[논문]병원건물의 에너지 저감을 위한 에너지성능 평가에 관한 사례연구

조진균; 문정환; 강호석

doi:10.6110/kjacr.2017.29.1.029

병원건물의 에너지 저감을 위한 에너지성능 평가에 관한 사례연구
Energy Performance Analysis for Energy Saving Potentials of a Hospital Building : A Case Study Methodology Based on Annual Energy Demand Profiles 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.29 no.1, 2017년, pp.29 - 37

조진균 (삼성물산(주) 건설부문 품질기술실 기술팀) , 문정환 (삼성물산(주) 건설부문 품질기술실 기술팀) , 강호석 (삼성물산(주) 건설부문 품질기술실 기술팀)

Abstract ▼ AI-Helper

Hospitals contribute to energy consumption and have a negative environmental impact. This study aims to find how meaningful energy performance, reflecting good energy management and design, can be planned for hospital buildings, a category encompassing complex buildings with different setups and large differences between them. Energy-consumption characteristics were surveyed throughout Korea to establish statistical energy models. Findings confirm that different hospital departments have hugely different energy-demand profiles. Energy efficiency and energy-saving potentials on HVAC systems are presented. The energy performance analysis can be applied to a wide range of problems in energy-system design and planning, including simulations and optimizations of community energy systems.

주제어

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문제 정의

⁽³⁾ 이와 같이, 환자를 위한 높은 열쾌적, 공기질 수준을 유지하기 위해 냉·난방 에너지, 전기(조명 및 의료기기) 에너지의 소비량이 다른 용도의 건물에 비해 현저하게 증가하게 된다.⁽⁴⁾ 본 연구에서는 대표적인 에너지 다소비 건물인 병원을 대상으로 HVAC 시스템의 에너지 소비패턴 및 특성을 분석하고 에너지 절감 요소를 도출하여 궁극적으로는 에너지가 최적화된 공조시스템을 구현하는 것이 주요 목적이다. 건물부하를 기준으로 병원건물의 HVAC 시스템의 에너지 소비량을 해석하는 방법론을 도출하였으며 이를 바탕으로 사용자가 손쉽게 시스템 에너지를 평가할 수 있는 프로그램을 개발하였다.
(9) 본 연구에서는 시스템 구성과 조합에 초점을 둔 통합된 설계개념에서 HVAC 시스템의 에너지 성능을 분석하고 시스템의 방식 변경에 따른 에너지 소비량의 특성과 영향도를 빠르고 다양하게 분석할 수 있는 설계 프로세스 및 에너지 평가 툴을 개발하였다. 병실의 에너지 소비 특성을 파악하고 에너지성능 및 장비용량이 최적화된 HVAC 시스템을 설계하는 것이 본 연구에서 가장 중요한 업무이다.
⁽⁹⁾ 본 연구에서는 시스템 구성과 조합에 초점을 둔 통합된 설계개념에서 HVAC 시스템의 에너지 성능을 분석하고 시스템의 방식 변경에 따른 에너지 소비량의 특성과 영향도를 빠르고 다양하게 분석할 수 있는 설계 프로세스 및 에너지 평가 툴을 개발하였다. 병실의 에너지 소비 특성을 파악하고 에너지성능 및 장비용량이 최적화된 HVAC 시스템을 설계하는 것이 본 연구에서 가장 중요한 업무이다. 이를 위해서는 에너지 시뮬레이션을 수행하여 여러 가지 대안들의 에너지 성능을 사전에 평가해야 한다.
본 연구는 병원건물의 에너지 저감에 초점을 둔 통합된 개념에서 1차 에너지 소비량을 종합적으로 분석하였다. 이를 위해 병원건물의 HVAC 시스템의 구성 요소에 따른 에너지 소비 영향도 분석이 가능한 평가/예측 방법론을 도출하였고, 이를 활용한 에너지 평가프로그램을 개발하였다.
본 장에서는 병원건물 HVAC 시스템의 에너지 요구량을 분석하고 사용패턴을 통한 에너지 절약 방법을 제시하기 위해서 대규모 병원을 대상으로 사례연구를 진행하였다. 이를 위해서 개발한 프로그램을 활용하여 다양한 에너지 저감을 위한 에너지성능 평가를 수행하였다.

제안 방법

특히 병원시설은 구성되는 다양한 실의 설계기준에 의해서 HVAC시스템의 설계용량 등이 결정되기 때문에 별도의 시스템 선정 프로세스가 필요하다.⁽¹⁰⁾ 본 연구에서 제시하는 병원건물의 HVAC 시스템 해석방법은 건물부하를 기준으로 각 시간대별로 부하처리를 위한 에너지를 정상상태로 계산하도록 하였고, 시스템 용량 결정과 대수분할도 가능하도록 하였다. 즉 선정된 장비를 기준으로 각 시간대의 부하를 제거하기 위해 가동되는 장비의 부분부하 효율을 고려하여 입력에너지를 산출하였다.
(5, 6)그리고 이를 활용하여 중·대규모 병원 건물의 사례분석을 통해 HVAC 시스템의 에너지 특성 및 성능을 분석하고 구성 시스템 및 분야별 에너지 영향도 분석을 동시에 수행하였다.
6단계에서 8단계까지는 해당지역의 기후에 따른 외기부하의 변화, 기준모델의 부하량, 그리고 적용된 시스템의 특성과 에너지원에 따라 2차 에너지 소비량, 해당지역의 에너지 단가에 의한 에너지 비용 마지막으로 1차 에너지 소비량을 산출한다. 6단계의 기본적인 에너지 계산은 Microsoft EXCEL기반 스프레드시트 연산 엔진을 이용한 시간당 부하에 대응하여 선정된 장비의 대수에 비례하여 구동하고 마지막 대수의 장비는 다시 부하에 비례하여 에너지원의 사용이 결정되지만 장비의 부분부하효율과 최소 사용에너지 비율을 30%로 설정하여 에너지 소비량이 계산되도록 설정하였다. 또한 주요장비에 종속되는 하부시스템은 주요장비의 대수에 1:1 대응하여 구동한다.
건물부하 분석을 위한 시뮬레이션 도구는 TRNSYS가 사용되었고, 건물의 용도별 부하요구량 데이터를 기반으로 개발한 프로그램을 이용하여 에너지 요구량, 1, 2차 에너지 사용량 및 운전비를 산출하였다. 이를 위해 Table 4와 같이 용도별 설비시스템 관련 입력변수들을 선정하였다.
⁽⁴⁾ 본 연구에서는 대표적인 에너지 다소비 건물인 병원을 대상으로 HVAC 시스템의 에너지 소비패턴 및 특성을 분석하고 에너지 절감 요소를 도출하여 궁극적으로는 에너지가 최적화된 공조시스템을 구현하는 것이 주요 목적이다. 건물부하를 기준으로 병원건물의 HVAC 시스템의 에너지 소비량을 해석하는 방법론을 도출하였으며 이를 바탕으로 사용자가 손쉽게 시스템 에너지를 평가할 수 있는 프로그램을 개발하였다.^{(5, 6)}그리고 이를 활용하여 중·대규모 병원 건물의 사례분석을 통해 HVAC 시스템의 에너지 특성 및 성능을 분석하고 구성 시스템 및 분야별 에너지 영향도 분석을 동시에 수행하였다.
이를 위해 병원건물의 HVAC 시스템의 구성 요소에 따른 에너지 소비 영향도 분석이 가능한 평가/예측 방법론을 도출하였고, 이를 활용한 에너지 평가프로그램을 개발하였다. 그리고 병원건물의 HVAC 시스템의 에너지 특성 및 성능을 분석하고 구성 시스템 및 분야별 에너지 영향도 분석을 동시에 수행하였다.
앞에서 분석한 병원건물에서 열에너지의 요구량은 Table 5와 같이 종합적으로 정리할 수 있다. 또한 이러한 열에너지를 전달 또는 생산하기 위해 전기 에너지 또는 화석 연료를 사용하는 장비들이 구성되고, 2차 에너지 개념에서 site EUI(Energy Use Intensity)로⁽¹¹⁾ 분석하였다. Fig 13의 전력사용량은 11,600 MWh/yr(175kWh/m²·yr)로 공조, 열원, 반송의 HVAC 시스템이 약 45%, 환기시스템과 위생설비가 각각 14%와 8%를 차지하고 있다.
본 연구는 병원건물의 에너지 저감에 초점을 둔 통합된 개념에서 1차 에너지 소비량을 종합적으로 분석하였다. 이를 위해 병원건물의 HVAC 시스템의 구성 요소에 따른 에너지 소비 영향도 분석이 가능한 평가/예측 방법론을 도출하였고, 이를 활용한 에너지 평가프로그램을 개발하였다. 그리고 병원건물의 HVAC 시스템의 에너지 특성 및 성능을 분석하고 구성 시스템 및 분야별 에너지 영향도 분석을 동시에 수행하였다.
본 장에서는 병원건물 HVAC 시스템의 에너지 요구량을 분석하고 사용패턴을 통한 에너지 절약 방법을 제시하기 위해서 대규모 병원을 대상으로 사례연구를 진행하였다. 이를 위해서 개발한 프로그램을 활용하여 다양한 에너지 저감을 위한 에너지성능 평가를 수행하였다.
⁽¹⁰⁾ 본 연구에서 제시하는 병원건물의 HVAC 시스템 해석방법은 건물부하를 기준으로 각 시간대별로 부하처리를 위한 에너지를 정상상태로 계산하도록 하였고, 시스템 용량 결정과 대수분할도 가능하도록 하였다. 즉 선정된 장비를 기준으로 각 시간대의 부하를 제거하기 위해 가동되는 장비의 부분부하 효율을 고려하여 입력에너지를 산출하였다. 기본적인 에너지 성능분석 절차는 Fig.

대상 데이터

해석 대상 건물은 경남지역에 소재한 500병상의 대규모 종합병원으로, 건물의 개요는 Table 2와 같다. 모델건물은 기능적으로 병동부, 외래부, 클리닉, 수술부 및 공용부로 5개의 용도로 나뉘며 Fig. 6은 병원의 단면구분과 구성 면적을 나타낸다. 24시간 운영되는 병실은 전체면적의 약 30%를 차지하고 있으며, 외래(클리닉)는 가장 많은 면적인 약 50%로 구성되어 있다.
해석 대상 건물은 경남지역에 소재한 500병상의 대규모 종합병원으로, 건물의 개요는 Table 2와 같다. 모델건물은 기능적으로 병동부, 외래부, 클리닉, 수술부 및 공용부로 5개의 용도로 나뉘며 Fig.

성능/효과

(1) 대상건물의 2차 에너지의 전력사용량은 공조, 열원, 반송의 HVAC 시스템이 약 45%로 가장 큰 비율을 차지하고 있으며, 환기시스템과 위생설비가 각각 14%와 8%, 그리고 조명에너지도 33%로 큰 비율을 차지하고 있다.
(2) 가스사용량은 열원설비(냉·난방, 증기)에 의해 전기에너지에 비해 1.7배의 에너지를 소비하고, 그 중에서 냉․난방에 50%, 가습 및 급탕 등에 50%의 에너지가 소비가 될 것으로 분석되었다.
(3) 1차 에너지 소비량을 다시 에너지를 직접 소비하는 장비를 기준으로 분석을 하면, HVAC 시스템의 증기보일러 에너지 사용량이 22%로 가장 많고, 공조장비에서 소비되는 전기 에너지가 17%와 펌프류는 11%에 다다른다.
(3) 1차 에너지 소비량의 분야별 사용량 비율은HVAC 시스템의 온열원(33%), 냉열원(18%), 공조(16%) 및 환기(8%), 그리고 위생설비(5%)순이었으며 전기에너지 기반인 조명설비도 20%로 높은 비율을 차지하고 있었다.
(4) 이러한 HVAC 시스템의 에너지 사용을 절약하기 위한 방법은 SW 및 HW적인 방법으로 구분할 수 있고 최대 15%까지는 절감이 가능하다.
일반적으로 병원건물은 환자의 치유 목적을 위해 연중 365일, 24시간 운영하기 때문에 유틸리티빌딩 부문에서 매우 높은 에너지 소비 비율을 차지한다.^{(1, 2)} 또한 병원내의 치유환경을 유지하고 최적제어를 위한 정교한 HVAC 시스템이 요구되는 동시에 수술실, 중환자실, 클리닉 등 실내의 청정도유지 및 감염방지에 대한 명확한 환기기준(외기도입량)이 적용되어 에너지 소비량 증가에 큰 영향을 준다.⁽³⁾ 이와 같이, 환자를 위한 높은 열쾌적, 공기질 수준을 유지하기 위해 냉·난방 에너지, 전기(조명 및 의료기기) 에너지의 소비량이 다른 용도의 건물에 비해 현저하게 증가하게 된다.
1)의 비율도 60 : 40으로 전기에너지 소비량이 증가한다. 분야별로 사용량 비율을 보면, HVAC시스템의 온열원(33%), 냉열원(18%), 공조(16%) 및 환기(8%), 그리고 위생설비(5%) 순이었으며 전기에너지 기반인 조명설비도 20%로 높은 비율을 차지하고 있었다.
이를 다시 열량으로 환산하면 19,600 MWh/yr(300 kWh/m2·yr)로전기에너지에 비해 1.7배의 에너지를 소비하고, 그 중에서 냉․난방에 50%, 가습 및 급탕 등에 50%의 에너지가 소비될 것으로 분석되었다.
또한 물 반송계통의 펌프류는 인버터 및 다단제어를 통하여 약 15% 저감이 가능하다. 증기 보일러는 이론적으로 공기조정비 등 연소관리와 배기가스 폐열회수 및 증기압력, 블로우 다운량 조절, 응축수 제어 등의 운전방법 개선으로 10% 이상이 가능하여 전체적으로는 약 8.0%의 1차 에너지 저감이 가능하다. 또한 BEMS 등의 SW적인 방법 및 근원적인 부하관리를 통하여 최대 15%까지는 절감이 가능할 것으로 판단되며, 특히 건물의 특성상 외기량이 많기 때문에 외기량 제어와 배기열 회수만 적극적으로 이용하면 효과적인 병원건물의 에너지 절감 목표를 달성할 것으로 사료된다.

후속연구

0%의 1차 에너지 저감이 가능하다. 또한 BEMS 등의 SW적인 방법 및 근원적인 부하관리를 통하여 최대 15%까지는 절감이 가능할 것으로 판단되며, 특히 건물의 특성상 외기량이 많기 때문에 외기량 제어와 배기열 회수만 적극적으로 이용하면 효과적인 병원건물의 에너지 절감 목표를 달성할 것으로 사료된다.
각 공조에너지 소비 특성 및 구조를 알면, 우선적으로 어떤 요소를 고려해야 하는가를 판단할 수 있다. 병원의 공조에너지 소비 특성을 파악하고 규명하는 것이 중요한 선행 업무이며 이러한 지역별, 시스템별 에너지 성능 정보는 향후 공조 시스템을 최적화 프로세스와 연계하여 보다 현실적인 솔루션을 제시하는데 필요할 것이다.
병원은 환자의 치료목적 및 치유환경을 유지하기 위해 필수적으로 많은 에너지를 쓰기 때문에 현실적으로 절감량에 한계가 있을 수 있다. 앞에서 분석한 1차 에너지 소비량을 다시 에너지를 직접 소비하는 장비를 기준으로 분석을 하면 전략적으로 에너지를 절약해야 하는 부문의 도출이 가능하다. Fig 17에서와 같이, 병원의 특성상 난방, 증기사용량 및 급탕량이 많기 때문에 증기보일러의 에너지 사용량(22%)이 가장 많고, 24시간 운영에 따른 공조시스템(송풍기)에 소비되는 전기에너지가 17%에 이른다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	HVAC시스템의 에너지 사용을 절약하기 위한 방법에는 어떤 것이 있나요?	HW적인 방법으로는, 약 전체 소비량의 약 17%를 차지하는 공조시스템 공기반송 에너지는 외조기를 제외한 공조기를 CAV 시스템에서 VAV 시스템으로 변경하여 수요제어를 하고 FCU를 칠드빔 등의 송풍기가 없는 시스템으로 변경할 경우 최대 25%의 에너지 저감이 가능하다. 또한 물 반송계통의 펌프류는 인버터 및 다단제어를 통하여 약 15% 저감이 가능하다. 증기 보일러는 이론적으로 공기조정비 등 연소관리와 배기가스 폐열회수 및 증기압력, 블로우 다운량 조절, 응축수 제어 등의 운전방법 개선으로 10% 이상이 가능하여 전체적으로는 약 8.0%의 1차 에너지 저감이 가능하다. 또한 BEMS 등의 SW적인 방법 및 근원적인 부하관리를 통하여 최대 15%까지는 절감이 가능할 것으로 판단되며, 특히 건물의 특성상 외기량이 많기 때문에 외기량 제어와 배기열 회수만 적극적으로 이용하면 효과적인 병원건물의 에너지 절감 목표를 달성할 것으로 사료된다.
	병원건물은 어떤 건물인가?	병원건물은 외래부에서 집중치료시설에 이르기까지 다양하고 에너지 집약적인 시설에서 의료서비스를 제공한다. 일반적으로 병원건물은 환자의 치유 목적을 위해 연중 365일, 24시간 운영하기 때문에 유틸리티빌딩 부문에서 매우 높은 에너지 소비 비율을 차지한다.
	병원건물이 유틸리티빌딩 부문에서 높은 에너지 소비 비율을 차지하는 이유는?	병원건물은 외래부에서 집중치료시설에 이르기까지 다양하고 에너지 집약적인 시설에서 의료서비스를 제공한다. 일반적으로 병원건물은 환자의 치유 목적을 위해 연중 365일, 24시간 운영하기 때문에 유틸리티빌딩 부문에서 매우 높은 에너지 소비 비율을 차지한다.(1, 2) 또한 병원내의 치유환경을 유지하고 최적제어를 위한 정교한 HVAC 시스템이 요구되는 동시에 수술실, 중환자실, 클리닉 등 실내의 청정도유지 및 감염방지에 대한 명확한 환기기준(외기도입량)이 적용되어 에너지 소비량 증가에 큰 영향을 준다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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