한일엠이씨는 최근 열린 ‘2023년 대한설비공학회 동계학술대회'에서 한일이엠씨‧최상홍 인재상 특별세션을 진행해 제로에너지건물(ZEB) 및 그린리모델링(GR) 확산을 위한 건물부문 탄소중립을 보다 효과적·실질적으로 수행할 수 있게 하는 기술개발 및 시공·검증체계 기술동향과 수월성을 향상시킬 수 있는 진단·계측·예측 솔루션 연구동향에 대해 공유했다.
전기화학식 압축기 개발 동향
첫 발표에 나선 김동규 중앙대 교수는 ’전기화학식 압축기 개발 동향‘을 통해 “히트펌프시스템은 냉매 온도변화를 통해 필요한 열을 제공하며 탄소배출을 줄이는 기술로 각광받고 있다”라며 “히트펌프 COP(Coefficient of performances)를 높일 수 있다면 히트펌프 기술 효용을 높을 수 있을 것”이라고 강조했다.
이어 “전기화학식 압축기는 전기화학적 반응을 통해 원하는 냉매를 이동시켜 압축하는 방식으로 효율이 이론적으로 90% 이상에 달해 히트펌프의 COP를 비약적으로 높일 수 있을 것으 보였다”라며 “전기화학 반응은 일정한 온도에서 반응해야 하므로 압축이 돼도 등온이 유지되는 등온 압축을 구현해 사이클 효율을 상승시킬 수 있을 것으로 판단했다”고 전기화학식 수소 압축기 연구배경에 대해 밝혔다.
김동규 교수는 “수소를 냉매로 한 전기화학식 압축기로 압축비 30을 달성했으며 95% 이상 효율을 보였다”라며 ”전기화학식 압축기를 통해 암모니아와 수소가 2:1의 비율로 압축되는 것을 알 수 있었다“라며 암모니아 압축기 가능성에 대해 설명했다.
이어 ”전기화학식 압축기에 대한 작동 원리의 이해 및 다양한 가능성에 대해 고찰한 연구는 부족한 실정이기에 이번 연구를 통해 전기화학식 압축기의 작동 원리를 분석하며 고압에서의 작동 특성을 분석했다“라며 ”다양한 냉매를 사용했을 때 달라지는 작동 원리에 대해서도 분석했다“고 밝혔다.
김 교수는 ”모든 전기화학식 압축기의 경우 대상 냉매와 전기화학반응을 일으키는 보조 기체가 필요하다“라며 ”다만 수소 기체의 경우 보조 기체 없이 압축될 수 있다“고 밝혔다.
이어 ”전기화학식 암모니아 압축기의 경우 수소를 보조기체로 사용하며 전기화학 반응을 통해 암모니아를 압축할 수 있지만 압력비가 4를 넘어가면 암모니아의 빠른 역확산으로 인해 암모니아의 압축이 불가능하다“고 설명했다.
또한 ”이번 연구에서는 히트펌프에 사용하기 위한 전기화학식 압축기 특성을 검토하며 암모니아 압축기의 거동특성을 분석했다“라며 ”새로운 전기화학식 압축기의 개발을 위해서는 이온 전달막에 대한 개발이 필요하다“고 강조했다.
DCHE 에너지절감 연구 나선익 한국에너지기술연구원 선임연구원은 ’제습제 코팅 열교환기를 적용한 전기 자동차용 히트펌프시스템 성능분석‘을 발표했다.
나선익 선임연구원은 “전기 자동차는 공조시스템을 가동해 난방과 김서림을 제거하며 열 쾌적성과 운전안전성을 확보해야 한다”라며 “자동차용 공조시스템이 소비하는 에너지사용량을 저감시키며 시스템 효율을 높이는 연구가 필요하다”고 연구배경을 설명했다. 이어 “열교환기를 자동차 공조시스템에 적용해 자동차용 히트펌프 에너지 사용량 절감율을 산출했다”고 말했다.
나선익 선임연구원은 “차량 실내난방 및 제습부하를 산출하는 실내모델(cabin model), 제습제코팅 열교환모델 (DCHE model), 자동차용 히트펌프모델(automobile heat pump model) 등을 개발해 실험을 검증했다”라며 “개발된 모델들을 시뮬링크 플랫폼에서 연계해 외기 조건 및 운전속도, 탑승인원 수 등 차량 운전환경에 따라 차량용 히트펌프 에너지 사용량을 산출했다”고 연구방법을 소개했다.
이어 “기존 자동차에서 제습을 위해 이슬점 이하로 온도를 낮췄다가 다시 가열하는 응축제습(condensated dehumidification) 과정의 불합리한 에너지소비를 줄이고자 고체 제습제를 코팅해 열과 물질전달을 동시에 할 수 있는 열교환기를 적용한 전기 자동차용 히트펌프시스템(MHP) 구성을 제시한 것”이라며 “제시한 MHP 시스템의 에너지 절감율을 살펴보기 위해 실험데이터와 비교해 검증한 수치모델을 개발했다”고 덧붙였다.
김 선임연구원은 “다양한 운전조건에서 시뮬레이션 한 결과 열교환기는 기존 자동차용 히트펌프시스템과 비교해 다양한 운전조건에서 에너지 소비량을 줄일 수 있음을 확인했다”라며 “해당 기술을 실용화하기 위해서는 △열교환기의 내구성 검증 △최적 제어기술 개발 △경제성 평가 등 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다”고 밝혔다.
건물 커미셔닝 경험‧능력 갖춘 커미셔너 참여 효과 극대화엄태윤 한일엠이씨 연구소장은 ‘MEP‧FP‧BE 성능검증을 위한 종합 건물 커미셔닝 동향과 전망’이라는 주제의 연구내용을 발표했다.
최근 우리나라는 2050 탄소중립 사회 실현을 위해 추진되고 있는 제로에너지건축물(ZEB) 및 그린리모델링(GR) 의무화, 지속가능경영보고서 공시 의무화 등 건물부문 에너지효율화와 관련된 다양한 정책에 대응해야 한다. 즉 건물에 적용되는 시스템의 복잡성은 한층 증대될 수 밖에 없으며 건물에 요구되는 다양한 기능에 대한 기대성능도 높아질 수 밖에 없는 상황이다. 연구팀은 이미 국내에서 데이터센터와 같은 특수 산업시설의 신축 프로젝트에 일반적으로 적용되고 있는 건물 커미셔닝의 역할에 주목했다.
건물 커미셔닝은 시설의 대규모화와 보합화, 적용시스템의 다양성과 복잡성, 새로운 적용 기기 및 장치 증가와 신뢰도 우려 증가, 시스템 이해도 부족에 따른 시공의 불명확성, 건물 운영관리자의 시스템 이해도 부족에 따른 비효율성 등 건축주 요구성능을 충족하기 어려운 사업 추진과정의 여러 문제점을 해소하기 위해 만들어진 건물 성능검증 기능으로 건축주에게 건물 요구사항에 대한 성능 충족여부를 확인하는 책임 당사를 제공하는 기능이다.
연구팀은 이번 연구를 통해 일반 건축물의 신축사업에 건물 커미셔닝 도입 효용성을 검토하기 위해 건물외피, 기계‧전기‧소방설비 등의 성능 검증을 위한 종합 건물 커미셔닝에 대한 구체적인 활동사항을 정리하고 건물의 에너지효율화에 기여할 수 있는 활동의 기대효과에 대해 고찰했다.
종합 건물 커미셔닝의 주요 활동사항은 국내‧외 커미셔닝 관련표준과 가이드라인 등을 참고해 기계‧전기‧배관‧소방설비, 건물외피 등으로 구분했으며 건물 커미셔닝 수행 단계별 주요 활동사항을 정리했다.
건물 커미셔닝 프로세스에서 4단계 기능 및 성능시험과 5단계의 통합연동시험 등은 건물의 에너지효율에 직접적으로 관련되는 활동으로 이를 통해 에너지비용 및 유지관리비용의 낭비 최소화, 사용자 쾌적성 유지 등의 효과로 이어질 수 있을 것으로 예상된다.
또한 건물 커미셔닝 효과를 극대화하기 위해 설계‧운영‧유지관리 경헝, 기술적 커미셔닝 경험, TAB 수행능력, 시스템 제어시험 경험, 건물외피 성능진단 경험 비상 전원 및 UPS 시험 경험, 의사소통 및 조직 운영기술 등을 모두 갖춘 커미셔너의 선정‧참여가 대단히 중요하다.
유체역학 모델 단순화, 기계학습 모델 성능 한계 극복권오익 한일엠이씨 본부장은 ‘건물에너지 예측을 위한 유체-열 연성 기계학습 개선’을 주제로 연구내용을 발표했다.
건물에너지 효율화 정책의 지속적 노력에도 건물에너지관리시스템의 보급은 경제성 제약으로 여전히 부족하다. 효과적인 건물에너지 관리를 위해 정량화를 위한 모델이 필요하며 모델은 정확할수록 보다 많은 입력데이터를 요구한다.
이는 관리시스템 구축비용 증가로 이어진다. 이에 따라 건물에너지관리수단의 광범위한 보급과 확산을 위해 경제적으로 구축되는 측정 인프라의 제한된 매개변수 환경에서 효과적으로 작동하는 건물에너지 모델이 필요하다.
이 연구는 건물에너지관리수단의 광범위한 보급을 위해 경제적 측정 인프라의 제한된 매개변수 환경에서 기계학습 모델을 개선하는 방법을 제시한다. 기존 열전달 기반 기계학습 모델 한계를 고찰하며 실내 기류 동적변화를 감지할 수 있는 단순화된 유체역학 모델을 개발, 검증, 반영했다.
유체역학 모델은 레이놀즈 수송 정리(RTT: Reynolds Transport Theorem)를 바탕으로 실내환경 분포를 단순화하며 집중매개변수인 열전달 모델은 건물에너지 매개변수를 반영한다. 이는 높은 계산비용으로 실시간 예측에 적용하기 어려운 CFD를 유체-열 연성해석 기반 기계학습으로 대체하는 것으로 건물에너지 모델은 DNN, ANN, SVM, GPR, MLR 등 기계학습 알고리즘 본연의 예측 성능을 안정적으로 개선했다.
권오익 본부장은 “현재 건물에너지관리수단의 보급, 확산에 경제적 제약이 있어 ZEB, GR 보급확산의 장애물로 작용한다”라며 “이번 연구는 낮은 비용으로 구현가능한 실내환경 측정 인프라를 바탕으로 기계학습 적용성을 확대한다는 산업적 측면과 유체역학 모델 단순화와 연계해 기존 열전달 기반 기계학습 모델의 성능 한계를 극복하는 학술적 측면에 기여한다는 의의가 있다”고 밝혔다.
건물E요구량 측정, GR 대상선정‧E효율화 수준 정량화 의의이인혜 한일엠이씨 마스터는 ‘웹서비스 기반 건물에너지 성능진단을 위한 HVAC시스템 구성에 따른 에너지소비 영향도 분석’을 주제로 연구 분석결과를 발표했다.
4차 산업혁명의 영향으로 전 산업분야에 걸쳐 디지털 시대로의 변화가 가속화되고 있다. 설비분야 역시 에너지절감을 위한 방안으로 디지털 전환을 통한 변화와 혁신이 요구되고 있다. 건물부문에서도 에너지효율화를 위한 주요 대상 중 하나인 노후건물을 대상으로 한 GR 활성화 방안으로 웹서비스 기반의 디지털 진단 방법의 기술개발을 시도하는 사례가 보고되고 있다.
이러한 시도는 기존 리모델링사업의 대상선정과 에너지효율화 수준의 정량적 평가가 어려웠던 점을 개선하려는 방안으로 이해할 수 있다. 이에 따라 웹기반의 디지털 진단방법을 실현하기 위해 설비분야에서도 리모델링 요소에 따른 에너지효율화 정도의 정량적 제시가 최우선돼야하며 HVAC시스템 구성요소별 에너지소비성능 수준을 정량적으로 확인해 그 차이를 계수화하는 것이 목적이다.
이 기술은 업무시설에 적용될 수 있는 HVAC시스템 종류를 바탕으로 26종의 시스템 조합을 분류하며 동적 에너지해석툴을 통해 대상건물의 에너지요구량에 대한 HVAC시스템 구성요소별 에너지소비 영향도를 정리했다. 대상건물은 리모델링 사업 주요 용도 중 대부분을 차지하는 1만m² 이하 규모의 업무시설을 대상으로 했으며 에너지소비량 계산은 동적에너지 시뮬레이션툴인 EnergyPlus를 활용했다.
HVAC시스템 조합은 26개 HVAC시스템 조합 자료에 맞춰 도출했다. 기본적인 시스템 조합은 ‘개방형냉각탑-터보냉동기-가스온수보일러-1차펌프-CWV-AHU(CAV)’로 구성됐으며 단계적으로 변경해 분류했다.
HVAC시스템 구성요소에 따른 건물의 냉난방 에너지소비량 분석 결과는 HVAC시스템 구성요소별 연간 냉난방 에너지소비량 비교 내용과 같다. 동일한 건물에너지요구량을 처리함에 있어 HVAC 기기 및 장치 등의 조합과 단위기기의 에너지성능에 따라 차이가 있음을 확인했다.
이인혜 회원은 “연구결과 GR사업 초기단계에서 단시간 내 대상 건물의 냉난방 에너지소비 특성 수준이 분석처리될 수 있도록 하는 에너지요구량에 대한 HVAC시스템 구성 조합 및 기기의 에너지소비량을 산출하고 계수화하는 것이 가능함이 확인됐다”고 밝혔다.
DCHE 에너지절감 연구 
건물 커미셔닝 경험‧능력 갖춘 커미셔너 참여 효과 극대화
유체역학 모델 단순화, 기계학습 모델 성능 한계 극복
건물E요구량 측정, GR 대상선정‧E효율화 수준 정량화 의의
목록
