대한설비공학회(회장 정재동)는 6월21일부터 6월23일까지 용평리조트에서 열린 2023년 하계학술대회에서 ‘에너지절약’을 개최해 공장, 주택, 건물 등 소비에너지를 파악한 후 에너지절약을 할 수 있는 방안에 대해 논의했다.

세션은 △초지공정 에너지밸런스 기반 엑서지 분석을 통한 열시스템 효율 분석(서기정 중앙대학교 지능형에너지산업학과) △공장에너지관리시스템(FEMS) 기반 폐열 활용 및 산업용 히트펌프 적용에 관한 연구(배수진 중앙대학교 지능형에너지산업융합학과) △공동주택 난방에너지 절감을 위한 머신러닝 기반의 스마트 난방제어 방법에 관한 연구(신정택 한성시스코) △건물 에너지 소비와 생산 분석을 통한 잉여 에너지 활용 방안 제시(심찬형 강원대학교 일반대학원 건축시스템공학전공) △전산실 환경에서 ITE 인구온도 변화에 따른 서버 시스템의 전력 소모량 변화 분석(고동건 한국과학기술정보연구원 슈퍼컴퓨팅인프라센서 책임기술원) 등 순으로 진행됐다.

초지공정 폐열 활용방안 제시

서기정 중앙대학교 지능형에너지산업학과 학생은 ‘초지공정 에너지밸런스 기반 엑서지분석을 통한 열시스템 효율분석’을 주제로 발표했다.

2020년 한국에너지공단(KEA: Korea Energy Agency) 통계에 따르면 국내 제조업부문 내 제지산업은 전체 열에너지 소비량의 약 11% 비중을 차지해 화학산업 다음으로 높은 열에너지 사용을 나타냈다. 열에너지소비를 줄이기 위해 제지산업에서는 폐열회수장치, 전열교환기 설치, 고온환수 활용 등 여러 방면에서 연구와 실증이 이뤄지고 있으나 이러한 공학설계를 위해서는 세부 프로세스별 열에너지 소비현황 파악이 우선시 돼야 한다. 즉 공장 에너지소비 절감을 실현하기 위해서는 보다 체계적이면서 효율적인 최적운전이 필요하다.

연구방법은 초지공정, 에너지밸런스, 엑서지분석 순으로 나눠 진행했다. 초지공정은 Pre-dryer(PD) - Sizer press – After-drter(AD)로 이뤄져 있으며 PD입구에서 수분함량 50~55%의 종이가 AD출구에서 3~5% 건조된다. 이때 종이는 후드 내부에서 스팀실린더를 통해 건조되며 증발된 수분은 공기 계통을 통해 배출된다. 건조 후 스팀은 기액분리돼 Drain Tank로 모여 보일러를 통해 순환된다.

연구결과 각 물질 별 열량을 계산해 에너지밸런스 정산 결과 94.7%에 기인하며 높은 정확도를 보였다. 또한 스팀측 유입에너지대비 유입엑서지가 29.2%로 낮은 시스템효율을 나타냈다.

서기정 중앙대 학생은 “후드 내부 환경유지를 위한 공기 유출입은 초지공정 내 열에너지 소비 비율 중 약 70%를 차지해 폐열회수를 통해 공정 개선점을 도출해 낼 수 있을 것으로 기대한다”라며 “에너지밸런스 기반으로 엑서지 분석을 통해 Steam supply 측 공정에 대한 개선점이 필요함을 확인했으며 배기의 폐열활용에 대한 분석 지표로 활용될 것으로 기대된다”고 밝혔다.

MVR·히트펌프 이용 시 스팀 생산비용 절감 가능

배수진 중앙대학교 지능형에너지산업융학과 학생은 ‘공장에너지관리시스템(FEMS) 기반 폐열활용 및 산업용 히트펌프 적용에 관한 연구’를 주제로 발표했다.

지구온난화와 이산화탄소 배출량의 감소를 위해 많은 국가들은 COP21과 같은 국제 환경 규제를 더 높이는 것에 동의했다. 환경 규제 목표에 도달하고 현재 환경적 문제를 해결하기 위해서는 에너지 절감 기술 개발이 필연적이다. 

히트펌프는 열에너지의 탄소중립에서 핵심기기로 자리매김하고 있다. 산업용 냉난방시스템으로 히트펌프가 대표적으로 고려되는 것과 달리 가정용과 산업용에서는 적용이 매우 느리다. 특히 산업부문 에너지소비가 국내 전체 소비비중의 60%를 차지해 산업용 히트펌프를 적용하기 위한 효과적인 방법을 발굴하는 것이 매우 중요하다.

연구내용으로 공장에너지관리시스템(FEMS)가 적용되는 공장을 대상으로 에너지밸런스를 산정하고 산업용 히트펌프를 적용할 수 있는 방법론을 제안했다. 또한 저온·저압 폐열을 이용해 고온·고압 스팀을 재활용하는 방안인 MVR(Mechanical Vapor Recompression) 사용에 관한 내용도 제시했다. 

배수진 중앙대 학생은 “제지공정 초지건조공정의 에너지밸런스 분석 결과 후드 배기에서 폐열을 확인 할 수 있었다”라며 “건조공정을 거쳐 웅축기로 들어가기 전 저온, 저압의 포화증기를 고온, 고압으로 압축해 폐열을 재활용하는 스팀 생산하는 방식인 MVR을 적용했을 때 연간 스팀생산비용을 21억원 절감할 수 있었다”고 말했다.

이어 “폐열을 열원으로 활용해 미온수 형태로 배출되는 물을 재활용하는 스팀히트펌프를 적용했다”라며 “R245fa 냉매를 작동냉매로 해 120℃의 스팀을 목표로 시뮬레이션을 진행한 결과 연간 약 1억 5,000만원 스팀 생산비용을 절감할 수 있었다”고 밝혔다.

스마트 난방제어···난방에너지 효율적 관리 가능

허조훈 숭실대학교 대학원 AI·SW융합학과 학생은 ‘공동주택 난방에너지 절감을 위한 머신러닝 기반 스마트 난방제어 방법에 관한 연구’를 발표했다. 머신러닝 기반 스마트 난방제어방법을 통해 난방에너지소비를 효율적으로 관리하고 경제적이며 친환경적인 관리기술을 소개했다.

가정과 산업에서 난방비 증가로 인해 에너지절감과 함께 지속가능한 에너지관리가 절실한 이슈로 대두되고 있다. 2021년에너지통계 핸드북에 따르면 국내 최종 에너지소비 중 건물에너지 소비량이 약 49%를 차지하고 있으며 이중 난방에너지 소비량이 건물에너지대비 약 43%를 차지하고 있다.

각종 센서와 머신러닝 알고리즘을 이용해 에너지를 절감시키고 사용자의 쾌적함을 향상하는 것을 목표로 연구했으며 에너지손실 요소를 오버슈트 발생, 비 재실 난방운전 등 두 가지로 나눠 연구를 진행했다.

오버슈팅 발생을 줄이기 위해 AI기반 간혈난방 제어방식과 비교 실험했다. 기존 일반난방 방식은 설정온도에 도달하지 않으면 지속해서 난방돼 과 난방이 발생하지만 AI기반 간혈난방을 적용하면 과 난방 구간에서 일시적으로 난방을 정지하고 바닥에 축적된 열을 이용하는 과정을 반복해 난방하게 된다.

실험결과 일반 제어와 비교했을 때 구동기 가동시간은 크게 줄었지만 실내온도 차이는 크지 않았다. 복사난방 단점인 오버슈트가 감소하고 설정온도 유지구간에서 난방 가동시간이 상대적으로 줄어들어 에너지절감이 가능했다.

비 재실 난방운전을 제어하기 위해 일반제어와 set-back제어를 비교 실험했다. 실내 설정온도를 24℃ 연속 난방으로 제어한 경우 전체 난방 실험기간(4일) 동안 소비한 에너지는 60.6kWh였다. 이중 난방에너지를 절감할 수 있는 시간은 수면 시와 비 재실 시간대로 전체 시간의 최소 60% 이상인 것을 확인했다.

허조훈 숭실대 대학원생은 “난방시스템 운영을 최적화해 난방에너지소비를 최소화하고 건물의 전체 에너지효율성을 높일 수 있다는 것을 실험결과로 확인했다”라며 “난방에너지절감 효과뿐만 아니라 쾌적한 환경 제공을 동시에 실현하는 것도 가능하다”고 말했다.

이어 “효과를 극대화하기 위해서는 비천금속보다 열 전도성이 낮아 열효율이 증대하는 친환경 복합소재를 적용한 스마트 하이브리드 분배기 사용을 권장한다”라며 “머신러닝 기반의 스마트 난방제어 방법을 건물관리에 적용해 경제적이고 친환경적인 에너지관리를 실현할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.

잉여에너지 효율적 활용방안 제시

심찬형 강원대학교 일반대학원 건축시스템공학전공 대학원생은 ‘건물에너지소비와 생산 분석을 통한 잉여에너지 활용방안 제시’를 발표했다. 에너지소비와 생산 사이에서 발생하는 잉여에너지를 효율적인 방법으로 사용하는 방법을 제시하고 잉여에너지활용 효과를 확인했다.

연구방법으로 용도가 서로 다른 3개 건물로 공동주택, 사무소, 의료시설을 채택해 연구를 진행했으며 냉난방 설정온도는 냉방과 난방 각각 26℃와 22℃로 설정하고 침구율은 0.2로 설정했다. 잉여에너지 활용효과를 분석하기 위해 한국 전기요금체계의 특징을 이용해 활용 효과를 분석했다.

심찬형 강원대 대학원생은 “건물에너지소비와 생산 사이에서 발생하는 잉여에너지를 효과적으로 활용하는 방법인 잉여 전력 활용체계를 제시해 한국 전기요금 체계를 통해 비교했다”라며 “연구결과 PV와 ESS 설치 후 시간대별 계측기가 설치된 건물에 한해 잉여전력은 최대부하 및 중간부하 시간대에 사용하는 것이 경제적으로 유리하게 나타났다”고 말했다.

이어 “더 많은 건물군을 통한 에너지 공유 커뮤니티 구성을 통해 다양한 잉여에너지 활용방안과 공유 체계를 구성한 효과분석에 관한 연구를 수행할 예정”이라고 밝혔다.

ITE 입구온도에 따른 전력소모량 측정

고동건 한국과학기술정보연구원 슈퍼컴퓨팅인프라센터 책임기술연구원은 ‘전산실환경에서 ITE 입구온도 변화에 따른 서버시스템의 전력 소모량 변화 분석’을 발표했다.

4차 산업혁명 핵심기술인 인공지능(AI), 클라우드컴퓨팅, IoT 등 많은 정보량을 처리하기 위한 핵심 인프라로 데이터센터에서 소모되는 전력이 폭증하면서 냉각시스템에서 사용되는 에너지를 효율화 시키려는 연구와 시도가 국내외에서 활발하게 진행 중이다.

연구방법으로 HPE, DELL사 서버 각 1대와 두 서버의 데이터를 수집하기 위한 Provisioning서버 한 대를 사용해 실험을 진행했다. 서버의 CPU 부하량에 따른 CPU 온도변화, 전력 소모량 변화 등 ITE 입구온도와의 상관관계로 분석했다.

또한 컴포넌트와 서버보드의 통계정보는 CPU 모니터링 Linuc tool인 turbostat를 활용했으며 서버 냉각팬과 서버 내부 컴포넌트가 포함된 서버 전력 소모량은 충분한 time window를 확보한 IPMI를 사용해 정보를 수집해 분석했다.

ASHRAE에서 언급한 ITE Inlet 온도 기준으로 15℃, 18℃, 22℃, 27℃, 32℃를 기준으로 각각 실행했으며 각 서버의 약 7~10m 떨어진 랙 정면과 후면에 별도의 온·습도계를 3개소 설치한 후 1분 간격으로 수집했다.

고동건 한국과학기술정보연구원 책임기술연구원은 “실험분석 결과 ASHRAE TC9.9 allowable range의 27℃ 이상 실용영역 CPU 부하조건에서는 ITE 입출구 온도차이의 최소와 서버전력의 확연한 증가가 확인됐다”라며 상대적 높은 온도의 전산실 환경에서 서버 냉각팬 전력 증가는 운영비용 측면에서 고려해야 할 요소일 뿐만 아니라 서버 운영 신뢰성에도 영향을 미친다“고 말했다.

이어 ”차후에는 이번 연구를 바탕으로 냉각설비와의 중소 규모 데이터센터 모델에 KISTI의 슈퍼컴퓨터 5호기의 CPU 부하율을 적용해 최적의 운영조건을 찾을 수 있도록 에너지 시뮬레이션 결과를 보고할 것“이라고 밝혔다.