전력설비 에너지 절감

왜 배우는가: 전력설비 에너지 절감은 건축물 전기요금과 탄소배출을 줄이는 실무의 핵심이며, 수변전·조명·동력 설비 각각의 절감 방안을 묻는 문제가 2개 회차에 걸쳐 나왔다. 역률 개선, 고효율 기기, 제어 기술이 공통으로 등장하므로 개념의 틀을 먼저 잡아야 답안을 빠짐없이 구성할 수 있다.

출제 이력: 제132회 2교시 2번, 제92회 4교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 전력설비 에너지 절감은 수변전·조명·동력 설비의 손실을 줄이고 수요를 관리하여 같은 서비스를 적은 전력으로 공급하는 설계·운용 대책이다.

핵심 키워드

• 전력손실 경감
• 역률 개선
• 고효율 기기
• 조명 제어
• 최대수용전력 제어
• 대수 분할 운전
• 열회수

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 전기를 덜 낭비하도록 건물의 전기설비를 짜고 운전하는 것이다. 같은 일을 하는데 손실이 적은 기기와 방식을 고르고, 꼭 필요할 때만 쓰게 제어하는 것이 핵심이다.

정식 정의는 건축전기설비 분야에서 전력 손실, 무효전력, 최대 수요 전력을 줄여 에너지 사용량과 요금을 낮추는 모든 계획 및 시공 대책을 말한다.

무효전력은 전압과 전류의 위상차로 생겨 기기 작동에는 쓰이지 않지만 선로와 변압기에 부하를 주는 전력이다. 무효전력을 줄이면 선로전류가 감소하여 손실이 준다.

역률은 유효전력을 피상전력으로 나눈 값이다. 역률이 높을수록 같은 유효전력을 공급하는 데 필요한 전류가 작아지며, 역률 개선은 진상 콘덴서 같은 역률 조정소자로 무효전력을 공급해 달성한다.

최대수용전력은 일정 기간 중 수용가가 쓴 전력의 최댓값이다. 최대수용전력 제어는 이 값이 계약전력을 넘지 않도록 부하를 차단하거나 순환시키는 방식이다.

고효율 기기는 같은 출력을 내면서 손실이 적은 저손실 변압기, 고효율 전동기, LED 조명 등을 말한다.

3. 등장 배경과 필요성

건물의 전력 사용이 늘면서 에너지 소비와 탄소 배출이 함께 증가했다. 건물이 전체 에너지의 큰 비중을 차지하므로 건축 전기설비의 효율화는 국가 에너지 정책의 중요한 과제가 되었다.

전력 계통 측면에서는 최대 수요 전력이 중요하다. 전력망은 최대 수요를 기준으로 건설되므로, 건물의 피크 수요를 낮추면 계통 확충 부담과 탄소 배출이 함께 줄어든다.

역률 측면에서는 전력회사가 역률에 따라 요금을 할증하거나 감액하는 제도를 운영한다. 역률을 개선하면 요금 부담이 줄고, 변압기와 배전선의 손실도 감소한다. 따라서 역률 개선은 설비 투자 없이 바로 효과를 얻을 수 있는 실무 항목이다.

역률 개선 과 고효율 기기 사용 은 수변전과 동력 설비 모두에 적용되는 공통 대책이다. 이 공통 원리를 이해하면 2교시 세 가지 설비의 답안을 같은 틀로 쓸 수 있다.

필요성은 세 가지로 정리된다. 첫째, 전기요금 절감. 둘째, 계통 부담과 설비 용량 여유 확보. 셋째, 탄소 배출 저감과 건물 운영 비용의 장기 절감이다.

4. 구성요소·원리·절차

전력설비 에너지 절감은 수전설비, 배전설비, 부하설비를 하나의 계통으로 보고 손실 최소화와 수요 관리를 함께 하는 것이 핵심이다. 수전 측에서는 변압기 손실과 무효전력을 줄이고, 부하 측에서는 조명과 동력의 사용 효율을 높인다.

전력설비 에너지 절감의 본질은 손실 감소와 최대수요전력 억제를 동시에 달성하는 데 있다.

비교 표 설명: 수변전설비는 손실 자체를 줄이는 설비이고, 조명·동력설비는 사용량 자체를 줄이는 설비다. 두 축을 함께 계획해야 절감 효과가 합산된다.

원리

변압기 손실은 철손(무부하손, 히스테리시스손과 와전류손의 합)과 동손(부하손, 부하전류 제곱에 비례)으로 나뉜다. 철손은 부하와 무관하게 발생하므로 저손실형 변압기를 쓰고, 동손은 부하율에 따라 변하므로 변압기 대수를 부하에 맞춰 제어한다.

역률이 낮으면 같은 유효전력에 대해 선로전류가 커진다. 전류가 커지면 선로손실과 전압강하가 늘어난다. 따라서 진상콘덴서로 무효전력을 공급하면 선로전류가 줄고 손실이 경감된다.

변압기의 효율이 최대가 되는 조건은 동손과 철손이 같을 때다. 부하율을 x라 하면 최대효율 조건은 다음과 같다.

$x^2 P_c = P_i$

여기서 P_c는 전부하 동손(W), P_i는 철손(W), x는 최대효율이 되는 부하율(무차원)이다. 두 손실이 같아지는 부하에서 효율이 최고가 된다.

절차

• 설비 부하를 조사하고 부하 특성(상시·계절·시간대별)을 파악한다.
• 변압기 용량과 대수를 부하율 구간에 맞춰 정한다. 저손실형 변압기를 선정한다.
• 역률을 측정하고 종합 또는 분산식 진상콘덴서 용량을 정한다. 자동역률제어장치를 설치한다.
• 변압기별 전력량계와 최대수용전력제어장치를 설치한다.
• 조명은 광원·조명기구를 고효율로 바꾸고 조명제어(조도·시간·재실 감지)를 적용한다.
• 동력은 부하 변동이 큰 전동기에 인버터를 적용하고 고효율 전동기를 사용한다.
• 에너지관리시스템으로 사용량을 측정하고 절감 효과를 확인한다.

도식

5. 관련 법령·기준·표준

건축전기설비의 에너지 절약은 설계기준과 에너지 관련 기준을 따른다. 조항 번호는 확실한 것만 적었다.

역률 개선 기준의 구체적 값은 전력 요금 제도와 해당 공급약관으로 정해진다.

개정 연혁: 건축전기설비 에너지절약 기준은 건축물 에너지효율 등급 제도와 함께 강화되는 추세다. 전기설비는 2021-01-01부터 한국전기설비규정(KEC)을 적용한다.

법령·제도 요약

• 「건축물의 에너지절약설계기준」: 건축물 전기·기계 설비의 에너지 절약 기준
• 「에너지이용 합리화법」: 고효율기기 지정과 에너지 관리
• 한국전력 전기공급약관: 역률 할증·감액 제도

고효율 기기 인증 제품 사용은 필수 항목이다.

6. 유형과 비교

전력설비 에너지 절감 방안은 크게 고효율 기기 채택, 설비 운용의 최적화, 역률 관리의 세 방향으로 나뉜다. 수·변전, 조명, 동력 설비는 각각 손실이 생기는 지점이 다르므로 같은 방법을 일괄 적용하기보다 설비별 손실 구조에 맞춰 방안을 고른다.

위 표는 설비별 손실원과 방안을 대응시킨 것이다. 답안에서는 손실원을 먼저 말하고 방안을 연결하면 논리가 분명해진다.