에너지 절약 설계

Energy Saving Design

에너지 절약 설계는 역률 개선·부하 관리 등으로 손실과 설비용량을 줄이는 단원이에요. 전력 삼각형에서 콘덴서 용량과 개선 전후 효과를 읽어요. 역률만 올려도 전류·손실·요금 구조가 함께 바뀌어요. 유효전력·역률 슬라이더로 삼각형과 절감 효과를 비교해 봐요.

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 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.