Research Article

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. April 2021. 178-189
https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20210015

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  •   연구의 목적

  •   기존 연구동향

  • 건물의 개요

  • 계획, 설계단계에서의 에너지매니지먼트 수법

  •   고효율DHC열원시스템

  •   에너지관리를 위한 에너지데이터 수집시스템

  •   건물군과 DHC사이의 연계를 통한 에너지매니지먼트 체제구축

  • 운용단계에서의 에너지매니지먼트 수법

  •   냉각수온도 설정치의 검토

  •   반송동력의 절감

  •   지중열 HP의 운전시간 검토

  • 에너지매니지먼트의 성과

  •   일본의 탑레벨의 연간1차에너지COP달성

  •   연간1차에너지COP의 계속적인 향상

  • 결 론

서 론

연구의 목적

온실가스의 배출로 인한 전세계적 우려는 점점 고조되고 있음에도 배출량은 계속 증가하고 있다(일본에너지경제연구소, 에너지경제통계요람, 2020). 최근에는 일본 동경의 경우, CO2 총량 삭감의무(총량삭감의무와 배출량거래제도, 동경도환경국)를 실시하는 등 행정 규제도 강화되고 있다. 이에 건물의 효율적인 에너지 사용을 위하여 설계단계에서 고효율의 열원을 설치하거나, 운용단계에서 BEMS (Building Energy Management System)를 도입하는 등 건축부문에서도 에너지절약을 위한 움직임이 늘어나고 있다(BEMS도입, 보급에 관한 대처, 신에너지산업기술종합개발기구, 일본경제산업성, 2008).

하지만 대규모 개발의 경우, 기획, 설계단계에서 운용단계에 이르기까지 다수의 관계자가 존재하고 완공까지 많은 시간이 경과됨에 따라, 설계단계의 컨셉이 운용단계까지 전달되지 못하거나, 각 담당자간의 조정이 원활하게 이루지지 못하는 경우를 흔히 접한다. 특히BEMS의 경우, 수집된 데이터를 운용에 이용하지 못하고 방치하는 경우도 적지 않다. 이는 에너지운용 담당자만으로는 데이터분석의 기술적 숙련도가 부족하거나, 적절한 방안이 수립되어도 건물주, 관리회사, 장비업체, 공사업체, 입주자 등 수많은 관계자와의 원활한 의사소통이 어려워 그 적용이 어려운 경우도 많다.

본 연구에서는 계획단계에서 운영단계까지 일관되게 에너지매니지먼트(Energy Management)를 실시하고, 에너지데이터를 적극적으로 활용하여 고효율의 에너지성능을 실현한 일본의 대규모 복합건물 사례(이하 “시설”이라 칭함)를 고찰함으로서 대규모 복합개발시의 건물 에너지성능 향상을 위한 방법을 구체적으로 제시하는 것을 목적으로 한다.

기존 연구동향

국내의 설계, 운용단계의 에너지절약과 관련된 연구들을 살펴보면, BEMS적용현황 및 개선연구(홍지표 외, 2008), BEMS구축과 관련된 표준화 연구(상명대학교, 2012), 에너지관리 시스템의 주요기능 및 활성화 방안(서재상 외, 2012), 건물의 에너지 소비 특성의 분석(김용기와 이태원, 2018) 등이 있다. 일본의 경우, BEMS도입시의 에너지절약효과(Okagaki, 2006), 에너지절약 시스템의 주요기능 및 에너지 소비 특성의 분석(Okagaki et al., 2011; Otani et al., 2011; Okagaki et al., 2013), 시뮬레이션을 통한 운용개선(Lee et al., 2013) 등이 있다. 그러나 실제 운용시의 에너지절약에 대한 구체적인 수법과 그 실증 사례는 부족하다고 판단되며, 설계, 운용단계의 에너지절약 실천을 위해서는 건물의 구체적인 데이터 분석방법과 운전현황 자료가 지속적으로 축적되어야 할 것으로 보인다.

따라서 본 연구에서는 건물의 실제 BEMS데이터를 운용시에 어떻게 구체적으로 이용하는지에 대한 방법을 제시하고 그 효과를 정량적으로 분석하고자 한다.

건물의 개요

본 시설의 외관과 개요를 Figure 1Table 1에 나타내었다. 본 시설은 세계 제일 높이의 전파탑과 대규모 점포, 사무실 등으로 구성된 건물군과 주변 건물에 냉수 및 온수를 공급하는 지역냉난방 시설(이하 “DHC”라 칭함, District heating and cooling)로 구성되어 있으며, 연면적은 약 23만 ㎡이다. 본 시설은 계획 당초부터 장기적인 시야에서 친환경건물을 목표로 하여 이 지역에 DHC를 도입하고, 고효율의 DHC실현을 추구하였다. 본 시설의 지하에 DHC메인플랜트(main-plant)와 수축열조를 설치하고, 기차선로 반대편의 건물지하에 서브플랜트(sub-plant)를 설치하였다.

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Figure 1.

Tokyo Skytree Town ®

Table 1.

Outline of the buildings

location Sumida-ku, Tokyo, Japan
use Radio tower, commercial facilities, offices, etc.
Total floor area approximately 230,000 m2
Completion year February 2012
Supply area of DHC approximately 10.2ha
Supply facility 5 facilities
Heat source capacity Chilled heat source 7,240 RT
Hot heat source 9,917 kW
Supply temperature Chilled water (supply)7℃, (Return)17℃
Hot water (supply)46℃, (Return)36℃
Start of supply Sub plant October 2009
Main plant April 2012

DHC는 2009년 서브플랜트의 열공급을 시작으로, 2012년 본 시설의 준공에 맞추어 메인플랜트의 열공급을 시작하였다.

DHC메인플랜트 및 서브플랜트는 지역도관(地域導管)으로 연결되어 있으며 본 시설을 포함한 5 개소에 열을 공급하고 있다.

본 시설의 에너지매니지먼트의 주요 항목은 다음과 같다.

(1) 고효율 DHC 열원 시스템

(2) 에너지관리를 위한 에너지데이터 수집시스템

(3) 건물군과 DHC 사업자의 연계를 통한 에너지매니지먼트 체제구축

(4) 에너지데이터 분석을 통한 에너지매니지먼트

계획, 설계단계에서의 에너지매니지먼트 수법

고효율DHC열원시스템

DHC 열원설비의 개요를 Table 2, 열원 시스템 구성을 Figure 2에 나타내었다. 메인 플랜트의 열원은 고효율 인버터 터보냉동기, Heating tower heat pump(이하 “HTHP”라 칭함), 대용량 축열조 등으로 구성된다. 축열조는 총용량 약 7,000 m3 깊이 약 15 m의 온도 성층형 수축열조이다. 축열조의 물은 재해시에 소방용수 및 생활용수(화장실 세정수 등)로 사용할 수 있도록 계획되었으며 서브 플랜트는 터보냉동기와 온수보일러로 구성되었다.

Table 2.

Outline of DHC heat source equipment

Machine numbers Machine name Units Capacity COP
R-1,21) Turbo chiller (constant speed) 2 C : 350 RT 5.70
R-3 Turbo chiller (INV) 1 C : 1250 RT 5.64
R-4,5 Turbo chiller (constant speed) 2 C : 1250 RT 5.81
R-6 Heating tower heat pump (heat recovery) 1 C : 1000 RT 3.88
H : 3165 kW 2.91
R-7 Heating tower heat pump 1 C : 870 RT 4.84
H : 2845 kW 3.03
R-8 Heating tower heat pump 1 C : 440 RT 4.95
H : 1514 kW 2.95
R-9 Water heat source heat pump 1 C : 50 RT 4.51
H : 222 kW 3.96
B-1,2,31) Hot water boiler 3 H : 465 kW 0.83
Water heat storage tank (thermal stratification type) 4 Chilled water tank 2600 m3×1
Chilled & hot water tank
1900 m3×2, 650 m3×1

1) Installed in a sub plant

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Figure 2.

Heat source system configuration of DHC

일반적인 냉동기는 부분부하 운전시에 효율이 떨어지는 특성이 있다. 하지만 축열조의 경우, 건물측의 부하의 증감에 관계없이 냉동기의 효율이 제일 높은 정격용량에서 계속적으로 운전하는 축열운전이 가능하다.

터보냉동기 및 HTHP는 축열조 계통으로 구성되어 열수요에 관계없이 높은 COP (Coefficient of performance)운용이 가능하며, 전력수요가 높아지는 주간에 방열운전을 실시하는 피크컷(peak cut)을 통해 전력부하의 평준화에도 기여할 수 있다. 또한 인버터 터보냉동기는 냉각수 온도가 낮은 중간기에 부분부하 운전으로 높은 COP운용이 가능하다.

Heat pump(이하 “HP”라 칭함) 중 일부 기기는 지중열을 열원수로 이용하는 방식을 채용하여 열원의 고효율화와 하절기의 히트아일랜드(heat island) 방지 효과에 기여하고 있다. 본 시설은 지중열 이용방식 중 기초말뚝 이용방식과 보어홀(borehole) 이용방식을 채용했다. 지중열 이용시스템의 개요를 Table 3에 나타내었다.

Table 3.

Outline of Geothermal system

Pile foundations type Borehole type
Outline Number of units : 6 Number of units : 21
Diameter : 1,900~2,200 mmφ Diameter : 179 mmφ
Length : 18.6 m Depth : 120 m
Install location Under the DHC plant On-site square
Heat exchange tube U tube type U tube type
10 units installed per each pile foundation 2 units installed per each borehole
Amount of heat collection and emission Maximum calories per each pile foundation Maximum calories per each borehole
C : 300 W/m

H : 235 W/m
C : 48 W/m

H : 40 W/m

또한 건물군측에서 Δt = 10℃의 큰 온도차 설계를 채용하여 펌프동력의 절감과 수축열조의 축열용량 확대에 기여하고 있다.

에너지관리를 위한 에너지데이터 수집시스템

계측계량계획

관리운용단계에서 에너지사용량을 정확하게 파악하고, 에너지절약을 실시하기 위해서는, 계획단계에서 어떤 데이터를 수집하여 운용에 이용할지를 결정하고 해당 데이터를 수집할 수 있는 시스템을 구축하는 것이 중요하다. 본 시설에서는 모든 입주자(점포, 사무소)의 전력과 열(냉수, 온수)을 계량하는 것을 원칙으로 전력량계 · 열량계를 설치하였다. 또한 매장에서 사용한 전력량 · 열량을 태넌트에 청구하도록 하여 사용자의 에너지절약 노력이 월별 광열비에 반영되는 종량 요금제를 도입하였다. 점포, 사무실의 입주자 계량계획을 Figure 3에 나타내었다.

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Figure 3

Tenant energy measurement plan

에너지정보 네트워크 시스템

최근 건물에BEMS를 도입하는 사례가 늘고 있으나, 에너지데이터 분석 전문가의 부재로 운용에 적용하지 못하고 단순히 데이터 수집에 머무는 경우가 많다. 이를 해결하고 에너지데이터의 적극적인 이용을 위하여, 건물군과 DHC의 중앙감시장치에서 수집한 에너지데이터를 인터넷을 통해 외부 서버에 저장하는 네트워크 시스템을 구축하였다. 이를 통하여 외부의 에너지 전문가가 시설의 에너지분석을 가능케 하고, 입주자가 자신의 에너지 사용현황을 확인할 수 있게 하였다. 시스템의 개요를 Figure 4에 나타내었다.

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Figure 4.

Energy information network system

건물군과 DHC사이의 연계를 통한 에너지매니지먼트 체제구축

관리운용단계에서 시설 전체의 환경 보전, 에너지절약, CO2절감 등의 활동을 위해, 건물주, 운영 사업자, 건물 관리자, DHC 사업자, 입주자가 하나가 되어 활동하는 환경 에너지관리 추진체제를 구축하였다.

구체적으로는 입주자를 포함한 연 2 회 환경 에너지매니지먼트 협의회, 건물관계자와 DHC사업자에 의한 연 4 회 환경 에너지매니지먼트 추진위원회, 운용실무자에 의한 월 1 회 환경 에너지매니지먼트 추진회의로 구성된다. 검토체제를 Figure 5에 나타내었다.

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Figure 5.

Energy Management Committee and participants

이 검토체제에서 에너지정보 네트워크 시스템을 통해서 수집 된 에너지데이터의 분석, 절감대책의 검토, 행정에의 보고와 조정, 시운전 보고서 작성 등을 실시하여 건물 전체의 CO2절감을 실행하고 있다.

운용단계에서의 에너지매니지먼트 수법

본 시설은 준공 이후 에너지절약 회의를 지속적으로 실시하고 각 장비 및 시스템의 성능을 운용데이터를 바탕으로 검증하였다. 이를 통하여 수많은 운용개선방안을 검토하고 적용하였다.

냉각수온도 설정치의 검토

터보냉동기의 COP는 냉각수 온도가 낮을수록 높아지지만, 냉각탑의 팬동력이 증가하기 때문에 외기 습구온도에 따라 최적의 냉각수온도를 설정해야 한다. 따라서 본 시설에서는 LCEM (Life Cycle Energy Management, 건물의 에너지절약 성능의 분석, 평가를 위해 국토교통성에서 배포하는 시뮬레이션 툴)의 시뮬레이션을 통하여 냉동기의 운전상황에 따른 냉각탑 출구온도의 설정값을 구하는 연산식을 개발하여 적용하였다(LCEM툴ver3.03조작설명서, 국토교통성, 2011).

연산식의 적용전(2013년도)과 적용후(2017년도) 냉각탑 출구온도 설정값을 비교하면 적용전에 비해 설정온도가 최적화되어 냉각탑 출구온도가 떨어졌음을 알 수 있다( Figure 6).

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Figure 6.

Change of cooling water temperature by year

반송동력의 절감

운용단계에서 이하의 방안을 적용하여 연간 WTF (Water Transfer Factor)가86(2016년도)에서 105(2017년도)로 향상( Figure 7)되고, DHC의 냉수왕복 온도차는 가중평균온도차 7.3℃(2016년)에서 8.1℃(2017년도)로 확대( Figure 8)되어 반송동력을 절감하였다.

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Figure 7.

Chilled water WTF in August

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Figure 8.

Temperature difference of DHC Chilled water supply and return

소유량 낙수방지밸브의 설치

준공 후 반송펌프의 소유량 운전시 유량 및 열량의 균형이 나빠지는 문제가 발생하였다. 이에 낙수방지밸브의 사이즈 변경이 유효하다는 것을 검토하여 소유량 낙수방지밸브를 설치하였다. 그 결과 소유량시의 불안정이 해소되어 인버터 펌프의 최저주파수를 낮추고, 더 작은 수량으로 운전이 가능하여 작은 수량에서의 WTF가 향상되었다.

건물군의 2차펌프 토출압력의 검토

DHC와 건물군이 연계되어 에너지관련 검토를 진행하는 환경 에너지매니지먼트 추진회의를 통하여 건물군측의 냉수펌프 토출압력을 단계적으로 낮추어 건물군의 2차펌프, DHC측의 공급펌프 동력을 절감하는 방안을 적용하였다. 그 결과 DHC의 냉수 왕복 온도차도 확대되었다.

지중열 HP의 운전시간 검토

지중열이용 HP는 동절기 운전시, 열원수 온도는 시간이 지나면서 하강하고 동결 온도에 도달하여 운전이 정지 할 수 있다. 운용 단계에서 열원수의 온도를 실측 한 결과, 온도하강이 예상보다 느려 운전에 여력이 있음을 확인하고, 동절기 1일 운전 시간을 9 시간에서 13시간으로 늘려 동절기의 HP 제조열량은 1.47 배 증가했다.

운전시간의 연장으로 열원수 온도가 떨어지며 지중열이용 HP의 효율은 약간 떨어지지만, 공기열원의 HTHP에 비해 약19,090 kWh의 전기에너지 소비를 절감하였다( Figure 9).

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Figure 9.

Comparison of energy consumption in Geothermal HP

에너지매니지먼트의 성과

일본의 탑레벨의 연간1차에너지COP달성

설계, 운용단계에서의 일관된 에너지 매니지먼트의 실시로 2016년도에는 연간1차에너지 COP 1.35로 일본의 DHC중에서 세번째로 높은 COP를 달성하였다. Figure 10는 일본 DHC의 냉열비율(냉열비율=연간냉열부하/(연간냉열부하+연간온열부하))과 연간1차에너지 COP의 분포를 나타낸다.

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Figure 10.

Primary energy COP in Japan DHC (based on Heat supply business handbook in 2016 (Japan heat supply business association, 2018)) and this DHC

일반적으로 냉열비율이 높을수록 COP가 커지는 경향이 있는데 본 시설의 경우, 냉열비가 같은 시설의 일반적인 COP에 비하여 약1.6 배의 높은COP를 보여준다. 이는 연간 약 2,567 t의 CO2절감에 해당한다.

연간1차에너지COP의 계속적인 향상

운용단계에서의 계속된 에너지 매니지먼트의 실시로 본 시설의 연간1차에너지COP는 2013년 이후 거의 매년 향상되었다. 특히 연간부하의 약 65%를 차지하는 냉열COP의 경우, 매년 꾸준히 향상되어 준공시와 비교하여 5년간 10%의 향상이 이루어졌었다( Figure 11). DHC전체로는 연간 약 180 t의 CO2를 절감하였다.

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Figure 11.

Transition of primary energy COP (2012-2017)

결 론

본 연구는 대규모 복합건물에서 설계, 운용단계의 에너지매니지먼트 수법과 그 효과에 대하여 정량적으로 고찰하고 그 에너지매니지먼트가 건물전체의 에너지절약에 얼마나 중요한지를 보여주었다. 설계단계에서의 고효율시스템의 도입과 운용단계에서의 지속적인 개선방안의 적용은 건물 에너지매니지먼트의 하드웨어와 소프트웨어라 할 수 있다.

본 시설은 일본의 DHC중 세번째로 높은 연간1차에너지 COP (Coefficient of performance) 1.35를 달성하였으며, 준공후 계속적으로 COP가 높아져 냉방의 경우, 5년간 10%의 향상이 이루어졌다.

이를 가능케한 에너지매니지먼트 수법을 이하와 같이 정리하였다.

(1)설계단계

-고효율 설비도입

-운용단계를 위한 에너지데이터 수집시스템

-운용단계를 위한 각 담당자를 아우르는 에너지관리 체제구축

(2)운용단계

-에너지데이터 분석을 통한 지속적인 에너지매니지먼트

건물의 고효율화와 에너지절약은 저탄소사회 실현에 있어서 매우 중요한 요소이다. 이번에 고찰한 에너지매니지먼트 수법이 향후 대규모 복합건물의 신규개발이나 기존 건물의 운용개선에 적용되기를 기대하여, 나아가 사회전체의 저탄소화 실현에 기여하기를 희망한다.

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