Research Article

Journal of the Korean Solar Energy Society. 30 April 2019. 57-69
https://doi.org/10.7836/kses.2019.39.2.057

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 병원건물 에너지 진단 및 평가방법 제시

  •   2.1 현장조사 및 사전평가(1단계)

  •   2.2 원격계측 에너지 데이터 수집(2단계)

  •   2.3 에너지 관련인자 및 성능 평가항목 선정(3단계)

  •   2.4 병원건물의 에너지 상세분석 방법(4단계)

  •   2.5 의료시설의 특성에 따른 에너지절감 운영 요인 발굴(5단계)

  • 3. 사례분석을 통한 에너지 영향요소 분석

  •   3.1 대상병원 현황 분석

  •   3.2 총 에너지 사용량 분석

  •   3.3 상세 에너지 사용량 분석

  • 4. 토의: 의료시설 에너지소비 구조의 다양성

  • 5. 결 론

1. 서 론

병원건물은 외래부에서 병실, 수술실에 이르기까지 다양하고 에너지 집약적인 시설에서 의료서비스를 제공한다. 통상적으로 환자의 치유 목적을 위해 연중 365일, 24시간 운영하기 때문에 건물 부문에서 매우 높은 에너지 소비 비율을 차지한다1,2. 또한 병원내의 치유환경을 유지하고 최적제어를 위한 정교한 HVAC 시스템이 요구되는 동시에 실내의 청정도유지 및 감염방지에 대한 환기기준이 적용되어 에너지 소비량 증가에 큰 영향을 준다3.

이와 같이, 환자를 위한 높은 열쾌적, 공기질 수준을 유지하기 위해 냉 ‧ 난방 에너지, 전기(조명 및 의료기기) 에너지의 소비량이 다른 용도의 건물에 비해 현저하게 증가하게 된다4. 그러나 의료시설은 대상건물의 규모(병상수), 주요용도(사용시설 면적 구성), 에너지원 종류와 사용비율 및 주요설비(기계/전기/의료장비)구성에 따른 다양성을 갖고 있기 때문에 에너지절약 활동(ECMs) 도출에 한계가 있다. 또한 해당병원의 에너지 소비수준, 활용주체, 적용대상, 적용방법, 적용범위, 절감목표 등의 관리자 및 사용자의 에너지절약 수행체계에 어려움이 발생한다5. 본 연구의 목표는 의료시설 에너지 절약을 위한 다양한 ECMs를 해당병원에 맞게 절감목표를 달성할 수 있도록 운영데이터에 근거한 정보를 제공하는 것이다. 이를 위하여 서울시 소재의 4개의 병원을 대상으로 에너지 영향요소를 세분화하여 ① 사용 시설별, ② 용도별 및 ③ 설비별 상세 에너지 분석을 수행하였다. 이를 통하여 해당병원 에너지소비 수준 정의(Baseline), 에너지 절감 목표 도출과 ECMs 설정의 기초자료로 활용하고자 한다. 최종적으로는 현장조사 및 운영 데이터 (BEMS) 분석결과를 비교하여 상호 연계성을 도출하는 기반을 구축하는 것이다.

2. 병원건물 에너지 진단 및 평가방법 제시

병원건물의 에너지 진단 및 평가는 대상병원의 실태조사 결과를 기반으로 에너지 데이터 수집하고 수집된 상세 데이터를 기준으로 분석범위와 에너지사용 시나리오별 소비패턴 및 성능분석을 수행한다. 즉, 대상 병원의 에너지 성능분석 결과를 기반으로 에너지절감 운영요인을 발굴하고, 타 병원건물 간의 유의성과 일반화 가능한 아이템 도출하는 단계가 필요하다(Fig. 1).

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Fig. 1.

Preliminary procedure of energy analysis for hospital buildings

2.1 현장조사 및 사전평가(1단계)

먼저, 병원건물의 에너지 진단/평가를 위한 수집 가능한 데이터의 유효성 판단이 필요하며 대상건물의 BEMS 구축 level 분류를 통한 데이터수집 및 분석범위를 설정해야한다. 이를 위하여 대상 병원건물의 현장방문을 통하여 단기간 동안 에너지 사용량 및 운전비용 절감을 달성할 수 있는 방안 파악이 중요하다.

따라서 대상 건물에 대한 전반적인 현황조사 및 건물 사용자, 관리자 등과의 인터뷰를 통해 건물과 건물의 에너지 성능에 대한 개념적인 이해를 도모하기 위한 과정을 수행하여 주요 설비현황, 용도별 에너지사용패턴, 설비 운전방법, 조닝, 사용용도, 내원인원수 및 시간대에 따른 사용특성을 파악해야 한다. Table 1은 대상병원의 설비시스템 선정 및 평가기준 확보를 위한 에너지관리 시스템 구축 level 분류와 BEMS 설치기준6을 보여준다. 에너지관리 level과 설치기준에 따라서 에너지원별, 용도(계통)별 또는 세부적으로 장비별, 존별 에너지 진단/평가가 가능한 범위가 결정된다. 자동제어를 통하여 취득되는 데이터의 종류와 범위에 따라서 에너지 분석 방법 및 제어의 수준이 단순 기동/대수제어에서, 에너지 경향분석, 예측, 노후진단 및 최적제어로 범위로 확대 될 수 있다.

Table 1 Classification of building energy management level

Category Energy analysis Data collection Major function BEMS installation criteria
Level 1 By energy sources BAS BAS energy-saving function ➀ Data collection and display
(electricity, gas, etc.) Basic energy-saving - Enthalpy control
control - Optimum start/stop control ➁ Information monitoring
- Operating number control
- CO2 control ➂ View data
Level 2 By systems BAS + EMS Level 1
(heating, cooling etc.) Energy management + Energy trend analysis ➃ Analysis of energy consumption status
system -Energy consumption
-Energy demand trend ➄ Analysis of facility performance
and efficiency
-Energy change analysis
Level 3 By equipment BAS + EMS + α Level 1 + Level 2 ➅ Providing indoor and outdoor
environmental information
(chiller, boiler, etc.) Energy performance + Equipment performance
management -Energy over-consumption ➆ Prediction of energy
-Fault detection consumption
Level 4 By zones BAS + EMS + α + β Level 1 ➇ Energy cost inquiry and analysis
(ward, outpatient, etc.) Energy optimization + Level 2
system + Level 3 ➈ Interlocking control system
+ Optimization control

2.2 원격계측 에너지 데이터 수집(2단계)

사전조사에 의해서 원격계측 범위가 결정되면 다음 단계로, 병원의 에너지 소비에 영향을 주는 프로세스와 운영정보의 이력 데이터 및 구성장비를 통한 에너지 흐름상 측정 데이터를 수집하는 과정이 매우 중요하다. 대상건물의 에너지원별(가스, 전기, 지역열원, 기타), 에너지사용 설비별(냉 ‧ 온 열원장비, 공조장비, 반송설비, 조명설비 등), 에너지용도별 (냉방, 난방, 급탕, 환기, 조명, 기타) 그리고 에너지수요처별 (병동부, 외래부, 진료부, 수술실 ‧ 중환자, 응급시설, 공용시설, 기타)로 데이터 수집 및 조회가능 범위를 명확하게 규명한다. 원격계측 시스템이 측정되고 수집되는 성능관련 인자들의 평가시점을 기준으로 실시간 평가와 기간별 평가로 분류하여 수집한다.

2.3 에너지 관련인자 및 성능 평가항목 선정(3단계)

병원의 에너지 진단/평가를 위해서는 공조시스템의 에너지 관련 인자를 설정하고 BEMS에서 측정되지 않는 인자에 대한 측정방법을 고려해야 한다. 이와 같은 인자들은 건물 에너지 시뮬레이션을 위해 필요한 연산요소와 단계가 동일하다고 할 수 있다. 최종적으로 에너지원으로부터 열원설비, 공조설비, 터미널유닛 및 건물부하(실내환경)와 외부환경의 영향 등 일련의 에너지 흐름을 완벽하게 파악하는 것이다. Fig. 2는 에너지 흐름에 따른 장비별 또는 시스템, 용도별 상세 에너지 분석을 위한 구성위계7를 보여준다.

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Fig. 2.

Energy use aggregation levels of HVAC systems in buildings

2.4 병원건물의 에너지 상세분석 방법(4단계)

에너지 분석은 기본적으로 실시간 평가와 기간평가로 구분된다. ① 실시간 평가는 과거의 장비의 운전상태, 각종 측정 인자를 통해 정상운전 여부를 오차범위 밖의 일정시간 이상 연속운전 또는 일정횟수 이상의 측정데이터 분석을 통하여 결정한다. 판단기준은 일반적으로 경험값, 초기값, 규격값, 표준값 및 이론값으로 구분하고 의료시설 원단위 통계, 벤치마크 지수로 비교하는 것이 필요하다. ② 기간 평가는 항목간의 복합적인 분석을 통해 보다 정확한 장비의 성능을 판단하는 요소 분석으로 반복패턴 또는 계절소모의 존재여부 확인하여 시스템에서 제공되는 프로세스/서비스 분석으로 에너지 부하 및 수요 프로파일 분석한다. 병원 건물에너지 소비를 판단하기 위한 해당요소의 ③ 경향분석 방법은 장비별 에너지 소비형태를 파악할 수 있는 장비중심으로 세부평가를 진행한다. 다음단계로 인자간 ④ 에너지성능 영향 검증이 필요하다. 간략화 된 시스템 구성에 의한 인자간 상호 에너지 소비량 영향 파악하기 위해 에너지 시뮬레이션 툴을 이용한 검토가 가능하다. 마지막으로 ⑤ 병원 에너지사용량 예측은 동일 인자 변경으로 운영 데이터와 에너지 시뮬레이션 툴의 상호간 변동추이를 비교하여 유사성을 확인하고 그 다음, 에너지 시뮬레이션 툴을 이용하여 장비별 인자 변동에 따른 건물의 에너지 사용량을 추론할 수 있다.

2.5 의료시설의 특성에 따른 에너지절감 운영 요인 발굴(5단계)

실질적이고 객관적인 에너지 절감량을 산출하기 위해 규정된 측정에 기반한 절차 및 방법을 사용한다. 병원건물에 적합한 ECMs 발굴 및 IPMVP 기준을 통한 단기/장기 성능변수 측정, 통계분석 기법을 활용한 연간 에너지 절감량 평가하여 에너지절감 항목 적용 기대효과를 도출할 수 있다.

매년 자체적으로 에너지 절감 활동을 고려하여 검토하고 이러한 사항을 고려하여 ①대표년 에너지 사용량을 baseline로 선정한다. 에너지월별 공급처와 사용처를 연계한 ②energy flow map을 작성하고 공급/사용량 관리를 위한 계측 위치를 통한 에너지 사용 실태를 평가한다. 구축된 에너지 흐름을 기반으로 ③용도별 사용처별 공급량과 사용량에 대한 balance를 검토한다. 그리고 energy balance의 공급/사용에 대한 문제점 파악 및 적정성 검토로 ④개선점 발굴 및 에너지 저감기술을 선정한다. 이를 위해 ECMs의 우선순위를 평가할 수 있는 priority matrix 기법8 적용이 가능하다. Fig. 3과 같이, ECMs는 크게 효율관리, 제어관리와 부하관리 측면에서 접근이 가능하다. 그리고 각각의 에너지 절감요소를 병원의 요구사항을 고려하여 에너지소비량, 에너지비용, 실내환경, 추가비용 및 적용성 등의 주요 가중척도를 기준으로 ⑤우선순위 도출이 가능하다. 또한 가중치는 프로젝트의 특성에 따라 협의하여 확정하는 것이 필요하다.

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Fig. 3.

Definition and classification ECMs project, procedure of ECMs priority matrix

3. 사례분석을 통한 에너지 영향요소 분석

의료시설 시설현황 및 에너지 사용현황 실태조사를 위해 중규모 이상의 병원을 선정하여 사례분석을 수행하였다. 시설의 세부용도, 이용률, 이용시간, 주요 설비현황 등을 조사 후, 용도별 에너지사용패턴과 설비 운전방법 등을 분석하여 의료시설의 특성에 따른 에너지절감 운영 요인 발굴의 기본방향을 설정하였다.

3.1 대상병원 현황 분석

Table 2와 같이, 서울시 소재의 4개의 대상병원은 연면적 30,000~10,000 m2의 중대 규모로 준공연도는 1991년부터 2011년까지 다양하다. 병원의 특성상 지속적인 개보수/증축이 수반되어 실제로 내구연한을 초과한 장비는 많지 않았다. 에너지원은 전력, 도시가스, 지역열원과 일부 신재생에너지를 적용하였다. 에너지원 공급여부에 따라서 다양한 난방 및 냉방열원의 시스템이 결정되고, 다양한 수요처에서 증기를 필요로 하기 때문에 증기보일러를 기본적으로 설치하여 다수의 열원을 활용한다. 주요 공조방식은 팬코일유닛(FCU)과 공조기(AHU)를 통한 최소외기방식을 채택하였다.

Table 2 Reference hospitals for the case study

Category Hospital A Hospital B Hospital C Hospital D
Building features http://static.apub.kr/journalsite/sites/kses/2019-039-02/N0600390206/images/Figure_KSES_39_02_06_T1.jpghttp://static.apub.kr/journalsite/sites/kses/2019-039-02/N0600390206/images/Figure_KSES_39_02_06_T2.jpghttp://static.apub.kr/journalsite/sites/kses/2019-039-02/N0600390206/images/Figure_KSES_39_02_06_T3.jpghttp://static.apub.kr/journalsite/sites/kses/2019-039-02/N0600390206/images/Figure_KSES_39_02_06_T4.jpg
Year built 2011 1991 2004 2011
Location Seoul, Korea Seoul, Korea Seoul, Korea Seoul, Korea
Total area 100,121 m2 75,000 m2 30,306 m2 39,263 m2
Number of floors B4F / 13F B3F / 8F B2F / 7F B4F / 8F
Energy source Electricity, city gas and district heat Electricity and city gas Electricity and city gas Electricity, city gas and district heat
Heating plant District heating Direct-fired absorption chiller/heater Heat (steam) exchanger District heating
Cooling plant HW driven absorption chiller Direct-fired absorption chiller/heater & Absorption chiller Absorption chiller Absorption chiller
Domestic hot water District heating Heat (steam) exchanger Heat (steam) exchanger District heating
Steam Once-through steam boiler Furnace smoke tube & Once-through steam boiler Furnace smoke tube & Once-through steam boiler Furnace smoke tube steam boiler
Major HVAC system FCU+AHU FCU+AHU FCU+AHU FCU+AHU
System features http://static.apub.kr/journalsite/sites/kses/2019-039-02/N0600390206/images/Figure_KSES_39_02_06_T5.jpghttp://static.apub.kr/journalsite/sites/kses/2019-039-02/N0600390206/images/Figure_KSES_39_02_06_T6.jpghttp://static.apub.kr/journalsite/sites/kses/2019-039-02/N0600390206/images/Figure_KSES_39_02_06_T7.jpghttp://static.apub.kr/journalsite/sites/kses/2019-039-02/N0600390206/images/Figure_KSES_39_02_06_T8.jpg

병원건물은 각 실의 용도에 따라 병동부, 외래부, 수술부, 부속진료부, 중앙공급부, 응급부, 공용부, 업무부 등으로 구획할 수 있으며 그 바닥면적은 상이하다. 실의 용도에 따라 사용목적이 다르기 때문에 이용시간 또한 다르며 일반적으로 주간운영(8~12시 간)과 24시간 운영 등으로 구분된다. 대상병원의 계통을 구분하고 계통별 바닥면적 비율은 분석한 결과는 Table 3과 같다.

Table 3 Zonal floor area ratio of reference hospitals

Category Department Hospital A Hospital B Hospital C Hospital D
24 h zone Inpatient (ward room) 24.6% (2) 24.1% (2) 69.1% (1) 42.9% (1)
Emergency department 4.1% 5.0% 0.7% 1.3%
Funeral services 5.4% 2.8% 5.8% (3) -
10 h zone Outpatient services 25.4% (1) 26.9% (1) 13.5% (2) 15.1% (3)
Operation theatre 12.6% (4) 7.6% 3.2% 3.1%
Central supply department 15.2% (3) 12.2% (4) 3.1% 8.9% (4)
Public area & lobby 5.8% 16.3% (3) 4.6% (4) 21.4% (2)
Office 6.8% 3.4% - 4.3%
Laboratory - 1.6% - 2.9%
Zone features http://static.apub.kr/journalsite/sites/kses/2019-039-02/N0600390206/images/Figure_KSES_39_02_06_T9.jpghttp://static.apub.kr/journalsite/sites/kses/2019-039-02/N0600390206/images/Figure_KSES_39_02_06_T10.jpghttp://static.apub.kr/journalsite/sites/kses/2019-039-02/N0600390206/images/Figure_KSES_39_02_06_T11.jpghttp://static.apub.kr/journalsite/sites/kses/2019-039-02/N0600390206/images/Figure_KSES_39_02_06_T12.jpghttp://static.apub.kr/journalsite/sites/kses/2019-039-02/N0600390206/images/Figure_KSES_39_02_06_T13.jpghttp://static.apub.kr/journalsite/sites/kses/2019-039-02/N0600390206/images/Figure_KSES_39_02_06_T14.jpg
Inpatient Outpatient Operation theatre Central supply Public area Office

4개의 대상병원의 계통별 바닥면적을 합산한 결과, 24시간 병동부(A병원: 24.6%, B병원: 24.1%, C병원: 69.1%, D병원: 42.9%)와 10시간 외래부(A병원: 25.4%, B병원: 26.9%, C병원: 13.5%, D병원: 15.1%)가 가장 많은 면적을 차지하였으며, 중앙공급부, 공용부, 수술부, 업무부, 장례부, 응급부 순으로 나타났다. ECMs 항목의 결정에 있어서 사용 계통(시설)별 사용 에너지 및 현장의 각종 데이터를 바탕으로 에너지 절감 항목을 검토하고 그 효율성과 효과정도를 판단하여 순위를 결정하는 것이 필요한데, 직관적으로 많은 면적으로 차지하는 계통이 우선 대상이 된다.

3.2 총 에너지 사용량 분석

대상병원의 총 에너지 소비량의 Baseline은 2015년~2017년까지 최근 3년간 에너지원별 사용량을 수집하여 분석하였다. 또한 병원의 특성별로 상당한 차이가 발생하지만 의료시설 단위면적 당 평균 에너지 사용량인 76.1 kgoe/m2와 상대적인 비교를 하였다. Table 4는 에너지원별 사용량 비율을 총량과 단위면적으로 구분하여 보여주고 있다. A병원은 연간 4,104 TOE를 소비하며 전력 78.3%, 지역난방 12.6%, 가스 9.1%을 차지하고 있다. 단위면적당 에너지 사용량은 41.0 kgoe/m2로 의료시설 평균 대비 절반 수준으로 에너지를 적게 사용하는 것으로 분석되었다. 반면에 B병원은 최근 3년간 에너지 사용량은 매년 3%이상 증가 추이를 보였고, 연간 7,032 TOE 중 전력 72.1%, 가스 27.9%의 비율로 에너지를 사용하여 단위면적당 에너지 사용량은 131 kgoe/m2로 평균 대비 1.7배 이상 에너지를 많이 사용하는 것으로 분석되었다. 여기에는 설비의 노후도, 의료장비의 사용률 및 연면적 대비 주차장면적의 복합적인 요인이 작용하였다. 노인 요양병원 성격이 강한 C병원은 단위면적당 에너지 사용량은 54.2 kgoe/m2로 의료시설 평균의 71.2% 수준으로 에너지를 적게 사용하고 전력 50.2%, 가스 49.8% 비율로 연간 총 에너지 사용량은 1,641 TOE이다. 마지막으로 D병원은 전력 67.9%, 지역난방 22.3%, 가스 9.7%로 단위면적당 에너지 사용량은 44.6 kgoe/m2 (평균대비 59%), 연간 총 1,753 TOE를 소비하였다. 4개의 대상병원은 각기 의료 기능적인 특성에 차이가 있기 때문에 에너지 사용량에 대한 정형화된 패턴을 찾기 힘들다. 시설별, 설비별 에너지 사용비율 등에 대한 상세분석을 통한 병원의 특수성을 도출하는 것이 필요하여 여기에는 에너지흐름(energy flow chart)분석을 통한 방법이 효과적이다.

Table 4 Total energy use and energy analysis by energy sources (Level 1)

Category Electricity District heat Gas (LNG) Baseline
kWh kgoe kWh kgoe Nm3 kgoe kgoe Primary Energy
Hospital A Total energy use 14,031,729 3,213,266 6,453,567 516,192 363,730 374,278 4,103,736 46,789,881
Energy use per (m2) 140.1 32.1 64.5 5.2 3.6 3.7 41.0 467.3
Ratio by energy source - (78.3%) - (12.6%) - (9.1%) (100%) -
Hospital B Total energy use 22,140,947 5,070,277 - - 1,906,235 1,961,516 7,031,793 83,725,000
Energy use per (m2) 295.2 67.6 - - 25.4 26.2 93.8 1,116.3
Ratio by energy source - (72.1%) - - (27.9%) (100%) -
Hospital C Total energy use 3,596,299 823,552 - - 794,723 817,770 1,641,322 19,203,902
Energy use per (m2) 118.7 27.2 - - 26.2 27.0 54.2 633.7
Ratio by energy source - (50.2%) - - - (49.8%) (100%) -
Hospital D Total energy use 5,198,799 1,190,525 4,891,800 391,274 165,989 170,802 1,752,601 19,199,607
Energy use per (m2) 132.4 30.3 124.6 10.0 4.2 4.4 44.6 489.0
Ratio by energy source - (67.9%) - (22.3%) - (9.7%) (100%) -

3.3 상세 에너지 사용량 분석

대상병원의 에너지월별 공급처와 사용처를 연계한 energy flow map을 작성하고 공급/사용량 관리를 위한 계측 위치를 통한 상세 에너지 사용 실태를 평가하였다. 세부적으로 ① 가스(연료)에너지 흐름, ② 전력에너지 흐름 및 ③ 지역열원 에너지 흐름을 분석하고 ④ 계통별(용도별) 에너지 사용비율 및 기여도를 산출하였다. Fig. 4는 A병원의 다양한 에너지 흐름 및 계통별 부하(에너지)기여도를 분석한 예시를 보여준다. 최종적으로는 구축된 에너지 흐름을 기반으로 용도별 사용처별 공급량과 사용량에 대한 energy balance를 검토하고, 에너지의 공급/사용에 대한 문제점 파악 및 적정성 검토로 개선점 발굴과 에너지 저감기술 선정하는 단계를 갖는다.

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Fig. 4.

Example of energy flow charts for a reference hospital A : a) electricity and b) district heat & city gas

(1) 용도별 전력사용량 분석

Fig. 5와 같이, 용도별 주요 전력사용율을 분석한 결과, A병원은 일반용 전등/전열(33.8%), 비상동력(37.6%) 및 UPS(10.8%) 순으로 높은 비율을 보였고 의료용 검사/진단장비(7.7%)와 기계동력(6.9%)도 상당부분을 차지하고 있다.

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Fig. 5.

Power usage ratio by systems in reference buildings

B병원은 일반용 전등/전열(33.5%)과 공조동력(25.0%)의 사용비율이 높고 의료용 검사/진단장비 (15.1%) 또한 높은 비율을 보이고 있다. C병원은 공조동력(27.7%), 일반용 전등/전열(27.0%), 의료용 검사/진단장비(23.0%) 및 기계동력(22.3%) 순으로 비슷한 비중을 보였고, D병원은 전등/전열(42.6%)과 기계동력(23.5%)이 비율이 높고, 의료 전열/동력 (14.3%), 비상동력(15.3%)도 상당부분을 차지하였다.

(2) 계통별 열 부하율 분석

건물의 열 에너지 사용량은 실제로 중앙에서 열원을 공급해 주는 장비에서 직접적으로 사용되는 에너지를 계측하기 때문에 각 용도별, 계통별 냉난방 에너지 사용량을 산출하기 매우 힘들다. 따라서 energy flow map을 통하여 용도별 또는 보다 세부적으로 장비별로 에너지 사용량을 평가 할 수 있다. 4개의 병원의 시스템 구성 및 장비일람을 기준으로 계통을 구분하고 중앙의 열원에서 사용되는 총 에너지를 기준으로 각 계통별로 차지하는 부하기여도를 분석하였다. Fig. 6은 해당병원의 계통별(시설별) 공조, 냉 ‧ 난방 에너지의 사용비율을 예측한 그래프이다. A병원의 에너지 사용량 기여도는 면적대비 사용시간이 길기 때문에 24시간 병동부(33.4%)가 가장 높으며 10시간 외래부(18.3%)와 10시간 중앙공급부(14.2%) 순으로 나타났다. B병원도 병동부(54.4%)가 에너지소비 기여도가 가장 높으며 공용부(12.2%)와 외래부(9.7%) 순으로 나타났다. 중 ‧ 소규모인 C병원과 D병원은 면적은 물론 사용시간이 길기 때문에 병동부(75.2%)가 가장 높으며 각각 외래부(9.1%, 6,0%)가 그 다음 비율을 차지하였다.

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Fig. 6.

Thermal (heating/cooling) load contribution rate by zones

(3) 장비별 사용량 분석

Fig. 7과 같이, 지역열원이 공급되는 A병원의 장비별 지역난방사용량은 급탕용(54.6%), 난방용(31.8%) 및 냉방용(13.5%) 순이며, 순환펌프(48.1%), 공조기 팬(35.2%), 열원기기(10.1%), 기타 공조설비(3.8%) 및 팬코일유닛 팬(2.9%)이 전력을 많이 사용하는 기기로 분석되었다. 또한 D병원은 냉방용(45.5%), 급탕용(28.7%), 난방용(25.8%) 순이고 전력은 순환펌프(68.9%), 열원기기(22.1%), 공조기 팬(7.7%), 팬코일유닛 팬(0.8%), 기타 공조설비(0.5%) 순으로 나타났다. 가스열원을 사용하는 B병원은 관류보일러(38.4%), 노통연관보일러(34.7%), 흡수식냉온수기(26.9%)와 전력은 순환펌프(67.2%), 열원기기(13.8%), 공조기 팬(16.6%), 팬코일유닛 팬(2.3%)이 사용량이 많다. 또한 C병원의 가스사용량은 노통연관보일러(76.3%), 관류보일러(23.7%) 그리고 순환펌프(40.6%), 공조기 팬(30.5%), 열원기기(27.6%), 팬코일유닛 팬 (0.7%), 기타 공조설비(0.6%) 순으로 많은 전력을 사용한다.

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Fig. 7.

Power & thermal energy usage ratio by equipment in reference buildings

4. 토의: 의료시설 에너지소비 구조의 다양성

4개의 대상병원에 대한 단계별 시설현황 분석, 에너지 총량 분석 및 상세 에너지 사용량에 대한 사례분석을 수행한 결과, 에너지절약기법 적용에 여러 장애요인이 존재한다. 즉, 의료시설의 다양성 측면에서 의료시설은 대상건물의 규모(병상수), 주요용도(사용시설 면적 구성), 에너지원 종류 및 사용비율 및 주요설비(기계/전기/의료장비)구성에 따른 다양성을 갖고 있기 때문에 획일화된 에너지절약 기법의 활용성에 한계가 있다. Table 5는 사례분석 병원의 에너지소비 구조에 대한 다양성을 보여준다. 또한 에너지절약 운영의 체계에서 해당병원의 에너지 소비수준, 활용주체, 적용대상, 적용방법, 적용범위 및 절감목표 등의 관리자 및 사용자의 에너지절약 활동의 수행체계의 한계가 있다. 따라서 의료시설의 다양한 에너지절약 활동을 해당병원에 맞게 효과적으로 설정하여 절감목표를 달성할 수 있도록 활용성을 확보하는 것이 중요하고 이를 위해 에너지소비 구조를 정확하게 파악하는 것이 중요하다. 에너지 절약 활동은 병원의 운영상황을 가장 알고 있는 관리자가 주체가 되어 실시하는 중요한 활동으로 건물의 부하(에너지 소비)특성과 설비의 사용이 및 운영상황 등에 따라 에너지 절약 운전을 실현하는 과정이 되어야 한다.

Table 5 Comparative assessment of energy consumption structure for reference hospitals

Category Hospital A Hospital B Hospital C Hospital D
Total Area 100,121 m2 75,000 m2 30,306 m2 39,263 m2
Zonal floor area ratio 1 Outpatient (25.4%) Outpatient (26.9%) Inpatient (69.1%) Inpatient (42.9%)
2 Inpatient (24.6%) Inpatient (24.1%) Outpatient (13.5%) Public area (21.4%)
3 Central supply (15.2%) Public area (16.3%) Funeral services (5.8%) Outpatient (15.1%)
Energy use by sources 1 Electricity (78.3%) Electricity (72.1%) Electricity (50.2%) Electricity (67.9%)
2 District heat (12.6%) LNG (27.9%) LNG (49.8%) District heat (22.3%)
3 LNG (9.1%) - - LNG (9.7%)
Energy use by zone 1 Inpatient (33.4%) Inpatient (54.4%) Inpatient (75.2%) Inpatient (78.0%)
2 Outpatient (18.3%) Public area (12.2%) Funeral services (9.2%) Outpatient (6.0%)
3 Central supply (14.2%) Outpatient (9.7%) Outpatient (9.1%) Public area (5.2%)
Power usage ratio by systems 1 Lighting/plug (33.8%) Lighting/plug (33.5%) HVAC (27.7%) Lighting/plug (17.2%)
2 HVAC (6.9%) HVAC (25.0%) Lighting/plug (27.0%) HVAC (4.5%)
- Medical devices (9.2%) Medical devices (15.1%) Medical devices (23.0%) Medical devices (14.3%)
Total energy (baseline) 4,104 TOE 7,032 TOE 1,641 TOE 1,753 TOE
41.0 kgoe/m2 93.8 kgoe/m2 54.2 kgoe/m2 44.6 kgoe/m2
(Hospital average : 76.1 kgoe/m2)

5. 결 론

본 연구는 의료시설의 다양한 에너지절약 기법을 해당병원에 맞게 효과적으로 활용하여 절감목표를 달성할 수 있도록 에너지 영향요소 세분화하여 에너지소비 수준 정의(Baseline), 에너지 절감 목표 도출과 ECMs 설정을 위한 에너지소비구조를 분석하였다. 연구결과는 다음과 같다.

(1) 병원건물 에너지 진단 및 평가방법은 크게는 대상 설비시스템 에너지 평가기준 설정과 병원건물 스마트 에너지 분석을 통하여 의료시설의 특성에 따른 에너지절감 운영 요인 발굴하는 단계가 필요하다.

(2) 이를 위한 세부내용으로, 현장조사 및 사전평가 항목과 방법, 원격계측 에너지 데이터 수집과 에너지 관련인자 및 성능 평가항목 선정 절차와 방법 그리고 병원건물의 에너지 상세분석 방법을 제시하였다.

(3) 서울시 소재의 4개의 병원을 대상으로 에너지 구조를 분석한 결과, 대상건물의 규모, 사용시설 면적구성, 에너지원 종류 및 사용비율 및 주요설비 구성에 따른 에너지 소비형태의 다양성을 가진다.

(4) 특히, 의료시장비의 종류와 사용률에 따라서 병원에너지 소비에 영향을 주기 때문에 의료시설의 에너지절감 계획시 반드시 고려되어야 하는 항목이다.

(5) 의료시설 다양한 에너지절약 활동은 해당병원에 맞게 효과적으로 절감목표를 달성할 수 있도록 활용성을 확보하는 것이 우선되어야 한다.

(6) 따라서 병원건물의 정확한 에너지 소비구조를 분석할 수 있는 절차를 통하여 해당 병원의 효과적인 에너지 절감활동을 수행할 수 있는 에너지절약 운영가이드 개발과 활용성 확보를 위한 후속 연구가 필요하다.

Acknowledgements

본 연구는 에너지관리공단의 2018년 연구비지원으로 수행되었음(계약번호: 22183046400).

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