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Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

ISO Journal TitleKorean J. Air-Cond. Refrig. Eng.

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ISSN : 1229-6422 (Print)
ISSN : 2465-7611 (Online)

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Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

Korean J. Air-Cond. Refrig. Eng. Vol. 30, No. 4, p.167-174

ISSN (print) :

1229-6422

ISSN (online) :

2465-7611

Received : 28 December 2017Revised : 5 February 2018Accepted : 9 February 2018

DOI :

https://doi.org/10.6110/KJACR.2018.30.4.167

축열식 지열원 히트펌프 시스템의 냉방기간 실증운전 결과 및 운영비용 분석

Empirical Results and Operational Cost Analysis of Geothermal Heat Pump System using Thermal Energy Storage in Cooling Season

김득원 (Deukwon Kim) ¹ 이동원 (Dongwon Lee) ¹^† 허재혁 (Jaehyeok Heo) ¹ 김민휘 (Minhwi Kim) ¹

한국에너지기술연구원 태양열융합연구실 (Korea Institute of Energy Research, 152 Gajeong-ro, Yuseong-gu, Daejeon, 34129, Korea)

^†Corresponding author, E-mail: dwlee@kier.re.kr

License :

No part of this publication may be reproduced or distributed in any form or any means, or stored in a data base or retrieval system, without the prior permission of the publisher(www.sarek.or.kr).

Abstract

The geothermal heat pump systems were installed for heating and cooling of public buildings in Jincheon Eco-friendly Energy town. The heat pump system was operated at night to save on operational costs, and the cold heat was stored in thermal energy storage (TES). In this study, the performance of geothermal heat pump systems with the TES during the summer season was analyzed, and the operational costs with and without the TES were compared. The electric chiller model was used to simulate a heat pump applied without the TES system. Electric rates of each system were measured to calculate operational costs. When the TES is used in the air conditioning system, the electric load (30.4 MWh) calculated in the daytime can move to off-peak load time, and the operational cost is reduced by 36~54%.

Key words

축열조(Thermal energy storage), 지열원 히트펌프(Geothermal heat pump), 심야전력(Midnight power), 전력부하 평준화(Power load leveling)

기호설명

C_p：비열 [kJ/(kg·℃)]

$\dot{m}$ _p：축열조 순환 유량 [kg/s]

$\dot{m}$ _i,1：통합제어관리실 순환 유량 [kg/s]

$\dot{m}$ _i,2：열교환기 부하측 순환 유량 [kg/s]

T：입출구 온도 [℃]

P_E：냉동기 소비전력 [kW]

T_CHWS：증발기 출수온도(부하측 온도) [℃]

T_CNDS：응축기 출수온도(열원측 온도) [℃]

Q_E：증발기 열용량 [kW]

Q_avail：냉동기 냉방용량 [kW]

Q_ref：기준조건 냉동기 냉방용량 [kW]

CapFTemp：작동온도에 따른 냉동용량계수

COP：냉동기 성능계수

EIRFTemp：투입에너지-냉각출력 비율(최대부하)

EIRFPLR：투입에너지-냉각출력 비율(부분부하)

PLR：부분부하율

FL：최대부하

PL：부분부하

1. 서론

산업 발전과 쾌적한 환경에 대한 요구가 확대되면서 전력수요는 지속적으로 증가하고 있으며, 이와 함께 계절간 및 주야간 전력수요의 불균형도 심화되고 있다. 전력수요의 불균형은 Fig. 1과 Fig. 2에서 확인할 수 있는데, Fig. 1은 2006년부터 2016년까지 국내 월별 최대 전력수요의 변화를 나타낸 그래프로, 냉난방 수요가 급증하는 여름철 및 겨울철에 전력수요가 집중되어 계절 간 큰 불균형을 보이고 있다. 한편, Fig. 2는 2016년 여름철 및 겨울철 최대 전력수요일의 시간대별 전력수요를 나타낸 그래프로, 활동이 많은 주간시간대에는 전력사용량이 급증하는 반면 심야시간대에는 상대적으로 감소하여 주야간 전력수요의 불균형을 보여주고 있다.⁽¹⁾ 이러한 전력수요 불균형은 불안정한 전력공급을 야기할 뿐만 아니라 최대 전력부하에 맞추어 건설되는 발전설비의 설계용량을 증가시키는 원인이 되므로, 산업, 상업, 주거 등 전 부분에 걸쳐 전력부하 평준화를 위한 노력이 절실히 필요하다.

Fig. 1. Monthly maximum power demand change in 2006~ 2016.

Fig. 2. Hourly power demand of maximum power demand day in 2016.

전력부하 평준화를 위한 방법 중 하나로 배터리를 사용하여 전력을 저장하는 축전과 축열조에 열에너지를 저장하는 축열 등의 에너지 저장기술이 있는데, 축열 기술은 축전 기술보다 기술적 난이도가 낮아 전력부하 평준화에 보다 직접적으로 기여할 수 있다.⁽²⁾ 한편 전술한 최대 전력부하의 상당부분은 냉난방을 위한 공조설비 운전을 위한 것이므로, 축열 시스템이 결합된 공조 시스템은 전력부하 평준화에 큰 도움이 된다. 공조용 축열 시스템에는 물의 현열을 이용하는 수축열 시스템과 물이 얼음으로 상변화할 때 필요한 잠열을 이용하는 빙축열 시스템이 대표적이다. 빙축열 시스템은 축열조 부피가 큰 수축열 시스템의 단점을 극복할 수 있지만, 공조에 필요한 냉수보다 저온의 얼음을 만들기 때문에 냉동기 성능이 저하되고 부피가 작아 동절기 난방용 축열조로 겸용하기 힘들다는 단점이 있다.⁽³⁾ 따라서 최근에는 냉열 및 온열 생산이 가능한 히트펌프 보급이 확대되면서 냉난방 겸용으로 사용되는 수축열 시스템이 증가하고 있다.

공조용 수축열 시스템과 관련된 연구는 오랫동안 지속되어 왔다. Ryu et al.⁽⁴⁾는 수축열조 효율개선을 위해 축열조 내분배기를 수직방향으로 개선하는 연구를 수행하였으며, Kim et al.⁽⁵⁾는 SCW(스탠딩 컬럼 웰) 방식을 이용한 지열원 히트펌프 시스템과 냉온수 축열 방식을 조합한 냉난방 시스템에 대한 실증시험을 수행하여 주요 열적성능에 대한 결과의 적합성을 확인하였다. Choi et al.⁽⁶⁾는 수축열식 히트펌프 냉난방 시스템의 실증연구를 통해 수축열 시스템의 안전성 및 신뢰성 시험을 통해 지열원 수축열식 공조 시스템의 에너지 절감 효과를 확인하였고, Tian and Zhao⁽⁷⁾는 수축열 시스템에 사용되는 다양한 축열매체를 비교하여 이상적인 축열매체를 찾는 연구를 진행하였다. 이처럼 축열식 시스템과 관련된 기존연구에서는 축열조 내부설계 및 축열매체 성능평가와 냉난방 시스템 관련 다양한 연구들이 진행되었으며, 이를 통해 수축열 시스템의 안정성 및 열적성능에 대한 검증이 이루어졌다.

본 연구에서는 수축열 시스템이 적용된 지열원 히트펌프 시스템의 냉방운전을 대상으로, 경부하 시간대 (23시~9시) 전력을 사용한 축열식 시스템의 실증데이터와 시뮬레이션이 적용된 비축열식 시스템의 데이터를 비교하였다. 이를 통해 축열식 시스템의 전력부하 평준화 기여도와 축열조 사용 유무에 따른 전력요금을 비교하였고, 실증단지에 구성된 축열식 지열원 히트펌프 시스템의 타당성과 운영비용 감소에 따른 경제성을 확인하였다.

2. 실증운전 설비 및 모니터링

2.1 실증운전 설비

본 연구 대상인 축열식 공조 시스템은 신재생에너지를 이용하여 지역단위 에너지 자립을 실현하고 있는 진천 친환경 에너지타운 내 일부 설비로써, Fig. 3과 같이 구성되어 있다. 지열원 히트펌프의 용량은 50 RT(175 kW) 이고 지열교환기는 150 m 깊이로 총 24개가 설치되었으며, 히트펌프는 경부하시간대에 운전되어 약 5℃의 냉수를 심야축열조(200 m³)에 저장한다. 축열조에 저장된 냉수는 열교환기(평판형, 열용량 375,000 kcal/hr)를 거쳐 주간시간대(9시~23시)에 복수의 공공건물에 공급되고 약 15℃로 환수된다. 지열교환기와 히트펌프, 그리고 히트펌프와 축열조 사이의 순환펌프 2대(7.5 kW, 5.5 kW)와 축열조에서 부하측으로 냉수를 공급하는 순환펌프 3대(5.5 kW, 0.8 kW, 55 kW) 등도 함께 설치되었다.

Fig. 3. System configuration of geothermal heat pump system.

2.2 모니터링

실증 시스템에는 압력계 5개, 유량계 5개, 온도센서(RTD) 20개, 전력량계 6개 등이 설치되었다. 압력계와 유량계는 각각 주요 배관을 흐르는 작동유체의 압력과 유량을, 그리고 온도센서는 Fig. 3에 표시된 부분 외에 축열조 내 수직방향 구간별 온도를 측정한다. 전력량계는 순환펌프 및 히트펌프의 소비전력을 측정한다. 측정된 데이터는 30초 간격으로 엑셀파일에 기록되었으며, 본 연구에서는 2017년 6월 1일~2017년 10월 16일 사이의 냉방운전 데이터를 분석하였다.

3. 평가 방법

3.1 열량 계산

축열식 지열원 히트펌프 시스템에 설치된 온도센서와 유량계에서 측정된 데이터를 이용하여, 히트펌프에서 생산된 열량과 부하측에 공급한 냉방부하량을 다음과 같이 각각 계산하였다.

(1)

Q_{p} = C_{p} {\dot{m}}_{p} Δ T

(2)

Q_{p} = C_{p} {\dot{m}}_{p} Δ T Q_{l} = C_{p} {\dot{m}}_{l, 1} Δ T + C_{p} {\dot{m}}_{l, 2} Δ T

여기서 냉방부하량 Q_l은 심야축열조에서 통합제어관리실 외 3개의 공공건물로 열교환기를 통해 공급하는 냉열량과, 별도의 열교환기를 거치지 않고 통합제어실로 공급하는 냉열량의 합이다.

3.2 전력량 계산

축열조 이용에 따른 효과를 분석하기 위해 실증운전된 축열식 공조 시스템 외에 축열조가 이용되지 않은 시스템을 가정하여, 각 시스템의 소비전력에 따른 전력량 및 전력요금을 비교하였다. 축열조를 이용하지 않은 시스템의 소비전력은 히트펌프와 축열조 사이 순환펌프와 축열조를 제거한 시스템으로 가정하여 Energy plus 프로그램에 적용되는 Electric chiller model⁽⁸⁾을 적용하여 예측하였다.

3.2.1 Electric chiller model

축열조를 이용하지 않는 시스템에서 축열식과 동일한 냉방용 열량을 생산하기 위한 히트펌프와 순환펌프의 소비전력을 예측하였다. 순환펌프는 on/off 타입의 펌프이므로 측정된 각 순환펌프의 평균 소비전력을 적용하여 계산을 하였다. 히트펌프의 소비전력은 측정된 냉방 공급온도와 지열원측 온도를 변수로 electric chiller model에 적용하여 예측하였다. Electric chiller model을 구성하기 위해 지열원 히트펌프의 증발기 출구온도, 응축기 출구온도, 냉방열량, 소비전력 등의 포인트별 데이터를 이용하였으며, 모델을 구성하기 위한 식은 식(3)~식(12)와 같다.

(3)

C A P F T = Q_{E} / Q_{r e f}

(4)

C a p F T e m p = a_{0} + (a_{1} T_{C H W S}) + (a_{2} T_{C H W S}^{2}) + (a_{3} T_{C N D S}) + (a_{4} T_{C N D S}^{2}) + (a_{5} T_{C H W S} T_{C N D S})

(5)

E I R F T = P_{E} / (P_{r e f} C A P F T)

(6)

E I R F T e m p = b_{0} + (b_{1} T_{C H W S}) + (b_{2} T_{C H W S}^{2}) + (b_{3} T_{C N D S}) + (b_{4} T_{C N D S}^{2}) + (b_{5} T_{C H W S} T_{C N D S})

(7)

c h i l l e r E I R F P L R = P_{E} / (P_{r e f} C a p F T e m p * E I R T e m p *)

(8)

E I R F P L R = c_{0} + (c_{1} T_{C N D S}) + (c_{2} T_{C N D S}^{2}) + (c_{3} P L R) + (c_{4} P L R^{2}) + (c_{5} T_{C N D S} P L R) + (c_{6} P L R^{3})

(9)

P_{E} = (Q_{a v a i l}) (1 / C O P_{r e f}) (E I R F T e m p) (E I R F P L R)

(10)

Q_{a v a i l} = Q_{r e f} (C a p F T e m p)

(11)

P L R = Q_{E} / Q_{a v a i l}

(12)

C O P = Q_{E} / P_{E}

Q_ref은 기준조건에서의 냉방용량을 의미하는데 대상 데이터 중 최대 냉방용량을 선택하였고, P_ref는 기준조건에서의 냉동기의 소비전력을 의미한다. 식(3)은 최대부하와 부분부하를 구분하는 계산식으로 CAPFT 값이 0.85 이상이면 최대부하조건을, 0.85 미만이면 부분부하 조건을 의미한다. 모델을 구성하기 위해 a_i, b_i, c_i 계수를 계산해야 하는데, 최대부하조건의 데이터를 선정 후 식(3)과 식(4)의 값이 동일하다는 조건하에 a_i값을 계산하며, 식(5)와 식(6)의 값이 동일하다는 조건하에 b_i값을 계산한다. a_i , b_i값이 결정되면 최대부하 및 부분부하 데이터를 기준으로 식(7)과 식(8)값이 동일하다는 조건하에 c_i값을 계산할 수 있다. 식(7)의 *기호는 측정치를 의미하며, 최대부하와 부분부하 등 모든 경우에 적용이 가능하다. a_i, b_i, c_i 계수를 계산 후 CapFTemp, EIRFTemp, EIRFPLR의 모든 값을 구할 수 있으므로 히트펌프의 소비전력을 계산할 수 있다. 식(9)는 냉동기 소비전력을 의미하며 COP_ref는 기준조건인 최대 냉방용량 조건에서의 냉동기 성능계수를 의미한다.

모델을 구성하기 위해 2017년 8월 30일 23:07:40~2017년 8월 31일 01:49:47까지 측정된 데이터 중 최대 부하조건의 데이터를 선정하였는데, 총 데이터 개수는 325개 이다. Table 1과 Table 2는 응축수 출수온도, 증발기 출수온도, 냉동용량 및 소비전력의 측정값과 최대부하조건 및 부분부하 조건에서의 모델을 구성하기 위한 식(3) ~ 식(11)의 계산값을 표기하였다. 이를 통한 모델을 구성하는 계수는 Table 3에 나타내었다. 대상 데이터 중 최대 냉방용량은 8월 30일 23:09:40에 측정된 171.2 kW이며, 이때의 소비전력은 34.2 kW이다.

Table 1. Sample of data and calculation of data set, 2017. 08. 30.~2017. 08. 31.

DATE	TIME	TCNDS	TCHWS	QE	PE	CAPFT	CapFTemp	EIRFT	EIRFTemp
DATE	TIME	Measurements				Calculation
8/30	23:07:40	24.9	8.3	153.54	34.70	0.8968	0.9756	1.130	1.031
8/30	23:08:10	24.8	8.3	160.52	34.40	0.9376	0.9780	1.072	1.027
8/30	23:08:40	24.7	8.3	160.40	34.23	0.9369	0.9804	1.067	1.022
8/31	01:48:17	30.3	7.7	145.54	37.17	0.8501	0.8501	1.277	1.278
8/31	01:48:47	30.3	7.7	145.16	37.18	0.8478	0.8501	1.281	1.278
8/31	01:49:17	30.3	7.7	141.55	37.21	0.8268	0.8501	1.315	1.278
8/31	01:49:47	30.4	7.7	142.41	37.17	0.8318	0.8471	1.306	1.283

Table 2. Calculation of data set, 2017. 08. 30.~2017. 08. 31.

DATE	TIME	Qavail	PLR	chillerEIRFPLR	EIRFPLR	Pchiller	FL	PL
DATE	TIME	Calculation
8/30	23:07:40	167.0	0.9192	1.0080	0.9820	34.32	X
8/30	23:08:10	167.4	0.9586	1.0012	0.9820	34.25	X
8/30	23:08:40	167.9	0.9556	0.9978	0.9810	34.14	X
8/31	01:48:17	145.5	1.0000	0.9998	0.9994	32.72	X
8/31	01:48:47	145.5	0.9974	1.0001	0.9994	32.72		X
8/31	01:49:17	145.5	0.9726	1.0009	0.9995	32.72		X
8/31	01:49:47	145.0	0.9819	0.9993	0.9992	32.72		X

Table 3. Coefficients of electric chiller model

Item	Value	Item	Value	Item	Value
a₀ a₁ a₂ a₃ a₄ a₅	1.55334 0.01858 -0.00587 -0.01482 -0.00044 0.00152	b₀ b₁ b₂ b₃ b₄ b₅	0.01124 0.06976 -0.00260 0.00896 0.00075 -0.00034	c0 c₁ c₂ c₃ c₄ c₅ c₆	0.04280 0.06551 -0.00100 0.05296 0.01631 -0.00734 0.04541

Item

Value

Item

Value

Item

Value

a₀

a₁

a₂

a₃

a₄

a₅

1.55334

0.01858

-0.00587

-0.01482

-0.00044

0.00152

b₀

b₁

b₂

b₃

b₄

b₅

0.01124

0.06976

-0.00260

0.00896

0.00075

-0.00034

c₁

c₂

c₃

c₄

c₅

c₆

0.04280

0.06551

-0.00100

0.05296

0.01631

-0.00734

0.04541

구성된 모델을 검증하기 위해 2017년 6월, 7월, 8월, 9월, 10월(10/16까지)에 측정된 히트펌프의 전력량과 모델을 적용하여 계산된 전력량을 비교하였으며, 비교결과는 Table 4와 같이 3.64%~5.75%의 오차를 보인다.

Table 4. Validation results of the model

	Estimated, MWh	Calculated, MWh	Error, %
June July August September October	4.220 7.279 8.268 4.587 0.896	4.066 6.958 7.851 4.323 0.856	-3.64 -4.41 -5.04 -5.75 -4.46

Estimated, MWh

Calculated, MWh

Error, %

June

July

August

September

October

4.220

7.279

8.268

4.587

0.896

4.066

6.958

7.851

4.323

0.856

-3.64

-4.41

-5.04

-5.75

-4.46

3.3 경제성 평가 방법

축열식 지열원 히트펌프 시스템의 경제성 평가는 축열조 사용 유무에 따른 전체 시스템의 전력요금 비교를 통해 수행하였다, 측정 및 예측된 소비전력량을 기준으로 한국전력공사에서 공시된 전력요금 산출 방법에 따라 계산하였는데,⁽⁹⁾ 전력요금은 진천 친환경 에너지타운에 적용되고 있는 일반용 전력(을) 고압A 선택Ⅱ를 기준 으로 계산하였다. 총 전력요금은 기본요금, 전력량요금, 부가가치세, 전력기반기금이 포함된 값이며, 기본요금은 계약전력에 따라 적용되는 요금으로 본 연구에서는 계약전력을 300 kW, 요금적용전력 90 kW 를 기준으로 산정하였다. 전력량요금은 사용한 전력만큼 부과되는 요금으로 계절별 및 시간대에 따라 적용되는 단위 금액이 다르며, Table 5에 기본요금과 각 시기의 전력량요금 단위가격을 나타내었다. 부가가치세와 전력기반기금은 기본요금과 전력량요금의 합에 각각 10%와 3.7%로 더해지는 금액이다.

Table 5. Demand charge and energy charge

Demand charge, won/kW	Energy charge, won/kWh
8,320	Time period	Summer(6/1~8/31)	Fall(9/1~10/31)
	off-peak load	56.1	56.1
	mid-load	109.0	78.6
	peak-load	191.1	109.3

4. 실증운전 결과 및 경제성 분석

4.1 실증운전 결과

4.1.1 측정결과

축열식 지열원 히트펌프 시스템의 주요 성능평가 지표로서 히트펌프의 성능, 열원 및 생산된 냉열 온도를 분석하였는데, 그 결과는 Fig. 4와 같다. 분석된 히트펌프의 COP는 설계값인 4.69와 유사한 값으로, 지열원 히트펌프의 운전성능이 설계치에 근접함을 확인하였다. 지열측 열원 온도와 히트펌프에서 생산되어 축열조로 공급된 냉수의 온도는 Fig. 5와 같으며, 열원측 평균온도는 28.4℃, 생산된 냉수 평균온도는 6.2℃였다.

Fig. 4. Performance results of geothermal heat pump.

Fig. 5. Temperature of heat source and cooling load.

4.1.2 전력부하 평준화 효과

Fig. 6은 축열 시스템을 통한 전력부하 평준화 효과를 나타낸 그래프로써, 축열조를 사용하지 않는 비축열식 (type 1)과 축열식(type 2) 공조 시스템이 6월 1일부터 10월 16일까지 각 시간별 사용한 총 소비전력량을 나타내고 있다. Type 1은 전술한 방법에 의해 예측한 값인데 경부하시간대 일부 전력사용이 나타난 것은 오전 9시 이전에 냉방이 시작되었기 때문이다. 한편, type 2는 실증운전을 통해 측정된 값이며, 주간시간대 전력사용은 축열량이 부족한 경우 주간시간대 히트펌프 운전에 따른 소비전력과 축열된 냉열을 부하측으로 공급하기 위한 방열용 순환펌프의 소비전력이 있었기 때문이다. 이 그림에서는 축열식 및 비축열식 각 시스템이 동일하게 사용한 방열용 순환펌프 소비전력량 12.2 MWh를 제외하였는데, 이 경우 type 1의 총 소비전력량은 32.1 MWh이고 이 중 주간시간대에 30.4 MWh를 사용한 것으로 예측되었다. 한편, type 2의 총 소비전력량은 34.7 MWh이며 이 중 경부하시간대에 31.7 MWh를 사용한 것으로 측정되었다. 이를 통해 본 실증연구에서 운용한 축열식 공조 시스템은 주간시간대 소비전력량 30.4 MWh를 경부하시간대로 이전시키는 전력부하 평준화 효과를 보여주었다고 판단된다.

Fig. 6. Total power consumption comparison of Type 1 and Type 2.

4.2 전력요금 절감 효과

축열조 사용유무에 따라 전력요금을 비교한 결과는 Fig. 7과 같다. 6월, 7월, 8월에는 경부하시간대 전력을 이용하는 축열식이 비축열식의 경우보다 전력량요금 기준 35.9%~54.3%의 감소효과를 보였고, 기본요금 등이 포함된 총 전력요금은 26.2%~40.2% 절감됨을 확인하였다. 하지만 9월과 10월은 축열식 전력요금이 비축열식의 경우보다 전력량요금 기준 3.3%~11.4% 상승하였으며, 총 전력요금은 1.4~1.6% 상승하였다. 이는 비축열식의 경우 축열조 순환펌프가 없어 전체 소비전력량이 감소한 것과, 봄 및 가을철에 적용된 중간부하 및 최대부하시간대 단위 전력요금의 감소로 인한 결과이다.

Fig. 7. Electric rate comparison in summer season.

5. 결 론

본 연구에서는 진천 친환경 에너지타운에 설치된 50 RT급 축열식 지열원 히트펌프 시스템을 이용하여 여름철 복수의 공공건물에 냉열을 공급하는 실증운전 결과를 분석하였다. 이와 함께 비축열 시스템인 경우를 가정하여 Electric Chiller model을 적용한 시뮬레이션을 통해 동일한 냉열량을 생산하기 위해 필요한 소비전력량과 전력요금 등을 추정하여 비교하였다. 냉방기간 축열식 지열원 히트펌프 시스템의 실증 운전 결과 및 경제성 평가를 정리하면 다음과 같다.

(1) 축열식 공조 시스템은 비축열식의 주간시간대에 소비전력량 42.1 MWh 중 30.4 MWh(72.1%)를 경부하 시간대로 이동시킴으로써, 전력부하 평준화에 크게 기여함을 알 수 있었다.

(2) 냉방기간 발생된 축열식 공조 시스템의 총 전력량요금은 3,697천 원이었으며, 비축열식은 6,092천 원으로 예측되어, 약 39.3%의 전력량요금이 절감되었다.

(3) 전체 설비의 용량이 고려된 기본요금과 기타요금을 포함한 총 전력요금은 축열식이 8,460천 원이었으며, 비축열식이 11,183천 원으로 예측되어 약 24.3%의 전력요금이 절감되었다.

이처럼 축열식 공조 시스템은 전력수요가 적은 경부하(심야)시간대 전력으로 열에너지를 생산 및 저장하였다가 주간시간대에 공급함으로써, 주간시간대에 집중된 에너지 수요의 불균형을 해소하는 효과적인 수단임을 알 수 있었다. 축열식 공조 시스템은 국가적으로는 최대 전력수요를 감소시켜 안정적인 전력공급과 발전설비 용량의 감축에 기여하며, 소비자는 전력요금을 절감할 수 있어 경제성을 기대할 수 있는 것으로 판단되었다.

본 연구에서는 수축열 시스템과 결합된 지열원 히트펌프 시스템의 운영비용 절감에 따른 경제성을 분석하였다. 본 연구의 배경인 진천 친환경 에너지타운에는 지열원 히트펌프와 결합된 심야 축열 시스템뿐만 아니라 태양열 시스템과 결합된 계간 축열 시스템이 설비되어있다. 향후, 계간 축열 시스템의 열성능 분석과 LCC(life cycle cost)분석을 통한 친환경 에너지타운에 설치된 축열 시스템의 경제성을 분석할 예정이다.

후 기

본 연구는 과학기술정보통신부의 재원으로 연구재단의 지원을 받아 수행한 연구 과제(NRF-2015M3D2A1032742) 입니다.

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KJACRKorean Journal ofAir-Conditioning and Refrigeration Engineering

Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

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Empirical Results and Operational Cost Analysis of Geothermal Heat Pump System using Thermal Energy Storage in Cooling Season

Abstract

Key words

기호설명

1. 서론

Fig. 1. Monthly maximum power demand change in 2006~ 2016.

Fig. 2. Hourly power demand of maximum power demand day in 2016.

2. 실증운전 설비 및 모니터링

2.1 실증운전 설비

Fig. 3. System configuration of geothermal heat pump system.

2.2 모니터링

3. 평가 방법

3.1 열량 계산

(1)

(2)

3.2 전력량 계산

3.2.1 Electric chiller model

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

Table 1. Sample of data and calculation of data set, 2017. 08. 30.~2017. 08. 31.

Table 2. Calculation of data set, 2017. 08. 30.~2017. 08. 31.

Table 3. Coefficients of electric chiller model

Table 4. Validation results of the model

3.3 경제성 평가 방법

Table 5. Demand charge and energy charge

4. 실증운전 결과 및 경제성 분석

4.1 실증운전 결과

4.1.1 측정결과

Fig. 4. Performance results of geothermal heat pump.

Fig. 5. Temperature of heat source and cooling load.

4.1.2 전력부하 평준화 효과

Fig. 6. Total power consumption comparison of Type 1 and Type 2.

4.2 전력요금 절감 효과

Fig. 7. Electric rate comparison in summer season.

5. 결 론

후 기

References

Article Information (continued)

Key words

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Air-Conditioning and Refrigeration Engineering