서 론

연구의 배경 및 목적

지속적인 산업의 발전과 건물 사용자의 쾌적한 거주 환경 요구로 인해 국내 전력수요가 꾸준히 증가하고 있으며, 특히 계절별 및 주야간의 전력수요 불균형이 심화되고 있다(Ha et al., 2018). 이는 최대전력부하에 따른 관련설비의 설계용량을 증가시키는 원인이 되므로 이를 종합적으로 관리하는 체제가 필요하다(김득원 외, 2018). 축열조 시스템은 주간의 최대전력부하의 일부를 야간으로 치환시키는 대표적인 기술이며, 2017년부터 연면적 10,000 m² 이상의 공공기관 건물 신축 시 BEMS (Building Energy Management System)의 설치를 의무화하는 에너지이용 합리화 추진에 관한 규정이 개정되었다(에너지경제연구원, 2017). BEMS를 통한 건물 부분의 성능개선은 에너지 수요 감축에 효과적인 것으로 평가받고 있으며, 이에 글로벌 기준 BEMS 시장 전망치는 2015년 24억 달러에서 2024년 108달러로 4배 이상 성장할 것으로 예측된다(임현득 외, 2017).

한편, 제로에너지건물(Zero Energy Building, 이하 ZEB)은 건물의 에너지 소요량을 최소화하고 신재생에너지로 건물에 필요한 에너지를 생산하여 운영되는 건물을 의미한다. 여기에는 기존의 가스, 전기 등의 인프라에서 벗어나 건물 자체 내에서 생산과 소비가 이루어지는 에너지 자립화 건물을 포함하며 국가별 범위 및 특성에 따라 다양한 개념이 존재한다(최경석과 배민정, 2017).

본 연구에서는 이상에서 언급한 ZEB 수준의 건물에 축열조 시스템, 지열 히트펌프 및 BEMS가 적용된 HVAC 시스템의 운전 현황과 성능에 대해 평가하고자 한다. 또한, 평가 과정 중 파악한 축열조 시스템의 설계상의 오류와 이에 의해 증가한 에너지 사용량 및 비용을 정량적으로 파악하는 것에 논문의 작성 목적을 두었다.

연구의 범위

해당 건물은 BEMS를 통해 지열, 전력 및 기계 데이터 등 200여 개 포인트의 데이터를 수집하고 있으며, 이 중 운전효율 분석을 위해 공조와 관련된 100여 개 항목의 데이터를 활용하였다. 데이터 수집기간은 2018년 10월부터 2019년 8월까지이나, 열원이 가동하지 않은 3 ~ 5월의 데이터는 분석과정에서 제외하였다. 난방 및 냉방 운전 기간에 한해 HVAC 시스템 중 열원 기기 및 열원 시스템의 운전 성능 그리고 축열량을 중심으로 성능을 파악하였고, 방열과 관련된 데이터는 잦은 오류와 결손으로 인해 펌프의 전력값만 일부 활용하였고 실내측 부하 처리 열량 등은 본 논문에서 평가하지 않는 것으로 하였다.

연구대상 개요 및 실측 현황

건물 개요

대상 건물은 충청남도 아산시에 위치한 A 도서관으로 2018년 2월에 개관하였으며 에너지 자립률 20 ~ 40%에 준하는 ZEB 5등급과 함께 패시브 건축물, 건축물 에너지효율등급 1++ 및 녹색건축 그린 4등급 인증을 취득하였다(신주봉, 2018).

A 도서관은 지하 1층, 지상 5층 규모로 연면적 약 9,000 m² 의 중대형 건물이다. 국내 공공 도서관 중 에너지 사용의 최적화를 이룬 표준모델이 적용되어, 중부지역 에너지 절약 기준과 대상건물의 열관류율값(W/m²k) 관계는 외벽 0.26 - 0.243, 창 및 문 1.5 - 1.442, 지붕 0.15 - 0.129, 바닥 0.3 - 0.121로 모두 해당 기준을 상회하는 단열 성능으로 설계되었다.

HVAC 시스템 개요

대상 건물의 냉난방 계통도는 Figure 1과 같다. 열원으로 지열 히트펌프(이하, 히트펌프)를 사용하고 있으며, 심야시간대에 히트펌프에서 생산된 냉온수를 축열조에 저장하고 주간에 실내측으로 방열하는 수축열 시스템이 적용되었다. 옥외 지열천공의 규모는 170 m × 10공 × 7 Zone이며, 5대의 지열 펌프(1대는 예비)에 의해 순환이 이루어진다. 4대의 히트펌프가 냉온열원으로 사용되며, 3대의 축열펌프(1대는 예비)로 냉온수를 순환시킨다. 축열은 23시부터 익일 09시의 심야전력을 이용하며, 주간에 3대의 방열펌프(1대는 예비)로 실내측 FCU에 냉온수를 전달한다(박성철 외, 2018).

Figure 1.

Diagram of whole HVAC system

Table 1과 Table 2는 히트펌프와 각 펌프들의 사양을 나타낸 것으로 히트펌프의 기기 정격 COP는 냉방 4.2, 난방 3.8이며 히트펌프, 지열 펌프 및 축열 펌프 모두를 포함하는 정격 시스템의 COP는 냉방 3.6, 난방 3.3이다.

Table 1. Specifications of heat pump

Table 2. Specifications of pumps

실측데이터 개요

입수된 전체 데이터 기간은 2018년 10월 01일부터 2019년 8월 31일이며, 난방운전은 2018년 11월 08일부터 2019년 02월 24일까지 실시되었다. 냉방운전은 2019년 06월 13일부터 08월 31일까지이며, 데이터 결손이 발생한 8월 2일부터 31일까지를 제외한 36일간의 데이터를 활용하였다. 아울러, 운전 기간 중 서버 다운 및 센서 추가 공사 등의 이유로 상기에서 언급한 날짜 외에도 데이터 결손이 존재하며, 이후 본문에서는 항목에 따라 유효 데이터 사용에 대해 추가로 언급하기로 한다.

난방 운전 현황 및 결과

난방 운전 현황

Figure 2는 2019년 1월의 히트펌프 및 방열펌프 운전 시간을 나타낸 것이다. 1일부터 5일까지의 방열펌프 데이터는 결손으로 인해 그림상에서 제외하였다. 히트펌프와 방열펌프의 가동시간은 각각 4대와 2대의 운전시간의 합산값이며, 실내측의 부하가 적은 탓에 1일 축열 후 2 ~ 4일간 방열을 실시하는 운전형태를 나타내었다.

Figure 2.

Operation time of H.P. and discharging pump in January 2019

실내측의 부하가 적은 이유는 대상 건물이 ZEB 수준의 우수한 외피성능으로 설계되었기 때문이나, 축열조의 온수 온도 저하에 따른 축열량 손실을 고려할 때 바람직한 운전 패턴으로 평가하기는 힘든 상황이다.

난방 운전 결과 및 분석

Figure 3은 난방 운전 기간의 히트펌프 기기 및 시스템 COP의 1일 평균값을 나타낸 것이다. 기기 COP는 3.2 ~ 4.3 사이에 분포하며, 평균 3.7로 정격 COP 3.8 대비 운전효율은 약 2.9% 저하되었으나 이것이 성능평가에 크게 유의미하다고는 볼 수 없다 판단된다.

Figure 3.

COP of heating operation

시스템 COP은 2.7 ~ 3.7로 평균 3.2이며, 정격 시스템 COP 3.3 대비 약 4.5% 운전효율이 저하되었다. 기기 COP의 저하율보다 다소 큰 것은 축열 종료 시점의 부분 부하운전 시, 지열 및 축열펌프가 정속으로 운전한 것이 주요 원인으로 사료된다. 아울러, Figure 4는 외기온과 기기 및 시스템 COP의 관계를 나타낸 것으로 외기온이 내려갈수록 기기 및 시스템 COP가 저하되는 현상이 나타나나 추세선의 기울기가 급격하지 않은 점으로 미루어, 열원이 지열을 이용하는 방식에 의해 기기의 효율은 안정적으로 운영되고 있다고 판단된다.

Figure 4.

Relation on COP and outdoor temperature in heating operation

냉방 운전 현황 및 결과

냉방 운전 현황

Figure 5는 4대의 히트펌프와 2대의 방열펌프 각각의 가동시간의 합을 나타낸 그래프이다. 냉방운전은 6월 13일부터 시작되었으며, 7월 5일까지는 1일 축열 2 ~ 3일 방열운전이 실시되었다. 익일의 실내 부하량을 고려하지 않고 100% 수준으로 축열을 행한 결과 2 ~ 3일 방열 운전 패턴이 발생한 것으로 보이며, 난방 운전과 마찬가지로 이는 축열조의 열손실 측면에서 불리한 운전으로 판단된다. 한편, 7월 17일 이후부터는 실내측의 부하 증가로 인해 하루 단위로 축열과 방열이 일어나는 운전 패턴으로 변화하였다.

Figure 5.

Operation time of heat pump and discharging pump in June and July 2019

냉방 운전 결과 및 분석

Figure 6은 냉방기간의 기기 및 시스템 COP를 나타낸 것이다. 기기 및 시스템 COP의 범위는 각각 3.6 ~ 5.2(평균 4.5), 2.6 ~ 4.2(평균 3.4)이며, 정격값 대비 기기 COP는 5.7% 효율이 증가하였으나 시스템 COP는 5% 효율이 저하되었다. 기기 COP가 정격 대비 효율이 상승한 이유는 지열 순환수의 온도가 설계값보다 낮거나, 제조상의 기기 특성으로 판단되며 취득 중인 데이터 항목에 지열 순환수의 온도값이 없어 정확한 요인은 도출하기 힘든 상황이다. 특히, 시스템 COP가 기기 대비 약 10.7%P 낮은 것으로 나타나는데, 그 이유는 축열이 거의 완료되는 시점에서 히트펌프는 4대 중 1 ~ 2대가 가동되는 대수 제어 운전이 실시되나 지열 및 축열 펌프는 각각 4대와 2대 모두 운전이 되는 등의 안정화 되지 않은 운영과 관계가 있는 것으로 보인다.

Figure 6.

COP of cooling operation

Figure 7은 외기온과 기기 및 시스템 COP 관계를 나타낸 것으로, 외기온의 상승에 따른 COP가 감소하는 패턴이 나타나나, 난방 시와 동일하게 추세선의 기울기가 급격하지 않아 지열 히트펌프의 운전 특성이 반영된 것으로 보인다. 단, 시스템 COP의 경우 외기온이 상승하면서 축열운전일이 늘어나고, 앞서 언급한 펌프 등의 안정화되지 않은 운전에 의해 시스템 효율의 저하가 두드러진 것으로 판단된다.

Figure 7.

Relation on COP and outdoor temperature in cooling operation

배관 설계오류에 의한 운전 성능 검토

축열시스템 배관 설계 오류

일반적인 수축열조 시스템에서는 냉방 시 열원에서 생산하는 냉수를 축열조의 하단부에 유입, 상단부에서 환수시키며 난방 시에는 역으로 운전한다. 이를 통해 축열조 내부에 온도 성층을 만들어 축열량을 확보한다(최병윤 외, 2004). 이후 주간의 실내측 부하 처리를 위해 냉방 시에는 축열조의 하단부의 냉수를, 난방 시에는 상단부의 온수를 각각 실내로 송수한다.

Figure 8의 대상 건물의 축열조와 주변 배관 부분을 확대한 것(흑색 배관)으로, 현재 적용된 배관에서는 히트펌프에서 생산된 냉온수가 일괄적으로 축열조 상단부로 인입되고 하단부에서 환수되는 것으로 되어있다. 실내측에의 배관 또한 축열조 상단부에서만 송수가, 하단부에서 환수가 일어난다. 현재의 설계에서는 난방 시에는 문제가 되지 않을 것으로 사료되나, 냉방 운전의 경우 축열조 상단부의 냉수 온도가 더 낮아 자연 대류 현상에 의해 온도 성층이 형성되지 않는 상황에 직면한다. 이를 해결하기 위해 Figure 8에서 붉은색으로 표현된 것과 같이 3방변 및 냉온수 전환 배관의 추가가 필요하다(김성수, 2010).

Figure 8.

Diagram of heat storage tank and plumbing

Figure 9는 냉방 운전 기간 중의 7월 10, 17일 및 28일에 대한 축열조 상단부 및 하단부의 온도변화를 나타낸 것으로, 히트펌프에 의한 축열 운전은 3일 모두 02시경에 시작되고 05시 전후에 종료되었다. 해당일 모두 축열 시간대에 상단부의 온도는 약 11℃부터 7 ~ 8℃까지 내려가고, 하단부와의 온도차가 약 5 K 낮게 형성되었다. 이를 통해 현재의 축열조 설계에서는 상단부로 냉수가 유입되고, 하단부에서 열원으로 냉수가 환수되는 것을 확인할 수 있다.

Figure 9.

Cooling Water Temperature in Heat Storage Tank

아울러, 축열 운전이 종료되는 시점부터 방열운전이 시작되기 전까지 축열조 내부는 자연 대류에 의해 상단과 하단부의 냉수가 혼합되는 현상이 발생하고, 07시경에는 상하단부 모두 약 11℃에서 수렴하여 온도 차이는 거의 나타나지 않았다.

축열조 온도 성층 파괴에 의한 축열 손실량 검토

3방 밸브 및 냉온수 전환 배관이 적용되어 축열조 내부의 온도 성층이 발생하는 일반적인 축열조 시스템 설계(이하, 일반 설계)와 현재의 축열조 온도 성층이 형성되지 않는 설계(이하, 현재 설계)와의 축열 및 전력사용량의 손실을 검토하기 위해 Table 3을 작성하였다.

표에서 현재 설계의 축열량은 축열 운전과 오전 방열 운전 시작 직전의 축열조 하단온도의 온도차와 수축열조의 용량 298.1 ton을 이용하여 산출하였다(축열 효율 90% 적용). 반면, 정상 설계의 축열량은 축열 운전 시작 전과 종료 직후의 온도차와 수축열조 용량, 그리고 축열효율을 적용하여 구한 것이다. 예를 들어 Figure 9의 7월 10일을 기준으로 정상설계의 축열 전후 온도차는 11.3 K이나, 현재 설계의 경우는 6.7 K이다.

Table 3에서 축열 손실량은 7월 중 축열조 내부의 온도데이터 결손이 발생하거나 축열 운전 미실시일 등을 제외한 22일간의 데이터를 활용하였으며 1일 축열 손실량에 해당일의 시스템 COP를 반영하여 1일 전력사용량의 손실분을 파악하였다.

Table 3. Thermal charging loss due to design error in July 2019

그 결과, 현재 설계 및 일반 설계에 의한 22일간의 축열량의 합계는 각각 55,280 kWh와 86,508 kWh이며 온도 성층 파괴에 의한 축열 손실량은 31,228 kWh로, 정상 설계 대비 약 36.1% 손실이 발생하는 것으로 나타났다. 또한, 동일한 기간 동안 전력사용량의 손실 합계는 9,281 kWh로, 여기에 해당 건물의 계약전력 800 kW 교육용(갑), 고압A 선택2의 심야 전기 단가 55.4원/kWh를 적용할 경우 514,161원의 비용손실이 발생하는 것으로 산출되었다.

결 론

본 논문을 통해 ZEB 수준의 건물에 축열조 시스템, 지열 히트펌프 및 BEMS가 적용된 HVAC 시스템의 운전 현황과 성능, 그리고 축열조 시스템의 설계상의 오류와 이로 인해 증가한 에너지 사용량 및 비용을 정량적으로 파악하였다.

난방 운전 결과, 기기 및 시스템 COP는 정격 대비 각각 2.9%, 4.5% 효율이 저하되었으며 냉방 운전의 기기 COP 효율은 5.7% 증가하였다. 반면, 시스템 COP는 정격 대비 각각 4.5% 효율이 저하한 것으로 나타났다.

아울러, 대상 건물의 축열조를 중심으로 3방변 및 냉온수 전환 배관의 미비로 인해 축열조 내부의 온도 성층이 발생하지 않는 오류가 발생하였고, 그 결과 정상 설계와 비교하여 약 36.1% 축열 손실이 발생하는 것으로 파악되었다. 7월 중 22일간의 축열 손실열량은 31,228 kWh, 전력 손실량은 9,281 kWh로 비용으로 환산하면 514,161원에 해당한다.

한편, 축열조 온도 성층이 형성되지 않으면 주간의 방열 시에도 상대적으로 높은 온도의 냉수가 실내로 송수되어 펌프 및 FCU 팬의 전력사용량 증가로 이어질 가능성이 농후하다. 그러나 방열과 관련된 데이터는 오류와 손실이 많아 신뢰할 수 없어 이번 연구에서는 제외하였다. 향후 데이터 취득이 순조롭게 진행되면 축열과 방열을 포함한 냉난방 운전 성능을 전체적으로 평가하고자 한다.