대학시설 에너지 절약

왜 배우는가: 대학시설은 연면적이 크고 실험실·도서관·강의실·기숙사 등 용도가 복합적이라 에너지 다소비 건물군으로 분류된다. 기후변화 대응과 운영비 절감이 요구되면서 캠퍼스 에너지 절약은 실무와 시험 모두에서 반복해 다뤄지는 주제다.

출제 이력: 제102회 4교시 6번, 제94회 3교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 대학시설 에너지 절약이란 연구·교육·기숙·의료 등 복합 용도의 캠퍼스 건물에서 공조·조명·급탕 등 에너지 소요량을 줄이기 위해 설계·운영·제어 전 단계에서 적용하는 기술과 관리 방법의 총칭이다. 대학시설 에너지 절약은 복합 용도 건물군의 에너지 소요량을 설계와 운영 단계에서 줄이는 체계적 관리다

핵심 키워드

• 에너지 다소비 건물
• 복합 용도 건물군
• 재실 패턴
• 부하 평준화
• 외기 냉방(이코노마이저)
• 공조 제어
• BEMS
• 에너지절약설계기준

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 대학 건물은 낮에만 사람이 많고 연구실 장비와 실험 설비가 24시간 돌아가며, 건물마다 쓰임이 달라 에너지가 많이 든다. 이 불균형을 찾아 줄이는 것이 대학시설 에너지 절약이다.

정식 정의는 다음과 같다. 대학시설 에너지 절약은 복합 용도 건물군의 에너지 소요량을 줄이기 위해 건물 외피, 공조·열원 설비, 조명, 제어 시스템을 함께 계획하고 운영하는 활동이다. 에너지 소요량은 에너지요구량을 만족시키기 위해 설비기기가 사용하는 에너지량을 뜻한다(에너지절약설계기준 제5조 정의).

핵심 용어를 풀면 다음과 같다. 재실 패턴은 강의·시험·야간 연구 등 시간대별 사람의 존재 형태를 말한다. 이 패턴이 맞지 않으면 설비가 빈 공간을 과냉·과열한다. 부하 평준화는 시간대별 전력 피크를 낮추어 설비 용량과 요금을 줄이는 것이다. 외기 냉방은 중간기·동계에 실내 엔탈피보다 낮은 외기를 도입해 냉방부하를 줄이는 방식으로, 기준상 이코노마이저시스템으로 정의된다.

대학 건물에서 에너지 절약은 단일 설비 개선보다 건물군 단위의 데이터 기반 관리가 효과적이라는 연구도 있다. 월별 에너지 데이터만으로도 건물 유형을 나누어 관리 방안을 적용할 수 있다는 결과가 보고되었다(서울대학교 석사논문, 2018).

3. 등장 배경과 필요성

대학시설은 연면적이 넓고 용도가 다양하다. 강의실, 실험실, 도서관, 기숙사, 병원 부속 시설이 한 캠퍼스에 섞여 있어 건물별 부하 특성이 크게 다르다. 이 때문에 표준 설계만으로는 에너지 효율을 확보하기 어렵다.

최근에는 캠퍼스 건물의 에너지 소비와 탄소 배출이 높다는 점이 여러 연구에서 확인되고 있다. 캠퍼스 건물은 높은 에너지 소비와 낮은 효율, 큰 탄소 배출로 저탄소 캠퍼스 전환이 시급하다는 평가가 있다(Energies, 2024). 이는 국내 대학도 같은 문제를 안고 있음을 뜻한다.

국가 차원에서는 건축물의 에너지절약설계기준이 열손실 방지, 기계설비 효율, 에너지성능지표(EPI)를 규정해 신축 건물의 최소 성능을 정한다. 공공기관 에너지이용 합리화 추진 규정도 공공건축물에 추가 의무를 둔다. 따라서 대학시설은 설계 단계부터 법적 기준을 만족하고, 운영 단계에서 BEMS 등으로 성능을 유지해야 한다.

이 배경 때문에 시험에서는 대학시설의 특성을 먼저 말하고, 그 특성에 맞춘 에너지 절약 방안을 묻는 형태가 반복된다.

4. 구성요소·원리·절차

대학시설 공조설비는 열원설비, 반송설비, 공기조화기, 자동제어설비의 네 부분으로 구성된다. 에너지절약의 원리는 세 가지로 정리된다. 첫째, 공조 부하 자체를 줄인다. 둘째, 기기의 효율을 높인다. 셋째, 운전을 실제 부하에 맞춘다. 공조부하는 공급 공기의 질량유량과 엔탈피차로 결정되며 식은 Q = \dot{m}(h_1 - h_2) 이다. 여기서 Q는 공조부하(kW), \dot{m}은 공기의 질량유량(kg/s), h_1, h_2는 각각 공기의 입구·출구 엔탈피(kJ/kg)이다.

표의 각 구성요소는 독립적으로 절약되는 것이 아니다. 열원의 효율은 반송 동력과 공조기의 외기 처리량에 영향을 받는다. 따라서 답안에서는 구성요소별 수단을 나열한 뒤 부하 감소와 연결해 설명한다.

이코노마이저시스템은 중간기나 동계에 발생하는 냉방부하를 실내 엔탈피보다 낮은 도입 외기로 제거하거나 감소시키는 시스템이다. 외기 냉방이 가능한 조건에서는 냉동기 운전을 줄일 수 있다. 대수분할운전은 기기를 여러 대 설치하고 부하에 따라 조합하여 운전하는 방식이다. 부분부하 구간에서 기기의 효율 저하를 막는다. 비례제어운전은 기기의 출력값과 목표값의 편차에 비례하여 입력량을 조절하는 방식이다. 밸브와 댐퍼의 개도, 인버터 주파수를 부하에 맞춘다.

공조 설비 설계의 절차는 다음과 같다.

• 실의 부하 형태에 따라 현열비를 산정한다.
• 현열비를 근거로 공급 공기의 상태와 송풍량을 정한다.
• 환기를 위한 외기도입량을 정하고 외기·환기 댐퍼를 조절하여 혼합공기를 만든다.
• 공급 공기 상태를 만들기 위한 가열·가습 및 냉각·감습 요구량을 산정한다.
• 열원시스템을 건물 특성과 사용시간대, 부하 변동에 맞추어 선정한다.

대학 건물은 강의실, 연구실, 실험실, 도서관의 사용시간대가 달라 존(zone)별 운전이 필요하다. 적절한 공조 존 구분은 외부 공간과 내부 공간의 부하 차이를 반영하여 에너지 손실을 줄인다. 실별·계통별 온도조절장치를 설치하면 야간이나 공실 시간의 불필요한 공조를 막을 수 있다.

5. 관련 법령·기준·표준

공조설비의 에너지절약 기준은 「녹색건축물 조성 지원법」에 따른 건축물의 에너지절약설계기준에 근거한다. 기계부문의 의무사항은 제8조에 있고, 설계용 외기조건, 열원 및 반송설비 기준, 에너지성능지표 점수 기준을 포함한다. 법령 명칭은 현행 「녹색건축물 조성 지원법」으로 쓰며, 법 조문과 기준값은 다음 표와 같이 정리한다.

설계용 외기조건은 난방과 냉방 용량 계산의 출발점이다. 위험률은 냉난방기 온도 출현 빈도에서 가장 높은(낮은) 온도쪽 총시간의 일정 비율을 제외시키는 비율이다. 위험률을 낮게 잡을수록 설비 용량이 커지므로 과대 설계를 막으려면 지역 기상데이터에 맞는 위험률을 쓴다.

중앙집중식 냉·난방설비는 개별 설비와 구분하는 기준이다. 건축물 전부 또는 냉난방 면적의 60% 이상을 중앙에서 열원을 공급하는 설비로 판단한다. 대학 건물은 중앙집중식 열원이 많으므로 이 기준에 해당하는 경우가 일반적이다. 열원의 대수분할과 반송 동력 절감 계획은 이 설비를 대상으로 적용한다.

기계부문의 열원·반송설비 기준은 펌프와 기기 배관의 단열에도 적용된다. 펌프는 KS 표시인증제품 또는 정해진 효율 이상의 제품을 설치해야 한다. 기기배관과 덕트는 국가건설기준 기계설비공사 표준시방서의 보온두께 이상 또는 그 이상의 열저항을 갖도록 단열한다. 벽체나 바닥에 매립되는 배관은 예외로 한다.