기존 공조시스템 에너지절약

왜 배우는가: 기존 건축물의 공조시스템은 노후화와 운전 비효율로 건물 에너지의 큰 부분을 차지한다. 리모델링 현장에서는 설비를 전면 교체하지 않고 운전 방식과 제어를 바꿔 에너지를 줄이는 방안을 요구받는다. 시험에서는 단일덕트 정풍량 방식, 리모델링 시 고려사항 등 기존 설비 개선 문항으로 반복 출제된다.

출제 이력: 제122회 4교시 2번, 제114회 2교시 6번, 제100회 3교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

기존 공조시스템 에너지절약은 설치된 공조설비의 구조는 유지하면서 운전·제어 방식의 개선과 설비 교체·보완으로 공조에너지 사용량을 줄이는 것을 말한다.

• 핵심 키워드: 기존 공조시스템, 리모델링, 에너지절약, 정풍량 방식, 변풍량(VAV) 제어, 외기 냉방(Economizer), 반송동력 절감, 열회수 환기

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 이미 지어진 건물의 공조기와 덕트, 열원장치를 크게 뜯어내지 않고 에너지를 덜 쓰도록 바꾸는 일이다. 공조시스템은 냉난방 부하를 처리하기 위해 열을 만들고(열원), 공기를 보내고(반송), 실내 상태를 맞추는(제어) 세 부분으로 이루어진다. 기존 건물에서는 이 세 부분 중 낭비가 큰 곳을 찾아 고치는 것이 핵심이다.

정풍량 방식(CAV, Constant Air Volume) 은 공급 풍량을 일정하게 유지하고 공급 공기 온도를 바꿔 실내 부하에 대응하는 방식이다. 정의상 부분부하에서도 송풍기가 정격 풍량을 계속 보내므로 반송동력 낭비가 생긴다.

변풍량 방식(VAV, Variable Air Volume) 은 공급 온도를 대체로 일정하게 두고 실별 풍량을 조절하는 방식이다. 송풍기 회전수를 인버터로 바꾸면 풍량이 줄면서 동력이 크게 줄어든다.

반송동력 은 송풍기나 펌프가 유체를 보내는 데 쓰는 동력이다. 풍량이나 유량이 줄면 동력은 상사법칙에 따라 크게 줄어든다. 유량이 속도의 세제곱에 비례하므로 속도를 조금만 낮춰도 절감 효과가 크다.

외기 냉방(Economizer) 은 외기 엔탈피나 온도가 실내 조건보다 낮을 때 외기를 직접 끌어들여 냉방 부하를 줄이는 운전 방식이다.

열회수 환기 는 배기 공기의 열을 신선 외기에 전달해 환기 손실을 줄이는 장치다. 전열교환기가 대표적이다.

3. 등장 배경과 필요성

건물 에너지 소비에서 공조와 난방·냉방이 차지하는 비중은 크다. 이 때문에 리모델링 시 공조시스템이 가장 먼저 검토 대상이 된다.

기존 건물은 설계 당시의 운전 조건과 현재 사용 패턴이 다른 경우가 많다. 사무실 용도 변경, 재실 밀도 변화, 내부 발열 증가가 생기면 과대 설계된 공조기가 부분부하로 계속 운전된다. 이때 정풍량 방식은 풍량을 줄이지 못해 낭비가 누적된다.

또한 노후 설비는 효율이 낮고 제어 기능이 부족하다. 최근 BEMS와 IoT 기반 원격 감시가 보급되면서 기존 설비에도 센서와 제어반을 추가해 운전 최적화를 하는 사례가 늘었다. 한 리모델링 사례에서는 노후 공랭식 냉동기와 직팽식 공조기를 시스템 에어컨과 공조기로 교체하고 IoT 게이트웨이와 에너지 대시보드를 적용하였다. 이 사례는 교체와 제어 보강을 함께 쓰는 방식을 보여준다.

건축물 에너지 절약은 법규의 영향도 크다. 에너지절약설계기준은 신축을 기준으로 정해져 있으나, 리모델링에서도 기존 설비를 개선할 때 같은 방향의 목표를 둔다. 따라서 기존 공조시스템의 에너지절약은 설비 수명 연장, 운전비 절감, 온실가스 감축을 함께 달성하는 수단으로 자리 잡았다.

4. 구성요소·원리·절차

기존 공조시스템의 에너지절약은 공조기·열원·반송·제어 요소를 각각 나누어 보고, 부하와 운전 조건에 맞게 줄이는 방식으로 이루어진다. 구성요소별 역할은 아래 표와 같다.

표 아래 설명: 열원설비는 전체 에너지의 큰 비중을 차지하므로 부분부하 특성이 좋은 기기로 바꾸거나 대수제어로 운전 용량을 맞추는 것이 우선이다. 반송설비는 회전수가 줄면 동력이 급격히 줄어드는 성질을 이용한다.

원리는 다음 세 가지로 정리된다. 첫째, 공조 부하는 시간에 따라 변하므로 정격 용량 고정 운전은 낭비가 된다. 둘째, 팬과 펌프의 소요동력은 회전수의 세제곱에 비례하므로 풍량·수량을 줄이는 제어가 효과가 크다. 셋째, 외기 엔탈피가 실내보다 낮은 시기에는 냉동기 가동 없이 외기만으로 냉방할 수 있다.

정풍량 방식은 송풍량을 고정하고 온도만 조절하므로 송풍기 동력 절감이 불리하다

기존 단일덕트 정풍량 방식의 절차는 다음과 같다.

• 현장 측정으로 실별 부하와 운전 시간을 파악한다.
• 송풍기에 인버터를 설치하고 정압 제어 또는 풍량 제어로 바꾼다.
• 외기 도입량을 엔탈피 기준으로 제어하는 외기냉방 운전을 도입한다.
• 열원기기는 부하에 따라 대수 제어하고 냉수·온수 온도를 재설정한다.
• 과냉각·과가열을 막도록 재열을 줄이고 덕트 누설과 단열을 점검한다.
• BEMS로 운전 데이터를 수집하여 설정값을 주기적으로 갱신한다.

에너지 절감량 산정의 기본식은 다음과 같다.

$E_{절감} = E_{기존} - E_{개선}$

E_{기존}: 개선 전 연간 공조 에너지소비량 [kWh/년], E_{개선}: 개선 후 연간 공조 에너지소비량 [kWh/년].

팬 동력의 상사법칙은 다음과 같다.

$L_2 = L_1 \left(\frac{N_2}{N_1}\right)^3$

L: 축동력 [kW], N: 회전수 [rpm]. 회전수를 80%로 낮추면 동력은 0.8^3 = 0.512, 약 51%가 된다.

5. 관련 법령·기준·표준

기존 건축물의 공조설비 에너지절약은 에너지이용 합리화 관련 법령과 에너지절약설계기준의 기계부문 기준을 따른다. 기준 수치는 아래 표에 정리한다.

표 아래 설명: 기준 수치는 개정될 수 있으므로 설계 시점의 최신 고시 본문을 기준으로 적용한다. 리모델링에서는 신축 기준을 그대로 적용하기 어려운 경우가 많아 기존 설비의 제약을 반영한 개선 목표를 함께 정한다.

외기냉방 적용 조건은 다음과 같이 정리된다. 외기 엔탈피가 실내 엔탈피보다 낮을 때 외기 도입량을 늘리고, 실내 엔탈피가 높아지면 최소 외기량으로 돌아간다.

냉난방 설정 온도는 공공·업무용 건축물에서 냉방 26℃ 이상, 난방 20℃ 이하 범위로 운전하도록 제한하는 제도가 있다. 이 값은 시행 시기와 대상 건물에 따라 달라질 수 있으므로 적용 전에 해당 고시를 확인해야 한다.

고효율 전동기 사용과 인버터 제어는 반송동력 절감의 기본 수단이다. BEMS는 자동제어 설치 의무와 연계되어 운전 데이터를 관리하는 핵심 체계다.

6. 유형과 비교

기존 건축물 공조시스템은 공기 전달 방식과 열원 구성에 따라 여러 방식으로 나뉜다. 리모델링에서는 기존 방식을 어떻게 바꿀지 정하기 위해 방식별 특성을 먼저 비교해야 한다.