실기›전기설계

에너지 절약 설계

Energy Saving Design

역률 0.75를 0.95로 올리려면?

유효전력 500kW, 역률 0.75인 건물에서 역률을 0.95로 개선하려고 합니다.전력용 콘덴서 몇 kvar를 설치하면 될까요? 역률 개선은 에너지 절약 설계에서 핵심되는 계산 문제입니다.

💰 에너지 절약 설계 = 5가지 전략

① 역률 개선: 콘덴서 → 무효전력 보상, 전류·손실 감소

② 고효율 변압기: 아몰퍼스 코어 → 철손 감소

③ LED 조명: 기존 형광등 대비 40~60% 절감

④ 인버터 제어: 펌프·팬 가변속 → 동력 30~50% 절감

⑤ BEMS(건물에너지관리시스템): 실시간 모니터링·제어

전력 삼각형과 절감 효과

역률 개선 전(빨간 점선)과 후(노란 실선)의 전력 삼각형을 비교합니다. 파란 영역이 콘덴서가 보상하는 무효전력(Q_C)입니다.

유효전력 P500 kW

개선 전 역률0.75

개선 후 역률0.95

역률 개선 전후 전력 삼각형 비교와 콘덴서 용량·절감 효과 시각화

🔑 역률 개선 효과

① 콘덴서 Q_C = 277 kvar

② 피상전력: 667 → 526 kVA (21.1% 감소)

③ 전류 감소 → I²R 손실 37.7% 감소

④ 변압기 여유용량 확보 → 부하 증설 가능

핵심 공식과 풀이

콘덴서 용량

Q_C = P × (tanθ₁ - tanθ₂) [kvar]

θ₁ = cos⁻¹(PF₁), θ₂ = cos⁻¹(PF₂)

풀이 과정

tanθ₁ = tan(cos⁻¹0.75) = 0.882tanθ₂ = tan(cos⁻¹0.95) = 0.329

θ₁ = 41.4°, θ₂ = 18.2°

🔧 산출 → 답안

①콘덴서 용량으로 역률을 개선하고

②전력원단위로 에너지 절감 효과를 정량화한다

최종 답안

Q_C = 500 × (0.882 - 0.329) = 277 kvar

표준 콘덴서(50, 75, 100, 150, 200 kvar) 조합으로 선정

전력원단위

전력원단위 = 연간전력량 [kWh]연면적 [m²]

에너지절약설계기준: 사무소 ≤ 250 kWh/m²·년

함정 포인트 & 변형 문제

⚠️ 자주 틀리는 포인트

① tan 값 계산: cos⁻¹ 먼저 → 그 다음 tan (2단계!)

② 역률 1.0이면 tanθ₂ = 0 → Q_C = P × tanθ₁

③ 콘덴서 과보상(역률 > 1 방향) 주의 → 진상역률은 한전 페널티

④ 콘덴서 설치 위치: 변압기 2차 모선(집합) vs 부하 단자(개별)

⑤ 고조파 환경 → 직렬리액터(6%) 반드시 병설

직렬리액터 용량

X_L = 0.06 × X_C (6% 리액터)

5고조파 제거용, 콘덴서 정격전압 110%로 상향

🔄 변형 문제 패턴

① 역률 개선 후 변압기 여유용량 → ΔS = S₁ - S₂

② 에너지절약설계기준 적합 판정 → 조명밀도·전력원단위 기준

③ 수변전설비 효율 → 아몰퍼스 변압기, 무효전력 자동제어

④ BEMS 도입 효과 → 에너지 10~15% 절감, 모니터링 항목 나열

실전 답안 체크리스트

콘덴서

Q_C = P(tanθ₁-tanθ₂)

kvar

전력원단위

kWhm²·년

기준 이하 확인

🎯 시험 포인트

① Q_C 공식에서 tan 값 구하는 과정(cos⁻¹ → tan) 생략하지 말 것

② 콘덴서 용량: 계산값 → 표준용량 조합(50+100=150 등) 선정

③ 직렬리액터(6%) 필요 여부 추가 언급하면 고득점

④ 에너지 절약 서술형: 5가지 전략 + 각각의 예상 절감률 기재

⑤ 역률 개선 효과: 전류 감소·손실 감소·TR 여유 확보 3가지 모두 명시

📝 대표 기출문제

①[기출유형] 유효전력 1,000kW, 역률 0.8을 0.95로 개선하기 위한 콘덴서 용량[kvar]을 구하시오. (답: Q_C = 1000×(tan36.87°-tan18.19°) = 1000×(0.75-0.329) ≒ 421kvar)

②[기출유형] 역률 개선 시 직렬리액터를 설치하는 이유와 용량 기준을 쓰시오. (답: 제5고조파 억제, 콘덴서 용량의 6%)

③[기출유형] 건축물의 에너지 절약 설계기준에서 전기설비 관련 항목 4가지를 쓰시오.