최근에 준공된 디큐브시티는 사무용, 상업용, 숙박용 및 관람집회용 등 4개의 시설이 공존하는 복합건물이다. 이 건물에는 필요로 하는 전기와 증기, 온수 및 냉수를 공급하기 위해 구역형 에너지공급시스템(Community energy supply system)이 설치되었다. 다양한 건물설비를 효과적으로 운영하기 위해 건물에너지관리시스템(Building energy management system)의 설치를 검토하고 있다. 본 연구에서는 3개의 열병합발전시스템을 비롯하여 7대의 증기보일러, 2대의 중온수보일러와 2대의 흡수식냉동기 및 4대의 터보냉동기 등으로 구성되는 구역형 에너지공급시스템의 최적 운전 및 설계방법을 검토하였다. 결과로서 에너지 수요변화에 따른 구역형 에너지공급시스템의 최적 운전방법과 계절적 운전조건의 변화가 시스템의 경제성에 미치는 영향을 규명하였다. 또 시설별 규모에 따라 결정되는 에너지 수요가 건물 전체의 에너지 소비에 미치는 영향도 분석하였다.
최근에 준공된 디큐브시티는 사무용, 상업용, 숙박용 및 관람집회용 등 4개의 시설이 공존하는 복합건물이다. 이 건물에는 필요로 하는 전기와 증기, 온수 및 냉수를 공급하기 위해 구역형 에너지공급시스템(Community energy supply system)이 설치되었다. 다양한 건물설비를 효과적으로 운영하기 위해 건물에너지관리시스템(Building energy management system)의 설치를 검토하고 있다. 본 연구에서는 3개의 열병합발전시스템을 비롯하여 7대의 증기보일러, 2대의 중온수보일러와 2대의 흡수식냉동기 및 4대의 터보냉동기 등으로 구성되는 구역형 에너지공급시스템의 최적 운전 및 설계방법을 검토하였다. 결과로서 에너지 수요변화에 따른 구역형 에너지공급시스템의 최적 운전방법과 계절적 운전조건의 변화가 시스템의 경제성에 미치는 영향을 규명하였다. 또 시설별 규모에 따라 결정되는 에너지 수요가 건물 전체의 에너지 소비에 미치는 영향도 분석하였다.
D-Cube City is a recently completed multi purpose building consisting of four types of facilities; offices, a department store, a hotel, and congregation spaces. A community energy supply system(CES) has been installed to supply this building with electricity, steam, heat, and cold water. The BEMS, ...
D-Cube City is a recently completed multi purpose building consisting of four types of facilities; offices, a department store, a hotel, and congregation spaces. A community energy supply system(CES) has been installed to supply this building with electricity, steam, heat, and cold water. The BEMS, building energy management system, is currently being designed to reduce building energy consumption through the efficient operation of the various pieces of building service equipment. In this study the optimal methods for operating the CES of D-Cube City were considered. This system includes three combined heat and power systems, seven steam boilers, two hot water boilers, two absorption chillers, and four turbo chillers, and various other pieces of equipment. In result, the optimal methods of operating the CES for various energy demand levels were obtained along with the seasonal effects on the economic efficiency of the operation. The effect of the amount of energy demanded by the various facility areas on the total energy consumption was also analyzed.
D-Cube City is a recently completed multi purpose building consisting of four types of facilities; offices, a department store, a hotel, and congregation spaces. A community energy supply system(CES) has been installed to supply this building with electricity, steam, heat, and cold water. The BEMS, building energy management system, is currently being designed to reduce building energy consumption through the efficient operation of the various pieces of building service equipment. In this study the optimal methods for operating the CES of D-Cube City were considered. This system includes three combined heat and power systems, seven steam boilers, two hot water boilers, two absorption chillers, and four turbo chillers, and various other pieces of equipment. In result, the optimal methods of operating the CES for various energy demand levels were obtained along with the seasonal effects on the economic efficiency of the operation. The effect of the amount of energy demanded by the various facility areas on the total energy consumption was also analyzed.
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문제 정의
디큐브시티 복합건물의 지역에너지 공급시스템은 건물에서 필요로 하는 전기와 열에너지를 안정적으로 공급하기 위해 열병합발전설비를 설치, 운영함으로써 정부의 집단에너지 보급 확대정책에 부응하고, 에너지 이용효율 향상을 통한 에너지절감 및 대기환경 개선은 물론, 천연가스를 이용한 자연친화적인 미래형 주거단지의 구현을 목적으로 하여 계획되었다.(3)
본 연구에서는 디큐브시티 복합건물의 에너지 부하 및 CES의 최적화 방안을 검토하기 위해 먼저 건물의 용도별 부하패턴을 작성하여 건물 전체의 연간 에너지 수요를 파악하였다. 여기서 얻어진 에너지원별 부하율에 따라 각종 설비의 성능을 고려하여 연간 시뮬레이션을 수행하는 프로그램을 작성한 후, 각종 설계 및 운전변수의 변화에 따라 시행착오법으로 얻은 다양한 계산결과를 통해 건물 전체의 에너지소비 및 비용이 최소가 되는 결과를 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 최근 준공한 서울 소재 복합건물인 디큐브시티(D-Cube City)의 지역에너지공급 시스템의 설계사례를 분석하고 최적화 방안에 대한 검토를 통해 경제성 있는 시스템 구축방안에 대해 고찰해 보고자 한다.
를 기초로 하여 배열 이용률에 관한 일부 오류 등을 수정하여 산출한 것으로, 열병합발전설비를 이용하는 경우 일반적으로 저렴한 국내 전력요금과 상대적으로 비싼 가스요금으로 인해 배열이용을 위한 체계적이고 엄격한 운영을 하지 않으면 경제성의 측면에서 불리한 경우가 많다. 본 절에서는 운영단계에서 지역에너지공급시스템의 성능을 극대화하는 방안에 대해 검토해 보고자 한다. 단 여기서의 검토결과는 지역에너지 공급시스템 설계보고서를 기준으로 한 최적화 방안에 대한 것이며, 보다 구체적인 결과를 얻기 위해서는 설비 및 시스템의 실제 운전성능과 각종 에너지원별 부하패턴 등에 관한 세부자료를 이용한 검토를 필요로 한다.
대상 데이터
Fig. 1에 보인 디큐브시티(서울특별시 구로구 신도림동) 복합건물은 대성그룹이 일본 롯본기힐스의 두 주역인 미국의 Jerde사와 일본의 모리도시사와 함께 기획, 시공한 역세권 복합건물로, Table 1에 보인 것처럼 대지면적 16,853 ㎡에 연면적 229,922 ㎡(51층 규모로 연면적이 120,000 ㎡인 주거시설 2개동 제외)인 지하 8층, 지상 42층의 철골철근콘크리트 건물이며, 각각 17층 규모의 호텔과 오피스, 8층 규모의 백화점 및 뮤지컬극장과 다목적 홀을 갖춘 관람집회시설 등이 입주하여 있고, 지난 2007년 착공하여 최근 준공(2011년 8월)한 바 있는 대형 건물이다.
성능/효과
(1) 지역에너지 공급시스템의 열병합발전설비에서 발생하는 배열 손실을 최소화하기 위해서 열 수요가 감소(설계 대비 7.4%)하는 중간기 열병합발전설비의 가동률을 낮출 필요가 있다.
(2) 시스템 운전 최적화를 통해 전력수요가 큰 하절기에 발전량을 증가시키고 냉방용 배열 이용률을 증가(20% 이상)시킴으로써 전력수요 감소와 발전시스템 효율증가라는 일석이조의 효과를 거둘 수 있는 것으로 판단된다.
Fig. 5는 앞에서 기술한 바와 같은 부하의 변경 시 일간 에너지 생산 및 이용현황을 비교, 도시한 것으로, 동일한 면적 대비 숙박시설의 일간에너지 부하량이 판매시설의 경우보다 커서 총 열부하와 배열 이용량은 다소 증가하는 반면, 보일러에서의 열생산량과 배열 손실량이 감소하여 결과적으로 시스템 효율이 75%에서 78%로 3%향상하는 결과를 가져왔다. 여기서 고찰한 내용은 건물의 매우 다양한 용도에 대한 극히 부분적인 예에 불과하며, 향후 이에 대한 체계적인 검토를 통해 건물이나 단지의 설계시 에너지 이용 효율 향상의 측면에서 바람직한 시설용도별 구성에 관한 자료가 제공될 필요가 있는 것으로 판단된다.
Table 6은 하절기 발전 수행에 따른 배열의 이용율을 증가시키기 위한 냉방설비 용량의 최적화 결과를 정리한 것으로, 설계결과로 얻은 열병합 발전설비와 중온수 보일러를 그대로 적용하여 연간 시뮬레이션을 수행한 결과이다. 계통전력 요금과 도시가스 요금(하절기 발전용 적용) 및 건물에서의 에너지 수요를 반영한 운전결과 발전배열을 이용하는 흡수식 냉동기의 용량은 3,200 RT로, 동일한 냉방부하를 만족하면서 설계결과에 비해 50% 이상 설비용량이 증가하는 결과를 얻었다. 이에 반해 전기를 이용해서 구동하는 터보냉동기의 설비용량은 5,300 RT로 17.
즉 디큐브시티 복합건물의 에너지 부하량과 부하패턴을 고려할 때 동절기나 하절기 등 열수요가 큰 기간 이외의 중간기에 열병합발전설비를 가동함에 따른 시스템 성능저하와 그에 따른 경제성 감소로 인해 가동률이 감소한 것으로 판단된다. 그 결과로 발전배열의 이용률은 당초 66.5%에서 86.8%로 20% 이상 상승하였고, 이에 따라 총 에너지절감율도 1.2% 상승하는 결과를 보여주었다. 또 연간 지출해야 할 에너지 구입비용도 1.
지역에너지 공급시스템의 경우에는 기존 방식에는 없는 발전용 도시가스의 수요가 매우 큰 비중을 차지하는 반면, 보일러용 도시가스 수요나 터보냉동기의 사용전력 및 전력수요에 대응하기 위한 계통 전력망으로부터의 수전량이 상대적으로 크게 감소했음을 볼 수 있다. 기존 방식에서의 에너지 소비량은 22,667 TOE이고, 지역에너지 공급시스템에 의한 에너지 소비량은 19,572 TOE로, 지역에너지공급시스템을 도입함으로써 연간 약 13.7%(3,095 TOE/년)의 에너지를 절감할 수 있음을 보여주고 있다.
본 연구에서는 디큐브시티 복합건물의 에너지 부하 및 CES의 최적화 방안을 검토하기 위해 먼저 건물의 용도별 부하패턴을 작성하여 건물 전체의 연간 에너지 수요를 파악하였다. 여기서 얻어진 에너지원별 부하율에 따라 각종 설비의 성능을 고려하여 연간 시뮬레이션을 수행하는 프로그램을 작성한 후, 각종 설계 및 운전변수의 변화에 따라 시행착오법으로 얻은 다양한 계산결과를 통해 건물 전체의 에너지소비 및 비용이 최소가 되는 결과를 얻을 수 있었다.
먼저 전력의 경우 자가발전에 의해 약 85%의 전력을 충당하고 계통으로부터 15% 정도를 구입함을 알 수 있다. 한편 열병합발전설비로부터 82.5%를 생산하고 나머지 17.5%를 보일러에 의해 충당되는 열은 난방을 위해 65%를 사용하고 냉방용으로는 14%를 사용해서 78.7%만을 사용하고 21.3% 정도의 열은 사용하지 못하고 버려지는 것으로 분석되었다. 이와 같이 생산된 열이 버려지는 이유는 난방 또는 냉방에 사용되는 온열의 수요가 발전 후 회수되는 배열량에 미치지 못하기 때문이며, 이는 주로 봄이나 가을과 같은 중간기에 해당된다.
후속연구
(3) 건물이나 단지의 용도별 시설면적은 에너지 공급계통의 에너지 소비에 직접적인 영향을 미치며, 향후 시설용도별 구성이 건물이나 단지의 에너지 이용효율에 미치는 영향에 관한 체계적인 검토가 필요하다.
본 절에서는 운영단계에서 지역에너지공급시스템의 성능을 극대화하는 방안에 대해 검토해 보고자 한다. 단 여기서의 검토결과는 지역에너지 공급시스템 설계보고서를 기준으로 한 최적화 방안에 대한 것이며, 보다 구체적인 결과를 얻기 위해서는 설비 및 시스템의 실제 운전성능과 각종 에너지원별 부하패턴 등에 관한 세부자료를 이용한 검토를 필요로 한다.
3에 보인 바와 같이 기존의 설계내역에서는 판매시설의 난방면적이 가장 넓고 숙박시설과 업무시설 및 문화집회시설의 순으로 구성되어 있는데, 이들 시설은 각각 서로 다른 용도별 에너지 수요를 가지기 때문에 시설별 점유면적이 달라짐에 따라 에너지 공급시설들의 종합 이용효율과 경제성에도 적지 않은 차이가 있게 된다. 물론 이미 설계에 반영된 용도구분을 에너지 이용효율 향상을 위해 변경할 수는 없겠지만, 추후 용도가 서로 다른 시설이 하나의 건물에 같이 설치되는 복합건물이나 용도가 다른 여러 개의 건물이 공존하는 주거단지를 설계하는 경우 등에는 이와 같은 사항을 적극적으로 반영하는 것이 바람직할 것이다.
앞에서 기술한 바와 같이 건물에서의 주어진 에너지 수요에 대해 에너지공급시스템의 운영을 최적화함으로써 설비 및 시스템의 성능 및 효율 향상과 그에 따른 에너지 비용절감 등 경제성 향상이 가능하지만, 에너지 부하를 변화하는 경우에도 적지 않은 효과를 거둘 수 있다.
5는 앞에서 기술한 바와 같은 부하의 변경 시 일간 에너지 생산 및 이용현황을 비교, 도시한 것으로, 동일한 면적 대비 숙박시설의 일간에너지 부하량이 판매시설의 경우보다 커서 총 열부하와 배열 이용량은 다소 증가하는 반면, 보일러에서의 열생산량과 배열 손실량이 감소하여 결과적으로 시스템 효율이 75%에서 78%로 3%향상하는 결과를 가져왔다. 여기서 고찰한 내용은 건물의 매우 다양한 용도에 대한 극히 부분적인 예에 불과하며, 향후 이에 대한 체계적인 검토를 통해 건물이나 단지의 설계시 에너지 이용 효율 향상의 측면에서 바람직한 시설용도별 구성에 관한 자료가 제공될 필요가 있는 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
디큐브시티에는 어떤 에너지 공급 시스템이 설치되었는가?
최근에 준공된 디큐브시티는 사무용, 상업용, 숙박용 및 관람집회용 등 4개의 시설이 공존하는 복합건물이다. 이 건물에는 필요로 하는 전기와 증기, 온수 및 냉수를 공급하기 위해 구역형 에너지공급시스템(Community energy supply system)이 설치되었다. 다양한 건물설비를 효과적으로 운영하기 위해 건물에너지관리시스템(Building energy management system)의 설치를 검토하고 있다.
디큐브시티는 어떤 건물인가?
최근에 준공된 디큐브시티는 사무용, 상업용, 숙박용 및 관람집회용 등 4개의 시설이 공존하는 복합건물이다. 이 건물에는 필요로 하는 전기와 증기, 온수 및 냉수를 공급하기 위해 구역형 에너지공급시스템(Community energy supply system)이 설치되었다.
디큐브시티는 언제 준공되었는가?
Fig. 1에 보인 디큐브시티(서울특별시 구로구 신도림동) 복합건물은 대성그룹이 일본 롯본기힐스의 두 주역인 미국의 Jerde사와 일본의 모리도시사와 함께 기획, 시공한 역세권 복합건물로, Table 1에 보인 것처럼 대지면적 16,853 ㎡에 연면적 229,922 ㎡(51층 규모로 연면적이 120,000 ㎡인 주거시설 2개동 제외)인 지하 8층, 지상 42층의 철골철근콘크리트 건물이며, 각각 17층 규모의 호텔과 오피스, 8층 규모의 백화점 및 뮤지컬극장과 다목적 홀을 갖춘 관람집회시설 등이 입주하여 있고, 지난 2007년 착공하여 최근 준공(2011년 8월)한 바 있는 대형 건물이다.
참고문헌 (3)
Korea Institute of Construction Technology, 2004, "Design of the Integrated System Model of the Individual Urban Utility Plants Using Underground Space," Report of the MLTM, R&D/ 99S01-01, pp. 43-98.
Kim, Y. K., Lee, T. W. and Woo, N. S., 2009, "A Study on the Optimal Design of Urban Energy Systems," Trans. of the KSME (B), Vol. 33, No. 6, pp. 396-402.
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