2.1 개요

2024년 건축기계설비 분야에서는 총 21편의 논문이 발표되어 19편, 18편이 발표된 2022년, 2023년에 비해 소폭 증가하였다. 2023년에는 COVID-19로 주목을 받았던 보건 및 안전 분야를 따로 분석하였으나 2024년에는 해당 주제의 논문 편수가 감소하여 따로 분류하지 않았고 2023년 분석에서 제외되었던 신재생에너지 분야를 다시 포함하여 기계설비 전반, 냉난방 및 환기시스템, 신재생에너지로 나누어 분석을 수행하였다. 특히 2024년에는 기계설비법 시행과 관련한 현황 및 개선 방안, 공동주택을 대상으로 한 기계설비 시스템의 실증연구, 목재팰릿 보일러의 배기가스 특성, HVAC 시스템의 제어기술 등에 대한 연구가 포함되었다.

2.2 건축기계설비 전반

건축기계설비 전반에 관한 연구로 2024년에는 기계설비 관련 법제도 및 정보체계의 개선과 활용성 향상에 관한 연구가 다수 수행되었으며, 특히 비정형 데이터 활용 및 제도개선 방안에 대한 정책적 제언이 포함되었다. 설비 부품(예: 소화배관, 앵커 구조물)의 성능 및 손실 특성, 제연설비 최적화 등 실무 적용 가능한 기술적 분석도 병행되었다. 또한 공기정화 장치의 성능 개선이나 원격 모니터링 기술 등 유지관리 효율 향상 방안도 주목받았다.

Jin⁽¹⁾은 기계설비산업정보체계에 대한 시스템 사용도 척도를 활용하여 전문가 40명을 대상으로 사용성 평가 및 제도 개선 수요 분석을 수행하였다. 그 결과, 대상 건축물의 자동화 및 업무 처리 자동화 기능 강화, 전자정부 시스템과의 연계성 확보, 통합 콜센터를 통한 종합 지원체계 구축 등의 개선 방안이 제시되었다.

Oh⁽²⁾은 다양한 소음저감장치를 제작하고 실험을 통해 소음기 및 방음루버의 설계 요소에 따른 압력손실 변화를 분석하였다. 그 결과, 방음루버는 소음기보다 최대 2배까지 큰 압력손실을 보였으며, 방음장치를 통과한 풍속은 설계안에 따라 1.6 m/s~14.4 m/s까지 큰 편차를 나타냈다. 이를 통해, 소음저감장치 설계 시 압력손실을 충분히 고려해야 함을 확인하였다.

Jin et al.⁽³⁾은 기계설비의 성능점검 및 유지관리 과정에서 발생하는 비정형 데이터의 활용 방안을 모색하고, 이를 체계적으로 유통, 관리할 수 있는 방안을 제안하였다. 정형 및 비정형 데이터를 통합적으로 관리하기 위한 체계 및 법적 제도의 필요성을 강조하였다. 이를 통해 기계설비 데이터의 가치 창출 역량을 제고할 수 있는 기반을 마련하고자 하였다

Yun et al.⁽⁴⁾은 기계설비 착공 전 확인신청서 작성 현황을 조사하고, 제도 개선안을 제시하여 기계설비공사의 효율성과 정확성을 향상시키고자 하였다. 조사 결과, 공사의 규모와 무관하게 부적절한 인력이 투입되는 사례가 있었으며, 공동주택 및 시공업체의 자격 요건 등을 명확히 기재할 수 있는 항목 추가가 필요함을 확인하였다.

Choi and Lee⁽⁵⁾는 열 응력, 지진 하중 등을 고려한 배관 앵커 구조에 대해 공학적 해석을 수행하여 기존보다 작은 단면의 H빔으로도 구조적 안전성을 확보할 수 있음을 입증하고, 경제성과 시공 효율을 동시에 만족하는 설계 기준을 제시하였다.

Kim and Kim⁽⁶⁾은 도로 터널 소화 배관에 사용되는 Grooved Joint의 Groove 부분이 유체 흐름에 미치는 압력 손실을 수치 해석으로 분석하고, 배관 직경 별 등가 길이를 정량화하여 설계 시 누락되기 쉬운 손실 요소의 보완 방법을 제안하였다.

Kwon⁽⁷⁾은 화재 발생 시 지하 주차장 내 제연 성능을 확보하기 위해 급기 팬, 배기 팬, 유인 팬 조합의 운전 조건을 시뮬레이션으로 비교 분석하고, 모든 팬을 동시에 운전할 때 가장 효과적인 연기 제거와 가시성 확보가 가능함을 규명하였다.

Jang et al.⁽⁸⁾은 에어컨 시스템에 고효율(HEPA) 필터를 결합하여 미세먼지 제거 효율을 평가하였는데, 기존 공조 시스템을 활용하여 실내 공기질을 개선하고, 재실자의 만족도를 높이는 최적의 설비 시스템 구축을 목표로 하였다. 연구결과, 고효율 필터를 장착한 에어컨은 필터가 없는 상태에 비해 미세먼지 제거 효율이 상당히 높았다. 약풍 모드에서도 효과적인 보조 역할을 수행하였으며, 강풍 모드에서는 더욱 우수한 성능을 보였는데, 이러한 결과는 에어컨 시스템이 공기청정기의 보조 시스템으로서 유용하게 활용될 수 있음을 시사한다.

2.3 냉․난방 및 환기시스템

2024년 냉난방 및 환기 시스템 분야에서는 제어 성능 향상을 위한 퍼지 시스템 및 PID(Proportional Integral Derivative) 튜닝 자동화에 대한 연구가 활발히 이루어졌다. 스마트 온실이나 주거공간을 대상으로 한 실증 연구를 통해 실제 환경에서의 시스템 효율 분석이 이루어졌으며, 주방후드 연동 환기 성능 평가 등 공기질 확보를 위한 다양한 시도가 있었다. 복합 축열 시스템의 실증 운영 분석을 통해 계절별 에너지 교환 효율을 높이기 위한 방향도 제시되었다.

Lee et al.⁽⁹⁾은 공동주택 중앙공조시스템에 액체식 제습시스템을 적용하기 위한 가능성을 평가하고자, 실내 열 쾌적성과 에너지 성능에 대한 실증 연구를 수행하였다. 실험 결과, 전 기간 동안 PMV(Predicted Mean Vote: 예측 평균 온열감)가 쾌적 범위를 만족하였으며, SEER(Seasonal Energy Efficiency Ratio: 계절 에너지 효율비)은 1.91로 계산되었다. 또한, 고효율 장비의 적용과 급기 온도의 정밀 제어를 통해 중앙공조시스템으로서의 적용성이 향상될 수 있음을 확인하였다.

Ji and Kwon⁽¹⁰⁾은 온열감 지수를 자동 산출하는 알고리즘과 퍼지피케이션 멤버십 함수를 개발하여, 계절별 설정 온도와 실제 냉난방기 제어를 연동하는 실험을 수행하였다. 실험 결과, 계절에 적합한 온도 근처에서 제어가 이루어졌으며, 이는 사람의 수동 조작보다 더 쾌적한 환경을 제공함을 나타냈다.

Jeong et al.⁽¹¹⁾은 VAV (Variable Air Volume) 시스템 기반 전기 히트펌프 공조기에서 PID 제어기를 자동 튜닝하여 다양한 외란 상황에서도 안정적인 실내 온도 제어가 가능함을 실험으로 검증하고, 기존 수동 튜닝 방식 대비 정밀성과 반복성을 높인 제어 방법을 제안하였다.

Ryu et al.⁽¹²⁾은 난방 운전 시 VAV 시스템을 통해 실내 온도를 설정값으로 정밀하게 제어하기 위해 On/Off 운전 기반의 PID 게인 자동 튜닝 알고리즘을 적용하였다. 해당 알고리즘은 Matlab/Simulink와 실시간 제어장치를 통해 구현되었으며, 실험 결과 PID 제어기는 다양한 실내 열부하 조건에서도 안정하게 튜닝되었고, PID 제어로 자동 절환되어 실내 온도를 설정값으로 엄밀하게 제어하였음을 확인하였다. 특정 열부하 조건에서 튜닝된 제어기는 열부하가 튜닝 조건과 다르게 변동되거나 외란이 인가되었을 때도 우수한 제어성능을 보임을 밝혀내었다.

Kwon⁽¹³⁾은 공동주택에 설치된 주방후드와 전열교환기가 동시에 운전될 때, 전열교환기에 의해 형성되는 거주영역의 환기성능을 평가하였고 보충공기 공급 없이 주방후드만 운전할 때 발생하는 문제를 개선하고 보충공기의 급기방안을 제안하였다. 이를 위해 보충공기 급기조건에 따라 영향을 받는 거주영역의 환기성능을 평가하였다.

Kim et al.⁽¹⁴⁾은 부산 명지 국제 도시에 설치된 400톤급 허브 축열 시스템의 냉난방 실증을 통해, 양방향 열거래를 지원하는 허브 축열 시스템은 에너지 수요에 유연하게 대응하며 열공급 안정성이 높고 열 공급 운전 대비 18.5% 운영 비용 절감이 가능한 것을 입증하였다.

Choi⁽¹⁵⁾는 고온 다습한 기후에서 스마트 온실의 냉방 시스템을 최적화하기 위해 축열조 및 냉동기 성능을 분석하였다. 연중 내내 고온다습한 환경에서는 냉동기의 성능 저하가 심각한 문제가 되기에, 이를 해결하기 위한 전략으로 축열조를 활용한 냉방 시스템이 제안하였으며, 축열조 용량에 따른 냉동기의 에너지 사용량 및 성능 변화를 집중적으로 분석하였다.

2.4 신재생에너지

2023년 논문 편수가 다소 감소했던 신재생에너지 분야는 2024년 이전 수준을 회복하였고 태양열, 바이오매스, 지열 등 다양한 열원에 기반한 시스템의 적용성과 성능에 대한 실증 연구가 수행되었다. 축열조 및 열교환기 성능 예측 모델 개발과 인센티브 제안 등 정책 및 기술 양면으로의 접근이 시도되었다. 특히 목재펠릿 보일러의 배출 특성이나 지중 열교환기 성능 분석 등 2023년까지 COVID-19의 영향으로 다소 주춤하였던 현장 데이터를 기반으로 한 정량적 평가가 활발히 이루어졌다.

Kim et al.⁽¹⁶⁾은 시뮬레이션 기반 태양열집열기 성능해석 및 고장감지 알고리즘을 탑재한 원격 모니터링 시스템을 제안하고 실증시험을 통하여 그 타당성을 분석하였다. 고장감지 벤치마크는 정상작동 조건에서 시뮬레이션 예측 집열량에 대한 실측 집열량의 비를 관측치로 슈하르트 관리도를 사용하였다. 해당 연구의 태양열시스템 고장감지는 순수한 데이터 기반으로 오픈소스 플랫폼을 통해 알고리즘이 적용된다면 추가적인 비용 없이 기존 모니터링시스템에도 쉽게 적용할 수 있을 것으로 판단하였다.

Kang et al.⁽¹⁷⁾은 국내에서 판매되고 있는 가정용 및 산업용 목재 연소 보일러와 스토브에 대한 문헌 조사 및 측정을 통해 배기가스 배출 특성을 분석하였다. 고체연료에는 질소 성분이 포함되어 있으며, 연소 시 NOx 배출량이 연료 내 질소 함량에 비례하여 증가하는 경향이 있음을 확인하였다. 이를 통해 연소 기기의 환경적 영향을 평가하고, 배출 기준 마련의 필요성이 제기되었다.

Kang et al.⁽¹⁸⁾은 목재칩을 연료로 사용하는 소형 열병합 발전 방식 중 ORC와 가스화 엔진 시스템의 구조 및 성능을 비교하고, 유럽 사례를 기반으로 가스화 엔진의 전기 효율과 운전 특성을 분석하였다.

Chae and Nam⁽¹⁹⁾은 1차원 모델의 한계를 극복하기 위해 유한체적법 기반의 2차원 축열조 모델을 개발하고, 다중 열원 히트펌프 시스템과의 연계 시 열전달 해석 정확도와 냉난방 성능 향상 효과를 검증하였다.

Jeong et al.⁽²⁰⁾은 최근 서울시에서 발표한 서울시 지열 보급 활성화 종합계획을 바탕으로, 지열 냉난방 시스템의 보급을 위해 보조금을 지급할 경우 효율적인 운영비 지급 방안을 제시하였다. 영국의 재생열에너지 인센티브 제도(RHI)의 운영현황을 검토하고 문제점을 분석하여 시스템의 운영효율을 반영한 새로운 계산식인 (전력소비량(kWh)×(측정된 COPsys—기준 COPsys)×지원단가(원/kWh)를 제안하였다. 해당 계산식을 통해 보조금이 지급될 경우 효율적인 설비를 설치하고 운영되는 건물에 더 높은 보조금이 지급되어 지열냉난방시스템 기업의 기술발전을 독려할 수 있으며, 한정된 예산 안에서 더 많은 지열 설비를 지원할 수 있으므로 보급 확대에 크게 기여할 수 있을 것으로 평가하였다.

Leigh et al.⁽²¹⁾은 수평 매트형 GHE(Ground Heat Exchanger: 지중 열교환기)을 제안하고 난방 시기 열적 성능을 평가하였다. 수평 매트형 GHE의 실질적인 성능을 평가하기 위해 토양 열물성치의 검증을 진행하였으며, 이를 바탕으로 GHE의 검증을 진행하고 검증 모델을 토대로 다양한 매설 깊이와 인입 열매 온도 조건에서 Parametric simulation을 수행하였다. 이를 통해 수평 매트형 GHE의 조건별 성능 평가를 진행하였다.

3.1 개요

2024년 건축환경 분야에서는 총 21편의 논문이 발표되었으며 2022년 19편, 2023년 24편과 비슷한 수준을 유지하고 있다. 주요 주제는 실내환경, 건물에너지, 기타 분야로 나누어 분석을 수행하였다. 건물에너지 분야에서는 국공립어린이집을 대상으로 에너지 성능, 경제성, 사용자 선호도를 반영한 그린리모델링 우선 적용기술을 도출하고, 태양광, 환기장치, 보일러, 창호, 단열 등의 적용 순위를 제시하여 경제적 에너지 절감 가능성을 검토하였다. 실내환경 분야에서는 초고층건물 내 스택 효과에 따른 공기 흐름 및 오염물질 분포, 중립대에서의 습기 및 CO₂ 축적 문제, 지하철 터널의 자연 환기 성능에 대한 현장 평가가 이루어졌으며, 기타 분야에서는 연기 배출 및 피난 시뮬레이션, 태양열 집열기의 축열 예측을 위한 인공지능 모델 개발, 그리고 Scan-to-BIM(Building Information Modeling: 건물정보 모델링) 기술의 리모델링 적용 가능성 분석 등이 수행 되었다.

3.2 실내환경

2024년 실내환경 분야 연구들은 고층건물과 지하공간에서의 공기유동 및 오염물질 분포, 피난 안전성, 온열 쾌적성 등을 중심으로 수행되었다. 특히 스택 효과, 배연 방식, 기밀 성능, 플러시 아웃 등의 요소가 실내 공기질과 피난 안전에 미치는 영향을 실험적 및 현장 측정을 통해 분석하였다. 또한, 쾌적한 실내 환경을 유지하면서 에너지 소비를 최소화하기 위한 통합적인 제어 방법이 제안되었다.

Kim and Kim⁽²²⁾은 초고층 건축물에서 기온 차와 풍압에 의해 형성되는 스택 효과에 따른 공기 흐름 패턴을 분석하고 실내 공기질을 평가하였다. Airflow Network Simulation을 활용하여 온도, 습도, CO₂, 미세먼지 농도를 스택 효과 유무에 따라 비교하였다. 분석 결과, 공기 흐름이 적은 중립대에서 습도와 CO₂ 농도가 가장 높았으며, 습기는 상층부로 이동하여 축적되었다. 반면, 미세먼지는 중립대에서 낮은 농도를 보였으며, 이는 공기 흐름이 제한된 영향이었다. 따라서 스택 효과를 고려한 환기 및 설비 시스템이 필요하며, 습도 응결과 오염물질 확산을 방지하기 위한 시스템 구축이 필요한 것을 확인하였다.

Cho and Ihm⁽²³⁾은 아파트 욕실과 연결된 수직 축을 통한 연기 흐름을 분석하기 위해 1/6 축소 모델 실험을 수행하고 배출량을 예측하였다. 열전달 유사성을 적용한 결과, 실험과 온도 함수로 표현된 식의 결과가 유사하여 유사 조건의 타당성이 검증되었다. 시각화 실험에서 연기의 수직 축 이동이 확인되었으나, 배출 시 시간차가 발생하여 개선이 필요하였다. 실험에서 80% 이상의 연기가 외부로 배출되어, 수직 축이 질식 방지에 효과적임을 확인하였다.

Jung and Cho⁽²⁴⁾은 지하철 터널 내 블래스터 댐퍼의 환기 성능을 현장 측정을 통해 분석하였다. 열 부하 제거를 위한 환기량은 18.55 m³/s로 계산되었으며, 열차 운행 시간(06:00~09:00) 동안 평균 기류 속도는 2.97 m/s, 블래스터 댐퍼를 통한 환기량은 33.26 m³/s로 산출되었다. 블래스터 댐퍼를 통한 자연 환기는 충분한 것으로 판단되었다. 그러나 열차 주행 시 피스톤 효과로 발생하는 공기량이 블래스터 댐퍼를 통한 환기량보다 52.7% 많았다. 따라서 피스톤 효과로 인한 공기 흐름과 터널 내 열 축적 및 제거를 고려하여 터널 내 표면 온도 변화를 반영할 필요가 있음을 확인하였다.

Cho⁽²⁵⁾는 공동주택의 피난시간 연장을 위해 세대 내 화장실과 연결된 수직 샤프트를 이용한 배연 시스템을 제안하고, FDS 시뮬레이션을 통해 효과를 분석하였다. Eva 2.5 기준에서 자연 및 기계 배연 시 실내 온도가 기존 대비 10.2% 낮았으며, W2 기준에서는 10.1% 감소, CO₂ 농도는 21.7, 28.9%, CO 농도는 21.6, 28.8% 감소하였다. 이를 통해 배연 시스템이 피난시간 연장에 기여할 수 있음을 확인하였다. 그러나 피난 경로와 배연 경로가 중첩되는 문제가 있어, 효과적인 피난을 위해 경로를 분리하여 구성해야 하는 것을 확인하였다.

Roh et al.⁽²⁶⁾은 긴급전환형 임시 음압격리병실의 기밀성능이 형성 차압에 미치는 영향을 분석하였다. CONTAM 시뮬레이션과 민감도 및 불확실성 분석을 통해 외벽, 병실 천장, 병실 문 등의 기밀성이 차압 형성에 큰 영향을 미침을 확인하였다. 기밀 성능을 평균 14.8% 개선하면, 이동형 음압기 풍량을 기존 대비 28.5% 줄여도 -2.5 Pa 기준을 만족할 수 있음을 제시하였다.

Jin et al.⁽²⁷⁾은 유효드래프트온도(EDT) 기반 온열 쾌적 범위 제어 알고리즘을 개발하고, 건물 에너지 시뮬레이션을 통해 실내 열쾌적성과 에너지 사용량에 미치는 영향을 평가하였다. 이를 통해 기존 건구온도 기반 제어의 한계를 보완할 수 있는 대안을 제시하였다. 실험 결과, 냉방 시 쾌적도는 97.2%, 난방 시 95.5%로 향상되었으며, 에너지 사용량은 각각 10.7%, 21.2% 감소한 것으로 나타났다. 본 연구는 EDT 기반 제어가 전통적인 방식 대비 실내 열쾌적성 향상과 에너지 절감에 효과적임을 시사하였다.

Kim and Kim⁽²⁸⁾은 신축 공동주택의 실내 마감공사에서 사용된 복합 자재로부터 발생하는 오염물질 방출 경향을 분석하였다. 시험 결과, 시공 단계에서 폼알데하이드와 톨루엔이 권고 기준 대비 약 24.4%, 44.4% 검출되었다. 그러나 플러쉬 아웃을 실시한 결과 폼알데하이드와 톨루엔은 각각 45.3%, 74.3% 감소하였다. 이를 통해 단기간의 플러쉬 아웃으로 오염물질의 농도를 상당량 감소하고 실내 공기질 개선에 기여함을 보고하였다.

Woo et al.⁽²⁹⁾은 1인 가구 증가로 인해 지속적으로 발생하는 오피스텔 화재 사례를 바탕으로, 오피스텔 건축물의 평면계획상 문제점을 지적하고 피난 안전성 확보 방안을 제안하였다. 분석 결과, 오피스텔은 경제성과 분양 효율을 우선으로 설계되어 화재 발생 시 거주자의 대피가 어려운 구조적 특성을 보인다. 이에 따라 국내외 피난 관련 기준을 분석하여 복도 및 출입문 폭, 출입구 배치를 중심으로 개선 방안을 제시하였다. 시뮬레이션 분석 결과, 복도 및 출입문 폭이 넓을수록 ASET(안전 피난 가능 시간)은 증가하고, 병목 현상 제거로 인해 RSET(필요 피난 시간)은 감소하는 것으로 나타났으나 현행 건축 기준을 충족하는 수준만으로 충분한 피난 성능을 확보하기 어려우며, 기준 이상으로 복도 및 출입문 폭을 확대해야 안전한 피난이 가능함을 보고하였다. 특히 센터코어형 오피스텔의 경우 중앙 집중 배치가 모든 실에서 출입구까지의 거리 편차가 적어 병목 현상이 줄어드는 것으로 나타나 가장 적절한 배치 방식이 제안되었다.

3.3 건물에너지

건축환경 분야 논문 중 2024년 건물에너지에 관한 논문들은 에너지 성능 향상과 온실가스 감축을 위한 다양한 기술의 적용성과 실증을 다루었다. 태양열, 지열, 히트펌프, BIPVT(Building-Integrated Photovoltaic/Thermal) 시스템 등의 신재생 에너지 기술과, AI 기반 예측 및 제어 알고리즘이 주요 연구 주제로 다뤄졌으며, 시뮬레이션과 실측 기반으로 에너지 절감 효과가 검토되었다. 건물 유형, 사용자 특성, 자연 채광 등의 변수에 따른 에너지 분석이 포함되어 보다 실용적인 기술 적용 방안이 제시되었다.

Jeon et al.⁽³⁰⁾은 인공신경망(ANN)을 활용한 태양열 에너지 예측 모델을 개발하고 분석하였다. 진천 에코 친환경 에너지 타운의 공공건물에 설치된 태양열 집열기의 현장 데이터를 사용하여 2019년 8월 1일부터 2020년 7월 31일까지 모델을 구축하였다. ASHRAE 2014 지침에 따라 Cv(RMSE: Coefficient of Variation of the Root Mean Square Error), NMBE(Normalized Mean Bias Error), R²을 활용해 성능을 평가한 결과, Cv(RMSE) 11.7%, NMBE -1.2%, R² 0.93으로 높은 예측 정확도를 보였다. 본 모델은 향후 에너지 절감을 위한 제어 알고리즘에 적용할 수 있는 것에 대해 확인하였다.

Eom et al.⁽³¹⁾은 국공립어린이집을 대상으로 에너지 성능 및 경제성을 고려하여 그린리모델링의 우선 적용기술을 도출하였다. 대상 건물 76개소 중 28개소의 어린이집에 대해 ECO2-OD를 이용하여 에너지 시뮬레이션을 수행하고, 순현재가치(NPV)를 활용한 경제성 평가를 진행하였다. 분석 결과, 1차 에너지 소요량은 평균 31% 절감되었으나, 평균 순편익은 -229,592,867원으로 경제성이 낮은 것으로 나타났다. 에너지 성능, 경제성, 사용자 선호도를 종합적으로 고려한 결과, 태양광, 환기장치, 보일러, 창호, 단열, 냉․난방기, 조명 순으로 우선 적용기술이 도출되었다. 태양광이 높은 에너지 절감 효과를 보였으나, 설치가 어려운 경우가 많아 환기장치가 1순위로 선정되었다. 또한, 본 연구에서 제안한 우선 적용기술을 활용할 경우, 기존 그린리모델링 컨설팅 대비 낮은 투자비로 동일한 에너지 절감 효과를 달성할 수 있는 것으로 확인하였다.

Chae et al.⁽³²⁾은 벽체형 공기식 BIPVT 시스템의 열 및 전기 성능을 수치해석으로 분석하였다. 핀 간격이 넓을수록 PV 온도가 상승하고, 유량이 클수록 열 취득은 증가하며 압력 손실도 선형적으로 증가하였다. 최대 열 취득은 254.4 W/m², 전력 효율은 12.2%로 나타났으며, 핀 간격이 넓을수록 압력 손실이 최대 67.3% 감소하였다.

Oh et al.⁽³³⁾은 실규모 실험을 통해 벽체형 BIPVT 시스템의 전기 및 열 에너지 성능을 분석하였다. 19일간 실험 결과, 일평균 전기 생산량은 4.37 kWh, 열 생산량은 1.81 kWh로 나타났으며, 최대 생산량은 각각 5.16 kWh, 2.57 kWh였다. 전기 및 열 생산 효율은 평균 17.22%, 8.08%로 확인되었다.

Yoon et al.⁽³⁴⁾은 자연채광에 따른 디밍제어의 조명에너지 절감 효과를 국내 건물에너지 성능 평가 프로그램인 ECO2에서 정량적으로 표현하기 위한 방법을 제안하였다. RELUX 시뮬레이션을 통해 시간, 계절, 창 면적비 및 방향에 따른 자연채광 유입을 분석하고, 이에 따라 인공조명의 조명밀도를 산정하였다. 산정된 조명밀도를 기반으로 조명밀도 보정계수를 도출하였으며, 이를 ECO2에 적용함으로써 기존 프로그램에서 반영하지 못했던 자연채광의 영향을 고려한 디밍제어 효과를 효과적으로 반영할 수 있게 하였다. 분석 결과, 최대 58.6%의 조명에너지 절감 효과가 확인되었다.

Um et al.⁽³⁵⁾은 ECO2 프로그램에서 어린이집 보육실 용도프로필이 부재한 문제를 주제로, 기존 초중고 교실 프로필 적용 시 에너지 성능 분석 결과에 최대 24%의 오차가 발생함을 확인하였다. 경기도 20개 어린이집의 장기 실측을 통해 보육실 특화 용도프로필을 작성하고 이를 적용한 결과, 오차는 A어린이집 13%, B어린이집 6%로 감소하였다. 특히 냉․난방, 환기, 급탕, 조명 부문에서 예측값 차이가 뚜렷했으며, 향후 다양한 용도의 프로필 개발이 필요함을 제시하였다.

Park et al.⁽³⁶⁾은 2030 국가 온실가스 감축목표 달성을 위한 건물 기반 핵심 기술들을 분석하였다. 2010~2023년 R&D 과제와 실증 사례를 바탕으로 Passive 기술 중 단열재(평균 0.179 W/m²K)와 창호(평균 0.967 W/m²K)가 활발히 개발되었고, Active 기술은 BEMS와 고효율 히트펌프(COP 4.42, 2023년 기준) 등이 중심이었다. 청정에너지는 태양광이 주를 이루며, 건물 탄소중립 기술로는 그린리모델링이 가장 시급한 과제로 나타났다.

Kim et al.⁽³⁷⁾은 부산의 지하철 역사에 히트펌프 기반 액체식 제습시스템을 실증 설치하여 에너지 절감 효과를 평가하였다. 보조 공랭식 응축기를 적용해 데시칸트 용액의 과열을 방지하고, 시스템 안정성과 성능을 개선하였다. 실증 결과 COP는 6.83, 제습량은 18.6 kg/h, 배열 회수율은 88.9%로 나타났으며, 기존 냉동기와 연계한 시스템 구성은 실내 공조 효율을 효과적으로 향상시킬 수 있음을 확인하였다.

Bae et al.⁽³⁸⁾은 AI 기반의 심층 신경망을 활용하여 태양광열-지열원 히트펌프 통합 시스템의 에너지 소비량을 예측하는 모델을 개발하였다. 예측 모델은 총 12개의 입력변수를 선정하여 심층신경망 구조로 구축하였으며, 모델의 결과와 실제 출력값 사이의 오차(CVRMSE)는 약 0.004(약 0.4%)로 매우 높은 정확성을 나타냈다. 또한, 에너지 소비량의 변화를 모델이 정확히 반영하여 신뢰성 높은 예측 성능을 입증하였다. 이를 통해, 본 연구는 태양광열-지열원 히트펌프 시스템의 복잡한 변수 상호관계 속에서도 AI 기반 예측제어를 통해 운영 효율을 최적화할 수 있는 기술적 기반과 신뢰성 있는 자료를 제공하였다.

Yeon and Lee⁽³⁹⁾은 DNN (Deep Neural Network)모델을 이용한 HVAC 시스템 에너지 예측 및 최적제어 및 성능평가를 위하여 Energy Plus로 구현한 대형 사무소 건물 및 HVAC 시스템 모델을, MATLAB으로 개발한 DNN 모델과 연동 시뮬레이션을 진행하였다. 그 결과, 기존 고정제어 방식 대비 약 16%의 총 냉방 에너지 절감 효과를 확인하였다. 본 연구는 DNN 제어가 냉방 시스템의 에너지 효율 향상에 효과적인 접근법임을 보고하였다.

3.4 기타 분야

Yoon et al.⁽⁴⁰⁾은 실제 많은 노후 건축물들이 설계 도면의 부재로 인해 리모델링 진행에 어려움을 겪고 있는 것과 이를 해결하기 위한 BIM 기반의 역설계 기술 수요가 증가하는 것에 초점을 맞추어 모바일 기기를 통한 Scan-to-BIM 기술의 실용성을 구체적 사례 분석을 통해 증명하고, 시간과 비용 절감이라는 측면에서의 실질적인 해결책을 제시하였다. 레이저 스캐닝, 점군 데이터 처리 및 정합, BIM 모델링 및 정확도 분석을 수행하는 방법으로 고가의 TLS 장비와 모바일 기기를 비교였고, 모바일 기기의 실무적 활용 가능성과 시간 및 비용 절감의 효과를 도출하였다. 모바일 기기의 간편한 사용성의 장점에 더불어 충분한 성능을 보여주며, 도면이 없는 노후 건축물 리모델링에 대한 현실적이고 합리적인 해결 방안으로서 높은 활용 가치가 있음을 확인하였다.

Park and Park⁽⁴¹⁾은 재배 구역의 실온을 출력 데이터로 하여 Gray-box 모델링 방식을 이용하여 3R2C(3 Resistors - 2 Capacitors) 모델을 구축하고, LSTM(Long Short-Term Memory)모델을 학습하여 두 모델의 예측 성능을 비교하였다. 모델의 예측 성능 검증 단계에서 3R2C 모델과 LSTM모델의 RMSE(CV RMSE)는 각각 2.46℃(9.46%), 2.17℃(8.45%)로 나타나 LSTM모델이 평균적으로 3R2C 모델보다 측정 데이터와의 오차가 더 낮은 것으로 나타났다. 예측정확도 개선 측면에서 3R2C 모델의 RMSE(CV RMSE)는 0.3°C(1.1%) 개선됐지만, LSTM 모델은 0.02℃(0.06%) 개선되어 모델의 예측정확도 개선 시도의 효과는 3R2C 모델에 유효하게 나타났다. LSTM 모델이 채택하고 있는 RNN (순환신경망) 구조보다 3R2C 모델에 적용된 미분방정식이 스마트팜을 대상으로 측정된 데이터를 더 잘 설명할 수 있다는 것을 보여주었다.

Kim et al.⁽⁴²⁾은 공동주택 단지의 에너지 소비를 보다 정확하게 평가하기 위해 다중 회귀 기반 예측 모델을 개발하였다. 연구는 서울시 아파트 단지의 공공데이터를 수집하여 전처리하고, 클러스터링을 통해 유사 특성을 지닌 단지를 분류하였다. 이후 에너지 사용을 기본, 냉방, 난방으로 세분화하여 회귀 모델을 구축하였고, 모델의 성능은 정량적으로 검증되었다. 기존의 건축물 에너지효율등급 인증제도(BEEC)가 이론적 성능을 기준으로 평가해 실제 에너지 사용과 차이가 있는 문제를 보완하고자 하였으며, 본 모델은 BEEC의 보완적 평가 체계로써 활용할 수 있음을 제시하였다. 연구 결과는 탄소중립 실현을 위한 기초 자료로도 활용될 수 있음을 보고하였다.

4.1 개 요

2024년 냉동 분야에서는 총 8편의 논문이 발표되어, 2022년 7편, 2023년의 6편과 비교해 최근 3년간 유사한 수준의 논문이 발표되고 있다. 2023년에는 냉동시스템과 열교환기 관련 연구가 주를 이뤘다. 반면 2024년에는 히트펌프 관련 논문이 증가함에 따라, 2024년 냉동분야에서 발표된 논문은 냉동시스템과 히트펌프로 분류하여 연구 동향을 분석하였다.

4.2 냉동시스템

2024년 냉동시스템 관련 논문은 5편이 발표되어 2023년 2편에 비해 증가하였다. 가변속 냉동시스템의 정밀 온도 제어나 고효율 운전을 위한 모델예측제어(MPC) 및 PID 튜닝 기술이 활발히 연구되었다. 또한, 스크롤 압축기의 배압조절 밸브 설계와 비단열 모세관의 흡입관 재료가 시스템 성능에 미치는 영향을 분석한 논문이 발표되었다. 냉동시스템의 제어 최적화와 주요 부품의 설계 및 성능 향상에 중점을 둔 연구가 주목을 받았다.

Kim and Jeong⁽⁴³⁾은 VSRS(Variable Speed Refrigeration System)기반 OCS(Oil Circulation System)의 오일출구온도 $T_{o}$와 과열도 $T_{s}$의 PID 제어를 위한 게인 자동 튜닝 및 PID 제어 자동 절환 시스템을 설계하고 실험을 통해 그 유효성을 확인하였다. 제안한 PID 게인 자동 튜닝 방법은 ON/OFF 운전을 통해 간편하게 진행되며, 튜닝 종료와 동시에 PID 제어로 자동 절환됨으로써 향후 히트펌프, 직접 팽창식 공조기 등의 가변속 냉동사이클에 적용되어 에너지 절약 및 고정밀 제어에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다고 보고하였다.

Yoon and Jeong⁽⁴⁴⁾은 VSRS 기반 오일쿨러 시스템의 강인하고 정밀한 온도 제어를 위해 모델예측 제어기 (MPC)를 설계하였다. 설계된 MPC는 조작기의 물리적 제약조건 하에서 예측 추종 오차와 제어입력 변화량으로 이루어진 목적함수를 최소화하여 최적의 제어입력을 도출하였다. 이를 통해 Dual SISO(Single Input Single Output)기반 PI 제어기와의 제어성능 비교를 통해 설계한 MPC의 유효성을 확인하였다.

Jeon et al.⁽⁴⁵⁾은 스크롤 압축기에서 적정 배압 형성을 위한 배압조절 밸브에 대한 설계 연구조사를 수행하였다. 밸브 성능 모델링과 수치 해석을 수행하였고, 제안한 밸브가 CO₂와 같은 고압 냉매를 사용하는 냉동 시스템에 더욱 유용할 것이라고 보고하였다.

Ko et al.⁽⁴⁶⁾은 R-600a 증기 압축식 냉동기에서 모세관-흡입관 열교환기(CT-SLHX, Capillary tube-suction line heat exchanger)의 흡입관 재질을 구리에서 알루미늄으로 대체하여 성능을 측정한 결과 흡입관 재질이 냉동능력과 성능계수에 미치는 영향이 미미함을 보고하였다.

Jeong and Jeong⁽⁴⁷⁾은 가변속 냉동 시스템에서 압축기와 팽창밸브의 고정밀 제어기로 외란과 열잡음에 강인한 칼만 필터(Kalman filter)를 채용한 모델 예측 제어기(MPC)를 제안하고 실험과 시뮬레이션을 통해 그 유효성을 확인하였다.

4.3 히트펌프

2024년 히트펌프 분야에서는 산업용 MVR(Mechanical Vapor Recompression)연계 시스템의 사이클 최적화, 하천수 기반 수열원 히트펌프의 수온 변화 대응, 제지 건조 공정의 대용량 히트펌프 적용에 관한 실증 분석 등이 진행되었다. 다양한 열원과 산업 현장에의 적용 가능성을 검토하고 에너지 절감 효과를 정량적으로 제시한 점이 특징이다. 실사용 환경에서의 효율 분석과 설계 최적화에 초점을 맞춘 연구들이 주로 발표되었다.

Kim et al.⁽⁴⁸⁾은 히트펌프/MVR 연계 시스템의 사이클 분석을 통해 폐열 온도, 중간 온도, 생산 증기 온도에 따른 히트펌프/MVR 연계 시스템의 통합 COP를 분석하였다. 생산된 증기를 산업 공정에서 포화액까지 사용하는 경우와 Flash tank의 액체 상태 엔탈피 조건까지 사용하는 경우에 대해 각각 사이클 분석을 수행하였다. 해석 결과를 바탕으로 산업 공정에서 열에너지를 활용하는 특성에 따라 산업 공정의 전기화 시, 히트펌프/MVR 연계 시스템으로 설계할지 아니면 MVR 단독 시스템으로 설계할지 결정할 수 있다고 보고하였다.

Shin and Yun⁽⁴⁹⁾은 하천수를 활용한 수열원 히트펌프가 수온 변화에 미치는 영향에 대해 수리 수질 모델링 프로그램인 CE-QUAL-W2의 신뢰성을 검증하였다. 해당 프로그램을 활용하여 한강 지역의 하천수를 이용한 수열원 히트펌프 시스템의 수온 회복 거리를 한강의 계절, 구역별로 구분하여 산출하였다. 하천수를 활용한 수열원 히트펌프 시스템의 설치 구역은 수온 회복 거리가 짧게 산출되며 수생태계에 영향을 가장 작게 미치는 유량이 많은 구역에 설치하는 것이 바람직하다고 보고하였다.

Jung et al.⁽⁵⁰⁾은 대용량 히트펌프 적용을 위한 제지 건조 공정의 에너지 밸런스 분석을 수행하였다. 분석에는 제지 건조 공정에 대해 주어진 제지 생산데이터와 후드 에어 밸런스 실측 결과를 활용하였다. 분석을 통해 기존 제지 건조 공정의 스팀 소비량, 수분 증발량, 건조 공정의 위치 별 상태량 등 구체적인 열에너지 흐름을 파악하였다.

5.1 개요

2024 열전달/열유체 분야의 논문은 총 10편이며 2023년 12편, 2022년 15편이었던 것과 비교하면 논문 편수가 소폭 감소하였다. 열전달/열유체 분야의 논문은 열전달/열유체 일반, 상변화 및 응축 등으로 분류할 수 있다. 2024년에는 친환경 냉매를 활용한 증발기 및 열교환기 내 열전달 특성 분석 등 상변화 및 응축 관련 연구의 비중이 증가하였다. 반면, 2023년에 활발했던 지열 시스템, 태양열, 파울링 특성 등 다양한 응용 주제들은 다소 줄어들고, 보다 정량적이고 실험 중심의 열전달 해석 연구가 중심을 이뤘다. 전반적으로 2024년은 냉매 기반 시스템에서의 열전달 성능 평가와 열교환기 구조에 대한 실험적 연구가 주요 경향으로 나타났다.

5.2 열전달/열유체 일반

2024년에는 산업용 보일러, 제습기, 지중열교환기, 로터리 열교환기 등 다양한 열시스템의 특성과 성능을 분석한 연구들이 발표되었다. 특히 유동 해석이나 열전달 해석 모델 개발 등 이론과 실험을 병행한 연구가 많이 발표되었다. 또한, 광학적 특성 실험이나 실리카 입자 활용 과냉각 해소 등 물리적 성질의 정량 분석도 수행되었습니다.

Lee and Kang⁽⁵¹⁾은 100 kW급 산업용 목재 보일러의 연통에 산소 농도 센서를 설치하고 센서 출력을 기반으로 송풍기를 실시간 PID 제어하여 공기비를 조절한 결과 공기비를 제어하지 않을 때에 비해 오염물질의 생성과 변동량이 적고 특히 CO 농도는 약 24% 수준으로 감소한다고 보고하였다.

Jeon⁽⁵²⁾은 액체식 제습 시스템의 개발을 위하여 셀룰로스 재질의 충전재를 탑재한 충전탑식 제습기에서 LiCl 수용액의 제습 성능을 측정하는 실험 연구를 수행하고 실험 결과로부터 상관식을 도출하여 증기 분압차와 공기 유속의 함수로 제습률을 예측할 수 있도록 하였다.

Jeong et al.⁽⁵³⁾은 온실 외피에 적용하여 적외선을 차단할 수 있는 ‘물 흐름 글레이징(WFG, Water Flow Glazing)’에 대한 기초 연구로 아크릴판 위에 형성한 수막에 인공 및 자연광을 조사하고 투과율을 측정하는 실험 연구를 수행하여 수막 두께에 따른 WFG의 광학적 특성을 분석하였다.

Park et al.⁽⁵⁴⁾은 지열 히트펌프 시스템의 성능에 큰 영향을 미치는 부하 불균형 문제에 대응하고자 지중 열교환기 간의 불규칙한 배치나 개별 제어 전략을 시뮬레이션 할 수 없는 기존 DST(Duct-Storage) 모델의 한계를 개선한 FLS(Finite Line Source) 기반 모델을 개발하였다. 이를 위하여 특정 조건에서 예상 유입수 온도(EWT)를 추정할 수 있는 FLS 모델을 개발하고 기존 DST 모델과 비교함으로써 자신들의 모델을 검증하였다.

Kim and Lee⁽⁵⁵⁾는 넓은 회전수 및 유량비 범위에서 적용 가능한 로터리 열교환기 모델을 개발하였다. 이들은 단순화한 로터리 열교환기의 지배방정식으로부터 유체와 채널벽 온도의 1차원 과도해를 유도하였다. 복소지수 형태의 시간함수를 가정하고 평균 에너지 방정식을 만족하는 공간함수를 도출하여 근사해를 구한 뒤 정확성을 검증하였다. 또한 근사해를 열교환기의 금속 소재를 플라스틱으로 대체하는 문제에 적용하여 플라스틱 열교환기의 회전속도를 높임으로써 금속 열교환기와 동일한 성능을 얻을 수 있음을 예측하였다.

5.3 상변화 및 응축

상변화 및 응축 관련 논문은 2023년에 1편이었던 것에 비해 2024년에는 친환경 냉매(R-1233zd(E), R-1234ze(E), R-134a 등)를 활용한 증발기 및 열교환기 내 열전달 특성 평가를 중심으로 여러 편 발표되었다. 냉매 선택에 따른 열전달계수 및 압력강하 비교를 통한 시스템 성능 최적화 방향도 함께 논의되었다.

Ha et al.⁽⁵⁶⁾은 대표적인 Low-GWP 냉매인 R-1234ze(E)를 작동 냉매로 사용하여, 자체 설계된 유하액막식 증발기의 성능 실험을 수행하였다. 냉수의 유입 유량과 유입 온도를 변화시켜가며 증발기 내부 각 전열관 성능과 전체 증발기의 성능을 분석하였다. 그 결과, 전열관 별 냉각 성능 분석에서 가장 아래에 위치한 전열관의 냉각 성능이 가장 우수함을 관찰하였다.

Kim and Kim⁽⁵⁷⁾은 160℃ 증기 생산을 위한 히트펌프 개발의 일환으로, 초임계 유체 가스 냉각기의 기초 데이터 확보를 위해 R1336mzz(Z)를 이용한 열전달 실험 연구를 수행하였다. 실험 결과, R1336mzz(Z)의 열전달계수는 온도가 상승함에 따라 증가하다가 유사 임계 온도 부근에서 급격히 상승하고, 이후 유사 임계 온도를 지나면서 점차 감소하는 경향이 있음을 관찰하였다.

Kim et al.⁽⁵⁸⁾은 R-1233zd(E) 터보냉동기용 유하액막식 증발기 실험 장치를 제작하여 넓은 냉매 유량 범위에서 전열관의 냉수 입출구 온도를 측정하고 액막을 촬영하여 냉매 유량이 전열관의 열전달 특성에 미치는 영향을 분석한 결과 전열관의 성능과 젖음성 사이에 밀접한 상관관계를 확인하고 젖음성을 개선하여 성능을 높일 수 있을 것으로 판단하였다.

Kim and Lee⁽⁵⁹⁾는 기존의 R-134a를 대체할 수 있는 수소불화올레핀(HFO) 계열 냉매인 R-1234yf, R-1234ze(E)의 증발 열전달계수 및 압력강하 특성을 판형열교환기에서 실험적으로 비교하였다. 실험 결과, R-1234ze(E) 및 R-134a의 경우 포화온도가 증가할수록, R-1234yf의 경우 포화온도가 감소할수록 열전달계수가 증가함을 관찰하였으며, 평균 열전달계수 측면에서 R-1234yf, R-134a, R-1234ze(E) 순으로 높은 값을 나타냄을 관찰하였다.

Kang and Lee⁽⁶⁰⁾는 빙축열 과정에서 발생하는 과냉각(빙점 이하에서 동결되지 않고 냉각되는 현상) 문제를 해소하고자 비교적 쉽게 구할 수 있는 실리카 입자(Silica particles)를 조핵제로 사용할 때 입자의 형태가 증류수의 과냉각 해소에 미치는 영향을 파악하였다. 그 결과, 물 또는 증류수의 조핵제로 미세 실리카 입자를 효과적으로 사용하기 위해서는 입자가 보다 균일하고 미세한 구조를 갖는 것이 유리함을 확인하였다.