서 론
이론적 고찰
이코노마이저
급기 온도와 냉난방 에너지의 관계
급기 온도와 팬 에너지의 관계
에너지 분석
에너지 분석 개요
급기 온도에 따른 에너지 소요량 분석
급기 온도에 따른 에너지 절감 효과 분석
결 론
서 론
탄소배출량 감소 및 에너지 절감을 목표로 국내 에너지 사용량의 큰 비중을 차지하는 건축 분야에서는 다양한 노력들이 이루어지고 있다. 그 중 하나로 건물의 효율적인 운영 및 관리를 통한 에너지 절감에 대한 관심이 높아지고 있으며 HVAC 시스템에 이코노마이저를 적용하는 것은 운영 및 관리를 통한 에너지 관리 중 하나의 방법이다. 이코노마이저 시스템은 현재 국내 법규인 건축물의 에너지절약설계기준의 권장사항으로 제시되고 있으나 아직까지 국내에서는 국외에 비하여 보편적으로 적용되지 않고 있다. 또한 국내 몇 몇의 초고층 빌딩에 적용되어 있으나 운영되지 않거나 관리자의 경험에 의해 수동적으로 운영되는 등 제대로 운영되지 못하고 있으며 이와 관련한 연구도 미비한 실정이다.
김효준(2016)은 이코노마이저의 건구온도 제어 및 엔탈피 제어에 따른 에너지 소비량을 동적 시뮬레이션 프로그램인 TRNSYS를 통하여 평가하였다. 최보은(2015)은 사무용 건물을 대상으로 이코노마이저를 4가지 제어 방식에 따라 평가하였으며, 김태호(2017)는 사전에 예측된 외기 및 냉방 부하 정보를 이용하여 부하 제거와 함께 실내 온도가 쾌적 범위 내로 유지될 수 있도록 외기를 도입하는 외기냉방 방법을 제안하고 다양한 지역에 대해 외기 냉방 효과를 비교 및 분석하였다. 함상우(2014)는 모듈러 데이터 센터를 대상으로 국내 기후에 적합한 외기냉방 시스템과 급기 조건에 대해 분석하였다. 이와 같이 현재 국내에서는 이코노마이저에 대한 연구가 진행되어 왔으나 기존 제어방식에 대한 에너지 절감량 분석 혹은 제어방식에 대한 비교 및 평가가 주를 이루며 이들 연구에서 평가된 이코노마이저 시스템들은 실내로 공급하는 공기의 온도를 일정하게 하고 있다. 또한 외기와 부하를 고려한 급기 온도와 에너지의 관계에 대한 연구가 이루어지고 있으나 이는 데이터 센터를 중심으로 한 것이 주를 이룬다.
이에 본 연구에서는 이코노마이저 시스템의 급기 온도 조건 변화에 따른 에너지 절감량을 건구온도 제어와 엔탈피 제어 방식에 적용하여 분석하고자 한다. 이를 위하여 관련 기존 연구 및 이코노마이저 시스템 제어방식에 대해 분석하였으며, HVAC 시스템에서 급기 온도와 냉방 및 난방에너지 그리고 팬 에너지의 관계에 대해 분석하였다. 또한, 분석한 결과를 바탕으로 BIN Method에 적용하여 정풍량 및 변풍량 시스템에서의 급기 온도에 따른 에너지 소요량을 분석하였으며 이를 토대로 외기온에 따른 급기 온도를 산출하였다. 산출한 결과를 바탕으로 기존 이코노마이저 시스템과 급기 온도 변화에 따른 이코노마이저 시스템의 에너지 분석 케이스를 선정하여 케이스별 연간 에너지 소요량을 평가하였다. 이를 통하여 기존 제어 방식 대비 급기 온도 변화에 따른 이코노마이저 방식이 에너지 절감이 가능함을 확인하고자 한다.
이론적 고찰
이코노마이저
이코노마이저 시스템은 외기의 조건이 냉방에 적용하기에 충분할 때 외기의 도입량을 조절하여 냉방에 사용함으로써 공조시스템의 전체적인 에너지 효율화를 도울 수 있는 비용 효율적인 시스템으로 일반적인 이코노마이저 제어 방식에는 건구온도 제어 및 엔탈피 제어 방식이 있다.
건구온도 제어방식은 급기 온도의 설정 값에 따라 외기 및 환기 댐퍼를 조절한다. 즉, 급기 온도보다 외기온이 낮을 경우 외기 쪽 댐퍼 개도율을 증가시키고 환기 쪽 댐퍼 개도율을 감소시킴으로써 외기 도입량을 증가시켜 냉방에 사용하며 그렇지 못한 경우에는 환기를 위한 최소한의 외기 도입을 위해 외기댐퍼를 최소로 작동한다. 그리고 엔탈피 제어 방식의 경우 건구온도 제어 방식에서 고려되지 않은 습도를 함께 고려한 것으로 건구온도 방식의 온도 제어 값들을 엔탈피 설정값으로 제어하는 것이다. 즉, 외기의 엔탈피와 실내의 엔탈피를 동시에 고려하여 외기를 도입하는 제어방식이다. Figure 1은 공조기의 개략도를 나타낸 것이며 여기서 질량 보존 법칙에 따라 혼합 공기의 온도와 풍량은 식 (1)과 같이 나타낼 수 있으며, 또한 식 (1)을 기준으로 이코노마이저의 외기 도입 비율을 나타내면 식 (2)와 같다.
이 때,
: 외기 도입량
: 환기 풍량
: 혼합 공기 풍량
: 외기 온도
: 환기 온도
: 혼합 공기 온도
: 외기 도입 비율
급기 온도와 냉난방 에너지의 관계
외기 및 실의 부하 상황에 맞는 적절한 급기 온도의 조건을 제시하기 위하여 급기 온도와 냉방 에너지의 관계를 분석하였다. 이코노마이저 사용 시 단일덕트 시스템 공기조화 방식에서는 팬에 의한 온도 상승은 고려하지 않으며, 기계적인 냉방 에너지는 아래 식 (3)과 같이 표현할 수 있으며 난방 에너지는 아래 식 (4)와 같이 나타낼 수 있다.
여기서,
: 공기 밀도(kg/m3)
: 설계 체적 유량(m3/h)
: 혼합 공기 엔탈피(kJ/kg)
: 공급 공기 엔탈피(kJkg)
여기서,
: 공기 비열(kcal/kg°C)
급기 온도와 팬 에너지의 관계
냉방 부하 제지를 위해 건물에 필요한 풍량은 아래 식 (5)와 같이 계산할 수 있으며, 이때의 팬의 동력은 식 (6)과 같다.
여기서,
: 냉방부하를 고려한 최소 풍량(m3/h)
: 실내 냉방 부하(kcal/h)
: 공기 비열(kcal/g·°C)
: 토출 온도(°C)
여기서,
: 팬 동력(kW)
: 공급 공기의 송풍 비율
: 팬 효율
에너지 분석
에너지 분석 개요
급기 온도와 에너지의 관계를 분석하기 위해 설정된 대상건물은 인천 송도에 위치한 업무시설로 지하 3층, 지상 68층 규모의 건축물이다. 이 건축물은 총 30개의 층이 업무 공간으로 활용되고 있으며 각 층마다 2개의 공조기가 한 층을 담당하고 6대의 외조기가 전체의 외기도입을 담당하여 각 층의 공조기로 외기를 공급하는 시스템으로 구성되어 있다.
에너지 절감효과를 분석하기 위해 앞서 제시한 식 (1) ~ (6)을 활용하였다. 실내 설정 값은 24°C, 60%로 하였으며 혼합 공기의 설정 값은 13°C, 90%로 하였으다. 변풍량 시스템에서 냉방 부하를 고려한 최소 풍량은 기존 건물에 적용된 상황에 따라 냉방부하에 따른 최대 풍량의 50%로 하였으며 정풍량 시스템에서 풍량은 최대 풍량으로 하였다. 그리고 이코노마이저가 작동할 수 있는 온도의 범위는 -11°C에서 18°C로 하였으며 엔탈피 제어의 경우 최대 47.8kJ/kg로 적용하여 분석하였으며 Table 1은 분석에 사용한 조건들을 나타낸 것이다.
급기 온도에 따른 에너지 소요량 분석
외기온에 따라 에너지 소요량이 가장 적은 때의 급기 온도를 도출하기 위하여 정풍량 및 변풍량 단일덕트 시스템에서 급기 온도 설정값에 따른 에너지 소요량을 이론을 통하여 분석하였다. 즉, 건구온도 제어의 경우 공급 온도를 10°C부터 17°C까지 1°C씩 변화시켜감에 따라 변화되는 에너지 소요량을 평가하였으며 엔탈피 제어의 경우 건구온도와 동일하게 온도 조건을 변화시켰으며 90%의 습도 조건을 추가하여 엔탈피 변화에 따른 에너지 소요량을 평가하였다. Figure 2와 Figure 3은 외기온에 따른 에너지 소요량을 나타낸 것으로 각각 정풍량 시스템 및 변풍량 시스템에서의 평가 결과를 나타낸 것이며 범례의 숫자는 공급온도를 의미한다.
에너지 분석 결과 냉난방 에너지의 경우 정풍량 및 변풍량 시스템의 건구온도 제어방식과 엔탈피 제어방식 모두에서 에너지 소요량의 변화가 유사한 양상을 나타냈다. 냉방 에너지의 경우 두 공조시스템에서 모두 건구온도 이코노마이저는 외기온이 19°C 이하에서는 급기 온도 값이 클수록 에너지 소요량이 작게 나타났으며 21°C 보다 큰 외기온일 때는 급기 온도 값이 작을수록 에너지 소요량이 작게 나타나는 것을 확인하였다. 그리고 엔탈피 제어의 경우 시스템 상황에서 외기 엔탈피가 44.9kJ/kg 보다 작을 경우에는 급기 온도 설정값이 클수록 에너지 소요량이 작게 나타났으며 엔탈피가 51.5kJ/kg보다 클 경우 급기 온도 값이 작을수록 에너지 소요량이 작게 나타났다. 난방 에너지는 모든 외기 조건에서 급기 온도 설정값이 클수록 에너지 소요량이 크게 나타났다.
정풍량 시스템은 시스템의 특성에 따라 급기 온도 설정값에만 영향을 받았으며 팬 에너지는 급기 온도가 10°C일 때 최소였으며 17°C일 때 최대였다. 변풍량 시스템에서 팬 에너지의 경우 외기온이 17°C 이상인 지점에서부터 급기 온도 값이 클수록 모든 외기 조건에서 에너지 소요량도 증가하였으며 그보다 온도가 낮을 때는 팬 에너지 소요량이 일정하게 나타났다.
전체 에너지 소요량 분석 결과 모든 상황에서 외기온에 따라 에너지 소요량 값이 가장 작은 경우의 급기 온도는 일정하지 않았다. Figure 4는 에너지 분석 결과를 바탕으로 정풍량 및 변풍량 공조시스템에서 외기온에 따라 에너지 소요량이 가장 작게 나타나는 때의 급기 온도 및 급기 엔탈피를 나타낸 것이다. 외기온이 9°C-21°C 사이에서는 급기 온도 및 엔탈피 조건이 다양하게 나타났으며 9°C 이하이거나 21°C 이상의 경우에서는 외기 조건은 온도가 10°C, 엔탈피가 27.3kJ/kg로 일정하게 나타났다.
급기 온도에 따른 에너지 절감 효과 분석
급기 온도에 따른 에너지 절감 효과를 분석하기 위하여 급기 온도에 따른 에너지 소요량 분석 결과에 따라 기존 이코노마이저 제어방식과 같이 급기 온도 및 엔탈피가 일정할 경우와, 그렇지 않은 경우를 에너지 분석 케이스로 선정하였다. Table 2는 선정된 케이스를 나타낸 것이며 분석 결과 Table 3은 외기온에 따른 연간 에너지 소요량 및 에너지 절감량을 Figure 5는 외기온에 따른 에너지 소요량을 나타낸 것이다.
에너지 분석 결과 정풍량 시스템에서 에너지 절감률이 기존 제어방식과 비교하여 가장 크게 나타난 때는 외기온이 차례대로 33°C, 15°C 일 때이며 변풍량 시스템의 경우 외기온이 33°C, 31°C 일 경우이다. 그리고 두 시스템에서 모두 외기온이 3~13°C일 때의 에너지 절감률이 가장 작게 나타났다.
이코노마이저 제어에서 급기 온도가 일정하게 고정되었을 경우(Case 1, 3, 5, 7)에 비해 그렇지 않은 경우(Case 2, 4, 6, 8)일 때 에너지가 절감됨을 확인하였으며 정풍량 시스템 건구온도 제어의 경우(Case 1, 2) 급기 온도가 변할 때 기존 제어 방식 대비 23.2%의 에너지가 절감되었으며 엔탈피 제어의 경우(Case 3, 4) 23.3%만큼 절감되었다. 또한 변풍량 시스템의 경우 건구 온도와 엔탈피 제어 시 기존 대비 각각 21.8%, 25.0%의 에너지 절감이 가능함을 확인하였다.
결 론
본 연구는 이코노마이저 시스템에서 급기 온도의 변화에 따른 에너지 절감 효과를 분석한 것으로 그 결과는 다음과 같다.
(1)냉방 에너지의 경우 정풍량 및 변풍량 시스템의 건구온도 제어 방식에서 외기온이 19°C 이하에서는 급기 온도 값이 클수록 21°C이상일 때는 급기 온도 값이 작을수록 에너지 소요량이 작게 나타났으며 엔탈피 제어의 경우 외기 엔탈피가 44.92kJ/kg 보다 작을 경우에는 급기 온도 값이 클수록, 엔탈피가 51.48kJ/kg이상일 경우에는 급기 온도 값이 작을수록 에너지 소요량이 작게 나타났다. 난방 에너지의 경우 모든 시스템 및 제어 상황에서 급기 온도 설정 값이 클수록 에너지 소요량이 크게 나타났다. 정풍량 시스템에서 급기 팬 에너지는 외기온이 10°C일 때 최소를 17°C일 때 최대로 나타났으며 변풍량 시스템에서는 외기온이 17°C 이상인 상황에서 급기 온도 값이 클수록 에너지 소요량도 증가하였다.
(2)전체 에너지 소요량 분석 결과 모든 상황에서 외기온에 따라 에너지 소요량 값이 가장 작게 나타나는 급기 온도는 일정하지 않음을 확인하였다.
(3)변풍량 및 정풍량 시스템의 건구온도 제어방식과 엔탈피 제어방식에서 모두 이코노마이저 기존 제어 방식에 비해 외기온에 따라 급기 온도가 변화할 때 에너지가 절감됨을 확인하였다.
앞으로 추가적인 연구를 통하여 산출한 급기 온도를 TRNSYS 등 동적 시뮬레이션을 통한 평가 및 현장실험을 통한 평가가 필요하며 보편화하여 적용하기 위하여 다양한 대상건물에 대한 적용 및 평가가 필요하다.
