[논문]소규모 학교의 냉난방 및 신재생에너지복합시스템 적용방안에 관한 연구

김지연; 박효순; 홍성희; 김성실; 허인구; 서승직

소규모 학교의 냉난방 및 신재생에너지복합시스템 적용방안에 관한 연구
A Study on the Application Plan of Air-Conditioning and Renewable Complex Systems in the Small Schools. 원문보기

김지연 (인하대학교 건축공학과) , 박효순 (한국에너지기술연구원) , 홍성희 (한국에너지기술연구원) , 김성실 (LG전자) , 허인구 (LG전자) , 서승직 (인하대학교 건축공학과)

The research aims to study a new, optimum and renewable energy application method that can cover the minimum energy and operation costs within a range of school budgets. By deriving the optimum application method, it is expected to maximize the cooling/heating and water heating energy saving efficiencies for educational facilities. Therefore, this research carried out a study on the new/renewable energy utilization technique diffusion expansion method and the optimum method. As a result, the first optimum plan was introduced with the multi-type geothermal heat pump 174kW + solar heat collector $94\;m^2$ + highly efficient electronic cooling/heating device (EHP) 249.4kW. On the other hand, the second optimum plan was induced as the multi-type geothermal heat pump 255.2kW + highly efficient electronic cooling/heating device (EHP) 168.2kW.

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문제 정의

하지만 성능이 좋은 신∙재생에너지 설비기기가 도입되고 정책이 앞서간다고 하여도 교육시설의 신∙재생에너지에 대한 도입 규모 등 적정 용량기준이 없고 최적시스템의 구축과 경제성이 분석되고 평가되지 않는다면 에너지절약을 기대할 수 없을 뿐만 아니라 시스템 구축에 어려움이 따른다. 본 연구에서는 학교 예산 범위 내에서 에너지비용과 운영비용을 최소한으로 부담할 수 있는 최적의 냉∙난방 및 신∙재생에너지 적용방안을 연구하는 것이 목적이며 최적 적용방안을 도출하고자 연구를 수행하였다.
특히 TRNSYS는 건물 성능 시뮬레이션 프로그램 중 건물의 실질적 동적 반응을 모사할 수 있는 temperature-level-control로 해석할 수 있는 프로그램 중 하나이다. 이에 본 프로젝트에서는 TRNSYS가 건물 열성능 시뮬레이션 프로그램으로 적절한 것으로 판단되어 본 프로그램을 이용하여 해석하였다.

가설 설정

그리고 학교시설을 조사한 결과, 대부분의 학교는 냉∙난방시스템으로 EHP나 GHP시스템을 선호하고 있다. 개별제어가 가능한 이 두 시스템 중에 전력단가가 낮은 학교에는 EHP를 냉난방방식으로 채택하는 것이 비용절감측면에서 효과적일 것이다. 또한 EHP시스템을 주된 냉∙난방방식으로 하여 멀티형 물/공기 지열히트펌프와 연계한다면 냉난방비용을 절감할 수 있을 것이며 태양열 집열기나 태양광시스템을 통해 급탕부하와 전기부하를 줄 일수 있을 것이다.

제안 방법

또한 시뮬레이션 시간간격도 몇 시간부터 몇 초까지 자유롭게 설정 가능하다. 각 시스템 컴포넌트가 모듈식 구조이기 때문에 펌프, 칠러, 냉각탑, 태양열 집열기 등 원하는 사양대로 자유롭게 시스템을 구성할 수 있으며, HVAC 기기, 멀티존 모델, 각종 콘트롤러 및 태양열 집열기와 같은 약 60여 개의 표준 컴포넌트 모델을 제공하며, 기상화일 처리기 및 스케쥴 관리기, 결과 출력장치 등을 제공한다. 특히 TRNSYS는 건물 성능 시뮬레이션 프로그램 중 건물의 실질적 동적 반응을 모사할 수 있는 temperature-level-control로 해석할 수 있는 프로그램 중 하나이다.
신∙재생에너지적용비율을 선정하기 위해 건축공사비 5%를 기준으로 학교에 태양열 집열기, 멀티형 지열원 히트펌프, 태양광발전시스템을 조합하여 에너지비용을 비교하였다. 건축공사비 5% 비용의 범위 안에서 태양열 집열기와 멀티형 지열원 히트펌프를 적용하고 남은 비용으로 태양광발전시스템을 적용하였다. 그 결과, 집열기 면적이 늘어날수록 에너지비용은 감소하는 것으로 나타났다.
그리고 고효율 전기식 냉난방기(EHP), GHP로 남은 냉∙난방부하를 담당하도록 대안을 제시하였으며 소규모학교는 시설에 적용하는 냉∙난방용량이 작기 때문에 대용량급인 흡수식 냉온수기는 제외하였다. 건축공사비의 5%를 모두 멀티형 지열원 히트펌프(대안 4)와 태양광발전시스템(대안 5)을 적용하도록 하는 대안을 제시하여 나머지 대안과 비교하였다.
본 연구의 흐름도는 Fig. 2와 같으며 대부분의 입력 자료나 스케쥴은 실제 학교를 조사하여 작성하였다.
LCC평가를 위해 초기투자비는 앞서 산정한 대안별 초기투자비를 이용하였다. 신∙재생에너지시스템의 유지관리비는 고려하지 않았으며 고효율 전기식 냉난방기(EHP)의 유지관리비는 기기가격의 0.75%를 적용하였다.
신∙재생에너지적용비율을 선정하기 위해 건축공사비 5%를 기준으로 학교에 태양열 집열기, 멀티형 지열원 히트펌프, 태양광발전시스템을 조합하여 에너지비용을 비교하였다. 건축공사비 5% 비용의 범위 안에서 태양열 집열기와 멀티형 지열원 히트펌프를 적용하고 남은 비용으로 태양광발전시스템을 적용하였다.

성능/효과

교실의 실면적모듈은 67.5m²이며 모듈면적당 11.6kW용량의 실내기가 필요한 것으로 나타났다.
교육시설을 소, 중, 대규모로 구분하고 신․재생 에너지 의무투자비율인 건축공사비 5%의 비용한도 내에서 멀티형 지열원히트펌프 시스템, 고효율 전기식 냉난방기(EHP)을 연계한 복합시스템과 타 신∙재생에너지 및 냉∙난방시스템을 비교 평가한 결과, 에너지비용은 멀티형 지열원 히트펌프+고효율 전기식 냉난방기(EHP)+진공관형 태양열집열기시스템 < 멀티형 지열원 히트펌프+고효율 전기식 냉난방기(EHP) < 멀티형 지열원히트펌프+GHP+진공관형 태양열 집열기시스템 또는 고효율 전기식 냉난방기(EHP)+태양광발전시스템 < 물-물 지열히트펌프+GHP 순으로 증가하였다.
건축공사비 5% 비용의 범위 안에서 태양열 집열기와 멀티형 지열원 히트펌프를 적용하고 남은 비용으로 태양광발전시스템을 적용하였다. 그 결과, 집열기 면적이 늘어날수록 에너지비용은 감소하는 것으로 나타났다. 그리고 같은 규모의 집열기를 설치할 때, 멀티형 지열원 히트펌프와 태양광시스템을 조합하기보다는 멀티형 히트펌프로 나머지시스템을 담당하는 것이 에너지비용이 적었다.
따라서 적정용량의 집열기를 선택한 후 남은 설치비용으로 멀티형 히트펌프를 설치하는 것이 바람직할 것이다. 그리고 멀티형 히트펌프 적용 시 냉∙난방부하가 큰 실을 중심으로 적용하는 것이 에너지절감효과가 클 것으로 판단된다. 따라서 재실도나 재실인원이 많은 실인 수업교실, 보건실, 교장실, 행정실, 교무실, 식당에 지열원 히트펌프를 적용하는 것이 효과적일 것이다.
대안 1, 4, 5에 대해서 총 생애비용을 계산한 결과, 대안 4가 총 생애주기비용이 가장 낮은 것으로 나타났다. 대안 1은 에너지비용이 가장 낮았 지만 대안 4와 비교하여 소규모학교에서는 투자비회수가 불가능한 것으로 나타났으며 중규모와 대규모학교의 경우는.
대안 1, 4, 5에 대해서 총 생애비용을 계산한 결과, 대안 4가 총 생애주기비용이 가장 낮은 것으로 나타났다. 대안 1은 에너지비용이 가장 낮았 지만 대안 4와 비교하여 소규모학교에서는 투자비회수가 불가능한 것으로 나타났으며 중규모와 대규모학교의 경우는. 생애주기비용의 차가 근소 하나 기기교체시기로 인해 투자비회수가 불가한 것으로 나타났다.
대안 1과 대안 2의 에너지비용의 차이는 고효율 전기식 냉난방기(EHP)과 GHP시스템의 에너지비용 차이로 고효율 전기식 냉난방기(EHP)가 GHP 시스템보다 COP가 더 크며 GHP시스템이 에너지원으로 가스를 사용하기 때문에 상대적으로 높은 가스단가로 인해 에너지비용이 큰 것으로 판단된다. 대안 2과 대안 3의 에너지비용의 차이는 멀티형 지열원히트펌프와 물-물 지열원히트펌프의 에너지비용 차이에서 오는 것으로 추가적인 실내측 순환펌프의 동력소요, 상대적으로 낮은 COP로 에너지비용이 증가된 것으로 판단된다. 태양열집열판 면적 94m²을 기준으로 나머지비용을 멀티형 지열원히트펌프(174kW)설치 시 연간 에너지비용은 12,747천원으로 가장 비용이 적게 드는 것으로 나타났으며, 의무설치비용을 멀티형지열원히트펌프(255.
총 초기투자비용이 439,316천원으로 대안 1과 비교하여 19,383천원이 적은 것으로 나타났으며 이는 태양열집열기 설치비용으로 인해 멀티형 지열원히트펌프 설치용량이 줄어 들고 고효율 전기식 냉난방기 (EHP) 설치용량이 커졌기 때문이다. 대안 3의 경우, GHP설치공사비나 장비비가 고효율 전기식 냉난방기(EHP)에 비해 높아 초기투자비가 가장큰 것으로 나타났다
연면적 6,000m², 12학급 소규모 학교의 최적 1안은 멀티형 지열원 히트펌프 174kW+태양열집열기 94m²+고효율 전기식 냉난방기(EHP) 249.4kW이고 최적 2안은 멀티형지열히트펌프 255.2kW+고 효율 전기식 냉난방기(EHP) 168.2kW으로 도출되었다.
초기투자비는 멀티형 지열원 히트펌프+고효율 전기식 냉난방기(EHP) < 멀티형 지열원 히트펌프+ 고효율 전기식 냉난방기(EHP)+진공관형 태양열 집열기시스템 < 고효율 전기식 냉난방기(EHP)+ 태양광발전시스템 < 멀티형 지열원 히트펌프+GHP+진공관형 태양열 집열기시스템 < 물-물지열히트펌프+GHP 순으로 증가하였으며 LCC분석 결과, 멀티형 지열원 히트펌프+고효율 전기식냉난방기(EHP)가 학교시설에 적합한 시스템으로 도출되었다.
태양열집열판 면적 94m²을 기준으로 나머지비용을 멀티형 지열원히트펌프(174kW)설치 시 연간 에너지비용은 12,747천원으로 가장 비용이 적게 드는 것으로 나타났으며, 의무설치비용을 멀티형지열원히트펌프(255.2kW)로만 적용했을 시에도 에너지효율이 높은 것으로 판단된다.

후속연구

개별제어가 가능한 이 두 시스템 중에 전력단가가 낮은 학교에는 EHP를 냉난방방식으로 채택하는 것이 비용절감측면에서 효과적일 것이다. 또한 EHP시스템을 주된 냉∙난방방식으로 하여 멀티형 물/공기 지열히트펌프와 연계한다면 냉난방비용을 절감할 수 있을 것이며 태양열 집열기나 태양광시스템을 통해 급탕부하와 전기부하를 줄 일수 있을 것이다. 하지만 성능이 좋은 신∙재생에너지 설비기기가 도입되고 정책이 앞서간다고 하여도 교육시설의 신∙재생에너지에 대한 도입 규모 등 적정 용량기준이 없고 최적시스템의 구축과 경제성이 분석되고 평가되지 않는다면 에너지절약을 기대할 수 없을 뿐만 아니라 시스템 구축에 어려움이 따른다.
에너지나 시설투자비 측면에서 멀티형 지열원 히트펌프시스템은 교육시설의 에너지효율을 높일 수 있을 것이며 고효율 전기식 냉난방기(EHP와 연계한 냉∙난방복합시스템을 신∙재생에너지설비 의무투자비로 설치한다면 연간관리비가 한정 되어 있는 교육시설에 낮은 전력단가와 피크부하의 감소로 연간 소비하는 에너지와 관리비를 절약할 수 있을 것으로 기대된다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

신․재생에너지설치 의무화사업의 내용은 무엇인가?

12)로 공공기관 에너지합리화 추진 지침에서 공공기관의 신․재생에너지 이용을 의무화하고 있다. 신․재생에너지설치 의무화사업은 공공기관이 신축하는 연면적 3,000㎡이상의 건축물에 대하여 총 건축공사비의 5% 이상을 신․재생에너지 설치에 투자하도록 의무화하는 제도이다. 신에너지 및 재생에너지 개발․이용․보급 촉진법」을 개정 (2008.

소규모학교 교실의 실면적은 얼마이며 모듈면적당 필요한 실내기의 용량은 무엇인가?

소규모학교의 기준은 1～15학급이며 연면적 7,000m²미만의 규모로 정의하였다. 교실의 실면적모듈은 67.5m²이며 모듈면적당 11.6kW용량의 실내기가 필요한 것으로 나타났다. 이를 기준으로 12학급규모 학교(연면적 6,000m²)의 실 전체에 대한 냉․난방용량을 산정한 결과, 소규모학교에는 약 423.

태양열시스템의 단점은 무엇인가?

따라서 태양열, 지열, 태양광 순으로 설치를 고려 하는 것이 가장 많은 에너지를 절감할 수 있는 방법이다. 그러나 태양열시스템은 생산되는 열이 특정시간(낮)에 편중되어 있고 부하가 적은 날이나 없는 날의 경우, 집열된 태양열이 부하보다 많아지기 때문에 시스템작동이 중단되고 축열온도 상승으로 인해 집열부의 작동온도가 높아져 집열효율이 떨어질 수 있다. 따라서 적정용량의 집열기를 선택한 후 남은 설치비용으로 멀티형 히트펌프를 설치하는 것이 바람직할 것이다.

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