대한설비공학회(회장 최준영)는 지난 11월29일 열린 2024년 동계학술대회에서 ‘에너지시뮬레이션’ 세션을 개최했다. 강연자들은 에너지절감을 위한 시뮬레이션 결과를 도출한 내용을 바탕으로 연구를 진행한 결과를 발표했다.
 
재실자 쾌적범위 도출사례 공유

최근 에너지사용설비 효율개선을 위한 연구로 예상 평균온열감(PMV)기반 HVAC시스템 자유제어 기능을 통해 과잉제어를 방지하며 에너지사용량을 최적화하는 최적제어 방식연구가 활발히 이뤄지고 있다.

 

이때 냉방기기 자유제어 측면에서 재실자 열적쾌적성을 예측하는 과정에 문제가 발생한다는 단점이 있으며 PMV와 예상 불만족률(PPD)기반 재실자 쾌적도 예측 시 프라이버시 등 문제가 발생해 정확한 값을 낼 수 없다.

 

김태연 한양대학교 건축공학과 석박사통합과정생은 기존방식의 단점을 보완해 불만족지점이 최소로 발생하도록 하는 온·습도 쾌적범위를 결정하는 시뮬레이션 연구를 진행했다. 

 

실내 온습도가 극한조건이 형성될 경우와 시스템 운전제어를 수행하는 순간의 실내 온·습도를 불만족지점으로 표기한 뒤 △소거법 △ANN(Artificial Neural Network) △KNN(K-nearest Neighbor) 등 총 세종류의 알고리즘 기법을 사용해 쾌적범위 내 에너지절감효과 분석을 위한 시뮬레이션을 진행했다.

 

소거법은 만족지점 바깥영역에 있는 부분을 소거해 쾌적범위 경계점을 이동하며 이동가능한 점이 없을경우 루프를 종료해 쾌적범위를 결정하는 방식이다. 

 

ANN은 확률적 방향 접근으로 인공지능 알고리즘을 통해 불만족·만족지점을 설정한 후 모델에 학습시켜 습공기 그리드에 있는 점마다 쾌적확률을 판단하는 기법이다. 

 

KNN은 머신러닝 기법으로 그리드에 점을 찍어 점에서 가까운 지점에서 만족점이 많다면 그 점 만족, 불만족 많으면 불만족으로 판단하는 방식이다.

 

연구진들은 제어발생시점 환경조건을 불만족지점으로 설정해 외출 등 쾌적여부와 무관한 제어상황을 구분하기 위해 제어지속시간을 계산해 온·습도가 일정시간동안 균일한 경우를 만족지점으로 설정했다.

 

연구결과 ANN은 학습시간이 소요돼 현장적용 시 연산부하가 발생하는 문제가 나타났으며 KNN은 쾌적범위가 넓게 잡혀있어 제어이력 반영이 느리게 되는 문제가 발생했다.

 

김태연 연구원은 “실제적용 시 사용자가 만족할 수 있는 지점이 나오려면 시간 오래 소요돼 요구데이터량이 적으며 연산부하도 낮은 편인 소거법이 유리할 것으로 확인됐다”라며 “에너지소비량에 대한 시뮬레이션을 진행한 결과 에너지소비량 차이가 유의미했으며 쾌적범위 안에서 지점별로 에너지절감이 크게 발생하는 부분이 있었다”고 말했다.

 

냉난방시스템 환경·경제성 평가결과 제시

김단은 고려대학교 기계공학부 석사과정 학생은 히트펌프기반 냉난방시스템에 대한 분석을 진행했다. 실증지를 공동주택과 단독주택으로 나눠 히트펌프 적용 시 에너지·환경적 효과를 확인했다. 또한 히트펌프와 PVT(Photovoltaic thermal)와 축열(TES)시스템을 결합한 가운데 분석을 실시했다.

 

구글스케치업과 TRNSYS 18을 통해 공동·단독주택 3D모델을 개발해 부하를 산정했으며 △건물구조 △창호 △HVAC 등 변수를 입력해 바닥난방시스템 적용 난방부하시뮬레이션을 제작했다. 

 

건물에너지시스템은 베이스라인은 △난방 △급탕+냉방에어컨을 설치했으며 열에너지저장장치가 포함된 히트펌프를 제한장치로 뒀다. 열에너지저장장치는 PVT가 포함된 히트펌프로HVAC제어를 진행했다.

 

연구진들은 가스보일러 성능특성을 ‘TRNSYS 751’에 반영했으며 히트펌프 열원온도에 따른 COP 변화를 시뮬레이션 모델에 반영했다. 주거용건물은 열부하추정방식에 따라 급탕 및 난방부하에 의해 히트펌프를 구동하도록 했다.

 

PVT에서 회수된 열은 급탕시스템에 공급되도록 했으며 패널온도는 외부온도와 태양복사에너지 따라 변동될 수 있도록 했다. 

 

건물 내에는 열에너지저장장치 모델링을 통해 하루평균 에너지요구량에 따른 용량을 선정했으며 90% 효율을 가정해 TES필요용량을 보정한 뒤 PVT에서 생산된 열을 저장할 수 있도록 했다.

 

실험 결과 1차에너지소비량은 공동주택은 히트펌프와 TES 적용 시 19%가 감소했으며 TES와 PVT 결합 시 35%가 감소했다. 단독주택은 히트펌프와 TES 적용 시 19% 감소효과는 동일했으며 PVT와 결합 시 59% 감소효과를 얻었다.

 

신재생에너지 비율에 따른 에너지소비량과 온실가스배출량 검토한 결과 공동주택은 최대 8배로 나타나 PVT 결합 시 히트펌프만으로도 건물전기부하 충족이 가능한 것으로 나타났으며 단독주택은 2배 확장 시 요구조건 충족하는 것으로 나타났다.

 

김단은 연구원은 “초기투자비 회수계산 결과 14.3년으로 히트펌프와 TES, PVT를 결합한 시스템이 가장 빠르게 비용회수를 할 수 있다”라며 “보일러시스템, 유지보수 비용 등 연도별 누적절감액이 지속감소하는 것을 확인했다”고 말했다.

HP부하측 최적유량제어 알고리즘 개발사례 공유

신재생에너지설비는 공급과 수요의 시간적 불일치로 실제 도입이 제한적이라는 한계로 인해 다중열원 동시이용가능한 하이브리드 히트펌프시스템에 대한 연구가 활발하다.

 

하이브리드 히트펌프시스템은 설계가 복잡하며 MCU(Micro Controller Unit) 연산능력 한계로 인해 인공지능기반 제어로직 탑재에 어려움을 가지고 있다.

 

채수원 부산대학교 건축공학과 박사과정생은 히트펌프 부하측 최적유량제어 알고리즘을 개발했다. 실제건물 기반 모니터링시스템을 구축해 PVT모듈과 공기·물 히트펌프시스템을 대상으로 실험을 설계했다.

 

냉난방에 대한 성능계수(COP) 정확도검증 결과 PVT발전효율은 5.1%였으며 집열효율 13.7%로 나타났다. 건물부하모델은 RC모델로 ASHRAE 90.1과 한국에너지 절약설계기준을 반영했으며 학습데이터 수집을 통해 모델 △에너지성능 △경제성 △열쾌적성 등을 반영했다.

 

히트펌프 학습데이터는 열교환량이 높은 유량을 우선수집한 뒤 순환수 유량이 가장 낮은 값 최적유량으로 결정했다. 팬코일유닛 학습데이터는 실내열쾌적성을 유지하채수원 부산대학교 건축공학과 박사과정생면서 에너지소비 최소화하기 위해 설정했으며 쾌적성지표로 PMV를 사용해 실내환경 쾌적범위 시 순환수유량을 최소화했다.

 

PVT모듈 학습데이터는 PV발전과 집열성능을 최적화하며 순환펌프 에너지소비를 최소화하기 위해 설계했다. PV발전수익은 순환펌프에서 소비한 소비전력에 대한 비용을 고려해 최적유량을 선정했다.

 

하이브리드시스템 에너지분석 결과 PVT모듈에서 생산된 전기와 열에너지를 효과적으로 활용함으로써 히트펌프 전력소비를 약 8% 줄일 수 있었으며 TES를 이용할 경우 전체 시스템 에너지효율이 크게 향상됨을 확인할 수 있었다. 

 

또한 최적유량제어 시 피크부하시간 부하율을 높여 에너지절감 효과를 더욱 극대화해 전체비용을 약 15% 절감할 수 있었으며 최적모델이 기존모델대비 3% 이상 운전비절감 효과가 있는 것으로 나타났다.

 

김단은 연구생은 “향후 연산시간 단축을 위해 축열조를 축소할 예정”이라며 “머신러닝 다양화를 통해 데이터를 관리하며 원격제어를 진행할 것”이라고 말했다.

 

CFD 활용 지중열교환기 성능평가결과 소개

채호병 부산대학교 생산기술연구소 박사는 지중열교환기 장기성능평가 결과를 발표했다. 수직밀폐형 지중열교환기는 넓은 부지가 필요하며 높은 공사비로 소형주택 적용이 어렵다. 

 

연구진들은 유연한 설계 및 적용, 최적화된 운영효율성, 확장성과 유지보수가 용이하며 하루만에 설치할 수 있는 프리패브리케이션(Prefabrication)기반 모듈형 지중열교환기를 제안했다.

 

나선형 열교환기는 내경 27mm, 외경 33mm, 피치 0.2mm, 나선형 직경 1m 고밀도 폴리에틸렌튜브로 제작했으며 최대피크부하는 8kW로 나타났다. 

 

연구진들은 전산유체역학(CFD)을 활용한 성능분석을 통해 저심도, 온도조건 등에 따라 성능변화 가능해 시간에 따라 변화하는 열의 온도를 분석했다.

 

히트펌프 COP는 지반에서 들어가는 출수온도를 기준으로 계산했으며 소비전력은 건물부하와 COP를 결합한 값으로 계산했다. 

 

실험 결과 냉방기간 지반온도는 가동 전 온도에 비해 최대 6.1°C 상승했으며 난방기간 동안에는 최대 11.6°C 가량 차이가 발생했다. 또한 장기운전에 따라 지중축열·방열로 COP가 점차 낮아져 냉방기간동안 평균 5.38 난방기간동안 4.08로 나타났다.

 

채호병 학생은 “향후 다양한 운영 시나리오를 분석해 모듈러 지중열교환기 열전달특성과 성능을 종합적으로 파악할 예정”이라며 “이를 기반으로 최적설계·운영 전략을 제안할 것”이라고 말했다.