1. 서 론

사무용 건물은 일정한 업무 시간을 가지며, 그에 따라 난방시스템 가동을 위한 실내 공간의 재실 기간(e.g. 주중 업무시간)과 비재실 기간(e.g. 야간 및 주말)이 결정된다. 즉, 난방시스템은 재실자의 열쾌적성 확보를 위해 재실 기간 동안 가동되며, 불필요한 에너지 사용을 방지하기 위해 비재실 기간 동안 정지되는 간헐적인 운용 특성을 보인다. 시스템이 정지되어 있는 비재실 기간 동안, 실내온도는 시간이 지남에 따라 외부환경에 영향을 받아 점차 하강된다. 따라서 난방시스템이 재가동될 경우, 난방시스템이 하강된 실내온도를 상승시켜 실내온도가 난방설정온도까지 도달하기 위해 일정시간이 요구된다. 본 연구는 실내온도가 설정온도 달성을 위해 요구되는 일정한 시간을 Recovery time으로 명명하였다. Recovery time은 시스템 용량과 시스템 재가동 시작 시간에 많은 영향을 받는다.⁽¹⁾

난방시스템 용량(이하, HSCP; Heating system capacity)은 난방부하를 제거하고 실내온도를 상승시키는 능력과 관련된 요소이다. 만일 난방시스템의 노후화 및 건물의 사용성 변화에 따른 부하 증가로 인해 HSCP가 과소할 경우 Recovery time이 증대되며, 이는 재실자의 열쾌적성 저하를 유발한다. 반대로 용량 계산의 오류로 인해 HSCP가 과대할 경우 기기 설치비 및 운영비의 증가를 야기하기 때문에 적절한 HSCP 설정이 요구된다(Fig. 1(a) 참조).⁽²⁾ 난방시스템 재가동 시간(이하, HSRT; Heating system restart time)은 재실 시작 시간 이전에 실시하는 예비 난방시간과 관련된 요소이다. 만일 HSRT가 늦게 설정되어 요구되는 예비 난방시간을 확보하지 못하면 실내온도가 재실 시작 시간 이전에 난방설정온도에 도달하지 못하여 재실자의 열쾌적성이 저하된다. 이를 방지하기 위해 일반적으로 시스템 운용자는 HSRT를 재실 시작 시간 1∼2시간 이전으로 설정하여 실내온도가 재실 시작 시간 이전에 난방설정온도에 도달할 수 있도록 한다. 그러나 HSRT가 필요한 예비 난방시간 이상의 이른 시간으로 설정되면 불필요한 에너지 사용량이 발생하기 때문에 HSRT는 Recovery time을 고려하여 적절하게 설정되어야 한다(Fig. 1(b) 참조).

이와 같이 난방시스템이 간헐적으로 운용될 경우 실내 열쾌적성 만족과 에너지 사용량 절감을 동시에 달성하기 위해 적절한 시스템 용량과 재가동 시작 시간 설정이 필수적이며, 간헐적 공조시스템 운용에 관련된 다양한 연구가 선행되었다. 선행된 연구를 조사한 결과는 다음과 같다.

Lee et al.⁽³⁾은 열원설비의 대수분할 방안 제안을 위해 열원설비의 부분부하 거동에 따른 운전성능을 평가하였다. 이를 위해 해당 연구는 RTS(Radiant time series)법을 이용하여 열원설비의 용량을 산정하고, DOE-2를 이용한 동적 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과 평가 결과, 냉동기는 5:5, 보일러는 7:3의 비율로 용량차등 대수분할한 경우에 가장 높은 에너지 절감율을 보였다. 또한 해당 연구는 추후 연구에서 열원설비 이외에 반송기기(펌프 등)의 운전성능 평가의 필요성을 주장하였다. Moon and Jung⁽⁴⁾은 실내 열쾌적성 향상과 건물 에너지 절감을 위해 간헐적 운용 방식 중 하나인 셋백제어의 최적설정온도 변경시간을 예측하는 인공신경망 모델을 개발하였다. 해당 연구는 인공신경망 모델의 입력 변수로 실내온도, 실외온도, 그리고 실내온도와 셋백설정온도의 차이를 이용하여 최적설정온도 변경시간을 예측하였다. 그리고 예측 정확도 평가를 통해 해당 인공신경망의 예측 정확도가 R2=0.999의 결과를 나타냄을 확인하였기 때문에 해당 연구에서 개발한 인공신경망 모델이 설정온도 최적 변경시간을 예측할 수 있을 것으로 판단된다. Kang et al.⁽⁵⁾은 냉동기의 최적 용량을 선정하기 위해 건물 내 조명밀도, 기기 부하, 그리고 재실자 밀도와 같은 불확실한 변수를 고려한 냉동기 용량 선정 방법을 제안하였다. 이를 위해 해당 연구는 Monte Carlo 기법을 이용하여 불확실 변수를 정량화하고 EnergyPlus를 이용하여 동적 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과는 불확실 변수를 정량화하여 냉동기의 용량을 설정할 경우, 실내 열쾌적성에 악영향을 미치지 않으며 냉동기 용량이 최대 22.51% 감소함을 보였다. Xu et al.⁽⁶⁾은 사무용 건물의 난방시스템 최적 가동 시작 시간을 결정하기 위해 실내온도 예측 제어법을 제안하였다. 이를 위해 해당 연구는 동적 시뮬레이션을 통해 난방시스템 간헐적 운용에 따른 열환경 및 시스템 특성을 분석하였다. 분석 결과는 최적 난방시스템 제어의 핵심이 외기조건에 따른 최소 예비난방 시간 예측이며, 이를 통해 실내 열쾌적성을 만족함과 동시에 최대 20%의 에너지 사용량 절감이 가능함을 보였다. Hu et al.⁽⁷⁾은 간헐적으로 공조시스템을 운용하는 건물의 에너지 절감을 위해 간헐적 공조시스템에 관련된 선행 연구를 검토하고 향후 연구 방향을 제시하였다. 해당 연구에서 검토한 선행 연구 결과는 합리적인 예비냉방 및 난방을 통해 실내 열쾌적성이 저하되지 않으며 최대 20%의 에너지가 절감됨으로 요약된다. 그리고 해당 연구는 선행 연구 검토 이후에 불확실성 변수인 재실밀도에 따른 열환경의 동적 변화, 구조체의 단열 성능과 공조시스템의 결합 최적화, 그리고 간헐적 공조시스템 운용 관련 규정의 최신화에 관한 연구의 필요성을 주장하였다.

선행 연구 조사 결과, 선행 연구는 최적 용량 및 시스템 가동 시작 시간 선정 방안 제안 중심으로 수행되고 있었다. 그러나 HSCP와 HSRT를 동시에 고려하여 실내 열쾌적성 및 에너지 사용량을 분석한 연구는 미비하였다. HSCP와 HSRT를 동시에 고려한 실내 열환경 및 에너지 사용량 분석은 최적 용량 설정 방안 및 최적 가동 제어 개발을 위해 필수적으로 선행되어야 한다. 이에 본 연구는 동절기에 난방시스템이 간헐적으로 운용될 경우, HSCP와 HSRT가 실내 열환경 및 에너지 사용량에 미치는 영향을 평가하였다.

Fig. 1 Effects of heating system capacity and HSRT on thermal environment.

2. 연구방법

2.1 Overall Research Process

본 연구의 목적은 간헐적으로 난방시스템을 운용할 경우, HSCP와 HSRT가 실내 열환경과 에너지 사용량에 미치는 영향을 평가함에 있다. 이에 본 연구는 시뮬레이션 모델 제작, Base-case 선정, 시뮬레이션 Case 분류, 그리고 시뮬레이션 결과 분석의 4단계로 진행되었으며, 각 단계에 대한 설명은 다음과 같다(Fig. 2 참조).

1단계는 시뮬레이션 모델 제작 단계이다. 본 연구는 건물 에너지 시뮬레이션 툴인 EnergyPlus를 이용하여 사무용 건물 모델과 공조 시스템을 모델링하였다.⁽⁸⁾ 2단계는 Base-case 선정 단계이다. 본 단계는 Base-case의 HSCP를 선정하기 위해 사전 시뮬레이션을 수행하고, 선정된 Base-case의 HSCP를 부하에 대한 시스템 용량의 비율을 나타내는 용량부하비(이하, CLR; Capacity-load ratio) 1.0으로 가정하였다. 본 단계는 실내 열환경과 에너지 사용량 평가를 위해 HSCP별 시뮬레이션 Cases를 총 7개, HSRT별 시뮬레이션 Cases를 총 5개로 분류하였다. 마지막으로 4단계는 시뮬레이션 결과 분석 단계이다. 본 단계는 3단계에서 분류한 Case별 에너지 시뮬레이션 결과를 실내 열환경(실내온도 및 Recovery time)과 에너지 사용량으로 나누어 평가하였다.

Fig. 2 Overall research diagram.

2.2 시뮬레이션 모델링

본 연구는 건물 에너지 시뮬레이션을 기반으로 수행되었기 때문에 EnergyPlus를 이용하여 시뮬레이션 모델링을 수행하였다. Fig. 3은 건물 모델의 외피 형상 및 평면도, 그리고 난방시스템의 개략도를 보여주며, Table 1은 시뮬레이션 모델링에 이용된 입력 변수를 요약한 표이다. 건물 외피의 형상은 ASHRAE Standard 90.1 Medium Office Model의 단층을 기반으로 제작되었다.⁽⁹⁾ 건물 모델의 체적은 4,800 ㎥(40 m×40 m×3 m)이며, 창은 각 향별로 39.6 ㎡의 면적으로 구성되어 있다. 건물 구조체의 열관류율은 에너지절약설계기준의 중부 2지역 열관류율 기준에 만족하는 값으로 설정하였다.⁽¹⁰⁾ 공조시스템은 난방 코일, 공급 팬, 환기 팬, 보일러, 그리고 순환펌프로 구성된 VAV(Variable Air Volume) 시스템이며 난방설정온도는 20℃이며, Set-back 온도는 설정하지 않았다. 그리고 재실 스케줄은 주중 09:00∼18:00로 설정하였다.⁽¹¹⁾ 기상데이터는 대전 지역의 IWEC2 (International weather files for energy calculation 2.0)를 이용하였다.⁽¹²⁾ 시뮬레이션 기간은 1월 22일∼24일이며 22일∼23일을 주말, 연중 최저 실외온도를 기록한 24일을 월요일로 가정하고 24일만을 분석하였다. 이는 주말간 실내에 축적된 부하가 난방시스템 재가동 시 미치는 영향을 반영하기 위함이다.

Table 1 Summary of input values used for simulation modeling

Input Parameters		Values	References
Building type		Office	EnergyPlus commercial prototype building models(9)
Floor area		1,600 ㎡
Floor height		3 m
Building volume		4,800 ㎥
Window area		158.4 ㎡
U-Value	Exterior wall	0.24 W/㎡·K	Standard of building energy saving(10)
	Window	1.50 W/㎡·K
	Roof	0.15 W/㎡·K
	Floor	0.29 W/㎡·K
Set-point temp.	Heating	20℃	Building energy efficiency certification(11)
	Set-back	N/A
Occupancy period	Weekdays	09:00∼18:00
	Weekends	Unoccupied
Weather data		Daejeon, Korea	International weather files for energy calculation 2.0(12)
HVAC system		VAV system
Heat source equipment		Boiler

Fig. 3 Schematic diagram of simulation model.

3. 시뮬레이션 결과 분석

3.1 HSCP(CLR) 설정에 따른 결과 분석

3.1.1 실내 열환경

3.1.1절에서는 CLR에 따른 실내온도 및 Recovery time을 평가하였다. Fig. 4는 CLR에 따른 실내온도 변화, Fig. 5는 CLR에 따른 Recovery time을 보여준다. CLR에 따른 실내 열환경의 경우 Case #1(CLR 0.6)은 HSCP가 난방부하 제거에 충분하지 않아 재실 기간 이내에 실내온도가 설정온도에 도달하지 못하기 때문에 Recovery time 측정이 불가하였다. 그리고 Case #2(CLR 0.8), Case #3(CLR 1.0), Case #4(CLR 1.2), Case #5(CLR 1.4), Case #6(CLR 1.6), Case #7(CLR 1.8), 그리고 Case #8(CLR 2.0)의 Recovery time은 각 379분, 244분, 165분, 118분, 78분, 61분, 그리고 46분이 소요되었다(Fig. 4 및 Fig. 5 참조). 즉, CLR이 증가할수록 Recovery time은 감소하는 결과를 보였으며, 이를 통해 HSCP 증가를 통해 난방시스템이 누적된 난방부하를 신속하게 제거할 수 있음을 확인 가능하다. 이때, HSCP가 CLR 1.2 이하로 설정된 경우, 난방시스템이 누적된 난방부하를 이른 시간 내에 제거하기 위한 열량을 공급하지 못하기 때문에 실내온도가 재실 시작 시간 이전에 설정온도까지 도달하지 못하는 결과를 보였다. 따라서 본 연구에 선정된 사무용 건물에서 HSCP는 재실기간 초기의 실내 열환경 저하 방지를 위해 CLR 1.4 이상으로 설정되어야 할 것으로 판단된다.

Fig. 4 Changes in indoor air temperatures with various CLRs.

Fig. 5 Recovery times with various CLRs.

3.1.2 에너지 사용량

3.1.2절에서는 CLR에 따른 에너지 사용량을 평가하였다. Fig. 6은 CLR에 따른 난방시스템 요소별 일간 에너지 사용량, Fig. 7은 CLR에 따른 에너지 사용량의 변화를 보여준다. CLR에 따른 에너지 사용량의 경우 Case #1(CLR 0.6), Case #2(CLR 0.8), Case #3(CLR 1.0), Case #4(CLR 1.2), Case #5(CLR 1.4), Case #6(CLR 1.6), Case #7(CLR 1.8), 그리고 Case #8(CLR 2.0)의 일간 에너지 사용량은 각 636.0 kWh, 757.4 kWh, 800.2, 852.3 kWh, 869.8 kWh, 878.0 kWh, 879.5 kWh, 그리고 879.7 kWh의 결과를 보였다. 즉, CLR이 증가할수록 난방시스템 일간 에너지 사용량은 증대됨을 확인 가능하다. 이는 Recovery time 평가 결과와 더불어 CLR이 증가함에 따라 난방시스템이 감당 가능한 첨두부하가 증대되기 때문이며, 이를 통해 난방시스템 재가동 초기에 많은 에너지를 사용하여 Recovery time 단축이 가능하다(Fig. 7 참조). 따라서 본 연구에 선정된 사무용 건물에서 HSCP는 간헐적 난방시스템 운용 시, 재실기간 초기의 실내 열환경 저하 방지와 에너지 사용량 절감을 동시에 달성하기 위해 CLR 1.4로 설정되어야 할 것으로 판단된다.

Fig. 6 Daily energy consumption by equipment with various CLRs.

Fig. 7 Changes in energy consumption with various CLRs.

3.2 HSRT 설정에 따른 결과 분석

3.2.1 실내 열환경

3.2.1절에서는 HSRT에 따른 실내온도 및 Recovery time 평가로써, 평가를 위한 HSCP는 CLR 1.4로 설정하였다. Fig. 8은 HSRT에 따른 실내온도 변화, Fig. 9는 HSRT에 따른 Recovery time을 보여준다. HSRT에 따른 Recovery time의 경우 Case #1, Case #2, Case #3, Case #4, 그리고 Case #5는 각 118분, 96분, 74분, 61분, 그리고 53분으로 실내온도 변화는 HSRT가 늦게 설정될수록 급격하였다(Fig. 8 참조). 이에 따라 Recovery time은 HSRT이 늦게 설정될수록 감소하였는데, 이는 시간이 오전 9시에 가까울수록 증가하는 조명과 기기에 의한 내부 발열량과 일사 획득 열량이 난방부하 감소 및 실내온도 상승에 이점으로 작용하기 때문으로 판단된다(Fig. 9 참조). 이때, HSRT가 오전 7시 이후로 설정될 경우(Case #2∼Case #5), 재실 시작 시간인 오전 9시 이전에 실내온도가 설정온도에 도달하지 못하였다. 따라서 본 연구에 선정된 사무용 건물에서 재실기간 초기의 실내 열쾌적성 저하를 방지하기 위해 HSRT는 최소 7시 30분 이전으로 설정되어야 한다.

Fig. 8 Changes in indoor air temperature with various HSRTs.

Fig. 9 Recovery times with various HSRTs.

3.2.2 에너지 사용량

3.2.2절에서는 HSRT에 따른 에너지 사용량을 평가하였다. Fig. 10은 HSRT에 따른 난방시스템 가동 시간 및 일간 에너지 사용량, Fig. 11은 HSRT에 따른 에너지 사용량 변화를 보여준다. HSRT에 따른 일간 에너지 사용량의 경우 Case #1, Case #2, Case #3, Case #4, 그리고 Case #5가 각 869.8 kWh, 807.5 kWh, 766.3 kWh, 716.3 kWh, 그리고 675.4 kWh의 에너지를 사용하였으며, HSRT가 늦게 설정될수록 일간 에너지 사용량이 감소하였다. 이는 HSRT이 늦게 설정될수록 일간 난방시스템 가동시간이 감소하기 때문이다(Fig. 10 참조). 또한 HSRT가 늦게 설정될수록 난방시스템 첨두부하가 감소하였으며, 이는 3.2.1절에서 언급한 바와 같이 시간이 오전 9시에 가까울수록 실내 발열량, 일사 획득 열량이 증가하기 때문으로 판단된다(Fig. 11 참조). 따라서 본 연구에서의 최적 HSRT는 3.2.1절의 결과를 동시에 고려하여 오전 7시∼오전 7시 30분 사이에서 설정되어야 한다.

Fig. 10 System operating time and daily energy consumptions with various HSRTs.

Fig. 11 Changes in energy consumption with various HSRTs.

3.3 HSCP와 HSRT의 Heat map 분석

3.3절에서는 HSCP와 HSRT이 실내 열환경 및 에너지 사용량에 미치는 영향을 동시에 평가하기 위해 Heat map 분석을 실시하였다. Table 5와 Table 6은 각각 HSCP와 HSRT에 따른 Recovery time 및 일간 에너지 사용량에 대한 Heat map이다. Recovery time heat map은 HSCP가 증가할수록, HSRT가 늦게 설정될수록 Recovery time이 감소하는 결과를 보였다. 그리고 에너지 사용량 Heat map은 HSCP가 감소할수록, HSRT가 늦게 설정될수록 일간 에너지 사용량이 감소하는 결과를 보였다. 이에 난방시스템 재가동 이후, 재실 시작시간 이전에 실내온도가 난방설정 온도에 도달한 경우는 Case #E∼#H-Case #1(CLR 1.4∼2.0, 7:00AM), Case #F∼#H-Case #2(CLR 1.6∼2.0, 7:30AM), 그리고 Case #F∼#H-Case #3(CLR 1.6∼2.0, 8:00AM)이었다(Table 5의 점선 박스 참조). 이 중, Case #F-Case #3(CLR 1.6, 8:00AM)이 가장 적은 에너지를 소비하였다. 따라서 본 연구에 선정된 사무용 건물에서 재실기간 초기 실내 열쾌적성 저하 방지 및 에너지 사용량 절감을 동시에 달성하기 위한 최적 HSCP은 CLR 1.6, 최적 HSRT는 오전 8시로 판단된다.

Table 5 Heat map for recovery time with various heating system capacities and restart times

Table 6 Heat map for daily energy consumption with various heating system capacities and restart times

4. 결 론

본 연구는 재실 패턴에 따라 간헐적으로 운용되는 HSCP 및 HSRT에 따른 실내 열환경과 에너지 사용량을 평가하였다. 이를 위해 사무용 건물 시뮬레이션 모델을 이용하여 에너지 시뮬레이션을 수행하고 Case별 시뮬레이션 결과를 분석하였다. 본 연구의 결론은 다음과 같다.

(1) 난방시스템 CLR에 따른 Recovery time 평가 결과, CLR이 증가할수록 Recovery time은 감소하였다. CLR 0.6인 경우는 재실 기간 내에 실내온도가 난방설정온도에 도달하지 못하였다(Recovery time 측정 불가). CLR 0.8∼CLR 2.0은 재실 기간 내에 실내온도가 난방설정온도에 도달하였으나, CLR 1.4 미만의 Cases는 누적 난방부하를 이른 시간 내에 제거하고 실내온도를 상승시키기 위한 열량을 공급하기 위해 부족한 용량이었다. 따라서 본 연구에서 HSCP는 재실 시작 시간 이전에 실내온도를 난방설정온도에 도달시키기 위해 CLR 1.4 이상으로 설정되어야 할 것으로 판단된다.

(2) 난방시스템 CLR에 따른 에너지 사용량 평가 결과, CLR이 증가할수록 일간 에너지 사용량이 증가하였다. 이는 CLR이 증가할수록 난방시스템이 감당 가능한 첨두부하가 증가하여 난방부하가 신속하게 제거되기 때문이며, 이는 Recovery time 단축에 이점으로 작용하였다. 따라서 본 연구에서 HSCP는 실내 열환경 및 에너지 사용량 평가 결과를 동시에 고려하여 CLR 1.4로 설정되어야 할 것으로 사료된다.

(3) HSRT에 따른 실내온도 및 Recovery time 평가 결과, HSRT가 늦게 설정될수록 Recovery time이 감소하였다. 이는 시간이 오전 9시에 가까워질수록 증가하는 내부 발열량 및 일사 획득 열량에 의해 난방부하가 감소하기 때문이다. 그리고 HSRT가 오전 7시 이후로 설정된 경우에서 실내온도가 재실 시작 시간 이전에 설정온도에 도달하지 못하였다. 따라서 본 실내 열쾌적성 저하 방지를 위해 본 연구에서의 HSRT는 최소 오전 7시 30분 이전으로 설정되어야 할 것으로 판단된다.

(4) HSRT에 따른 에너지 사용량 분석 결과, HSRT가 늦게 설정될수록 난방시스템의 일간 가동시간이 감소함에 따라 에너지 사용량 또한 절감되었다. 그리고 HSRT가 늦게 설정될수록 증가하는 내부 발열량 및 일사 획득 열량에 의해 난방시스템의 첨두부하가 감소하였다. 따라서 Recovery time 분석 결과와 에너지 사용량 분석 결과를 동시에 고려하여 본 연구에서의 HSRT는 오전 7시∼오전 7시 30분으로 설정되어야 할 것으로 사료된다.

(5) HSCP 및 HSRT를 동시에 고려한 Heat map 분석 결과, HSCP의 증가는 Recovery time의 감소 및 에너지 사용량 증대를, HSRT의 지연은 Recovery time의 감소 및 에너지 사용량 감소를 야기하였다. 이에 재실기간 초기의 실내 열쾌적성 저하 방지 및 에너지 사용량 절감을 위한 본 연구에서의 최적 HSCP는 CLR 1.6, 최적 HSRT는 오전 8시일 것으로 판단된다.

본 연구 결과는 사무용 건물의 난방시스템이 간헐적으로 운용될 경우, 재실기간 초기의 실내 열쾌적성 악화 방지 및 불필요한 에너지 사용 방지를 위해 최적의 HSCP 결정이 선행된 이후에 HSRT가 적절하게 설정되어야 할 것을 시사한다. 본 연구는 시뮬레이션을 기반으로 수행되었기 때문에 분석 결과는 추후 실제 건물에 적용 후의 결과 비교를 통한 검증이 요구된다. 또한 본 연구의 분석 결과를 기반으로 실내 열쾌적성 만족과 에너지 사용량 절감을 동시에 달성 가능한 공조시스템 최적 제어에 관한 후속 연구가 필요할 것으로 사료된다.