전기기사 실기 · 에너지 절약 설계

Energy Saving Design

에너지 절약 설계는 역률 개선, 고효율 기기, 부하 제어로 같은 일을 하면서 전류와 손실을 줄이는 단원이다. 중심 계산은 전력 삼각형에서 무효 전력을 콘덴서로 덜어 내는 콘덴서 용량 Q_C = P(tanθ₁ − tanθ₂)다. 역률을 올리면 같은 유효 전력에 흐르는 전류가 줄고, 선로 손실은 전류의 제곱만큼 줄어요. 유효 전력 · 개선 전 역률 · 개선 후 역률 슬라이더를 움직이면 위쪽 전력 삼각형(빨간 점선이 개선 전 · 노란 실선이 개선 후)과 아래쪽 절감 카드의 값이 함께 바뀌어요.

역률 0.75 를 0.95 로 올리려면

유효 전력 500 kW, 역률 0.75 인 건물에서 역률을 0.95 로 올리려 한다고 하자.전력용 콘덴서 를 몇 kvar 달아야 할까. 역률 개선은 에너지 절약 설계에서 가장 자주 나오는 계산이에요.

💰 에너지 절약 설계의 다섯 갈래

① 역률 개선: 콘덴서로 무효 전력을 보상해 전류와 손실을 줄인다

② 고효율 변압기: 아몰퍼스 철심으로 철손을 줄인다

③ LED 조명: 형광등보다 조명 전력을 40 ~ 60% 줄인다

④ 인버터 제어: 펌프 · 팬의 속도를 바꿔 동력을 30 ~ 50% 줄인다

⑤ BEMS(건물 에너지 관리 시스템): 사용량을 실시간으로 보며 제어해요

전력 삼각형과 절감 효과

역률 개선 전(빨간 점선)과 후(노란 실선)의 전력 삼각형을 겹쳐 그렸다. 세로 변 오른쪽의 파란 띠가 콘덴서가 맡는 무효 전력 Q_C 다.

유효 전력 P500 kW

개선 전 역률0.75

개선 후 역률0.95

🔑 역률을 올리면 생기는 일

① 콘덴서 Q_C = 277 kvar

② 피상 전력 667 → 526 kVA(21.1% 감소)

③ 전류가 같은 비율로 줄어 I²R 손실은 37.7% 준다

④ 변압기 용량에 여유가 생겨 부하를 더 걸 수 있어요

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°

🔧 계산에서 답안으로

①콘덴서 용량으로 역률을 올리고

②전력 원단위로 절감 효과를 수로 나타낸다

최종 답안

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

표준 콘덴서(50 · 75 · 100 · 150 · 200 kvar)를 조합해 고른다

전력원단위

전력 원단위 = 연간 전력량 [kWh]연면적 [m²]

에너지 절약 설계 기준: 사무소 ≤ 250 kWh/m²·년

함정과 변형 문제

⚠️ 자주 틀리는 자리

① tan 값은 cos⁻¹ 로 각을 먼저 구하고 tan 을 잡는 두 단계다(tanθ = √(1 − cos²θ) / cosθ 로 바로 구해도 된다)

② 역률을 1.0 까지 올리면 tanθ₂ = 0 이라 Q_C = P × tanθ₁ 이다

③ 콘덴서를 너무 많이 달면 진상 역률이 되고, 전기 요금의 역률 요금은 진상 역률도 따진다

④ 설치 위치는 변압기 2차 모선에 모아 다는 방식과 부하 단자마다 다는 방식으로 나뉜다

⑤ 고조파가 있는 곳에서는 직렬 리액터(6%)를 함께 달아요

직렬 리액터 용량

X_L = 0.06 × X_C (6% 리액터)

제5고조파용. 이론상 4%(1/5²)면 되지만 여유를 두어 6% 를 쓰고, 콘덴서 단자 전압이 1/(1 − 0.06) ≒ 1.06 배로 올라 정격 전압을 높여 잡는다(여기서는 110%)

🔄 변형 문제 유형

① 역률 개선 뒤 변압기 여유 용량은 ΔS = S₁ − S₂ 다

② 에너지 절약 설계 기준 적합 판정은 조명 밀도와 전력 원단위로 본다

③ 수변전 설비 효율은 아몰퍼스 변압기와 무효 전력 자동 제어로 올린다

④ BEMS 도입 효과는 보통 에너지 10 ~ 15% 절감으로 잡고 모니터링 항목을 함께 적어요

답안 점검

콘덴서

Q_C = P(tanθ₁-tanθ₂)

kvar

전력 원단위

kWhm²·년

기준 이하인지 확인

🎯 시험에서 볼 자리

① Q_C 식에서 tan 값을 구하는 과정(cos⁻¹ → tan)을 빼지 않고 적는다

② 콘덴서 용량은 계산값을 넘는 표준 용량 조합(50 + 100 = 150 등)으로 고른다

③ 직렬 리액터(6%)가 필요한지도 한 줄 덧붙인다

④ 에너지 절약 서술형은 다섯 갈래와 갈래마다 기대 절감률을 함께 써요

⑤ 역률 개선 효과는 전류 감소 · 손실 감소 · 변압기 여유 세 가지를 모두 적어요

📝 대표 기출 유형

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

②[기출유형] 역률을 개선할 때 직렬 리액터를 다는 이유와 용량 기준을 쓰시오. (답: 제5고조파 억제, 콘덴서 용량의 6%)

③[기출유형] 건축물의 에너지 절약 설계 기준에서 전기 설비 관련 항목 4가지를 쓰시오.

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마지막 수정 2026-10-20

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