2-5. 열원 및 공조기기(냉열기기, 온열기기, 공조방식, 반송기기)의 에너지절약에 대한 개요 및 기술에 대하여 설명하시오.

건축물 에너지 소비에서 냉난방 및 환기를 포함한 공조 시스템이 차지하는 비중은 매우 큽니다. 따라서 열원 기기 및 공조 관련 장비의 에너지 효율을 높이고 시스템을 최적으로 운전하는 것은 건물 에너지 절약에 있어 핵심적인 요소입니다. 에너지 절약은 단순히 고효율 장비 도입뿐만 아니라 시스템 설계, 설치, 운전, 유지관리 전반에 걸쳐 이루어져야 합니다.

 

1. 개요

공조 시스템의 에너지 절약은 다음의 목표를 가지고 수행됩니다.

• 에너지 소비량 최소화: 동일한 냉난방 및 환기 성능을 제공하면서도 사용하는 에너지(전력, 연료 등)의 양을 줄입니다.
• 운영 비용 절감: 에너지 소비량 감소는 직접적인 운영 비용 절감으로 이어집니다.
• 환경 부하 감소: 화석 연료 사용량 감소를 통해 온실가스 배출 및 기타 환경 오염 물질 배출을 줄입니다.
• 법적 규제 준수: 에너지 효율 관련 법규 및 표준을 준수합니다.
• 실내 환경 쾌적성 유지: 에너지 절약을 추구하면서도 거주자의 쾌적성이나 건물의 기능성이 저하되지 않도록 합니다.

에너지 절약 기술은 크게 고효율 장비 자체에 관한 기술과 장비를 효율적으로 조합하고 제어하는 시스템 및 운전 기술로 나눌 수 있습니다.

 

2. 에너지 절약 기술

각 기기 및 시스템 유형별 주요 에너지 절약 기술은 다음과 같습니다.

 

가. 냉열 기기 (냉방 기기)

주요 장비: 냉동기 (터보 냉동기, 흡수식 냉동기, 스크류 냉동기, 스크롤 냉동기 등)

• 고효율 냉동기 선정: 에너지 효율비(EER, COP) 또는 통합 부분 부하값(IPLV, SEER 등)이 높은 최신 고효율 냉동기를 선정합니다. 압축기 기술(무급유식, 자기 베어링 등), 열교환기 성능 개선, 냉매 최적화 등을 통해 효율을 높입니다.
• 변속 제어(VSD) 적용: 냉동기 압축기에 변속 제어 장치(VSD)를 적용하여 냉방 부하 변동에 따라 압축기 회전수를 조절함으로써, 부분 부하 시 효율을 극대화합니다. (냉동기는 부분 부하 운전 시간이 많습니다.)
• 응축수 온도 최적화 제어: 냉각탑 운전 제어를 통해 냉동기 응축기 입구 수온을 낮게 유지하면 냉동기 효율이 향상됩니다. (단, 너무 낮으면 다른 문제가 발생할 수 있으므로 적정 범위 내에서 제어)
• 폐열 활용 (흡수식 냉동기): 산업 공정이나 발전소 등에서 발생하는 폐열 또는 지역난방 열을 이용하여 흡수식 냉동기를 가동함으로써 전기 에너지 소비를 줄입니다.
• 자연 냉방 (Free Cooling): 외기 온도가 충분히 낮을 때, 냉동기를 가동하지 않고 냉각탑 수나 외기를 직접 또는 간접적으로 이용하여 냉방 부하를 처리합니다. (워터사이드 프리쿨링, 에어사이드 프리쿨링 등)

나. 온열 기기 (난방 기기)

주요 장비: 보일러 (가스/기름 보일러, 전기 보일러, 배열 회수 보일러 등), 히트펌프

• 고효율 보일러 선정: 잠열 회수 기술이 적용된 콘덴싱 보일러를 사용하여 배기가스의 잠열까지 회수함으로써 효율을 높입니다. 부하 변동에 따라 연소량을 정밀하게 조절하는 비례 제어(Modulating) 버너를 적용합니다.
• 히트펌프 시스템 활용: 화석 연료를 직접 연소하는 대신 전기 에너지(또는 가스 엔진)를 이용하여 외부 열원(공기, 지열, 수열 등)의 열을 실내로 이동시키는 히트펌프는 높은 성능 계수(COP, 난방 시)를 달성하여 에너지 절약에 유리합니다.
• 변속 제어(VSD) 적용: 보일러의 송풍기, 급수 펌프, 히트펌프의 압축기 및 팬/펌프 등에 VSD를 적용하여 부하 대응 효율을 높입니다.
• 폐열/신재생에너지 활용: 다른 공정의 폐열이나 태양열 등을 회수하여 난방에 활용하거나 보일러 급수 예열에 사용합니다.
• 정밀 연소 제어: 공연비 제어 등을 통해 완전 연소를 유도하여 연료 효율을 극대화합니다.

다. 공조 방식

주요 방식: 정풍량(CAV), 변풍량(VAV), 휀코일 유니트(FCU), 복사 냉난방, 외기 전담 시스템(DOAS) 등

• 변풍량 시스템(VAV) 적용: 실내 부하 변동에 따라 각 구역(Zone)으로 공급되는 풍량을 조절하여 송풍기 운전 동력을 절감합니다 (송풍기 동력은 풍량의 약 3제곱에 비례). 정풍량 방식 대비 에너지 절약 효과가 큽니다.
• 최적 제어 전략 적용:
  • 운전 스케줄 및 설정값 관리: 건물 사용 시간 및 용도에 맞춰 공조 시스템 운전 스케줄 및 온도 설정값을 최적화하여 불필요한 운전을 줄입니다.
  • 최적 기동/정지 제어: 외기 온습도, 실내 잔류 열, 건물 축열 성능 등을 고려하여 시스템 가동 및 중지 시간을 최적으로 제어합니다.
  • 필요 환기 제어(DCV): CO₂ 센서나 재실 감지 센서 등을 이용하여 실제 재실 인원에 필요한 만큼만 외기를 도입하여 환기 부하를 줄입니다 (Demand Control Ventilation).
  • 설정값 리셋 제어: 외기 온습도나 건물 전체 부하에 따라 냉수 설정 온도를 상향하거나 온수 설정 온도를 하향 조정하여 열원 기기 효율을 높입니다.
• 에너지 회수형 환기 시스템 활용: 전열교환기나 현열교환기를 사용하여 배기 공기의 열 에너지를 회수하여 외기 도입 시의 냉난방 부하를 줄입니다.
• 수배관 시스템 최적화: 부하 변동에 따라 펌프 회전수와 유량을 조절하는 변유량 시스템(Variable Flow System)을 구축하여 펌프 운전 동력을 절감합니다. 코일 제어 시 2방 밸브를 사용하여 유량을 직접 제어합니다.
• 공조 구역(Zoning) 세분화: 건물을 용도나 부하 특성에 따라 세분화된 공조 구역으로 나누어 각 구역의 요구 조건에 맞는 제어를 수행함으로써 불필요한 에너지 공급을 줄입니다.
• 외기 전담 시스템(DOAS)과 병행: 외기 도입 및 제습/가습은 DOAS로 처리하고, 실내 현열 부하는 복사 냉난방 등 다른 시스템으로 처리하는 등 기능을 분리하여 시스템 효율을 높입니다.

라. 반송 기기

주요 장비: 송풍기 (Fan), 펌프 (Pump)

• 고효율 장비 선정: 에너지 효율 등급이 높은 송풍기 및 펌프를 선정합니다.
• 변속 제어(VSD) 적용: 에너지 절약 효과가 매우 큰 기술입니다. 송풍기 및 펌프의 동력은 풍량 또는 유량의 약 3제곱에 비례하므로, VSD를 통해 부하 변동에 맞춰 회전수를 조절하면 에너지 소비를 획기적으로 줄일 수 있습니다. (예: 회전수 50% 감소 시 동력은 약 12.5% 수준으로 감소)
• 적정 용량 선정: 과도하게 큰 용량의 송풍기나 펌프를 선정하면 부분 부하 운전 시 효율이 낮아지므로, 시스템 요구 성능에 맞는 적정 용량의 장비를 선정하는 것이 중요합니다.
• 시스템 저항 최소화: 덕트 및 배관 설계 시 압력 손실이 최소화되도록 설계하고, 필터/코일 등 구성 요소의 압력 손실을 관리하여 송풍기 및 펌프가 낮은 양정/정압에서 운전되도록 합니다.
• 시스템 평형(Balancing): TAB 작업을 통해 각 분기 및 말단 장치로의 풍량 및 수량을 정확하게 분배하여 시스템 전체의 불균형을 해소하고 불필요한 압력 손실을 줄여 펌프/송풍기의 운전점을 최적화합니다.

종합적으로, 공조 시스템의 에너지 절약은 고효율 열원 및 반송 기기를 도입하는 것에서 시작하여, 시스템 전체를 에너지 효율적으로 설계하고, 지능형 제어 시스템을 통해 운전 상태를 최적화하며, 정기적인 유지관리를 통해 장비 성능을 유지하는 통합적인 접근 방식을 통해 극대화될 수 있습니다.