2023년은 전 세계적으로 기후변화에 대한 극한의 체험을 많이 한 해이다. 특히 우리나라의 경우 11월 기후가 여름철과 같은 날이 많았다. 기후변화의 원인이 되는 탄소배출량을 줄이지 못하면 기후변화가 가속화돼 피해에 대한 막대한 비용 지출이 전 세계 모든 나라에 전가가 될 날이 멀지 않았다는 것이 중론이다. 이런 상황에서 많은 사람들의 관심은 신재생에너지 발전시스템을 설치해 문제를 해결하려는 단순한 이야기만 하고 있다. 신축이나 신재생에너지설치에 의한 사용에너지 감소량대비 기존 건물이 사용하는 에너지의 양이 90% 이상인 것을 고려할 때 기존 건물에 사용되는 냉난방 에너지소비량을 줄이는 것이 탄소중립 실현에 많은 도움이 되는 것임을 간과하고 있다.

도심지의 높은 대형 건축물들은 실제 에너지를 먹는 하마와 같다. 한국에서 현대화의 일환으로 시내를 중심으로 고층 건물을 많이 지어 왔으며 최근 이런 건축물의 사용시기가 길어짐에 따라 기 설치된 냉난방설비(열원설비) 노후화로 인한 문제점이 대두되고 있다. 건물에서의 각종 설비는 시간이 경과함에 따라 성능이 저하될 뿐만 아니라 고장발생, 성능저하로 인한 에너지사용량 증가를 초래하고 있다. 또한 운전자들이 기존 시스템에 대한 완전한 이해를 하지 못해 효과적인 운전이 되지 않아 에너지사용량, 관리비 및 운영비가 증가하는 등의 문제점을 야기하고 있는 것이 현실이다. 

이번 특별기고에서는 서울 도심의 건물에 설치된 이후 15년 전후의 빙축열시스템 효율을 분석하고 이에 대한 시스템 개선사업을 통해 에너지 사용량 및 운전비 절감 사례를 소개한다.이번에 소개될 사례는 건물의 특성을 살려 운전 편리성을 극대화해 운전자들이 신경쓰지 않고 완전 자동화를 통해 냉방요구량에 맞게 운전모드만 설정하면 인공지능시스템처럼 자동으로 알아서 돌아가게 제어 알고리즘을 현장 맞춤형으로 설치해 비숙련 운전자에 의한 시스템의 비효율적인 운전을 최소화했다. 

이번에 소개할 건물은 5성급 호텔인 00현장(서울 강남 소재)으로 기존 냉방시스템에 대한 에너지절감, 시스템효율 및 운전 편리성을 증대시킨 개보수 사례다. 이번 현장은 Ice-on-Coil형의 빙축열시스템을 설치해 냉방을 하고 있던 건물로, 냉방설비 개선사업의 일환으로 현재 운영되고 있는 냉열원설비를 총체적으로 진단하고 이의 대안으로 최적의 개보수설계를 통해 시스템 안정성뿐만 아니라 연간 운전비 절감을 이루는데 초점을 뒀다. 

이번 현장에 설치돼 있는 시스템 전체 소비전력은 야간 2,226kW 용량의 피크를 갖는 시스템이 설치돼 운전되고 있다. 특히 여러 종류의 펌프가 설치돼 있으며 양정이 높아 소비전력도 높다. 축열조의 효율이 떨어져 주·야간 냉방시 냉동기 운전이 많아 전력사용량이 많았으며 시스템이 복잡해 시스템에 대한 이해도를 가지고 운전하지 못하고 단지 on/off에 의한 간단 제어만하고 있어 에너지사용량 및 운전비에서 많은 손실이 발생하고 있었다.

축열조성능이 떨어져 축열이 제대로 이뤄지지 않아 냉동기 운전시간은 늘어나 펌프 소비전력도 늘어 실제 냉방에 필요한 에너지대비 1.5배 이상의 에너지를 더 사용하는 심각한 에너지 다소비 건물이다. 냉동기 가동시간이 늘면 시스템에 연결된 높은 소비전력의 펌프가 같이 운전돼 시스템 소비전력 상승은 에너지사용량 및 운전비 증대로 이어진다. 

빙축열시스템은 심야시간(22:00∼08:00)대 저렴한 전력요금을 이용하며 축열조의 브라인을 냉동기로 순환시켜 생성된 저온의 브라인(약 -4.5℃)을 축열조로 순환시켜 얼음을 얼렸다가 이를 냉방에 이용한다. 일반적으로 운전비 절약은 되나 에너지절약은 되지 않는 것으로 알려져 있다. 일반적인 빙축열시스템의 경우 1대의 브라인펌프를 사용해 축냉 및 방냉에 이용하는 시스템으로 구성돼 있어 축열조 효율이 저하되는 경우 브라인펌프 및 냉각수펌프의 가동시간도 늘어 전체적인 에너지소비량을 증가시키는 시스템으로 운전비만 절감이 되는 시스템구성을 가지고 있었다.

이번 현장에 새로 설치된 빙축열시스템은 ‘축·방냉 펌프를 분리한 에너지 절약형 빙축열시스템’을 적용했다. 이젠엔지니어링의 고효율 빙축열시스템은 축열조를 기준으로 축냉과 방냉을 구분해 축냉펌프는 냉동기만을, 방냉펌프는 열교환기만을 담당하게 돼 양정 감소로 인한 펌프동력 감소가 기존대비 50% 이상이다. 또한 시스템의 운영로직이 매우 간단하다. 

축·방냉펌프가 분리돼 축냉시 축냉펌프만, 방냉시는 방냉펌프만 가동돼 자연스럽게 브라인 흐름 방향이 축냉시는 하부에서 상부로, 방냉시는 상부에서 하부로 흘러 전체 축열조 내부의 균등 흐름이 유도되는 성층화 축열조가 된다. 축열조의 성층화를 통해 축냉 및 방냉효율이 25% 이상 향상돼 국내 최고 효율을 가진다. 또한 자동제어 밸브에 의한 정유량제어를 하지 않고 펌프의 on/off 및 인버터를 통한 유량제어를 통해 쉽게 제어가 가능해 누구나 손쉽게 시스템운전이 가능하다.

빙축열조는 디퓨져와 축냉매체(ICE-BAR)로 구성된다. 캡슐형 바(BAR) 타입의 축냉매체로 구성돼 있으며 주름이 있는 원통형상으로 얼었다 녹았다하면서 부피팽창을 용이하게 수용할 수 있는 구조로 만든 것이 가장 큰 특징이다. 원통형 구조는 얼었다 녹았다하는 경우 내부의 압력변화가 없어 어는 시간 및 녹는 시간이 구형에 비해 빠르며 구조적으로 안정적이다. 원통형 구조의 경우 타 빙축열시스템대비 1.5배 이상 얼음충전율(IPF)을 가지고 있어 축열조의 면적 또한 가장 작게 차지한다.

운영되고 있는 호텔의 냉방시스템을 개보수하기 위해 다양한 문제가 있었다. 우선 냉방의 연속성이 보장돼야 하며 다음으로 부하가 많이 걸리는 4월부터 축열조가 완성돼 빙축열시스템 운전이 돼야 한다는 조건이다. 또한 영업을 하고 있기 때문에 모든 장비 및 자재는 야간 12시 이후 새벽 5시 이전에 반입해야 하는 조건이었다. 지속적인 냉방을 위해 기존 냉동기 1대를 철거를 하지 않고 운전되도록 2022년 12월 시스템을 수정한 후 2023년 1월부터 본격적인 철거 및 설치작업을 시작했다. 

새로 설계된 시스템계통을 보면 축열조를 기준으로 4대의 냉동기(1대 예비)가 설치돼 정유량 축냉펌프와 연결되며 축열조와 열교환기가 연결돼 방냉을 할 수 있는 구조로 돼 있다. 열교환기는 고층부와 저층부로 분리해 설치됐으며 호텔의 운전특성을 살려 야간용 펌프를 추가로 설치해 야간에 냉방이 필요한 경우 언제든 펌프만 가동하면 호텔 객실에 냉방이 되게 시스템을 구성했다. 

현장의 운전자들은 야간용 펌프를 둬 축냉을 하면서 방냉할 수 있는 이젠엔지니어링의 빙축열시스템 운전로직에 쉽게 시스템가동을 할 수 있게 돼 당직자들의 가장 큰 어려움을 해소했다. 운전의 편리성을 위해 축냉량 및 방냉량을 정확히 측정할 수 있는 열량계를 설치해 축열조의 저장열량을 정확하게 확인할 수 있게 했다. 이는 겨울철과 봄가을의 경우 축열조의 축열 잔량이 많이 남아 있을 경우 축냉모드가 들어가지 않고 1일 축냉한 축열조 열량을 가지고 짧게는 2일, 길게는 7일 정도 사용할 수 있게 돼 에너지절약에 크게 기여했다. 즉 냉동기 가동을 줄여 냉동기효율 향상과 펌프 소비전력을 절감시킴으로써 에너지절약형 빙축열시스템이 설치되고 운전되고 있다. 

         

이번 개보수현장은 기존 축열조의 경우 축열조 내부에 많은 PE배관이 설치돼 배관 외부에 얼음이 얼고 이를 이용하는 형태의 축열조가 설치돼 있었다. 

새로 설치된 축열조의 경우 캡슐을 벽돌 쌓는 것과 같이 축열조 하부에서 상부까지 완전히 채우는 구조로 돼 있어 타 시스템대비 축열조 설치 면적이 줄어들게 된다. 이번 현장의 경우 기존 축열조대비 40%의 면적을 줄여 기계실에 새로운 공간이 만들어졌다. 축열조 하부 배관은 흑강관에 디퓨저 홀을 뚫어 설치했다. 

현장에 설치된 이젠엔지니어링 빙축열시스템 모니터링 화면 구성을 보면 축냉 및 방냉시 순시 축열량과 누적 축열량 및 순시 방냉량과 누적 방냉량을 화면에 표시해 누구나 쉽게 축열시스템을 운전할 수 있게 했으며 호텔의 부하 특성에 맞게 운전모드를 설치해 운전자들이 쉽게 빙축열시스템을 운전할 수 있도록 했다. 여러 가지 운전모드가 설치돼 기후에 따라 운전자들이 모드만 설정하면 자동으로 운전이 되게 시스템을 구성했으며 실제 근무자들의 운전 편리성이 향상돼 설치 후 축열시스템에 모두 만족하고 있다.

올해 3월31일 준공 후 냉방시즌을 기점으로 개선 전(2022년)과 개선 후(2023년)의 심야전력 사용량 및 운전비를 비교해 봤다. 빙축열시스템의 경우 한전에서 설치된 심야전력 계량기를 통해 정확하게 사용전력량이 측정되므로 2022년과 2023년의 전력사용량을 비교했다. 2022년 대비 2023년의 경우 에너지사용량이 41.5% 절감됐으며 전기용량으로는 4월부터 10월까지 237만3,744.6kWh의 전력사용량이 절감됐다. 

이와 같이 높은 에너지절감효과가 나온 것은 우수한 축열조 축냉 및 방냉효율을 위한 냉동기 가동시간 최소화와 축냉 및 방냉 펌프를 분리해 펌프의 에너지소비를 최소화한 결과다. 이는 에너지절감은 신축에서 논의하는 것보다 개보수 건물의 시스템 개선에서 더 큰 효과를 나타낼 수 있다는 반증이다.

저부하시 기존시스템과 새로 설치한 시스템의 소비전력 패턴을 보면 기존 시스템은 축열조 효율이 떨어져 주간에 냉동기가 추가로 가동되는 반면 새로 설치한 시스템의 경우 주간에 냉동기 추가 가동없이 축열조를 사용한 냉방이 되는 것을 확인할 수 있다. 이러한 운전 상황이 기존 시스템대비 50% 가까운 에너지절감량을 낼 수 있는 것이다. 빙축열시스템의 경우 축열조 효율 및 펌프 동력이 매우 중요하다는 것을 에너지 사용량을 통해 바로 확인할 수 있다.

개선 전과 개선 후 빙축열시스템의 운전비 절감액은 연간 3억5,000만원 이상 절감되는 것으로 계산됐다. 이에 따른 이산화탄소 절감량은 1,126tCO2으로 소나무 40만5,360그루에서 저감하는 이산화탄소량을 저감할 수 있다. 한전의 원격제어시스템을 이용해 정확하게 측정이 된 수치이나 이는 호텔의 가동률을 반영하지 못한 수치다. 2022년 호텔의 운영객실수와 2023년 운영객실수 차이를 반영할 경우 단순히 2022년과 2023년의 에너지절감량을 비교한 숫자에 최소 1.3배 이상 곱한 308만6,000kWh 절감량이 될 수 있을 것이다. 이는 2022년 코로나 영향으로 완전히 외출이 풀리기 전이며 2023년은 코로나의 영향이 완전히 제거된 해의 사용량이기 때문이다.

<박상돈 그랜드인터콘티넨탈 서울 삼성 팀장>