서 론
시뮬레이션 개요
대상건물 시뮬레이션 모델
대상건물 흡수식 냉온수기 운전 현황 및 가스 사용량
결과 및 토의
시뮬레이션 모델 보정
흡수식 냉온수기 대수제어 에너지절감 효과 분석
결 론
서 론
가스 또는 온수를 사용하는 흡수식 냉온수기는 정부의 에너지이용합리화 정책으로 인하여 일정규모 이상의 공공건물의 냉, 난방 열원설비로 널리 사용되고 있으며 여름철 전력수급의 불균형을 완화에 기여하고 있다. 하지만 흡수식 냉온수기의 성적계수(COP, Coefficient of Performance)가 아직까지 1.3 이하의 수준에 머무르고 있으며(Nam, 2019) 실제 운전조건에 따라 에너지효율이 더욱 낮아질 가능성이 있다. 따라서 용량과 효율이 상이한 2대 이상의 흡수식 냉온수기가 설치된 건물의 냉, 난방 에너지를 효율적으로 관리하기 위해서는 모니터링을 통하여 열원시스템의 운전 현황을 파악하고, 건물의 부하에 따라 대수제어 방안을 마련하는 것이 필요하다(Kim and Song, 2017). 공공건물의 경우 최근 Building Energy Management System (BEMS)의 도입이 활발해 지고 있으나 냉, 난방 열원시스템의 효율적인 운영을 통한 실질적인 에너지 절감은 미흡한 실정이다(Ra et al., 2019). Jung et al. (2012)은 기존 업무시설을 대상으로 터보냉동기 및 흡수식 냉동기의 냉수 토출온도, 냉각탑의 용량제어 등의 운전 방법의 개선을 통하여 열원설비의 총 에너지사용량의 7.2%를 절감할 수 있는 것으로 예측하였다. 또한, Seo et al. (2016)은 사무소건물에 대한 시뮬레이션을 수행하여 중간기에는 냉동기를 부하에 따라 순차적으로 제어(i.e., Sequential control)하고, 냉방기에는 냉동기의 우선 순위와 상관없이 부하를 균등하게 분배하는 Uniform 제어를 적용하는 것이 에너지 효율적인 것으로 예측하였다.
하지만 기존의 연구는 대부분 보일러 또는 터보내동기의 용량을 대수 분할하거나 부하의 분배제어를 통하여 에너지 절감효과를 시뮬레이션을 통하여 예측하였으며 흡수식냉온수기의 대수제어에 대한 연구는 미흡한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 실제 공공건물에 설치된 용량과 효율이 다른 흡수식 냉온수기의 운전 현황을 모니터링하고, 이를 바탕으로 시뮬레이션 모델을 보정하여 흡수식 냉온수기의 대수제어를 통한 실질적인 에너지절감 효과를 분석하고자 한다.
시뮬레이션 개요
대상건물 시뮬레이션 모델
본 연구에서는 Figure 1과 같이 형태와 규모가 다른 3개의 건물로 구성되어 있는 공공기관의 사무소 건물을 대상으로 흡수식 냉온수기의 대수제어 방안에 대한 에너지절감 효과를 시뮬레이션을 통하여 분석하였다. 이와 관련하여 Figure 2는 대상건물 에 대한 eQUEST 3.65 시뮬레이션 모델을 보여주고 있으며, Table 1과 Table 2는 시뮬레이션 조건을 요약하여 나타내고 있다.
Table 1. Simulation conditions for the case-study buildings
Table 2. Simulation conditions for the case-study absorbtion chiller-heaters
대상건물 흡수식 냉온수기 운전 현황 및 가스 사용량
대상건물 냉난방 열원시스템은 Table 1과 Table 2와 같이 1990년도에 증설된 C동을 중앙 냉, 난방 열원 시스템으로 공급하게 되면서 설치 년도, 설치 용량, 운전 효율이 상이한 3대의 흡수식 냉온수기가 설치되어 있다. 본 연구에서는 대상건물에 설치된 흡수식 냉온수기의 대수제어를 통한 에너지절감 효과를 분석하기 위하여 Figure 3와 같이 기존의 자동제어 시스템과 연동하여 하절기 냉방기간(2016년 6월 17일 ~ 2016년 9월 16일) 동안 시간별 흡수식 냉온수기의 운전현황을 모니터링 하였으며, 별도의 가스미터를 흡수식 냉온수기 3대에 각각 설치하여 시간별 가스사용량을 분석하여 흡수식 냉온수기의 가동현황을 분석하였다. 결과적으로 대상건물은 Figure 4와 같이 7월에는 효율이 좋은 흡수식 냉온수기(COP 1.2) 240RT와 400RT 2대를 동시에 운전하고 있으며, Figure 5와 같이 외기온도가 높은 8월에는 효율이 낮은 450RT (COP 0.7)를 추가적으로 가동하여 3대를 병렬로 운전하고 있는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 대상건물의 흡수식냉온수기에 대한 하절기 실제 운전 현황을 바탕으로 시뮬레이션을 위한 Baseline 모델을 작성하고, 흡수식 냉온수기의 용량과 효율을 고려하여 대수제어 방안을 검토하고 에너지 절감방안을 고찰하였다.
결과 및 토의
시뮬레이션 모델 보정
본 연구에서는 먼저, 대상건물에 대한 시뮬레이션 모델을 보정하기 위하여 하절기 냉방기간 동안에 대상건물의 흡수식 냉온수기에 대한 실제 월별 모니터링 가스사용량과 시뮬레이션 결과를 비교하였다. ASHRAE Guideline 14에 의하면 월별 데이터의 경우, 실제 측정값과 시뮬레이션 결과와의 오차가 MBE (i.e., Normalized Mean Bias Error) 값은 5% 이내, CV (RMSE) (i.e., Coefficient of Variance of Root Mean Square Error)값은 15% 일 경우에 시뮬레이션 모델이 보정되었다고 정의하고 있다(ASHRAE, 2002). 대상건물에 대한 시뮬레이션 모델의 경우 Table 3과 같이 MBE = 6%, CV (RMSE) = 12% 의 오차를 나타남으로써 ASHRAE 14에서 제시하는 허용 오차의 범위에서 보정된 것으로 나타났으며, Figure 6은 실제 모니터링을 통한 월별 가스사용량과 시뮬레이션 결과를 그래픽적으로 비교하여 보여주고 있다. 또한, 본 연구에서는 대상건물에 적용한 흡수식 냉온수기에 대한 시뮬레이션 모델의 신뢰성을 검증하기 위하여 실제 흡수식 냉온수기의 모니터링 데이터를 바탕으로 냉방용량 대비 성적계수(COP, Coefficient of Performance)를 산출하고, 이를 시뮬레이션 결과와 비교하였다. 결과적으로 본 연구의 시뮬레이션을 위하여 적용한 흡수식 냉온수기 모델은 Figure 7과 같이 실제 운전조건 범위 내에서 대상건물의 흡수식 냉온수기를 유사하게 모사하고 있는 것으로 나타났다.
Table 3. Comparison of monthly gas consumption for the absorption chiller-heaters (measured vs. simulation)
흡수식 냉온수기 대수제어 에너지절감 효과 분석
본 연구에서는 대상건물의 흡수식 냉온수기에 대한 대수제어를 시뮬레이션하기 위하여 eQUEST 프로그램에서 제공하는 Equipment Controls (i.e., EQUIP–CTRL) 제어로직을 적용하였으며(Hirsch, 2013), Table 4와 같이 3개의 순차제어(Sequence controls) 로직을 바탕으로 냉온수기의 대수를 용량에 따라 병렬제어(Parallel or uniform control) 또는 비례제어(Prorate control) 할 수 있도록 6가지 제어 방안을 제안하였다.
대상건물의 경우 앞 절에서 기술한 바와 같이 7월에는 효율이 좋은 흡수식 냉온수기(COP 1.2) 240RT와 400RT 2대를 동시에 운전하고 있으며, 외기온도가 높은 8월에는 효율이 낮은 450RT (COP 0.7)를 추가적으로 가동하여 3대를 병렬로 운전하고 있는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 Table 4와 같이 대상건물의 실제 운전조건을 반영하여 흡수식 냉온수기의 대수 제어 방안을 2가지로 구분하고, 냉방부하에 따라 순차제어 하는 방법을 기본적인 제어모델 Case 0 (i.e., Baseline)로 설정하고, 이를 바탕으로 Case 1에서 Case 6 까지 6가지 대수 제어 방안에 대한 시뮬레이션을 수행하였다.
Table 4. comparisons of yearly gas usage and savings according to the operational sequence of the absorption chiller-heaters
Case 1의 경우 대상건물의 흡수식 냉온수기 3대(240RT-400RT-45RT)가 항상 병렬로 운전되도록 하였으며, Case 2의 경우에는 성적계수가 좋은 흡수식 냉온수기 2대(240RT- 400RT)만 병렬로 운전되도록 하였다. Case 3과 Case 4는 설정된 흡수식 냉온수기의 용량에 따라 순차적으로 제어하도록 하였으며, Case 3P와 Case 4P 역시, 설정된 용량에 따라 순차적으로 제어하지만 대상건물의 냉방부하에 따라 흡수식 냉온수기의 용량을 비례적으로 분배하는 Prorate Load 제어방법을 적용하였다.
결과적으로, 대상건물의 흡수식 냉온수기를 순차적으로 제어(240RT >400RT> 450RT) 하고, 냉방부하에 따라 용량을 비례적으로 분배하는 Case 4P를 적용할 경우, Table 4와 Figure 8과 같이 냉방기간 동안 흡수식 냉온수기의 가스 소비량을 Baseline (Case 0) 대비 약 17% 절감할 수 있는 것으로 나타났다. Case 3P의 경우에는 Case 4P와 제어 방법이 유사함에도 불구하고 상대적으로 효율이 낮은 450RT 가 순차제어의 2번째에 위치하고 있어서 오히려 가스소비량이 17% 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 순차제어 방안을 적용 시에는 흡수식 냉온수기의 효율을 우선 고려하여 순차제어의 순서를 결정하고, 부하에 따라 용량을 비례제어하는 것이 효율적인 것으로 나타났다.
본 연구에서 제시한 6가지 대수제어 방안별 대상건물의 냉방부하(용량) 대비 흡수식 냉온수기의 성적계수(COP)는 Figure 9와 같이 크게 2개의 그룹으로 나타났다. Case 1과 Case 2는 제어조건이 동일하지만 Case 1의 경우, 450RT (COP 0.7)를 동시에 가동하기 때문에 Case 2에 비해 운전효율이 전반적으로 낮게 나타나고 있다. Case 3 역시, 시퀀스 2번에서 성적계수가 낮은 450RT (COP 0.7)가 운전되어 Case 4에 비하여 운전효율이 현저히 낮아지는 경향이 나타났다. 한편 Case 3P의 경우, 순차제어 2번에서 효율이 낮은 450RT (COP 0.7)를 용량에 비례하여 재분배하는 Prorate Load 제어를 적용함으로써 Case 3보다 운전효율이 낮아지는 경향이 나타나고 있다. 반면에 Case 4P의 경우에는 Figure 10과 같이 순차제어 2번에서 효율이 좋은 400RT (COP 1.2)를 용량에 비례하여 재분배함으로써 Case 4보다 부분부하 운전효율이 향상되는 것으로 나타났다.
결 론
본 연구에서는 실제 공공건물에 설치된 용량과 효율이 다른 흡수식 냉온수기의 운전 현황을 모니터링하고, 이를 바탕으로 시뮬레이션 모델을 보정하여 흡수식 냉온수기에 대한 6가지 대수제어 방안을 제안하여 에너지절감 효과를 분석하였다.
결과적으로 대상건물의 경우 성적계수가 좋은 흡수식 냉온수기부터 순차적으로 가동하고 부하에 따라 용량을 비례적으로 분배하는 대수제어 방안이 가장 에너지 효율적인 것으로 나타났으며, 냉방기간 동안 최대 17%의 가스 소비량을 절감할 수 있는 것으로 나타났다. 따라서 흡수식 냉온수기의 대수제어를 통하여 시스템의 운전 효율을 개선하고 냉방에너지를 절감하기 위해서는 먼저, 성적계수를 고려하여 순차 제어 방안을 적용하고, 부하에 따라 장비의 용량을 비례적으로 분배하는 순차적, 용량 비례 부하 분배 제어 방안을 적용할 필요가 있다. 추후 연구에서는 흡수식 냉온수기의 예열시간 등을 고려하여 실제 자동제어에 적용하고, 하절기뿐만 아니라 동절기의 에너지 절감효과를 검증하고자 한다.
