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구체형 지열활용 환기시스템의 연간 에너지 성능 및 경제성 분석

Title
구체형 지열활용 환기시스템의 연간 에너지 성능 및 경제성 분석
Other Titles
Energy Efficiency and Economic Analysis of Thermal Labyrinth System Utilizing Geothermal Energy for Conditioning the Outdoor Air for Ventilation
Authors
송진희
Issue Date
2011
Department/Major
대학원 건축학과
Publisher
이화여자대학교 대학원
Degree
Master
Advisors
송승영
Abstract
Ventilation is essential to maintain a healthy indoor environment. However, in summer and winter, thermal conditions of outdoor air are so poor that ventilation cannot but increase energy consumption. Thus, energy-efficient ventilation system is very important. Thermal labyrinth system is a ventilation system which intakes outdoor air through an underground concrete structure shaped like a labyrinth. By the heat exchange with ground, this system can pre-cool and pre-heat the outdoor air in summer and winter, respectively. The aim of this study is to analyze the annual energy efficiency of thermal labyrinth system, applied to the Ewha Campus Center recently built in Seoul (from 2010.Jun.1 to 2011.May.31). Also, considering both initial construction cost and annual operation cost(energy cost), the economic analysis of thermal labyrinth system was conducted using LCC(Life Cycle Cost) and PP(Payback Period) method. As results, it was found that average pre-cooling and dehumidifying effects of thermal labyrinth system in summer (from Jun.1 to Aug.31) are 3.7~5.3℃ and 1.1~3.0gw/kgda (18.42kW and 12.34kW), respectively, and average pre-heating and humidifying effects in winter (from Dec.1 to Feb.28) are 7.5~13.3℃ and 0.3~0.6gw/kgda (27.61kW and 2.73kW), respectively. In spring (from Mar.1 to May.31), it was found that average pre-cooling and dehumidifying effects of thermal labyrinth system are 1.6~3.2℃ and 0.7~1.0gw/kgda (17.69kW and 11.12kW), respectively, and average pre-heating and humidifying effects are 2.6~6.9℃ and 0.9~1.3gw/kgda (22.05kW and 16.10kW), respectively. In autumn (from Sep.1 to Nov.30), it was found that average pre-cooling and dehumidifying effects of thermal labyrinth system are 0.6~3.1℃ and 0.2~1.7gw/kgda (13.0kW and 9.53kW), respectively, and average pre-heating and humidifying effects are 2.7~8.7℃ and 0.7~0.8gw/kgda (21.31kW and 10.57kW), respectively. Total outdoor air sensible and latent, cooling and heating load was found to be reduced by 36.5%, 41,741MJ and 29.0%, 113,753MJ through the thermal labyrinth system in summer and winter, respectively. And annual outdoor air sensible and latent load was found to be reduced by 31.5%, 368,245MJ. Annual fan power was found to be increased by 2,514MJ, but this is 0.68% of annual outdoor air sensible and latent load. To apply thermal labyrinth system, initial construction cost was found to be increased by 71,150,748 won. Because of energy saving effect of thermal labyrinth system, annual energy cost was found to be reduced by 4,958,924 won. So, Payback period(PP) of thermal labyrinth system is 14.3 years and Life Cycle Cost(LCC) of Case2(with thermal labyrinth) for 30 years is reduced by 54,045,333 won (13.4%) compared to Case1(without thermal labyrinth).;건물에서의 환기는 신선외기와 실내 오염된 공기를 교환함으로써 실내 오염물질 희석 및 배출을 가능케 하여 건강한 실내 환경을 유지하는 중요한 역할을 한다. 그러나 현대인들의 실내 거주 시간이 증가하는 추세와는 반대로 건물의 고층화, 대형화 및 고기밀화로 인해 실내 적정 환기량 확보가 제대로 이루어지지 않아, 실내 공기 오염 문제가 발생하고 있다. 이에 대한 대책으로 정부에서는 다중이용시설 및 100세대 이상의 공동주택에 대하여 적정 환기량 확보를 위한 환기 설비 설치를 의무화 하는 등 환기 규정을 강화하고 있다. 외기의 열적조건이 열악한 동·하계의 경우, 환기를 위한 외기의 유입으로 인해 건물에서의 에너지 소비가 증가하게 된다. 특히 외기온과 실내 설정온도 간의 차이가 커지게 되는 동계의 경우 이러한 환기용 외기부하의 비중은 하계에 비해 상대적으로 커진다. 따라서 에너지절약형 환기시스템의 도입은 건물 에너지 절약에 있어 매우 중요하다고 하겠으며, 환기용 외기를 지중에 면한 미로 형태의 콘크리트 구조체를 통해 공조기로 유입함으로써 지열과의 열교환을 통해 외기를 예열 혹은 예냉하게 하는 구체형 지열활용 환기시스템은 건물 외부에서의 별도 토공사가 필요하지 않은 이점이 있어, 장차 그 적용이 확대될 것으로 기대된다. 본 연구에서는 이화캠퍼스센터 건물에 실제 적용된 구체형 지열활용 환기시스템을 대상으로 2010년 6월부터 2011년 5월까지 1년을 대상으로 시스템 내부의 지중벽 표면온도, 유입외기 온습도, 풍량 등을 15분 간격으로 측정하고 경향을 분석한 후, 구체형 지열활용 환기시스템의 유입외기에 대한 예냉·예열 및 제습·가습 효과와 함께 공조기 외기부하 절감효과 분석과 구체형 지열활용 환기시스템 적용으로 인한 시공비용 증가량과 연간 에너지비용 감소량을 반영하여 경제성 분석을 진행함으로써 구체형 지열활용 환기시스템의 연간 에너지 성능 및 경제성을 분석하여 구체형 지열활용 환기시스템의 적용 타당성을 파악하고자 하였다. (1) 구체형 지열활용 환기시스템에서 지하 6개층에 걸친 지중벽 전체의 평균 표면온도는 외기 평균 온도에 비해 하계(6~8월) 1.6~2.2℃ 낮게, 동계(12~2월) 8.2~15.1℃ 높게, 춘계(3~5월) 0.8~7.1℃ 높게, 추계(9~11월) 1.9~9.6℃ 높게 나타났다. 지중벽 표면온도 변화폭은 외기 온도 변화폭에 비해 매우 작아 비교적 일정하게 유지되는 것으로 나타났으며, 이는 유입외기 온도 변화폭의 경우에도 마찬가지이다. (2) 구체형 지열활용 환기시스템의 유입외기에 대한 월별 예냉·예열 및 제습·가습 효과를 보면, 하계(6~8월)의 경우 전체 공조시간 중 외기 예냉 발생비율은 6월 88.8%, 7월 85.0%, 8월 80.1%로, 예냉온도는 최대 13.3℃이며, 평균 3.7~5.3℃였다. 전체 공조시간 중 제습 발생비율은 6월 74.7%, 7월 98.1%, 8월 98.4%로 점차 증가하였으며, 제습량은 최대 7.9gw/kgda, 평균 1.1~3.0gw/kgda였다. 하계 전체 기간동안 평균 예냉율(Pre-cooling Rate)은 18.42kW, 평균 제습율(Dehumidifying Rate)은 12.34kW였으며, 하계에는 외기의 현열 예냉효과 못지않게 제습효과가 큼을 알 수 있다. 동계(12~2월)의 경우 전체 공조시간 동안 거의 대부분 예열 및 가습이 이루어졌으며, 예열온도는 최대 24.8℃, 평균 7.5~13.3℃였다. 가습량은 최대 2.9gw/kgda, 평균 0.3~0.6gw/kgda로 크지 않았다. 동계 전체 기간동안 평균 예열율(Pre-heating Rate)은 27.61kW, 평균 가습율(Humidifying Rate)은 2.73kW로 나타나 동계에는 외기의 현열 예열에 매우 효과적임을 알 수 있다. 춘계(3~5월)의 경우, 3월에는 외기 예열이 주로 발생하였으나 점차 예냉 발생비율이 증가하였으며, 평균 예열온도는 2.6~6.9℃, 평균 예열율은 22.05kW, 평균 예냉온도는 1.6~3.2℃, 춘계 전체 평균 예냉율은 17.69kW였다. 외기 제습·가습의 경우, 춘계 전 기간동안 외기 가습 발생비율이 약 80% 정도로 우세하였으며, 평균 가습량은 0.9~1.3gw/kgda, 평균 제습량은 0.7~1.0gw/kgda, 춘계 전체의 평균 가습율과 제습율은 각각 16.10kW, 11.12kW였다. 추계(9~11월)의 경우, 9월에는 외기 예냉·예열 발생비율이 비슷하였으나, 점차 예열 발생비율이 증가하였으며, 평균 예열온도는 2.7~8.7℃, 평균 예열율은 21.31kW, 평균 예냉온도는 0.6~3.1℃, 평균 예냉율은 13.00kW였다. 외기 제습·가습의 경우, 전체 공조시간 중 가습 발생비율은 9월 33.3%, 10월 84.1%, 11월 97.5%로 점차 증가하였으며, 가습량은 평균 0.7~0.8gw/kgda, 가습율은 춘계 전체 평균 10.57kW, 제습량은 9월의 경우 1.7gw/kgda로 높았으며 10~11월에는 0.2~0.3gw/kgda이었고 제습율은 춘계 전체 평균 9.53kW였다. (3) 지상 외기를 지상 공조기로 유입하는 경우(Case1)에 대한, 구체형 지열활용 환기시스템을 거친 지하 6층 유입외기를 공조기로 유입하는 경우(Case2)의 외기부하량 증감을 분석한 결과, 하계(6~8월) 각 부하량의 절대값을 합산한 하계 전체 총 부하량은 41,741MJ이 감소하여 외기부하량 절감 효과는 36.5%에 달하는 것으로 나타났다. 동계(12~2월) 총 부하량은 113,753MJ이 감소하여 외기부하량 절감 효과는 29.0%에 달하는 것으로 나타났다. 춘계(3~5월) 총 부하량은 123,786MJ이 감소하여 외기부하량 절감 효과는 25.8%에 달하는 것으로 나타났으며, 추계(9~11월) 총 부하량은 88,965MJ이 감소하여 외기부하량 절감효과는 36.2%에 달하는 것으로 나타났다. 연간 월별 총 외기부하량은 모두 감소한 것으로 나타났으며, 연간 총 외기부하량 절감량은 368,245MJ로 구체형 지열활용 환기시스템 적용 시, 미적용 시에 대비 연간 절감율은 31.5%에 달하는 것으로 나타났다. 구체형 지열활용 환기시스템의 적용으로 인한 연간 총 송풍 동력 증가량은 2,514MJ이며, 이는 연간 총 외기부하 절감량인 368,245MJ의 0.68%에 불과하여, 송풍 동력 증가량은 외기부하 절감량에 비해 무시할 만한 수준이었다. (4) 구체형 지열활용 환기시스템 적용으로 인한 초기 시공비용 증가액은 71,150,948원, 연간 에너지비용 감소액은 4,958,924원이며 이를 반영한 실측 대상 구체형 지열활용 환기시스템의 투자비용회수기간은 14.3년이다. 생애기간 30년의 생애비용은 미적용 시(Case1) 대비 적용 시(Case2) 13.4%, 54,045,333원 절감되며, 초기 열원 용량 산정 시 최대 외기부하량이 감소됨을 반영하여 열원 용량을 축소할 때의 비용 절감효과를 고려한다면, 구체형 지열활용 환기시스템의 생애비용 감소 및 투자회수기간 단축이 추가적으로 가능할 것으로 예상된다.
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