2.1 설비 현황 및 관련 데이터 확보

다양한 열원과 수요처가 존재하는 대전 소재의 연구원을 열에너지 네트워크 기술 적용 커뮤니티로 선정하고, 해당 커뮤니티에 존재하는 에너지원들에 대한 분석을 선행하였다. 열원설비들의 용량과 연료 종류, 작동 조건 및 특성을 각 건물별로 조사하여 파악하였다. 현재 해당 커뮤니티의 열원설비는 Table 1에 나타난 바와 같이 흡수식 냉온수기(ACH), 압축식 히트펌프(EHP), 지열히트펌프(GSHP) 등이 존재한다. 그 중 가장 큰 용량의 단일설비는 중앙냉난방 목적으로 운영중인 흡수식 냉온수기이다. 이 흡수식 냉온수기는 해당 커뮤니티의 중심부에 위치한 설비동(W2, heat distribute center)에 700 RT급 2기가 위치하고 있으며, LNG를 연료로 가동한다. 흡수식 냉온수기에서 생산된 온수 혹은 냉수는 각 건물들(E1, N1, N2, N3, W1)과 연결되어 있는 수배관으로 중앙공급하고 있다. 나머지 건물들(E3, N4)은 난방설비를 자체 운용하였다.

설비들의 특성을 파악하기 위하여 각 설비에 부착되어 있던 센서들의 아날로그 데이터들을 통합관리 할 필요성이 대두되어, EMS(energy management system)를 구축하고 각 센서들을 디지털 신호로 변환 및 통신하여 통합DB를 만들었다. 또한 웹기반 인터페이스를 개발하여 DB에 축적된 데이터들을 사용자들이 필요에 따라 열람 및 파일형태로 저장이 가능하도록 하였다.

해당 커뮤니티의 월별 가스사용량을 나타낸 Fig. 1에서 알 수 있듯 해당 커뮤니티의 겨울철 LNG 소비가 많았다. 이는 해당 커뮤니티의 열원설비가 LNG를 소비하여 난방부하를 감당하고 있음을 알 수 있다. 한편, 전기에너지 소비량은 Fig. 2에 나타난 바와 같이, 겨울철 난방기간 동안 첨두부하가 발생하는 것으로 나타났다. 상기 해당 사이트의 전력 및 가스 소비 데이터를 통해 겨울철 난방부하를 흡수식 냉온수기로 모두 감당하지 못하고 EHP나 전열설비를 추가 활용하여, 겨울철 전력첨두부하를 발생하는 것으로 보았다.

겨울철 첨두부하 전력단가는 봄·가을철 전력단가보다 최대 3배 정도 고가인 점과 전력용량 증설 비용 등 겨울철에 발생하는 첨두부하를 저감할 필요성이 대두되었다. 이를 위해 전열기기 사용을 억제하거나 전기에너지가 아닌 다른 연료로 가동하는 열원설비로 대체 활용하는 열에너지 네트워크 방안을 지향하였다.

2.2 미활용에너지 부존량 분석

해당 사이트에는 연구 목적으로 발전용량 2 MWe급 석탄화력발전소가 독립적으로 운용 중이며, 석탄보일러 용량은 10 MWth급으로 다른 열원설비에 비하여 월등히 크다. 따라서 우선적으로 석탄화력발전소에 대해 미활용에너지 부존량을 산출하였다. 이를 위해 석탄화력발전소 제어를 목적으로 기 설치된 센서들의 값을 EMS로 전송할 수 있도록 통신 작업을 수행하였으며, 터빈 입출구 상태값, 발전량, 복수온도 등 데이터들을 DB에 저장하였고 이를 이용하여 미활용에너지 부존량을 산출하였다. 해당 석탄화력발전소는 최대연속정격출력(MCR)에 따라 발전량을 조절하며, 이에 따라 발전 복수열량도 상이하였다. 겨울철 석탄화력발전소 복수 온도(냉각탑 유입수 온도)는 35℃에서 40℃에 분포하였다. 또한 발전 복수열량은 MCR을 100%로 가동할 경우 6,392 kWth, 60%일 경우 3,835 kWth가 발생되며, 냉각탑을 통해 대기로 방출되고 있었다. 이는 산술적으로 해당 사이트에 운영 중인 중앙난방설비의 1기 용량보다 많은 열량이다.

2.3 열에너지 네트워크 방안 도출

앞서 기술한 분석들을 종합하여, 해당 커뮤니티의 열에너지 네트워크 설계 시 요구되는 조건 두 가지를 도출하였다. 첫째, 전력 소비량을 증가시키지 않고 난방열량을 생산할 수 있어야 한다는 점과 둘째, 미활용에너지를 적극 활용한다는 점이다. 상기 두 가지 조건 중 첫 번째 조건을 만족할 수 있도록, 전력 소비량을 더욱 증가시킬 수 있는 전기히트펌프(EHP)나 전열(電熱)장비는 고려 대상에서 제외하였고, LNG를 연료로 구동하는 설비를 지향하였다. 이러한 난방설비로는 보일러, 흡수식 냉온수기, 1종 흡수식 히트펌프와 2종 흡수식 히트펌프(heat transformer)가 있으며, 미활용에너지를 활용한다는 두 번째 조건을 만족할 수 있는 설비는 1종 흡수식 히트펌프와 2종 흡수식 히트펌프이다. 그 중 2종 흡수식 히트펌프는 1종에 비해 성적계수가 낮을뿐더러 요구되는 열원온도(약 60℃ 이상)가 석탄화력발전소의 배열 온도(약 30~40℃)보다 높기 때문에 적용하기 어려울 것으로 보았다.

따라서 Fig. 3과 같이 석탄화력발전소의 배열을 활용하면서 LNG를 연료로 난방열을 생산할 수 있도록 1종 흡수식 히트펌프를 도입한 구성안을 도출하였다. 발전소의 폐열이 부족하거나 난방부하가 클 경우, 기존 흡수식 냉온수기를 병렬 구동할 수 있도록 구성하였다. 흡수식 히트펌프의 구동열원을 Fig. 3의 점선으로 표기한 것처럼 발전소의 터빈 중압스팀을 추기해 공급하는 방법도 있으나, 터빈에 공급되는 증기의 유량이 감소분에 비해 전기 출력량은 더 크게 저감되는 단점⁽⁶⁾이 있어, 본 연구에서는 흡수식 히트펌프의 구동열원을 보일러에서 흡수식 히트펌프의 재생기로 공급하는 시스템을 구성하였다.

기존 흡수식 냉온수기는 LNG를 직접 연소하여 난방열을 생산하기 때문에 난방효율이 외부 인자들에 의해 크게 변화하지 않는 반면, 흡수식 히트펌프의 난방효율은 열에너지 네트워크에서 서로 연계된 설비들의 운전 패턴과 특성들이 변함에 따라 변동할 수 있으며, 소비하는 연료량도 상이할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 실측한 데이터들을 기반으로, 다양한 열원과 부하 조건에 따른 흡수식 히트펌프의 LNG 사용량을 계산하여 알고 있는 흡수식 냉온수기의 LNG 사용량과 비교를 통하여 에너지 저감효과를 보고자 한다.

3.1 시스템 개요

LNG를 연소하여 난방온수를 직접 가열하는 흡수식 냉온수기와 달리, 제1종 흡수식 히트펌프는 Fig. 4에서 나타난 바와 같이 중저온의 미활용에너지를 회수하여 온수를 생산하는 설비이다. 미활용에너지를 활용하는 흡수식 히트펌프의 연구는 시뮬레이션 연구를 중심으로 진행되었다. Baik et al.⁽⁷⁾은 50℃의 염색폐수열원을 이용하여 염색공정에 재이용 가능하도록 90℃ 이상의 공정수를 생산하는 증기압축식/흡수식 하이브리드 히트펌프 시스템을 시뮬레이션을 진행하였으며, Lee et al.⁽⁸⁾는 연간 안정된 수온을 갖는 하수처리수를 이용하여 냉난방을 하는 1중효용과 2중효용을 조합한 2단 사이클에 대한 시뮬레이션을 수행한 바 있다. Kim⁽⁹⁾은 17℃의 저온 하수열을 회수하여 50℃의 온수를 70℃로 승온시키는 2중효용 2단 흡수식 히트펌프를 모델링하였다. Yun⁽¹⁰⁾은 선박 엔진의 폐열원을 활용하여 전력을 사용하지 않고 냉방을 할 수 있는 냉각시스템 성능을 분석하였다. 문헌연구를 참고해, 중저온의 미활용에너지를 회수하는 1종 흡수식 히트펌프를 모델링하였다.

3.2 시스템 모델링

해당 사이트에 존재하는 중온(약 35~40℃)의 미활용에너지를 회수하여 60℃ 정도의 난방용 온수를 생산하는 것이 목적으로, 제1종 물-리튬브로마이드(H₂O-LiBr) 흡수식 히트펌프로 선정하고 기본적인 일중효용 시스템을 해석모델로 구축하였다. 제1종 흡수식 히트펌프의 주요 요소는 흡수기, 발생기, 응축기, 증발기, 중간열교환기(SHX, Solution Heat Exchanger)와 같은 열교환기들로써, 석탄화력발전의 복수열을 증발열원으로 활용하는 시스템의 개략도를 Fig. 4와 같이 나타내었다.

본 연구에 고려한 흡수식 히트펌프의 난방효과는 Fig. 4의 굵은 선으로 표현한 것과 같이 냉각수(coolant)가 흡수기(absorber)와 응축기를 거치면서 냉매증기 및 혼합용액(solution)과 열교환을 통해 얻는다. 흡수식 히트펌프의 사이클은 다음과 같이 구성된다. 흡수기에서 냉매(H₂O)가 흡수제(LiBr)에 흡수되어 농용액(strong solution)이 형성(10-1 과정, 6-1 과정)되면서 발생하는 흡수열은 냉각수와 열교환(13-14 과정)하여 냉각수의 온도를 승온시킨다. 온도가 상승한 냉각수는 응축기로 공급한다. 흡수기에서 농용액은 냉각수와 열교환 후, 펌프를 통해 승압(1-2 과정)된 후 중간열교환기를 거쳐 재생기로 향한다. 재생기에서는 외부열원을 공급받아 냉매는 증기형태로 응축기로 향하고(3-7 과정), 흡수제는 희용액(weak solution)이 되어(3-4 과정) 중간열교환기에서 농용액과 열교환(4-5 과정)을 한 후, 용액 팽창장치를 통해 감압(5-6 과정)된다. 재생기에서 증기상태로 이송된 냉매는 응축기에서 냉각수와 열교환(7-8 과정)을 통해 응축되어 포화액 상태로 된다. 그 과정에서 냉각수는 또 다시 온도가 상승(15-16 과정)하게 되어, 흡수식 히트펌프가 목표로 하는 온수가 생산된다. 액상태의 냉매는 팽창장치를 거치면서 단열팽창을 하고, 증발기로 향한다. 증발기에는 냉매는 석탄화력발전소의 복수열을 회수하여서 증발(9-10 과정)되어 포화증기 형태로 다시 흡수기로 유입됨으로써 흡수식 히트펌프의 사이클이 형성된다.

시스템 시뮬레이션을 위하여 문헌연구^(11~15)를 통하여, 시스템을 이루는 열교환기의 값과 유량 값과 같은 입력 조건들 Table 2와 같이 선정하였으며, 질량보존식, 에너지보존식, 물질보존식(species balance)을 적용하여 각 구성요소를 모델링하였다. 시뮬레이션의 단순화를 위하여 다음의 가정을 적용하였다.

∙시스템의 각 요소기기에서 열역학적 평형(steady)상태이다.

∙시스템의 각 요소기기 및 배관에서 열손실 및 압력손실은 무시한다.

∙팽창장치의 전후 과정은 등엔탈피 과정(isenthalpic process)이다.

∙펌프의 전후 과정은 등엔트로피 과정(isentropic process)이다.

∙응축기 출구의 냉매는 건도가 0인 포화액(saturated liquid; x = 0)이고, 증발기 출구의 냉매는 건도가 1인 포화증기(saturated vapor; x = 1)이다.

∙흡수제는 응축기와 증발기로 유입되지 않는다.

∙시스템 위치에 따른 냉매와 흡수제의 운동에너지와 위치에너지의 변화는 무시한다.

열교환기의 열전달계산 시 널리 사용되는 LMTD(log mean temperature difference) 방법은 열교환기를 통과하는 고온과 저온 유체 사이의 지수적인 감소를 반영한 평균 온도차와 정수화된 열전달계수 그리고 전열면적을 곱함으로써 열전달량을 용이하게 산출할 수 있다는 장점이 있다. 실제 상변화가 일어나는 응축기와 증발기의 경우, 열교환기 내부 위치에 따라 온도차나 열전달계수가 달라지므로, 이를 고려하여 응축기와 증발기를 등엔탈피 구간으로 나눠서 계산하였다. 모델링에서 초기값 설정이 중요하므로 참고문헌⁽¹²⁾의 설계조건들을 참조하여, Table 1에 나타난 바와 같이 모델링의 입력 변수로 설정하였다. 주어진 입력 변수에 따라, 흡수식 히트펌프의 고온과 저압, 희용액과 농용액의 LiBr 농도가 종속적으로 계산되며, 각 열교환기의 열량과 토출온도 그리고 COP가 산출된다.

계산 과정은 다음과 같다. 용액과 냉매의 유량, 흡수제의 농도, 고압과 저압 그리고 응축기 냉각수 출구온도 및 증발기 냉수 출구온도를 적정한 값으로 초기 가정을 한다. 그 후 초기 조건하에 주어진 응축기 냉각수 입구온도와 냉각수 유량을 통해 응축열량을 구하며, 주어진 냉수 입구온도와 냉수 유량을 통해 증발열량을 산출한다. 응축기와 증발기에서 상변화가 일어나는 것을 고려하여, 등 엔탈피 간격으로 나누어 각 부분의 LMTD와 를 계산한 후 합산한다. 모델링에서 산출된 와 주어진 값을 비교하고, 오차범위 내에 들어올 때 까지 Newton-Raphson 방법⁽¹⁶⁾으로 가정 값들을 재가정하고, 위의 계산을 반복한다. 이를 통해 흡수식 히트펌프의 저압, 고압, 농용액과 희용액의 LiBr 농도와 각 열교환기의 열교환량이 결정되고, 식(1)에 의해 흡수식 히트펌프의 성능계수(COP)가 산출된다.

이 해석모델을 검증하고자, 참고문헌⁽¹²⁾의 설계조건들을 해당 모델에 동일하게 적용하고 계산한 석탄화력발전소 복수열원의 온도(T_E,in)에 따른 흡수식 히트펌프의 COP와 생산열량을 Fig. 5와 같이 참고문헌⁽¹²⁾의 결과와 비교하여 나타내었다. Table 3에 나타낸 특정 온도 조건( T_E,in = 38℃)에서 해당 모델의 계산한 상태량과 참고문헌의 값과 비교한 결과, 냉수, 냉각수, 온수 출구온도가 모두 오차율 3% 이내에서 일치하고 COP는 0.35% 오차율을 보였다.

3.3 시뮬레이션 조건

앞서 개발한 흡수식 히트펌프의 모델을 활용한 시뮬레이션에 적용한 열원과 부하 조건은 다음과 같다. 흡수식 히트펌프 열원은 석탄화력발전소의 배열을 회수하게 되므로, Fig. 6과 같이 실측한 석탄화력발전소의 복수 온도 데이터 중 Fig. 7과 같이 일별로 나눠서 사용하였다. 겨울철 석탄화력발전소 냉각탑 입구온도는 시간에 따라 변동이 있으나, 35~40℃ 범위 내에서 운전되었다. 한편 부하 조건은 겨울철 흡수식 냉온수기가 생산한 난방열량과 동일하게 흡수식 히트펌프 모델이 생산한다는 조건을 부여하고, 2016년 11월 21일부터 25일까지의 5일간 부하 조건을 선정하였다. 겨울철 흡수식 냉온수기의 생산열량은 급수 및 환수 헤더에 온도센서와 초음파 유량계를 설치하여 Fig. 8과 같이 계측한 온도와 유량으로 산출하였으며, 이 때 소비한 LNG는 운전 시작과 종료 시점에 측정하여 일일 누적값으로 계측하였다. 다시 말해, 실측 데이터를 기반으로 앞서 개발한 흡수식 히트펌프의 모델에 적용하는 열원과 부하 패턴은 각각 5개씩 선정하고, Fig. 9에 나타내었다. 열원은 시간에 따라 큰 변화가 없는데 반해 부하는 오전 7~9시에 최대치가 발생하고 시간이 지나면서 줄어드는 패턴을 보였다. 이는 저녁시간 동안 차가워진 공간과 순환수를 승온시키기 위해 연속운전을 하다가, 공급수가 설정온도(50℃) 근처에 다다르면 온오프 제어에 의해 설비의 가동 유무가 결정되기 때문이다.