1. 서 론

최근 전 세계적으로 건축물의 에너지 및 온실가스 배출 감소는 건축계의 가장 큰 화두 중 하나로 이슈화 되고 있다. 건설 분야는 전 세계 최종 에너지 소비량의 35%, 전 세계 온실 가스 배출량의 38%를 차지한다고 보고되고 있어⁽¹⁾ 대책이 시급한 실정이다. 이에 대한 노력의 일환으로서 에너지 소비, 에너지 비용 및 CO$_{2}$ 배출량을 감소시킬 수 있는 신재생에너지가 각광받고 있으며, 국내에서도 정부에서 2020년 그린뉴딜, 2050 탄소중립 추진전략 등을 발표하면서 탄소중립 시대에 신재생에너지에 대한 관심도는 더욱 높아지고 있다. 또한, ‘제5차 신재생에너지 기본계획’을 수립하여 2034년 최종에너지 중 신재생에너지 비중을 13.7%로 증가시킬 예정이며 RPS 의무비율 상향 및 공급의무자 확대, RE100 이행수단 다양화와 인센티브 제공 등 신재생에너지의 체계적인 보급 확대를 도모하고 있다.⁽²⁾ 그중에서도 수열 에너지는 2019년 ‘신에너지 및 재생에너지 개발․이용․보급 촉진법 시행령’ 개정에 따라 기존 해수 표층수에서 하천수까지로 범위가 확대되면서 보급이 활발히 진행되고 있다. 해수, 광역상수, 주요 지천의 하천수를 주로 이용하여 에너지를 공급하지만 생활하수, 지하수, 수돗물 등을 활용하는 등 활용 범위 및 부존량이 높아⁽³⁾ 차세대 대표 신재생에너지 열원으로 주목받아 많은 연구들이 진행되고 있다. Bae et al.⁽⁴⁾은 TRNSYS 18을 활용하여 수열 히트펌프 시스템 시뮬레이션을 수행하고 인공신경망을 통해 오차율을 분석하여 통합 시뮬레이션 모델을 구축하였다. Kwon et al.⁽⁵⁾은 시뮬레이션을 통해 대형 오피스 건물을 대상으로 수열원, 지열원 및 공기열원 히트펌프 시스템의 성능을 비교, 분석하여 수열원이 타 열원에 비해 안정적인 COP를 나타냄을 확인하였다. Tai et al.⁽⁶⁾은 원자력발전소 폐열을 활용한 수열원 시스템이 기존의 지역난방 시스템에 비해 엑서지 효율이 16.07% 더 높게 나타남을 확인하였으며, Wang et al.⁽⁷⁾은 기존의 하수원 히트펌프 시스템의 스케일 형성, 부식 등에 대한 문제점 해결을 위하여 새로운 유형의 비금속 열교환기를 적용, 실험을 통하여 시스템 COP가 5.65로 나타났으나 시간의 지남에 따라 전열용량이 줄어들고 COP도 같이 감소함을 확인하였다. Oh et al.⁽⁸⁾은 수처리 건물의 수열 히트펌프 시스템에서 축열탱크의 크기가 시스템 성능의 주요 인자임을 확인하였다.

한편, IT(Information Technology)의 발전과 함께 데이터 사용량이 기하급수적으로 급증함에 따라 데이터 센터 시장도 급성장하고 있다. 더욱이, 코로나 시대에 맞춰 OTT, 5G, 클라우드 등과 같은 ICT 관련 기술 산업의 성장세에 따라 데이터센터의 공급은 더욱 증가하고 있다. MARKET RESEARCH FUTURE의 보고서에 따르면 데이터센터의 연평균 성장률은 2023년까지 11%로 예상하고 있으며⁽⁹⁾, 글로벌 데이터센터는 2021년 1,851개에서 2025년 총 2,300여 개로 증가될 것으로 전망하고 있다.⁽¹⁰⁾ 국내에서도 대규모 데이터센터를 운영하는 글로벌 Hyper-scaler 기업들이 다수의 데이터센터를 구축 및 개발하는 등 상업용 데이터센터의 성장률이 2025년까지 연평균 15.9%로 전망하고 있다.⁽¹⁰⁾ 이러한 데이터센터 최근 트렌드는 친환경 요소가 강조된 그린 데이터센터로서 탄소배출 및 운영비 저감 등을 목표로 빠르게 확산되고 있다. 시설 특성상 냉방 에너지를 중단없이 공급하여야 하므로 전력소비량이 매우 많으므로 그린 데이터센터 구축을 위해서는 신재생에너지의 적극적인 활용이 필수적이다. 데이터센터는 기존의 업무용, 상업용, 공공주택 등과 부하특성이 상이하여 계절과 관계없이 냉방이 필요한 시설로써, 냉방 부하를 감당하기 위해 많은 에너지가 소비된다. 이러한 부하특성에 대응하기 위하여 대용량의 고효율 냉방 시스템이 요구됨에 따라 수열에너지를 활용한 시스템의 보급이 필요하다.⁽¹¹⁾

하지만, 데이터센터의 냉방 부하 특성 및 타열원에 관한 연구는 다양하게 진행되고 있으나 수열원을 활용한 데이터센터 에너지 절감 효과에 대하여 분석한 연구는 매우 드물다. 특히, 수열원 시스템과 타열원 시스템의 차이를 정량적으로 나타낸 연구는 거의 없다.

따라서, 본 논문에서는 시뮬레이션을 통해 소규모 데이터센터 전산실을 모의하여 수열 및 지열 히트펌프 시스템을 적용, 시스템 성능을 비교 분석하였다. 또한, 수열원과의 취수거리에 따른 경제성분석을 실시하여 데이터센터의 수열원 보급 활성화에 있어 기초 자료로써 제공하고자 한다.

2. 연구방법

2.1 건물 부하 모델

Fig. 1은 구축된 부하모델을 나타내며, Fig. 2는 부하모델의 연간 냉방부하 패턴을 나타낸다. 본 연구에서는 연중무휴로 24시간 냉방운전을 가동하는 데이터센터의 부하특성을 중점으로 수열 및 지열 히트펌프 시스템의 에너지 성능 분석을 수행하기 위하여 TRNSYS 18을 활용하여 소규모 데이터센터 전산실을 모의하였다. 대상 모델은 부산광역시에 위치한 소규모 데이터센터를 가정하여 벽체, 바닥 및 지붕의 열관류율을 ‘건축물의 에너지절약설계기준 내 [별표 1] 지역별 건축물 부위의 열관류율표’의 남부지역 기준을 적용하였다. 기상데이터는 TRNSYS 18 내 부산광역시의 기상데이터가 없어 가장 인접한 도시인 울산광역시의 데이터를 적용하였다. 데이터센터는 시설 특성상 Rack 장비의 높은 발열로 인하여 24시간 냉방운전만 가동하므로 난방운전은 고려하지 않았으며, 실내 온도는 ASHRAE의 데이터센터 권장 실내 온도⁽¹²⁾를 참고하여 27℃로 설정하였다. 또한, 데이터센터 전산실은 상시 거주인원이 없기 때문에 조명은 온오프로 가동하므로 전력 소비량이 미미하여 제외하였으며, 마찬가지로 인체 발열부하도 없다고 가정하였다. Table 1은 본 연구에서 구축한 부하 해석 모델의 입력조건을 나타낸다.

Fig. 1 Concept of building load model.

Fig. 2 Building cooling load.

Table 1 Specifications simulation model

Location	Busan, South Korea
Building model	Data center
Set temperature (℃)	Cooling : 27
Floor area (㎡)	876.41
Ventilation (1/h)	0.2
Operation period	Cooling 365 days
Internal heat gain	Rack load 110 kW
U—Value (W/m2․K)	External wall : 0.320
	Roof : 0.260
	Inner ceiling : 0.350
	Ground floor : 0.250

2.2 동적 에너지 시뮬레이션 모델

Fig. 3 및 Fig. 4는 시스템 개념도를 나타낸다. 본 연구에서는 동적 에너지 해석을 위해 TRNSYS 18을 이용하여 지열 및 수열 시스템의 에너지 성능예측 모델을 구축하여 각 시스템의 연간 에너지 성능을 비교, 분석하였다. 구축된 부하 모델의 냉방부하를 감당하기 위한 열원으로 수열 및 지열을 활용하였다. 수온데이터의 경우 공공데이터 포털에서 제공하는 부산 삼락지역의 수온데이터를 적용하였으며, 지중열교환기는 수직밀폐형으로 심도 150 m, 보어홀 11공 설치를 가정하여 초기온도는 16℃로 설정하였다. Table 2는 에너지 시뮬레이션 모델에 입력된 컴퍼넌트 수치값을 나타낸다.

Table 3은 Case 조건을 나타낸다. 수열 히트펌프 시스템과 지열 히트펌프 시스템의 전력 소비량 차이를 비교하기 위하여 수열원측 양수펌프의 양정에 따른 Case study를 수행하였다. 지열 히트펌프 시스템과 열원측 양정을 고려하지 않은 수열 히트펌프 시스템을 Base case(Case 2)로 하여 수열 히트펌프 시스템의 열원측 순환펌프의 양정 변화에 따른 에너지 성능분석을 수행하였다. 양정 변화는 100 m, 150 m, 300 m, 500 m, 1,000 m로 설정하였으며, 양정에 따른 양수펌프는 취수거리에 따른 파이프 마찰손실을 고려하여 한국에너지공단의 고효율 인증 제품을 적용하였다.

Fig. 3 Schematic diagram of GSHP system.

Fig. 4 Schematic diagram of WSHP system.

Table 2 Component condition

Component	Name	Value
Heat pump (WSHP system) (Type 927)	Type	Water to water heat pump
	Cooling capacity	150 kW
	Cooling power	39.9 kW
Heat exchanger (WSHP system) (Type 5b)	Source/load specific heat	4.19 kJ/kg․K
	Flowrate	23,000 kg/hr
Heat pump (GSHP system) (Type 927)	Type	Water to water heat pump
	Cooling capacity	150 kW
	Cooling power	39.9 kW
Ground heat exchanger (GSHP system) (Type 557a)	Borehole depth	150 m
	Number of borehole	11 EA
	Thermal conductivity	3.5 W/m․K
	Heat capacity	2,920 kJ/㎥/K
	Initial temperature	16℃
Pump (Type 3b)	Maximum flow rate	22,140 kg/hr
	Maximum power	2.2 kW

Table 3 Case condition

		Case 1	Case 2	Case 3	Case 4	Case 5	Case 6	Case 7
Heat source		Groud	Water	Water	Water	Water	Water	Water
Pump	Head	-	-	100 m	150 m	300 m	500 m	1,000 m
	Power	-	-	15 kW	22 kW	44 kW	74 kW	148 kW

3. 시스템 성능 분석

Fig. 5는 외기온도 및 각 시스템의 열원온도를 나타내며, Fig. 6은 지열 히트펌프 시스템(Case 1) 및 수열 히트펌프 시스템 Base case(Case 2)의 히트펌프 입․출수 온도를 나타낸다. 수열 시스템의 경우 히트펌프 입․출수 온도는 열원측 온도와 유사한 양상을 보였지만, 지열 시스템의 경우 동절기와 하절기가 비슷한 온도 분포를 나타냈다. 이는, 계속된 냉방운전으로 인하여 지중에 방출되어 누적된 열이 해소되지 못한 영향으로 사료된다.

Fig. 7과 Fig. 8은 양정 변화에 따른 수열 히트펌프 시스템의 채열량 및 COP를 나타낸다. 본 대상 모델의 Rack 장비 발열부하를 대응하기 위하여 지열 및 수열 히트펌프 시스템에서 생산된 열량과 시스템 운전에 소비된 각 유닛의 소비전력을 통해 시스템 COP를 산출하였다. 시스템 COP 산출은 식(1)을 통해 계산할 수 있다.

여기서, COPsys는 시스템의 성능계수, PHP는 히트펌프 소비전력(kW), Pp는 펌프의 소비전력(kW), PFCU는 FCU(Fan coil unit)의 소비전력(kW), QHP는 히트펌프 생산열량(kW)을 나타낸다. 양정 변화에 따른 채열량의 변화는 없지만 양정펌프의 변경으로 인하여 소비전력이 증가하여 시스템 COP는 Base case(Case 2) 평균 8.18에서 양정 300 m(Case 5) 3.08, 1,000 m(Case 7) 1.27로 점차 낮아짐을 확인하였다.

Fig. 9와 Fig. 10은 지열 히트펌프 시스템(Case 1)과 수열 히트펌프 시스템 양정 150 m(Case 4)의 에너지 성능 비교를 나타낸다. 지열 히트펌프 시스템과 양정에 따른 수열 히트펌프 시스템의 에너지 성능을 비교한 결과, 양정 150 m(Case 4)에서부터 지열 시스템이 일부 구간에서 시스템 COP가 더 높게 나타났으며, 히트펌프 COP는 열원 온도의 차이로 인하여 수열 시스템이 최대 1월 10.53 더 높게 나타냈다.

Fig. 5 Heat source and outdoor temperature.

Fig. 6 Circulating water temperature of GSHP and WSHP.

Fig. 7 HER and heat pump COP of WSHP.

Fig. 8 HER and system COP of WSHP.

Fig. 9 HER and heat pump COP of Case 1 and Case 4.

Fig. 10 Electrical consumption and system COP of Case 1 and Case 4.

4. 경제성 분석

본 연구에서는 수열 및 지열 히트펌프 시스템의 성능을 비교, 분석하고 그 결과를 토대로 취수거리에 따른 시스템 경제성 분석을 실시하였다. 경제성 비교는 열교환기, 히트펌프 등과 같이 각 열원에 따라 변경되는 요소를 제외한 기타 순환펌프 및 배관, FCU 등은 동일 조건으로 가정하여 제외하였다. 시스템 설치비용의 경우 지열 시스템은 천공, 케이싱 및 지중열교환기, 그라우팅, 유동화재, 히트펌프 비용이 포함되었으며⁽¹³⁾, 수열 시스템은 히트펌프, 열교환기, 주위 배관비용이 산정된 금액이다. 자재 및 장비 단가는 국토교통부 ‘2022년 상반기 건설공사 표준시장단가 적용공종 및 단가’ 및 한국물가정보 ‘종합물가정보’를 토대로 산출 되었으며, 노무비는 국토교통부 ‘2022년 건설공사 표준품셈’을 토대로 품을 산정하여 산출되었다. 또한, 순환펌프 비용은 양정에 따른 순환펌프의 가격과 설치비용이 포함되어 업체 견적가를 참고하였으며, 파이프 설치비용은 환경부 ‘수도시설 운영비 및 공사비 개략산정기준’을 토대로 취수원에서 데이터센터까지의 환경을 콘크리트로 가정하여 산정하였다. 한편, 순환펌프 전기 요금은 수열 시스템 Case 중 양수펌프가 설치되는 Case 3~Case 7에 적용되며 요금 산정은 한국전력공사의 전기요금 단가 중 ‘일반용(을)’을 적용하여 산출하였다.

Fig. 11은 각 Case별 비용분석을 나타내며, Fig. 12는 GSHP 및 WSHP 시스템의 용량 변화에 따른 비용분석을 나타낸다. 각 열원에 따른 시스템 경제성 비교 결과, 시스템 초기투자비의 경우 지열 시스템(Case 1)이 수열 시스템(Case 2) 보다 약 1.7배, 수열 시스템과 비교하여 지열 시스템의 시스템 COP가 일정 구간 우위를 나타내는 Case 4와는 약 26% 더 높게 나타냈다. 또한, WSHP 시스템의 Base case인 Case 2와 양정이 가장 긴 Case 7은 기본 시스템에 비해 약 3.5배 많은 비용을 나타냈다.

한편, GSHP 시스템과 WSHP 시스템 중 취수거리가 가장 긴 Case 7을 기준으로 용량 증가에 따른 비용 분석을 수행하였다. 그 결과, 설계용량 기준 500 kW부터 GSHP 시스템이 WSHP 시스템 보다 더 높은 비용을 나타냈다.

Fig. 11 Total cost.

Fig. 12 Total cost according to design capacity.

5. 결 론

본 연구에서는 연중 계절 변화와 관계없이 24시간 냉방운전을 가동하는 데이터센터를 대상으로 동적 시뮬레이션을 통해 수열원 및 지열원 히트펌프 시스템의 성능을 분석하고, 각 열원에 따른 설치비용을 비교, 검토하였다. 또한, 취수원과의 거리에 따른 시스템 성능과 설치 및 운전비용 검토를 수행하여 GSHP 시스템과 비교하였다. 본 연구 결과에 대한 요약은 다음과 같다.

(1) 동적 해석 프로그램인 TRNSYS 18을 활용하여 소규모 데이터센터 전산실을 모의, 각 열원에 따른 에너지 성능을 분석하여 수열 시스템(Base case, Case 2)이 지열 시스템(Case 1)보다 시스템 COP가 평균 4.01 더 높게 나타났으며, 설치 및 운영 비용은 GSHP 시스템이 WSHP 시스템보다 약 1.7배 더 높음을 확인하였다.

(2) WSHP 시스템의 취수거리에 따른 시스템 성능 분석 결과, 채열량의 차이는 없으나 양수펌프의 소비동력에 따라 취수거리가 멀어질수록 시스템 COP가 낮아짐을 확인하였다.

(3) GSHP 시스템과 WSHP 시스템의 시스템 성능 비교 결과, 취수거리 150 m(Case 4)에서 평균 시스템 COP는 WSHP 시스템이 0.29 더 높게 나타나지만, 일부 구간에서 GSHP 시스템의 시스템 COP가 더 높게 나타났다. 설치 및 운영비용의 경우 WSHP 시스템 중 취수거리 300 m(Case 5)부터 GSHP 시스템보다 더 높은 비용을 나타냈다.

(4) 따라서, 시스템 성능, 설치 및 운영비용을 고려하였을 때 취수원과의 거리가 300 m 이상일 경우 GSHP 시스템이 유리하다고 사료된다. 하지만, 데이터센터의 규모가 소규모가 아닌 대규모 시설일 경우 히트펌프 용량 기준 500 kW 이상부터 WSHP 시스템이 비용적 측면에서 유리하므로 고려하여 적용하여야 한다.

본 연구에서는 수열원 히트펌프 시스템의 성능 및 경제성을 평가하기 위하여 특수시설인 데이터센터를 대상으로 지열원 히트펌프와 비교, 분석하였다. 향후, 본 연구결과를 토대로 타용도 건축물의 수열원 히트펌프 시스템 적용가능성에 대하여 검토할 예정이다.