Research Article

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. 30 April 2019. 116-129
https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20190010

ABSTRACT


MAIN

  • 서론

  • 시뮬레이션 개요

  •   오피스 건물 모델링

  •   실내 내부 발열 부하 조건

  •   기상데이터 입력 조건

  •   TABS 통합시스템 구성 및 운전 조건

  • 결과 및 토의

  •   오피스 건물의 냉방부하 평가

  •   통합시스템 적용에 따른 실내온열환경 평가

  •   통합시스템 구성에 따른 냉방에너지 소비량 평가

  • 결론

서론

구체축열시스템(Thermally Activated Building System, TABS)은 슬래브 구조체 내에 수배관을 매설하여 냉난방 운전과정에서 구조체의 축열성능을 활용하는 복사 냉난방시스템의 한 종류이다(ISO, 201221). TABS는 구조체의 축열로 인한 시간지연 특성을 고려하여 적절한 운전을 통해 최대 냉난방 부하(Peak Load)를 낮출 수 있으며, 냉방운전시 15∼21℃내외의 고온의 냉수를 공급함으로써 지열원 히프펌프 등 신재생에너지를 효과적으로 활용할 수 있다. 그러나 TABS는 실내의 현열부하만 제거할 수 있기 때문에 고온다습한 국내 하절기 기후 조건에서는 냉방운전시 방열면에서 결로를 방지하기 위해 전공기 방식의 VAV시스템이나 외기전담공조시스템(Dedicated Outdoor Air System, DOAS)과 같은 제습시스템의 운전이 필요하다. 열용량이 큰 TABS는 제어 운전시 반응속도가 느리기 때문에 단독으로 운전하기 보다는 공조시스템과 함께 통합적으로 구성하여 실내 잠열부하 및 갑작스러운 부하변동에 대응하도록 운전하고 있다(Lim et al., 201414). 특히 최근에는 쾌적한 실내환경 제어 및 공조에너지 저감을 위해 DOAS의 보급이 북미를 중심으로 크게 늘어나고 있다. DOAS는 실내에 100% 외기를 도입하여 건물의 환기와 습도제어에 유리하며 기존 공조시스템과 대비하여 냉난방 에너지 절감효과가 뛰어난 것으로 알려져 있다. DOAS는 외기의 도입 풍량이 기존 공조시스템과 비교하여 30~50%까지 감소되기 때문에 공조기의 규모와 팬의 용량을 축소시킬 수 있다는 이점이 있다. 또한 실내공기를 재순환 시키지 않고 100% 외기를 이용하여 환기를 실시하기 때문에 실내 공기질을 건강하게 유지하는 것이 가능하다(하대웅, 20087).기존 연구에 따르면 DOAS은 시스템 구성에 따라 에너지 특성이 다양하게 나타나며(윤동섭 외, 20159), 기존 대류식 냉난방시스템에 비하여 고온다습한 기후조건에서 19~24%가량 냉방에너지 소비량이 작게 나타났다(Inklab, 201512).

지금까지 국내에서는 주거건물을 대상으로 TABS 냉방운전시 에너지성능평가 연구(유미혜 외, 20121)와 학교 건물에서 TABS의 냉난방 실증 연구(송진희 외, 20128) 및 방열특성에 대한 해석 연구(이겨레 외, 20182) 등이 수행되어 왔다. 또한 오피스건물에서 TABS 하부의 천장 흡음 패널로 인한 냉방성능 특성(이윤선 외, 20183) 및 DOAS 적용에 따른 실내 온열환경특성에 대한 연구(이윤선 외, 20183)가 수행되어 왔다. 특히 구체축열을 위해 냉수가 24시간 순환되는 슬래브 구조체 표면에서는 DOAS나 VAV가 운전되지 않는 경우, 잠열부하의 제거가 불가능하여 여름철 결로문제가 발생할 수 있기 때문에 이를 해결하기 위해 구조체 방열 특성을 고려한 공급수온제어 및 운전 방안에 대한 연구가 수행되었다.(Chung and Lim, 201911) 그러나 오피스 건물에서 DOAS를 TABS와 통합 적용하기 위해서는 국내 기후조건에서 냉방 에너지 소비량 특성에 대한 연구가 선행되어야 한다. 그러므로 본 연구에서는 국내 기후조건에서 일반 오피스건물을 대상으로 TABS를 DOAS와 통합 적용하여 냉방운전하는 경우, 열원 및 팬, 펌프 등 구성요소별로 냉방에너지 소비량 특성을 평가하고자 한다. 본 연구에서는 선행연구(Yu et al., 201415)에서 TABS 적용가능성이 검증된 동적에너지시뮬레이션 프로그램(EnergyPlus v8.8)을 활용하여 오피스 건물을 대상으로 TABS 및 DOAS, VAV시스템의 통합시스템을 모델링하였다. EnergyPlus v8.8을 이용하여 TABS와 DOAS를 통합 적용한 오피스건물을 모델링하고, 이를 TABS와 기존 VAV시스템를 통합 적용한 대안과 비교하여 냉방에너지 소비량을 분석하였으며, 통합시스템 구성 요소별로 에너지 절감 개선 가능성을 분석하였다.

시뮬레이션 개요

오피스 건물 모델링

Table 1, Figure 1과 같이 평가대상 오피스건물은 지상층 평면이 45 m×30 m (W×D)인 6층 규모의 건물로서 정남향으로 배치되는 것으로 하였다. 지상층을 대상으로 하여 공조가 이뤄지며, 전체 공조바닥면적은 8,100 ㎡로 가정하였다. 지상의 모든 층의 층고는 3.5 m로 일정하게 모델링하였으며, 1층은 비공조공간인 지하1층과 인접하는 것으로 가정하였다. 최상층은 옥상층 슬래브가 외기에 직접 면하는 것으로 가정하였다. 지상의 각 층은 내주부(interior zone)와 외주부(exterior zone)로 구분하고 외벽에서 4.5 m까지의 면적을 외주부로 하여 가정하였으며, 외주부는 각 향별 냉방부하 특성을 고려하여 4개로 구분하여 조닝하였다. EnergyPlus 프로그램에서는 최상층, 기준층, 1층을 각각 1개의 내주부와 4개의 외주부로 구분하여 조닝하였으며, 지하층은 1개의 비공조공간으로 조닝하였다. 1층과 최상층을 제외한 기준층에는 동일한 부하특성 및 시스템 운전을 가정하여 층수만큼 곱하여(Multiplier) 전체 건물을 모델링하여 건물 단위의 에너지 해석에 적용하였다.

Table 1. Modeling conditions of office building

Category Conditions
Location Seoul
Orientation South oriented
Gross conditioned area, m2 8,100
Number of ground floor 6-story building
Total height of building, m 21
Ceiling height, m 3.5
Zone area of
typical floor
Interior zone, m2 756
Exterior zone North, South, m2 182.25
East, West, m2 114.75
Window to wall ratio 0.4

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Figure 1.

Zone dimensions of typical floor

Figure 2(a)와 같이 외기에 직접 면하는 벽체의 단열 조건은 국내 건축물 에너지절약 설계 기준(국토교통부, 201710)을 고려하여 열전도율이 0.034 W/m·K이하인 (가) 등급 단열재를 125 mm 두께로 적용하는 것으로 가정하였다. Figure 2(b)와 같이 TABS가 적용된 바닥 슬래브는 천장의 하부가 방열면(Active surface)이 되는 구조로서, 수배관이 방열면에서 100 mm 상부에서 25 mm 간격으로 270 mm 두께의 콘크리트에 매입되는 것으로 가정하였으며, 방열면에서의 하부 방열량을 고려하여 콘크리트 상부에 50 mm 단열재가 설치되는 것으로 가정하였다. 외기에 직접 면하는 창호는 국내 건축물 에너지절약 설계 기준(국토교통부, 201710)을 고려하여 열관류율 1.50 W/㎡·K 이하인 창호를 선정하였으며, 모델링에 반영한 창호의 성능은 Table 2와 같다.

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Figure 2.

Description of building structures

Table 2. Window conditions of office building

Category Values
U-value, W/m2․K 1.493
Solar heat gain coefficient 0.158
Solar transmittance 0.087
Visible transmittance 0.114

실내 내부 발열 부하 조건

실내 내부 발열부하는 지하층을 제외한 15개의 존에 Table 3과 같이 인체, 기기, 조명부하조건을 동일하게 반영하였다. Figure 3과 같이 주중 하루 동안의 내부발열은 일반적인 오피스건물의 재실시간을 고려하여 반영하였으며(NREL, 201119),주말에는 침기를 제외한 실내부하가 없는 것으로 가정하였다. 비공조공간인 지하층은 주차장 등으로 활용되는 것을 감안하여 일정량(6.766 kW)의 기기발열부하가 있는 것으로 가정하였다. 지상층에서 외기에 면한 존은 0.3 ACH의 침기가 발생하는 것으로 가정하였으며, 지하층에서는 0.15 ACH의 침기가 발생하는 것으로 가정하였다.

Table 3. Internal cooling load conditions of office building

Category Values
People (Occupancy density), person/m2 0.054
Equipment, W/m2 10.76
Lighting, W/m2 10.76

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Figure 3.

Internal cooling load schedules

기상데이터 입력 조건

본 연구에서는 EnergyPlus에서 제공하는 국내 서울지역 표준기상 데이터(WMO standard weather data)을 활용하여 시뮬레이션을 진행하였다. Figure 4와 같이 냉방기간(6월부터 8월)동안 서울지역 표준기상데이터를 분석하면, 여름철 우리나라의 외기온은 지속적으로 상승하여 최고 기온이 35℃내외까지 올라가지만, 외기습도는 6월 중순까지 0.011 kg/kg내외로 다소 낮은 상태를 유지된 뒤, 태풍이나 장마 등의 영향으로 급격하게 상승하면서 여름철 지속적으로 고온다습한 기후 특성을 보이고 있음을 알 수 있다. 6월이 7, 8월보다 전반적으로 온도와 습도 모두 낮은 분포를 보이고 있으며 7월에는 기온 및 습도 모두 높아 상대적으로 좁은 범위에서 두드러진 기후 특성을 보인다. 8월에는 다소 태풍, 장마 등으로 인하여 포화선도에 가장 가까이 위치한 것을 통해 강우특성이 두드러짐을 알 수 있다. 전반적으로 서울의 일반적인 하절기 기후 특성은 기온과 습도가 높은 고온다습한 조건임을 알 수 있다. 여름철 표준기상데이터 가운데서 최대외기온이 나타나는 기간에는 Figure 5와 같이 고온다습한 특성이 두드러지며 일교차가 10℃ 이내, 최고 외기온이 35℃ 내외로 상승하는 패턴이 나타난다. 일별 외기특성을 살펴보면, 하루 중 외기온도는 26.1~34.4℃내외로 변화하며 절대습도는 0.017 kg/kg 내외로 유지되고, 노점온도는 22.1~24.1℃내외로 변화하는 것을 알 수 있다.

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Figure 4.

Standard weather data for cooling operation in Seoul (June ~ August)

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Figure 5.

Diurnal fluctuation of weather data in hot and humid day

TABS 통합시스템 구성 및 운전 조건

TABS를 오피스건물에 적용하기 위해서는 쾌적한 실내온열환경을 유지하고 냉방 운전시 방열면에서 표면 결로 문제를 해결하기 위하여 적절한 설계 및 제어, 운전기술이 필요하다(Babiak et al., 200717). 일반적으로 TABS가 적용된 건물에서는 방열면 표면 결로 발생을 방지하기 위해 실내노점온도 이하의 냉수를 일정한 온도로 24시간 연속적으로 냉방운전이 이뤄지고 있다. 이를 통해 방열면에서 표면결로 발생 위험이 없이 TABS를 효과적으로 운전할 수 있으며, 15~21℃ 내외로 고온의 냉수를 이용하여 TABS 냉방운전이 가능하다. 그러나 국내 여름철 기후와 같이 고온다습한 외기 조건에서는 실내 잠열부하는 물론, 침기나 환기로 인해 실내 노점온도가 높게 유지됨으로써 TABS 방열면에서 냉방능력에 제약을 받게 된다. 그러므로 본 연구에서는 Figure 6과 같이 TABS를 DOAS 및 VAV시스템을 통합 적용함으로써 실내 현열 및 잠열 부하를 동시에 제거함으로써 쾌적한 실내환경을 유지하면서 TABS의 방열량을 크게 유지하고자 하였다. TABS를 이용하여 현열부하를 최대한 제거하고, DOAS 및 VAV시스템을 이용하여 실내 현열부하 및 잠열부하, 환기부하를 제거할 수 있도록 계획하였다. 이를 위해 TABS는 모든 존에서 21℃의 냉수가 일정한 유량으로 24시간 연속운전되도록 하였으며, 방열면 표면에서 결로를 방지하기 위해서 표면온도가 실내 노점온도보다 낮아 결로위험이 있는 경우, 냉수공급을 중지하는 방안을 적용하였다. Figure 6(a)와 같이 TABS에 DOAS를 통합 적용하는 경우에는 각 존별로 전열교환기 및 냉각코일 등으로 구성된 DOAS 유닛을 설치함으로써 환기부하를 담당하고 존별 부하 특성에 따라 급기온도 제어가 이뤄지도록 하였다. DOAS 유닛은 회전형 전열교환기(Enthalpy wheel, EW)나 냉각 코일(Cooling coil), 급기팬(Supply air fan)과 배기팬(Return air fan), 회전형 현열교환기(Sensible wheel, SW), 제습기(Dehumidifier), 재생코일(Regeneration heating coil), 재생 팬(Regeneration fan) 등다양한 컴포넌트에 따라 여러 가지 유형으로 구성될 수 있다. DOAS 유닛은 각 존별로 급기온도를 기준으로 제어되는 시스템이기 때문에 실내온열환경을 적절하게 유지하기 위해서는 각 존의 부하특성에 맞는 설계 및 운전이 필요하다. 가장 일반적인 DOAS 유닛은 Figure 7(a)와 같이 회전형 전열교환기와 냉방코일, 급기팬, 배기팬으로 구성되어 있다. Figure 7(b)와 같이 냉방코일 후단에 회전형 현열교환기를 추가 설치하여 설정온도(10~15℃)범위 내로 열교환을 수행하여 냉방코일의 부하를 절감할 수도 있다. 또한 Figure 7(c)와 같이 냉방코일 후단에 고체형 제습기를 추가 설치하여 급기되는 공기의 습도를 제어할 수도 있다. 각 존별로 설치된 DOAS 유닛을 통해 존별로 필요한 환기량에 따라 적정 범위 내로 냉각 및 제습된 외기가 도입된다. 본 연구에서 오피스 건물에서의 외기 도입량은 ASHRAE 표준에 따라 단위면적당 0.3 L/s로 가정하였다(ASHRAE, 201620). 회전형 전열교환기에서 예냉 및 제습과정을 거친 후, 냉각코일을 통한 냉각/제습을 하고, 추가적으로 현열교환기에서 열교환하거나 제습기에서 제습함으로써 10~15℃ 내외 적정 온도 범위로 조절하여 실내로 공급하였다(정재원 외, 20096). DOAS 유닛은 주중에는 9시부터 20시까지 운전하며, 주말 및 공휴일에는 운전하지 않는 것으로 가정하였다.

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Figure 6.

Schematic diagrams for TABS integrated with DOAS and VAV system

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Figure 7.

Schematic diagrams for various DOAS units

Figure 6(b)와 같이 TABS에 VAV시스템을 통합적용하는 경우에는 건물 전층의 공조를 위해 냉각 코일(Cooling coil), 급기팬(Supply air fan)과 배기팬(Return air fan)으로 구성된 공조기를 설치하고, 각 존별로 풍량조절을 위한 VAV 터미널유닛(VAV air terminal)을 설치하였다. 각 존별로 설치된 VAV터미널유닛에서 실내 설정온도(26℃)를 기준으로 실온변화에 따라 변풍량 방식으로 급기되는 풍량을 제어한다. 각 존별 VAV터미널유닛에서 설계 풍량은 설계 냉방부하를 고려하여 산정하고, 공조기에서 급기팬의 최대 풍속은 각 존별 VAV터미널유닛의 풍량을 합산하여 산출하였다. 공조기에서 외기 도입량은 ASHRAE 표준에 따라 단위면적당 0.3 L/s로 가정하였으며(ASHRAE, 201620), 최소 환기량이 실내에서 순환된 공기와 일부 혼합되어 냉각코일로 공급하였다. VAV시스템은 주중에는 9시부터 20시까지 운전하며 주말 및 공휴일에는 운전하지 않는 것으로 가정하였다.

본 연구에서는 전기식 냉동기 1대로 건물 전체의 냉방부하를 담당하는 것으로 가정하였다. EnergyPlus에서는 냉동기에서 생산하는 냉수를 TABS와 DOAS 유닛의 냉각코일, VAV 시스템에서의 공조기 냉각코일에 연결하여 직접 공급되는 것으로 모델링하였다. Figure 8과 같이 냉열원시스템은 전기식 냉동기와 수냉식 냉각탑, 냉수 순환펌프, 냉각수 순환펌프로 구성하였다. 냉동기의 설계 출수온도 및 냉수반환온도는 국내 냉동기 설계 현황을 반영하여 각각 7℃, 12℃로 설정하였다. 순환 펌프는 모두 변유량 방식의 펌프로 모델링하였으며 존별 냉방설계용량에 따라서 최대유량 및 최소유량을 설정하였다. 그리고 건물의 냉방부하 요구량에 따라서 유량을 조절하도록 하였으며, 냉방부하 요구량이 없을 경우에는 순환펌프의 작동이 중지되는 것으로 하였다. 냉각탑은 정속 방식으로 전기식 냉동기와 연결된 것으로 가정하였으며 냉각탑의 설계 출수온도 및 냉수반환온도는 국내 냉각탑 설계 현황을 반영하여 각각 30℃, 36℃로 설정하였다. 냉각탑의 열교환성능은 Merkel (192518)의 증발냉각이론을 기반으로 하며 대향류형 열교환방식에 대한 ℇ-NTU 방법에 따라 산출된다. 냉각탑은 냉각팬의 운전 사이클과 냉각수의 바이패스 운전을 통해 제어되며, 냉동기의 냉방부하에 따라 냉각수의 일부가 우회하여 순환함으로써 냉각탑 설계 출수온도를 맞추게 된다.

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Figure 8.

Schematic diagrams for cooling source

결과 및 토의

오피스 건물의 냉방부하 평가

TABS는 냉방운전시 방열면에서의 결로 문제 및 재실자 쾌적을 고려하여 설계 방열량이 제한적이다. 그러므로 TABS를 적용하기 위해서는 대상건물의 냉방부하 특성을 파악하는 것이 선행되어야 한다. 본 연구에서는 서울 지역 여름철 외기조건에서 오피스건물의 TABS 통합시스템을 적용하기 위해 EnergyPlus의 Ideal Cooling Load 계산과정을 통해 최대 냉방부하를 산출하였다. 오피스건물에서 냉방운전을 고려하여 설계 실내온도는 26℃, 설계 실내 상대습도는 60%로 가정하였으며, 설계 외기조건은 서울시 표준기상데이터를 고려하여 외기온도가 가장 높아 최대 냉방부하가 있는 일을 기준(Figure 5 참고)으로 산정하였다. 대상 오피스건물에서 기준층을 대상으로 단위면적당 냉방부하 및 현열비에 대한 값을 분석하면 Table 4와 같다. 대상 오피스건물에서 기준층 전체의 평균 냉방부하는 137 W/㎡, 현열비는 0.76으로 나타났다. 오피스건물의 내주부는 일사의 영향이 없기 때문에 외주부와 비교하여 냉방부하의 크기가 23~38% 더 작게 나타났다. 특히 동향에서는 냉방부하가 188 W/㎡로 가장 크게 나타났으며, 남향 및 북향이 152 W/㎡로 다소 작게 나타났다. 이는 태양의 고도에 따라서 실내로 유입되는 태양복사에너지의 크기가 달라지기 때문이며, 오피스건물에서 창호 및 차양장치의 적용 여부에 따라서 향별 냉방부하는 다소 차이가 있을 것으로 판단된다.

Table 4. Internal cooling load conditions of office building

Zones Cooling load (Solar heat gain), W/m2 Sensible heat ratio
Interior zone 118 (0) 0.71
Exterior zone East 188 (74.5) 0.79
West 168 (68.5) 0.87
South 152 (52.5) 0.86
North 152 (42.2) 0.78
Total 137 0.76

통합시스템 적용에 따른 실내온열환경 평가

TABS를 국내 오피스건물에 적용하기 위해서는 여름철 고온다습한 외기조건에서 냉방운전시 방열면에서의 표면 결로 문제 및 전반적인 실내 온열환경에 대한 평가가 필요하다. 이를 위해 본 연구에서는 TABS와 DOAS, VAV 시스템을 통합 적용한 건물 모델을 대상으로 여름철 고온다습한 외기조건(Figure 5)에서 각각 EnergyPlus 시뮬레이션을 수행하고, 실내 노점온도 및 TABS 방열면 표면온도를 산출하여 표면결로 발생여부를 분석하였다. 그리고 실내 온열환경 평가 지표로써 실내 작용온도(Operative temperature, OT), PMV를 산출하여 냉방운전시 전반적인 실내 온열환경을 평가하였다.

Figure 9(a)와 같이 TABS와 DOAS를 통합 적용한 경우에는 방열면 표면온도가 25℃ 내외로 안정적으로 유지되었으며, 실내 노점온도가 22~25℃내외로 유지되었다. 특히 오후 5시 이후에는 DOAS 운전에도 불구하고 외기 습도가 증가하면서 실내 노점온도도 크게 상승하는 것을 알 수 있다. Figure 9(b)와 같이 TABS와 VAV 시스템을 통합 적용한 경우에는 방열면 표면온도는 25℃ 내외로 안정적으로 유지되면서도 실내 노점온도가 VAV 시스템 작동과 함께 2시간 이내 14℃내외로 급격하게 낮아지면서 냉방시간동안 일정하게 지속되었다. 이는 각 존별 DOAS 유닛이 외기부하만을 전담하여 냉각, 제습하여 실내로 10~15℃내외의 공기를 공급함으로써, 외기 조건에 따라 DOAS 유닛의 냉방성능에 영향을 미친 것으로 판단된다. 또한 DOAS 유닛에서의 취출온도가 최소 10℃까지도 낮아짐으로써 오피스건물에서 층고나 실내 잠열부하 특성, 재실자의 쾌적성을 고려할 때 디퓨져 선정 및 설계 운전 조건에 대한 검토가 추후 필요할 것으로 판단된다. 반면, VAV시스템은 외기도입량과 실내 내부부하에 조건에 따라서 전체 건물에 급기되는 공기온도를 15~18℃ 내외로 낮게 유지하면서 VAV 터미널 유닛을 이용하여 실내 설정온도를 26℃ 내외로 제어하고 있기 때문에 실내의 현열부하 및 잠열부하를 지속적으로 더 많이 제거하고 있음을 알 수 있다. TABS에 21℃의 냉수를 24시간 연속적으로 공급함에 따라 방열면의 표면온도가 25℃내외로 유지되었으며, DOAS나 VAV 시스템을 통합적용하는 경우에는 실내 노점온도가 25℃ 이내로 유지되면서 냉방운전기간동안 표면 결로가 발생하지 않는 것으로 판단된다. 그러나 DOAS나 VAV시스템의 설계 및 운전 방식이 서로 상이하기 때문에 실내 잠열부하를 제거하는 특성이 다르게 나타남으로써 결로 위험 특성을 다르게 나타났다.

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Figure 9.

Comparison of room thermal environment

TABS와 DOAS 통합 적용한 경우 냉방시간동안 작용온도는 25~27℃의 분포를 보이고 있으며 PMV는 0.5~1 내외로 유지되었다. 반면, TABS와 VAV 시스템을 통합 적용한 경우 냉방시간동안 실내온도가 26℃, 작용온도가 25℃ 내외로 일정하게 유지됨을 알 수 있으며, PMV는 0 내외로 유지되었다. 이는 EnergyPlus 모델링 과정에서 VAV시스템을 설정온도(26℃)를 기준으로 실온제어를 수행한 반면, DOAS 유닛은 급기온도만을 제어함으로써 실내온도가 다소 높게 유지되었기 때문으로 판단된다. 일반적인 쾌적성 측면에서는 VAV 통합시스템을 적용하는 경우, 공조기에서의 취출 공기의 온도를 낮게 설정하고 실내 부하 변동에 따라 풍량을 제어함으로써 더 유리하게 나타났다. 그러나 DOAS나 VAV 시스템을 TABS와 통합 운전하는 경우, 전반적으로 재실기간동안 작용온도 및 PMV 분포를 살펴보았을 때 실내온열환경이 적정 쾌적 범위로 지속되는 특성을 보이고 있음을 알 수 있다. TABS를 DOAS와 통합 적용함에 있어서는 급기온도를 낮게 설정함으로써 도입외기의 잠열부하 제거량을 증가시킴으로써 실내 노점온도를 낮추는 것이 필요할 것이다. 또한 회전형 제습장치와 같이 건식 제습 방법을 통합 적용함으로써 습도를 적극적으로 제어할 수 있을 것으로 판다된다. 이를 통해 냉각코일에 의한 제습에 비해 상대적으로 에너지소비를 줄이면서도 습도를 저감함으로써 재실자의 쾌적도를 높이고, TABS 방열면에서의 결로발생 위험을 줄여나갈 수 있을 것이다. 이 경우 온도와 습도를 독립적으로 제어 운전하는 방안도 함께 고려함으로써 부분부하가 발생하는 재실 환경 조건에서 보다 적극적으로 실내 습도제어가 가능할 것이다. 반면, TABS를 VAV시스템과 통합 적용함에 있어서는 실내 설정온도를 27℃로 다소 높게 유지함으로써 작용온도를 쾌적 범위로 유지하면서도 냉방에너지 소비량을 저감시킬 수 있을 것이다.

통합시스템 구성에 따른 냉방에너지 소비량 평가

본 연구에서는 TABS와 DOAS 통합시스템에서 냉방에너지 소비량 특성을 TABS와 VAV통합시스템의 냉방에너지 소비량과 비교 분석하였다. 이를 위해 EnergyPlus 프로그램을 이용하여 전기식 냉동기를 열원으로 한 오피스건물에서 공조시스템을 구성하였으며, 서울지역을 기준으로 냉방기간(6~9월)동안 열원 및 반송설비에서의 에너지 소비량을 비교 분석하였다. Figure 10(a)와 같이 TABS를 DOAS와 통합 적용하는 경우, VAV와 통합 적용하는 시스템에 대비하여 전체 냉방에너지 소비량이 24%가량 더 작게 나타났다. 이는 DOAS를 통합적용하는 경우, DOAS에서 외기부하를 위주로 냉방부하를 제거하고 TABS가 기저가 되는 현열부하를 담당함으로써 전기식 냉동기에서의 에너지 소비량을 VAV 통합 시스템에 비해 50%가량 절감할 수 있기 때문이다. VAV 통합시스템의 경우 환기를 위한 외기와 실내에서 재순환되는 공기에서의 냉방부하를 동시에 담당하게 됨으로써 외기도 취출온도와 동일하게 낮은 온도로 냉각됨으로써 열원에서의 에너지소비량이 다소 높게 나타났다. TABS에 DOAS를 통합 적용하는 경우, 환기를 위한 도입외기를 분리하여 외기에 대한 취출온도를 높게 유지함으로써 냉동기(열원)에서 소비되는 전기에너지를 저감할 수 있게 된다. 또한 존별로 DOAS 유닛을 적용하여 최소 환기량만을 급기함으로써 팬에서 에너지소비량도 VAV시스템에 비해 27%가량 더 작게 나타났다. 각 존별로 DOAS 유닛을 적용하는 경우 전체적인 냉수 설계 유량이 증가하면서 펌프에서의 반송동력이 28%가량 증가하고, 회전형 전열교환기에서의 에너지소비량이 추가 발생하지만, 전체 냉방에너지 소비량의 6% 이내로서 큰 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다. TABS와 DOAS의 통합시스템에서는 재실시간동안에 기저가 되는 현열 부하를 제거함에 있어서 TABS를 24시간 연속적으로 냉방운전하는데, 이로 인해 야간에 냉동기와 펌프 등을 작동함으로써 전체 에너지 소비량의 약 36%를 야간에 소비하게 된다. 오피스 건물에서 TABS를 냉방운전함에 있어서 야간시간대(23시~9시)의 심야전기를 활용하여 냉동기를 구동함으로써 냉방비용을 절감할 수 있을 것이다. Figure 10(b)와 같이 월별로 전체 냉방에너지 소비량 비교하면, 외기 온습도 조건에 따라 냉방부하 크기가 다소 차이가 발생함을 알 수 있다. 서울지역 여름철 월별 외기조건을 감안해보면(Figure 4 참고), 6월과 비교하여 7월과 8월의 외기 온습도가 상대적으로 높게 유지되기 때문에 전반적인 냉방에너지 소비량이 증가하였다.

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Figure 10.

Comparative analysis of cooling energy consumption

결론

본 연구에서는 EnergyPlus 프로그램을 활용하여 오피스 건물에 TABS와 DOAS 통합시스템과 TABS와 VAV 통합시스템 적용에 따른 실내 온열환경 및 냉방에너지 소비 특성을 분석하였다. 실내 온열환경 측면에서는 DOAS나 VAV시스템의 설계 및 운전 방식이 서로 상이하기 때문에, 실내 잠열부하를 제거하는 특성이 다르게 나타나서 실온 및 실내 노점온도 변화가 다르게 나타났다. TABS에 DOAS나 VAV 시스템을 통합적용하는 경우, TABS 배관에 21℃의 냉수를 24시간 연속적으로 공급함으로써 방열면의 표면온도를 25℃내외로 유지할 수 있었고, 실내 노점온도가 25℃ 이내로 유지되면서 냉방운전기간동안 표면 결로가 발생하지 않았다. 시뮬레이션 과정에서 VAV시스템은 설정온도(26℃)를 기준으로 실온제어를 수행한 반면, DOAS 유닛은 급기온도만을 제어함으로써 실내온도가 다소 높게 유지되었다. 그러나 전반적으로 재실기간동안 작용온도 및 PMV 분포를 살펴보았을 때 실내온열환경이 적정 쾌적 범위로 지속됨을 알 수 있었다. 냉방에너지 소비 측면에서는 TABS를 DOAS와 통합 적용하는 경우, VAV와 통합 적용하는 시스템에 대비하여 전체 냉방에너지 소비량이 24%가량 더 작게 나타났다. 이는 DOAS를 통합 적용하는 경우, DOAS에서 외기부하를 위주로 냉방부하를 제거하고 TABS가 기저가 되는 현열부하를 담당함으로써 전기식 냉동기에서의 에너지 소비량을 VAV 통합 시스템에 비해 50%가량 절감할 수 있기 때문으로 판단된다. TABS와 DOAS의 통합시스템에서 TABS를 야간에도 운전함으로써 전체 에너지 소비량의 약 36%를 야간에 소비하게 되는데 심야전기를 활용함으로써 냉방비용절감을 기대할 수 있을 것이다. 본 연구에서의 냉방에너지 절감 특성 및 효과를 바탕으로 향후 연구에서는 TABS와 DOAS 통합시스템의 최적 설계 및 운전 방안에 대한 지속적인 연구가 필요하다.

Acknowledgements

본 논문은 2015년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행한 기초 연구사업임(No. 2015R1A2A2A01004280).

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