서 론
연구의 배경
연구의 목적
연구의 방법
선행연구
대상 건물 및 주요설비 개요
건물 및 열원설비 현황
건물의 특징 및 냉난방 부하 현황
냉열원 시스템 개선 개요
터보냉동기 중심의 복합 열원 냉동시스템 구축
측정 방법 및 검증방법
BEMS 구축
측정 방법 및 운영조건
에너지 절감 성과 결과 및 분석
가스 냉방 에너지 사용 현황 및 베이스라인
외기온도 변화
터보냉동기 전력 사용량 측정 및 분석
에너지 절감성과 검증 및 경제성 분석
결 론
서 론
연구의 배경
2018년 7월 우리나라는 미세먼지 관리강화와 에너지 전환 정책과 국가 온실가스 감축목표 이행력을 높이기 위해 ‘2030 국가 온실가스 감축목표 달성을 위한 기본로드맵 수정안’과 ‘제2차 계획기간 국가배출권 할당계획 2단계 계획’을 확정했다. BAU(Business As Usual, 온실가스 배출 전망치) 대비 37% 감축목표 중 국내 감축량을 25.7%에서 32.5%로 상향 조정하였으며, 에너지 수요관리 강화, 에너지 효율화 추진, 저탄소 산업 육성 등을 통해 온실가스 감축량을 이전 로드맵보다 약 5,800만 톤을 더 줄여 약 2억 7,700만 톤을 줄이는 것(기존: BAU 대비 25.7% → 수정: BAU 대비 32.5% 감축)으로 보완하였다. 건물 부문에서는 신축 건축물 에너지기준 강화, 기존 건축물 그린 리모델링 활성화 등을 통해 약 6,500만 톤의 감축목표를 설정하였다. 국내 건물 에너지 사용량은 전체 에너지 사용량의 17%를 차지하고 있으며, 특히 서울은 건물 에너지 사용량이 서울시 에너지 사용량의 54%를 차지하고 있다.1) 2)
1) Korea Energy Agency, 2017, Korea Energy Handbook, p. 25.
2) Korea Climate & Environment Headquarters, 2015, Energy White Paper of Seoul, p. 44.
IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change)에 따르면 건물부문 온실가스 배출량은 전체 배출량의 약 19%로 산업분야 31%와 더불어 매우 높은 비중을 차지하고 있어건물부문의 온실가스 감축 노력이 중요하다고 할 수 있다. 이에 한국 등 아시아 지역은 2050년까지 2010년 대비 온실가스 배출량을 30~50%까지 감축할 것을 권고하였고, 건물부문에서 에너지기준 향상, 냉난방 에너지절감 등의 정책 시행을 제시하였다. 건축물이 고층화, 대형화됨에 따라 건물의 효율적 냉방운전을 위해, 수축열 히트펌프, 무급유 인버터 터보냉동기, 고효율 인버터 스크류 냉동기 등 에너지 효율이 높은 냉동 시스템이 개발되고 있다. 1990년 전후로 준공된 건축물은 열원 설비의 노후화로 인해 에너지효율화 측면에서 개선과 리모델링을 추진할 경우 에너지 절약적인 설비와 BEMS 도입에 대한 검토가 필요하다.
연구의 목적
본 연구는 캠퍼스내 건물의 노후화된 중앙냉방시스템을 해당 건물의 유형, 설비 계통, 냉동기 특성을 고려하여 복합 열원 냉동시스템으로 개선하는 것이 효과적임을 확인하고, BEMS를 활용하여 에너지 사용량 변화의 성과 검증 및 비용 측면의 경제성 검토를 하기 위한 목적으로 진행하였다.
연구의 방법
본 연구는 서울 광진구에 위치한 J대학교 본관 건물을 대상으로 2016년 에너지 진단을 통해 흡수식 냉온수기 중심의 냉열원 시스템을 흡수식 냉온수기와 무급유 인버터형 터보냉동기로 구성되는 복합 열원 냉동시스템으로 개선 제안하였다. 예상 에너지 절감 성과를 도출하기 위해 흡수식 냉온수기의 2014년과 2015년 가스 사용량 데이터를 기반으로 베이스라인을 수립하였다. 2017년에 복합 열원 시스템과 BEMS를 구축하였고, 2018년 1년 동안 BEMS를 통한 냉열원 시스템에 대한 최적운전 수행과 운전 데이터 수집 및 성과를 분석하였다. 연구 방법은 Figure 1과 같다.
선행연구
냉열원 시스템에 대한 에너지 절감과 효율적인 운전에 관련된 연구들이 활발하게 수행되었다. 우성민 외(2018)는 고효율 2중 효용 가스 직화식 흡수식 냉동기의 성적계수(COP)는 1.3 내외로 이미 한계치에 도달하였으며, 3중 효용 가스 직화식 흡수식 냉동기의 성적계수(COP)는 1.6 이상을 기대할 수 있다고 제시하고 있다. 정석권 외(2015)는 터보냉동기가 긴 수명, 유지보수 편의성, 성적계수(COP)가 5이상의 높은 효율로 대형 건물의 널리 사용되고 있으며 터보냉동기의 부분부하 시 성적계수(COP)가 중요하며 이를 높일 수 있는 방안을 시뮬레이션을 통해 제시하고 있다. Lissandrin et al. (2017)는 무급유 가변속 원심식 압축기를 사용하는 냉동기는 에너지 소비와 환경 배출의 높은 절감이 가능하며 냉방 부분부하에 압축기의 가변 주파수 구동으로 최고 효율을 낸다고 한다.
황진원 외(2013)는 건물의 에너지 절약방법 중 액티브 요소는 설비의 기기 및 시스템 효율 개선, 제어방법 및 재생에너지 이용 등의 설비적 접근방법을 제시하고, 특히 높은 에너지 절감을 실현시킬 수 있는 방법은 시스템의 효율을 극대화할 수 있도록 하는 건물 에너지 운영 관리 및 최적화된 제어 기술의 도입을 언급하고 있다. Ooka et al. (2009) 및 유민경 외(2016)는 건물 성능을 좌우하는 열원 시스템의 설계 단계에서 대상 건물의 특성에 맞는 열원 선택 및 설비 시스템의 용량과 대수 분할, 기기 효율, 에너지 효율적 제어 방식 채택 등 과도한 설계 변수들과 제약 들을 포함하고 있어 최적화에 어려움을 겪고 있으며 터보냉동기와 히트펌프, 가스보일러와 히트펌프를 고려한 최적 설계 방법을 동적 시뮬레이션을 통해 제시하고 있다. 송재엽 외(2018)는 건물의 복합 열원으로 구성된 중앙냉방시스템에 대하여 냉방부하와 시스템에 소모되는 에너지 요금의 변화에 따라 흡수식 냉온수기와 빙축열 시스템을 조합한 최적의 운전방안을 통해 에너지 요금 절감 효과를 분석하였다. 한도영 외(2004)는 흡수식 냉동기와 압축식 냉동기를 병행하여 사용하는 복합 열원시스템을 대상으로 냉수 출구온도 제어와 냉각수 입구온도 제어 등 효과적인 운용에 대한 동적시뮬레이션을 통해 에너지 절감효과를 분석하였다.
선행연구는 동적 시뮬레이션을 통해 흡수식 냉온수기와 터보냉동기의 성능향상 방안, 복합 열원 시스템 구성을 통한 최적 운전 방안이 건축물의 냉방 에너지를 감소시킬 수 있다고 제시하고 있다. 본 논문에서는 이점에 주목하여 노후 된 냉열원 설비를 고효율 흡수식 냉온수기와 무급유 인버터 터보냉동기로 교체하여 복합 열원시스템을 구성하고 BEMS를 통한 설비 운용과 에너지 절감효과를 실증하고 타당성 검증을 수행하였다.
대상 건물 및 주요설비 개요
건물 및 열원설비 현황
J대학교 본관인 M기념관은 지하2층에서 지상 5층까지의 규모로 교수 연구실과 행정사무실 등이 위치하고 있다. M기념관은 Figure 2와 같이 1층은 H기념예배당과 연결되어 있고 2층은 L기념도서관 입구와 연결되어 있다. 건물 현황은 Table 1과 같다. M기념관 건물 지하 2층 기계실 내에 있는 열원설비에서 헤더를 통해 3개 건물 각층 AHU와 FCU로 냉난방과 급탕을 공급하는 중앙냉난방시스템 계통이다. 건물의 냉난방을 공급은 가스식 흡수식 냉온수기 280 RT/hr급 2대를 통해 5월에서 10월까지는 냉수를 생산하여 냉방을, 11월에서 4월까지는 온수를 생산하여 난방을 하고 있다. 노통 연관 보일러 1.5톤/hr 1대로 3개 건물의 급탕을 공급하고 화장실 난방용으로 방열기에 온수를 공급하고 있다. 기존 흡수식 냉온수기는 1994년 제품으로 2015년까지 22년간 사용하였으며 노후화로 인해 2016년 냉온수기 2대 중 1대를 동일한 기종 및 용량의 신형 고효율 흡수식 냉온수기로 교체하였다. 나머지 흡수식 냉온수기 1대도 동일 기종으로 교체를 검토 중이며, 주요 열원설비 현황은 Table 2와 같다.
Table 1. Target Building Information
Table 2. Facility details of target building
건물의 특징 및 냉난방 부하 현황
대상 건물은 교수실, 행정사무실, 도서관이 위치하고 있어 방학기간에도 냉난방이 필요하며, 예배당은 주중과 주말 대규모 행사 많아 냉난방 부하의 변동이 잦은 편이다. 난방은 1월~4월과 11월~12월에, 냉방은 5월~10월까지 공급하고 있다. 흡수식 냉온수기의 가스사용량은 연간 78,769 Nm3 사용하였으며, 난방은 48,182 Nm3, 냉방은 30,587 Nm3 사용하였다. 냉온수기의 월별 가스사용량 및 사용시간은 Table 3에 나타내었다. 난방부하가 높은 12월과 1월, 냉방부하가 높은 7월과 8월에도 냉온수기 한 대로 난방과 냉방을 공급하고 있으며 두 대를 운전한 사례는 없었다.
Table 3. The status of gas use in absorption chiller & heater
냉열원 시스템 개선 개요
터보냉동기 중심의 복합 열원 냉동시스템 구축
열원설비를 선정할 때에는 열원설비 계통, 설비유형과 특징, 에너지원의 공급과 가격 안정성, 냉난방 부하, 운전비, 유지관리 등을 통합적으로 검토해야 한다. 최근에 생산되는 고효율 인버터 터보냉동기는 성적계수(COP)가 약 6 이상으로 흡수식 냉온수기에 비해 에너지 절감이 높은 성능을 낼 수 있다. 흡수식 냉온수기와 무급유 인버터 터보냉동기에 대한 특징을 Table 4에 비교하였다. 무급유 인버터 터보냉동기는 기존 오일 윤활방식의 원심식 터보냉동기와는 다르게 오일을 사용하지 않고 인버터를 적용한 회전수 제어로 인해 부분부하 운전에 높은 효율을 나타낸다. 오일을 사용하지 않기 때문에 오일 펌프, 필터 등과 관련된 부품이 필요치 않아 유지보수 비용을 줄일 수 있는 특징이 있다.
Table 4. Comparison of characteristics between turbo chiller and absorption chiller & heater
나머지 노후화 된 흡수식 냉온수기 1대를 동일 기종 냉온수기로 교체하는 것 보다 성적계수(COP)가 6.4로 약 5배 높은 Table 5의 무급유 인버터형 터보냉동기(한국에너지공단 고효율 에너지기자재 인증)로 교체하여 Figure 3과 같은 복합 열원 냉동시스템을 구성하고 BEMS를 통한 설비 운용으로 에너지 절감과 운전 관리비용을 절감할 수 있다. 복합 열원 냉동시스템 구성으로 터보냉동기는 H기념예배당의 행사로 인한 잦은 냉방부하 변동에도 효과적으로 대응할 수 있으며, 여름철 전력 피크로 전기 기본요금 상승이 우려되는 경우에 흡수식 냉온수기로 효과적인 냉방 운전을 할 수 있다.
Table 5. Facility details of oil-free inverter turbo chiller
측정 방법 및 검증방법
BEMS 구축
J대학교 관리실에서는 BEMS를 통해 교내 모든 건물에서 사용하는 용처별 전기, 가스, 수도 사용량에 대해 모니터링과 분석을 하고 있다. 열원설비에 대해서도 에너지 사용량과 최적운전을 위한 계측 데이터를 측정하여 효율적인 운영을 하고 있다.
대상 건물의 복합 열원 냉동시스템에 대해서는 Table 6과 같은 데이터 수집을 위해 전력량계, 가스 온압보정기, 초음파유량계, 온도계 등 계측기를 설치하고 BEMS를 구축하였다. 터보냉동기의 전력사용량, 흡수식냉온수기의 가스사용량, 냉방부하, 냉수 및 냉각수의 유량과 온도 등을 측정하고 Figure 4와 같이 BEMS로 에너지 사용량과 설비성능을 확인할 수 있다.
Table 6. Status of turbo chiller system monitoring control points
측정 방법 및 운영조건
BEMS를 통해 대학 전체 전기, 가스, 수도에 대한 사용현황과 건물별, 사용처별 사용현황을 Figure 5(a)~5(d)와 같이 에너지원을 모니터링하고, 대상 건물의 복합 열원 냉동시스템에 대해서도 전력, 가스, 온도, 유량, 압력 등 데이터를 15분 단위로 모니터링 하였다. 복합 열원 냉동시스템의 효율적인 운전을 위해 BEMS의 냉수출구온도 제어를 Figure 6과 같은 제어 알고리즘에 따라 터보냉동기의 성능지표와 상관관계를 Figure 5(g)~5(j)와 같이 분석하였다. 이를 통해 냉수 왕복온도차가 3℃ 미만인 경우 냉수 출구온도를 0.5℃씩 단계별로 상승함으로써 적정 냉방 공급과 터보냉동기의 소비전력을 줄일 수 있도록 운전하였다.
무급유 인버터 터보냉동기의 성과 검증하고자 2018년 5월~10월까지 터보냉동기의 전력사용량과 흡수식 냉온수기의 가스사용량을 Figure 5(e)~5(f)같이 모니터링 하였으며 흡수식 냉온수기가 냉방기간 동안 가동되지 않았음을 알 수 있었다. 동기간 동안 대상 건물에 대한 패시브 및 액티브 요소에 대한 리모델링 공사와 추가적인 에너지효율화 개선은 없었다.
에너지 절감 성과 결과 및 분석
가스 냉방 에너지 사용 현황 및 베이스라인
에너지 절감효과를 분석하기 위해서는 개선 전후 에너지 사용량을 비교하기 위한 베이스라인 설정이 중요하다. 베이스라인 식별은 성능파악, 에너지 소비에 영향을 미치는 요소의 운영 그리고 측정을 통한 데이터를 가지고 구성한다. 본 연구에서는 2016년 에너지 진단을 통해 기존 흡수식 냉온수기로 냉방을 공급한 2014년~2015년의 5월~ 10월간 가스사용량 자료로 베이스라인을 설정하였다. 흡수식 냉온수기의 연간 가스사용량은 78,769 Nm3 이며 월별 가스 사용량 및 사용시간을 Table 7에 나타내었다. 터보냉동기의 에너지 사용량에 따른 증감을 비교하기 위한 베이스라인은 흡수식 냉온수기가 냉방을 공급한 5월~10월까지의 월별 가스사용량을 기준으로 냉방부하[RT]로 환산하였다. 5월부터 10월까지 6개월간 가스사용량은 30,587 Nm3 이며 냉방부하는 89,414 RT이다.
Table 7. The status of gas use in absorption chiller-heater
외기온도 변화
냉방부하에 가장 큰 영향을 주는 외기온도의 변화를 분석하기 위해 2014년부터 2018년까지 서울의 월별 일평균 외기온도 변화 그래프를 Figure 7에 나타내었다. 2018년 일평균 외기온도는 2014년 대비하여 5월에는 18.9℃에서 18.2℃로 0.7℃ 감소하였으며 6월에는 23.1℃로 동일하다. 7월에는 26.1℃에서 27.8℃로 1.7℃ 증가하였으며, 8월에는 25.2℃에서28.8℃로 3.6℃ 증가하였다. 9월에는 22.1℃에서 21.5℃로 0.6℃ 감소하였으며, 10월에는 15.6℃에서 13.1℃로 2.5℃ 감소하였다. 일평균 외기온도는 5월, 6월, 9월은 비슷하고, 7월과 8월은 높아졌으며, 10월은 낮아진 것을 알 수 있다.
터보냉동기 전력 사용량 측정 및 분석
무급유 인버터형 터보냉동기의 210 kW 정격 소비전력을 기준으로 예상 전력사용량과 가동시간을 산출하였다. 예상 전력사용요금은 교육용(을) 고압A 선택II 기준으로 단가를 반영하여 Table 8과 같이 정리하였다. 터보냉동기가 사용하는 전력사용량은 BEMS를 통해 데이터를 수집하고 분석하였다. 터보냉동기의 월별 예상 전력사용량보다 실제 전력사용량이 많이 줄어든 것을 Figure 8에서 알 수 있다. 반면, 냉방부하에 가장 영향을 많이 미치는 일평균 외기온도가 낮아짐으로써 냉동기의 가동시간이 줄어 전력사용량의 감소 여부를 확인하기 위해 외기온도의 변화 추이와 비교하여 분석하였다. 일평균 외기온도가 낮아진 5월과 10월은 터보냉동기의 가동시간이 적어 전력사용량이 낮아진 것임을 확인할 수 있다. 그러나 6월 9월은 연도별 외기온도가 큰 차이를 보이지 않았으나, 터보냉동기의 전력사용량이 떨어졌으며, 7월과 8월은 2018년도가 과거 연도보다 외기온도가 1-4℃정도 더 높은 열대야가 지속되었던 한해에도 터보냉동기의 실제 전력사용량이 예상 전력사용량보다 낮게 나타났다.
Table 8. An expectation of the power consumption and the usage rate of a turbo chiller
에너지 절감성과 검증 및 경제성 분석
건물의 유형, 냉방부하, 냉열원 계통, 냉동기 유형, 설비 운전현황, 에너지원 요금제 등을 고려하여 노후화된 흡수식 냉온수기를 고효율 터보냉동기로 교체를 수행하고 BEMS를 통해 에너지 사용량 변화 특성을 확인하였다. 기존 흡수식 냉온수기의 가스사용량[Nm3]과 터보냉동기의 전력사용량 [kWh]을 동일한 TOE(Ton of Oil Equivalent, 석유환산톤) 단위로 환산하여 에너지 사용량을 비교한 그래프는 Figure 8와 같다. 베이스라인에 사용한 연간 냉방 가스사용량은 31.5 TOE이며, 터보냉동기가 사용한 연간 전력사용량은 6.73 TOE이다. 연간 에너지 절감량은 24.75 TOE이다. 외기온도의 상승에도 불구하고 터보냉동기의 효율향상, 높은 냉방능력, BEMS를 통한 부분부하에 맞는 최적운전을 통해 에너지가 많이 절감된 것을 확인할 수 있다. J대학교 시설팀에서 제공한 2014년 6월~2015년 5월까지 가스사용 고지서를 참고한 연간 냉방 가스요금 21,373 천원이었다. 교육용(을) 고압A 선택 II 요금제를 이용하는 J대학교의 2018년 전력사용량은 2,533,136 kWh이며 사용요금은 273,912,196원으로 전력 사용 단가는 108.1원/kWh 이다. 이를 반영한 터보냉동기의 연간 전력요금은 3,176 천원이며 Table 9에 월별로 전력사용 현황을 정리하였다. Figure 9에서 보는 바와 같이 연간 예상 에너지 절감비용 14,488 천원보다 많은 18,197 천원 절감된 것으로 나타났다.
Table 9. An analysis of actual power consumption and the usage rate of a turbo chiller
J대학교에 노후화된 흡수식 냉온수기를 동일한 유형의 용량으로 교체할 경우에 대한 투자비와 무급유 인버터형 터보냉동기로 설치할 경우에 대한 투자비를 조사하고, 터보냉동기로 개선 시 증가하는 설치비 차액에 대해 연간 에너지 사용요금 절감과 유지보수 절감비용을 고려한 경제성 분석을 하였다. 20년 이상 사용하는 열원설비를 특성을 고려해 볼 때 터보냉동기 도입효과는 최소 2.95년~최대 4.6년 이내에 투자비용을 회수할 수 있을 것으로 판단된다. 경제성 분석 결과는 Table 10에 정리하였다.
Table 10. Economic analysis of oil-free inverter turbo chiller installation
결 론
본 연구에서는 J대학교 M기념관 등 3개 건물의 냉방을 공급한 2018년 5월~10월까지 전력, 가스 등을 측정하고 분석하였다. 이를 통해 흡수식 냉온수기 중심의 냉방환경에서 터보냉동기로 전환을 통한 복합 열원 냉동시스템을 구축하고 BEMS를 통한 효율적인 운용으로 에너지 절감을 확인하였다. BEMS를 통해 실증운전 데이터를 분석한 내용을 정리하면 다음과 같다.
첫째, 복수의 흡수식 냉동기 또는 냉온수기가 있는 건물에서 설비 노후화로 교체할 경우 고효율 터보냉동기 도입을 통한 에너지 절감과 경제성 확보가 가능할 것으로 보인다.
둘째, 복합 열원 냉동시스템을 구축하면 전력 피크로 인해 전기요금이 상승이 예측되는 경우에는 가스를 사용하는 흡수식 냉온수기를 가동함으로써 경제적 운전이 가능하다.
현재 우리나라 주거 및 비주거 건축물은 전국 약 700만동으로 이 가운데 건축법에서 명시하는 리모델링 기간이 도래한 15년 이상 경과된 노후건축물은 약 525만동으로 전체의 74%를 차지한다. 이러한 수치는 건물부분의 온실가스 감축을 위하여 신축보다는 기존건물의 에너지 성능이 더욱 필요하다는 것을 입증하고 있다(우수진 외, 2017). 대학, 종합병원, 대형 쇼핑몰의 경우 노후화된 열원설비를 교체할 때 열원설비의 특징과 건물의 냉난방 현황을 고려한 복합 열원 시스템 설계와 BEMS를 통한 효율적인 운영으로 에너지와 관리 비용을 절감할 수 있다. 향후 대학의 에너지효율화 사업을 본격적으로 추진할 것으로 예상되는 시점에서 본 연구가 국내에서 진행되는 에너지효율화 사업과 그린캠퍼스 리모델링 사업에 있어서 에너지 관점의 효과적인 투자를 검토하는데 합리적인 판단 기준으로 활용되었으면 하는 바람이다.
