서 론

전 세계적으로 에너지 전환과 탄소중립 달성을 위한 노력이 가속화됨에 따라, 건물 부문의 에너지 효율 향상과 전기화는 핵심 과제로 부상하고 있다. 냉난방 및 급탕 설비는 건물 에너지 소비의 상당 부분을 차지하므로, 이 부문의 효율 개선은 국가 온실가스 감축 목표 달성에 직접적인 영향을 미친다(IEA, 2022). 특히 히트펌프는 재생에너지를 효과적으로 통합할 수 있는 기술로서, 보일러를 대체하는 고효율 냉난방 솔루션으로 주목받고 있다(Vonžudaitė et al., 2023). 이러한 특성으로 인해 히트펌프는 전기화된 건물 시스템의 핵심 요소로 자리 잡고 있으며, 다양한 열원(공기, 지열, 태양열, 폐수열 등)을 활용한 복합형 시스템에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다(Soleimani et al., 2025).

그러나 일반 사무소 건물에서는 개별 공기열 히트펌프 또는 층별전체 중앙식 히트펌프가 설치되는 경우가 많다. 이러한 시스템은 설치 용이성과 초기비용 측면에서는 장점이 있으나, 외기 온도에 따라 성능이 크게 변동되는 한계를 가진다(EHPA, 2023). 특히 냉난방 부하가 큰 시기에는 압축기 소비전력이 증가하여 효율이 저하되고, 추운 겨울철에는 난방성능이 급격히 떨어지는 문제가 발생한다. 또한, 대형 오피스의 장시간 운전 특성에 따라 외기 도입량이 크고 부하 변동 범위가 넓기 때문에 개별식 히트펌프는 성능 저하가 더욱 두드러질 수 있다.

이러한 개별식 시스템의 비효율성을 극복하기 위한 대안으로 중앙식 열원 시스템과 분산형 개별 히트펌프를 결합한 하이브리드 구조가 제안되고 있다(Angelidis et al., 2025, Kim et al., 2025). 이러한 하이브리드 구조는 중앙 히트펌프를 통해 중간 온도의 냉수 또는 온수를 공급하여 개별 터미널 장치의 부하를 감소시키고 전체 시스템 효율을 향상시킬 수 있다. 나아가 중앙 열원부를 신재생에너지 설비(예: 태양열, 지열)와 연계하면 열원의 안정성을 확보하고 에너지 절감 효과를 극대화할 수 있다.

이에 본 연구에서는 일반 사무소 건물을 대상으로 중앙 열원 공급 방식을 적용한 공기열 히트펌프 냉난방 시스템을 제안하고, 기존 냉난방 방식과의 성능 및 연간 에너지 소비 특성을 비교 분석하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해, 동일한 사무소 건물 규모를 대상으로 (1) 개별식 히트펌프 냉난방 시스템, (2) 중앙식 히트펌프 냉난방 시스템, (3) 제안된 중앙 열원 공급식 개별 냉난방 시스템의 소비 전력 및 성능계수(COP)를 비교 분석하여 에너지 효율과 운전 특성을 평가하였다.

시스템 개요

공기열 히트펌프 냉난방 시스템(Reference System)

Figure 1(a)는 사무소 구역별로 설치되는 개별식 공기열 히트펌프 냉난방 시스템의 일반적인 구성을 나타낸다. 각 구역에는 실내기(Indoor Unit, IDU)와 실외기(Outdoor Unit, ODU)로 이루어진 공기 대 공기 히트펌프가 설치되어 있으며, 구역별 열부하에 따라 독립적으로 냉방 또는 난방 운전을 수행한다. 본 시스템은 외기를 열원으로 활용하여 에너지를 공급하며, 냉매로는 R32를 사용하였다. Figure 1(b)는 사무소 건물에 적용되는 중앙식 히트펌프 시스템의 개념도를 나타낸 것이다. 중앙에 설치된 공기열 히트펌프가 외기를 열원으로 이용하여 생산한 냉수 또는 온수를 축열탱크에 저장하고, 이를 각 구역의 팬코일유닛(FCU)에 공급하여 냉방 및 난방을 수행한다. 냉방 운전 시 중앙탱크의 온도는 10℃, 난방 운전 시에는 45℃로 유지되는 것으로 가정하였다. 한 층에 총 12개의 구역별 히트펌프 또는 팬코일유닛이 설치되며, 한 건물에 총 48개의 히트펌프 또는 팬코일 유닛이 위치한다. 중앙식의 경우 하나의 중앙 히트펌프 유닛이 냉수 혹은 온수를 생산하여 탱크에 저장하며, 탱크에서 총 48개의 팬코일유닛으로 냉수 혹은 온수를 공급하는 방식이다.

Figure 1.

Reference air source heat pump (ASHP) system for cooling and heating

중앙 열원 공급식 공기열 히트펌프 냉난방 시스템(Proposed System)

Figure 2(a)는 본 연구에서 제안한 중앙 열원 공급형 냉난방 시스템의 개념도를 나타낸다. 중앙에 설치된 히트펌프는 지열 등과 같이 다양한 신재생에너지 설비와 연계가 가능하나, 본 연구에서는 기존 시스템 대비 에너지 절감 효과를 분석하는 것을 목적으로 하여 중앙 히트펌프 또한 구역별 개별식 공기열 히트펌프와 동일한 공기열원을 사용하는 것으로 설정하였다. 이에 따라, 중앙의 공기 대 물 히트펌프에서 중간 온도의 냉수 또는 온수를 생산하고, 이를 각 구역에 공급하여 물 대 공기 방식의 개별 히트펌프를 통해 실내 냉난방이 이루어지도록 구성하였다. 기존 시스템과 동일하게 하나의 중앙 히트펌프에서 냉수 혹은 온수를 생산하여 탱크에 저장한 후, 48개의 구역별 히트펌프에 공급하는 것으로 가정하였다.

Figure 2.

Proposed air-conditioning system based on central air source heat pump

냉방 운전 시 중앙 히트펌프는 약 15~25℃ 범위의 냉수를 유지하며, 이는 외기 온도보다 낮은 온도로서 구역별 히트펌프의 응축기 온도를 감소시키고 냉방 성능계수(COP)를 향상시키는 효과가 있다. 반대로 난방 운전 시에는 중앙 히트펌프가 약 10~20℃ 수준의 온수를 유지하여 외기보다 높은 열원을 제공함으로써, 개별 히트펌프의 효율을 향상시키는 결과를 얻을 수 있다. 중앙 히트펌프와 각 구역 히트펌프 모두 R32 냉매를 사용하였으며, 세 시스템의 히트펌프 사이클을 Figure 2(b)의 P-h 선도로 나타내었다.

시뮬레이션 방법론

대상 건물

본 연구에서는 중규모 사무소 건물을 대표하는 표준층 모델로서 층당 실 바닥면적 900 m², 실내 높이 2.7 m, 4층 규모의 건물을 가정하였다. 국제적으로 널리 활용되는 ASHRAE Standard 90.1 기반 Medium Office 프로토타입은 연면적 약 5,000 m²의 3~4층 업무시설을 중규모 사무소의 대표 모델로 제시하고 있으며(Im et al., 2019), 국내 관련 연구에서도 동일한 규모와 층수를 갖는 중규모 업무시설 모델을 표준 건물로 활용하고 있다(Choi et al., 2025). 이를 참고하여 본 연구에서는 수치해석의 효율성과 국내 중규모 사무소 건물의 일반적인 규모를 고려해 연면적 3,600 m² (900 m² , 4층)로 축소 모델을 구성하였다.

또한, 에너지절약설계기준(MOLIT and KEA, 2023) 중부 2지역 건축물 부위의 열 관류율표에 따라 벽체, 바닥, 창에 대하여 각각 0.133, 0.159, 0.78 W/m²-K 로 설정하였으며, 실내 발열 조건은 인체 발열량 75 W/인, 조명 발열량 15 W/m², 장비 발열량 12 W/m² 로 가정하였다. 실내 설정 조건은 냉방 시 건구온도 26℃, 상대습도 50%, 난방 시 건구온도 20℃, 상대습도 40%로 적용하였고 환기부하는 ASHRAE 기준에 따라 산정된 값을 사용하였다(ASHRAE Standard 62.1 (ANSI/ASHRAE. Standards 62.1, 2022)). 이를 바탕으로 TRNSYS 18 프로그램을 이용하여 실내 부하를 산정하였다.

히트펌프 모델

본 연구에서는 히트펌프 시스템의 성능을 정량적으로 평가하기 위하여 EES 프로그램을 통해 열역학적 사이클 해석을 수행하였다. 특히 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기에서의 냉매 상태를 바탕으로 시스템의 열적 거동을 직접 모델링하였다. 특히, 압축기 성능 해석 시 실제 압축 과정의 비가역성을 고려하기 위하여 등엔트로피 효율(isentropic efficiency)을 도입하였다. 개별 히트펌프는 로터리 타입, 중앙 히트펌프는 스크롤 타입의 압축기를 가정하였으며 이에 따른 등엔트로피 효율은 기존 문헌(Olympios et al., 2024)에 따라 압축비와 냉매의 부피유량으로 예측할 수 있다(식 (1)). 등엔트로피 효율은 이상적인 등엔트로피 압축 과정과 실제 압축 과정 간의 엔탈피 차이를 통해 정의되기 때문에 식 (1)을 통해 예측된 등엔트로피 효율을 바탕으로 실제 압축기 토출 엔탈피를 계산할 수 있다(식 (2)).

여기서, ηcomp는 압축기 등엔트로피 효율(-), r은 압축비(-), V˙는 냉매의 부피유량(m³/s), hcomp,s는 이상적인 등엔트로피 상태의 압축기 토출 엔탈피(kJ/kg), hcomp,in은 압축기 유입 엔탈피(kJ/kg), hcomp,out은 실제 압축기 토출 엔탈피(kJ/kg) 이다.

히트펌프의 성능은 다음 두 가지 에너지 소비량과 성능계수를 통해 평가하였다. 에너지 소비량은 압축기 소비량, 각 개별 및 중앙 히트펌프의 흡열, 방열을 위해 사용된 팬 또는 펌프의 에너지를 합산하여 계산되며 성능계수는 냉방 또는 난방량을 히트펌프 에너지 소비량으로 나누어 계산할 수 있다. 이에 따라, 본 연구에서는 실내 발생한 모든 냉, 난방 부하가 완벽히 처리되어 실내 온도는 설정 값으로 일정하게 유지된다고 볼 수 있다.

여기서, P˙HP는 히트펌프 에너지 소비량(kW), P˙comp는 압축기 에너지 소비량(kW), Pfan or pump˙는 팬 또는 펌프 에너지 소비량(kW), COPHP는 히트펌프 성능계수(-), Qcooling or heating ˙은 냉방 또는 난방량(kW) 이다.

중앙 탱크 온도 해석

탱크의 온도 변화는 히트펌프의 운전 성능과 열교환 효율에 직접적인 영향을 미치기 때문에, 시스템 해석에서 매우 중요한 요소로 고려된다. 특히 탱크는 냉·온열원을 일시적으로 저장하고 열을 전달하는 중간 매체로 작용하므로, 그 온도 특성은 히트펌프의 증발 및 응축 과정의 열역학적 상태를 결정짓는 핵심 인자로 평가된다. 따라서 본 연구에서는 탱크의 열적 거동을 정밀하게 모사하기 위하여 열수지 기반의 탱크 온도 모델을 히트펌프 모델과 연계하여 EES 프로그램으로 구축하였다.

탱크의 온도 변화는 식 (5)를 이용하여 계산하였다(Duffie and Beckman, 2013). 본 모델에서는 일정 시간 간격마다 탱크로 유입 및 유출되는 열량을 고려하여, 순열량을 탱크의 열용량으로 나누어 온도 변화량으로 환산하였다. 이후 이전 시간 단계의 탱크 온도에 이 변화량을 더하여 다음 단계의 탱크 온도를 예측하였다. 초기 조건으로는 탱크가 위치한 기계실 온도로 수렴한다고 가정하여 15℃로 설정하였으며 탱크 온도 해석의 시간 간격은 1초이다.

여기서, Ttank는 탱크 온도(℃), ∑Qgain은 탱크로 유입되는 열량의 총합(kJ), ∑Qloss는 탱크에서 유출되는 열량의 총합(kJ), mtank는 수조 질량(kg), Cp는 수조 내 물의 비열(kJ/kg-K) 이다.

시뮬레이션 결과 및 토의

히트펌프 압축기의 등엔트로피 효율

Figure 3은 각 시스템 구성에 따른 개별형 및 중앙형 히트펌프 압축기의 등엔트로피 효율을 비교한 결과이다. 제안된 시스템은 개별식 히트펌프에서 약 0.66, 중앙식 히트펌프에서 약 0.80의 효율을 나타냈다. 이는 기존 시스템의 개별식만 사용한 케이스(0.65)와, 중앙식만 사용한 케이스(0.78) 대비 개선된 수치이며, 제안된 시스템에서 개별식과 중앙식 히트펌프 모두 압축비가 낮은 상태로 운전되기 때문으로 판단된다.

Figure 3.

Compressor isentropic efficiencies of individual and central heat pumps

히트펌프 성능계수

Figure 4는 히트펌프의 성능계수(COP)를 비교한 결과를 나타낸다. 제안된 시스템의 개별형 및 중앙형 히트펌프 모두 기존 시스템보다 높은 COP를 보였다. 제안된 시스템의 개별 히트펌프는 평균 COP가 약 5.77로, 기존 개별 냉난방 시스템의 3.19 대비 약 45% 향상된 성능을 나타냈다. 이러한 개선은 중앙 열원 공급에 따른 압축기 부하 감소 때문인 것으로 사료된다. 제안된 시스템의 중앙 히트펌프는 높은 부분부하 운전으로 인해 개별 히트펌프보다 다소 낮은 COP를 보였으나, 여전히 기존시스템의 중앙 히트펌프보다 우수한 성능을 유지하였다.

Figure 4.

Comparison of heat pump coefficients of performance (COP) for individual and central heat pumps in the reference and proposed systems

연간 에너지 소비량

Figure 5는 세 가지 시스템 구성(Reference System1: 개별식 공기열 히트펌프, Reference System2: 중앙식 공기열 히트펌프, Proposed System: 중앙 열원 공급식 개별 히트펌프 시스템)에 대한 연간 에너지 소비량을 정량적으로 비교한 결과를 제시한다. 개별 압축기, 중앙 압축기, 팬, 펌프, 등 각각의 소비량을 통해 시스템 구성 방식이 전체 에너지 사용 총합 특성에 미치는 영향을 다각도로 평가하였다.

Figure 5.

Annual energy consumption of the reference and proposed systems

먼저, 제안된 시스템(Proposed System)의 가장 두드러진 특징은 개별 압축기 소비전력의 대폭적인 감소이다. 중앙 열원 공급 구조는 개별 히트펌프의 응축기 및 증발기 입‧출구 온도를 기존 개별식 시스템보다 훨씬 좁고 안정적인 범위로 유지시킴으로써, 압축비를 크게 감소시킨다. 그 결과 개별 압축기는 연간 48.39 MWh를 소비하여, 기존 개별식 시스템(93.03 MWh/year) 대비 약 48% 절감을 달성하였다. 이는 제안 시스템의 가장 핵심적인 장점으로, 개별식 히트펌프가 외기 변동에 직접 노출되지 않기 때문에 연중 대부분의 시간 동안 고효율 운전 영역(COP 5 이상)에서 운전할 수 있었던 것이 절감 효과의 주요 요인이다.

반면, 제안 시스템에서는 개별식 시스템과 달리 중앙 히트펌프와 축열탱크, 그리고 이를 연결하는 배관 및 순환 펌프가 추가적으로 존재한다. 중앙 압축기는 연간 41.7 MWh를 소비하였으며, 이는 기존 중앙식 시스템(98.76 MWh/year)과 비교할 때 낮은 수치이지만, 기존 개별식 시스템과 비교하면 새로운 에너지 소비 요소로 추가된다. 즉, 개별 압축기 절감 효과가 매우 크더라도 중앙 압축기 운전이 전체 절감폭을 부분적으로 상쇄하는 특성이 존재한다.

또한, 축열탱크의 열적 특성에 기인한 열손실(thermal losses)도 연간 에너지 소비량 증가의 중요한 요인이다. 탱크는 냉·온열원을 저장하는 역할을 수행하지만, 일정 수준의 외기 및 기계실과의 온도 차로 인해 불가피하게 열 손실이 발생한다. 이를 보완하기 위해 중앙 히트펌프는 손실분을 반복적으로 보충해야 하므로 추가 에너지 사용이 요구된다. 더불어, 제안 시스템에서는 약 3.22 MWh/year 수준의 순환펌프 전력이 발생하여, 전체 시스템 측면에서는 에너지 절감폭을 제한하는 방향으로 작용하였다.

이러한 요소들을 모두 고려할 때 제안된 시스템의 총 연간 에너지 소비량은 99.4 MWh/ year로 나타났다. 이는 기존 중앙식 시스템(115.29 MWh/year) 대비 약 18% 절감된 수치로, 중앙식 대비 상당한 개선 효과가 존재함을 보여준다. 그러나 기존 개별식 시스템(100.57 MWh/year)과 비교하면 전체 소비량이 거의 유사한 수준으로 분석되었다. 즉, 개별 압축기 절감 효과는 매우 크지만, 중앙식 구성 요소에서 발생하는 추가 에너지 사용 및 손실이 전체 절감 효과를 일부 상쇄한 것이다. 그럼에도 불구하고 중앙 열원부를 신재생 열원(지열, 태양열, 건물 내부 폐열 등)과 연계할 수 있기 때문에 장기적으로는 중앙식 열원 구조가 훨씬 더 높은 에너지 절감 효과를 제공할 가능성이 있다. 또한 중앙 탱크 온도 제어를 최적화하는 제어전략을 적용할 경우 전체 소비량을 추가로 줄일 수 있는 잠재력도 존재한다.

결 론

본 연구에서는 일반 사무소 건물을 대상으로 중앙 열원 공급 방식을 적용한 히트펌프 냉난방 시스템의 에너지 절감 가능성을 분석하였다. 시뮬레이션 결과, 제안된 시스템의 개별 히트펌프는 기존 개별 냉난방 시스템 대비 약 45% 높은 평균 COP (5.77)를 나타냈으며, 중앙 히트펌프를 포함한 전체 시스템의 연간 에너지 소비량은 약 99.4 MWh로 기존 중앙식 시스템(115.29 MWh) 대비 약 18% 절감되는 것으로 분석되었다. 또한, 압축기의 등엔트로피 효율 역시 개별형 0.66, 중앙형 0.80으로 향상되어 제안된 시스템의 열역학적 효율 개선을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 중앙 열원 공급 구조가 개별 히트펌프의 운전 조건을 개선하고 전체 시스템의 에너지 효율을 높이는 데 효과적임을 보여준다. 더불어, 중앙 열원부를 신재생에너지 설비와 연계할 경우, 열원 안정성 확보 및 추가적인 탄소 저감 효과를 기대할 수 있다. 따라서 제안된 시스템은 향후 전기화 및 탄소중립형 사무소 건물 냉난방 시스템의 유효한 대안으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.