문선애
(Sun Ae Moon)
1
이태구
(Tae Gu Lee)
2†
강한기
(Han Ki Kwang)
3
-
유한대학교 건축설비공학과 조교수
(
Assistance Professor, Department of Building Systems Engineering, Yuhan University,
Bucheon, 14780, Korea
)
-
㈜한양그린기술 대표
(
President, Hanyang Green Technology, Seoul, 04778, Korea
)
-
㈜이젠엔지니어링 대표
(
President, EGEN Engineering, Seoul, 04778, Korea
)
Copyright © 2016, Society of Air-Conditioning and Refrigeration Engineers of Korea
Key words
Hybrid thermal storage system(혼합축열 시스템), Thermal storage performance(축열 성능), Total energy utilization efficiency(총괄에너지이용효율)
기호설명
$\eta_{te}$：
총괄에너지이용효율 [kWh/kWh]
$T_{1}$：
축열조 상부에서의 브라인 온도 [K]
$T_{3}$：
히트펌프 열교환기 출구에서 공기온도 [K]
$Q_{dis}$：
부하(냉수)측에서 측정한 누적 방열량 [kWh]
$W_{1-cycle}$：
축열 및 방열 1 cycle 동안의 누적 전력 소비량 [kWh]
$T_{2}$：
축열조 하부에서의 브라인 온도 [K]
1. 연구배경 및 목적
우리나라의 경우 2015년 전체 건물부문의 에너지 소비량은 최종에너지 소비량의 약 19%를 차지하고 있으며, 2035년까지 연간 2%의 소비 증가율을
보일 것으로 예상된다는 결과가 나온바 있다.(1) 특히 서울시의 경우 건물 에너지소비량이 매년 전체 서울시 에너지 소비량의 50%를 상회하는 것으로 나타나(2) 건물부문의 에너지소비량이 전체 에너지 소비량에 차지하는 비중을 짐작할 수 있다. 건물부문의 에너지 소비는 주로 여름철 및 겨울철에 발생하는 냉방
및 난방을 위한 전력 수요에 따른 것으로 알려져 있다. 일반용 전력 및 교육용 전력의 경우 난방용 수요에 의한 겨울철 전력수요가 전력 소비 증가를
주도하고 있는 것으로 나타났다.(3) 따라서 계절에 무관하게 건물의 냉방 및 난방용 전력의 수요관리가 요구되며 이에 적합한 방식으로 축열 시스템이 적용되고 있다. 한국전력공사의 ｢축열식
냉난방설비 기술규격｣(이하 “기술규격”)(4)에서는 하나의 축열조에 두 개 이상의 축열매체 또는 방법을 이용하여 냉열 또는 온열을 저장하였다가 방열하는 시스템을 혼합축열 시스템으로 정의하고 있다.
혼합 축열조 관련 선행연구로는 Lee et al.(5)이 냉․난방 잠열재가 혼합된 형태의 혼합축열 시스템의 냉방성능을 축열밀도를 채택하여 평가하였다. Jang(6)은 축열식 히트펌프 냉난방 시스템의 성능 해석을 통해 히트펌프의 주간과 야간 운전시 능력과 소비전력을 분석하고 전력요율을 적용한 전력비용을 분석한
바가 있다.
제로에너지건축물 인증 의무화 등에 따른 단열성능 강화 및 전산기기 발열 부하 등으로 인하여 발생하는 냉방 및 난방부하 간의 불균형 또한 효과적으로
완화시킬 수 있는 대안이 필요하다.
따라서 여름철 우수한 축열성능을 가진 빙축열식과 겨울철 난방도 가능한 수축열식의 장점을 활용할 수 있는 혼합축열 시스템이 전력 수요관리 대응 및 제로에너지건축물
인증 의무화 등에 의한 냉방과 난방과의 과도한 부하 차이 등을 효과적으로 완화시킬 수 있는 대안으로 적용되고 있다.
본 연구에서는 빙축열식에 기반한 축열조를 제작하여 여름철에는 심야전력을 활용하여 생산한 저온브라인으로 아이스캡슐을 얼려 얼음을 저장하였다가 주간에
냉방에 활용하고 겨울에는 고온브라인을 저장하였다가 주간에 난방 열원으로 이용하는 혼합축열 시스템을 채택하였다. 시스템의 축열 성능을 분석하기 위하여
실제 냉온열이 필요한 현장에 설치하고 모의부하를 이용하여 기술규격에서 제시하는 조건으로 현장 실증시험을 실시하고 그 결과를 분석하였다.
2. 혼합축열 시스템
본 연구에 적용된 혼합축열 시스템의 개념을 Fig. 1에 나타내었다. 그림을 살펴보면 시스템을 구성하는 주요 구성부품은 열원기기인 히트펌프, 축열조, 펌프, 부하측 장치 및 자동제어시스템 등이다. 히트펌프는
심야전력을 사용하여 저온 및 고온의 브라인을 생산하는 에너지 절약적인 열공급장치이다. 축열조는 심야에 축열운전을 통하여 냉방시에는 266 K 정도의
저온 브라인이 아이스캡슐을 얼려 저장되고, 난방시에는 328 K 정도의 고온 브라인이 저장되는 탱크이다. 펌프는 축열, 방열 운전시 브라인을 축열조,
히트펌프, 부하측으로 순환시키는 역할을 하며 배관 중에 설치된 자동제어밸브는 브라인의 흐름방향과 온도를 일정하게 하는 역할을 한다. 자동제어시스템은
축열 및 방열과정에서 축열조의 상부 및 하부에서 브라인 온도에 의하여 중앙제어반에서 디지털 온도조절기로 조정이 가능하며, 히트펌프의 입․출구에서 브라인
온도를 감지하여 히트펌프의 운전을 제어할 수 있다.
Fig. 1 Schematic of hybrid thermal storage system.
3. 축열 성능 시험 장치 및 평가 지표
3.1 축열 성능 시험 장치
3.1.1 실증 시험 대상 건물
혼합축열 시스템의 실증 시험 대상 건물 개요를 Table 1에 나타내었다. 시험 대상 건물은 경기도 김포시 위치한 1층 건물로써 연면적 및 냉방면적은 각각 922 m$^{2}$ 및 297 m$^{2}$이다.
단위 냉방부하 및 난방부하는 각각 234.9 W/m$^{2}$ 및 76.7 W/m$^{2}$이다.
Table 1. Building specification of the test
|
Items
|
Contents
|
|
Building Name/Building Site/Completion Year
|
J Plastic/Kimpo, Gyeonggi-do/2000
|
|
Principal Usage/Type
|
Industrial /1 Story-Building
|
|
Building Area
|
Total Floor Area [m$^{2}$]
|
922
|
|
Cooling/Heating Area [m$^{2}$]
|
297
|
|
Operation Hours
|
Cooling Mode
|
Jun~September(4 months), 8~18 o'clock(10 hours)
|
|
Heating Mode
|
November~March(4 months), 8~18 o'clock(10 hours)
|
|
Load
|
Cooling
|
Unit [W/m$^{2}$]
|
234.9
|
|
Peak [W]
|
60,015
|
|
Terminal Unit [W]
|
69,751
|
|
Heating
|
Unit [W/m$^{2}$]
|
76.7
|
|
Peak [W]
|
18,128
|
|
Terminal Unit [W]
|
22,080
|
3.1.2 실증 시험 장치 및 시험 방법
본 연구에서 현장에 구축한 실증 시험 장치의 세부 사양을 Table 2에 나타내었다. 히트펌프의 냉방 능력 및 입력 전력은 각각 42 kW 및 10.8 kW이고 축열조 부피는 9.97 m$^{3}$이다.
Table 2. Specification of mechanical equipment for the test system
|
Equipment
|
Item
|
Contents
|
|
Heat Pump
|
Manufacturer
|
SAMSUNG
|
|
Model No./Quantity [ea]
|
AG012KSVAHH1/2
|
|
Compressor Type
|
SSC SCROLL×2
|
|
Capacity
|
Cooling [kW]/Input Power [kW]
|
42/10.8
|
|
Heating [kW]/Input Power [kW]
|
42/10.4
|
|
Power
|
Phase [Φ], Volt [V]
|
3, 380
|
|
Refrigerant/Type of Fan
|
R-410A/Type of Fan
|
|
Inlet/Outlet connections [A]
|
40
|
|
Body Dimensions(W×H×D) [mm]
|
1,795×1,695×765
|
|
Weight[kg]/Operation Current [A]
|
446/32(Max.)
|
|
Thermal
Storage
Tank
|
Manufacturer/Quantity [ea]
|
EGEN Engineering Co., Ltd./2
|
|
Operation Temperature [K]
|
Cooling
|
Lowest 268.5/Highest 272.4
|
|
Heating
|
Lowest 313.2/Highest 328.2
|
|
Dimensions
|
Outside/Inside(D×H) [m]
|
2.45×2.35/2.35×2.3
|
|
Volume [m$^{3}$]
|
9.97
|
|
Storage
Medium
|
Cooling/Heating
|
Ice capsule/Hot Brine
|
|
Total Volume [m$^{3}$]
|
9.673
|
|
Fluid Volume of Tank Inside [m$^{3}$]
|
9.97
|
|
Circulation Medium
|
Brine Type
|
ethylene glycol 22% water solution
|
|
Charging
|
Flow [m$^{3}$/s]
|
Cooling/Heating
|
3.55×10$^{-3}$/1.71×10$^{-3}$
|
|
Temperature [K]
|
Cooling
|
Inlet/Outlet
|
268.5/272.4
|
|
Heating
|
Inlet/Outlet
|
313.2/328.2
|
|
Discharging
|
Flow [m$^{3}$/s]
|
Cooling/Heating
|
4.0×10$^{-3}$/4.0×10$^{-3}$
|
|
Temperature [K]
|
Cooling
|
Inlet/Outlet
|
285.2/280.2
|
|
Heating
|
Inlet/Outlet
|
313.2/328.2
|
|
Ice Packing Factor [%]
|
100
|
|
Circulation Pump
|
Manufacturer/ Model No./Type
|
LG-WILO/PIL-5005D/In-line
|
|
Flow [m$^{3}$/s]/Head [m]/Power [kW]
|
4.0×10$^{-3}$/23/3.8
|
Fig. 2 Modes of the system for cooling and heating test.
실증 시험 장치의 냉방 및 난방 시험을 위한 운전 모드를 Fig. 2에 나타내었다. 냉방운전과 난방 운전 모두 축열과 방열 운전을 포함하고 있다. 그림을 살펴보면 냉방 운전시 축열을 위해서 히프펌프에서 생산된 저온브라인이
축열조 하부로 유입되었다가 히트펌프로 순환한다. 방열 운전에서는 축열조 하부에서 유출된 저온브라인이 부하측으로 공급되어 순환한다. 반면 난방 운전시에는
축열 및 방열을 위한 고온브라인은 축열조 상부를 통해 유입 및 유출되는 것을 알 수 있다.
시험방법은 기술규격을 준용하였고 시험결과의 신뢰성을 높이기 위해 냉방 및 난방 축열 성능 시험을 각각 3회 실시하였다.
3.2 축열 성능 평가 지표
본 연구에서는 축열 성능 평가 지료로써 기술규격에서 제시하고 있는 총괄에너지이용효율을 설정하였다. 식 (1)에 나타낸 바와 같이 총괄에너지이용효율은 축열 및 방열 1 Cycle 동안의 누적 방열량을 누적 전력소비량으로 나눈 값이 기준치를 상회하는지 평가하며.
총 3회 이상 반복 시험하여 평균치로 평가한다. 이 경우 누적 방열량은 부하측 입․출구 온도와 유량을 측정하여 계산하였다. 공기열원 방식의 경우 총괄에너지이용효율
기준치는 냉열 및 온열인 경우 각각 1.74 kWh/kWh 및 1.86 kWh/kWh이다.
4. 냉방 및 난방 축열 성능 시험 결과
4.1 냉방 축열 성능 시험 결과
Fig. 3 Temperatures, accumulated energy according to the elapsed time of the cooling test.
냉방 축열 성능 시험 중 3회차의 결과를 Fig. 3에 나타내었다. Fig. 3(a)는 시험 경과시간에 따른 축열조 상부에서의 브라인 온도($T_{1}$), 하부에서의 브라인 온도($T_{2}$) 및 히트펌프의 열교환기 출구 공기온도($T_{3}$)를
나타내었다. 축열 운전 및 방열 운전은 각각 10시간 및 14시간 정도 수행되었다. 축열 운전이 진행됨에 따라 히트펌프에서 축열조 하부로 유입되는
브라인 온도는 시험 경과 7시간 이후부터 266 K 정도까지 낮아져 축열조에 저장되고 있다. 방열 운전 구간에서 축열조 하부로 유출되는 브라인 온도는
시험 경과 10시간 이후부터 283 K 정도로 유지되며 부하측으로 공급되고 있는 것을 알 수 있다. 히트펌프의 열교환기에서 방출되는 공기온도는 열교환기가
응축기 역할을 담당하므로 응축열 방출로 인하여 지속적으로 온도가 상승하다가 방열 운전 이후부터 하강한 후 유지되는 것으로 나타났다.
Fig. 3(b)는 시험 경과시간에 따라 부하측에서 측정한 누적 방열량과 축열 및 방열 1 cycle 동안에 누적되는 전력소비량 변동을 나타내고 있다. 축열 운전이
진행되고 있는 구간에서 누적 축열량은 점진적으로 증가하고 있으며, 방열 운전시에는 축열이 없으므로 누적 축열량의 변화가 없음을 알 수 있다. 반면
방열량은 축열 운전 구간에서는 값이 측정되지 않으며 방열 운전 이후부터는 지속적으로 증가하고 있음을 알 수 있다. 이를 토대로 축열 운전과 방열 운전이
정상적으로 이루어지고 있음을 확인 할 수 있다. 누적되는 전력 소비량은 축열 운전 구간에서는 급격하게 증가하다가 방열 운전 구간에서는 미약하게 증가하고
있다. 축열 운전에서는 히트펌프 및 순환펌프가 운전되기 때문에 전력소모량이 많아지지만, 방열 운전에서는 순환 펌프만 운전되기 때문에 사용되는 전력량이
미약하기 때문이다. 따라서 주간의 피크 부하를 완화시키는 효과가 있음을 보여준다.
총 3회 수행한 냉방 축열 성능 시험 결과를 Table 3에 나타내었다. 표를 살펴보면 총괄에너지 이용효율을 평균 계산한 결과 냉방의 경우, 2.15 kWh/kWh로 계산되었고 이는 기술규격에서 제시한 기준치인
1.74 kWhl/kWh를 23.6% 정도 초과하여 충족하고 있다.
Table 3. Results of the cooling test
|
Items
|
Contents
|
Reference Value
|
Results
|
|
First
|
Second
|
Third
|
Average
|
|
Test Conditions
|
Heat Pump
|
Inlet Air Temperature [K]
|
303.2
|
305.7
|
304.1
|
303.2
|
304.3
|
|
Charging Operation Hours
|
less 10 hours
|
10 h
|
9 h 20 min
|
9 h 50 min
|
9 h 43 min
|
|
Test times
|
More than 3
|
date
|
10 July
|
13 July
|
14 July
|
-
|
|
Results of
the Test
|
Power Consumption Rate [kWh]
|
Charging
|
-
|
275.3
|
305.9
|
304.7.
|
295.3
|
|
Discharging
|
-
|
15.3
|
17.2
|
23.3
|
18.6
|
|
Total
|
-
|
290.6
|
323.1
|
328.0
|
313.9
|
|
Discharging Heat Rate [kWh]
|
-
|
610.3
|
725.6
|
692.8
|
676.2
|
|
Total Energy Use Efficiency [kWh/kWh]
|
1.74
|
2.10
|
2.24
|
2.11
|
2.15
|
4.2 난방 축열 성능 시험 결과
난방 축열 성능 시험 중 3회차의 결과를 Fig. 4에 나타내었다. Fig. 4(a)는 시험 경과시간에 따른 축열조 상부에서의 브라인 온도($T_{1}$), 하부에서의 브라인 온도($T_{2}$) 및 히트펌프의 열교환기 출구 공기온도($T_{3}$)를
나타내었다. 난방인 경우 축열 및 방열 운전은 각각 5시간 및 17시간 정도 수행되었다. 축열 운전이 진행됨에 따라 히트 펌프에서 축열조 상부로 유입되는
브라인 온도는 시험 경과 4시간 이후부터 328 K 정도까지 상승하여 축열조에 저장되고 있음을 알 수 있다. 방열 운전구간에서 축열조 상부로 유출되는
브라인 온도는 시험 경과 5시간 20분 이후부터 314 K 정도로 유지되며 부하측으로 공급되고 있는 것을 알 수 있다. 히트펌프의 열교환기에서 방출되는
공기온도는 축열 운전 구간에서는 열교환기가 증발기 역할을 담당하므로 증발열을 냉매측으로 전달한 후 하강하는 것으로 나타났다.
Fig. 4(b)는 시험 경과시간에 따라 부하측에서 측정한 누적 방열량과 축열 및 방열 1 cycle 동안에 누적되는 전력소비량 변동을 나타내고 있다. 축열 운전이
진행되고 있는 구간에서 누적 축열량은 점진적으로 증가되고 있으며, 방열 운전 구간에서는 축열량이 없으므로 누적 축열량의 변동이 없음을 알 수 있다.
누적 소비 전력량은 축열 운전 구간에서는 히트펌프의 운전으로 인하여 증가하다가 방열 운전 구간인 시험 경과 17시간 이전까지는 크게 변동이 없었다.
시험 경과 17시간 이후부터 누적 소비전력량이 증가하고 있는 것은 히트펌프가 난방 모드로 축열조 방열 운전과 함께 운전되기 때문이다. 한편 누적
방열량은 축열 운전시에는 값이 측정되지 않으며 방열 운전 이후부터는 지속적으로 증가하고 있음을 알 수 있다. 이를 토대로 축열 운전과 방열 운전이
정상적으로 수행되고 있음을 알 수 있다.
총 3회 수행한 난방 축열 성능 시험 결과를 Table 4에 나타내었다. 표를 살펴보면 총괄에너지 이용효율을 평균 계산한 결과 난방의 경우, 2.59 kWh/kWh로 계산되었고 이는 기술규격에서 제시한 기준치인
1.86 kWh/kWh을 39.2% 정도 초과하여 충족하고 있다.
Fig. 4 Temperatures, accumulated energy according to the elapsed time of the heating test.
Table 4. Results of the heating test
|
Items
|
Contents
|
Reference Value
|
Results
|
|
First
|
Second
|
Third
|
Average
|
|
Test Conditions
|
Heat Pump
|
Inlet Air Temperature [K]
|
280.2
|
280.3
|
280.3
|
280.4
|
208.3
|
|
Charging Operation Hours
|
less 10 hours
|
4 h 40 min
|
4 h 10 min
|
5 h 10 min
|
4 h 40 min
|
|
Test times
|
More than 3
|
date
|
4 July
|
5 July
|
6 July
|
-
|
|
Results of
the Test
|
Power Consumption Rate [kWh]
|
Charging
|
-
|
132.0
|
113.2
|
143.6
|
129.6
|
|
Discharging
|
-
|
72.7
|
104.0
|
63.9
|
80.2
|
|
Total
|
-
|
204.7
|
217.2
|
207.5
|
209.8
|
|
Discharging Heat Rate [kWh]
|
-
|
528.0
|
572.4
|
535.3
|
545.2
|
|
Total Energy Use Efficiency [kWh/kWh]
|
1.86
|
2.57
|
2.63
|
2.58
|
2.59
|
5. 결 론
본 연구에서는 현장 실증시험을 통하여 혼합축열 시스템의 축열 성능을 분석하여 다음과 같은 결과를 도출하였다.
(1) 혼합축열 시스템은 심야시간에 히트펌프를 가동시켜 여름에는 얼음을 저장하고, 겨울에는 고온브라인을 저장하여 주간시간에 건물의 냉방 및 난방에
이용하는 시스템으로써 기존 빙축열 및 수축열 시스템의 장점을 활용하고 냉방 및 난방 부하간의 불균형을 완화시킬 수 있어 축열조 공간을 충분히 확보하기
어려운 도심의 중소형 건물에 활용이 기대된다.
(2) 본 연구에서는 실제 현장에 히트펌프, 혼합축열조, 펌프, 자동제어시스템 및 모의부하장치로 구성된 혼합축열 시스템 실증시험 장치를 구축하였고
한국전력공사의 축열식 냉난방설비 기술규격을 준용하여 냉방 및 난방 축열 성능 시험을 수행하였다.
(3) 총 3회의 냉방 및 난방 축열 성능 시험을 수행하여 총괄에너지 이용효율의 평균을 계산한 결과 냉방 및 난방의 경우 각각 2.15 kWh/kWh
및 2.59 kWh/kWh로 산출되어 기술규격의 기준치를 각각 23.6% 및 39.2% 정도 초과하여 충족하였다.