1. 서 론

지구환경보전을 위한 국내의 전체 에너지소비량 감축목표는 BAU(Business As Usual)대비 37% 수준이며, 건축부문을 비롯한 산업 각 분야에서의 에너지소비량을 줄이기 위한 다양한 노력이 추진되고 있다.⁽¹⁾ 건축부문에서의 에너지소비량은 BAU대비 32.7%를 줄이는 것이 목표이며, 이를 위해 건축물의 에너지절약 설계기준이 강화되었고, 기존의 제로에너지건축물 로드맵을 수정하여 2020년부터는 1,000 ㎡ 이상의 공공건축물, 2025년부터는 500 ㎡ 이상 공공건축물, 1,000 ㎡ 이상 민간건축물과 30세대 이상의 공동주택을 신축하는 경우 의무적으로 제로에너지건축물로 신축되어야 한다.⁽²⁾

제로에너지건축물로 인정받기 위한 기본적 인정기준은 건축물에너지효율등급 1++등급이 획득되어야 하는 데, 이를 위해서는 구조체의 열관류율을 비롯한 건축물자체의 열성능이 강화되어야 하고 설비 및 시스템의 효율 수준이 향상되어야 한다.⁽³⁾ 건축적 측면에서의 방법강화는 건축물에서의 에너지 요구량을 줄이기 위한 기본적 기술 방안이며, 건축물에 설치되는 기계설비 및 전기설비의 효율은 기본적 에너지소비량을 평가하기 위해 활용되고 있다. 건축물에서 사용되는 설비기기로서는 보일러, 냉동기, 냉방기, 히트펌프, 열회수형 환기장치, 송풍기, 펌프 등이 있으나, 현실적으로 그 종류도 매우 다양하고 설비시스템을 구성하는 방식에 따라 효율이 제대로 평가되는 것은 매우 어려운 현황으로 판단되고 있다.

현재 에너지소비량이 평가되기 위해서는 보일러 및 열회수형 환기장치의 경우는 기기의 기본적 운전효율이 고려되어야 하며, 냉방기와 기존냉동기 및 히트펌프는 성적계수(COP : Coefficient Of Performanc)가 활용되며, 기타 송풍기나 펌프 등 부가적인 동력의 에너지 소비량을 합산하는 방식으로 평가되고 있다. 일반적으로 모든 기계설비는 정격출력이 부여되어 있고, 그 운전방식에 따라 실제 가동되는 조건은 모두 상이하나, 운전되는 전체 시간 대비 대부분의 운전시간 동안 부분부하 출력상태로 운전되고 있는 것이 현실이다. 보다 실제 상황에 근접한 에너지소비량이 평가되기 위하여서는 부분부하효율이 제대로 확인되어야 하며, 확인된 효율이 제대로 적용된 계산이 이루어져야 할 필요가 있다. 건축물에 기기 및 설비의 부분부하 운전조건은 대수분리 등 시스템의 구성방법, 운전방법이나 제어방법 등에 따라 상이한 결과를 나타내므로 보다 객관적이고 설득력 있는 평가방안의 제안과 적용이 필요한 실정이다.

최근 우리나라에서는 기후 변화에 따라 여름철 제습장치의 수요가 급격하게 증가하고 있으나 기존의 효율 평가방안을 그대로 적용할 경우 전술한 바와 같은 문제점이 발생할 가능성이 있다. 따라서 본 연구에서는 다양한 건축설비 기기 중 국내 적용되고 있는 데시칸트 제습환기 장치를 대상으로 에너지소비량 예측 시뮬레이션을 통하여 제습환기시스템의 냉방기간 효율평가방법이 제안되었다.

2. 데시칸트 제습시스템의 운전 조건

Fig. 1의 좌측 그림은 각 제습시스템 중 기존의 냉각제습시스템(① → ②), 멤브레인 등을 이용한 제습방법(① → ③), 흡착제를 이용한 흡착제습방법(① → ④)의 3가지 방법을 습공기선도 상에 나타낸 것이다. 멤브레인 제습방법의 경우 제습과정에서 건구온도의 변화가 수반되지 않으므로 이론적 효과가 우수할 것으로 예상되고 있으나 아직은 상용화 기술개발이 좀 더 필요한 수준이다. 냉각제습방법은 냉각기를 적용하여 제습 대상 공기를 노점온도 미만의 냉각코일표면에 접촉시켜 감습하는 방법으로서 실내 온습도 조건의 유지를 위하여 냉각제습과 재열과정이 발생하게 되는 경우가 발생한다. 제습과정에서 흡착제 등을 이용하는 방법은 등의 흡착제 자체가 수분을 흡착하는 원리를 이용하는 것으로 ① → ④으로 공기설도 상에서 변화하며, 공기는 등습구선(등엔탈피선)을 따라 이동하는 과정에서 흡착제 표면에 흡착열이 발생하므로 발생열 제거를 위한 냉각열량을 추가로 필요로 하게 된다. 본 연구에서는 Fig. 1의 우측 그림에 나타낸 바와 같이 기본적으로 도입외기가 실내절대습도를 초과하는 부분에 대하여 제습잠열부하의 부분부하 비율이 분석되었다. ZONE_1의 상태인 경우 데시칸트 시스템을 통과한 후 냉각프로세스가 필요한 부분이며, ZONE_2 상태인 경우는 재열프로세스가 필요한 상태 영역이다. 본 연구에서는 데시칸트 제습환기시스템이 별도의 냉각, 재열 등의 현열부하를 담당하지 않는 경우로서 순수 제습 기능을 담당하는 경우에 대한 잠열부하의 부분부하율이 분석되었다.

Fig. 1 Dehumidifying driving methods on the psychrometric chart.

3. 기존의 열원기기 효율평가방법

ASHRAE Standard 90.1(ARI 참조 표준 사용)에서는 IPLV(Integrated Part Load Value)라는 용어를 사용하여 계절별 COP(단위 없음) 및 계절별 EER(Btu/Wh)에 대한 계절별 냉각 효율이 명시되고 있다.⁽⁴⁾

IPLV = (0.01A) + (0.42B) + (0.45C) + (0.12D)

여기서 : A = COP 또는 EER @ 100% 부하, B = COP 또는 EER @ 75% 부하

C = COP 또는 EER @ 50% 부하, D = COP 또는 EER @ 25% 부하

IEER(Integrated Energy Efficiency Ratio)은 전체 효율 값을 얻기 위해 가중치가 사용된다.⁽⁵⁾ 최대 부하 효율은 전체 값의 2%에 불과하다.

IEER = (0.02×A) + (0.617×B) + (0.238×C) + (0.125×D)

여기서 : A = AHRI 표준 조건에서 순 용량 100%에서의 EER, B = 순 용량 75 %에서 EER

C = 50% 순 용량에서 EER, D = 25% 순 용량에서 EER

그러나, 최근에 널리 보급되고 있는 멀티에어컨 및 히트펌프시스템에 있어서 시스템의 성능평가방안에 대한 많은 연구가 진행 중에 있으며,⁽⁶⁾ SEER(Seasonal Energy Efficiency Ratio) 혹은 HSPF(Heating Seasonal Performance Factor)와 같이 계절성능을 나타내는 인자나 혹은 칠러에 적용되었던 IPLV와 같이 부분부하 성능을 나타내는 인자 등에 대한 충분한 검토가 이루어져야 할 시점이다.

4. 시뮬레이션 분석 및 비교 결과

4.2 결과 분석 및 평가 방안

Fig. 2 Building plan and Energy plus 3D modelling.

Fig. 3 Dehumidifying ventilation load in 4 regions.

Fig. 2는 24시간 기준 부하분석을 위한 대상건축물의 평면 구성과 3D 모델링 화면을 나타낸다. Fig. 3은 각 4개의 기준지역을 대상으로 한 제습부하 분포를 나타낸다. 제습부하가 발생하는 계절은 여름철에 주로 해당하므로 분석 기간은 6~9월의 하절기로 선정되었다. Fig. 3에 나타난 수치는 제로에너지빌딩 조건에서 0.5 회/h의 기계환기를 실시하는 경우 냉방부하 중 현열부하를 제외한 제습잠열부하의 분포를 나타낸 것이다. 순수제습 용도의 잠열부하 용량 및 부분부하율 산정을 위하여 고기밀 조건에서 기계환기설비를 가동하지 않는 경우의 냉방 잠열부하와 기계환기설비를 가동한 경우의 2회 시뮬레이션이 수행되었다. 부하용량 산정 및 부분부하율은 제습환기설비를 가동한 경우의 잠열 환기부하와 미가동한 경우의 차이로서 결과가 도출되었다. 분석 결과 단위 면적당 제습잠열부하의 최대치는 중부 1지역 23.3 W/㎡, 중부 2지역 28.1 W/㎡, 남부지역 28.7 W/㎡, 제주 지역의 경우 24.9 W/㎡ 수준으로 나타났으며 전체적으로 4개지역 평균은 26.3 W/㎡의 수준으로 나타났다. 중부1지역 및 2지역의 경우에 비하여 남부지역과 제주지역의 경우 하절기 피크기간에 환기설비의 가동 시 잠열부하의 비율이 높은 수준으로 나타났으며, 전지역에서 공통적으로 증감추세는 유사한 형태로 나타났다. 또한 4개 지역 모두 하절기 도입시기와 종료시기에는 제습환기잠열의 비율이 낮은 수준으로 나타나 상당한 수준의 부분부하의 저하가 예측되는 결과로 나타났다.

Fig. 4는 지역별 냉방기 제습잠열부하의 부분부하 출현빈도 분석 결과를 나타낸다. 중부 1, 2지역의 경우 잠열 제습부하의 출현빈도의 경우 50% 이상의 범위에서 매우 낮은 출현빈도를 나타냈다. 남부지역과 제주지역의 경우는 유사한 형태를 나타내고 있었으며 이는 도입외기의 기상상태에 따른 부분이 적용된 것으로 나타났다. 지역별 부분부하 분포의 분석 결과 전반적인 제습부하의 분포는 기존 IEER의 기준에 비하여 상당히 낮은 수준의 부분부하가 나타나고 있음이 확인되었다. 부분부하율 0~37.5% 구간의 저부하에 해당하는 25% Bin D 구간의 빈도발생시간은 중부1지역 1197 h, 중부2지역 111 6h, 남부지역 1401 h, 제주지역 1287 h의 수준으로 예측되었으며 부분부하율 37.5~62.5% 구간의 경우는 부분부하율 25~50%를 나타내는 Bin C 구간을 나타내는 경우로서 중부1지역 536 h, 중부2지역 735 h, 남부지역 842 h, 제주지역 821 h의 수준으로 예측되었다.

Fig. 5에 나타낸 바와 같이 부분부하효율 효율 분석 결과, 4개 지역 모두 기존 IEER 가중치와 상이한 결과로 나타났다. 특히 4개 지역 모두 부분부하율 50% 이하의 경우 오차율이 크게 예측되었다. 제습부하를 기준으로 IEER 기준과 비교한 내용으로서 분석 결과 제습부하는 부분부하가 발생하는 기간 및 비율이 높은 수준으로 나타났으며 부분부하율 25%에 해당하는 경우의 누적빈도분포가 평균적으로는 50%를 초과하는 수준으로 나타나 기존의 에너지효율 평가방법인 IEER 등의 지표에서 적용하는 가중치인 0.125, 0.238, 0.617, 0.020의 수치와는 상당한 차이로 나타났다.

Fig. 4 Dehumidification partial load appearance frequency in 4 regions.

Fig. 5 Comparison of IEER standards and dehumidification partial load frequency.

본 연구에서 수행된 시뮬레이션의 결과와 직접적인 비교 분석을 실시하기에는 다소 무리가 있을 것으로 추정되고 있으나 제로에너지 건축물의 에너지 성능 향상에 따른 요인으로 인하여 기존 에너지 효율 평가 방법에 대한 재고가 필요한 것으로 사료된다. Fig. 5에 나타낸 바와 같이 실질적인 시뮬레이션 결과에 비하여 기존 평가방법인 IEER의 경우 부분부하율 75% 부분의 차이가 특히 크게 나타나고 있다. 다음은 본 연구에서 도출된 부분부하의 지역별 가중계수를 포함한 IEER 산정식을 나타낸다.

중부1지역 IEER = 0.003A + 0.096B + 0.279C + 0.623D

중부2지역 IEER = 0.004A + 0.128B + 0.345C + 0.523D

남부 지역 IEER = 0.027A + 0.186B + 0.295C + 0.492D

제주 지역 IEER = 0.028A + 0.215B + 0.295C + 0.462D

본 연구에서 수행된 시뮬레이션의 결과는 냉방 시 발생하는 현열부하를 제외한 순수 제습장치의 제습조건을 대상으로 한 경우이므로 종합적 지표인 기존 IEER 가중계수와 직접적인 비교를 실시하는 경우 차이가 발생하게 된다.

그러나 현재 국내에서 제습전용으로 운전되는 시스템에 대하여 적용되는 기간 효율 평가용 가중계수는 별도로 규정되어 있지 않다. 따라서 기간효율의 측정을 위해 장기간 실제 측정하는 절차를 대신하여 25%, 50%, 75%, 100%의 부분부하 상황에서 측정된 효율을 기준으로 전술한 바와 같은 가중계수를 적용하는 방안이 필요한 것으로 나타났다.

5. 결 론

본 연구에서는 제로에너지 건축물을 대상으로 에너지 시뮬레이션을 통하여 연간 제습잠열부하 분석이 실시 되었고 냉방기간에 대한 부분부하율의 빈도분포를 분석하여 다음과 같은 결론이 도출되었다.

(1) 분석 결과 단위면적당 제습잠열부하의 최대치는 중부 1지역 23.3 W/㎡, 중부 2지역 28.1 W/㎡, 남부지역 28.7 W/㎡, 제주 지역의 경우 24.9 W/㎡ 수준으로 나타났으며 전체적으로 4개지역 평균은 26.3 W/㎡의 수준으로 나타났다.

(2) 국내 잠열제습부하의 출현빈도는 부분부하율 50%를 초과하는 범위에서는 0.3~21.5%의 낮은 빈도를 나타냈다.

(3) 기존 평가방법인 IEER의 경우 부분부하율 75% 범위에서의 차이는 40.5~52.4%로 나타나 이에 대한 적정 평가방안의 분석이 필요하다.

(4) 기간효율의 측정을 위해 장기간 실제 측정하는 절차를 대신하여 25%, 50%, 75%, 100%의 부분부하 상황에서 측정된 효율 결과에 가중계수를 적용하는 방안이 필요하다.