[논문]의료시설 에너지절약 운영방법 도출을 위한 사례분석을 통한 에너지 영향요소 분석

이상문; 조진균

doi:10.7836/kses.2019.39.2.057

의료시설 에너지절약 운영방법 도출을 위한 사례분석을 통한 에너지 영향요소 분석
Case Study for Energy Conservation Measures of Hospital Buildings Using the Analysis of Energy Consumption Structure 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.39 no.2, 2019년, pp.57 - 69

이상문 (한국건설생활환경시험연구원 건물에너지센터) , 조진균 (한국건설생활환경시험연구원 건물에너지센터)

Abstract ▼ AI-Helper

Because the hospital building operates 24 hours a day, 365 days a year for treatment and restoration of patients, it has a different pattern of energy use than that of ordinary buildings. 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 ECMs, can be operated for hospital buildings, a category encompassing complex buildings with different systems and large differences between them. In this study, we proposed the energy diagnosis & evaluation method and energy management process to verify energy saving through operation data based on system & facility characteristics, operation pattern and energy consumption characteristics of hospital building. Energy consumption structures were surveyed throughout 4 reference hospital in Seoul, Korea. Findings confirm that different hospital departments have hugely different energy-demand profiles. Energy efficiency and energy saving potentials are presented. The energy performance analysis can be applied to a wide range of problems in energy-system operation.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1 Preliminary procedure of energy analysis for hospital buildings
표 Table 1 Classification of building energy management level
그림 Fig. 2 Energy use aggregation levels of HVAC systems in buildings
그림 Fig. 3 Definition and classification ECMs project, procedure of ECMs priority matrix
표 Table 2 Reference hospitals for the case study
표 Table 3 Zonal floor area ratio of reference hospitals
표 Table 4 Total energy use and energy analysis by energy sources (Level 1)
그림 Fig. 4 Example of energy flow charts for a reference hospital A : a) electricity and b) district heat & city gas
그림 Fig. 5 Power usage ratio by systems in reference buildings
그림 Fig. 6 Thermal (heating/cooling) load contribution rate by zones
그림 Fig. 7 Power & thermal energy usage ratio by equipment in reference buildings
표 Table 5 Comparative assessment of energy consumption structure for reference hospitals

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 의료시설의 다양한 에너지절약 기법을 해당병원에 맞게 효과적으로 활용하여 절감목표를 달성할 수 있도록 에너지 영향요소 세분화하여 에너지소비 수준 정의(Baseline), 에너지 절감 목표 도출과 ECMs 설정을 위한 에너지소비구조를 분석하였다. 연구결과는 다음과 같다.
또한 해당병원의 에너지 소비수준,활용주체, 적용대상, 적용방법, 적용범위, 절감목표 등의 관리자 및 사용자의 에너지절약 수행체계에 어려움이 발생한다⁵⁾. 본 연구의 목표는 의료시설 에너지 절약을 위한 다양한 ECMs를 해당병원에 맞게 절감목표를 달성할 수 있도록 운영데이터에 근거한 정보를 제공하는 것이다. 이를 위하여 서울시 소재의 4개의 병원을 대상으로 에너지 영향요소를 세분화하여 ① 사용 시설별, ② 용도별 및 ③ 설비별 상세 에너지 분석을 수행하였다.
이를 위하여 서울시 소재의 4개의 병원을 대상으로 에너지 영향요소를 세분화하여 ① 사용 시설별, ② 용도별 및 ③ 설비별 상세 에너지 분석을 수행하였다. 이를 통하여 해당병원 에너지소비 수준 정의(Baseline), 에너지 절감 목표 도출과 ECMs 설정의 기초자료로 활용하고자 한다. 최종적으로는 현장조사 및 운영 데이터 (BEMS) 분석결과를 비교하여 상호 연계성을 도출하는 기반을 구축하는 것이다.

제안 방법

(2) 이를 위한 세부내용으로, 현장조사 및 사전평가 항목과 방법, 원격계측 에너지 데이터 수집과 에너지 관련인자 및 성능 평가항목 선정 절차와 방법 그리고 병원건물의 에너지 상세분석 방법을 제시하였다.
따라서 energy flow map을 통하여 용도별 또는 보다 세부적으로 장비별로 에너지 사용량을 평가 할 수 있다. 4개의 병원의 시스템 구성 및 장비일람을 기준으로 계통을 구분하고 중앙의 열원에서 사용되는 총 에너지를 기준으로 각 계통별로 차지하는 부하기여도를 분석하였다. Fig.
에너지월별 공급처와 사용처를 연계한 ②energy flow map을 작성하고 공급/사용량 관리를 위한 계측 위치를 통한 에너지 사용 실태를 평가한다. 구축된 에너지 흐름을 기반으로 ③용도별 사용처별 공급량과 사용량에 대한 balance를 검토한다. 그리고 energy balance의 공급/사용에 대한 문제점 파악 및 적정성 검토로 ④개선점 발굴 및 에너지 저감기술을 선정한다.
구축된 에너지 흐름을 기반으로 ③용도별 사용처별 공급량과 사용량에 대한 balance를 검토한다. 그리고 energy balance의 공급/사용에 대한 문제점 파악 및 적정성 검토로 ④개선점 발굴 및 에너지 저감기술을 선정한다. 이를 위해 ECMs의 우선순위를 평가할 수 있는 priority matrix 기법⁸⁾ 적용이 가능하다.
대상병원의 에너지월별 공급처와 사용처를 연계한 energy flow map을 작성하고 공급/사용량 관리를 위한 계측 위치를 통한 상세 에너지 사용 실태를 평가하였다. 세부적으로 ① 가스(연료)에너지 흐름, ② 전력에너지 흐름 및 ③ 지역열원 에너지 흐름을 분석하고 ④ 계통별(용도별) 에너지 사용비율 및 기여도를 산출하였다.
병원건물의 에너지 진단 및 평가는 대상병원의 실태조사 결과를 기반으로 에너지 데이터 수집하고 수집된 상세 데이터를 기준으로 분석범위와 에너지사용 시나리오별 소비패턴 및 성능분석을 수행한다. 즉, 대상 병원의 에너지 성능분석 결과를 기반으로 에너지절감 운영요인을 발굴하고, 타 병원건물 간의 유의성과 일반화 가능한 아이템 도출하는 단계가 필요하다(Fig.
대상병원의 에너지월별 공급처와 사용처를 연계한 energy flow map을 작성하고 공급/사용량 관리를 위한 계측 위치를 통한 상세 에너지 사용 실태를 평가하였다. 세부적으로 ① 가스(연료)에너지 흐름, ② 전력에너지 흐름 및 ③ 지역열원 에너지 흐름을 분석하고 ④ 계통별(용도별) 에너지 사용비율 및 기여도를 산출하였다. Fig.
의료시설 시설현황 및 에너지 사용현황 실태조사를 위해 중규모 이상의 병원을 선정하여 사례분석을 수행하였다. 시설의 세부용도, 이용률, 이용시간, 주요 설비현황 등을 조사 후, 용도별 에너지사용패턴과 설비 운전방법 등을 분석하여 의료시설의 특성에 따른 에너지절감 운영 요인 발굴의 기본방향을 설정하였다.
실질적이고 객관적인 에너지 절감량을 산출하기 위해 규정된 측정에 기반한 절차 및 방법을 사용한다. 병원 건물에 적합한 ECMs 발굴 및 IPMVP 기준을 통한 단기/장기 성능변수 측정, 통계분석 기법을 활용한 연간 에너지 절감량 평가하여 에너지절감 항목 적용 기대효과를 도출할 수 있다.
병원의 특성상 지속적인 개보수/증축이 수반되어 실제로 내구연한을 초과한 장비는 많지 않았다. 에너지원은 전력, 도시가스, 지역열원과 일부 신재생에너지를 적용하였다. 에너지원 공급여부에 따라서 다양한 난방 및 냉방열원의 시스템이 결정되고, 다양한 수요처에서 증기를 필요로 하기 때문에 증기보일러를 기본적으로 설치하여 다수의 열원을 활용한다.
매년 자체적으로 에너지 절감 활동을 고려하여 검토하고 이러한 사항을 고려하여 ①대표년 에너지 사용량을baseline로 선정한다. 에너지월별 공급처와 사용처를 연계한 ②energy flow map을 작성하고 공급/사용량 관리를 위한 계측 위치를 통한 에너지 사용 실태를 평가한다. 구축된 에너지 흐름을 기반으로 ③용도별 사용처별 공급량과 사용량에 대한 balance를 검토한다.
대상건물의 에너지원별(가스, 전기, 지역열원, 기타), 에너지사용 설비별(냉 ‧ 온 열원장비, 공조장비, 반송설비, 조명설비 등), 에너지용도별 (냉방, 난방, 급탕, 환기, 조명, 기타) 그리고 에너지수요처별 (병동부, 외래부, 진료부, 수술실 ‧ 중환자, 응급시설, 공용시설, 기타)로 데이터 수집 및 조회가능 범위를 명확하게 규명한다. 원격계측 시스템이 측정되고 수집되는 성능관련 인자들의 평가시점을 기준으로 실시간 평가와 기간별 평가로 분류하여 수집한다.
본 연구의 목표는 의료시설 에너지 절약을 위한 다양한 ECMs를 해당병원에 맞게 절감목표를 달성할 수 있도록 운영데이터에 근거한 정보를 제공하는 것이다. 이를 위하여 서울시 소재의 4개의 병원을 대상으로 에너지 영향요소를 세분화하여 ① 사용 시설별, ② 용도별 및 ③ 설비별 상세 에너지 분석을 수행하였다. 이를 통하여 해당병원 에너지소비 수준 정의(Baseline), 에너지 절감 목표 도출과 ECMs 설정의 기초자료로 활용하고자 한다.
에너지원 공급여부에 따라서 다양한 난방 및 냉방열원의 시스템이 결정되고, 다양한 수요처에서 증기를 필요로 하기 때문에 증기보일러를 기본적으로 설치하여 다수의 열원을 활용한다. 주요 공조방식은 팬코일유닛(FCU)과 공조기(AHU)를 통한 최소외기방식을 채택하였다.

대상 데이터

대상병원의 총 에너지 소비량의 Baseline은 2015년~2017년까지 최근 3년간 에너지원별 사용량을 수집하여 분석하였다. 또한 병원의 특성별로 상당한 차이가 발생하지만 의료시설 단위면적 당 평균 에너지 사용량인 76.
의료시설 시설현황 및 에너지 사용현황 실태조사를 위해 중규모 이상의 병원을 선정하여 사례분석을 수행하였다. 시설의 세부용도, 이용률, 이용시간, 주요 설비현황 등을 조사 후, 용도별 에너지사용패턴과 설비 운전방법 등을 분석하여 의료시설의 특성에 따른 에너지절감 운영 요인 발굴의 기본방향을 설정하였다.

이론/모형

그리고 energy balance의 공급/사용에 대한 문제점 파악 및 적정성 검토로 ④개선점 발굴 및 에너지 저감기술을 선정한다. 이를 위해 ECMs의 우선순위를 평가할 수 있는 priority matrix 기법⁸⁾ 적용이 가능하다. Fig.

성능/효과

(3) 서울시 소재의 4개의 병원을 대상으로 에너지 구조를 분석한 결과, 대상건물의 규모, 사용시설 면적구성,에너지원 종류 및 사용비율 및 주요설비 구성에 따른 에너지 소비형태의 다양성을 가진다.
(5) 의료시설 다양한 에너지절약 활동은 해당병원에 맞게 효과적으로 절감목표를 달성할 수 있도록 활용성을 확보하는 것이 우선되어야 한다.
4개의 대상병원의 계통별 바닥면적을 합산한 결과, 24시간 병동부(A병원: 24.6%, B병원: 24.1%, C병원: 69.1%, D병원: 42.9%)와 10시간 외래부(A병원: 25.4%, B병원: 26.9%, C병원: 13.5%, D병원: 15.1%)가 가장 많은 면적을 차지하였으며, 중앙공급부, 공용부, 수술부, 업무부, 장례부, 응급부 순으로 나타났다. ECMs 항목의 결정에 있어서 사용 계통(시설)별 사용 에너지 및 현장의 각종 데이터를 바탕으로 에너지 절감 항목을 검토하고 그 효율성과 효과정도를 판단하여 순위를 결정하는 것이 필요한데, 직관적으로 많은 면적으로 차지하는 계통이 우선 대상이 된다.
1%) 또한 높은 비율을 보이고 있다. C병원은 공조동력(27.7%), 일반용 전등/전열(27.0%), 의료용 검사/진단장비(23.0%) 및 기계동력(22.3%) 순으로 비슷한 비중을 보였고, D병원은 전등/전열(42.6%)과 기계동력(23.5%)이 비율이 높고, 의료 전열/동력 (14.3%), 비상동력(15.3%)도 상당부분을 차지하였다.
Fig. 7과 같이, 지역열원이 공급되는 A병원의 장비별 지역난방사용량은 급탕용(54.6%), 난방용(31.8%) 및 냉방용(13.5%) 순이며, 순환펌프(48.1%), 공조기 팬(35.2%), 열원기기(10.1%), 기타 공조설비(3.8%) 및 팬코일유닛 팬(2.9%)이 전력을 많이 사용하는 기기로 분석되었다. 또한 D병원은 냉방용(45.
3과 같이, ECMs는 크게 효율관리, 제어관리와 부하관리 측면에서 접근이 가능하다. 그리고 각각의 에너지 절감요소를 병원의 요구사항을 고려하여 에너지소비량, 에너지비용, 실내환경, 추가비용 및 적용성 등의 주요 가중척도를 기준으로 ⑤우선순위 도출이 가능하다. 또한 가중치는 프로젝트의 특성에 따라 협의하여 확정하는 것이 필요하다.
1%을 차지하고 있다. 단위면적당 에너지 사용량은 41.0 kgoe/m²로 의료시설 평균 대비 절반 수준으로 에너지를 적게 사용하는 것으로 분석되었다. 반면에 B병원은 최근 3년간 에너지 사용량은 매년 3%이상 증가 추이를 보였고, 연간 7,032 TOE 중 전력 72.
대상병원의 총 에너지 소비량의 Baseline은 2015년~2017년까지 최근 3년간 에너지원별 사용량을 수집하여 분석하였다. 또한 병원의 특성별로 상당한 차이가 발생하지만 의료시설 단위면적 당 평균 에너지 사용량인 76.1kgoe/m²와 상대적인 비교를 하였다. Table 4는 에너지원별 사용량 비율을 총량과 단위면적으로 구분하여 보여주고 있다.
8% 비율로 연간 총 에너지 사용량은 1,641 TOE이다. 마지막으로 D병원은 전력 67.9%, 지역난방 22.3%,가스 9.7%로 단위면적당 에너지 사용량은 44.6 kgoe/m2(평균대비 59%), 연간 총 1,753 TOE를 소비하였다. 4개의 대상병원은 각기 의료 기능적인 특성에 차이가 있기 때문에 에너지 사용량에 대한 정형화된 패턴을 찾기 힘들다.
0 kgoe/m²로 의료시설 평균 대비 절반 수준으로 에너지를 적게 사용하는 것으로 분석되었다. 반면에 B병원은 최근 3년간 에너지 사용량은 매년 3%이상 증가 추이를 보였고, 연간 7,032 TOE 중 전력 72.1%, 가스 27.9%의 비율로 에너지를 사용하여 단위면적당 에너지 사용량은 131 kgoe/m²로 평균 대비 1.7배 이상 에너지를 많이 사용하는 것으로 분석되었다. 여기에는 설비의 노후도, 의료장비의 사용률 및연면적 대비 주차장면적의 복합적인 요인이 작용하였다.

후속연구

(6) 따라서 병원건물의 정확한 에너지 소비구조를 분석할 수 있는 절차를 통하여 해당 병원의 효과적인 에너지 절감활동을 수행할 수 있는 에너지절약 운영가이드 개발과 활용성 확보를 위한 후속 연구가 필요하다.
따라서 대상 건물에 대한 전반적인 현황조사 및 건물 사용자, 관리자 등과의 인터뷰를 통해 건물과 건물의 에너지 성능에 대한 개념적인 이해를 도모하기 위한 과정을 수행하여 주요 설비현황, 용도별 에너지사용패턴, 설비 운전방법, 조닝, 사용용도, 내원인원수 및 시간대에 따른 사용특성을 파악해야 한다. Table 1은 대상병원의 설비시스템 선정 및 평가기준 확보를 위한 에너지관리 시스템 구축 level 분류와 BEMS 설치기준⁶⁾을 보여준다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	병원건물이 에너지 소비량 증가에 큰 영향을 주는 이유는 무엇인가?	통상적으로 환자의 치유 목적을 위해 연중 365일, 24시간 운영하기 때문에 건물 부문에서 매우 높은 에너지 소비 비율을 차지한다1,2). 또한 병원내의 치유환경을 유지하고 최적제어를 위한 정교한 HVAC 시스템이 요구되는 동시에 실내의 청정도유지 및 감염방지에 대한 환기기준이 적용되어 에너지 소비량 증가에 큰 영향을 준다3).
	에너지 사용량 평가에 있어 energy flow map이 필요한 이유는 무엇인가?	건물의 열 에너지 사용량은 실제로 중앙에서 열원을 공급해 주는 장비에서 직접적으로 사용되는 에너지를 계측하기 때문에 각 용도별, 계통별 냉난방 에너지 사용량을 산출하기 매우 힘들다. 따라서 energy flow map을 통하여 용도별 또는 보다 세부적으로 장비별로 에너지 사용량을 평가 할 수 있다.

참고문헌 (8)

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Singer, B. C. and Tschudi, W. F., High Performance Healthcare Buildings: A Roadmap to Improved Energy Efficiency Environmental Energy Technologies Division, LBNL Report (2737E), 2009.
IEA, Saving Energy with Energy Efficiency in Hospitals, ISBN 90-72647-32-7, 1997.
Balaras C. A., Gaglia, A. G., Georgopoulou, E., Mirasgeds, S., Sarafidis, Y., and Lalas, D. P., European Residential Buildings and Empirical Assessment of the Hellenic Building Stock, Energy Consumption, Emissions and Potential Energy Savings, Building and Environment, Vol. 42, No. 3, pp. 1298-1314, 2007.

상세보기
Cho, J., Park, B., and Seo, H., Systematization of Hospital Building Diagnosis and Evaluation and Energy Management for Energy Saving, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 30, No. 8, pp. 388-399, 2018.

상세보기
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ASHRAE, Advanced Energy Design Guide for Large Hospitals, American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc., Atlanta, GA., 2012.

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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