2.1 해석대상 건물 선정 및 부하 산출

본 연구에서는 건물이 위치한 지역의 기후 데이터를 표준 건물 모델에 적용하여 건물 에너지 분석 시뮬레이션을 수행한 냉난방 부하 결과를 출력하는 프로그램을 구성하였다. Fig. 1은 표준 부하모델이 적용된 오피스 건축물의 형상을 보여준다. 표준 부하모델은 연면적 19,011 ㎡ 규모의 지상 3층의 사무실 건물로 설정하였으며, Pacific Northwest National Laboratory(PNNL)에서 제공하는 표준모델을 참고하여 건물을 모델링 하였다.⁽⁸⁾ 따라서 건물의 종횡비는 1.5, 전체 공조면적 19,011 ㎡, 창의 면적비 33%, 건물의 용도는 사무용 건축물로 가정하였다. 벽체, 바닥 및 지붕 열관류율은 ‘건축물의 에너지 절약설계기준 내 [별표1] 지역별 건축물 부위의 열관류율표⁽⁹⁾의 중부2지역을 참고하였고, 내부 발열량은 ‘건축기계설비 설계기준’과 ‘ASHRAE 90.1의 표준 오피스 모델 기준^(10-11)으로 고려되었다. 건축물 및 부하 관련 정보는 Table 1에 제시되어 있다. 기상 데이터는 한국패시브건축협회⁽¹²⁾에서 제공하는 서울 지역의 데이터를 이용하였다. 건축물 및 부하 관련 정보는 TRNSYS 18을 이용하여 모델링 되었으며 산출된 냉난방 부하는 Fig. 2에 제시되었다. 계산된 연간 단위 면적당 총 냉난방 에너지 요구량은 약 74.63 kWh/㎡·yr로 기존 타 연구⁽¹³⁾에서 제시한 값인 68.58 kWh/㎡·yr과 유사한 값으로 예측하였음을 확인하였다. 난방 및 냉방 피크 부하는 각각 약 48.57 W/㎡와 27.95 W/㎡로 예상되었다.

Fig. 1 Standard office building model.

Fig. 2 The office building load in Seoul.

2.2 수열원 히트펌프 공조 시스템의 구성

Fig. 3은 본 연구에서 고려된 수열원 히트펌프 시스템의 구성도이다. 수열원 히트펌프 시스템은 다수의 열교환기와 수열원 히트펌프, 그리고 여러 대의 펌프 및 배관 시스템으로 구성되었다. 펌프와 배관 시스템은 열원인 수열 매체와 히트펌프 측을 연결하거나, 히트펌프에서 생산된 온수나 냉수를 축열조로 저장하고 건물의 이용 시간에 따라 팬코일 유닛으로 온수나 냉수를 공급하여 냉난방을 하도록 구성된다. 시스템을 구성하는 각 펌프의 명칭은 Fig. 3의 좌측에서 우측으로 원수펌프(Pump A), 수열원 측 브라인펌프(Pump B), 축열조 측 브라인펌프(Pump C), 축열조 측 순환펌프(Pump D) 그리고 부하 측 순환펌프(Pump E)로 구분하였다.

펌프 가동 시간을 고려하기 위해 축열조를 기준으로 두 구간으로 나누었다. 수열원에서 축열조 구간의 Pump A~D는 히트펌프의 운전시간과 동일 시간에 작동하고 축열조에서 건물 구간의 Pump E는 건물의 사용 시간과 부하에 따라 운전하는 것으로 가정하였다. 수열원에서 축열조 구간에 위치하는 Pump A~D의 유량은 선정된 히트펌프의 용량에 따라 냉난방 기간을 구분하여 식(1), (2)로 계산된다. Pump B와 Pump C로 순환되는 에틸렌글리콜 농도는 10%이며, 이에 해당하는 밀도와 비열로부터 유량을 선정한다.⁽¹⁴⁾ 부하 측 순환펌프(Pump E) 유량은 식(3)으로부터 냉난방 부하를 기준으로 계산하였다. 그리고 팬코일유닛의 동력소비량 계산을 위해 식(3)로부터 팬코일유닛 내부 송풍기의 유량을 계산하였다. 수열원에 대한 취수와 환수의 온도차(ΔT)는 난방 2.5℃, 냉방 5℃, 축열조에서 부하로 유출되는 급수와 부하에서 축열조로 돌아오는 환수의 온도차는 5℃로 가정하였다. 수열원은 하천수이며 수온은 물환경정보시스템⁽¹⁵⁾에서 제공하는 서울 한강의 구리측정소 데이터를 기준으로 고려되었다. 시뮬레이션에 적용된 히트펌프의 냉난방용량은 1,055 kW(300 RT), 냉방 및 난방의 연간 평균 COP는 각각 4.40과 3.11로 고려되었다. 해당 COP는 서울 한강 하천수를 수열원으로 사용하는 경우 히트펌프의 성능에 대해 수행된 기존연구⁽¹⁶⁾를 참고하였다.

히트펌프의 선정 기준은 건물의 냉난방 피크 부하를 고려하여 10%의 여유율을 가산한 상용 히트펌프 제품을 참고하여 선정하였으며, 열교환기는 상용 판형 열교환기로 가정하여 피크 부하에서 여유율 10%를 가산하여 선정하였다. 시스템의 배관 직경은 너무 크면 배관의 가격이 비싸져 비경제적이고, 반대의 경우 마찰저항이 과대해져 펌프 동력소비량이 커지는 문제가 발생한다. 따라서 본 연구에서는 배관의 표면거칠기와 직경을 임의로 선정하여 식(4)를 활용하여 마찰계수를 산출한 후, 표준 관 직경 선도를 통해 산출된 유량과 단위 길이 당 압력 손실 400 Pa/m 기준에서 식(5)를 활용하여 관 직경을 산출하였다.⁽¹⁷⁾

Fig. 3 Schematic of water source heat pump system.

2.3 펌프와 팬의 소요동력 계산

수열원을 활용한 공조 시스템 전체에서 펌프와 팬이 차지하는 동력 소비의 비율을 분석하기 위해서는 히트펌프의 성능과 에너지 소비뿐 아니라 각 펌프와 팬코일유닛 등의 동력 소비량도 계산되어야 한다. 수열원 시스템의 펌프는 원심펌프로 가정하였으며 펌프의 양정은 식(6)과 같이 수직 관로이격거리에 의한 실양정과 관로, 열교환기에 의한 손실 양정을 고려했다. 여기서 열교환기 손실 양정은 판형 열교환기로 가정하여 상용 열교환기 규격을 이용하여 식(7)과 같이 계산하였다. 원수펌프(Pump A)를 제외한 나머지 펌프는 순환펌프로 가정하여 관로, 열교환기에 의한 손실을 고려했다. 산정된 유량과 양정으로부터 식(8)을 통해 각 펌프의 동력 소비량을 계산한다. 시스템을 구성하는 배관 길이는 실제 배관 길이와 추가적인 배관부품이 갖는 손실을 등가길이의 합으로 고려한 전체 길이로 간략화하였고, 부하 측 순환펌프의 경우 건물의 층수, 층고에 따른 관 길이를 가정하여 선정하였다. 배관의 마찰계수는 표면 거칠기를 가정하여 식(4)의 상관식을 이용하여 계산하였다. 팬코일유닛 내부 송풍기는 시로코 팬으로 선정하였으며, 팬코일 유닛 내부 열교환기와 공기의 열전달을 통해 공조 공간의 냉난방 기능을 구현한다. 팬의 압력강하는 980 Pa로 가정하였으며, 펌프의 효율은 80%, 모터 효율은 90%, 팬 효율은 60%로 적용하고 여유율은 15%를 가산하여 적용하였으며 식(9)을 이용하여 동력 소비량을 계산하였다.⁽¹⁸⁾

이와 같은 이론적인 동력 소비량 산출 방법으로부터 하천수를 이용한 수열 시스템을 구성하는 요소들의 동력 소비량을 계산하였고, 열원 측 배관 설계 변수 중 관로 이격거리, 수직 높이 차 그리고 수열원을 취수, 방류하는 관의 직경의 변경에 따른 펌프의 동력 소비량 변화에 대한 연구를 수행하였다.

3.1 히트펌프와 펌프 그리고 팬의 소비동력 비교

Fig. 4는 서울 지역 사무용 건물에서 하천수를 이용한 수열원 히트펌프 시스템에서 히트펌프와 펌프 및 팬코일 유닛에서 각 시간별 동력 소비량 계산 결과를 보여주고 있다. 건물의 층수는 3층, 층고는 3.5 m로 설정하였고 수열원과 적용 건축물의 이격거리는 600 m, 수직 높이차는 6 m로 가정하였다. 여기서 이격거리는 단순하게 원수 순환을 위한 펌프의 소비동력을 계산하기 위한 관의 등가길이이다. 따라서 실제 시공에서 지형지물이나 도로, 지장물 등을 피하기 위해 배관을 구성하고 다양한 체결부나 밸브 등이 등가길이로 추가되므로 실제 물리적 이격거리는 이보다 작은 값이 될 것이다.

Fig. 2에서 보여준 것과 같이 연구대상 건축물의 난방부하는 냉방부하보다 크기 때문에 Fig. 4는 난방을 위한 히트펌프, 펌프 및 팬코일 유닛의 동력 소비량이 냉방 기간에 비해 크다는 것을 보여준다. 특히 난방을 위한 펌프 소비동력이 냉방을 위한 펌프 소비동력보다 크다는 것을 보여주는데, 이는 하천의 취수온도와 방류온도의 차이를 난방의 경우 2.5℃, 냉방의 경우 5℃로 설정하였다. 난방에서 취수와 방류 온도 차이가 2.5℃인 이유는 하천수의 경우 온도가 낮아 온도차를 크게 하는 경우 결빙이 발생할 우려가 있기 때문이다. 결국 이러한 차이는 난방을 위해 열원측에서 특히 더 많은 유량이 필요함을 의미하고, 그 결과 수열원 구간에 속하는 펌프(Pump A~D)의 동력이 냉방에 비해 크게 증가하게 된다. 부하 측 순환 펌프(Pump E)의 동력은 건물의 부하에 영향을 받으며, 전술하였듯이 난방부하가 냉방부하보다 크기 때문에 냉방에 비해 더 큰 펌프의 동력 소비량을 갖는다. 이러한 요인이 반영되어 모든 펌프(Pump A~E)의 연간 난방을 위한 동력 소비량은 약 651,285 MJ로 냉방 기간에 비해 약 43% 더 큰 결과를 보여주었다.

Table 2는 연간 냉난방을 위해 수열원 히트펌프 시스템의 각 요소가 소비한 에너지 총량을 보여준다. Table 2에서 난방을 위해 소비된 히트펌프 시스템의 전체 에너지 소비량은 냉방에 비해 약 28% 더 크다는 것을 보여주며, 이는 시뮬레이션 조건에서 수열 에너지의 활용 측면에서 냉방의 경우가 난방보다 더 효과적임을 보여준다. 수열원의 온도를 고려하여 취수와 방류온도 차를 2.5℃ 이상으로 하면 펌프의 소비동력이 감소하여, 냉방과 난방 조건에서 에너지 소비량 차이는 감소할 수 있으나, 수열원의 온도가 낮은 조건에서 열교환기 등에서의 결빙에 대한 적절한 조치가 필요할 것으로 판단된다.

수열원 히트펌프 시스템에서는 일정거리 이격 된 위치에서 열원을 취수하고 환수하는 동력이 필요하므로, 냉난방에 필요한 전체 에너지 소비량 중 펌프와 팬코일 유닛과 같은 유틸리티가 소비하는 에너지 비율이 높다. 특히 이 비율은 다른 열원을 사용하는 냉난방 설비와 비교하는 경우 수열원 히트펌프의 경제성과 경쟁력에 큰 영향을 준다. Table 2와 같이 본 연구에서 펌프와 팬코일 유닛이 소비하는 에너지는 전체 냉난방 시스템이 소비하는 에너지의 약 38.3%로, 유사한 타 연구⁽⁶⁾에서 제시한 값을 환산한 41.6%보다 약간 작은 값을 보였다. 이러한 차이는 수열원과의 이격거리, 수열 시스템 운영방식 그리고 건축물 정보의 차이에 기인하는 것이라 판단된다.

Fig. 5는 수열원 히트펌프 냉난방 시스템에서 각 구성 요소의 월별 동력 소비량을 보여준다. 냉난방 기간이 바뀌는 4월과 10월에는 가동시간 및 부하가 적기 때문에 동력 소비량도 적게 계산되었다. 시스템을 구성하는 펌프 중 하천에서 원수를 취수하여 열교환 후 환수시키는 Pump A의 동력이 가장 크게 소비되고 있음을 보여주며 이는 수열원과의 거리로 인해 관의 길이가 길어지고 그 결과 압력강하 및 소비동력이 증가하기 때문이다. 축열조에서 팬코일유닛에 냉난방용 온수나 냉수를 공급하는 Pump E의 경우 부하가 필요한 경우에만 작동하게 되므로 다른 펌프에 비해 상대적으로 동력 소비가 낮은 것을 보여준다. 팬코일 유닛에서 냉난방 부하에 대응하기 위해 팬은 공기 유량을 발생시켜야 한다. 그 결과 팬에 장착된 모터에 의한 동력 소비가 Fig. 5와 같이 크다는 것을 알 수 있으며, 그 값은 연간 전체 동력 소비량의 약 15.7%로 계산되었다.

Fig. 4 Power consumption of heat pump, pumps and fan coil unit in office building using river water source in Seoul.

Fig. 5 Monthly power consumption of main elements at a hydrothermal heat pump system.

3.2 설계 변수의 변화에 따른 히트펌프 시스템의 소비동력 분석

Fig. 6은 수열원과 히트펌프 시스템의 관로 수직 높이차 6 m, 취수 관 직경 0.2 m인 조건에서 관로 이격거리에 따른 원수펌프(Pump A)의 양정과 동력 소비량의 변화를 나타내며, 열원 측 배관 설계변수의 영향을 분석하는 것으로 다른 펌프(Pump B~E)의 양정과 동력 소비량의 변화는 없음을 알 수 있다. 관로 이격거리가 200 m에서 1000 m로 증가할 때 관로에 의한 손실 양정이 난방 기간에서는 약 7.35 m에서 36.74 m, 그리고 냉방 기간에서는 약 6.08 m에서 30.41 m로 증가하고, 그 결과 Fig. 6(b)에서 보여주는 것과 같이 연간 원수펌프(Pump A)의 동력 소비량은 300,931.4 MJ에서 587,375.0 MJ로 약 90.1% 증가함을 알 수 있다. 손실양정 증가율과 비교하여 원수펌프(Pump A)의 동력 소비량 증가 비율이 더 낮게 예상되었는데 그 이유는 원수펌프(Pump A)의 소요동력에는 수열원과의 수직높이차와 열교환기에서의 마찰에 의한 손실이 추가되어 고려되기 때문이다. 이격거리가 200 m에서 1000 m로 증가할 때 전체 수열원 시스템이 소비하는 동력에서 원수펌프(Pump A)의 동력 소비량이 차지하는 비율은 6.5%에서 11.7%로 증가하는 것으로 나타났다.

관의 등가길이가 200 m에서 1000 m로 5배 증가하는 경우 전체 동력 소비량의 증가는 약 5.85%로 예상되었다. 일반적으로 수열원과 수요처의 거리는 수열원 시스템 적용 경제성에 상당한 영향을 주는 것으로 알려져 있으며 이는 이격거리가 시공비용에 상당한 차이를 발생시키기 때문이다. 다만 본 연구 결과는 운전비용의 측면에서 이격거리의 차이가 시공비용만큼 경제성에 큰 영향을 주지 않는다는 것을 보여준다.

Fig. 7은 관로 이격거리 600 m, 관 직경 0.2 m에서 수열원의 수면과 열원의 열교환기에서 관로 수직 높이 차에 따른 원수 펌프(Pump A)의 양정과 동력 소비량의 변화를 나타낸다. 관로 수직 높이차는 수열원의 종류에 따라 설치 범위가 달라지며 하천수의 경우 높이 차이가 크지 않은 것이 보통이다. 이에 따라 수직 높이차를 2 m에서 10 m로 증가시키는 경우 전체적으로 펌프 양정의 변화는 미미하며, Fig. 7(b)와 같이 원수펌프(Pump A)의 동력 소비량은 407,014.3 MJ에서 489,292.0 MJ로 약 20% 증가하고, 전체 시스템 동력 소비량에서 차지하는 비율은 8.4%에서 9.9%로 약간 증가함을 보여준다. 수직 높이차를 2 m에서 10 m로 5배 증가시키는 경우 전체 동력 소비량의 증가는 약 2.75%로 전체 동력 소비량에 미치는 영향이 크지 않음을 알 수 있다.

Fig. 8은 원수의 취수 및 방류를 위한 관의 직경에 따른 원수 펌프(Pump A)의 양정과 동력 소비량의 변화를 나타내며 관로 이격거리 600 m, 관로 수직 높이차 6 m 조건에서 계산되었다. 관 직경이 변화하면 유속의 변화로 인해 관로에 의한 손실 양정이 변한다. 원수 취수관과 방류관의 직경이 0.1 m에서 상당히 높은 양정을 보여주며, 직경이 증가할수록 양정은 급격히 감소한다. 관 직경이 0.2 m보다 커지면 양정이 감소하지만 그 값이 점차 수렴하여 그 변화량은 상대적으로 작다는 것을 보여준다. 관 직경이 증가하면 자재와 시공비용, 유지보수 비용이 증가하기 때문에 본 시뮬레이션 조건에서는 관경 0.2 m가 적절한 값임을 알 수 있으며, 관경 0.2 m를 설정한 본 연구가 타당함을 확인할 수 있다. 관 직경에 따른 원수 펌프의 동력 소비량은 관 직경 0.1 m에서 0.3 m로 증가할수록 동력 소비량이 약 7,119,724.9 MJ에서 267,588.1 MJ까지 감소하며 전체 시스템 동력 소비량에서 차지하는 비율이 약 61.5%에서 5.7%로 감소하는 결과를 보였다.

Fig. 9는 앞에서 분석하였던 3개의 열원 측 배관 설계변수 간의 상호 관계를 보여준다. 관 직경이 0.2 m 이상일 경우 전술하였듯이 동력소비량이 점차 수렴하는 경향을 보이기 때문에 취수관 직경은 0.1 m에서 0.2 m로 구분하였다. 관로이격거리와 수직 높이차에 따라 원수펌프(Pump A)의 동력 소비량 변화는 선형에 가깝게 변화한다. 하지만 관로이격거리의 변화율은 관 직경에 따라 달라지며 직경 0.1 m, 수직 높이차 10 m에서 관로 이격거리 200 m에서 1,000 m로 증가할 때는 원수펌프(Pump A)의 동력 소비량이 2,573,927.5 MJ에서 11,747,800.1 MJ로 약 4.5배 증가하였으며, 직경이 0.2 m로 증가하였을 때는 350,070.2 MJ에서 628,513.8 MJ로 약 1.8배 증가하였다. 이는 식(6)으로부터 유속과 관로이격거리에 따라 관로에 의한 손실 양정이 영향을 받으며 특히 관 직경에 따라 손실양정의 변화가 크다는 것을 알 수 있다. 반면에 관로 수직 높이차에 의한 원수펌프(Pump A)의 동력 변화는 크지 않은 것으로 나타났다. 이는 관로 수직 높이차는 펌프의 실양정에 해당하기 때문이다. 본 연구에서는 하천수의 수열원을 사용하기 때문에 높이차가 크지 않지만, 수직 높이차가 큰 수열원을 사용할 경우 그 영향이 증가할 것으로 예상된다. 요약하면 수열원 측 원수펌프(Pump A)는 관 직경에 의해 동력 소비량이 크게 달라지며, 관로이격거리의 변화에 따른 동력 소비량에도 영향을 미친다. 이러한 결과는 적절한 관 직경의 선택이 펌프의 소비동력 감소와 수열 시스템 경제성 확보에 매우 중요하다는 것을 보여준다.

Fig. 6 The change of (a) total pump head of Pump A, (b) annual power consumption with respect to the change of the horizontal distance from hydrothermal source.

Fig. 7 The change of (a) total pump head of Pump A, (b) annual power consumption with respect to the change of the vertical height difference from hydrothermal source.

Fig. 8 The change of (a) total pump head of Pump A, (b) annual power consumption with respect to the change of the pipe diameter for the pump A.

Fig. 9 The change of annual power consumption for the Pump A with respect to the design parameters for heat source-side piping (Unit for D: m).