멀티 보일러시스템, 중형 보일러보다 효율·경제성 우위

상업용 시장의 새로운 대안 급부상…성능·설계 표준화 필요
6개 건물 비교실험 결과 에너지사용량 31%, 비용 33%까지 절감 
국가 에너지정책에 부합한 시스템으로 연구개발 지속해야

연구 취지

최근 들어 산업발전으로 인한 전기에너지의 사용 증가와 이상기후의 발생으로 인해 전기에너지를 이용한 냉난방 장치들의 과도한 사용으로 전력 수급에 대한 문제가 국가적 문제로 대두되고 있다.

이에 국가 차원에서 에너지 이용 효율화 기조가 형성되고 있고 공동주택이나 상업시설에 대한 에너지 초절약형 기계설비 도입도 적극 추진되고 있다.

에너지 사용단가가 비교적 저렴하고 수급이 안정적인 가스에너지를 사용하는 국내 보일러 제조사들도 이러한 정책 방향에 부응하는 제품을 개발, 보급하여 사업다각화를 모색하고 있는 분위기다.

보일러 제조사들이 최근 주력하고 있는 ‘캐스케이드 시스템’이 바로 그 것으로, 본 연구원에서는 ‘멀티 보일러 시스템’으로 명명했다. 멀티 보일러 시스템은 다수의 소용량 가스보일러 또는 온수기를 병렬로 연결하여 필요한 온수나 난방용량에 따라 부분 운전이 가능토록 설계된 상업용 보일러 시스템이다.

멀티 보일러 시스템은 에너지 효율 측면에서 기존 중대형 보일러 시스템을 대체할 수 있기 때문에 상업용 보일러 시장의 새로운 시스템으로 각광받고 있지만 보일러의 성능을 나타내는 제어성 및 효율성에 대한 입증이 필요하며, 보급환경 구축을 위한 사전 준비와 설계 표준화가 필요하다.

본 연구에서는 겨울철 난방에너지 사용이 증가하는 가운데 에너지 사용단가가 저렴하고 수급이 안정적인 가스에너지를 사용하는 보일러 시스템의 효율을 성능시험을 통해 입증하고, 그 데이터를 기반으로 동특성 시뮬레이션을 수행하여 기존 보일러 시스템과 멀티 보일러 시스템의 LCC 분석을 통한 경제성을 비교하는데 목적을 뒀다.

경제성 분석에는 기존 보일러 시스템과 멀티 보일러 시스템의 초기투자비, 설치면적 그리고 에너지 비용을 분석했다. 에너지 사용량은 동특성 해석코드인 TRNSYS (Transient System Simulation) 프로그램과 건물에너지 효율등급 해석을 위해 개발된 국가공인 프로그램인 ECO2 프로그램을 이용하여 시뮬레이션 분석했다. 분석 결과를 토대로 대상건물의 보일러 시스템에 대한 에너지소비량과 경제성을 비교 분석했다.

‘멀티 보일러 시스템 vs 중대형 보일러’ 성능비교 시험

이 시험은 멀티보일러 시스템과 중용량보일러 시스템의 전부하와 부분부하 상태에서의 효율 성능을 비교분석한 것으로, 멀티보일러 시스템의 기본 효율은 98%로 중용량보일러(82%)에 비해 높고 멀티보일러 시스템은 부분부하 시에도 일정한 효율을 나타낸 반면, 중용량보일러 시스템은 부분부하에서 효율이 점점 떨어지는 것으로 나타났다.

또 이번 시험을 위해 용도별로 대표 건물 6개를 선정하여 동특성 에너지 시뮬레이션을 진행했고, 시뮬레이션 결과를 바탕으로 경제성 분석을 한 결과 멀티보일러 시스템이 기존 보일러 시스템에 비해 에너지소비량과 경제성 모두 유리한 것으로 조사됐다.

본 연구에서는 일반적인 중대형 보일러와 소형 용량의 보일러를 병렬로 연결하는 멀티 보일러의 성능과 경제성을 비교하기 위하여 성능시험과 동특성 시뮬레이션을 수행했다. 호텔, 공동주택, 백화점, 사무실건물, 대학건물, 기숙사, 병원건물, 병영건물, 워터파크의 용도별로 다양한 건물을 선정하여 일반적인 두 시스템을 실제 설계하고 이에 따른 초기투자비, 에너지 소비량 및 교체비 등을 포함한 운영비를 생애 주기 동안 산출하는 경제성 분석을 수행했다.

연간 외기 및 내부부하 변동에 따른 동특성 시뮬레이션 해석을 위한 보일러 부부분하 성능 입력을 위해 공인기관인 한국기계전기전자시험연구원에서 중형보일러(150,000 kcal/h, 100,000 kcal/h)와 멀티 보일러(48,000 kcal/h 5대)의 성능시험을 수행했다.

보일러 성능시험은 온수의 입출구 온도차를 일정하게 유지하는 조건으로 부분부하 특성이 고려된 가스소비량을 측정했다. 수집된 데이터를 활용해 두 시스템의 부분부하에 따른 열효율을 산출했다. 중형 보일러의 경우는 부분부하에서 빈번한 On·Off가 발생해 부하율이 낮아짐에 따라 효율이 크게 저하됐다.

중형 보일러는 On·Off를 하는 과정에서 내부 잔류가스를 배출하는 퍼지기능, 보일러 내부의 과열을 방지하기 위해 내부열을 외부로 배출하는 과정, 저장탱크(4㎥)의 열손실 등 여러 열손실 요인이 크기 때문인 것으로 보인다. 멀티 보일러의 경우 대수와 비례 제어로 부분부하에서도 효율 저하가 없는 특성을 보였다.

성능시험 결과인 보일러 부분부하 효율을 입력 조건으로 하여 외기와 내부 부하 변동이 실제처럼 고려된 동특성 시뮬레이션을 수행하여 난방 및 급탕 연간 에너지 사용량을 산출하였다.

6개 대상 건물의 기존 보일러 시스템과 멀티 보일러 시스템의 연간 총에너지사용량을 시뮬레이션한 결과로 성능 시험 데이터의 부분부하 특성을 고려한 대상 건물은 29.53~31.16%의 절감률을 보인 반면, 부분부하 특성을 고려하지 않은 광주 000호텔과 000백화점은 각각 20.66, 13.85%로 상대적으로 낮은 절감률을 나타냈으며, 000사옥의 경우 지역난방을 이용하는 시스템 특성상 에너지사용량이 0.53% 증가했다. (표1 참조)

따라서, 멀티 보일러 시스템 적용시 연간 총에너지를 크게 절감하는 것으로 나타났으며, 부분부하 특성을 고려할 시 절감률이 더 큰 것으로 나타났다.

이와 함께 6개 대상 건물의 기존 보일러 시스템과 멀티 보일러 시스템의 총생애주기비용을 시뮬레이션한 결과 성능시험 데이터의 부분부하 특성을 고려한 대상 건물은 25.21~30.00%의 절감률을 나타낸 반면 부분부하 특성을 고려하지 않은 대상 건물은 각각 24.65, 18.34, 15.68%의 절감률을 보였다. (표2 참조)

총생애주기비용은 초기투자비, 에너지비, 보수교체비, 유지관리비를 고려한 비용으로 연간균등부담비용과 유사한 절감률을 나타냈다.

결론

본 성능시험 결과는 온수 입출구 온도차를 일정하게 유지하여 유량만을 변화시킨 실험 조건으로 향후에는 입구온도를 변화시키고 각종 열손실이 고려된 동특성 운전 조건에 대하여 제어 특성(응답성과 편차)과 에너지 소비량 측정이 필요하다.

또한 출구온도도 난방 및 급탕 조건에 적합하도록 변경이 필요하다. 에너지 소비량을 산출하는 동특성 시뮬레이션도 이와 같은 조건을 반영한다면 보다 정확한 비교가 될 것으로 사료된다.

본 연구에서 진행된 멀티 보일러 시스템의 에너지 절감 및 경제성 분석에 따른 결과를 바탕으로 향후 좀 더 세밀한 통합설계분석 및 지속적인 연구가 진행되어야 할 것이다.

또한 최근 국가차원에서 형성되고 있는 에너지 이용 효율화 기조와 공동주택이나 상업시설에 대한 에너지 초절약형 기계설비 도입이 적극 추진되고 있으며, 에너지 사용단가가 비교적 저렴하고 수급이 안정적인 가스에너지를 사용하는 국내 보일러 제조사들도 이러한 정책 방향에 부응하는 제품을 개발, 보급하여 사업다각화 모색이 필요하다.

이러한 분위기에 맞춰 멀티 보일러 시스템은 관심과 계속적인 연구·개발로 보급 활성화를 통하여 국가 에너지 정책에 부합하는 시스템으로 설계되고 적용되는 계기가 됐으면 한다.