존의 열적 특성을 고려한 Energy Balancing 시스템을 위한 조닝 방법 및 경제성분석

Abstract

건물이 고층화 및 대형화되면서 단일 건물 내에서 냉방수요와 난방수요가 동시에 나타나는 현상이 발생한다. 이러한 복합부하가 발생하는 건축물에 대응하기 위해 에너지를 효과적으로 사용하여 냉방 및 난방에 사용하는 에너지를 저감하는 시스템이 지속적으로 개발되고 있다. Energy Balancing 시스템은 이러한 시스템 중 하나이며, 냉방 수요와 난방 수요에 동시에 대응 가능한 시스템이다. Energy Balancing 시스템을 이용하여 동시 냉·난방을 수행할 수 있다. 냉방수요가 발생하는 공간의 온열을 흡수하여 냉방을 수행하고, 난방수요가 발생하는 공간에 흡수한 열을 공급하여 난방을 수행한다. 이 과정을 실현시키기 위해 냉매순환 사이클을 이용한다. 사이클의 응축 과정을 통해 난방에너지를 공급하고, 증발 과정을 통해 냉방에너지를 공급한다. 그러나 Energy Balancing 시스템은 냉·난방수요가 모두 존재하여야 가동된다. 이러한 열 생산 특성상 대상 공간에 Energy Balancing 시스템으로 생산하는 열의 비율을 높이기 위해서는 냉방수요와 난방수요가 비슷한 크기로 비슷한 시간에 발생하여야한다. 그러므로 본 연구에서는 조닝 과정을 통해 Energy Balancing 시스템이 효과적으로 가동되는 존의 조건을 도출하고, 존 간의 조합을 통해 시스템이 가동되는 범위를 설정하는 연구를 수행할 것이다. 존에서 발생하는 부하의 특성을 분석하고, 부하의 발생량 및 발생시간에 따라 유형을 구분하여 각 유형별로 대표부하를 도출하는 방법을 제시할 것이다. 그리고 최적화 방법을 이용해 도출한 대표 부하를 조합하여 Energy Balancing 시스템이 효과적으로 가동되는 조건을 찾고자 한다. 마지막으로 모델 건물을 이용하여 제시한 방법의 효용을 검증하기 위해 경제성 분석을 수행한다. 본 연구 결과에서 제시된 Energy Balancing 시스템의 열적 특성을 반영한 존의 유형별 분류 방법, 분류된 대표 부하의 조합 방법, 조합을 이용한 조닝 방법은 Energy Balancing 시스템이 경제적으로 운용되는데 기초 자료가 될 것으로 기대된다.

본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.

(1) Energy Balancing 시스템은 건물 내부에서 발생하는 열의 교환을 통해 냉방 수요와 난방 수요를 동시에 충족하는 시스템이다. 시스템의 가동을 위해서는 냉·난방부하가 모두 필요로 하므로 시스템의 실제 적용을 위해서는 냉·난방부하에 대한 고려가 필요하다.

(2) 건물 내 각 존의 열적 특성을 고려하여, Energy Balancing 시스템을 가동하는 존과 보조열원만을 가동하는 존으로 분류하는 것을 목표로 한다. 존에서 발생하는 부하는 외피부하와 내부부하로 구분되는데, 각 부하의 발생량과 발생시간에 따라서 존의 유형을 분류할 수 있다. 존의 부하 발생량의 크기와 부하의 발생 주기에 따라 네 가지의 분류 기준을 설정하였고, 이를 바탕으로 열적 특성에 따라 다섯 종류의 연간부하를 도출하였다. 대표 연간부하는 대량의 난방부하가 발생하는 존, 대량의 냉방부하가 발생하는 존, 내부부하 중심의 외기 영향을 일부 받는 존, 외피부하 중심의 실내 부하 영향을 일부 받는 존, 외피 부하와 실내부하 모두 적게 발생하는 존의 다섯 종류로 구분할 수 있다.

(3) Energy Balancing 시스템으로 생산하는 열량 계산의 단순화를 위해, 연간 대표부하를 보정하였다. 부하의 변동을 기준으로 1년을 일곱 기간으로 분류하였다. 각 기간에 발생하는 냉방부하 합계와 난방부하의 합계를 이용하면 Energy Balancing 시스템으로 생산하는 열량을 계산할 수 있다. 이 경우, 냉방부하의 합계와 난방부하의 합계 중 더 작은 값이 Energy Balancing 시스템으로 생산하는 열량의 크기가 된다. 따라서 냉방부하의 합계와 난방부하의 합계의 차이가 적을수록 Energy Balancing 시스템으로 생산하는 열량의 비율이 높아진다. 이 원리를 이용하여 각 기간의 대표부하를 조합하여 냉방부하와 난방부하의 차가 0에 근접하는 경우를 구한다. 최적화를 이용해 각 기간별로 도출한 존의 조합 중 여러 기간을 포괄할 수 있는 조합을 구하였다. 이 조합을 실제 건물에 적용하여 조닝을 수행하였다.

(4) 조합이 경제적인 효과가 있는지 검증하기 위해 경제성 분석을 하였다. TRNSYS를 이용하여 다양한 용도의 존이 분포된 주상복합 건물을 모델링하였다. 조닝을 적용하여 조합에 해당하는 존만 Energy Balancing 시스템을 가동하는 경우와, 조닝을 적용하지 않아 건물 전체에 Energy Balancing 시스템을 가동하는 경우로 나누어서 경제성 분석을 수행하였다. 그 결과 초기비용과 운영비 측면 모두 Energy Balancing 시스템의 조닝을 적용한 경우가 경제적인 이익이 있음을 확인 하였다. 이를 통해 Energy Balancing 시스템을 위한 조닝의 효과를 있음을 확인하였다.