서 론

COVID-19의 대유행이 시작되면서 바이러스의 확산방지를 위해 각국의 정부는 이동 제한 및 봉쇄 조치를 시행하였고, 전시에 준하는 강력한 통제를 통해 경제 활동이 마비되는 글로벌 셧다운이 확산되었다. 그 결과 생태계가 회복되고 온실가스 배출량이 5.5% 감소할 것으로 추정되나 이것은 일시적인 개선에 불과하다(Ko et al., 2020). COVID-19가 종식되고 경기 침체를 벗어나 세계 경제가 새로운 국면을 맞이하면 팬데믹 이전보다 더 많은 기후 문제를 야기시킬 것으로 예상된다. 또한 현재 건물 부문은 전 세계 에너지 사용량의 36%를 차지하고, 온실가스는 전 세계 배출량의 39%에 달하는 수준으로 부문별 가장 높은 에너지 비율을 차지하고 있어 온실가스 배출의 저감이 절실한 실정이다(IEA, 2018).

한편, 건물에 투입되는 전체 에너지 사용량의 50% 이상은 공조 에너지가 차지하고 있으며(KEEI, 2015) 최근에는 일반 사무실 건물에서도 OA 기기의 보급 확대로 실내 발열부하의 증가와 더불어 기밀과 단열 성능 향상에 의한 실내 열 손실 감소 등의 요인으로 냉방 부하가 증가한다. 뿐만 아니라, 사내 전산과 데이터를 관리하고 보안 강화를 목적으로 자체적으로 전산 시스템을 구축하여 서버를 운영하도록 서버실을 갖추고 있어 IT 장비의 발열 부하를 제거하기 위해 동계에도 냉방부하가 발생하고 있다. 동계에 냉방부하가 발생하는 대형건물에서는 냉각탑을 통해 생산된 냉수를 직접 공급하는 방식인 Water-side Economizer(외기냉수냉방, 이하 WSE)를 이용하여 에너지를 절약하고자 하는 연구가 활발히 진행 중이다.

Goswami and Reveliotty (1987)은 사무실 건물에 WSE를 적용하여 외기 습구온도 8℃ 이하에서 냉동기의 가동 없이 냉방 시스템이 작동했으나 그 이상의 구간에서 생산된 냉수는 WSE만으로 건물의 부하 제거가 원활하지 못함을 파악하였다. 이러한 경우 추가적인 열원의 공급으로 건물의 부하 처리가 필요하며, 일반적으로 냉동기를 통해 잔여 부하를 처리하게 된다.

또한, 축열조는 열에너지의 수급 및 조절을 목적으로 사용하며 냉방 비용 저감을 위해 전기요금이 상대적으로 저렴한 심야 시간에 냉동기를 가동하여 냉열을 저장하고 주간에 2차 측 부하를 제거하기 위해 방열하는 시스템으로 심야 시간으로 전력수요를 이전하여 운전 비용을 절감하는 효과를 얻을 수 있다.

이에 본 연구에서는 외기온이 낮은 동계(12월~3월)에 WSE를 통해 야간에 생산된 냉수를 이용해 건물에서 발생하는 부하 제거와 축열과 방열을 동시에 할 수 있는 축열조 연동형 Free-cooling 시스템을 제안하고자 한다. 동적 시뮬레이션 프로그램인 DesignBuilder를 이용하여 모델링을 구현하며, 본 논문에서는 해당 시스템을 결합모델(이하, Combination 모델)이라고 칭하기로 한다.

Combination 모델은 상대적으로 외기온이 높은 주간보다 야간의 저온 외기와 열교환된 냉수를 저장하여 열에너지의 수급을 원활히 할 수 있는 장점이 있다. 또한 이 모델을 통해 사무실 건물의 냉동기 사용을 줄이고 전력 소비 시간대를 야간으로 이전함으로써 냉방 에너지 소비량과 운전 비용의 동시 절감을 목표로 하는 시스템의 효용성을 파악하고자 한다.

Combination 모델의 관련 연구 동향

WSE (Water-side economizer)

중간기나 동계에 특정 온도 이하의 조건에서 저온의 외기를 활용하는 Free-cooling 시스템이 기존의 냉방 시스템보다 냉방 에너지 소비량 절감에 효과가 있다는 것은 다수의 선행 연구를 통해 입증되었다. 최근의 연구는 WSE의 운전 효율을 더욱 높이기 위해 배관의 설계나 운전 온도 조건, 장비의 선정 등을 추가적으로 고려하여 진행되고 있다.

Kim et al. (2022)은 WSE가 2차 측의 모든 부하를 제거할 수 없을 때 냉동기와 열교환기의 동시 운전이 되어야 하므로 냉동기의 가동이 필요한 경우에도 Economizer가 최소한의 부분 냉각을 제공할 수 있도록 냉동기와 직렬연결로 구성하는 것을 제시하였다. 또한 Kim et al. (2006)은 외기 습구온도 8℃ 이하에서 Free-cooling 운전이 냉방 에너지 절약에 가장 큰 효과가 있음을 입증하였다.

한편, Ha et al. (2019)는 냉각탑에서 저온냉각수를 생산해 냉각수 입/출구 온도 차인 Cooling range를 증가시켜 냉각탑의 효율을 높인 결과 연간 에너지 사용량의 7.6%가 절감되는 것을 확인하였다. 일반적으로 냉방시스템에서 냉각탑의 효율을 높이기 위해서 저온 냉각수를 생산하여 Cooling range를 늘리는 연구가 진행되고 있다.

그러나 하계에 냉각탑은 대기 온도보다 높은 물에 기류를 발생시켜 물이 기화되며 증발 잠열을 통해 순환수가 냉각되는 원리로 가동되지만, 동계는 외기의 습공기가 증발이 가능한 수분을 적게 포함하고 낮은 외기온으로 인해 증발이 거의 일어나지 않는다. 즉, 동계에 냉각수는 외기와 열교환 시간을 증가시키는 것이 저온의 냉수를 생산하는 방법이기 때문에 동계에 과도한 Cooling range 설정은 냉각수의 순환 시간을 증가시켜 냉방 시스템 에너지 사용량의 증가를 초래한다. 따라서 동계에는 일반적인 냉각수 입/출구 온도 차보다 작은 적절한 값을 적용하여 모델링 하는 것이 중요하다.

TES (Thermal energy storage)

축열시스템은 사용 전력의 평준화를 위해 심야전력을 사용하여 건물의 peak 시간대에 소비전력을 줄임으로써 첨두부하를 감소시켜 운전 비용의 절감을 유도하는 방식이며, 축열조의 용량비에 따라 그 효과가 더욱 확대된다. Yun et al. (2018)은 축열조의 용량을 주간 최대부하의 50%로 설계 시 LCCP (Life cycle climate performance) 즉, 건물의 생애주기 동안 HVAC 시스템에서 직·간접적으로 배출하는 온실가스의 배출량이 지구온난화에 미치는 영향을 수치화한 지표가 최대로 감소되는 것을 확인하였다. 또한 유제인 (Yu, 1989)은 변동하는 부하에 능동적으로 대처하기 위해 냉동기와 축열조는 병렬 연결이 필수적이며 축열 효율을 높이기 위해 온도 성층화가 이루어져야 함을 제시하였다.

WSE, TES 결합모델

한편, 각 시스템의 부족한 부분을 상호보완 가능한 Free-cooling 시스템과 축열조를 결합한 모델을 설계하고 그에 대한 경제성을 평가하는 연구와 개발이 진행되고 있다. Donald et al. (2019)는 데이터센터의 에너지 절약을 위해 WSE가 필수적으로 적용되어야 하며 그에 따른 냉각탑과 냉동기의 효율, 냉수 온도, 냉각탑의 선정, 기후 등의 주요한 고려사항들을 제시하였다. 더불어 축열조는 긴급상황에 대처 가능한 열원 공급처이며, WSE와 축열조가 결합한 하이브리드 시스템의 고려가 필요하다고 언급하였다.

Eduard et al. (2015)는 데이터센터에 직접 외기를 도입하는 외기냉방(ASE, Air-side economizer)을 통해 축열조 형태로써 열용량이 큰 PCM (Phase change material)을 TES로 활용하여 유럽의 다양한 기후에서 적용 가능성과 투자 회수 기간을 검토하였으며, 서유럽의 대부분 기후에서 시스템 구현이 적합하고 지역에 따라 최대 51%의 전력 비용이 절감되는 것을 확인하였다.

그러나 앞선 연구에서는 TES 시스템에서 동일한 용적 대비 축열량이 많거나, 잠열을 이용해 열용량에서 우세한 방식인 빙축열 또는 PCM을 적용하였지만, TES 시스템을 대형건물에 용이한 형태로 적용시키고 초기비용과 유지보수 측면에서 유리한 수축열조의 검토 또한 필요할 것으로 판단된다.

또한 Kim et al. (2020)은 ASE가 WSE 대비 에너지 소비량 절감률은 약 6%P 높지만 외기를 실내로 직접 도입하는 방식은 습도 제어 및 불순물 유입에 의한 IT 장비 안정성의 측면에서 한계점이 있음을 지적하였다. 따라서 본 연구에서 다루는 Combination 모델은 시스템 신뢰성에서 유리한 간접 냉각 방식의 WSE를 사용하여 모델링 하고자 한다.

시뮬레이션 모델링

모델링 개요

Table 1은 시뮬레이션 대상 건물의 개요와 내부 발열 부하 정보, 외피의 단열 성능 및 외기 도입량을 나타낸 것이다. 서버가 있는 사무실 건물이며 ASHRAE 90.1 (2019)의 Large office prototype에 기반하여 모델링하였다. 규모는 지상 10층, 창면적비 40%, 연면적 34,500 m²로 Park et al. (2007)의 연구를 참조하여 실제 공조 면적은 63%로 구성하였으며, 전력 사용량은 27.9 W/m²로 설계하였다(Kim et al., 2019). 또한 건물 내 서버실의 면적당 전력 사용량은 서버랙의 증설을 고려해 2,400 W/m²로 설계하였고 IT 서버 전력 사용의 99% 이상이 열로 변환되기(Cho et al., 2006) 때문에 IT 장비의 운영조건을 만족하기 위해 24시간 냉방 운전을 하는 것으로 하였다.

건물의 위치는 서울로 해당 지역의 표준기상 데이터를 활용하였다(PHIKO, 2107). 외피의 단열 성능은 건축물의 에너지절약 설계 기준에 따라 중부 2 지역의 외벽, 최상층의 지붕 및 바닥층의 열관류율은 각각 0.24, 0.15, 0.63 W/m²·K이다(MOLIT, 2018).

사무실의 설정 조건은 내부 건구온도 26℃, 상대습도 50%로 하였으며, 서버실은 ASHRAE TC 9.9 (2021)에서 제시하는 데이터 통신시설의 온·습도 조건을 만족하도록 내부 건구온도 24℃, 상대습도 50%로 설정하였다. 또한 급기관련 부분은 ASHRAE 62.1 (2019)에서 제안하는 최소 외기도입량에 따라 8.5CMH 이상으로, AHU 급기 온도는 사무실과 서버실 모두 동일하게 16℃로 설정하여 급기와 배기의 온도 차는 ∆t=10 K, 8 K로 하였다.

HAVC 시스템 사양 및 운전조건

Figure 1은 비교의 기준이 되는 기본적인 중앙공조 시스템((a), Conventional 모델)과 WSE에 축열조를 연동한 Combination 모델 (b)의 다이어그램이다. Table 2는 Conventional 모델의 세부 사양을 나타낸 것으로, HVAC 시스템 또한 ASHRAE 90.1이 제안하는 시스템에 따라 구성하였다. 냉동기와 냉각탑은 표준설계온도를 적용하여 냉동기 입/출구 온도는 12℃/7℃, 냉각탑의 입/출구 온도는 37℃/32℃로 설계하였다.

냉동기의 COP (Coefficient of Performance)는 5.5이며, 1대당 2,935 kW 용량의 인버터 터보냉동기 2대를 병렬 연결 하여 1대의 냉수 펌프로 작동하도록 설계하였다. 인버터 방식을 적용한 냉수 펌프의 소비전력은 91.8 kW, 1대당 3,470 kW 용량의 냉각탑은 Variable speed를 적용하였으며 2대로 구성하였다.

한편, DesignBuilder 모델링을 통해 시스템과 건축물 사이에서 발생하는 열적 거동에 대한 해석이 가능한 EnergyPlus 프로그램은 건물의 냉방부하 및 Variable condenser water pump의 운전 유형과 관계없이 냉동기가 운전될 때 연중 내내 냉각수 펌프 유량이 최대로 유지되며, 냉각탑 팬의 작동은 변속 제어만 구현된다. 즉, 펌프의 우선적인 작동으로 유량을 증가시킴으로써 외기와의 열교환만으로 냉각수의 온도를 저하시켜 냉각탑 팬의 작동을 감소시키지만, 작동 시 변속 제어는 가능하다는 의미이다. 따라서 본 연구에서는 불필요한 냉각수 펌프의 에너지 사용량을 최소화하기 위해 냉동기 각각에 Condenser Loop를 연결하여 냉동기의 대수 제어를 통해 냉방 운전 시 냉각수 펌프가 작동하는 것을 최소화하였다.

Figure 1.

HVAC schematic of Conventional and Combination system

Table 3은 Combination 모델의 사양으로 기존의 HVAC 시스템에서 추가된 Free-cooling (WSE)과 TES (Thermal Energy Storage)를 명기한 것이다. 야간은 WSE를 통해 생산된 냉수가 일차적으로 2차 측의 부하를 제거하고 추가로 냉수를 생산하여 축열조에 축열하며, 2차 측의 부하가 모두 제거되지 않았거나 축열 열량이 부족할 때 냉동기의 추종운전이 이루어진다. 주간은 축열조의 방열 운전을 통해 2차 측의 부하를 제거하고 처리하지 못한 부하에 대해서는 WSE, 냉동기 순으로 잔여 부하를 처리하도록 하였으며, 축열조의 축열과 방열은 EnergyPlus의 WaterTheramlTank_Chilled water storage에서 기본적으로 제공하는 알고리즘을 사용하였다(DOE, 2021). 또한 앞서 언급했던 WSE는 냉각수 펌프의 과도한 운전을 방지하기 위하여 일반적인 냉각수 입·출구 온도 차인 5 K보다 작은 3 K로 설정하였다.

축열조의 용량은 냉방부하량과 냉동기 사용패턴에 따라 달라지며, 하계의 운전까지 고려하여 하계 대표일 주간 냉방 부하 48,000 kW의 50%인 24,000 kW로 산정하였다. 또한 축열조는 냉동기와 병렬로 연결하여 WSE를 통해 축열된 냉수가 공급 온도보다 고온인 경우에도 냉동기와 축열조를 병합 운전하여 AHU 냉수 코일의 공급온도를 만족시킬 수 있도록 하였다.

HVAC 모델링 시뮬레이션 결과

HVAC 시스템별 운전결과 검토

Figure 2와 Figure 3은 각 HVAC 시스템의 운전을 검토하기 위해 2월 13일부터 15일까지 3일간의 데이터를 나타낸 것이다. 항목은 냉동기 에너지 사용량, 냉수(CHW loop) 및 냉각수(Condenser loop)의 공급 및 환수 온도, 서버실의 실내 온도와 급기 온도이다. Conventional 모델은 냉동기와 냉각탑의 입/출구 온도 모두 설정치 12℃/7℃와 37℃/32℃에 준한 값을 보이며, Combination 모델의 냉수는 WSE를 통해 일차적으로 생산되고 추가적인 냉동기의 사용으로 냉방코일 공급온도가 7℃에 근접하게 운전되었다. 실내 온도와 AHU 급기 온도는 두 모델 모두 설정치 24℃와 16℃를 유지하는 것이 확인되어 시뮬레이션이 정상적인 상태로 운전되고 있음을 파악하였다.

Figure 2.

Temperature and energy consumption for each equipment (conventional)

Figure 3.

Temperature and energy consumption for each equipment (combination)

Conventional 모델은 야간에도 서버실의 부하를 처리하기 위해 냉동기의 에너지 사용량이 24시간 꾸준하게 발생하였다. 반면 Combination 모델에서는 야간에 WSE를 통해 생산된 냉수를 건물의 냉방부하 제거에 사용 후 축열조로 축열되며 축열 열량의 부족분에 대해서만 추종 운전이 이루어지는 것을 확인하였다.

Figure 4 또한 동일한 3일간의 대상으로 한 것이며, 축열조에서의 축열 및 방열 패턴을 파악하기 위해 축열측과 방열측의 입/출구 온도와 유량을 나타낸 것이다. 심야시간을 이용한 23시부터 09시까지 축열 운전이 진행되고 09시부터 23시까지 주간에 방열함으로써 시스템이 정상적으로 운전되고 있음을 확인하였다. 축열측 제어는 설정한 유량을 우선적으로 만족하면서 운전하였으며 방열 측은 건물에서 발생하는 부하에 대응하며 운전하였다. 따라서 각 모델의 시뮬레이션을 통한 운전 결과를 분석하여 Conventional 및 Combination 모델의 신뢰성이 모두 확보되었다고 사료된다.

Figure 4.

Water temperature and flow rate in TES

Combination 모델의 운전 효용성 검토

Figure 5는 동계 전체에 걸쳐 각 HVAC 시스템의 일별 에너지 사용량 합을 나타낸 것으로 시스템 변경에 따른 장비의 에너지 소비량을 확인하였다. 일반적인 중앙공조 시스템은 동계에도 서버실의 부하를 처리하기 위해 냉동기의 에너지 사용량이 대동소이한 수준으로 꾸준히 발생한다. 하지만 Combination 모델에서 냉동기의 일일 최대 에너지 사용량은 5,117 kWh로 Conventional 모델의 절반 이하 수준으로 나타났다. 또한 시뮬레이션 기간 121일 중 냉동기의 전력소비량이 50 kWh 이하로 사용된 날은 34일로 전체의 28%를 차지하였으며, 이는 WSE를 통해 생산된 냉수를 이용하여 2차 측의 부하가 모두 제거되었기 때문으로 판단된다.

한편, Combination 모델의 냉수 펌프 에너지 사용량이 Conventional 모델보다 증가한 것은 야간에 축열 운전으로 유량이 증가했기 때문으로 보인다. 또한 Conventional 모델은 앞서 언급한 냉각탑의 Condenser pump 우선 제어로 인해 냉각탑의 에너지 사용량은 거의 없으나 Combination 모델의 경우 WSE를 가동하기 위해 냉각탑과 냉각수 펌프의 에너지 사용량이 대폭 증가하였다.

Figure 5.

Energy consumption comparison conventional with combination model

Figure 6은 외기 습구온도에 따른 냉각수와 냉수의 제조된 온도를 파악한 것이며, 동계 2,904시간 중 14시간을 제외한 기간이 외기 습구온도 8℃ 이하로 Free-cooling의 가동 조건을 만족하였다. 냉각탑의 동파 방지운전을 통해 외기와 열교환 된 냉각수의 최저온도는 3.9℃이며, WSE를 통해 생산된 냉각수와 냉수의 온도의 차는 최대 4.18 K이다. 외기온이 가장 높은 3월에 WSE를 통해 생산된 냉수의 온도는 평균 10.8℃로 WSE가 정상적으로 운전되고 있음을 재확인하였다.

Figure 6.

WSE in-outlet water temperature according to outdoor wet-bulb temperature

Table 4와 Table 5는 각 HVAC 시스템의 월별 에너지 사용량과 운전비용의 합계를 나타낸 것으로 항목별로는 AHU 팬, 냉동기, 냉수 펌프, 냉각탑 팬, 냉각수 펌프에 대한 값이다. 운전비용 산출에 KEPCO (2022)의 전기요금을 적용하였으며 축열 설비가 없는 Conventional 모델은 일반용 전력(을)에 계절과 부하에 따른 고압(A), 선택(I) 요금제를, Combination 모델에는 심야전력(을) II 요금제를 적용하여 계산하였다.

AHU 팬의 에너지 사용량은 두 모델의 부하가 동일하기 때문에 산출값 또한 거의 동일하게 나타났으며, Combination 모델의 냉동기 에너지 사용량은 Free-cooling 운전을 통해 Conventional 모델 대비 1/5 수준으로 감소하였다. 냉수 펌프는 앞서 언급한 야간 축열운전으로 인한 유량의 증가로 에너지 사용량이 증가하였다. 그러나 WSE의 사용으로 냉각탑과 냉각수 펌프의 전력 소비량은 Conventional 모델 대비 2배 이상 증가하는 것을 확인하였다.

외기 습구온도가 가장 높은 3월에 두 HVAC 시스템의 에너지 소비량과 운전비용 또한 최대로 나타났으며, 외기온이 가장 낮은 1월은 평균 –9.6℃로 WSE가 적용된 Combination 모델의 에너지 사용량과 운전비용이 최저를 기록했다. 이는 WSE가 낮은 온도의 외기와 열교환 할수록 더 낮은 온도의 냉수를 제조하여 냉방 시스템의 효율을 높임으로써 냉동기 가동시간이 거의 발생하지 않았기 때문으로 판단된다. 동계기간의 Conventional 모델 에너지 사용량과 비용은 2,139,250 kWh, 239,689천원이며, Combination 모델의 그것은 1,560,978 kWh, 117,086천원으로 에너지 사용량은 27%, 운전비용은 51.2% 각각 절감되는 것으로 나타났다.

결 론

본 논문에서는 서버를 운영하는 사무실 건물에서 발생하는 동계 냉방부하 처리를 위해 기존의 중앙공조 시스템에 WSE와 축열조를 결합하는 방식을 제안하였다. DesignBuilder 프로그램을 이용해 모델링 작성과 계산을 실시하였으며 Conventional 및 Combination 시스템의 운전 현황을 바탕으로 신뢰성을 검증하였고, HVAC의 에너지 사용량과 운전비용을 Conventional 모델과 비교하였다. 그 결과 Conventional 대비 Combination 모델의 에너지 소비량과 운전비용이 각각 27%, 51.2% 줄어든 것을 확인하였다.

그러나 계산 기간이 동계에 한정되어 연간 운전의 측면에서 효용성을 검토하지 못하였다. 추후 연구를 통해 본 연구에서 제안한 신규 모델의 중간기 및 하계 야간 운전의 특성을 파악하고 효율적인 운전 제어와 그 결과에 대해 파악하고자 한다.