최종 에너지 소비의 약 30~40%를 차지하는 핵심 영역으로 지목되며, 이에 따른 온실가스 배출량 또한 전체 배출량의 상당 비중을 차지하는 만큼 건물 부문의 신재생에너지 도입은 글로벌 차원의 탄소중립 목표 달성에 있어 필수적인 과제로 인식되고 있다.
이중 한국은 에너지 자급률이 OECD 평균인 0.85보다 크게 낮은 0.18에 그치고 있으며(Korea Energy Economics Institute, 2024), 화석연료 의존도가 높은 만큼 국가 차원에서 신재생에너지 보급 확대를 위한 정책적 노력을 강화해왔다.
2020년부터 연면적 1,000 m2 이상 공공건축물에 대해 제로에너지건축물(ZEB) 인증을 의무화하였으며, 2023년에는 그 적용 범위를 연면적 500 m2 이상 공공건축물로 확대·강화하였다. 더 나아가 2025년에는 민간 신축 건축물에도 제로에너지건축물 5등급 수준 이상의 설계를 적용하여, 공공 부문을 넘어 민간 영역까지 확산하려는 정책적 의지를 보여주었다(Korea Energy Agency, 2025).
이 과정에서 신재생에너지 의무공급비율은 2020년 30% 이상을 시작으로, 2030년까지 40%로 상향 조정하는 목표를 가지고 있으며, 여기에는 태양광·태양열·지열 등 다양한 기술을 포괄한다.
이러한 정책적 기조 속에서 태양열 급탕 시스템은 초기 설치비 부담이 크다는 한계에도 불구하고, 운영비가 거의 소요되지 않고 기술 성숙도가 높다는 점, 급탕부하 또는 난방부하가 많은 건물에서 실현 가능성이 높은 대안으로 주목받고 있다(Lee, 2008).
그러나 국내 건축물의 설계 및 적용 현황을 살펴보면 여전히 단순한 경험적 지침에 의존하는 경우가 많으며, 건물 유형별 실제 에너지 수요 특성이나 하절기 과열 문제와 같은 중요한 변수들을 정량적으로 고려한 사례는 제한적이다(Yoo, 2015). 이로 인해 태양열 시스템이 지닌 잠재적 장점에도 불구하고, 실제 설계·시공 단계에서 경제적 타당성과 최적화 가능성이 충분히 반영되지 못하는 한계가 존재한다.
이에 본 연구에서는 급탕 사용량의 비중이 큰 공동주택 및 숙박시설 중 태양열 급탕 시스템을 적용한 건축물을 대상으로 사례조사를 통해 태양열 급탕 시스템 활용 실태를 분석하고, 계절적 열부하 분포에 따른 급탕 사용패턴별 태양열 급탕 시스템의 적정 급탕부하 분담률 산정 방안을 제시하고자 한다.
1.2. 연구 범위 및 방법
본 연구는 태양열 급탕 시스템의 경제성을 고려한 적정 용량 산정 방법을 제시하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 2010년 이후 설치되어 운영 중인 건축물 사례를 대상으로 하였으며, 분석 범위는 태양열 급탕부하 분담률과 밀접한 관련이 있는 집열판 면적으로 한정하였다. 축열조, 열교환기, 제어방식 등 내부 구성설비는 연구 범위에서 제외하였다.
연구 방법은 다음과 같은 단계로 진행하였다.
첫째, 선행연구 및 문헌 고찰을 통해 태양열 급탕 시스템의 특성과 기존 용량 산정 기준, 급탕 사용 패턴을 검토한다.
둘째, 급탕 수요가 큰 건축물 중 계절별 급탕 사용 규모와 패턴을 5가지 유형(하절기 대비 동절기 부하 30%, 60%, 80%, 100%, 100% 이상)으로 구분하여 대상을 선정, 태양열 급탕부하 분담률을 분석한다.
셋째, 유형별 경제적 태양열 급탕부하 분담률을 제시하기 위해 분담률별 온수 생산량, 설치비, 회수기간, 하절기 초과 생산량 등을 고려하여 적정 급탕부하 분담률을 산출한다.
2. 이론적 배경
2.1. 기존 연구 고찰
다음 Table 1 및 2에 태양열 급탕 시스템에 대한 연구 및 문헌을 정리하여 나타낸다.
Table 1.
Literature Review (Solar Thermal Hot Water System)
| Researcher | Title | Research Methods and Contents | Opinion |
| Baeck (2005) | Efficient Application and Design Techniques for Solar Thermal Systems |
∙ Overview of Solar Thermal Systems, Related Simulation Programs, Installation Cases, and Design Methodologies. ∙ The appropriate dependency ratio for domestic hot water (DHW) supply systems is suggested to be 60–80% of the annual load. |
∙ A study is needed to verify the effectiveness of the proposed appropriate dependency ratio. ∙ Research is required on the economic sizing of solar thermal systems considering seasonal characteristics of hot water demand. |
| Lee (2008) | Standardization of the Solar Thermal Energy System | ∙ Provision of basic information on the standardization of solar thermal systems, as well as the preparation of standard drawings by system type, and the presentation of design and construction-related manuals. | ∙ Considering that the dissemination of solar thermal systems is still in its early stage, only information on standardization is provided to consumers and related equipment companies. |
| Kim (2008) | Solar Thermal System | ∙ Promoting the understanding of the solar thermal system industry by providing information on the definition and characteristics of solar thermal energy, system applications, facility utilization, and dissemination. | ∙ A comprehensive review is required for the economic establishment of solar thermal facilities. |
| Kang (2008) | Renewable Energy RD&D Strategy 2030 Solar Thermal Energy | ∙ Description of the technical overview and promotion strategies, including the principles and definition of solar thermal energy. | ∙ limitations in capacity sizing that takes economic feasibility into account, when only theoretical information and technological trend analysis of solar thermal energy are provided. |
Table 2.
Literature Review (Capacity Sizing of Solar Thermal Hot Water System)
| Researcher | Title | Research Methods and Contents | Opinion |
| Ko,Choi, Chang, & Kim (2010) | Optimizing the Life Cycle Cost of a Solar Water Heating System in an Office Building Through Simulation | ∙ LCC simulation was conducted considering the scale of the solar thermal hot water system, and the effects of changes in various design variables on economic feasibility were examined. | ∙ Previous studies have estimated the capacity of solar thermal hot water systems to achieve a 60% solar fraction; however, additional research is required to investigate how variations in system design parameters affect performance. |
| Oh (2012) | Sizing of solar domestic hot water system considering system efficiency | ∙ Capacity Sizing of Solar Thermal Hot Water Systems Based on Summer Hot Water Demand within the Annual Load. | ∙ The analysis was conducted by simply applying system efficiency based on summer solar hot water production, and further research is needed that considers the relationship with economic feasibility. |
| Kim, Oh, & Lee (2015) | A Study on the Application of Solar Thermal Hot Water System by Using Analysis of the Hot Water Energy Consumption in Apartment Buildings | ∙ Derivation of Optimized Collector Area through Hot Water Energy Analysis and Actual Usage Analysis in Multi-Family Housing with Applied Solar Thermal Hot Water Systems. | ∙ Previous studies have designed solar thermal systems based solely on summer hot water demand, the period of minimum consumption, rather than on winter, the season of maximum utilization. Therefore, further research is needed that considers hot water usage characteristics and economic feasibility. |
| Suh & Lee (2016) | Validity Investigation into installing Solar Power Systems on existing buildings | ∙ Presentation of economically feasible measures through the analysis of utility, economic viability, and installation issues of solar thermal hot water systems in existing buildings. | ∙ In considering the economic feasibility of solar thermal hot water systems, previous studies have focused only on simple payback periods, which presents limitations in analyses that take hot water usage characteristics into account. |
문헌조사 결과 2004년 신재생에너지 보급정책과 주택지원사업이 시행되면서부터 국내에 본격적으로 도입된 이후 다양한 연구가 진행되어 점차 표준화되었으며, 2010년부터 공동주택 외에도 숙박시설, 체육관, 병원 등 대규모 건물에도 본격적으로 적용되기 시작하였다.
선행연구 역시 Table 1과 2의 분석 결과, 대부분의 선행연구는 태양열 시스템 보급 확대를 전제로 사례나 기준만을 제시하거나, 실제 급탕 사용 패턴이나 사례분석 없이 TRNSYS 프로그램을 활용한 이론적 고찰에 그쳤다. 또한 일부 연구는 효율만을 고려하고 경제성은 반영하지 않아 한계가 있는 것으로 나타났다.
2.2. 태양열 급탕시스템
태양열 시스템은 태양열을 수집하는 집열판, 열교환기, 팽창탱크 등과 수집된 열을 저장하는 축열조로 구성되며, 축열조에 저장된 열을 이용해 온수를 공급하게 된다. 또한 이러한 시스템이 원활하게 작동하도록 제어장치가 함께 구비된다. 다음 Figure 1에 태양열 시스템의 구성을 나타낸다.
태양열 시스템에 대한 열 성능을 평가하는 대표적인 지표로 사용되는 것은 태양열 의존율이며, 이를 통해 시스템의 용량을 산정한다. 여기서 태양열 의존율(Solar Fraction) f는 연간 총 열 부하에 대한 태양열 설비의 기여율을 나타내는 지표로써 다음 식 1과 같이 계산된다.
여기서, : 총 열 부하, Kwh
: 보조열원으로부터 공급된 열량, kWh
: 태양으로부터 공급된 열랑, kWh
위의 식에서 보는 바와 같이, 총 열 부하() 중 보조열원으로부터 공급된 열량()을 제외한 부분을 태양으로부터 공급된 열량()을 태양열에 의존하는 것으로 계산되고 이를 기준으로 시스템 용량을 산정하게 된다(Oh, 2012).
하지만 국내의 경우 계절적 열 부하 분포에 대한 고려 없이 대부분 Table 3(ASHRAE, 2008)에 나타난 바와 같이 문헌에서 제시하는 60~80%의 적정 의존율을 적용하고 있어 하절기에 불필요한 열량이 초과생산되거나 동절기에 부하를 만족시키지 못하는 등 문제가 발생할 수 있다.
Table 3.
Optimal Solar Fraction for Economic System Sizing
| System Type | Optimal Solar Fraction |
| Solar Heating System | 40~60% |
| Solar Hot Water System | 60~80% |
태양열 의존율에 따른 시스템용량 산정 이후에는 집열면적을 산정해야 한다. 다만 일반적으로 태양열을 집열할 수 있는 면적이 증가하면 생산하는 열량이 증가하지만 일정규모 이상이 되면 생산하는 열량의 증가가 둔화하게 되어 집열 효율은 감소함에 따라 다음 Figure 2(Lee, 2008)와 같은 태양열 의존율과 집열면적, 집열효율 간의 상관관계 그래프가 나타나게 된다.
그러므로 태양열 시스템을 설치함에 있어 태양열 의존율과 집열 효율을 고려하여 두 항목의 최적점을 찾아야 하며, 태양열 시스템의 적정규모를 판단하기 위해 경제성을 고려해야 한다.
본 연구에서는 넓은 의미의 태양열 의존율 용어 대신 급탕부하를 기준으로 태양열 급탕 시스템 용량 산정하는 의미를 고려하여 태양열 급탕부하 분담률로 기술하여 정리한다.
3. 태양열 급탕 시스템 사용 특성에 따른 적정 급탕부하 분담률
3.1. 분석 대상 선정
2010년부터 다양한 건축물에도 태양열 급탕 시스템이 본격적으로 적용되기 시작하였는데, 본 연구에서는 급탕 사용량 비중이 큰 공동주택과 숙박시설 중 집열판 면적이 일정규모 이상(공동주택 1,000 m2 이상, 숙박시설 100 m2 이상)이며, 계절적 열부하 분포를 고려하여 급탕 사용패턴의 특징이 있는 총 5개 건축물을 선정하였다.
다음 Table 4에 유형구분에 따른 분석대상 건축물을 정리하여 나타낸다.
Table 4.
Overview of Analyzed Buildings
3.2. 태양열 급탕부하 분담률 분석
분석대상 건축물에 대한 2016~2020년 총 5년간의 평균 연간 급탕사용량 및 태양열 급탕 시스템으로 생산된 급탕량을 분석하여 다음 Table 5 및 Figure 3에 나타낸다.
Table 5.
Average Hot Water Consumption and Solar Hot Water Production
3.2.1 Case_1(연수원)
하절기(6~9월) 급탕부하가 동절기(11~2월)의 약 30%인 연수원의 경우, 태양열로 생산·공급된 온수는 연간 2,475ton으로 분담률은 약 32%로 분석되었다. 월별 온수 사용량 대비 생산량을 분석한 결과 생산량이 초과된 7, 8월이 100%로 가장 높게 나타났으며, 1월이 약 16%로 가장 낮게 분석되었다.
만약 기존 용량 산정 기준인 연간 태양열 급탕부하 분담률 60%를 적용 시 7∼9월 부하의 약 1.5배, 분담률 80% 적용 시 6∼9월 부하의 약 1.7배까지 많은 열량을 태양열로 생산하게 되면서 시스템 효율이 저하되는 것으로 분석되었다.
3.2.2 Case_2(공동주택)
하절기 급탕부하가 동절기의 약 60%인 공동주택의 경우, 태양열로 생산·공급된 온수는 연간 22,685ton으로 분담률은 약 34%로 분석되었다. 월별 온수 사용량 대비 생산량을 분석한 결과 8월이 약 89%로 가장 높게 나타났으며, 12월이 약 7%로 가장 낮게 분석되었다.
만약 기존 용량 산정 기준인 연간 태양열 급탕부하 분담률 60%를 적용 시 8월과 10월 부하의 약 1.1배, 분담률 80% 적용 시 6∼10월 부하의 약 1.2배까지 많은 열량을 태양열로 생산하게 되면서 시스템 효율이 저하되는 것으로 분석되었다.
3.2.3 Case_3(기숙사)
하절기 급탕부하가 동절기의 약 80%인 기숙사의 경우, 태양열로 생산·공급된 온수는 연간 3,053ton으로 분담률은 약 24%로 분석되었다. 월별 온수 사용량 대비 생산량을 분석한 결과 신학기가 시작되기 직전인 2월이 약 32%로 가장 높게 나타났으며, 하절기 방학이 시작되는 7월이 약 15%로 가장 낮게 분석되었다.
만약 기존 용량 산정 기준인 연간 태양열 급탕부하 분담률 60%를 적용 시 2월, 7~8월 부하의 약 1.3배, 분담률 80% 적용 시 2월, 7~8월 부하의 약 1.7배까지 많은 열량을 태양열로 생산하게 되면서 시스템 효율이 저하되는 것으로 분석되었다.
3.2.4 Case_4(실버타운)
하절기 급탕부하가 동절기의 약 100%에 가까운 실버타운의 경우, 태양열로 생산·공급된 온수는 연간 6,122ton으로 분담률은 약 40%로 분석되었다. 월별 온수 사용량 대비 생산량을 분석한 결과 4월이 약 49%로 가장 높게 나타났으나, 연간 최저 35%로 타 시설에 비해 월별 분담률 범위가 크지 않은 것으로 분석되었다.
때문에 기존 용량 산정 기준인 연간 태양열 급탕부하 분담률 60~80%를 적용하여도 태양열로 생산되는 열량보다 급탕사용 부하가 큰 관계로 시스템 효율 저하와는 무관한 것으로 분석되었다.
3.2.5 Case_5(호텔)
사용 급탕부하가 연중 유사한 호텔의 경우, 태양열로 생산·공급된 온수는 연간 6,804ton으로 분담률은 약 58%로 분석되었다. 월별 온수 사용량 대비 생산량을 분석한 결과 5월이 약 84%로 가장 높게 나타났으며, 3월이 약 31%로 가장 낮게 분석되었다.
기존 용량 산정 기준인 연간 태양열 급탕부하 분담률 60~80%를 적용하여도 태양열로 생산되는 열량보다 급탕사용 부하가 큰 관계로 시스템 효율 저하와는 무관한 것으로 분석되었다.
3.3. 경제성 분석에 따른 적정 분담률 산출
사례 건축물의 급탕부하 분담률에 따른 집열판 면적 규모를 분석하여 경제적인 태양열 급탕부하 분담률을 분석하였다.
경제성 분석을 위해 설치비용 및 태양열 생산량 산출과 관련된 연간 태양열 급탕부하 분담률 범위는 집열판의 현실적인 설치 여건을 고려하여 20∼80%로 한정하였다.
각 연간 태양열 급탕부하 분담률별 상세한 변화추이를 구분하고자 5% 단위로 분석하였으며, 분담률이 커질수록 시설규모 증가로 집열판 설치면적당 단가가 감소함 또한 고려하여 투자회수기간법을 적용하였다.
초과생산되어 버려지는 온수가 발생하는 시기는 하절기로 정하였으며, 태양열 급탕 시스템에서 생산되는 열량을 경유로 환산하는 계수 및 경유 사용을 고려한 보일러 효율은 선행연구(Lee, 2008; Um, 2014)에 적용한 자료를 근거로 하였다.
3.3.1 Case_1(연수원)
다음 Table 6에 나타난 바와 같이 Case_1(하절기 급탕부하가 동절기의 약 30%)인 연수원의 경우 분담률이 40%부터 하절기에 초과생산되어 버려지는 온수가 발생하였으나, 경제성까지 고려한 결과 분담률 50%일때 당초 33%에 비해 회수기간이 0.6년 단축되는 것으로 분석되었다. 또한 기존 문헌에서 제시하는 분담률 60%~80%과 비교하여도 회수기간이 최대 1.2년 단축되는 것으로 나타나 초과생산분을 감안하여도 분담률 50% 전후에서 경제성과 효율성의 균형점을 도출할 수 있었다.
Table 6.
Cost Savings and Payback Period According to Solar Fraction (Training Center)
3.3.2 Case_2(공동주택)
다음 Table 7에 나타난 바와 같이 Case_2(하절기 급탕부하가 동절기의 약 60%)인 공동주택의 경우 분담률이 55%부터 하절기에 초과생산되어 버려지는 온수가 발생하였으나, 경제성까지 고려한 결과 분담률 45%일때 당초 34%에 비해 회수기간이 0.4년 단축되는 것으로 분석되었다. 또한 기존 문헌에서 제시하는 분담률 60%~80%과 비교하여도 회수기간이 최대 0.8년 단축되는 것으로 나타나 분담률 45% 전후에서 경제성과 효율성의 균형점을 도출할 수 있었다.
Table 7.
Cost Savings and Payback Period According to Solar Fraction (Apartment)
3.3.3 Case_3(기숙사)
다음 Table 8에 나타난 바와 같이 Case_3(하절기 급탕부하가 동절기의 약 80%)인 기숙사의 경우 분담률이 70%부터 하절기에 초과생산되어 버려지는 온수가 발생하였으며, 경제성까지 고려한 결과 분담률 45%일때 당초 24%에 비해 회수기간이 2.7년 단축되는 것으로 분석되었다. 또한 기존 문헌에서 제시하는 분담률 60%~80%과 비교하여도 회수기간이 최대 1.5년 단축되는 것으로 나타나 분담률 45% 전후에서 경제성과 효율성의 균형점을 도출할 수 있었다.
Table 8.
Cost Savings and Payback Period According to Solar Fraction (Dormitory)
3.3.4 Case_4(실버타운)
다음 Table 9에 나타난 바와 같이 Case_4(하절기 급탕부하가 동절기의 약 100%)인 실버타운의 경우 분담률이 80%에도 초과생산되어 버려지는 온수는 없는 것으로 나타났으며, 경제성까지 고려한 결과 분담률 50%일때 당초 40%에 비해 회수기간이 0.7년 단축되는 것으로 분석되었다. 또한 기존 문헌에서 제시하는 분담률 60%~80%과 비교하여도 회수기간이 최대 1.2년 단축되는 것으로 나타나 분담률 50% 전후에서 경제성과 효율성의 균형점을 도출할 수 있었다.
Table 9.
Cost Savings and Payback Period According to Solar Fraction (Senior Housing)
3.3.5 Case_5(호텔)
다음 Table 10에 나타난 바와 같이 Case_5(사용 급탕부하가 연중 유사)인 호텔의 경우 분담률이 80%에도 초과생산되어 버려지는 온수는 없는 것으로 나타났으며, 경제성까지 고려한 결과 분담률 55% 전후에서 경제성과 효율성의 균형점을 도출할 수 있었다.
Table 10.
Cost Savings and Payback Period According to Solar Fraction (Hotel)
4. 결 론
본 연구는 급탕 사용량의 비중이 큰 건축물 중 태양열 급탕 시스템이 적용된 건축물을 사례분석하여 계절적 열부하 분포에 따른 급탕 사용패턴별 적정 급탕부하 분담률을 제시한 결과이다.
기존 연구에 따르면 국내의 태양열 급탕 시스템 용량은 ASHRAE 기준 등 문헌에서 제시하는 60~80%의 분담률을 적용하고 있으나, 실제 사례조사 결과 일정규모 이상 건축물은 설치면적과 공사비 등 제약으로 인해 분담률 30~40% 수준으로 설치되고 있는 것으로 나타났다.
본 연구에서는 급탕 사용량이 많은 공동주택과 숙박시설 중 집열판 면적이 일정규모 이상이며, 계절적 열부하 분포를 고려하여 5가지 유형의 건축물을 선정하여 분석하였다.
그 결과, 경제성과 효율성을 함께 고려할 경우 하절기 급탕부하가 동절기의 약 30~100%인 건축물에서 적정 급탕부하 분담률은 45~50%로 나타났으며, 연중 급탕부하가 유사한 건축물의 경우 약 55%가 적정한 것으로 분석되었다.
본 연구는 태양열 급탕 시스템 설계 시 경제성을 고려한 적정 급탕부하 분담률을 제시한 만큼 기존 시스템 규모 산정 방식보다 효율적이고 실용적인 설계 기준을 제안하였으며, 태양열 에너지의 효율적 활용과 에너지 절약에 기여할 수 있는 연구로 평가된다.
다만, 연구 범위가 공동주택 및 숙박시설로 한정되었고, 계절별 열 부하 분포 유형 별 사례 수가 제한적이므로, 향후에는 사례조사 대상을 추가·확대하여 연구결과의 신뢰도를 높이고, 다양한 용도의 건축물 분석 등 태양열 급탕 시스템에 대한 지속적인 연구가 이루어져야 할 것으로 사료된다.
