R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 201818CTAP-C117226-03 | |||||
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| 연구사업명 | 국토교통기술촉진연구사업 | |||||
| 연구과제명 | 제로에너지빌딩 구현을 위한, 사물인터넷(IoT) 기반의 태양광 블라인드와 능동형 환기시스템을 통합한 다기능 스마트 창호 제품 개발 | |||||
| 총 연구기간 | 2016-10-24 ~ 2019-04-27 | |||||
| 연구책임자 | 홍태훈 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
7명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
19명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 331,000,000 원 기업 : 111,000,000 원 계 : 442,000,000 원 |
총연구비 | 정부 : 890,000,000 원 기업 : 302,000,000 원 계 : 1,192,000,000 원 |
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| 연구기관명 | 연세대학교 산학협력단 | |||||
| 등록 발간번호 | - | |||||
| ISBN | - | |||||
| 주요 내용 |
1. 융합기술을 통한 신제품 개발의 필요성 ○ 국내 건물 부문의 에너지 소비량은 국가 전체 소비량의 약 22%를 차지하고 있으며, 특히, 가구당 평균 전력 소비량은 연간 평균 2.95%(약 0.1MWh)씩 증가하고 있다. 이러한 상황에서, 2015년 12월, 신기후체제 출범에 따른, 우리나라의 국가 온실가스 감축목표 (2030년 BAU 대비 온실가스 배출량 37% 감축)를 달성하기 위하여, 건물부문에 대한 에너지 소비량 절감은 필수적이다. 이에 대응하기 위하여, 우리나라는 ‘2025년 제로에너지 건물 의무화’ 정책을 수립하고, ‘2017년 패시브 건물 단열 기준 강화’ 및 ‘분산형 전력 공급방식 활성화’ 정책을 수립하였다. 또한, 국토부는 올해 초 7대 신산업 중 하나로 제로에너지빌딩을 선정하는 등 국가차원에서 제로에너지빌딩에 대한 지원을 강화하고 있다. ○ 하지만, 건물부문에 대한 에너지 소비량 절감을 위해서, 에너지 소비량을 억제하고 에너지 효율을 개선하는 것만으로는, 궁극적으로 제로에너지빌딩을 구현하기 어렵다. 따라서 건물에서도 깨끗하고 무한정한 에너지원을 사용한 전력 공급이 가능하고, 전기 요금 부담을 줄일 수 있는 대체에너지 사용이 필수적이다. 태양광 에너지는 우수한 발전 잠재량(전체 재생에너지원의 기술적 잠재량 중 33.4%)을 가진 에너지원으로서, 다양한 형태로 건물에 도입이 가능하다. 하지만, 기존의 태양광 시스템은 ① 무겁고 유연성이 없는 실리콘 계 태양광 모듈의 사용, ② 고가의 모니터링 시스템의 사용, ③ 크고 복잡한 구조의 추적 제어장치의 사용 등의 한계가 존재한다. 따라서 기존의 태양광 시스템의 한계 극복 및 상용화를 위해서, 신·기축 건물 창호에 모두 적용가능한 태양광 블라인드 개발이 필요하다. ○ 제로에너지빌딩 구현을 위한, 고단열·고기밀 설계는 실내 열성능을 향상시킨 반면, 실내 공기질의 악화를 초래하였다. 이를 개선을 위한, 실내 기계 환기 시스템(신규 학교에 대한 기계 환기 시설 의무화 및 학교보건법 시행규칙)은 추가적인 에너지 사용을 증가시켜 사용자의 경제적 부담을 가중시킨다. 즉, 에너지 소비량 절감을 통한, 온실가스 배출량 절감과 실내 공기질 개선을 통한, 재실자의 쾌적성·생산성·건강성을 모두 만족시키는 것은 한계가 있다. 위의 문제를 해결하기 위해, 본 연구는, ① 제로에너지빌딩 구현을 위한, 태양광 블라인드 발전 기술(에너지·환경 및 신소재 기술), ② 재실자 맞춤형 최적 실내 공기질 개선을 위한, IoT 기반의 능동형 제어 기술(정보·통신 및 전자 기술), ③ 신·기축 건물에 모두 적용 가능한, 창호형 환기 기술(건축공학 기술)을 복합적으로 적용하여, 에너지 자립도 및 실내 공기질 향상을 모두 만족할 수 있는 첨단 융합형 제품을 개발하고자 한다. 2. 연구의 최종목표 및 최종성과물 ○ 본 연구는 건물의 에너지 소비량 절감 및 실내 공기질 개선을 모두 만족시키기 위한 방안으로써, 제로에너지빌딩 구현을 위한, 사물인터넷(Internet of Things; 이하 IoT) 기반의 태양광 블라인드와 능동형 환기시스템을 통합한 다기능 스마트 창호 제품을 개발하고자 한다. ○ 이를 달성하기 위해, ① IoT 기반의 다기능 스마트 창호 제품의 ‘최적 설계 및 생산 기술’을 개발한다. 또한, 운영단계에서의 센서 네트워크 기술 및 기계학습 기술을 이용한, ② IoT 기반의 다기능 스마트 창호 제품의 ‘실시간 모니터링 및 평가 기술’을 개발한다. 더불어, 본 제품의 최대 태양광 발전량 및 최적 실내 공기질을 제공하기 위해, ③ IoT기반의 다기능 스마트 창호 제품의 ‘자동 제어 기술’을 개발한다. ○ 최종적으로, 본 연구의 최종성과물은 기술성숙도 8단계(실용화)를 목표한다. 3. 최종성과물의 혁신성, 차별성, 수요자 연계 가능성 ○ 기존 태양광 발전 및 환기 제품과 비교하여, 본 연구의 최종성과물은, ① 태양광 블라인드를 통한 자체전력 생산, ② IoT 기술을 이용한 능동형 제어, ③ 신·기축 건물에 모두 적용할 수 있도록 창호형 환기가 가능한 첨단융합 제품이다. 이는, 기존에 에너지 손실을 발생시키는 창호를, 자체전력을 생산하고 실내 공기질을 향상시키는 공간으로 활용한다는 점에서 혁신성을 갖춘 제품이다. ○ 또한, 저비용(유닛 당 약 35만원)·고효율(태양광 발전효율 14.5% 및 최적 실내 공기질 제공)의 제품을 개발하기 위하여, ① 박막형 태양광 패널, 양방향(2축) 태양광 추적 기술, 및 저가형 실시간 모니터링 및 평가 기술 이용하고, ② 자체생산 전력을 에너지원으로 사용하여, 유지관리비를 절감 시킬 수 있는 환기시스템이라는 점에서, 차별성을 갖춘 제품이다. [최종목표] 본 연구에서는 「제로에너지빌딩 구현을 위한, 사물인터넷(IoT) 기반의 다기능 스마트 창호」제품을 개발하고자 한다. 본 연구의 최종결과물은 창호형 태양광 블라인드와 능동형 환기 시스템의 융합을 통해, 태양광 발전과 실내 공기질 개선을 모두 가능하게 한다는 점에서, 혁신성과 차별성을 갖춘 융합형 스마트 제품이다. 본 연구의 최종성과물은 기술성숙도 8단계(실용화)를 목표로 하며, ○○대학교에서 실제 적용 평가를 진행 할 계획이다. [연구내용 및 범위] 1. 연구개발 내용 ○ 본 연구는 2016년 국토부 7대 신(新)산업)인 제로에너지빌딩을 구현하고, 쾌적한 실내 공기환경 구현하기 위한 제품 개발 · 실용화 연구임. 이를 위해, 본 연구과제는 크게 3개의 부문(PART)으로 구성되었다. ○ 첫째, IoT 기반의 다기능 스마트 창호 제품의 ‘최적 설계 및 생산 기술’ 개발 (박막 태양광 블라인드와 능동형 환기 시스템의 ‘최적 설계 및 생산 기술’) - 결정질 실리콘계(mono-Si) 및 비결정질 실리콘계(a-Si) 태양광 패널의 ‘최적 설계 및 생산 기술’ 개발 - 환기 시스템 크기, 유량, 필터를 고려한, ‘최적 설계 및 생산 기술’ 개발 - ‘최적설계 및 생산기술별’ 성능/경제성 평가 및 실제 현장 적용 평가 ○ 둘째, IoT 기반의 다기능 스마트 창호 제품의 ‘실시간 모니터링 및 평가 기술’ 개발 (센서 네트워크 및 데이터 분석 기술을 이용한, 태양광 블라인드의 발전량 및 실내 공기질 및 온·습도 에 대한 실시간 모니터링 및 평가) - 실시간 태양광 발전량 ‘모니터링 및 평가 기술’ 개발 - 실시간 실내 공기질 및 온·습도 ‘모니터링 및 평가 기술’ 개발 - 웹/스마트기기 기반 ‘모니터링 장치’의 개발 · 성능/경제성 평가 및 실제 현장 적용 평가 ○ 셋째, IoT 기반의 다기능 스마트 창호 제품의 ‘자동 제어 기술’ 개발 (기계학습을 이용한, 태양광 블라인드의 발전량 극대화 및 실내 공기질 최적화) - 전력생산 최대화를 위한, ‘태양광 추적 기술’ 개발 - 실내 공기질 최적화를 위한, ‘환기 자동 제어 기술’ 개발 - 웹/스마트기기 기반 ‘자동제어 장치’의 개발 · 성능/경제성 평가 및 실제 현장 적용 평가 2. 연구내용의 범위 및 창의성 및 혁신성 ○ 첫째, 태양광 블라인드를 통한 자체전력 생산을 위해, 온도에 의한 효율 저하율이 상대적으로 낮은 박막형 태양광 패널을 사용하여 태양광 블라인드를 구성하고, 운영단계에서 실시간 모니터링과 하이브리드 기반의 양방향 태양광 패널 제어를 통해 발전량의 극대화 함. ○ 둘째, 창호형 환기시스템을 통한 쾌적환 실내 공기 환경을 위해, CO2, 미세먼지, 라돈(Rn), 휘발성유기화합물(VOC) 등에 대한 실내·외 오염물질의 종합평가지표를 개발하여, 실시간 실내 공기질을 평가함. 또한, 실내 공기질 모니터링 DB와 기계학습을 이용하여, 재실자에 최적화된 실내 공기질 환경을 제공하고자 함. ○ 셋째, 본 연구 성과물은 신·기축 건물에 모두 적용 가능한 창호형 제품으로서, 기존 제품과 비교하여, 시공성·경제성이 우수함. 또한, 환기 시스템의 소요 전력은 태양광 블라인드의 자체 생산 전력을 이용하기 운영비용을 절감할 수 있음. |
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| 색인어 | 한글 | 제로에너지빌딩 | 태양광 블라인드 | 환기시스템 | 실시간 모니터링 | 자동 제어 |
| 영문 | Zero Energy Building | Photovoltaic Blind | Ventilation System | Real Time Monitoring | Automatic Control | |
| 최종보고서 | 최종보고서_홍태훈(연세대학교).pdf | |||||