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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 같은 건물의 동일한 환경 조건에서 두개의 실에 설치된 AHU 시스템과 HRV 시스템을 Side-by-Side Test로 비교·분석하여 건물의 냉방에너지에 미치는 영향을 분석 하고자 한다.
- 따라서 본 연구에서는 업무용 오피스 건물에서 HRV가 설치된 실과 일반적으로 환기 목적을 위해 널리 사용되는 AHU(Air Handling Unit)가 설치된 실의 하절기 냉방에너지 실측값을 비교·분석하여 HRV가 건물의 냉방에너지에 미치는 영향에 대하여 분석하고자 한다.
제안 방법
- BEMS를 구축하기 위하여 약 1600개의 센서가 설치되어 있으며, 이 센서를 통하여 15분 주기로 데이터가 수집된다.6) 본 연구에서는 이러한 건물의 센서를 통해 유량, 환수온도, 급수온도에 대한 데이터를 수집하여 에너지에 대한 계산을 진행하였다.
- 각 실에서 FCU 및 환기설비의 유량, 환수온도, 급수온도를 실측하여 에너지 소비량을 계산하였으며 AHU를 설치한 실과 HRV를 설치한 실의 에너지소비를 비교·분석함으로써 실제 오피스 건물에 적용된 환기 설비의 종류에 따른 냉방에너지 차이를 분석하였다.
- 또한 각 실의 냉난방을 위하여 FCU(Fan Coil Unit)가 설치되어 있다. 각 실에서의 하절기 냉방에너지 소비량을 계산하기 위하여 FCU와 각 환기 시스템의 유량, 환수 온도, 급수 온도에 대한 데이터를 실측하였다. 실측된 데이터를 바탕으로 실의 에너지 소비량을 계산함으로써, AHU를 사용한 실과 HRV를 사용한 실의 에너지 소비량을 비교 분석하였다.
- 각 실의 에너지소비량 계산을 위하여 FCU와 공조 시스템의 유량과 환수온도, 급수온도를 측정하였다.
- 건물의 운영 시간동안 각 실의 설정온도는 에너지절약 설계기준7) 에 근거하여 하절기 온도인 26℃로 설정하였고, 실내온도를 유지하기 위하여 실의 온도를 측정해 자동으로 FCU가 비례제어 되도록 설정하였다.8) AHU, FCU로 급수되는 물의 온도는 7℃로 공급되도록 설정되어 있으며, 실내로 공급되는 1차 공기의 급기 온도 설정온도는 20℃이다.
- 본 연구에서는 동일한 외피와 환경 조건에서 진행된 AHU 시스템과 HRV 시스템의 Side-by-Side Test를 통하여 각 실의 냉방에너지를 비교·분석하였다.
- 각 실에서의 하절기 냉방에너지 소비량을 계산하기 위하여 FCU와 각 환기 시스템의 유량, 환수 온도, 급수 온도에 대한 데이터를 실측하였다. 실측된 데이터를 바탕으로 실의 에너지 소비량을 계산함으로써, AHU를 사용한 실과 HRV를 사용한 실의 에너지 소비량을 비교 분석하였다.
- 본 연구의 대상 실은 AHU와 FCU가 설치된 2층 연구실 3과 HRV와 FCU가 설치된 3층 연구실 2이다. 이러한 대상실에서 하절기에 냉방을 위하여 사용되는 총 에너지 소비량은 FCU에 소비되는 냉방 에너지와 환기에 사용되는 에너지의 합으로 계산하였다. 각 실에서의 하절기 냉방에 사용되는 총 에너지 소비량은 AHU를 설치한 실보다 HRV를 설치한 실이 더 적은 것을 확인 할수 있었으며, 실험 기간인 17일 동안의 총 에너지 소비량을 비교하면 HRV를 사용한 실이 127.
대상 데이터
- 본 건물은 BAS(Building Automation System) 및 BEMS (Building Energy Management System)가 설치되어 있어, 건물의 운전과 제어가 자동으로 이루어지게 된다. BEMS를 구축하기 위하여 약 1600개의 센서가 설치되어 있으며, 이 센서를 통하여 15분 주기로 데이터가 수집된다.6) 본 연구에서는 이러한 건물의 센서를 통해 유량, 환수온도, 급수온도에 대한 데이터를 수집하여 에너지에 대한 계산을 진행하였다.
- HRV의 에너지 성능을 평가하기 위하여 Figure 2의 평면도처럼 동일한 외피 조건을 갖춘 오피스 건물의 2층 연구실3과 3층 연구실 2의 데이터를 실측하였다.
- 따라서 본 연구에서는 환기 설비 종류에 따른 하절기 냉방 에너지 소비량을 비교하기 위하여 실제로 운영되는 업무용 오피스 건물의 실측 데이터 값을 사용하였다. 대상 건물의 동일한 환경에서 실험되었으며 2층의 연구실 3은 AHU가 설치되어 있고 3층의 연구실 2는 HRV가 설치되어 있다. 또한 각 실 모두 냉방을 위하여 FCU가 설치되어 있다.
- 따라서 본 연구에서는 환기 설비 종류에 따른 하절기 냉방 에너지 소비량을 비교하기 위하여 실제로 운영되는 업무용 오피스 건물의 실측 데이터 값을 사용하였다. 대상 건물의 동일한 환경에서 실험되었으며 2층의 연구실 3은 AHU가 설치되어 있고 3층의 연구실 2는 HRV가 설치되어 있다.
- Table 1에는 해당 건물에 대한 개요가 제시되어 있으며, Table 2에는 대상이 되는 실의 외피 특징 및 열관류율이 제시되어 있다. 본 건물은 2013년 9월에 완공된 교육 연구 시설용 건물로서 오피스, 공동주택, 모듈러 등으로 이루어진 연구용 건축물이다. 또한 자연채광, 우수 재활용, 지열 등 106개의 요소 기술이 접목된 건물이다.
- 본 연구에서는 AHU를 설치한 실과 HRV를 설치한 실의 에너지 소비량을 비교 분석하기 위해서 인천광역시 송도에 위치한 오피스 빌딩을 대상 건물로 선정하였다. 오피스 건물의 2층과 3층 에는 비교를 위한 동일한 외피 조건의 실이 있으며, 2층의 실에는 AHU가 설치되어 있고, 3층의 실에는 HRV가 설치되어 있다.
- 본 연구의 대상 건물은 인천광역시 송도에 위치하고 있는 오피스용 Test-bed 건물이다. Table 1에는 해당 건물에 대한 개요가 제시되어 있으며, Table 2에는 대상이 되는 실의 외피 특징 및 열관류율이 제시되어 있다.
- 본 연구의 대상 실은 AHU와 FCU가 설치된 2층 연구실 3과 HRV와 FCU가 설치된 3층 연구실 2이다. 이러한 대상실에서 하절기에 냉방을 위하여 사용되는 총 에너지 소비량은 FCU에 소비되는 냉방 에너지와 환기에 사용되는 에너지의 합으로 계산하였다.
- 에너지 성능 측정을 위한 실험은 2014년 7월 4일부터 2014년 7월 20일까지 17일 동안 진행되었다. AHU가 설치된 2층 연구 실3의 운영 스케줄은 일반적으로 사용되는 오피스 건물의 운영 시간인 오전 8시부터 오후 6시까지이며 실내의 온도가 26℃로 유지되도록 설정되어 있다.
성능/효과
- (1) 건물의 운영시간인 오전 8시부터 오후 6시에서 각 실 모두 실내 설정온도 26℃를 기준으로 4℃정도의 온도차 범위 내에 있는 것으로 확인되었다. HRV가 설치된 실이 AHU를 설치한 실에 비하여 실내 온도가 더 낮게 유지되는 양상을 보였으며, 특히 HRV가 설치된 실의 경우 건물의 운영시간 동안 실의 설정온도인 26℃를 크게 벗어나지 않았으며 온도가 비교적 일정하게 유지되는 것으로 나타났다.
- (2) 건물의 운영시간 동안 AHU를 설치한 실보다 HRV를 설치한 실의 FCU 에너지 소비가 약 29% 더 많은 것으로 나타났다. 냉방을 하여 약 20℃의 낮은 온도의 공기를 공급하는 AHU와 달리 HRV는 냉방 없이 외기와의 직접적인 열교환을 이용하여 공기를 공급한다.
- (3) AHU를 설치한 실에서 사용되는 에너지 소비량보다 HRV 를 설치한 실의 환기 설비에 대한 에너지 소비가 현저히 적은 것을 확인할 수 있는데, 이는 공조를 하여 냉방에 대한 에너지를 소비하는 AHU와 달리 HRV는 냉방에 대한 에너지가 사용되지 않기 때문인것으로 확인되었다.
- (4) 총 에너지 소비량은 FCU의 에너지 소비량과 환기 시스템의 에너지 소비량을 합친 것으로서, AHU를 설치한 실보다 HRV를 설치한 실의 총 에너지 소비가 적은 양상을 보였다. 특히 실험 기간인 17일 동안 HRV를 사용한 실이 127.
- (5) 각 실의 총 에너지 소비에 대한 그래프에서 AHU를 설치한 실의 에너지 소비가 급증하는 부분은 오전 8시~10시와 오후 2시~5시로 크게 두 곳에서 나타났다. 오전은 건물의 운영이 시작되는 구간이기 때문에 에너지 소비가 급증하고 오후는 외기의 온도가 가장 높은 구간이기 때문에 에너지 소비가 급증하는 것으로 판단된다.
- 8) AHU, FCU로 급수되는 물의 온도는 7℃로 공급되도록 설정되어 있으며, 실내로 공급되는 1차 공기의 급기 온도 설정온도는 20℃이다.
- AHU를 설치한 실에서 에너지 소비가 급증하는 부분은 오전 8시~10시, 오후 2시~5시로 크게 두 곳에서 나타났다. A구간인 오전 8시~10시의 구간은 건물의 사용이 시작되는 시점이기 때문에 에너지소비가 많은 것으로 확인되었고 B구간인 오후 2시~5시 구간은 외기온도가 가장 높은 시간대이기 때문에 실의 온도를 낮추기 위해서 에너지소비가 많은 것으로 확인되었다.
- (1) 건물의 운영시간인 오전 8시부터 오후 6시에서 각 실 모두 실내 설정온도 26℃를 기준으로 4℃정도의 온도차 범위 내에 있는 것으로 확인되었다. HRV가 설치된 실이 AHU를 설치한 실에 비하여 실내 온도가 더 낮게 유지되는 양상을 보였으며, 특히 HRV가 설치된 실의 경우 건물의 운영시간 동안 실의 설정온도인 26℃를 크게 벗어나지 않았으며 온도가 비교적 일정하게 유지되는 것으로 나타났다.
- 따라서 HRV 시스템의 에너지 소비는 기기를 작동하기 위한 전력이나 팬의 동력에 들어가는 기본적인 전기에너지만을 소비 하기 때문에 적은 것으로 나타난다. 각 실에서 사용된 환기 시스템에 대한 에너지 소비량은 AHU를 설치한 실이 HRV를 설치한 실보다 약 91% 정도 많이 소비되는 것으로 확인되었다.
- 이러한 대상실에서 하절기에 냉방을 위하여 사용되는 총 에너지 소비량은 FCU에 소비되는 냉방 에너지와 환기에 사용되는 에너지의 합으로 계산하였다. 각 실에서의 하절기 냉방에 사용되는 총 에너지 소비량은 AHU를 설치한 실보다 HRV를 설치한 실이 더 적은 것을 확인 할수 있었으며, 실험 기간인 17일 동안의 총 에너지 소비량을 비교하면 HRV를 사용한 실이 127.5kWh의 에너지 소비를 하였고 AHU를 사용한 실이 155.58kWh의 에너지 소비를 한 것으로 확인 되었다. 따라서 HRV를 사용한 실이 냉방에 대한 에너지를 약 22% 정도 덜 소비하는 것으로 나타났다.
- 본 연구에서는 동일한 외피와 환경 조건에서 진행된 AHU 시스템과 HRV 시스템의 Side-by-Side Test를 통하여 각 실의 냉방에너지를 비교·분석하였다. 그 결과 HRV가 적용된 실의 하절기 냉방에너지소비량이 약 22%정도 절감되는 효과를 확인 할 수있었다. 또한 HRV 시스템이 설치된 실의 최대 에너지 소비량이 AHU 시스템보다 현저하게 낮은 것을 확인 할 수 있는데, 이러한 HRV 시스템의 영향으로 건물의 에너지 Peak demand가 감소하면 전력요금의 측면에서도 유리하게 적용될 수 있을 것으로 판단 된다.
- Figure 5는 실험기간 동안 각 실에 설치된 FCU의 평균 에너지 소비량을 나타낸 그래프이다. 그래프에서 제시된 것처럼 각 실에서의 FCU 에너지 소비는 HRV가 설치된 실이 AHU를 설치한 실보다 대체로 높은 양상을 보였으며 건물의 운영시간인 오전 8 시~오후 6시까지는 HRV가 설치된 실이 약 29%정도 에너지 소비가 더 많았다. 또한 건물 운영시간 동안 FCU의 과부하를 방지하기 위해서 HRV가 설치된 실만 오후 7시~오전 7시까지의 저녁시간에 운전되었기 때문에 HRV가 설치된 실에서만 에너지소비가 발생하였다.
- 에서는 CE3 에너지 시뮬레이션 프로그램을 적용하여 냉난방 에너지 요구량과 연간 에너지 요구량의 절감량을 분석하였다. 독일의 패시브하우스 설계 기준에 따라 건물을 설계 하였을 때 HRV를 사용할 경우에는 기준 주택에 비하여 냉방에너지가 약 15% 정도 절감되는 효과를 보인다고 분석하였다.
- 58kWh의 에너지 소비를 한 것으로 확인 되었다. 따라서 HRV를 사용한 실이 냉방에 대한 에너지를 약 22% 정도 덜 소비하는 것으로 나타났다.
- 냉방을 하여 약 20℃의 낮은 온도의 공기를 공급하는 AHU와 달리 HRV는 냉방 없이 외기와의 직접적인 열교환을 이용하여 공기를 공급한다. 따라서 HRV를 설치한 실에서 실내로의 급기 온도가 다소 높아져서 AHU를 사용한 실보다 FCU의 에너지 소비가 많은 것으로 나타났다.
- 또한 건물 운영시간 동안 FCU의 과부하를 방지하기 위해서 HRV가 설치된 실만 오후 7시~오전 7시까지의 저녁시간에 운전되었기 때문에 HRV가 설치된 실에서만 에너지소비가 발생하였다. 따라서 오전 0시~오후 11시인 전체 시간동안 HRV가 설치된 실의 에너지소비가 약 46%정도 많은 것으로 확인되었다.
- 그 결과 HRV가 적용된 실의 하절기 냉방에너지소비량이 약 22%정도 절감되는 효과를 확인 할 수있었다. 또한 HRV 시스템이 설치된 실의 최대 에너지 소비량이 AHU 시스템보다 현저하게 낮은 것을 확인 할 수 있는데, 이러한 HRV 시스템의 영향으로 건물의 에너지 Peak demand가 감소하면 전력요금의 측면에서도 유리하게 적용될 수 있을 것으로 판단 된다.
- 또한 HRV가 설치된 실은 AHU가 설치된 실과 달리 FCU의 과부하 방지를 위해 저녁시간에도 운전을 하였음에도 불구하고 총에너지 소비량은 AHU가 설치된 실에 비하여 약 22%정도 적은 것으로 나타났다.
- 또한 HRV가 설치된 실이 AHU를 설치한 실에 비하여 실내 온도가 더 낮게 나타나는 양상을 보였으며, 특히 HRV가 설치된 실의 경우 건물의 운영 시간인 오전 8시~오후 6시 시간동안 실의 설정온도인 26℃를 크게 벗어나지 않았으며 온도가 일정하게 유지되는 것을 확인할 수 있다.
- 특히 HRV가 설치된 실은 FCU의 과부하를 방지하기 위하여 저녁 시간에도 설비의 운전을 하였는데 이로 인하여 오후 7시~ 오전 7시의 시간동안 최대 온도 28도 부근에서 유지되는 것을 확인 할 수 있었다.
- (4) 총 에너지 소비량은 FCU의 에너지 소비량과 환기 시스템의 에너지 소비량을 합친 것으로서, AHU를 설치한 실보다 HRV를 설치한 실의 총 에너지 소비가 적은 양상을 보였다. 특히 실험 기간인 17일 동안 HRV를 사용한 실이 127.5 kWh의 에너지를 소비하였고, AHU를 사용한 실이 155.58kWh의 에너지 소비를 하여 HRV를 설치한 실의 에너지 소비량이 약 22% 더 적게 나온 것을 확인 할 수 있었다.
- 김상민 외의 연구2) 에서는 공동주택에 설치된 HRV의 냉방에너지 소비량절약 효과를 평가하였으며, 실측 에너지 소비량과 시뮬레이션 결과를 비교하였다. 해당 연구에서는 하절기를 기준으로 HRV를 사용하는 경우에 에너지가 약 7%가 절약되고 시뮬레이션의 결과상으로도 약 10% 정도가 절약되는 것으로 분석되었다.
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