반사이 마사후미(Bansai Masafumi)

(주)에너지어드밴스 타마치스마트에너지네트워크 건설 프로젝트그룹

이치가야 마키코(Ichigaya Makiko) 도쿄가스(주) 지역에너지개발부

향후 도시의 재개발에서는 플랜트와 수요자 건물이 제휴함으로써 CO2 저감 마을 만들기를 실현할 수 있다. 이는 지역 냉난방(DHC)의 진화한 형태로써 열뿐만 아니라 전력과 정보의 네트워크를 구축해 네트워크에 도입 가능한 재생 가능 에너지, 미이용 에너지를 최대한 활용하는 것이다. 동시에 공급측이 열 공급뿐만 아니라 수요자 측의 부하 상황을 계측·파악해 필요에 따라 제어한다(그림 1).

더욱이 이번 지진 재해와 같은 대규모 재해에 있어서도 DHC 플랜트가 해당 가구의 BCP 기능을 담당함으로써 재해에도 강한 마을 만들기 구축이 쉬워질 것이다.

한편 기존 재개발에서 DHC가 아니라 대형 건물에 집중 열원을 도입해 그 관리를 조합이 실시하고 있는 경우가 있다. 하지만 열원을 조합이 관리 운영하고 있기 때문에 개수시기에 갱신이 잘 진행되지 않는다. 이는 빈방 증가로 이어지거나, 건물 자체는 사용이 가능함에도 불구하고 개축하게 되는 문제도 나오고 있다. 이러한 상황 속에서 열원을 열 공급 사업자가 유지 관리함으로써 계획적이고 원활하게 갱신과 재건축에 대응할 수 있다고 하는 효과를 얻고 있다.

향후 열 공급 사업자의 수비 범위가 플랜트에만 머물지 않고 건물 2차 측에 미쳐 가는 가운데 열원을 포함한 에너지의 관리를 전문가에게 맡김으로써 건물 오너는 보다 건물 자체의 가치 증가에 주력할 수 있을 것이라고 생각한다.

타마치역 동쪽 출구 기타지구의 스마트 에너지 네트워크

타마치역 동쪽 출구 기타지구는 가스 엔진 CGS, 연료 전지 CGS, 고효율 열원기를 중심으로 한 열, 전력, 정보의 네트워크를 구축할 계획이다. 이 네트워크를 활용함으로써 출력이 불안정한 재생 가능 에너지와 미이용 에너지를 안정적이며 효율적으로 최대한 활용하는 것을 계획하고 있다. 또 구역 근처의 지하 터널로부터 배출되고 있는 물을 여름철에는 냉동기의 냉각수에 이용하고, 겨울철에는 증기 흡수 히트 펌프의 열원수에 이용함으로써 효율 높은 운전을 실현한다.

또한 재해 시 대응으로 구역에 있어서의 스마트 BCP의 구축을 실시하는 것을 계획하고 있다. 스마트 BCP란 재해 시 건물이 필요로 하는 최소한의 에너지를 제공해 방제 거점으로서의 기능을 높이는 것이다. 스마트 BCP는 건물, 스마트 에너지 센터를 포함해 가동할 수 있는 기기, 이용할 수 있는 에너지원을 판단하고 부하의 우선순위에 근거해 선택적·계속적으로 열, 전력 등의 에너지를 제공하게 된다. 더욱이 인접 가구에 정비 예정인 플랜트와 연계함으로써 두 플랜트 간에 열 면적 융통·상호 백업을 실시할 예정이다. 이와 같이 스마트 BCP를 구축하는 것으로 에너지 시큐리티가 높고 부가가치 있는 마을 만들기를 목표로 할 계획이다.

또 해당 구역은 JR타마치역 동쪽 출구의 북쪽 구역으로 미나토구가 ‘타마치역 동쪽 출구 기타지구 마을 만들기 비전’에 근거해 관청과 시민의 제휴에 의해 환경과 공생한 복합 시가지를 형성할 예정이다. 그림 3에 나타나 있는 공공 공익 시설, 아이이쿠 병원, 아동복지시설이 선행 정비된다.

해당 구역의 스마트 에너지 센터(SEC)에서는 구역에 부존(賦存)하는 태양열과 지하 터널수의 열 이용을 최대한 실시하며, 또한 수요자측의 요구 열매에 맞추기 위해 냉방 부하 대응으로써 7℃ 냉수, 난방 부하 대응으로써 47℃ 온수, 급탕·가습 부하로써 782kPa 증기의 6관식 공급·열원으로 구성했다.

SEC의 기기 구성으로 고효율 가스 엔진 CGS와 연료전지 CGS를 채용하고, 발생하는 폐열은 진공식 태양열 패널의 온열과 합쳐 증기 흡수 제너링크로 냉수 제조를 실시하는 등 태양열을 일년 내내 유효하게 활용한다(설치 면적 약 1,000m2, 건물측 설치분 포함). 또 인버터 터보 냉동기 등의 전동계 기기를 채용하는 등 열원을 최적 배합해 에너지 선택의 다양성과 안정공급, 고효율화를 실현한다. 그림 4에 시스템의 흐름을 나타낸다.

열원 기기는 현시점에서 최고 효율인 톱러너 기기의 채용을 예정하고 있다. 또한 냉각수 온도를 낮춰 터보 냉동기의 고효율 운전을 실현하기 위해 흡수계와 터보계의 냉각수 수직관 및 냉각탑을 2계통으로 분리했다.

재생 가능 에너지·미이용 에너지의 유효 활용

태양열 이용(솔라 쿨링 시스템)

진공식 태양열 집열 패널에서 88℃의 고온수를 회수한다. 이 온열을 여름철에는 증기 흡수 제너링크에 투입해 냉수 이용하고 증기의 투입량을 줄임으로써 에너지 절약을 도모한다. 또한 겨울철 등 온수 부하가 있을 때는 난방용 온수로 이용한다.

지하 터널수의 열 이용

구역 근처의 지하 터널에서 배출되고 있는 물은 연간 20℃ 전후의 안정된 온도로 수량 또한 안정적이다. 그래서 여름철에는 스크루 냉동기의 냉각수로, 겨울철에는 증기 흡수식 히트 펌프의 열원수로 이용하는 시스템을 구축한다. 이에 따라 여름철 스크루 냉동기의 효율은 5.5에서 8.1로 향상하고, 겨울에는 온수 보일러의 효율 0.8로부터 증기 흡수 히트 펌프의 효율 2.3으로 열 제조 효율을 큰 폭으로 향상할 수 있다.

PV 출력 변동 보완

공공 공익 시설에는 재생 가능 에너지로 태양광발전 시스템이 약 120kW 계획되어 있다. 그러나 PV는 일사 강도에 의해 출력 변동이 크다. 그래서 PV 출력 변동을 감시해 SEC내에 설치된 가스 엔진 CGS의 출력을 제어함으로써 계통 전력의 평활화를 실시한다.

수요자와 스마트 에너지 센터와의 제휴

그림 5에 수요자와 SEC와의 제휴 시스템을 나타낸다.

대온도차 송수

일반적인 DHC의 냉수 송수 온도차는 7℃이다. 반면 해당 구역에서는 온도차를 10℃ 차로 설정해 반송 동력을 30% 삭감할 계획이다. 대(大)온도차 송수에 있어서는 계획 단계에서 건물측과 협의해 대온도차 대응의 공조기와 2방변(方弁)의 채용을 검토하고 실제로 운용했을 경우에 온도차를 확보할 수 있는 시스템을 구축했다.

변온도 송수

일반적인 DHC의 냉수 송수 온도가 7℃인 것에 비해, 해당 구역에서는 부하가 적은 환절기나 겨울철, 야간 시간대에 송수 온도를 최대 2℃ 올려 9℃로 송수해 열원 기기의 효율을 향상시킬 계획이다. 송수 온도 가변 공급의 검토 과정에서 건물측의 공조기에 있어서 환절기에 9℃ 송수로 지장이 되는 부분이 없는지 확인하고 9℃ 송수에서도 대응 가능한 기기 선정을 의뢰하는 등의 대책을 도모했다.

실말단 압제어

해당 구역의 건물측 수입 설비는 간접 수입으로 한다. 그리고 간접 수입의 열교환기에의 열매 순환에 관계되는 SEC의 반송 동력에 대해 극한까지 저감시키도록 계획했다. 모든 수요자의 수입 설비 열교환기 순환 데이터를 계측해 상시 열 부하로부터 필요 차압을 산출해 가장 양정이 필요한 수요자를 정하고 SEC로부터의 송수량 및 양정에 맞는 냉온수 펌프의 인버터 제어를 실시한다.

ICT를 활용한 건물 2차측 정보 수집과 제휴 제어

수요자의 수입 설비 순환과 2차측 공조기·FCU 순환의 열매온도·유량 정보·전력 소비량 등의 정보를 계측해 수요자 건물측 BEMS를 개입시켜 SEC내의 스마트 에너지 매니지먼트 시스템(SEMS)으로 수집·분석한다. 낭비되는 부분을 추출해 운용 개선해 나가는 것과 동시에 필요에 따라 수시로 커미셔닝(Commissioning)을 실시한다. 또한 분석 결과를 바탕으로 SEMS로부터 불필요한 기기 정지와 실내 온도 설정 변경 등의 제어를 실시하는 것과 동시에 부하 예측과 열원 운전의 최적화를 실시함으로써 구역 전체의 고효율화를 도모한다.

스마트 BCP

해당 구역은 재해 시 방재 거점이 되는 공공 공익 시설과 아이이쿠 병원 등 중요 시설이 있는 구역으로, 비상시 에너지 최적 분배를 어떻게 실시할지 즉 스마트 BCP를 어떻게 구축해 나갈지 건물측을 포함해 검토하고 있다. 열에 대해서는 SEC로부터 냉열 최대 공급력의 약1/3의 냉열을 72시간분 공급할 수 있도록 전원과 보급수를 확보한다는 계획이다. 또한 SEC내의 가스 공급에 대해서는 내발협내진(內?協耐震) 평가인정가스도관으로부터 도시가스를 공급하기 위해 재해 시에도 연료 공급은 계속된다.

이와 같이 조건부지만 재해 시에도 열 공급을 실시할 수 있다. 그러나 SEMS를 이용함으로써 사전에 정한 공급 우선도를 바탕으로 필요한 곳에 조건이 허락하는 만큼 길게 열을 공급할 수 있도록 제어하는 것을 목표로 하고 있다.

또한 전력의 공급에 관해서도 공공 공익 시설에 대해서는 액체 연료로 기동하는 비상용 발전기 외 인정 가스도관에서 공급된 가스를 사용하는 CGS에 의해 전력을 공급하고 있기 때문에 정전 등 재해 시에 있어서도 중요 부하에 대해 보다 길게 전력을 공급한다는 계획이다.

게다가 재해 시에도 SEMS를 가동해 사용 상황을 확인한 후 중요도가 낮은 전력 부하를 차단해 나감으로써 비상용 발전기 가동 후, 한정된 연료 내에서 발전기의 가동 시간을 길게 할 수 있다.

스마트 에너지 네트워크 운영 체제

스마트 에너지 네트워크를 구축해 최대한의 효과를 얻으려면 준공 후의 운용을 어떻게 실시해나갈 것인가가 매우 중요한 포인트다. 이번에는 계획 단계에서부터 스마트 에너지 부회를 SEC와 건물측이 함께 시작해 구역 전체에서의 에너지 절약 목표, SEC·건물간 제휴 매뉴얼의 정비, 가시화 검토 등을 실시하고 있다. 이 부회를 운용 후에도 계속해서 활용해 나감으로써 계획, 설계 방식을 충분히 고려한 운용을 실현시켜 나갈 수 있을 것이라고 생각한다.

구체적으로는 SEC나 SEMS를 이용해 구역 전체, 각 건물, SEC의 에너지 절약· CO2 저감, 효율 운전 분석, 평가를 실시하고 그 효과의 파악, 외부에의 공표에 대해서는 스마트 에너지 부회에서 합의한 후 실시한다.

에너지 절약·CO2 저감 시산

종래의 DHC와 이번 SEC의 기기 구성 및 정격 효율 조건을 표 1에 나타낸다. 기존의 DHC는 2000년경에 준공한 DHC를 상정했다. 또 건물측 열 부하 조건은 바뀌지 않는 것으로 하며 냉수 송수 온도차는 종래 DHC에서 7℃ 차, SEC에서 10℃ 차로 했다. 게다가 냉수 송수 온도는 종래 DHC와 같이 연간 7℃ 고정으로 시산한다. 또한 시산에서는 제1플랜트와 그 공급 범위만으로 시산을 실시해 장래 계획이 되는 제2플랜트 시산 및 연계 효과는 미리 계산에 넣지 않는다.

그림6에 CO2 배출량 시산 결과를 나타낸다. 종래 DHC의 3,455t-CO2/년에 대해, SEC는 1,617t-CO2/년으로 53%의 CO2 배출량이 삭감되었다. 삭감량의 내역을 분석하면 태양열 효과는 삭감량의 3%, 지하 터널수의 열원수·냉각수 활용은 12%, 건물과 SEC와의 제휴 효과가 15%, 열원과 CGS의 고효율화 효과가 70%였다. 또 CO2 배출량 산출식은 다음의 식으로 하고 CGS에 대해서는 마지널 평가를 실시했다.

CO2 배출량=SEC 전력 소비량×0.386kg/kWh＋SEC 가스 소비량×2.29kg/m3＋CGS 가스 소비량×2.29kg/m3-CGS 발전량×0.69kg/kWh

미래 도시에서의 스마트 에너지 네트워크

향후 도시 재개발에서는 ‘구역 전체’의 에너지 절약·CO2 저감과 더불어 BCP 기능의 향상을 도모한 마을 만들기를 해 나갈 필요가 있다. 그것을 위한 툴로써 스마트 에너지 네트워크의 구축이 유효하다. 그 구축에 있어서 건물 소유자는 처음부터 설계자를 포함한 관계자, 열 공급 사업자와 긴밀히 협의해 지역에 부존하는 재생 가능·미이용 에너지의 활용 방법 검토, 시큐리티를 확보한 건물과 SEC의 일체 운용이나 BCP 기능 구축 등의 기술적 검토를 실시해 설계에 반영시켜 나갈 필요가 있다. 또한 미이용 에너지의 활용과 네트워크 구축에 있어서는 행정에 의한 협력·추진책의 정비·솔선 도입이 불가피하다. 또한 에너지 이용자의 에너지 절약 의식 향상을 도모하기 위해 세입자를 포함한 에너지 이용자에게 그 이용 상황을 보여주는 것과 동시에 에너지 절약 행동에 대한 인센티브를 부여해 나가는 것도 중요하다.

타마치역 동쪽 출구 기타지구에 있어서의 스마트 에너지 네트워크에서는 준공 후, 스마트 에너지 부회를 활용해 스마트 에너지 네트워크의 운전 실적을 평가함과 동시에 SEC가 건물측과 일체적으로 감시·제어를 실시하여 가시화를 적극적으로 실시한 후, 그 효과에 대해 평가·분석해 효과를 공표해 나갈 계획이다.

본 기사는 日本工業出版이 발행하는 월간 クリ-ンテクノロジ-와 기사협약에 의해 轉載한 것입니다.

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