서 론
연구배경
연구 동향 및 목적
연구의 범위 및 방법
연구대상건물 개요 및 설계요소
연구대상 건물 개요
시뮬레이션을 이용한 에너지 사용량 분석
냉각수 온도차에 따른 냉방 에너지사용량 분석
냉각수 설정온도 변경에 따른 에너지 사용량 분석
연간 냉방에너지 사용량 분석
결 론
서 론
연구배경
국내의 온실가스 감축 시나리오에 따라 2030년 배출량을 BAU (Business As Usual)대비 37% 감축목표에 맞게 국내 감축량을 25.7%에서 32.5%로 상향조정하였으며 건물부문의 탄소배출량은 우리나라 온실가스의 32.7%에 달하고 있다(ME, 2018). 국내 대형건물의 경우 에너지 소비전력화 현상이 지속되어 전력의 비중은 2004년 43%에서 2016년 56%로 상승하였으며, 이는 건물의 대형화에 따른 동력 수요 증가, 쾌적한 건물환경 조성을 위한 냉·난방 및 조명 서비스 증대, 정보화 추진에 따른 통신 및 전산설비의 증설, 전열기기의 보급 확대 등으로 인해 전력소비가 크게 증가되었기 때문이다. 특히, 대형건물의 에너지 소비량 중 HVAC시스템은 약 55%를 차지하고 있으며, 그 중 약 21.7%가 냉방에너지에서 소요되는 것으로 나타났다(MOTIE, 2018). 따라서 이러한 목표달성을 위해서는 대형건물의 HVAC시스템 중 많은 에너지를 소비하고 있는 냉방에너지 절감이 절실한 실정이다.
한편, 국내에서는 [KS B 6364:2014]에 따라 냉각탑의 표준설계온도를 입구온도 37°C, 출구온도 32°C, 입구공기 습구 온도 27°C로 규정하고 있다(KS B 6364, 2014).이는 정격조건일 때의 냉방능력을 동일한 조건으로 나타내기 위한 것으로 상기의 조건을 유지하지 않으면 시스템의 고장이 발생한다는 것을 의미하지 않는다(Takahashi, 2012a).
일반적인 냉각탑시스템의 운전은 냉각수 출입구 온도를 상기의 표준 설계 조건으로 고정하고 냉각탑 팬의 on/off 제어만을 통하여 운전하고 있지만, 현재 냉각탑의 표준 설계 조건 값들의 온도 차이 즉, 냉각수 입·출구온도 차이를 증가시킬 경우 유량변화로 인한 배관 사이즈 축소 및 펌프의 반송동력이 줄어드는 효과를 기대할 수 있다.
연구 동향 및 목적
국내외 냉각탑 시스템의 에너지 절감에 관한 연구동향을 살펴보면 Ahn. (2017)의 연구는 냉각수계통의 시스템 최적화를 위하여 환경변수인 여름철 외기의 건구온도 및 습구온도 변화에 따라 제어변수를 냉각수 펌프유량 및 냉각탑의 팬 풍량 그리고 냉각수 설정온도로 선정하여 전체 냉방시스템 및 요소 기기들의 에너지 소비량에 미치는 영향을 분석하였다. 해당 연구에서 냉각수 설정온도가 높을수록 냉동기의 에너지 소비량은 증가하는 반면 냉각탑 팬의 에너지 소비량은 감소되며, 이로 인해 전체 냉방에너지 소비량이 증가하는 경향을 파악하였지만, 에너지 절감량의 정량적 산출까지는 이어지지 않았다. 한편, Kwak et al. (2011)은 시뮬레이션을 통해 기존 설계 냉각수 출구 온도인 32°C에서 1°C씩 변경하여 냉방기간인 6~9월까지의 냉방에너지 절감량을 정량적으로 분석하였다. 월별 각기 다른 냉각수 입구온도 제어를 통해 기존 설계 냉각수 입구온도 대비 1.4%의 에너지 절감량을 파악하였다. Lee et al. (2018)의 연구는 냉방기간의 26일간 실측데이터를 통하여 일반 및 알고리즘 운전별 에너지사용량과 운전비용의 특성을 검토하였다. 일반운전의 경우, 냉각수온도는 대부분 32°C에 분포되어 있으나 운전제어 알고리즘변경을 통해 유량제어 시 약 24~32°C의 저온 냉각수를 이용하였고, 기존 제어방법에 비해 냉각탑시스템 및 VRF 실외기의 전력사용량은 각각 24%, 5.9% 절감, 실외기 및 시스템 COP는 각각 7.3%, 12.7% 향상되어 운전비용이 11% 절감되는 효과를 확인하였다.
현재 대부분의 설비설계사무실에서는 냉각탑 방식을 사용하는 수랭식 냉동기 설계 시, 냉각수 출구온도 32°C로 고정하여 냉각탑 팬의 on/off제어를 하고 있으나 기존 연구와 같이, 운전제어 변경을 통해 냉각수 출구온도를 변경함으로써 냉방에너지 절감 및 에너지 효율향상을 파악할 수 있다. 하지만 이들의 연구는 냉방기간에 주안점을 두고 에너지 절감량을 분석하여, 중간기를 포함한 연간운전의 관점에서 열원기기의 효율향상 및 에너지절감에 관한 연구는 미비한 실정이다.
따라서 본 논문에서는 냉동기 교체가 아닌 냉각수 펌프 및 냉각탑 팬의 구성, 제어, 운용방법 변경만으로 펌프의 반송동력 절감 및 열원기기 효율을 향상시켜 냉열원 시스템 전체의 연간 에너지 사용량 변화를 검토하고자 한다.
연구의 범위 및 방법
본 연구의 목적은 냉각탑 시스템의 연간냉방에너지 절감량을 파악하기 위한 것이므로 국내의 특정 건물사양으로 계산 모델을 작성하는 것이 대표성을 지니지 못하다고 판단하여 ANSI/ASHRAE/IES Standard 90.1기반의 대형 업무용 건물 표준모델을 활용하였다. 이는 국내의 대형 업무용 건물 중 약 85%에 해당하는 규모로 연면적은 46,320 ㎡이다. 시뮬레이션 프로그램은 EnergyPlus v.8.0을 사용하였으며, 이를 통한 열원 및 장치용량 계산결과에 따라 건물 HVAC시스템의 사양을 선정하였다. 이후, 한국산업표준(KS, Korea Industrial Standards)에서 규정하고 있는 냉각탑의 표준설계온도 변경에 따른 냉방시스템의 운전성능을 시뮬레이션 해석을 통해 분석하였으며, 이를 통한 에너지 절감량을 파악하고자 하였다. 본 논문의 구성은 Figure 1과 같다.
연구대상건물 개요 및 설계요소
연구대상 건물 개요
대상 건물의 기상데이터는 서울 표준기상데이터를 적용하였으며(PHIKO, 2017), ASHRAE 90.1의 대형 사무실 Prototype을 이용하여 건물 규모와 조닝을 진행하였다. 지하 1층, 지상 12층, 기준층 연면적은 3,504 ㎡, 창면적비는 40%이며, Figure 2와 같이 내주부와 방위별 외주부, 그리고 1개의 서버실(IT closet)로 조닝되어 있다(ASHRAE Standard 90.1, 2013).
Table 1은 시뮬레이션에 적용된 대상건물의 개요, 외피의 단열성능 및 냉·난방 설정온도를 나타낸 것이다. 대상건물은 ASHRAE 90.1 대형 업무용 표준건물에서 제시하고 있는 열관류율 값을 이용하여 외벽 0.591 W/㎡·K, 지붕 0.180 W/㎡·K, 창 2.101 W/㎡·K, 문 2.371 W/㎡·K, 일사 열 취득계수(SHGC; Solar Heat Gain coefficient)는 0.397로 하였다.
Table 1. Simulation modeling outlines
또한, 환기량 및 최소외기도입량은 ASHRAE 62.1기준에 따라 각각 9 ㎥/h·person, 1.52 ㎥/h·㎡이며(ASHRAE Standard 62.1, 2007), 건물 운전시간은 일반 업무용건물의 근무시간을 반영한 09시부터 18시까지이다. 냉방 및 난방의 설정온도는 각각 26°C, 20°C, 냉방 및 난방의 Setback온도는 각각 30°C, 15°C, AHU 토출온도는 12.8°C로 설정하였다. 또한, 국내에서는 건축물의 냉방설비에 대한 설치 및 설계기준에 따라 업무용건물의 바닥면적 합계가 3,000 ㎡ 이상인 경우 주간 최대 냉방부하의 60%이상을 전기를 사용하지 않는 흡수식 냉동기를 채택하여야 하나(MOTIE, 2017), 대상건물은 ASHRAE 90.1기반의 대형 업무용 표준건물에 따라 터보냉동기로 구성하였다.
본 연구는 냉각탑 시스템의 효율증가 및 에너지절감이 목표이기 때문에 대상건물의 난방시스템은 제외하였다. 또한, 대형건물의 냉각탑 시스템에 일반적으로 적용되는 냉각탑, 냉각수 펌프, 냉각수 배관, 냉동기의 응축기로 구성하였으며, Table 2 및 Figure 3은 연구 대상건물의 냉각탑 시스템 사양 및 구성요소를 나타낸 것이다.
Table 2. Cooling system specifications
한편, 냉동기 및 냉각탑은 KS규격에서 명시되어 있는 표준설계온도(냉동기 입/출구온도: 12°C/7°C, 냉각탑 입/출구온도: 37°C/32°C, 입구공기 습구온도 27°C)를 적용하였다(KS B 6270, 2015; KS B 6364, 2014). 터보냉동기의 용량은 1,286 kW, COP는 6.28이며, 냉동기 2대 및 1차측 정유량 냉수순환펌프 2대로 냉동기 시스템을 구성하였다. 또한, 직교류식 냉각탑의 용량은 1,362 kW이며, 냉각수 설정온도 32°C로 고정하여 냉각탑 팬의 on/off제어를 실시하는 냉각탑 팬 1단 제어. 정유량 냉각수 순환펌프 2대로 시스템을 구성하였다.
시뮬레이션을 이용한 에너지 사용량 분석
냉각수 온도차에 따른 냉방 에너지사용량 분석
일반적으로 냉각탑은 외기 습구온도보다 최대 2~3K 높은 온도까지 물을 냉각시킬 수 있다. 냉각탑의 쿨링레인지(Cooling range)와 쿨링어프로치(Cooling approcah)의 개념은 Figure 4와 같으며, 냉각수 온도 조건 및 입구공기의 습구온도를 통해 냉각수의 유량 L (kg/h) 및 냉각탑의 팬 풍량 G (kg/h)이 결정된다(식 (1), (2)).
냉각탑의 입구온도와 출구온도의 온도차인 쿨링레인지는 열부하와 순환 유량으로 결정되며 냉각탑의 크기나 냉각능력과는 별개이다. 또한, 냉각탑의 출구온도와 입구공기 습구온도의 차이인 쿨링 어프로치는 냉각탑 능력의 함수이며, 열전달에 의한 온도는 냉각탑의 냉각능력과 유입공기의 습구공기를 통해 결정된다(ASHRAE Handbook, 2016).
Taylor (2011)의 연구에 따르면 냉각수의 온도차 즉, 쿨링레인지는 클수록 동일한 부하열량에 대하여 적은 유량을 필요하게 되어 운전비용 측면에서는 냉각수 펌프의 동력 및 냉각탑 팬 에너지를 절감할 수 있다. 또한, 초기투자 측면에서는 배관사이즈, 냉각수 펌프 및 냉각탑의 용량을 감소시킬 수 있기 때문에 ASHRAE Green Guide에서는 냉각수 온도차를 7~10K로 권장하고 있다(ASHRAE Green Guide, 2010).
다음의 Table 3은 연중 최대 냉방부하가 발생하는 8월 7~13일 냉방기간 및 중간기 기간 중 평균온도를 나타내는 5월 1~7일을 대표주간으로 선정하고 냉각탑 출구온도 32°C를 기준으로 온도차를 5K부터 1K씩 상승시켜 냉각탑 시스템의 구성 요소별 에너지 사용량을 확인한 것이다.
| $$L=\frac{q_c}{(t_w1-t_w2)}$$ | (1) |
| $$G=\frac{q_c}{(h_2-h_1)}$$ | (2) |
여기서,
Table 3. Energy consumption by cooling tower components [unit: kWh]
냉방기인 경우, 냉각수 온도차가 5K부터 10K까지 커질수록 냉동기의 에너지사용량은 5.1%가 증가하며, 냉각탑 팬 및 냉각수 펌프의 에너지사용량은 각각 33.4%, 50.0%가 감소된다. 한편, 중간기인 경우 냉동기의 에너지사용량은 7.3%가 증가되며 냉각탑 팬 및 냉각수 펌프의 에너지사용량은 각각 36.7%, 50.1%가 감소된다. 이를 통해 냉각탑 팬 및 냉각수 펌프의 반송동력 절감만이 냉각탑 시스템 전체의 에너지 절감을 나타내지는 않으며, 오히려 상대적으로 많은 에너지를 사용하는 냉동기의 에너지 사용량 증가로 인해 냉방시스템 전체의 에너지 사용량이 증가하는 것으로 나타났다.
냉각탑 시스템의 냉방기 및 중간기 대표주간 에너지 사용량을 합하여 나타낸 결과, 냉각탑 시스템의 에너지사용량이 최대일 때는 냉각수 온도차 5K일 때 25,976 kWh이며, 최소일 때는 냉각수 온도차 7 K일 때, 25,209 kWh로 3.0%의 차이가 나는 것으로 나타났다. 이 수치는 미미하게 보일 수 있지만, 이는 냉방기 및 중간기 1주일 동안의 시뮬레이션 결과이며 연간으로 확대하였을 경우 더 많은 에너지 및 운전비용을 절감할 수 있으며 초기투자 측면에서 배관사이즈, 냉각수 펌프사이즈를 줄일 수 있을 것으로 사료된다. 또한, 응축기의 열교환기 코일에서 처리할 수 있는 열량이 커지므로 냉동기의 효율을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.
따라서 이후의 연구에서는 냉방기 및 중간기 대표 주간 동안의 에너지절감이 큰 냉각수 온도차 7K를 기준으로 시스템을 구성하며, 추가적인 에너지 절감방안에 대해 검토하였다.
냉각수 설정온도 변경에 따른 에너지 사용량 분석
일반적으로 냉각탑 방식을 사용하는 수랭식 냉동기 설계 시, 냉각수 설정온도 32°C로 고정하여 냉각탑 팬의 on/off제어를 실시하는 냉각탑 팬 1단 제어, 정유량 냉각수 펌프로 시스템이 구성되어 있다. 냉각수는 외기 습구온도의 영향을 받으므로 냉방부하가 큰 여름철인 경우 대부분의 기간 동안 냉각탑 사양대로 32°C의 냉각수를 얻을 수 있지만, 중간기인 봄·가을인 경우 32°C보다 낮은 저온의 냉각수 제조가 가능해지게 된다(Takahashi, 2012b). 이러한 냉각수 설정온도 변경 시 Figure 5의 냉동사이클과 같이 저온 냉각수로 인해 냉매압력의 저하가 발생하게 되어 냉동기의 성능계수인 COP의 효율이 향상된다.
따라서 기존의 설계조건인 냉각수 설정온도 32°C보다 저온냉각수를 제조하기 위하여 부하에 대응하는 냉각탑 팬 2단 제어, 냉각수 펌프를 변유량으로 변경하여 시스템을 구성하였다. 대상건물이 위치한 서울인 경우, 냉방기간(6~9월)의 월 평균 외기습구온도는 11.2°C ~ 18.2°C이며, 중간기기간(3~5월, 10~11월)의 월 평균 외기습구온도는 2.3°C ~ 12.6°C이다. 이에 해당지역은 기존의 설계조건인 32°C보다 낮은 저온 냉각수 제조가 가능하므로 냉각탑의 냉각수 설정온도는 ASHRAE 90.1규정에 따라 23.9°C로 변경하여 냉방시스템의 운전성능을 시뮬레이션을 통해 결과 산출 및 분석하였다.
다음의 Table 4는 냉방기 대표주간인 8월 7일 ~8월 13일 기간 및 부분 부하율이 상대적으로 많은 중간기 대표주간인 5월 1~7일간의 냉각탑 시스템의 구성요소별 에너지사용량을 나타낸 것이다. 냉각탑 시스템의 에너지사용량은 냉각수 설정온도 32°C일 때, 냉방기 및 중간기 일 때 각각 17,246 kWh, 7,963 kWh로 나타났으며, 냉각수 설정온도를 23.9°C로 변경 시 냉방기 및 중간기는 각각 800 kWh, 1,362 kWh의 에너지 사용량이 절감되었다. 이는 기존설계방안 대비 4.6%, 17.1%의 에너지가 절감되는 것으로 나타났다. 또한, 냉동기의 COP는 냉동기의 생산열량을 전력사용으로 나눈 값으로 대상건물의 정격 COP는 6.28이며, 냉각수 설정온도 32°C 및 23.9°C일 때 냉방기인 경우, COP는 각각 5.5, 5.9으로 정격 값 대비 12%, 6%로 감소하였으며, 중간기인 경우, COP는 각각 3.3, 4.1으로 정격 값 대비 47%, 35%로 감소한 것으로 나타났다.
Table 4. Energy consumption by condenser water set temperature [unit: kWh]
냉각수 설정온도를 32°C에서 23.9°C로 변경하였을 경우, 냉방기간 동안에 냉동기의 에너지사용량은 저온냉각수의 영향으로 인해 7.2%가 절감되었으나 냉각탑 팬의 에너지사용량은 23.4%가 상승하였다. 이는 저온냉각수를 생산하기 위해 냉각탑 팬의 풍량 증대로 인한 것으로 판단되며, 이를 통해 생산된 저온냉각수의 영향으로 냉동기에서 생산되는 냉수가 적어져 냉동기의 에너지사용량이 절감된 것으로 판단된다.
또한, 냉각수는 외기 습구온도의 영향을 받으므로 중간기인 경우 냉방기에 비해 더 낮은 저온 냉각수 제조가 가능해져 냉방기의 5%에 비해 17%로 더 많은 냉방에너지가 절감되는 것으로 나타났으며, 특히 냉동기의 에너지 절감은 냉방기의 7.2%보다 절감 폭이 큰 19.2%로 나타났다.
연간 냉방에너지 사용량 분석
냉방시스템의 일반적인 설계기준을 적용하였을 때를 CaseⅠ으로 가정하고, 냉방에너지의 절감방안에 대해 검토하고자 CaseⅠ에 냉방시스템 중 냉각탑시스템의 설계기준을 순차적으로 하나씩 변경하는 방식으로 전체적인 검토 Case를 구성하였다. Table 5는 각각의 Case를 나타낸 것이며, 여기서 CaseⅢ은 일반적인 냉방시스템의 설계기준을 반영한 CaseⅠ에 CaseⅡ부터 CaseⅢ까지의 모든 설계기준 변경사항을 포함한 것이다.
Table 5. Case classification
먼저, CaseⅠ은 일반적인 수랭식냉방시스템 설계방식인 1차 측 정유량 냉수 펌프, 냉각탑 출구온도 32°C로 고정하여, 냉각탑 팬의 on/off제어를 실시하는 냉각탑 팬 1단 제어, 정유량 냉각수 펌프로 시스템이 구성되어 있으며, 냉각탑은 KS규격에서 명시되어 있는 표준설계온도(냉각탑 입/출구온도: 37°C/32°C)를 적용한 것이다. CaseⅡ는 냉각탑 시스템의 기존 설계 및 제어방안 변경을 통해 냉방시스템의 열원 및 펌프의 반송 동력 절감을 도모하기 위해 냉각탑 표준설계온도에서 냉각탑 출구온도 32°C, 온도차 7K로 변경하였으며, CaseⅢ은 냉각수는 외기 습구온도의 영향을 고려한 저온냉각수를 제조하기 위하여 부하에 대응하는 냉각탑 팬 2단 제어, 냉각수펌프를 변유량으로 변경하였으며, 냉각탑의 냉각수 설정온도를 ASHRAE 90.1규정에 따라 23.9°C로 선정하였다. Figure 6은 앞서 설명한 각 Case별 연간 냉방에너지 사용량을 나타낸 것이다.
일반적인 냉각탑시스템의 설계기준을 반영한 CaseⅠ에 비해, CaseⅡ는 27,084 kWh, 약 7.6%의 냉방에너지가 절감되는 것으로 나타났다. 이는 냉각수 펌프 48.4%, 냉각탑 팬 21.4% 순으로 절감되었으나 오히려 냉동기의 에너지사용량은 1.1% 증가되는 것으로 나타났다. 특히, 냉각수 펌프 및 냉각탑 팬의 에너지사용량이 크게 절감된 것은 동일한 부하처리 시 열량은 유량 및 온도차에 비례하기 때문에, 쿨링 레인지의 증가로 인해 유량이 줄어들어 냉각탑 팬의 처리 부하 및 펌프의 반송동력이 줄어들었기 때문인 것으로 판단된다.
Case Ⅲ은 CaseⅡ에 비해 32,335 kWh, 약 9.9%의 냉방에너지가 절감되는 것으로 나타났다. 이는 냉각수 펌프 14.9%, 냉동기12.0%가 절감되었으나 오히려 냉각탑 팬은 34.0%의 에너지사용량이 증가하는 것으로 나타났다. 이는 기존의 냉각수 온도인 32°C에 비해 23.9°C의 저온냉각수 생산으로 인해 냉각탑 풍량 증대 및 냉각수 유량 감소로 인한 것으로 판단된다.
일반적인 냉각탑시스템 설계기준을 준수한 CaseⅠ과 변경된 모든 설계기준을 반영한 Case Ⅲ을 비교하였을 경우 연간 에너지사용량은 59,419 kWh, 약 16.7%가 절감되었다. 또한, 냉방시스템의 구성요소는 저온냉각수로 인해, 냉각탑 팬의 에너지사용량은 5.3%가 증가하였으나 냉동기는 11.0%, 반송동력계인 냉각수 펌프는 56.0%가 절감되는 것으로 나타났다.
결 론
본 연구는 국내의 KS규격에서 명시하고 있는 냉각탑의 표준설계온도 변경을 통해 열원기기 효율향상 및 냉방에너지 절감량을 파악하고자 하였다. 이를 위해 EnergyPlus시뮬레이션을 통해 냉각탑 시스템의 표준설계온도 변경을 통해 절감되어지는 에너지사용량에 대해 정량적 분석을 실시하였다.
시뮬레이션 결과로, 기존의 냉각탑 설계조건에서 냉각수온도차 5K에서 7K로 변경하였을 경우, 연간 냉방에너지 사용량은 27,084 kWh, 약 7.6%가 절감되는 것으로 나타났으며, 추가적으로 기존의 냉각수 설정온도에서 ASHRAE 90.1 규정에 따라 23.9°C로 변경하였을 경우 연간 냉방에너지 사용량은 59,419 kWh, 약 16.7%까지 절감되었다.
이후 연구에서는 대형 사무실 건물의 냉수순환펌프의 구성 및 냉동기를 포함한 전체 냉방시스템을 통해 추가적인 냉방에너지 절감을 파악하고자 한다. 또한, 본 연구의 결과를 통해 대형 업무용 건물의 신축 및 그린리모델링에 적용 시 냉방시스템의 초기투자비용 및 운전비용을 절감할 수 있을 것이라 사료된다.
