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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 문헌 및 실제 사례조사를 바탕으로 열원기기용량 과대산정 정도를 파악하고 사무소건물의 부분부하 특성에 따른 연간 운전성능을 건물에너지 동적 시뮬레이션을 통해 분석하여 적절한 열원기기의 대수분할 방안을 제안하고자 한다.
- 전술한 바와 같이 본 연구에서는 부분부하 작동에 따른 열원기기의 연간 운전성능 평가를 위해 서울지역의 사무소 건물을 대상으로 동적 시뮬레이션 분석을 실시하였다. Fig.
제안 방법
- 본 연구에서는 서울지역 사무소 건물을 대상으로 열원기기의 대수분할에 따른 부분부하대별 가동 시간 및 운전성능 비교 · 분석하였다.
- (9) Table 2는 RTS-SAREK와 DOE-2의 시뮬레이션에 적용된 입력 자료를 정리한 것이다. 열원기기의 부분부하 특성은 제작회사별 기기종류 및 제원에 따라 상이한 것으로 나타나 본 연구에서는 DOE-2에서 제공하는 터보냉동기와 고온수 보일러의 부분부하 특성을 사용하였다.
대상 데이터
- 1E에 적용시켜 열원기기 대수분할에 따른 연간 에너지 소비량을 분석하였다. 이때 기상자료는 태양 에너지학회에서 제공하는 TRY 방식의 서울지역 데이터를 사용하였다.(9) Table 2는 RTS-SAREK와 DOE-2의 시뮬레이션에 적용된 입력 자료를 정리한 것이다.
이론/모형
- 분석방법은 RTS법으로 계산된 열원기기의 용량을 건물에너지 동적해석 프로그램인 DOE-2.1E에 적용시켜 열원기기 대수분할에 따른 연간 에너지 소비량을 분석하였다. 이때 기상자료는 태양 에너지학회에서 제공하는 TRY 방식의 서울지역 데이터를 사용하였다.
- 본 연구에서는 서울지역 사무소 건물을 대상으로 열원기기의 대수분할에 따른 부분부하대별 가동 시간 및 운전성능 비교 · 분석하였다. 분석방법은 RTS법을 이용하여 기기용량 산정 후 동적시뮬레이션에 프로그램에 적용시켜 평가하였으며 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
성능/효과
- (1) 냉동기를 용량차등 대수분할 할 경우 에너지 절감율이 가장 높은 분할비율은 5：5로 나타났다. 냉동기의 경우 전체용량(1대)을 운전할 경우 부분부하 30% 범위에서 65% 이상 가동하는데 5：5분할 시 정격효율보다 높은 70% 범위에서 냉동기가 주로 가동되기 때문인 것으로 분석되었다.
- (2) 보일러를 용량차등 대수분할 할 경우 에너지 절감율이 가장 높은 분할비율은 7：3으로 나타났다. 이는 일일 초기 가동 시 예열부하에 의해 기기용량은 증대되고 오후에는 일사와 내부발열 등에 의해 난방부하가 감소하여 부분부하 10% 이하에서 대부분 가동하기 때문에 상대적으로 저용량을 갖고 있는 분할비율 7：3의 절감율이 가장 높은 것으로 분석되었다.
- Fig. 2와 Fig. 3은 이들 기기의 EIR과 HIR을 나타낸 것으로 냉동기는 부분부하 50% 미만일 때 효율이 급격히 저하되고 부분부하 50% 이상에서는 오히려 정격효율보다 향상되는 것으로 나타났다. 보일러는 상대적으로 저부하시 효율이 점차 낮아지는 것을 알 수 있다.
- 계산된 냉·난방 최대부하에 안전율 10%를 적용하여 최종 열원기기의 용량은 터보냉동기는 851 kW(242.1USRT)이고 고온수 보일러는 406 kW(115.4USRT)로 결정되었다.
- 9% 높은 것으로 분석되었지만 2대를 7：3으로 분할한 사례④의 절감율 보다는 낮게 나타났다. 그 원인을 살펴보면 보일러의 부분부하 특성은 상대적으로 저부하 가동 시 효율저하가 커지는데 총 난방 가동시간 중 약 80%가 부분부하 30% 이하 범위에서 가동되기 때문에 상대적으로 저용량을 갖고 있는 사례④의 난방에너지 절감량이 높은 것으로 분석되었다.
- 1% 높은 것으로 분석되었다. 난방에너지의 경우 보일러가 1대인 사례① 대비 사례②는 6.1% 절감되고 사례③은 8.3% 절감, 사례④는 9.3% 절감, 사례⑤는 9.0% 절감되는 것으로 나타났다. 보일러를 용량차등 대수분할 경우 에너지 성능을 비교하면 용량을 7：3으로 분할한 사례④가 가장 높은 절감율을 보였다.
- 8은 냉동기와 보일러의 대수분할 조건에 따른 부분부하대별 가동시간비율을 나타낸 것이다. 냉동기는 용량차등 대수분할 할 경우 사례④에서 사례②로 갈수록 부분부하 50% 미만 가동시간은 감소하고 부분 부하 50% 이상 가동시간은 증가하는 것으로 나타났다.
- 6% 절감되는 것으로 나타났다. 냉동기를 용량차등 대수분할 한 경우 에너지성능을 비교하면 용량을 5：5로 분할 한 사례②가 가장 높은 절감율을 보였으며 용량 균등 대수분할 한 경우에는 냉동기를 2대로 분할한 사례②보다 3대로 분할한 사례⑤의 절감율이 2.1% 높은 것으로 분석되었다. 난방에너지의 경우 보일러가 1대인 사례① 대비 사례②는 6.
- Table 6은 냉동기 및 보일러 대수분할에 따른 사례별 냉·난방에너지를 비교한 것이다. 냉방에너지는 경우 냉동기가 1대인 사례① 대비 사례②는 18.5% 절감되고 사례③은 15.7% 절감, 사례④는 12.0% 절감, 사례⑤는 20.6% 절감되는 것으로 나타났다. 냉동기를 용량차등 대수분할 한 경우 에너지성능을 비교하면 용량을 5：5로 분할 한 사례②가 가장 높은 절감율을 보였으며 용량 균등 대수분할 한 경우에는 냉동기를 2대로 분할한 사례②보다 3대로 분할한 사례⑤의 절감율이 2.
- 사례⑤는 용량을 균등하게 3대 분할한 조건으로 부분부하 50% 이하의 가동시간은 크게 감소하고 부분부하 50% 이상의 가동시간은 큰 폭으로 증가한 것을 알 수 있다. 보일러는 용량차등 대수 분할 시 냉동기와 달리 사례②에서 사례④로 갈수록 부분부하 50% 미만 가동 시간은 감소하고 부분부하 50% 이상 가동시간은 증가하는 것으로 나타났다. 보일러는 용량을 균등하게 3대 분할한 사례⑤에 경우 부분부하대별 가동시간비율은 용량차등 대수분할 조건들과 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.
- 1E에 의한 냉방부하 계산 결과보다 RTS 법에 의한 냉방부하계산 결과가 크다는 것을 의미한다. 보일러는 일일 초기 가동 시 예열부하에 의해 난방부하가 증가하여 부분부하 60% 이상에서도 기기가 가동하지만 오후에 일사와 내부발열 등의 영향으로 난방부하가 감소하여 부분부하 10% 미만의 범위에서 60%가까이 가동하는 것으로 나타났다. 이처럼 냉동기와 보일러를 일정규모의 사무소건물에서 1대씩만 운영할 경우 효율이 낮은 저부하대에서 대부분 가동되기 때문에 열원기기의 대수분할은 에너지 효율측면에서 필요한 것으로 판단된다.
- 0% 절감되는 것으로 나타났다. 보일러를 용량차등 대수분할 경우 에너지 성능을 비교하면 용량을 7：3으로 분할한 사례④가 가장 높은 절감율을 보였다. 용량균등 대수 분할 한 경우에는 보일러를 2대로 분할한 사례②보다 3대로 분할한 사례⑤의 절감율이 2.
- 사례⑤는 용량을 균등하게 3대 분할한 조건으로 부분부하 50% 이하의 가동시간은 크게 감소하고 부분부하 50% 이상의 가동시간은 큰 폭으로 증가한 것을 알 수 있다. 보일러는 용량차등 대수 분할 시 냉동기와 달리 사례②에서 사례④로 갈수록 부분부하 50% 미만 가동 시간은 감소하고 부분부하 50% 이상 가동시간은 증가하는 것으로 나타났다.
- 그 내용을 살펴보면 냉열원기기인 터보냉동기와 흡수식냉동기의 부분부하 특성은 부분부하가 40% 미만일 때 효율 저하가 크게 발생하며 특히, 터보냉동기는 흡수식냉동기에 비해 부분운전에 따른 효율 저하가 큰 것으로 보고되고 있다. 온열원기기인 증기보일러와 고온수 보일러는 부분부하 특성이 유사하며 부분부하율이 30% 미만일 때 효율저하가 발생하는 것으로 나타났다.(2, 3)
- 보일러를 용량차등 대수분할 경우 에너지 성능을 비교하면 용량을 7：3으로 분할한 사례④가 가장 높은 절감율을 보였다. 용량균등 대수 분할 한 경우에는 보일러를 2대로 분할한 사례②보다 3대로 분할한 사례⑤의 절감율이 2.9% 높은 것으로 분석되었지만 2대를 7：3으로 분할한 사례④의 절감율 보다는 낮게 나타났다. 그 원인을 살펴보면 보일러의 부분부하 특성은 상대적으로 저부하 가동 시 효율저하가 커지는데 총 난방 가동시간 중 약 80%가 부분부하 30% 이하 범위에서 가동되기 때문에 상대적으로 저용량을 갖고 있는 사례④의 난방에너지 절감량이 높은 것으로 분석되었다.
- 3을 이용하여 계산한 사무소건물의 냉·난방부하를 나타낸 것이다. 총 냉방부하는 773.9 kW(171.2 W/m2)로 요소별로 살펴보면 내부부하가 가장 많은 40.6%차지하고 외부부하와 환기부하는 각각 24.3%와 22.1%로 나타났다. 난방부하는 총 368.
후속연구
- 따라서 건물에서의 열원기기 운전성능 향상을 위해서는 전체용량(1대 제어)가동 시 부분부하대별 가동시간과 열원기기의 부분부하 특성을 파악하여, 열원기기 대수분할 시 그에 맞는 적절한 분할비율 적용이 필요하다. 이 때, 펌프를 포함한 반송장비도 보다 작은 여러 대로 분할되므로 반송동력도 감소되는 효율적인 운전이 가능할 것으로 판단된다. 차후 건물에너지 소비량에서 큰 비중을 차지하는 반송동력을 포함한 연구가 진행되어야 할 것이다.
- 이 때, 펌프를 포함한 반송장비도 보다 작은 여러 대로 분할되므로 반송동력도 감소되는 효율적인 운전이 가능할 것으로 판단된다. 차후 건물에너지 소비량에서 큰 비중을 차지하는 반송동력을 포함한 연구가 진행되어야 할 것이다.
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