| 3차년도 |
1. 핵심성과 1: IoT 기반의 다기능 스마트 창호 제품의 ‘최적 설계 및 생산 기술’ 개발○ 연구목표: 환기 시스템 크기, 유량, 필터를 고려한, ‘최적설계 및 생산 기술’ 개발○ 연구기관: 주관(연세대), 공동(핸즈온)2. 핵심성과 2: IoT 기반의 다기능 스마트 창호 제품의 ‘실시간 모니터링 및 평가 기술’ 개발○ 연구목표: 실시간 실내 공기질 및 온·습도 ‘모니터링 및 평가’ 기술 개발○ 연구기관: 주관(연세대), 공동(홍콩폴리텍)3. 핵심성과 3: IoT 기반의 다기능 스마트 창호 제품의 ‘자동 제어 기술’ 개발○ 연구목표: 실내 공기질 최적화를 위한, ‘환기 자동 제어’ 기술 개발○ 연구기관: 주관(연세대)
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1. 환기 시스템 크기, 유량, 필터를 고려한, ‘최적설계 및 생산 기술’ 개발1-1 환기 시스템 크기, 유량, 필터를 고려한, ‘최적설계 및 생산 기술’ 개발○ 환기구 크기 및 유량별 최종성과물 개발을 위한 타당성 분석 (실내외 공기순환율, 실내 공기질 향상도, 경제적 측면 분석)○ 환기구 크기 및 유량별 프로토타입 모델 제작1-2 공기청정 필터의 구성을 고려한, ‘최적 설계 및 생산 기술’ 개발○ 공기청정 필터의 구성별 최종성과물 개발을 위한 타당성 분석 (실내외 공기순환율, 실내 공기질 향상도, 경제적 측면 분석)○ 공기청정 필터의 구성별 프로토타입 모델 제작2. 실시간 실내 공기질 및 온·습도 ‘모니터링 및 평가’ 기술 개발2-1. 센서 네트워크 기술을 이용한, ‘실시간 실내 공기질 및 온·습도 모니터링’ 기술 개발○ 실내 공기질 및 온·습도 모니터링 지표 (CO2, PM10, VOC, 온·습도 등) 수립○ 실시간 실내 공기질 및 온/습도 모니터링을 위한, 센서 네트워크 알고리즘 수립2-2. 데이터 분석 기술을 이용한, ‘실시간 실내 공기질 및 온/습도 평가’ 기술 개발○ 건물유형별/사용자 특성별 실내 공기질 및 온·습도 평가 지표 수립○ 실내 공기질 및 온·습도 평가를 위한 알고리즘 개발3. 실내 공기질 최적화를 위한, ‘환기 자동 제어’ 기술 개발3-1. 기계학습을 이용한, 환기량/실내 공기질 기반의 ‘환기 자동제어 기술’ 개발○ 건물유형별/사용자 특성별 환기 특성/환기량/실내 온·습도 분석○ 기계학습을 이용한, 환기량/실내 공기질 기반의 환기 자동제어 알고리즘 개발3-2. 기계학습을 이용한, 하이브리드(환기량 & 실내 공기질) 기반의 ‘환기 자동제어 기술’ 개발○ 환기 방식에 따른, 실내 공기질 및 온·습도 특성 분석○ 기계학습을 이용한, 하이브리드 기반의 환기 자동제어 알고리즘 개발
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| 연구성과 |
기술적 기대성과 |
1. 기술의 시장성1-1 미래 BIPV 시장 확대 전망○ 국제 BIPV 시장의 경우, 2016년 시장 규모는 약 12조 2,813억원으로, 연평균 성장률 52.68%을 적용하였을 때, 2019년(과제 종료시) 43조 7,109억원(2016년 대비 3.56배), 2022년(과제 종료 3년 후) 155조 5,738억원(2016년 대비 12.67배)으로 예상됨.○ 국내 BIPV 시장의 경우, 2016년 시장 규모는 약 5,096억원으로, 세계시장 성장률과 동일하게 예측했을 때, 2019년(과제 종료시) 1조 8,138억원(2016년 대비 3.56배), 2022년(과제 종료 3년 후) 6조 4,556억원(2016년 대비 12.67배)으로 예상됨.* 출처: 1) Building Integrated Photovoltaics Market 2012 (Nano market), 2) 신재생에너지 보도자료(에너지관리공단)1-2. 미래 실내 공기질 시장 확대 전망○ 국제 실내 공기질 시장(모니터링+환기시스템 시장)의 경우, 2016년 시장 규모는 약 7조4천억원으로, 연평균 성장률 8.3%을 적용하였을 때, 2019년(과제 종료시) 9조 4천억원(2016년 대비 1.27배), 2022년(과제 종료 3년 후) 12조원(2016년 대비 1.61배)으로 예상됨.○ 국내 실내 공기질 시장의 경우, 2016년도 시장 규모는 약 6,351억원으로, 세계시장 성장률과 동일하게 예측했을 때, 2019년(과제 종료시) 8,068억 원(2016년 대비 1.27배), 2022년(과제 종료 3년 후) 1조 247억원(2016년 대비 1.61배)으로 예상됨.* 출처: 1) Global Indoor Air Quality Market 2016-2020 (Research and Markets), 2) 실내 공기질 관리 기본계획 2009~2013 (국토해양부 등 관계부처 합동).1-3. BIPV 시장 및 실내 공기질 시장 확대 전망에 따른 수입대체·산업유발 효과○ 원유수입대체효과는 2019년 45억 7천만 원, 2022년 173억 5천만원이 예상됨. 2022년 대체량은 일반 승용차(연비 11km/L)가 서울-부산을 374,398회 왕복할 수 있는 양임.○ 탄소저감효과는 20년생 잣나무 기준(산림청 발표자료 CO2 흡수량: 0.00453tCO2)으로 2019년 253만 그루, 2022년 959만 그루를 대체하는 효과가 예상됨. 2022년 추정치는 여의도 면적(840만m2)의 8.38배에 나무를 심어 얻은 탄소저감 효과와 동일함.○ 생산유발효과는 특정 제품 생산에 따른, 타 산업에 직·간접적으로 유발된 생산 효과를 의미함. 국내 실내 공기질 및 BIPV 시장 확대에 의한 생산유발효과는 2019년 9조 7,000억 원, 2022년 25조 9,894억 원으로 예상됨. 이는, 2015년 GDP(2015년 국제 통화기금 발표) 대비 1.55%에 해당하는 수준임.
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| 사회 경제적 파급효과 |
1. 사회적 파급효과1-1. 분석목표○ 전국에 위치한 초등학교를 대상으로, 본 연구의 최종성과물을 각 학급의 외측 창호에 적용했을 경우, 생산되는 경제적 효과를 생애주기비용 관점에서 분석하였다.1-2. 분석대상○ 전국 5,418개 초등학교 대상 (총 109,574 학급(교실), 2,070,948.6 m2 의 창 면적)1-3. 분석조건가) 최종성과물의 유닛 정보○ 사이즈=0.5m(가로)*2.1m(세로), 패널 용량(CIGS: 117.08W/m2), 패널 효율(CIGS: 13.0%), 손실률(3%), 추적방식=2축 추적방식, 환기 효율(임펠러 38mm Fan: 46.2CMH/Unit), 환기 요구 전력(0.84W/Unit).나) 최종성과물의 유닛 가격: 약 35만원○ 패널 비용 (CIGS: 202,841원/Unit), 프레임 비용 (100,000원/Unit), 센서(11,111원/Unit), IoT기반 모니터링 시스템(2,778원/Unit), 환기 시스템(환기 팬 및 필터, 28,960원/Unit).다) 설치규모○ 한 학급(창 면적: 9m(가로)*2.1m(세로)) 당, 총 18개 Unit 설치.라) 생애주기 비용 분석기간○ 25년마) 수익요소○ (태양광 패널을 통한 총 전력 생산량) - (하루 6시간 환기 시스템 운영 및 제어에 소요되는 전력)을 최종성과물을 통한 최종 전력 생산량으로 설정하였고, 이를 통한 에너지 절감 비용을 수익요소로 반영하였다. 1-4. 분석지표○ 각 학교별, 생애주기관점에서의 현가(Net-Present-Value; NPV), 투자비용 회수기간(Break-Even-Point; BEP), 비용편익비(Saving-to-Investment Ratio; SIR)를 분석지표로 설정하였다.1-5. 분석결과○ NPV: 전국 5,418개 초등학교 대상, 평균 NPV=84,623,970원, 최대 NPV=320,090,000원○ BEP: 전국 5,418개 초등학교 대상, 평균 BEP=12년, 최소 BEP=10년○ SIR: 전국 5,418개 초등학교 대상, 평균 SIR=1.499, 최대 SIR=1.593○ 전국 5,418 개 모든 초등학교에서, 최종성과물의 경제적 타당성이 확보되었다. 결과적으로, NPV(25년) 측면에서, 총 458,492,670,000원의 경제적 순이익(=에너지절감비-유지관리비-초기투자비)이 발생할 것으로 분석된다.2. 사회적 측면2-1. 지역별 에너지 자립도 (사례분석: 전국 초등학교 5,418개교)○ 전국 5,418개 초등학교를 대상으로, 최종성과물을 설치하였을 때, 생산되는 최종 전력 생산량(하루 6시간 환기 시스템 운영 및 제어에 소요되는 전력은 제외)을 기반으로, 지역별 에너지 자립도를 분석하였다.- 남부지방(전라도, 경상도 등 2,580개교) 에너지 자립도: 평균 23%, 최대 80%.- 북부지방(서울, 경기도 등 2,838개교) 에너지 자립도: 평균 17%, 최대 49%.○ 결과적으로, 최종성과물을 적용할 경우, 최대 80% 이상 에너지 자립형 건물을 구현할 수 있을 것으로 기대된다.* 초등학교의 전력소비량 구성비: 플러그부하(39.5%), 조명(36.0%), 난방(15.0%), 냉방(9.4%), 온수(0.1%)* 출처: 1) Energy Policy, 2014, 73, 356-367. 2) Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 2014, 22(4), 462-478.2-2. 실내 공기질 개선 효과 (사례분석: 초등학교 1개 학급 기준)○ 전 세계적으로, 공기오염에 따른 사망자 수는 연간 700만 명에 달하며, 이 중 61.4%(430만 명, 전체 사망인구 중 13.3%)는 실내 공기질 오염에 주 원인으로 보고된다.○ 초등학교의 한 학급에 최종성과물을 설치할 경우(18개의 Unit 설치), 에너지 자립도 향상(평균 20%, 최대 80%)과 동시에, 환기기준(488CMH=21.6CMH/인(학교보건법 시행규칙)*22.6인(평균 초등학교 학급 인원))의 170%(832CMH)를 달성할 수 있을 것으로 분석되었다.* 출처: 1) American Academy of Allergy Asthma & Immunity
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| 활용방안 |
1. 기술수요처○ 본 연구의 최종성과물(IoT 기반의 다목적 스마트 창호 제품)은, ① 제로에너지빌딩 구현을 위한, 자체전력 생산 효과, ② 재실자의 편의성·쾌적성·건강성 향상을 위한 최적의 실내 공기질 개선 효과를 모두 제공한다. 또한, 기존의 창호를 통해 위 모든 기능을 수행한다는 점에서, 신·기축 건물(주택, 교육시설물 등)에 모두 적용이 가능하다. 이를 기반으로, 다음과 같은 기술수요처를 고려해 볼 수 있다.- 지자체: 지자체에서 관리하는 공공건물(관공서, 교육시설물 등)에 대한 에너지 자립도 및 실내 공기질 향상을 목적으로 하는 기술 수요처.- 자가사용자: 개인 소유 건물(주택, 빌딩 등)의 에너지 자립도 및 실내 공기질 향상을 목적으로 하는 기술 수요처.- 사업자: 태양광 발전 및 공기질 개선 사업을 통해, 수익을 창출하는 것을 목적으로 하는 기술 수요처.2. 현장 적용 방안○ 본 연구의 최종성과물(IoT 기반의 다목적 스마트 창호 제품)은, 국내 실제 현장 적용을 통해, 생애주기비용과 환경비용 분석을 수행하고자 하며, 최종적으로 상용화 기반을 마련하고자 한다. 세부적인 수행 계획은 다음과 같다.- 1단계: 실제 현장 적용을 위한, ○○대학교(주관 연구기관) 및 ○○건설(참여기관)과의 MOU 체결.- 2단계: 최종성과물의 실제 현장 (① ○○대학교(주관 연구기관), ② ○○건설(참여기관)) 적용.- 3단계: 실제 현장에 적용된 최종 성과물의 생애주기 및 환경 비용 분석을 통해, 상용화 기반 마련.3. 신산업 창출○ 신(新)기후체제(POST-2020)의 출범과 함께, 우리나라는 2030년 온실가스 BAU 대비 37% 감축목표를 수립하였으며, 이에 대한 선제적 대응을 위해, 2030년 에너지 신산업 확산전략이라는 중장기 정책대안을 수립하였다. 본 전략에서는, 에너지 프로슈머, 분산형 청정에너지, ICT 융합, 온실가스 감축을 핵심 유도기술로 정의하고 있다. 본 연구에서 제안하는 최종성과물(IoT 기반의 다목적 스마트 창호 제품)은, ① 창호를 통한 분산형 태양광 발전이 가능, ② IoT 기술의 융합을 통한, 최적의 실내 공기질 제공, ③ 에너지 프로슈머 및 온실가스 절감을 통한, 제로에너지빌딩 구현 등 다양한 신산업 창출에 기여할 수 있다.- 그린리모델링 및 에너지절약전문기업(Energy Saving Company) 사업: 최종성과물을 요소기술(태양광 발전, 실내 공기질 개선 등)로 활용 가능.- 대여 사업: 태양광 발전 및 공기질 개선 관련 대여 사업을 통한 신사업 창출 가능.- 컨설팅 사업: 태양광 발전 및 실내 공기질 개선을 위한, 컨설팅을 수행하는 신사업 창출 가능.
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