이송우
(Song-Woo Lee)
1
김영일
(Young-Il Kim)
2†
김선혜
(Sean-Hay Kim)
3
-
서울과학기술대학교 에너지환경대학원 박사과정
(Ph.D. Candidate, Graduate School of Energy and Environment, Seoul National University
of Science & Technology, Seoul, 01811, Korea)
-
서울과학기술대학교 건축학부 교수
(Professor, School of Architecture, Seoul National University of Science & Technology, Seoul, 01811, Korea)
-
서울과학기술대학교 건축학부 교수
(Professor, School of Architecture, Seoul National University of Science & Technology, Seoul, 01811, Korea)
Copyright © 2016, Society of Air-Conditioning and Refrigeration Engineers of Korea
Key words
공동주택(Apartment), 중앙식 냉난방시스템(Centralized cooling and heating system), 신재생에너지(New renewable energy), 지열원 히트펌프(Geothermal heat pump), 초기투자비(Initial investment cost)
1. 서론
우리나라의 공동주택은 1970년대 이후 고도 경제성장에 따른 개발도상국의 특징인 팽창 일변도의 양적 성장단계를 거쳐, 1990년대 후반부터 본격적인
시장경제 개념이 적용되고 있다. 이러한 변화는 경제수준의 향상과 함께 주거환경 개선에 대한 수요자의 요구에 기인한 것으로, 공동주택이 기존의 단순한
주거개념에서 벗어나 삶의 질을 결정짓는 중요한 요소 중의 하나로 자리 잡게 되었음을 의미한다. 최근 국내뿐만 아니라 국외에서도 관심이 높아지고 있는
건축물의 에너지절약 및 친환경성에 대한 요소와 결합되어, 온실가스의 배출이 적고 화석연료의 사용량이 적은, 에너지비용에 대한 절감요소가 적용된 공동주택에
대한 설계가 요구되고 있으며, 국내 건축물에 적용되는 신재생에너지 의무적용 기준(서울시 환경영향평가 심의기준)을 살펴보면, 신재생에너지 사용량이 총
에너지사용량의 4%로 향후 2023년에는 10%까지 확대되는 등 공동주택 단지 내 신재생에너지의 이용 패러다임이 변화하고 있다.
이런 패러다임을 고려하여 최근 공동주택의 냉난방시스템은 개별식 냉난방시스템에서 중앙식 냉난방시스템으로의 변경이 고려되고 있다. 중앙식 냉난방시스템
관련 연구로 Lee et al.
(1)은 중앙식 난방시스템의 난방열 사용량을 측정하고 데이터를 비교 및 분석하였으며 이를 통하여 향후 에너지절약 설계기준을 예상하였다. 또한 Lee et
al.
(2)는 중앙식 난방시스템을 적용한 공동주택의 에너지원별 원단위 사례분석을 통해 정부의 에너지정책 수립 및 에너지절약적 설계를 위한 기초자료를 제공하였다.
기존의 중앙 냉난방시스템은 단지 내 세대를 제외한 공용시설 냉난방을 위해 냉온수를 공급하는 방식이 주로 적용되었으나 최근 고려되고 있는 사항으로는
단지 내 공용시설 뿐만 아니라 모든 세대의 냉난방을 위해 냉온수 공급시스템 적용이 논의되고 있다. 이렇게 중앙 냉난방시스템을 적용하고 열에너지를 신재생에너지로
공급하는 방안에 대한 협의가 이루어지고 있으며, 에너지절약적이고 친환경적인 시스템을 구현하는 것을 목표로 하고 있다. 이에 본 연구에서는 공동주택을
대상으로 중앙 냉난방시스템을 적용하기 위한 기계설비 분야의 적용방안, 고려사항 등을 검토하여 적용 가능한 시스템을 선정하고, 선정된 시스템의 초기투자비를
통한 경제성 분석을 수행하여 보았다.
2. 연구개요
국내 대부분의 일반건축물은 사용패턴이 단순하고 획일화되어 있어 중앙 냉난방시스템을 주로 적용하고 있으며, 열원의 종류가 사용패턴에 영향을 미치지 않기
때문에 정부의 규제 및 인센티브, 각종 인증의 이점을 위해 적극적으로 신재생에너지를 이용한 열원시스템을 적용하고 있다.
반면 공동주택의 경우에는 재실자의 사용패턴 다양성, 시공 및 유지관리의 용이성 등을 이유로 세대 내 개별보일러와 EHP 등을 설치하는 개별 냉난방시스템이
보편화되어 있으며, 일부 지역난방 고시지역의 경우 의무적으로 중온수를 열원으로 이용하는 지역 냉난방시스템을 적용하고 있어 공동주택의 신재생에너지 적용에
한계가 있다. 하지만 최근 에너지절약, 시설 안전성 향상, 주거건물에서의 신재생에너지기기 설치 의무 비율 상승 등으로 중앙 냉난방시스템이 고려되고
있으며, 특히 서울시의 경우에는 2023년까지 신재생에너지 설치비율을 10%까지 적용하는 것을 목표로 하고 있어 공동주택을 대상으로 신재생에너지를
적용할 수 있는 중앙 냉난방시스템에 대한 검토가 필요하다. 위의
Table 1은 서울시의 주거건물 신재생에너지 설치 의무 비율 변화를 기술한 것이다. 본 연구에서는
Table 2와 같이 공동주택 개별 냉난방시스템과 중앙 냉난방시스템의 특징을 간단하게 비교하고, 공동주택에 적용 가능한 중앙 냉난방시스템 검토모델을 선정하여 보았다.
공동주택 중앙 냉난방시스템 검토 시에는 지역 냉난방시스템을 제외하였으며, 이것은 지역난방 열사용시설 기준에 신재생 에너지와 중복사용이 제한되기 때문이다.
Table 1. The Criteria of new and renewable energy installation percentage for residential buildings in Seoul
|
Year
|
'13
|
'15
|
'16
|
'17
|
'18
|
'19
|
'20
|
'21
|
'22
|
'23
|
|
Ratio
|
1%
|
2%
|
3%
|
4%
|
5%
|
6%
|
7%
|
8%
|
9%
|
10%
|
Table 2. Comparison of cooling and heating system in apartment
|
Classification
|
Individual cooling and heating system
|
Centralized cooling and heating system
|
|
Concept
|
∙Circulation of refrigerant through multiple indoor and outdoor units.
∙Heat and domestic hot water supplied by individual heating system
|
∙A large capacity boiler installed in the central mechanical room supplies heat and
domestic hot water through pipes.
|
|
Space
|
∙Separate boiler and outdoor unit room should be installed.
∙No centralized mechanical space required
|
∙A separate chilled water and hot water supply piping installation space is required.
∙No individual boiler space required
|
|
Maintenance
|
∙Tenant must manage the facility directly. Professional engineer is needed in case
of failure.
∙Additional expense incurs in case of failure
∙Durability and replacement cycle are short.
|
∙Facility worker required for continuous maintenance.
∙High maintenance cost
∙Requires accurate flow control for varying loads
|
|
Efficiency
|
∙Low energy loss
|
∙High pipe heat loss and preheat load
|
|
Construction
|
∙Piping and construction processes are simple, resulting in short construction period.
|
∙Difficult construction and long construction period due to complicated piping
|
|
Cost
|
∙Low construction cost due to less cooling/heating piping.
|
∙High construction cost due to centralized mechanical room and cooling/heating piping
|
3. 연구내용
3.1 중앙 냉난방시스템 검토모델 선정
공동주택에 적용 가능한 중앙 냉난방시스템 검토모델 선정에 앞서 공동주택의 냉난방 부하패턴을 알아보기 위해 실제 사용 중인 A공동주택을 대상으로 실측데이터로
시간대별 부하율을 분석해보았다.
Table 3은 A공동 주택의 2015년 실측데이터로 냉방기간(6월 1일~8월 18일), 난방기간(1월 1일~3월 31일)을 요약한 것이다.
Table 3과 같이 공동주택의 시간대별 부하율을 살펴보면 주거를 목적으로 하는 건물이기 때문에 24시간 부하가 발생하는 것으로 나타났으며, 주간시간 부하율이
낮게, 야간 및 심야시간에 부하율이 높게 나타남을 알 수 있다. 또한 냉방기간에는 시간지연(time lag)에 의한 축열부하에 따라 오후 3시경 부하율이
높아지고 있으며, 반대로 난방기간에는 오후 3시경 부하율이 낮아지는데 이는 태양의 일사로 인한 열이 단위세대로 유입되며 냉방 및 난방에 영향을 미쳤기
때문으로 판단된다.
Table 3. Cooling and heating loads
|
Time
|
Cooling load
|
Heating load
|
|
Maximum load
|
Load ratio
|
Maximum load
|
Load ratio
|
|
kW
|
%
|
kW
|
%
|
|
1H
|
0.241
|
78.40
|
0.314
|
84.40
|
|
2H
|
0.209
|
68.14
|
0.291
|
78.14
|
|
3H
|
0.222
|
72.16
|
0.291
|
78.14
|
|
4H
|
0.235
|
76.23
|
0.279
|
75.01
|
|
5H
|
0.270
|
87.82
|
0.279
|
75.01
|
|
6H
|
0.184
|
59.89
|
0.279
|
75.01
|
|
7H
|
0.202
|
65.63
|
0.326
|
87.52
|
|
8H
|
0.145
|
47.17
|
0.337
|
90.65
|
|
9H
|
0.237
|
77.21
|
0.302
|
81.27
|
|
10H
|
0.137
|
44.53
|
0.279
|
75.01
|
|
11H
|
0.213
|
69.32
|
0.279
|
75.01
|
|
12H
|
0.191
|
61.85
|
0.233
|
62.53
|
|
13H
|
0.169
|
54.69
|
0.198
|
53.15
|
|
14H
|
0.220
|
71.27
|
0.209
|
56.28
|
|
15H
|
0.259
|
84.09
|
0.174
|
46.89
|
|
16H
|
0.244
|
79.23
|
0.209
|
56.24
|
|
17H
|
0.234
|
75.90
|
0.209
|
56.24
|
|
18H
|
0.241
|
78.05
|
0.267
|
71.88
|
|
19H
|
0.274
|
89.33
|
0.314
|
84.40
|
|
20H
|
0.274
|
89.23
|
0.349
|
93.74
|
|
21H
|
0.230
|
74.68
|
0.360
|
96.91
|
|
22H
|
0.253
|
82.42
|
0.372
|
100.00
|
|
23H
|
0.284
|
92.38
|
0.349
|
93.78
|
|
24H
|
0.277
|
89.96
|
0.326
|
87.52
|
이러한 공동주택 사용패턴을 고려하여
Table 4와 같이 검토모델을 선정하였으며, 열을 축열하지 않고 바로 이용하는 일반적인 열 모델, 심야전기를 이용하여 부하 측에 공급 후 남는 잉여열을 축열하여
주간에 공급하는 축열모델, 열병합발전기를 이용한 열+전기 복합 모델의 3가지로 구분하였다. 3가지 모델은 공통적으로 신재생에너지인 지열히트펌프를 적용하였다.
Table 4. Three study cases of centralized cooling and heating system
|
Cases
|
Components
|
|
Heat
|
TH-NS
|
GSHP+boiler+chiller
|
|
Heat storage
|
TH-US
|
GSHP+boiler+chiller+heat storage tank
|
|
Complex
|
CP-NS
|
GSHP+small-scale cogeneration plants+chiller
|
또한 냉난방 부하면적 대상은 전용면적 84 m
2 65세대를 기준으로 적용하였으며 기준 부하량 분석은 겨울철 3개월, 여름철 2.5개월간 실측에 의한 운전 데이터를 근거로 하였다.
3.1 장비용량 산출을 위한 부하계산 기준 설정
검토모델의 초기투자비 비교분석을 위해서는 냉난방시스템 설계와 함께 적용된 설비기기들의 용량 및 대수가 필요하다. 하지만 해당 작업은 공동주택 규모와
환경, 기타 시스템 등에 크게 영향을 받아 변동성이 크므로 비교는 주 냉난방기기로 한정하였다.
주 냉난방기기 용량 산출을 위해서 본 연구에서는 서울 종로구에 실제 계획된 공동주택을 참고하여 가상의 B공동주택을 계획하고 부하계산을 산출하였다.
Table 5는 B공동주택의 개요를 나타낸 것이다.
Table 5. Overview of B apartment
|
Classification
|
Value
|
|
Zone 1
|
Area
|
38,876 m2
|
|
Number of household
|
514
|
|
Number of stories
|
19F
|
|
Zone 2
|
Area
|
35,280 m2
|
|
Number of household
|
420
|
|
Number of stories
|
20F
|
|
Zone 3
|
Area
|
23,108 m2
|
|
Number of household
|
212
|
|
Number of stories
|
18F
|
중앙 냉난방시스템의 설계 구체화를 위해 기초 데이터 분석을 통한 단위 냉난방부하, RTS-SAREK 프로그램을 이용해 산출된 단위 냉난방부하, 지역난방공사
등의 열사용시설기준, 설비공학편람 및 건축설비 관련 전문도서 등을 참고하여 본 연구에서 적용할 수 있도록 표준 단위면적당 냉난방부하를 산정하였으며,
조닝별 냉난방부하 산출 결과는
Table 6과 같다.
Table 6. Cooling and heating loads
|
Classification
|
Number of household
|
Cooling load
|
Heating load
|
|
kW
|
kW
|
|
Zone 1
|
514
|
2,413
|
2,627
|
|
Zone 2
|
420
|
2,162
|
2,354
|
|
Zone 3
|
212
|
1,317
|
1,434
|
3.3 검토 모델별 장비 선정
3.3.1 지열원 히트펌프 용량 선정
앞서 산출된 B공동주택의 조닝별 냉난방부하 산출 결과를 토대로 3개의 검토모델에 공통적으로 적용되는 지열원 히트펌프의 용량을 선정해 보았다.
일반적인 업무용 건물에서의 부하계산시에는 냉방 최대부하가 난방 최대부하보다 높게 나타나 냉방 부하 기준으로 열원설비를 선정한다. 이는 부하계산 조건
중 내부 발열요소(인체, 조명, 기기부하)가 난방시에는 도움 요소로 적용되지만, 냉방부하에서는 부하 증가의 요인이 된다. 하지만 공동주택에서는 난방부하가
냉방부하 보다 높게 산정되며, 이는 공동주택의 특성상 주간의 부하율이 높지 않기 때문이다. 공동주택은 운영특성상 야간시간의 부하율이 더 높으며, 난방시
더 낮은 외기온도로 인해 난방부하가 상승하는 요인이 된다. 이러한 특성을 고려하여 본 연구에서는 열원기기 선정을 위해 냉방부하가 아닌 난방부하를 기준으로
하였다. 히트펌프 용량은 서울시에서 계획하고 있는 신재생에너지 설치 비율 10% 이상을 만족하기 위해 최대부하의 70% 용량으로 지열원 히트펌프를
선정하였으며,
Table 7은 지열원 히트펌프 선정내용을 나타낸 것이다.
Table 7. Calculated and selected capacity of geothermal heat pump
|
Zone
|
Calculated
|
Selected
|
|
Heating load
|
Ratio
|
Capacity
|
Cooling capacity
|
Heating capacity
|
Number
|
|
kW
|
%
|
kW
|
USRT
|
kW
|
EA
|
|
1
|
2,627.9
|
70
|
1,839.5
|
522.5
|
1,845.6
|
11
|
|
2
|
2,354.7
|
70
|
1,648.3
|
475.0
|
1,677.9
|
10
|
|
3
|
1,435.0
|
70
|
1,006.7
|
285.0
|
1,006.7
|
6
|
3.3.2 TH-NS 모델
Fig. 1은 TH-NS 모델의 개요를 나타낸 것으로 지열원 히트펌프는 난방시 바닥난방의 표면온도를 고려하여 45℃의 온수를 생성하여 부하측으로 공급하고, 냉방시
7℃의 냉수를 부하측으로 공급한다. 적용된 온수보일러는 부하측의 사용을 위해 열교환기를 적용하여 지열원 히트펌프와 동일한 45℃의 온수로 열교환한다.
냉방시에는 냉동기에서 생성되는 냉수 온도가 지열원 히트펌프와 동일한 7℃로 설정되어 별도의 열교환기 없이 부하측으로 공급되도록 하였다.
Fig. 1. Overview of TH-NS model.
TH-NS 모델의 지열원 히트펌프는 지중열을 이용하는 시스템으로 냉방시 지중으로 열을 방출하고, 난방시 지중의 열을 흡수한다. 이로 인해 지중으로의
영향을 검토하여 시스템의 가동시간을 결정하여야 하며, 일반적으로 하루 12시간 내외의 가동시간으로 설정한다. 업무용 건물의 경우 건물의 운영시간이
12시간 내외로 계획되어 지열원 히트펌프를 적용하더라도 지중으로의 영향을 크게 고려하지 않아도 되지만, 공동주택의 경우 24시간 내내 부하가 발생하는
특성으로 인해, 지열원 히트펌프를 업무용 건물과 같이 적용할 경우 지중열의 불균형을 초래할 수 있다. 냉방기간 과도한 방열로 인해 지중의 온도는 지속적으로
상승하고, 온도가 상승된 지중열로 인해 시스템의 효율이 저하될 수 있는 문제점을 가지고 있다.
이러한 특성을 고려하여 24시간 동안 지열원 히트펌프를 가동하지 않는 방향으로 지열원 히트펌프의 운영계획을 수립하였으며, 선정된 지열원 히트펌프를
2개의 부분으로 계획하여 1개의 부분은 주간부하를 담당하고, 나머지 1개 부분은 야간부하를 담당하도록 하였다.
TH-NS 모델은 온수보일러와 스크류냉동기를 통해 전체부하 중 지열원 히트펌프에서 공급하는 열량을 제외한 나머지 열량을 공급하도록 계획하였다. 전체부하의
70%에 해당하는 지열원 히트펌프 용량을 주간과 야간으로 약 35%씩 분할하였으므로 부하처리를 위한 나머지 65%의 용량을 보일러와 냉동기가 대응할
수 있도록
Table 8과 같이 선정하였으며, 순차기동이 가능하고 고장시를 고려하여 50% 용량 2대로 대수분할을 계획하였다.
Table 8. Boiler and chiller specification of TH-NS
|
Zone
|
Boiler
|
Chiller
|
|
Heating load
|
GSHP capacity
|
Capacity
|
Cooling load
|
GSHP capacity
|
Capacity
|
|
kW
|
kW
|
kW
|
USRT
|
USRT
|
USRT
|
|
1
|
2,627.9
|
880.5
|
1,747.4
|
686.4
|
259.5
|
426.9
|
|
2
|
2,354.7
|
880.5
|
1,474.2
|
615.0
|
259.5
|
355.5
|
|
3
|
1,435.0
|
528.3
|
906.7
|
374.8
|
155.7
|
219.1
|
3.3.3 TH-US 모델
Fig. 2는 TH-US 모델의 개요를 나타낸 것이다. TH-NS 모델과 달리 축열조가 추가된 형태이며, 축열조를 제외한 장비의 선정은 동일한 조건으로 설정하였다.
TH-US 모델은 축열조가 추가되어 TH-NS와 다르게 운영된다. TH-US 모델은 TH-NS 모델과 마찬가지로 일반 지열히트펌프, 온수보일러를 적용하였으며,
보일러의 온수 출구온도를 45℃로 설정할 수 없어 열교환기를 통해 45℃의 온수를 공급하도록 설정하였다.
Fig. 2. Overview of TH-US model.
비축열 방식인 TH-NS 모델은 지열원 히트펌프를 주간과 야간으로 구분하여 별도로 운영하였지만, 축열 방식인 TH-US 모델은 지열원 히트펌프는 주간과
야간으로 구분하지 않고, 야간에만 가동되도록 설정하였다. 지열원 히트펌프는 전기 외에 별도의 에너지를 소비하지 않으며, 심야전기로 구분되는 22~08시
동안 가동 한다. 이때, 난방과 냉방에 따라 보일러와 냉동기도 함께 가동되고 심야시간에는 모든 장비가 100% 부하로 운전되어 열을 축열한다.
심야시간에 장비가 가동하여 생성되는 열은 먼저 부하측으로 공급되고, 부하측으로 공급되지 못하고 남는 잉여열은 축열조로 저장하도록 하였다. 주간시간에는
야간에 축열된 열을 부하측으로 공급하고, 부족한 열은 보일러, 냉동기를 가동해 공급하는 것으로 계획하였다.
TH-US 모델의 보일러 및 냉동기는 앞서 분석된 TH-NS 모델과 동일하게 선정하였으며, 누계 축열량 검토를 통해 최적의 장비용량이 되도록 분석하였다.
Table 9는 열원설비 용량 산정을 위해 산출한 부하를 나타낸 것이다. 보일러는 에너지절약 및 유지관리의 용이성을 위해 50% 용량의 2대로 대수분할을 계획하였다.
Table 9. Boiler and chiller specification of TH-US
|
Zone
|
Boiler
|
Chiller
|
|
Heating load
|
Ratio
|
Capacity
|
Cooling load
|
Ratio
|
Capacity
|
|
kW
|
%
|
kW
|
USRT
|
%
|
USRT
|
|
1
|
2,627.9
|
60
|
1576.76
|
522.5
|
50
|
343.18
|
|
2
|
2,354.7
|
60
|
1412.84
|
475.0
|
50
|
307.50
|
|
3
|
1,435.0
|
60
|
861.00
|
285.0
|
50
|
187.39
|
Table 10은 누계 축열량 검토를 통해 분석된 난방 및 냉방 축열량, 축열조 최소용량을 나타낸 것이다. Zone 1~3의 누계 축열량 분석 결과 냉방의 누계
축열량이 높게 나타났으며, 냉방을 기준으로 축열조의 최소용량을 산정하였다.
Table 10. Heat storage tank capacity
|
Zone
|
Heating
|
Cooling
|
Objective
|
Minimum capacity
|
|
kWh/day
|
kWh/day
|
kWh/day
|
|
1
|
12,109.73
|
13,866.42
|
Cooling
|
13,866.42
|
|
2
|
11,091.42
|
12,028.36
|
Cooling
|
12,028.36
|
|
3
|
6,601.13
|
7,042.22
|
Cooling
|
7,042.22
|
최대부하의 비율로만 누계 축열량 검토를 수행할 경우, 장비용량 산정기준은 최대부하의 난방 60%, 냉방 50%로 나타났으며, 실제 지열원 히트펌프의
선정, 보일러 및 냉동기 선정을 수행할 경우 계산결과보다 더 높은 용량으로 열원장비가 산정되어 축열조에서 공급되는 최대열량과 장비용량의 차가 크게
나타나는 경우가 발생하였다. 이러한 경우 차이가 크게 나타난 장비에 한해 장비의 용량을 1단계 낮추어 재선정하고, 누계 축열량 검토를 재수행하여 장비선정의
적합성을 검토하였다.
TH-US 모델은 증기보일러를 적용한 것으로, 증기보일러에서 발생되는 증기로부터 필요한 에너지를 열교환하기 때문에 보일러의 용량은 적합하게 선정된
것으로 나타났으며, 냉동기의 용량이 변화하였다. 장비 선정시 지열원 히트펌프가 최대부하의 70% 보다 높게 산출되어 냉동기의 용량이 Zone 1~2의
경우 1단계 감소하였다.
3.3.4 CP-NS 모델
Fig. 3은 CP-NS 모델의 개요를 나타낸 것이다. 모델에 적용된 지열원 히트펌프는 난방시 45℃의 온수를, 냉방시 7℃의 냉수를 생성하여 부하측으로 공급한다.
소형열병합발전기에서 발생되는 열매체는 자켓 냉각수로 사용된 온수(약 92~93℃)와 수증기를 포함한 증기형태의 배기가스가 있다. 이러한 열매체가 가진
열량을 부하측에서 이용하기 위해 상태가 다른 2종류의 유체를 열교환기 등을 통해 동일한 상태로 변환하고, 이때 변환하는 유체는 물의 형태로 변환하도록
계획하였다.
Fig. 3. Overview of CP-NS model.
난방시 소형열병합발전기에서 발생한 배기가스는 열교환기를 통해 온수로 열전달하고, 자켓 냉각수로 사용된 온수와 혼합하여 다시 열교환기로 이동, 지열원
히트펌프 발생온수의 온도와 동일한 45℃로 온도를 강하하여 부하측으로 공급하도록 계획하였다. 또한 냉방시에는 난방시와 유사한 방법으로, 소형열병합발전기에서
발생한 배기가스의 열교환 후 자켓 냉각수와 혼합한 온수(약 92∼93℃)를 중온수흡수식냉동기로 공급하여 냉수를 생성하여 부하측으로 공급하도록 하였다.
CP-NS 모델의 지열원 히트펌프는 TH-NS 모델군과 동일한 방법으로 장비를 선정하였다.
Table 11은 소형열병합발전기 및 중온수흡수식냉동기의 용량 산정결과를 나타낸 것으로, 지열원 히트펌프의 용량을 기준으로 최대부하를 만족하도록 계획하였다.
Table 11. Cogeneration plant and chiller specification of CP-NS
|
Zone
|
Small-scale cogeneration plant
|
Absorption chiller
|
|
Heating load
|
GSHP capacity
|
Capacity
|
Cooling load
|
GSHP capacity
|
Capacity
|
|
kW
|
kW
|
kW
|
USRT
|
USRT
|
USRT
|
|
1
|
2,627.9
|
880.5
|
1,747.4
|
686.4
|
259.5
|
426.9
|
|
2
|
2,354.7
|
880.5
|
1,474.2
|
615.0
|
259.5
|
355.5
|
|
3
|
1,435.0
|
528.3
|
906.7
|
374.8
|
155.7
|
219.1
|
소형열병합발전기의 특성상 효율성, 유지관리성 향상과 운영비 절감을 위해서는 24시간 내내 지속적인 가동으로 가동이 중단되는 일이 없도록 계획하여야
한다. 이를 위해 지열원 히트펌프가 아닌 소형열병합발전기가 주열원으로 적용하여 24시간 내내 가동하도록 계획하였고, 소형열병합발전기 생산 열량의 초과열량이
부하로 발생할 때, 지열원 히트펌프가 추가로 가동하여 열량을 공급하도록 계획하였다.
소형열병합발전기는 시간대별 부하율이 최소일 때, 50%의 부분부하 운전에서 부하측에서 필요로 하는 열량을 공급할 수 있도록 계획하였다. 이는 시간대별
부하율이 변화하여도 소형열병합발전기의 효율을 유지하기 위한 것으로, 장비의 효율저하가 일어나지 않는 최소 부분부하에서의 운전이 부하측에서 필요로 하는
열량을 만족하도록 계획한 것이다. 상세 시스템 운영계획으로는, 시간대별 부하율이 최소가 되어도 소형열병합기의 효율은 큰 저하 없이 유지가 되며, 시간대별
부하율이 상승하면 소형열병합발전기의 가동율이 상승, 시간대별 부하율 상승으로 인한 부족한 열량은 지열원 히트펌프가 추가로 공급하도록 계획하였다.
또한 배기가스의 열량을 이용하기 위해 열교환기를 계획하여 자켓 냉각수와 동일한 온도의 온수로 열교환하도록 계획하였으며, 배기가스의 온도는 약 150℃로
천연가스 사용시 130℃까지 냉각하여 이 열을 이용할 수 있다.
배기가스 열교환기의 2차측(온수)의 입․출구온도는 소형열병합발전기 자켓 냉각수의 온도조건인 93℃, 80℃로 결정하였다. 이는 중온수흡수식냉동기의
온수 조건과도 동일하여, 이를 이용할 수 있다.
3.4 초기투자비용 비교
초기투자비용 검토는 가상단지를 대상으로 중앙 냉난방시스템을 평가한 것으로, 상세한 초기투자비용은 차후에 산정하는 것으로 하며, 본 연구에 필요한 최소금액을
기준으로 초기투자비용을 산출하였고 각 모델별 초기투자비용 산정 내용은
Table 12~
Table 14와 같다. 실제 시공 도면과 지중 특성에 따라 달라지는 천공비용 및 지중열교환기 매설비용 등은 공사비와 관련된 부분으로 실제 시공시에만 정확한 산출이
가능하기 때문에 제외하였다. 이에 모델별 개략적인 장비변화에 따른 변화에만 참조할 수 있을 것으로 판단된다.
Table 12. Initial investment cost of TH-NS(Korean Won)
|
Classification
|
Capacity
|
Amount
|
Unit cost
|
Total cost
|
|
Ground source heat pump
|
50
|
USRT
|
27
|
40,500,000
|
1,093,500,000
|
|
Ground source deep-well pump
|
285
|
ℓ/min
|
60
|
2,450,000
|
147,000,000
|
|
Ground source circulation pump
|
-
|
-
|
9
|
5,000,000
|
45,000,000
|
|
Cold charge pump
|
-
|
-
|
9
|
5,000,000
|
45,000,000
|
|
Cold discharge pump
|
-
|
-
|
9
|
5,000,000
|
45,000,000
|
|
Plate heat exchanger
|
-
|
-
|
3
|
100,000,000
|
300,000,000
|
|
Closed type expansion tank
|
100
|
ℓ
|
3
|
1,200,000
|
3,600,000
|
|
Hot water boiler
|
930
|
kW
|
4
|
65,700,000
|
262,800,000
|
|
Hot water boiler
|
465
|
kW
|
2
|
49,500,000
|
99,000,000
|
|
Heat exchanger
|
308
|
kg/h
|
1
|
16,755,000
|
16,755,000
|
|
Heat exchanger
|
261
|
kg/h
|
1
|
15,145,000
|
15,145,000
|
|
Heat exchanger
|
160
|
kg/h
|
1
|
12,155,000
|
12,155,000
|
|
Screw chiller
|
240
|
USRT
|
2
|
105,900,000
|
211,800,000
|
|
Screw chiller
|
200
|
USRT
|
2
|
90,200,000
|
180,400,000
|
|
Screw chiller
|
120
|
USRT
|
2
|
55,300,000
|
110,600,000
|
|
Cooling tower
|
250
|
CRT
|
2
|
16,600,000
|
33,200,000
|
|
Cooling tower
|
225
|
CRT
|
2
|
16,500,000
|
33,000,000
|
|
Cooling tower
|
150
|
CRT
|
2
|
13,300,000
|
26,600,000
|
|
Total
|
|
|
|
2,680,555,000
|
Table 13. Initial investment cost of TH-US(Korean Won)
|
Classification
|
Capacity
|
Amount
|
Unit cost
|
Total cost
|
|
Ground source heat pump
|
50
|
USRT
|
27
|
40,500,000
|
1,093,500,000
|
|
Ground source deep-well pump
|
285
|
ℓ/min
|
60
|
2,450,000
|
147,000,000
|
|
Ground source circulation pump
|
-
|
-
|
9
|
5,000,000
|
45,000,000
|
|
Cold charge pump
|
-
|
-
|
9
|
5,000,000
|
45,000,000
|
|
Cold discharge pump
|
-
|
-
|
9
|
5,000,000
|
45,000,000
|
|
Plate heat exchanger
|
-
|
-
|
3
|
100,000,000
|
300,000,000
|
|
Closed type expansion tank
|
100
|
ℓ
|
3
|
1,200,000
|
3,600,000
|
|
Hot water boiler
|
930
|
kW
|
4
|
65,700,000
|
262,800,000
|
|
Hot water boiler
|
465
|
kW
|
2
|
49,500,000
|
99,000,000
|
|
Heat exchanger
|
271
|
kg/h
|
1
|
15,605,000
|
15,605,000
|
|
Heat exchanger
|
243
|
kg/h
|
1
|
14,685,000
|
14,685,000
|
|
Heat exchanger
|
148
|
kg/h
|
1
|
11,695,000
|
11,695,000
|
|
Screw chiller
|
150
|
USRT
|
4
|
66,700,000
|
266,800,000
|
|
Screw chiller
|
100
|
USRT
|
2
|
48,200,000
|
96,400,000
|
|
Cooling tower
|
175
|
CRT
|
4
|
13,600,000
|
54,400,000
|
|
Cooling tower
|
125
|
CRT
|
2
|
12,300,000
|
24,600,000
|
|
Hot water storage
|
14,120
|
USRT․h
|
1USRT․h
|
590,000
|
8,330,800,000
|
|
Total
|
|
|
|
10,855,885,000
|
Table 14. Initial investment cost of CP-NS(Korean Won)
|
Classification
|
Capacity
|
Amount
|
Unit cost
|
Total cost
|
|
Ground source heat pump
|
50
|
USRT
|
27
|
40,500,000
|
1,093,500,000
|
|
Ground source deep-well pump
|
285
|
ℓ/min
|
60
|
2,450,000
|
147,000,000
|
|
Ground source circulation pump
|
-
|
-
|
9
|
5,000,000
|
45,000,000
|
|
Cold charge pump
|
-
|
-
|
9
|
5,000,000
|
45,000,000
|
|
Cold discharge pump
|
-
|
-
|
9
|
5,000,000
|
45,000,000
|
|
Plate heat exchanger
|
-
|
-
|
3
|
100,000,000
|
300,000,000
|
|
Closed type expansion tank
|
100
|
ℓ
|
3
|
1,200,000
|
3,600,000
|
|
Heat exchanger(Exhaust gas)
|
57.4
|
kg/h
|
2
|
5,800,000
|
11,600,000
|
|
Heat exchanger(Exhaust gas)
|
45.0
|
kg/h
|
1
|
4,900,000
|
4,900,000
|
|
Heat exchanger
|
271.2
|
kg/h
|
1
|
15,605,000
|
15,605,000
|
|
Heat exchanger
|
243.0
|
kg/h
|
1
|
14,685,000
|
14,685,000
|
|
Heat exchanger
|
148.1
|
kg/h
|
1
|
11,695,000
|
11,695,000
|
|
Hot water driven absorption chiller
|
210
|
USRT
|
4
|
74,480,000
|
297,920,000
|
|
Hot water driven absorption chiller
|
120
|
USRT
|
2
|
52,700,000
|
105,400,000
|
|
Cooling tower
|
450
|
CRT
|
4
|
66,490,000
|
265,960,000
|
|
Cooling tower
|
300
|
CRT
|
2
|
50,400,000
|
100,800,000
|
|
Small-scale cogeneration plant
|
1
|
kW
|
4,308 kW
|
3,373,000
|
14,530,884,000
|
|
Total
|
|
|
|
17,038,549,000
|
Table 15의 내용 결과와 같이 TH-NS 초기투자비용을 보면 TH-US 모델과 CP-NS 모델에 비해 현저히 낮은 초기투자비를 나타내고 있다. 시스템이 가장
단순한 TH-NS 모델이 초기투자비가 가장 낮기 때문에 공동주택에 중앙 냉난방시스템 적용에 가장 유리함을 알 수 있으며, 축열조가 없는 시스템으로
기계실 공간확보에 유리하고 유지관리 측면에서도 타 모델에 비해 상대적으로 유리하다.
Table 15. Initial investment cost of each model
|
TH-NS
|
TH-US
|
CP-NS
|
|
₩ 2,680,555,000
|
₩ 10,855,885,000
|
₩ 17,038,549,000
|
TH-US 모델은 TH-NS 모델에 비해 축열조 설치비용이 과다하게 발생하였고, 이로 인해 TH-NS 모델의 초기투자비용 차이가 약 4~5배 가량으로
나타났다. 실제 시스템 운영을 통해 이를 절감한다고 하여도, 초기투자비용의 회수가 가능할지에 대한 우려가 있으며, 일반 업무용 건물의 경우 축열조를
적용한 경우 주간시간 동안 냉동기의 가동이 거의 발생하지 않아 운영비에 의한 절감이 크지만, 공동주택에 적용할 경우 주간시간에도 냉동기가 가동되어
결국 발생하는 에너지비용이 비축열 방식과 큰 차이가 없을 것으로 예상된다. 다만, 비축열 방식은 최대부하의 약 65%의 비율로 장비를 선정하여 축열
방식에 비해 장비 크기가 크고, 이로 인해 소비되는 에너지의 양이 많기에 정확한 유지관리 및 운영비 비교가 추가적으로 필요할 것으로 판단된다.
CP-NS 모델은 소형열병합발전기를 적용한 모델로 TH 모델군에 비해 초기투자비가 과도하게 발생하였으며, 생산되는 전기의 가격을 감안한다 해도 경제성이
확보되지 않을 것이라 예상된다. 또한 TH 모델군과 다르게, 소형열병합발전기는 1년 365일 내내 작동을 하며, 이 때 소비되는 연료인 천연가스의
금액과 생산되는 전력을 비교하여도 비효율적인 시스템이라 판단되어 공동주택의 중앙 냉난방시스템으로는 적합하지 않다고 판단된다.
4. 결 론
본 연구는 공동주택을 대상으로 중앙 냉난방시스템을 적용하기 위한 기계설비 분야의 적용방안, 고려사항 등을 검토하여 적용 가능한 시스템을 3개 선정하고,
선정된 시스템의 초기투자비에 대한 경제성 분석을 수행하여 보았다.
공동주택의 사용패턴을 검토해보았을 때, 공동주택 중앙 냉난방시스템으로 적용 가능한 모델을 3가지로 구분하여 선정할 수 있었으며 각 모델의 초기투자비용
비교 및 결론은 다음과 같다.
(1) 비축열방식은 축열방식에 비해 지열원 히트펌프를 제외한 열원설비의 용량이 다소 증가하는 것으로 나타났지만, 실제 장비 용량에 따른 규격이 세분화되지
않아 큰 차이가 발생하지 않았다. 또한 장비의 초기투자비용 또한 큰 차이가 발생하지 않았으며, 설비 및 배관 등의 단순화와 유지관리성을 위해서는 비축열
방식이 유리한 것으로 판단된다.
(2) 축열방식을 적용할 경우 24시간 동안 부하가 발생하는 공동주택의 특성으로 인해 비축열방식에 비해 다소 불리한 것으로 판단되며, 초기투자비 또한
과다하게 발생하여 경제성 측면에서 불리한 것으로 판단된다.
(3) 일반적으로 축열방식은 업무시설 등과 같이 건물의 운영시간과 비운영시간이 구분되고, 비운영시간에 저렴한 심야전기 등을 이용하여 열을 저장하여
주간에 사용하는 것으로, 24시간 동안 부하가 발생하는 공동주택의 경우 축열이 제대로 이루어지지 않으며, 이렇게 저장한 열로 주간부하를 감당할 수
없어 장비의 연속적인 운전으로 수명의 감소, 효율의 저하 등의 문제점이 발생할 것으로 판단된다.
(4) 소형열병합발전기의 경우, 초기공사비에 비해 열적인 측면에서의 기대효과는 미미하였으며, 전력 생산으로 인한 운영비, 전기 사용요금에 대한 부분이
추가적으로 검토되어야 할 것으로 판단된다. 또한, 기계실 면적의 상승으로 인한 주차장 등의 면적 감소, 외기량 확보를 위한 환기탑 계획, 기존 시스템에
비해 복잡한 배관 등으로 인해 시스템의 적용성은 다소 낮은 것으로 평가되었다.
본 연구에서는 초기투자비를 통한 시스템 비교검토를 수행하였지만, 경제성에 대한 검토는 초기투자비 외에도 유지관리비용 및 운영비에 대한 LCC 검토가
수반되어야 보다 신뢰성 있는 경제성 검토가 될 수 있다. 따라서 추후 해당 중앙 냉난방시스템 검토 모델에 대한 LCC 분석을 토대로 보다 정확한 경제성
평가를 수행할 예정이며, 소형열병합발전기의 경우 전력 생산에 대한 사용계획 및 발전량 등을 추가 검토하여 소형열병합발전기를 이용한 중앙 냉난방시스템
적용성에 대한 정밀 분석이 필요할 것으로 예상된다.