1. 서 론
2. 연구 방법
2.1 대상 건물 및 시스템 개요
2.2 운영 데이터 수집 기간 및 항목
2.3 기존 운영 데이터 분석 및 커미셔닝 항목 도출
2.4 분석 기간 외기온도 분석
3. 분석 결과
3.1 실내 온열환경 분석
3.2 급기 팬 에너지 사용량 분석
3.3 난방 공급열량 분석
3.4 전체 기간 확대 분석
4. 결 론
1. 서 론
준공 후 30년 이상 경과한 국내 노후 건물의 비율은 전체 건물의 37.8%를 차지한다1). 또한 국내 건물 에너지 소비의 75%는 준공 후 15년 이상 경과한 기축 건물에서 발생하는 것으로 보고된다2). 일반적으로 노후 건물은 외피 및 설비 시스템의 성능 저하로 인해 신축 건물 대비 에너지 소비가 높다3). 이처럼 기축 건물의 높은 에너지 소비는 건물 부문의 핵심 개선 과제로 인식되고 있으며, 탄소중립 정책의 일환으로 수행되는 제로에너지건축물과 그린 리모델링 정책 등이 확대됨에 따라 기축 건물의 에너지 절감에 대한 요구가 증가하고 있다. 그러나 실제 기축 건물 운영 과정에서는 비재실 시간대 운전 가동, 시스템의 고정된 제어값 적용, 그리고 시스템 노후화 등의 영향으로 비효율적인 운전이 발생한다4). 이러한 비효율적 운전은 불필요한 에너지 소비를 유발할 수 있다. 특히 건물 에너지 소비의 약 60%가 공조 시스템에서 발생하기 때문에 공조시스템의 효율적인 운영이 필요하다5). 이로 인해 기축 건물 공조 시스템의 비효율적인 운전 개선을 목적으로 하는 커미셔닝(즉, 기축 건물의 지속적인 커미셔닝(Continuous Commissioning))의 필요성이 대두되고 있다. 본 연구에서의 커미셔닝은 설비 시스템의 실제 운영 데이터를 활용하여 지속적인 모니터링과 시스템 조정 및 최적화로 비효율적인 운전을 개선하고 에너지 절감 및 운전 효율을 향상시키는 과정으로 정의된다6,7,8).
HVAC (Heating, Ventilation, and Air Conditioning) 시스템은 건물 에너지 소비에서 높은 비중을 차지하여 커미셔닝 적용의 주요 대상으로 고려된다. 기축 건물 HVAC 시스템의 에너지 절감을 위해 개선된 제어 적용 및 운전 최적화 기반의 다양한 연구가 수행되어 왔다(Table 1 참조). Seong et al. (2021)은 실제 건물을 대상으로 재실 기반 HVAC 운전 제어 특성을 분석하였다. 연구 결과, 비재실 시간대에도 HVAC 시스템이 지속적으로 운전되는 사례가 확인되었으며, 재실 정보를 기반으로 HVAC 운전을 제어할 경우 전체 건물 에너지 소비량은 9.7%, HVAC 시스템 에너지 소비량은 28.4% 감소하는 것으로 나타났다. 또한 HVAC의 운전 시간이 건물 에너지 소비와 실내환경 유지에 영향을 미치는 주요 운전 변수임을 제시하였다9). Zheng et al. (2005)은 실제 업무시설을 대상으로 커미셔닝을 수행하여 HVAC 시스템 운전 최적화 효과를 분석하였다. HVAC 구성 요소와 냉·온수 루프 시스템의 운전 조건을 개선하였으며, 이를 통해 약 14% 수준의 비용 절감 효과를 확인하였다10). Mills et al. (2004)은 상업용 건물 커미셔닝 사례를 종합적으로 분석하여 커미셔닝 적용에 따른 건물 에너지 절감 효과를 평가하였다. 연구 결과, 중앙값 기준 약 16% 수준의 건물 전체 에너지 절감 효과가 나타났으며, 일부 사례에서는 건물 전체 에너지 사용량이 약 50% 이상 감소하는 것으로 나타났다11). Fernandez et al. (2012)은 업무시설을 대상으로 HVAC 커미셔닝의 에너지 절감 효과를 분석하였다. 연구에서는 비효율적인 공조 시스템 운전을 개선하기 위해 AHU (Air Handling Unit) 운전 스케줄 조정, 공급공기온도 제어, 그리고 정압 Reset 등 다양한 운전 개선 전략을 적용하였으며, 추가적인 설비 교체 없이 약 2.5 ~ 7.1% 수준의 에너지 절감 가능성을 제시하였다. 특히 HVAC 운전 스케줄 단축의 경우 7.1%의 에너지 절감 효과가 나타난 것으로 보고하였다12). Shim et al. (2014)은 VAV (Variable Air Volume) 시스템을 대상으로 공급팬 제어 전략에 따른 에너지 절감 효과를 분석하였다. 연구에서는 정압 설정값 고정, 총 풍량 기반 정압 Reset 제어를 적용하여 팬 운전 특성 및 시스템 입력 전력을 비교·분석하였다. 분석 결과, 총 풍량 기반 정압 Reset 적용 시 기존 정압 고정 제어 대비 시스템 입력 전력을 최대 약 60%까지 절감할 수 있는 것으로 나타났으며, 최소 풍량비(MAR) 감소를 통한 추가적인 에너지 절감 가능성을 제시하였다13). Weissert and Smith (2018)는 기존 시스템 운전 문제 개선을 위해 실제 건물 시스템을 대상으로 VFD 기반 팬 제어, 운전 스케줄, DCV (Demand Controlled Ventilation) 기반 제어 전략을 적용하였다. 분석 결과, 에너지 절감률은 기존 대비 약 15 ~ 81%으로 나타났으며, 부분 부하 운전 조건에서 팬 속도 제어 적용 시 에너지 절감 효과가 크게 증가하는 것으로 나타났다14). 선행 연구에서는 기존 건물 HVAC 시스템의 에너지 절감을 위해 팬 제어 및 운전 최적화 기반의 다양한 커미셔닝 연구가 수행되었다. 그러나 기존 연구들은 에너지 절감 효과를 중심으로 평가한 경우가 많아, 커미셔닝 적용에 따른 에너지 사용량과 실내 온열환경을 동시에 고려한 연구는 제한적이다. 따라서 본 연구에서는 실제 기축 업무시설의 운영 데이터를 기반으로 공조 시스템 운전 특성을 분석하고 팬 커미셔닝 전략을 수립·적용하였으며, 커미셔닝 적용에 따른 팬 에너지 사용량 절감과 실내 온열환경 유지 여부를 동시에 평가하였다.
Table 1
Summary of literature review
| References |
Research methodology | Commissioning method | Evaluation | ||||||
| Impl. | Sim. |
Equipment replacement | Control optimization |
Energy consumption |
Indoor thermal environment | ||||
|
Fan speed control |
Fan airflow rate control |
Schedule control | Etc. | ||||||
| Seong and Hong (2021)9) | × | ○ | × | × | × | ○ | ○ | ○ | ○ |
| Zheng et al. (2005)10) | ○ | × | × | × | × | ○ | ○ | ○ | × |
| Mills et al. (2004)11) | ○ | ○ | ○ | × | × | × | ○ | ○ | × |
| Fernandez et al. (2017)12) | ○ | × | × | × | × | ○ | ○ | ○ | × |
| Shim et al. (2014)13) | ○ | ○ | × | ○ | ○ | × | ○ | ○ | × |
| Weissert and Smith (2018)14) | ○ | × | × | ○ | ○ | ○ | ○ | ○ | × |
2. 연구 방법
본 연구는 기축 건물 커미셔닝 방법으로 수행되었다. 연구는 4단계로 이루어져 있으며, 단계별 세부 내용은 Fig. 1에 정리하였다. 먼저 대상 건물 및 대상층의 공조 시스템 운영 현황을 파악하고, 운영 데이터를 기반으로 공조 시스템의 운전 특성을 분석하였다. 이를 통해 시간대별 공조기 가동, 급기 풍량 상태, 그리고 에너지 사용 패턴 등 실제 운전 특성을 검토하였다. 이후 분석 결과를 바탕으로 재실 조건 대비 과도한 운전, 비재실 시간대의 지속 운전 등 비효율적인 운전 특성 중심으로 커미셔닝 항목을 선정하였다. 도출된 비효율적 운전 특성을 기반으로 커미셔닝 항목을 선정하고, 이를 반영한 커미셔닝 전략을 수립하였다. 이 과정에서 실내 온열환경 유지 조건을 고려하여 운전 조건 변경 범위를 설정하였다. 마지막으로 기존 운전 방식(Basecase)과 커미셔닝 적용 방식(Proposed case)을 비교·분석하여 실내 온열환경 및 에너지 사용량 변화를 평가하였다. 이를 통해 커미셔닝 적용에 따른 실내 환경 유지 여부와 에너지 절감 효과를 종합적으로 검토하였다.
2.1 대상 건물 및 시스템 개요
대상 건물은 서울에 위치한 지하 5층 ~ 지상 20층 규모의 업무시설로, 1993년에 준공되었으며 총 연면적은 18,928.57 m2이다. HVAC 시스템은 전공기 방식의 AHU 시스템이 적용되어 있다. 각 층마다 AHU 시스템이 1대씩 설치되어 있는 층별 공조 방식을 채택하고 있으며, 단일 덕트로 공기를 공급하는 구조를 가진다. AHU에는 냉·난방 코일이 설치되어 있으며, 냉·난방 코일 용량은 각 113,000 kcal/h, 54,000 kcal/h로 구성되어 있다. 또한 급기 팬은 인버터 제어 방식이며, 팬 용량은 11 kW, 설계 풍량은 14,500 CMH이다(Table 2참조). 본 연구는 팬 커미셔닝 제어 적용을 목적으로 하여 AHU 시스템 1대 단위로 분석을 수행하였다. 대상층은 외피 부하 영향이 상대적으로 적은 중간층인 4층과 16층을 대상층으로 선정하여 분석을 수행하였다.
Table 2
Specifications of the case study building and AHU system
Fig. 2는 공조기(AHU)의 개략도를 나타낸 것이다. 먼저 외기(Outdoor air, OA)는 AHU로 유입되며, 외기 댐퍼를 통해 유입량이 조절된다. 외기는 실내에서 회수된 환기(Return air, RA)와 혼합되어 혼합공기(Mixed air, MA)를 형성한다15,16). 혼합공기가 냉각 코일(Cooling coil)과 가열 코일(Heating coil)을 통과하면서 냉각 및 가열이 이루어진다. 이후 공기는 급기 팬(Supply fan)을 통해 급기(Supply air, SA) 형태로 실내 공간에 공급된다. 실내 공간의 공기는 다시 환기 팬(Return fan)에 의해 회수되어 다시 공조기로 순환되며, 일부 공기는 배기 댐퍼(Exhaust damper)를 통해 외부로 배출된다. 공조 시스템의 운전 상태를 모니터링하기 위해 건구온도 센서(Dry-bulb temperature sensor)와 상대습도 센서(Relative humidity sensor)가 설치되어 있다.
2.2 운영 데이터 수집 기간 및 항목
본 연구는 중간층 중 데이터 확보가 가장 용이한 4층과 16층을 커미셔닝 대상층으로 선정하였다. 대상층의 공조 시스템 운영 데이터 수집 현황은 Table 3에 정리하였다. 대상 건물은 BAS (Building Automation System)시스템이 설치되어 있으며, 이를 통해 외기온도, 실내온도, 팬 및 인버터 가동률 등의 데이터를 6분 간격 평균값으로 수집하였으며, 팬 에너지 사용량 데이터는 측정을 통해 5분 간격 평균값을 수집하였다. 16층의 경우 실내 온도 데이터가 확보되지 않아 환기 온도를 실내 온도의 대체 변수로 활용하였다.
Table 3
Overview of operation data
2.3 기존 운영 데이터 분석 및 커미셔닝 항목 도출
본 연구는 공조기의 운전 특성을 파악하기 위해 2월 중 2일의 기존 운영 데이터를 분석하였다. 분석 결과, 4층과 16층 모두 재실 시간 동안 실내 온도(Indoor air temperature, IA temp.)가 에너지이용합리화법에서 제시하는 권장 난방 설정온도인 20℃를 상회함에도 급기 풍량(Supply air flow rates, SA flow rates)이 높은 수준으로 유지되는 경향이 확인되었다17). 또한 일반적인 업무시설의 재실시간(09시 ~ 18시) 이후인 야간 및 새벽 시간까지 공조기가 운전되었으며(Fig. 3 참조), 인버터 팬의 급기 풍량도 80 ~ 100%의 높은 수준으로 유지되었다(Fig. 4 참조). 이에 공조기 가동시간과 급기 풍량의 개선 필요성이 도출되었으며, 팬 제어 중심의 커미셔닝을 통해 실내 온열환경 유지와 에너지 절감 가능성을 평가하였다. 실제 건물에 적용할 적정 운전 조건을 도출하기 위해 에너지 절감과 실내 온열환경을 고려한 시뮬레이션 분석을 선행하였다. 공조기 운전 종료 시간을 단계적으로 단축하여 실내 온도를 분석한 결과, 기존 대비 1시간 조기 종료하더라도 실내 온도가 20℃를 상회하여 총 1시간 단축 조건을 선정하였다. 급기 풍량은 기존 대비 10 ~ 50% 감소 조건 적용 시, 10% 감소 조건에서도 실내 온도가 20℃를 상회하여 최종 커미셔닝 조건으로 선정하였다. 이에 기존 운전 상태를 Basecase, 공조기 가동시간 1시간 단축과 급기 풍량 10% 감소를 적용한 조건을 Proposed case로 정의하였다.
2.4 분석 기간 외기온도 분석
본 연구는 실제 건물의 운영 데이터를 기반으로 커미셔닝 적용 전·후 상태 분석을 수행하는 것으로, 동일 날짜에서의 동시 제어 적용이 불가능하여 분석기간 간의 외기 조건의 차이가 발생할 수 있다. 이러한 외기온도(Outdoor air temperature, OAT) 차이가 커미셔닝 적용 결과에 영향을 미칠 가능성을 검토하기 위해 Basecase와 Proposed case의 외기온도를 분석하였다. 분석 결과, Proposed case의 외기온도는 Basecase에 비해 상대적으로 낮게 형성되어 난방부하 및 실내 온열환경 측면에서 불리한 조건인 것으로 확인되었다(Fig. 5 참조). 따라서 실내 온열환경 및 에너지 분석 결과에 외기온도가 미친 영향은 미미한 것으로 판단하였다.
3. 분석 결과
3.1 실내 온열환경 분석
커미셔닝 적용 이후 실내 온열환경 저하 여부를 확인하기 위해, Basecase (커미셔닝 전)와 Proposed case (커미셔닝 후)의 실내 온도 결과를 검토하였다. 전체 케이스의 시뮬레이션 결과 도출된 실내 온도는 약 24 ~ 27℃범위의 분포를 보였다(Fig. 6 참조). 이는 에너지이용합리화법에서 제시하는 권장 난방 설정온도인 20℃를 상회하는 결과이며, 커미셔닝 전·후 모두 실내 온열환경이 권장 난방 설정온도보다 높이 유지되고 있음을 의미한다. 따라서 커미셔닝 제어 적용은 실내에서의 온열환경 저하를 야기하지 않은 것으로 판단된다.
3.2 급기 팬 에너지 사용량 분석
팬 커미셔닝 적용에 따른 가동시간 단축과 급기 풍량 감소가 팬 에너지 사용량에 미치는 영향을 확인하기 위해 Basecase와 Proposed case의 급기 팬 에너지 사용량을 분석하였다. 일일 총 팬 에너지 사용량은 4층에서 Basecase 64.3 kWh, Proposed case 44.5 kWh로 나타나 30.8% (19.8 kWh) 감소하였으며, 16층에서는 Basecase 49.1 kWh, Proposed case 34.1 kWh로 나타나 30.6% (15.0 kWh) 감소하였다(Fig. 7 참조). 절감 요인을 구분하기 위해 시간대별 팬 에너지 사용량을 추가 분석한 결과, 급기 풍량 10% 감소가 적용된 06시 ~ 17시 30분 구간에서는 4층이 58.6 kWh에서 44.5 kWh로 24.0% (14.1 kWh), 16층이 44.6 kWh에서 34.1 kWh로 23.5% (10.5 kWh) 감소하였다(Table 4 참조). 또한 공조기 가동 종료 시간이 1시간 단축된 17시 30분 ~ 18시 30분 구간에서는 4층 약 5.7 kWh, 16층 약 4.5 kWh의 추가 절감 효과가 나타났다. 초기 운전 구간에서는 Basecase와 Proposed case의 팬 에너지 사용량이 유사한 수준으로 나타났으나, 설정온도 도달 이후인 오전 09시부터 실내 온열환경이 안정화되면서 Proposed case에서 급기 풍량 감소에 따른 팬 에너지 절감 효과가 뚜렷하게 나타났다. 이는 인버터 방식 팬에서 풍량 감소가 에너지 사용량 절감으로 이어진 결과로 판단된다. 종합하면, 급기 풍량 감소는 운전시간 전반에 걸쳐 지속적인 절감을 보였으며, 가동시간 단축은 실내 온열환경을 유지하면서 추가적인 에너지가 절감된 것으로 분석된다.
Table 4
Supply fan energy savings by airflow reduction and operation time reduction
3.3 난방 공급열량 분석
커미셔닝 적용이 난방 공급열량에 미치는 영향을 확인하기 위해 분석을 수행하였다. 난방 공급열량() 산출 식은 다음과 같다.
여기서 는 밀도(kg/m3), 는 풍량(m3/h), 는 비열(kJ/kg·K), 그리고 는 급기와 혼합공기(Fig. 2 참고) 온도 차(℃)를 의미한다.
분석 기간 일일 총 난방 공급열량(Supply heating amount, Sup. heating amount)은 4층에서 Basecase 63.1 kWh, Proposed case 54.4 kWh로 나타나 13.8% (8.7 kWh) 감소하였으며, 16층에서는 Basecase 48.1 kWh, Proposed case 41.6 kWh로 나타나 13.5% (6.5 kWh) 감소하였다(Fig. 8 참조). 절감 요인을 구분하기 위해 시간대별 난방 공급열량을 추가 분석한 결과, 동일 운전시간 조건에서 급기 풍량 10% 감소가 적용된 06시 ~ 17시 30분 구간에서는 4층이 58.6 kWh에서 54.4 kWh로 감소하여 7.2% (4.2 kWh), 16층이 43.2 kWh에서 41.6 kWh로 감소하여 3.7% (1.6 kWh)의 절감률을 보였다(Table 5 참조). 또한 공조기 운전 종료 시간이 1시간 단축된 17시 30분 ~ 18시 30분 구간에서는 4층 약 4.5 kWh, 16층 약 4.9 kWh의 추가 절감 효과가 나타났다. 이는 급기 풍량 감소로 인해 공조기를 통해 공급되는 공기량이 줄어들면서 난방 공급열량이 함께 감소한 결과로 판단된다. 따라서 Proposed case는 실내 온열환경을 유지하면서 난방 공급열량을 절감할 수 있는 유효한 커미셔닝 운전 전략으로 판단된다.
Table 5
Supply heating amount savings by airflow reduction and operation time reduction
3.4 전체 기간 확대 분석
본 절에서는 일일 분석 결과가 특정일의 운전 상태 및 외기 조건에 한정된 것인지 검토하기 위해 2월 중 Basecase 2일, Proposed case 5일의 동일 층 운영 데이터를 추가 분석하였다. 분석 결과, 두 층 모두 실내 온도는 약 24 ~ 26℃ 범위로 나타나 에너지이용합리화법의 권장 난방 설정온도인 20℃를 상회하였다(Fig. 9 참조). 커미셔닝 적용 이후 실내 온도 변화는 Basecase 대비 각 층에서 약 0.4℃ 증가, 0.1℃ 감소 수준으로 나타나 Proposed case에서도 유사한 실내 온도 분포가 유지되었다. 따라서 제안한 커미셔닝 전략은 분석 기간 전반에서도 실내 온열환경을 저하하지 않는 것으로 판단된다.
팬 에너지 사용량은 4층에서 Basecase 781 kWh, Proposed case 542 kWh로 나타나 30.6% (239 kWh) 감소하였으며, 16층에서는 Basecase 593 kWh, Proposed case 405 kWh로 31.7% (188 kWh) 감소하였다(Fig. 10 참조). 이는 공조기 가동시간 단축 및 급기 풍량 감소 기반 커미셔닝 전략이 두 층 모두에서 약 30% 이상의 팬 에너지 절감 효과를 보였음을 의미한다. 특히 팬 에너지 사용량은 급기 풍량 변화에 직접적으로 반응하는 특성이 있으므로, 급기 풍량 감소가 팬 에너지 절감에 주요하게 기여한 것으로 판단된다. 따라서 제안한 운전 개선 전략은 실내 온열환경 저하 없이 팬 에너지 사용량을 효과적으로 절감할 수 있는 방안으로 분석된다.
난방 공급열량은 4층에서 Basecase 746 kWh, Proposed case 636 kWh로 14.6% (110 kWh) 감소하였으며, 16층에서는 495 kWh에서 340 kWh로 31.3% (155 kWh) 감소하였다(Fig. 11 참조). 이는 공조기 가동시간 단축과 급기 풍량 감소로 인해 난방 공급열량 또한 감소한 결과로 판단된다. 4층은 상부 5층 전산실의 상대적으로 낮은 온도의 공기가 지속적으로 유입되어 16층보다 높은 공급열량을 보인 것으로 판단된다. 이에 커미셔닝 전략은 실내 온열환경 저하 없이 난방 공급열량을 절감하는 데 효과적인 운전 개선 방안으로 분석된다.
4. 결 론
본 연구는 실제 기축 업무시설의 운영 데이터를 활용하여 공조 시스템의 운전 특성을 분석하고, 비효율적 운전 개선을 위한 팬 커미셔닝 전략을 적용한 사례 연구이다. 운영 데이터 분석을 통해 공조기 가동시간 단축과 급기 풍량 감소를 커미셔닝 항목으로 설정하였다. Basecase와 Proposed case를 비교하여 실내 온열환경, 급기 팬 에너지 사용량 및 난방 공급열량 변화를 분석하였다. 본 연구의 결과는 다음과 같이 요약된다.
(1) 기존 운영 데이터 검토 결과, 공조기는 업무시설 재실시간 이후에도 지속적으로 운전되었으며, 급기 풍량 또한 높은 수준으로 유지되는 것으로 나타났다. 이를 통해 실제 기축 건물에서 불필요한 공조기 운전이 발생할 가능성을 확인하고, 공조기 가동시간 단축과 급기 풍량 감소를 주요 커미셔닝 항목으로 도출하였다.
(2) 일일 분석 결과, Proposed case 적용 이후 실내 온도는 에너지이용합리화법의 권장 난방 설정온도를 상회하여 실내 온열환경 저하는 발생하지 않은 것으로 판단되었다. 공조기 가동시간 단축과 급기 풍량 감소에 따른 팬 에너지 사용량과 난방 공급열량이 감소하여 커미셔닝을 통한 에너지 절감 가능성을 확인하였다.
(3) 전체 기간 확대 분석 결과, Proposed case의 실내 온도는 Basecase와 유사한 수준으로 유지되었으며, 팬 에너지 사용량과 난방 공급열량 감소도 일일 분석과 유사한 경향을 보였다. 이를 통해 단기 분석 결과가 전체 분석 기간에서도 유사하게 나타남을 확인하였다.
따라서 본 연구는 실제 운영 데이터를 기반으로 기축 건물 공조기의 비효율적 운전 특성을 분석하고, 실내 온열환경을 유지하면서 에너지 사용량을 절감할 수 있는 운전 개선 가능성을 제시하였다는 점에서 의의가 있다. 다만 본 연구는 특정 업무시설의 단기간 운영 데이터를 활용한 사례 연구이므로 결과의 일반화에는 한계가 있다. 취출구 위치 및 개수, 창면적비, 내부 발열 등 건물 및 운영 특성에 따라 분석 결과가 달라질 수 있다. 따라서 향후 연구에서는 장기간 운영 데이터와 다양한 건물 및 운영 조건을 반영한 추가 검토가 필요한 것으로 판단된다.
