2.1 진천 친환경에너지타운

진천 친환경에너지타운은 충북 혁신도시 내 진천군에 위치한 수질복원센터(하수처리장) 및 인근 공공건물을 대상으로 구축되었다(Fig. 1 참조). 신재생 전기 및 열에너지 설비를 복합 설치하고 생산되는 친환경에너지를 인근에 건설된 공공건물에 공급하여 연간 전기 및 열에너지에 대한 100% 자립을 목표로 하고 있다. 에너지 수요 대상은 진천군에서 건설한 공공건물인 도서관, 어린이집, 보건지소, 청소년 문화센터, 서전고등학교 그리고 기계실 및 홍보실 등으로 사용하는 통합제어관리실 등 6개 건물이다. 시범사업을 통해 수질복원센터 및 인근 유휴부지에 신재생에너지 설비들을 설치하고, 태양에너지는 물론 지열 및 하수 처리수의 배열 등도 함께 이용하도록 하였다. 설치되는 신재생에너지 설비는 태양광발전, 연료전지, 태양열. 하수열/지열 히트펌프 시스템 등이며, 이 외 계간축열조 및 심야축열조도 함께 설치하였다.⁽¹⁷⁾

Fig. 2와 같이, 진천 친환경에너지타운은 지열 히트펌프(175 kW)를 우선 설치하여 2016년 1월부터 어린이집과 보건지소를 대상으로 부분적인 열에너지공급이 시작되었으며, 통합제어관리실 내에 하수열 히트펌프(181 kW), 계간축열 연계 히트펌프(181 kW), 심야축열조(200 m2)를 추가로 구축하였다. 2017년 1월부터 태양열(1,600 m2)을 이용한 계간축열시스템(4,000 m3)의 시험가동이 시작되었으며, 서전고등학교, 도서관, 청소년 문화센터 일정에 맞추어 냉방 및 온열 공급을 지속적으로 실시하였다. 신재생 전기에너지 설비로 공공건물 지붕, 주차장 지붕, 유휴부지 등에 태양광 설비를 850 kW 설치하고 발전 시스템을 가동하여 전력 생산 및 판매를 시작하였다.

Fig. 1 Overview of Jincheon eco-friendly energy town.

Fig. 2 Overview of Jincheon eco-friendly energy town.

2017년 6월부터 2019년 5월까지의 2년간의 실증운전을 수행한 결과, 연평균 온열 605 MWh, 냉열 141 MWh를 친환경에너지타운에 공급하여 열에너지 자립을 달성하였으며, 타운 내 태양광 설비를 통한 연평균 발전량은 1059.6 MWh로, 연평균 소비전력 764.4 MWh 대비 139%를 달성하여 전기 에너지의 경우도 타운규모의 넷제로(Net Zero)를 넘어 넷플러스(Net Plus)를 실현하였다.⁽¹⁸⁾

2.2 분산형 열네트워크 구현 및 직팽식 태양열 히트펌프 개요

기존 열네트워크에서 추가로 조성되는 건물을 프로슈머로 변화시키는 경우, 네트워크상에 태양열 시스템만을 위한 추가적인 배관 연결보다는 건물에서 열을 충분히 사용한 뒤, 잉여열을 네트워크로 공급하여 열 프로슈머로 구현하는 방안이 효과적이다. 기존 연구에서는 분산형 신재생에너지시스템이 적용된 지역난방 시스템은 다음과 같이, 다양한 방안으로 구현할 수 있다. 환수에서 받은 물에 잉여열을 포함하여 다시 환수관으로 보내는 방식 (Return to Return, R/R), 급수에서 받은 온수에 다시 잉여열을 포함하여 급수로 보내는 방식(Supply to Supply, S/S), 급수에서 받은 온수에 잉여열을 포함한 후 환수로 보내는 방식(Supply to Return, S/R), 그리고 환수에서 받은 물을 데워 다시 급수로 보내는 방식(Return to Supply, R/S)이 있다.⁽⁷⁾ 이러한 방식의 열 프로슈머 구현은 태양열시스템뿐만 아니라, 태양광과 히트펌프가 접목된 시스템, 태양열기반 히트펌프시스템, 연료전지 배열 활용 시스템에 대한 구성 또한 가능하다.

현재 진천 친환경에너지타운의 열 공급방식은 냉난방 배관과 급탕배관을 나눈 4관 방식을 적용하고 있다. 이때, 급탕배관에서 공급되는 열이 낮은 경우, 레지오넬라균이 발생할 수 있으므로, 각 건물마다 레지오넬라균을 사멸시킬 수 있는 60℃의 온수로 승온시키는 추가적인 전기히터가 설치되어 있다. 전기히터 용량은 8 kW이며, 1차 급탕탱크 용량은 50 Liter, 2차 급탕 전기히터가 설치된 급탕탱크 용량은 30 Liter이며, 급탕열 순환 펌프 동력은 300 W이다. 현재 전기히터의 가동은 건물의 운영시간에 맞추어 수동으로 작동되며, 급탕탱크에 설정된 설정온도를 유지하도록 on/off 방식으로 운전된다. 이러한 급탕시설은, 항시 전기히터가 작동하여 건물별로 전력소비량이 많으므로, 열 프로슈머가 급탕열 네트워크의 승온을 담당하도록 운영계획을 수립하였다. 이에, Fig. 3과 같이, 네트워크에서 받아온 급탕열을 다시 히트펌프가 승온을 하여 각 건물의 급탕탱크로 저장하도록 설계하였다. 이때, 급탕탱크의 온도가 60℃ 이상이 될 경우, 네트워크로 보내 네트워크의 온도를 상승시키도록 설정하였다. 어린이집의 급탕부하가 없는 경우, 축열조 하단으로 60℃의 열이 급탕 열 네트워크 측으로 공급 되며, 네트워크의 환수측 온도를 55℃ 이상 유지하도록 운영된다. 55℃ 온수가 중앙공급설비를 지나 다시 급수 배관으로 공급되면, 각 건물의 온수탱크가 50℃ 이상 유지될 것 운영 시나리오를 설정하였다.

Fig. 3 Schematic of heat prosumer for domestic hot water network.

Fig. 4 Simulation overview.

3.1 직팽식 태양열 히트펌프 모델

본 연구에서는 선행문헌⁽¹⁵⁾에서 제시된 실험데이터를 바탕으로 직팽식 태양열 히트펌프에 대한 운영 모델을 도출하였다. 선행문헌의 실험에 사용된 직팽식 태양열 히트펌프는 2.1 m2의 unglazed bare-plate 타입의 태양열 집열기/증발기로 구성되어 있으며 40°로 경사면에 설치되었다. 히트펌프는 420 W용량의 컴프레서를 사용하고, R134a 냉매를 적용하였으며, 200 Liter의 온수탱크와 연결되어 실험을 진행하였다. 본 선행문헌에서는 직팽식 히트펌프에 대한 가을 및 겨울철 운영 실험결과에 대해 나타내었다. 실험은 2017년 9월부터 2018년 1월까지의 운영데이터를 나타내었으며, 실험시간동안의 평균 COP를 결과로 나타내었다. 주요 변수는 외기온도($T_{a}$), 평균 일사량($I_{m}$), 풍속($u_{m}$), 초기 물온도($T_{w,\:i}$), 최종 물온도($T_{w,\:o}$), 그리고 COP(Coefficient Of Performance)이다. 이때, 실험은 초기 물 온도에서 최종 설정 물 온도까지 운영이 되었으며, 최종 설정 물 온도에 도달하여 운영된 결과를 바탕으로 하였으므로, 본 연구에서는 최종 물 온도($T_{w}$)를 온수 생산 기준으로 선정하였다. 본 실험결과를 바탕으로 실험에 대한 분석과 주요변수에 대한 분석 및 예측모델 도출에 뛰어난 성능을 가진 Design-Expert⁽¹⁹⁾ 프로그램을 활용하여, Table 1과 식(1)과 같이 분석 모델을 도출하였다. 본 모델의 R2는 91.1%, Adjusted R2는 89.7%, Predicted R2는 85.5% C.V는 4.38%를 나타내어 모델의 신뢰도가 높은 것을 확인할 수 있었다.

시뮬레이션 연구를 위해 적용된 직팽식 태양열 히트펌프는 8.5 kW의 정격 열출력 용량을 가지며, 정격 소비전력은 2.21 kW이다. 직팽식 태양열 패널의 기준 면적은 1.36 m2이고 사이즈는 1700×800×22 mm3이다. 패널당 중량은 6.2 kg이며, 0.7 liter의 내용적을 가진다. 히트펌프의 최대온도는 69℃이다.

본 연구에서는 시뮬레이션을 위해 진천 친환경에너지타운의 외기조건 및 설치면의 경사면 일사량, 타운 내 급탕 공급 및 환수온도, 그리고 어린이집(열 프로슈머)의 급탕 설정온도에 대한 운영 데이터를 획득하였다. 어린이집의 급탕 설정온도는 60℃의 온수를 생산하는 것으로 설정하였다. 이러한 실험데이터를 바탕으로 급탕 공급을 위한 히트펌프 운영 시 COP를 식(1)을 통해 도출하고, 이를 바탕으로 생산열량 및 전력소비량을 산정하여, 시뮬레이션을 진행하였다.

4.1 기존 급탕설비 운영 결과

Fig. 5에서는 진천 친환경에너지타운의 공공건물 급탕 공급량 및 개별 축열조의 전력소비량을 나타내었다. 그 결과, 통합제어관리실에서 태양열 및 계간축열 시스템을 활용하여 2018년 9월부터 2020년 1월까지 총 147.4 MWh의 급탕에너지를 공급한 것으로 확인되었으며 이는 연 평균 104.1 MWh/y의 열량을 공급한 것임을 알 수 있었다. 이때, 급탕시스템을 운영하기 위한 펌프와 건물별 급탕조의 전기히터에 소비되는 에너지는 연 평균 37.4 MWh/y인 것을 확인할 수 있었다. 이중 어린이집에서 사용되는 급탕에너지 소비량이 7.6 MWh/y로 전체 건물의 급탕에너지 소비량의 20%를 차지하여, 고등학교 다음으로 많은 급탕에너지 소비량을 보이는 것으로 확인되었다. 고등학교의 경우 방학과 같이 학교 운영 변동이 많은데 반해, 어린이집의 경우 연중 주말을 제외한 평일 급탕에너지 소비량이 일정한 것으로 확인되었다.

일반적인 태양열 집열기가 적용된 태양열 시스템과 더불어, 직팽식 태양열 히트펌프의 경우에도 여름철 일사량이 많은 시간대에 집열된 열을 저장하거나 활용하지 못할 경우, 과열의 문제가 발생될 수 있다. 이러한 과열은 집열기 뿐만 아니라, 태양열 시스템 전체의 손상에 문제가 예상되므로, 연중 급탕 부하가 꾸준한 건물에 사용하는 것이 적합하다. 이에, 어린이집이 태양열시스템을 기반으로 한 열 프로슈머 구현에 적합한 것으로 파악되었다. 또한, 어린이집의 전력소비량 중 급탕에너지가 차지하는 비중이 29%를 차지하면서, 이에 대한 에너지 절감시 어린이집의 운영에너지 절감에 효과적일 것으로 예측되었다.

Fig. 5 Hot water supply from management center and electric energy consumption of individual electric heater.

4.2 열 프로슈머 운영 결과

열 프로슈머로 운영을 예측하기 위한 직팽식 태양열 히트펌프에 입력된 데이터는 다음과 같다. 외기온도, 일사량은 측정된 데이터를 기반으로 분석하였다. 측정된 외기 온도는 Fig. 6과 같다. 본 히트펌프는 기계실에서 60℃의 온수를 생산하는 것으로 분석을 진행하였다. 히트펌프의 운영을 통해, Fig. 2에서와 같이 직팽식 태양열 히트펌프에서 출구측(T3)으로 60℃의 온수를 생산하고, 축열조에 저장된다. 이때, 어린이집의 급탕부하가 없는 경우, 축열조 하단(T1)으로 60℃의 열이 급탕 네트워크측으로 공급된다. 이후 네트워크의 환수측 온도를 55℃ 이상 유지하도록 운영된다. 이때, 55℃ 온수가 중앙공급설비를 지나, 다시 급수배관으로 공급되면, 각 건물의 온수탱크가 50℃ 이상 유지될 것으로 예측된다. 이러한 운전시, 직팽식 태양열 히트펌프의 COP는 연평균 3.5를 나타내며, 냉방기간동안 4.5~4.0, 난방기간동안 3.8~2.7을 보이는 것으로 나타났다(Fig. 6 참조). Table 2에서는 월별 평균 외기온도, 일사량, 타운 내 전체 급탕부하, 직팽식 태양열 히트펌프의 COP, 전력소비량 및 생산열량을 나타내었다.

Fig. 7에서는 진천 친환경에너지타운에서 측정된 타운 내 전체 건물의 급탕용 전기히터 전력사용량(Conventional electric heater)을 나타내었다. 이를 바탕으로 본 급탕부하를 직팽식 태양열 히트펌프가 담당하는 경우 소비되는 전력량과, 직팽식 태양열 히트펌프가 담당하지 못하는 시간대에 기존 전기히터의 운영에 따른 전력소비량(electric heater with DXSHP)을 나타내어, 기존 방식 대비 직팽식 태양열 히트펌프 적용에 따른 전력소비량 절감효과를 나타내었다. 이때, 두 가지 시뮬레이션이 진행되었다. 먼저, 직팽식 태양열 히트펌프가 어린이집의 급탕부하만 담당하도록 운영될 경우, 어린이집의 급탕측 전력 절감율은 72.8%를 나타내었으며, 이는 타운 내 건물의 급탕생산 소비전력을 17.2% 절감하는 효과를 얻을 수 있을 것으로 파악되었다. 두 번째로, 열 프로슈머로서 어린이집에서 타운 내 열에너지 공급이 되는 경우, 직팽식 태양열 히트펌프가 담당할 수 있는 열은 전체 타운 급탕량의 56.1%에 이르는 것으로 나타났으며, 이때 타운 내 건물의 급탕 생산 소비전력의 37.7%를 절감할 수 있는 것으로 나타났다(Fig. 7 참조).

Fig. 6 Outdoor air conditions and COP of the heat pump.

Fig. 7 Operating energy consumption of the conventional hot water system and proposed system.