김민휘
(Min-Hwi Kim)
1
이동원
(Dong-Won Lee)
†
김득원
(Deuk-won Kim)
3
허재혁
(Jaehyoek Heo)
2
-
한국에너지기술연구원 선임연구원
(
Senior Researcher, Korea Institute of Energy Research, 152 Gajeong-ro, Daejeon, 34129,
Korea
)
-
한국에너지기술연구원 책임연구원
(
Principle Researcher, Korea Institute of Energy Research, 152 Gajeong-ro, Daejeon,
34129, Korea
)
-
한국에너지기술연구원 기술원
(
Engineer, Korea Institute of Energy Research, 152 Gajeong-ro, Daejeon, 34129, Korea
)
Copyright © 2016, Society of Air-Conditioning and Refrigeration Engineers of Korea
Key words
Thermal network(열 네트워크), District cooling and heating(지역냉난방), Bi-directional heat supply/heat trade(양방향 열공급/열거래), Jincheon eco-friendly energy town(진천 친환경에너지타운)
기호설명
$F_{c1}$：
열네트워크 공공건물측 배관 유량 [Liter/min]
$F_{c2}$：
열네트워크 학교측 배관 유량 [Liter/min]
$F_{s1}$：
학교측 GHP 배관 유량 [Liter/min]
$F_{s2}$：
열네트워크 학교측 배관 유량 [Liter/min]
$T_{c1}$：
열네트워크 공급배관 온도 [℃]
$T_{c2}$：
열네트워크 환수배관 온도 [℃]
$T_{c3}$：
열네트워크 학교측 환수배관 온도 [℃]
$T_{c4}$：
열네트워크 공공건물측 환수배관 온도 [℃]
$T_{s1}$：
학교 GHP 입구 온도 [℃]
$T_{s2}$：
학교 GHP 출구 온도 [℃]
$T_{s3}$：
학교측 열교환기 입구 온도 [℃]
$T_{s4}$：
학교측 열교환기 출구 온도 [℃]
1. 서 론
범국가적인 기후변화 대응을 위해 신재생 및 미활용 에너지의 적극적인 이용이 요구되고 있다. 이에 따라 신재생 및 미활용 열에너지를 지역난방에 적용하기
위한 연구가 이어져오고 있으며,(1-2) 4세대 지역난방과 같이 60℃ 수준의 저온 열에너지를 공급하는 열 네트워크에 대한 연구도 진행되고 있다.(3) 또한 중대규모 열병합발전을 기반으로 하는 중앙공급방식 지역난방이 한계를 보임에 따라, 에너지 수요처에 근접하거나 생산이 용이한 여러 곳에 열에너지
생산설비를 갖추는 분산형 지역난방에 대한 연구도 관심을 받고 있다. 신재생 및 미활용 열에너지 설비의 설치 공간이 지역 내 분산되면서 열에너지 공유에
대응하기 위한 연구가 진행되고 있고,(4-5) 개별건물의 이러한 열에너지 설비를 지역난방과 연계시키기 위한 열에너지 프로슈머를 구현하는 방안에 대한 연구도 활발하게 수행되고 있다.(6-10)
개별건물에 설치되어 지역난방에 연계될 수 있는 설비로는, 기존 연구들에서와 같이 기상상태에 따라 생산량이 변동하는 패시브적 태양열 시스템과 함께 지열원/수열원
히트펌프와 같은 액티브적 신재생 열에너지 설비들이 제시되는 것이 일반적이다. 그러나 주간시간대 전력부하를 감소시켜 발전설비 증대 억제 효과가 있는
축열식 히트펌프와 흡수식 히트펌프 등도 효과적인 열에너지 프로슈머로써 활용할 수 있을 것이다.
최근까지 지역난방에서의 열에너지 프로슈머와 관련된 다양한 연구들이 진행되어 왔다. Brange et al.(6)에서는 지역난방에서 작은 규모의 프로슈머 적용 가능성을 살펴보고, 다양한 건물 종류에 따른 환경적 영향을 살펴보았다. 그 결과, 프로슈머를 통해 얻을
수 있는 열이 연간 열에너지 수요의 50%~120%까지 담당할 수 있는 것으로 나타났다. Brand et al.(7)은 지역난방에 태양열 시스템과 히트펌프를 적용하여 프로슈머를 구성하는 경우, 공급온도, 유량, 유속과 배관 내 압력에 따른 영향을 시뮬레이션을 통해
분석하였다. Zanghirella et al.(8)에서는 열병합발전설비가 적용된 지역난방에서 신재생에너지로부터, 특히 태양열 공급량을 확대시키기 위한 프로슈머 구현 가능성을 분석하였다. 그 결과,
겨울철에는 태양열 시스템을 설치할수록 열병합발전 설비의 연료 소비량을 절감할 수 있었으나, 열부하가 작은 여름철에는 태양열 시스템의 설치 증가가 전력부하의
절감으로 이어지지 못하여 연료 소비절감은 적은 것으로 나타났다. Ancona et al.(9)은 네 가지 다른 지역난방 열 네트워크에서 양방향 열 네트워크를 구성하기 위한 연결 방안을 구현하였으며, Sanchez et al.(10)는 스마트 듀얼 열 네트워크 컨셉을 제안하고, 기존 지역난방에 신재생에너지 시스템이 적용된 건물을 연결하는 경우 잉여 열에너지에 대한 건물 간 양방향
열교환의 가능성을 시뮬레이션을 통해 분석하였다. 또한 지역냉방의 경우 추가적인 냉방설비 구축 없이, 건물의 흡수식 히트펌프를 활용하여 냉열을 공급하는
방안에 대해서 분석하였다.
이러한 연구결과들에서 알 수 있는바와 같이, 열에너지 프로슈머 구현을 위한 양방향 열 네트워크에 대한 연구는 대부분 시뮬레이션을 통해 진행되어 왔다.
그러나 양방향 열 네트워크는 각 프로슈머가 보유한 열에너지 설비를 통해 열에너지를 받거나 공급할 수 있어야 하며, 배관의 압력변화 여부와 냉난방 공급수의
적정온도를 안정적으로 유지할 수 있는지를 실험을 통해 검증해야 할 필요가 있다.
본 연구에서는 분산형 양방향 열 네트워크 구현 방안을 제안하고, 제안된 양방향 열 네트워크 설비 제어방식을 통해 적정 냉난방 수급이 가능한지를 실험적으로
검토하고자 하였다. 이를 위해, 기존 진천 친환경에너지타운에 구축되어 있는 신재생 열원 이용 소규모 중앙공급방식 열 네트워크를 수정하여 양방향 열
네트워크를 구현하였다. 또 하나의 열에너지 프로슈머로서 흡수식 히트펌프가 설치되어 있는 건물을 선정하였으며, 여름철 및 겨울철 실증 실험을 통해 양뱡향
열공급 및 열거래 적용 가능성을 검증하였다.
2. 양방향 열네트워크 시스템 개요
2.1 진천 친환경에너지타운 개요
진천 친환경에너지타운은 충북 혁신도시 내 진천군에 위치한 수질복원센터 및 인근 공공건물을 대상으로 구축되었다. 신재생 전력 및 열에너지 설비를 복합
설치하고 생산되는 친환경에너지를 인근에 건설된 공공건물에 공급하여 연간 전력 및 열에너지에 대한 100% 자립을 목표로 하고 있다. 에너지 공급 대상은
진천군 및 진천교육청에서 건설한 도서관, 어린이집, 보건지소, 청소년 문화센터, S고등학교이며, 이 외 기계실 및 홍보실 등으로 사용하는 통합제어실
등 6개 건물이다.
진천 친환경에너지타운은 1,600 ㎡의 태양열 시스템과 4,000 ㎥의 계간축열조를 기반으로 연중 안정적으로 난방 및 급탕용 열에너지를 공급하는 것을
목적으로 2016년 말 구축 완료되었다(Fig. 1 참조). 보조열원 설비로 지열원 및 하수처리수열원 히트펌프, 그리고 계간축열조 내 저온의 잉여열을 증발열원으로 활용하기 위한 히트펌프 등 175
kW급 히트펌프 3대(총 525 kW)도 함께 설치하였다. 공공건물 및 주차장 지붕, 유휴부지 등에는 총 850 kW급 태양광발전 설비를 설치하였는데,
생산된 전력은 판매하고 필요한 전력은 계통전력을 이용함으로써 전력의 네트 제로를 실현하고 있다.(11)
Fig. 1 Overview of Jincheon eco-friendly energy town/Solar thermal system at town.
보조열원 설비로써 사용하는 총 350 kW급의 지열원 및 하수처리수열원 히트펌프는 여름철 냉수를 생산할 수 있으므로, 공조부하가 큰 학교를 제외한
공공건물에는 여름철 냉방용 냉수도 공급하고 있다. 학교는 냉방설비로써 별도의 약 1,000 kW급 (가스 직화)흡수식 히트펌프를 설치하여 사용하고
있으며, 이에 따라 학교 측 기계실은 공급되는 온열을 받을 수 있는 열교환기와 자체 흡수식 히트펌프를 운전하여 생산된 냉열을 각각 실내 측에 공급할
수 있도록 배관이 구성되어 있다.
2.2 양방향 열 네트워크 구현 개요
진천 친환경에너지타운에서는 태양열 시스템에서 생산된 온열을 계간축열조에 저장하였다가 공급한다. 4월부터 10월까지는 온수급탕부하만 있으므로 남는 온열을
계간축열조에 저장하고, 11월부터는 고등학교를 포함한 6개 공공건물에 난방용으로도 공급한다. 1월 중순 이후 계간축열조 내 온열이 소진되면 히트펌프를
이용하여 온열을 생산해서 공급하는데, 이 기간 중에도 계간축열조 상부에 태양열 생산 온열이 저장되면 우선적으로 이 온열을 먼저 공급하는 방식이다.(12)
히트펌프는 경부하시간대 운전하여 별도의 심야축열조에 저장하였다가 주간시간대 부하 측으로 공급되는데, 사용하는 일반용(을) 전력요금은 최대부하시간대
전력요금이 경부하시간대의 약 3배 정도로 비싸기 때문이다. 따라서 심야축열조에 저장된 냉온열을 소진하여 최대부하시간대를 포함한 주간시간대에 히트펌프를
추가로 운전하게 되는 경우에는 냉온열 생산비가 상당히 상승하게 된다. 이 경우 학교에 설치된 흡수식 히트펌프를 운전하여 생산된 냉온열을 다른 공공건물로
공급할 수 있다면, 타운 내 최대전력부하 저감과 에너지 비용 절감에 기여할 수 있다. 흡수식 히트펌프의 에너지원인 가스요금은 시간대와 무관하게 일정하기
때문이다.
Fig. 2 Overall bi-directional block heating & cooling network.
Fig. 3 Heat pump with thermal storage and absorption heat pump at each prosumer buildings
이에, 본 연구에서는 기 구축되어 있는 열 네트워크인 배관망의 일부를 수정 보완하여 양방향 열공급이 가능하도록 하였다. 즉, Fig. 2와 같이 기존 통합제어실 외에 학교 건물을 열에너지 프로슈머로 설정하고, 필요 시 학교에 설치된 흡수식 히트펌프를 활용하여 냉온열을 생산하여 공급할
수 있도록 하였다. 기존에 실선으로 열에너지 공급이 이루어지던 방식에서, 점선과 같은 방향으로도 열에너지 공급이 가능하도록 한 것이다. 즉, 통합제어실과
학교가 각각 열에너지 프로슈머이며, 태양열 시스템 외에 통합제어실 및 학교에 설치된 Fig. 3과 같은 축열식 히트펌프와 흡수식 히트펌프가 공공건물의 냉난방을 지원하는 열원생산 설비로서 역할을 하게 된다.
3. 열에너지 프로슈머 열공급 제어로직
학교 건물을 또 하나의 열에너지 프로슈머로 활용하는 양방향 열 네트워크 구현을 위하여 수정 보완된 배관도는 Fig. 4(a)와 같다. 이 그림에서 실선으로 표현된 것은 기존 배관이며, 붉은점선으로 표시한 배관 및 밸브들은 양방향 열공급 실증운전을 위해 추가로 설치한 것이다.
Fig. 4(b)는 난방운전 기간 중의 기존 온열공급 방식으로서, 통합제어실 내 태양열과 히트펌프 시스템을 통해 생산되어 계간축열조와 심야축열조에 저장되었던 온열이
고등학교를 포함한 각 공공건물로 공급되는 운전방식이다. 이때, 통합제어실에서는 공급 헤더를 통해 부하가 큰 고등학교와 기타 공공건물들로 구분되어 순환수(온수)가
공급되고, 각 건물에 설치된 열교환기를 통해 열을 공급한 후 온도가 낮아진 순환수가 환수 헤더를 통해 회수된다. 학교 측 기계실에서는 열교환기로 순환수가
흐를 수 있도록 밸브를 조절하며, 이 운전방식에서는 당연히 기존 배관망만 이용하게 된다.
한편 일반적인 냉방운전 기간의 냉열공급 방식은 Fig. 4(c)와 같다. 통합제어실 히트펌프에서 생산되어 심야축열조에 저장되었던 순환수(냉수)가 공급헤더를 통해 공급되는데, 고등학교 측으로는 순환수가 공급되지
않도록 밸브를 닫는다. 학교는 자체 기계실에 설치된 흡수식 히트펌프를 운전하여 냉수를 생산하며, 이 때 학교 측 순환수의 흐름은 밸브의 여닫음을 그림과
같이 조절함으로써 난방운전과 대비된다. 만약 통합제어실에서 공급하는 냉수로부터 냉열을 얻어 냉방을 하고자 하는 경우에는, 온열공급에서와 같은 방식(그림
(b))으로 밸브를 조절하면 된다. 이 운전방식에서도 역시 기존 배관망만 이용한다.
수정된 배관을 이용하여 학교 측에서 생산된 냉온열을 공공건물로 공급하는 운전방식은 Fig. 4(d)와 같다. 흡수식 히트펌프에서 생산된 냉온수는 학교 실내와 열교환기 측으로 분리되어 순환된다. 학교 실내로 순환되는 순환수는 기존 운전방식과 동일하지만,
자체 기계실 내 열교환기로 공급된 순환수는 열을 공급받는 것이 아니라 전달해주는 목적으로 순환된다. 학교 실내와 열교환기를 통해 각각 열을 전달한
순환수는 환수 헤더 부근에서 합쳐진 후 다시 흡수식 히트펌프로 유입된다. 학교 측 열교환기를 통해 열을 전달받은 통합제어실 측 순환수는 환수 헤더를
통해 통합제어실 내부 열교환기를 거친 후 다시 공급 헤더를 통해 학교를 제외한 공공건물로 공급되어 열을 전달한 후, 다시 학교 측 열교환기로 유입된다.
이러한 운전방식이 가능하도록 기존 및 수정된 배관의 밸브들이 제어된다.
학교 측이 생산한 냉온열을 통합제어실에서 활용하는 경우에는 통합제어실 내부 열교환기를 통해 공급받으면 되며, 이 열교환기를 통해 냉온열을 좀 더 추가할
수도 있다. 물론 이 때는 통합제어실에서 생산하는 냉온수의 온도와 순환수의 온도에 따라 그 가능 여부가 결정된다. 한편, 흡수식 히트펌프에서 생산된
냉온열을 공공건물로만 공급하려는 경우에는 학교 측 환수 헤더 부근의 밸브를 닫으면 가능하다. 또한 학교 자체 소비량과 공공건물로의 공급량은 흡수식
히트펌프에서 열교환기로 연결되는 배관의 밸브를 조절하여 제어할 수 있다. 운전방식에 따른 각 밸브의 여닫음 조절은 일괄하여 자동화하였으며, 이로써
시간대별 운전방식의 변환을 임의로 설정할 수 있게 되었다.
결국, 통합제어실과 학교 등 두 곳을 열에너지 프로슈머로 하고, 이들 두 건물을 포함한 6개 건물로 구성된 소규모 양방향 열공급 네트워크가 완성되었다.
통합제어실은 태양열 시스템과 축열식 지열원 및 하수처리수열원 히트펌프 등 신재생에너지 설비를 갖춘 프로슈머이며, 학교는 시간대별 요금 격차가 큰 전력
대신에 가스를 이용하는 흡수식 히트펌프를 갖춘 프로슈머이다. 두 프로슈머가 경제성이나 환경친화성 등의 필요조건에 의해 열에너지를 생산하고 공급함으로써,
에너지 절감과 기후변화 대응에 효과적인 냉난방 운전이 가능할 수 있게 되었다.
Fig. 4 Schematic of bi-directional thermal network.
4. 실증실험 및 결과 분석
본 연구 대상인 진천 친환경에너지타운은 통합제어실에서 생산된 냉온열이 자체 소비 외 다른 5개 공공건물로 공급되었던 중앙 열공급 네트워크에서, 공공건물
중 하나인 학교가 또 하나의 열에너지 프로슈머로서 역할을 수행할 수 있는 양방향 열공급 네트워크로 변환되었다. 이러한 열에너지 네트워크에서 가장 바람직한
운전방식은, 통합제어실의 히트펌프를 경부하시간대 운전하여 생산된 냉온열을 심야축열조에 저장하였다가 공급하고, 심야축열조 내 냉온열이 소진되면 학교의
흡수식 히트펌프를 운전하여 대응하는 운전방식이다. 이러한 운전방식은 최대부하시간대 전력소비를 최소화함으로써 공조 설비의 운용비용을 절감할 수 있기
때문이다. 물론 난방기간 중 온열을 공급하는 경우에는 태양열 시스템에서 생산되어 통합제어실의 계간축열조에 저장되었던 온열을 우선적으로 공급하는 것이
필요하다.
4.1 난방기간 양방향 열공급 운영 결과
Fig. 5(a)는 난방기간 중 대표일(2020년 2월 18일)의 양방향 열 네트워크 운용 중 주요 지점에서의 순환수 온도와 유량을 나타낸 그래프이다. Ts1, Ts2,
Fs1은 Fig. 4에 나타낸 바와 같이 각각 학교의 흡수식 히트펌프 입출구 온도와 순환유량이며, Tc1, Tc2, Fc1은 각각 통합제어실의 계간축열조 또는 심야축열조와
연결된 열교환기의 입출구 온도와 순환유량이다. 흡수식 히트펌프가 운전하여 생산된 온열을 공공건물에 공급하는 과정에서는 학교 측 순환유량 Fs1과 함께
Ts1과 Ts2사이에 온도차가 나타나고, 통합제어실 측 온도인 Tc1과 Tc2는 동일하게 된다. 한편 흡수식 히트펌프 운전이 멈추고 통합제어실 측에서
온열을 공급하는 경우에는 Fs1은 나타나지 않고 Tc1과 Tc2사이에 온도차가 나타나게 된다. 어느 건물에서 열공급을 하던 통합제어실 측 순환유량
Fc1은 항상 나타나며, 이 유량이 0인 경우는 난방운전이 중지되었다는 뜻이다. 그래프를 보면 오전 6시와 7시부터 약 10분간 통합제어실에서 공공건물로
온수공급이 있는 것을 알 수 있는데, 이것은 겨울철 배관 동파방지를 위해 23시부터 7시까지 주기적으로 온수를 공급하는 운전으로써 양방향 열공급과는
무관한 운전이다.
오전 7시 30분경부터 본격적인 난방운전이 시작되어 8시까지 통합제어실에서 공공건물로 난방용 온수가 공급되는 것을 볼 수 있다. 학교의 흡수식 히트펌프도
거의 동시에 운전을 시작하였지만 온수 생산에는 시간이 다소 걸려 8시경부터 난방운전이 가능하였다. 12시 30분경까지 진행된 흡수식 히트펌프 이용
공공건물의 난방운전에서는 공급온도는 약 55℃이고 환수온도는 약 52℃였으며, 이후 13시 30분경까지는 흡수식 히트펌프나 통합제어실의 열공급 없이
순환수 내 남은 온열을 이용하여 상대적으로 감소한 난방부하에 대응하였다.
Fig. 5 Operating temperature profile of heating mode.
별도의 열공급 없이 난방운전이 진행되다가 순환수 온도가 47℃ 이하로 낮아질 때 통합제어실의 심야축열조 내 온열을 이용한 공공건물의 난방운전으로 전환되는
것을 확인할 수 있다. 이러한 통합제어실 공급 난방운전은 심야축열조 내 온열이 전부 소진되는 17시 15분경까지 진행되었으며, 이후 19시까지는 다시
학교 측 흡수식 히트펌프가 운전되어 공공건물의 난방부하에 대응하였다. 이후 별도의 온열 공급 없이 순환수 내 남아있던 온열을 이용하여 부하에 대응하였으며,
모든 난방운전은 21시경 종료되었다.
학교 측에서 온열을 공급하는 경우, 흡수식 히트펌프에서 생산된 온열이 학교 실내와 기타 공공건물로 분리
되어 공급되는 과정을 자세히 볼 수 있는 것이 Fig. 5(b)이다. Ts1, Ts2, Fs1은 앞에서 설명한 바와 같으며, Ts3, Ts4, Fs2는 흡수식 히트펌프가 생산한 온열 중 열교환기를 통해 공공건물로
공급된 순환수의 열교환기 입출구 온도와 해당 유량이다. 흡수식 히트펌프가 운전될 때(8시~12시 30분) 순환유량은 약 2,000 LPM이었는데 이
유량이 나뉘어져 공공건물로 온열을 공급하는 순환수의 유량은 약 1,000 LPM인 것을 볼 수 있다. 열교환기 입구 온도(Ts3)는 당연히 흡수식
히트펌프 출구온도(Ts2)와 같으며, 통합제어실 측 순환수로 온열을 전달한 후 Ts4는 약 2℃~3℃ 온도가 낮아지는 것이 확인되었다. 학교 실내로
순환되어 온도가 낮아진 순환수와 합쳐진 후의 전체 순환수 온도(Ts1)는 더 낮아져서, 학교 측 난방부하가 공공건물 측 난방부하보다 더 컸음을 짐작할
수 있다.
한편, 통합제어실에서 온열을 공급하는 시간(13시 30분~17시)에는 학교 측 열교환기 출구온도가 입구온도
보다 더 높아서 통합제어실로부터 온열을 공급받고 있음을 알 수 있으며, 이 때 학교 측 순환수 유량은 약 1,600 LPM이었다. 흡수식 히트펌프
입출구 온도가 열교환기 입출구 온도와 비슷한 온도를 나타내는 것은 온도센서 위치가 순환수가 분리되는 배관 근처에 있었기 때문이다.
Fig. 6에서는 이러한 하루 동안의 난방운전 중 통합제어실에서 공급된 온열량과, 학교의 흡수식 히트펌프에서 생산되어 학교 자체 소비된 온열량 및 공공건물로
공급된 온열량을 나타내었다. 통합제어실에서 공급된 온열량 역시 계간축열조에서 공급된 열량과 심야축열조에서 공급된 열량으로 구분하였는데, 야간시간대
동파방지 운전은 계간축열조 내 저장된 온열을 이용하였으며, 주간시간대 계간축열조 방열량은 공공건물의 온수급탕을 위한 온열량을 의미한다. 또한 흡수식
히트펌프에서 온열을 공급하는 시간대에 심야축열조 방열량이 일부 있는 것은 통합제어실의 냉난방 열원은 항상 심야축열조에서 공급했기 때문이다.
7시부터 8시까지 난방을 위해 공급된 총 온열량은 659.6 kWh이고 온수급탕을 위해서는 계간축열조에서 19.1 kWh가 공급되었다. 처음에는 통합제어실
심야축열조 내 저장된 온열 44.9 kWh를 학교를 포함한 공공건물로 공급하였는데, 곧바로 학교의 흡수식 히트펌프가 운전하여 온열 공급을 대신하였다.
초기 통합제어실의 온열 공급 시 배관 내부와 기타 공공건물에는 충분히 온열을 공급하였기 때문에, 학교 흡수식 히트펌프에서 생산된 온열 209.6 kWh
중 84%인 175.8 kWh는 학교 실내에 공급되었음을 알 수 있다. 그러나 그 이후 12시까지는 공공건물로의 공급량도 흡수식 히트펌프 생산량의
약 42% 정도임을 확인하였다.
Fig. 6 Hourly operation results of heating mode.
본 대표일 하루 동안 타운 내 학교를 포함한 모든 공공건물에서 소비된 난방열량은 총 4,316.3 kWh로 산정되었으며, 이 중 통합제어실 심야축열조에서
공급된 난방열량은 31.7%인 1,368.1 kWh였다. 이 외 동파방지용으로 286.3 kWh과 온수급탕용 163.3 kWh는 통합제어실의 계간축열조에서
공급되었다. 또 하나의 프로슈머로 운영된 학교에서는 흡수식 히트펌프에서 총 2,948.2 kWh의 난방열량을 생산하였으며, 이 양은 타운 내 온수급탕
등을 포함한 전체 온열부하 대비 61.9%이다(난방부하 대비 68.3%). 흡수식 히트펌프 생산 난방열량 중 학교에서 소비된 양은 55.8%인 1,644.1
kWh였고, 공공건물로 공급된 난방열량은 44.2%인 1,304.1 kWh로 나타났다.
4.2 냉방기간 양방향 열네트워크 운영 결과
냉방운전 기간 중 대표일(2019년 9월 6일)에 대한 양방향 열 네트워크의 운영결과에 대해서 Fig. 7과 Fig. 8에 나타내었다. Fig. 7은 난방운전에서 설명한 Fig. 5(a)와 같은 그래프로서, 학교의 흡수식 히트펌프 입출구 온도 및 순환유량과 통합제어실 심야축열조와 연결된 열교환기의 입출구 온도 및 순환유량이다. 냉방운전이
난방운전과 다른 점은 전술한 바와 같이 통합제어실에서 공급되는 냉열은 학교를 제외한 공공건물에만 공급되며, 학교는 항상 흡수식 히트펌프를 통해서만
냉방이 이루어진다는 점이다. 그래프에서 알 수 있듯이 공공건물의 냉방운전은 7시부터 그리고 학교는 8시부터 진행되었는데, 10시까지는 공공건물의 냉방을
통합제어실 측 심야축열조에서 담당하였다. 이후 학교 측 흡수식 히트펌프가 공공건물의 냉방까지 담당하는 프로슈머의 전환이 이루어졌으며, 이 운전방식은
16시까지 진행되었다. 이후 다시 통합제어실이 공공건물의 냉방을 21시까지 담당하였으며, 학교 측 흡수식 히트펌프는 16시부터 20시까지 자체 냉방에만
대응하다가 냉방운전을 종료하였다. 통합제어실 담당 냉방운전 중 열교환기 입출구 온도변동이 심한 이유는, 순환수 온도가 설정 값 이상으
로 상승하는 경우에만 심야축열조로부터 냉열을 공급받도록 제어하였기 때문이다.
Fig. 8에서는 대표일 하루 동안의 냉방운전 중 통합제어실에서 공급된 냉열량과 학교의 흡수식 히트펌프에서 생산되어, 학교 자체 소비된 냉열량 및 공공건물로
공급된 냉열량을 구분하여 나타내었다. 그 결과, 하루 동안 타운 내 모든 공공건물에서 소비된 냉열량은 총 2,948.7 kWh인 것을 알 수 있다.
이 중 통합제어실에서 공급된 냉열량은 34.1%인 1,004.8 kWh였으며, 이것은 통합제어실 자체 소비량과 공공건물에 공급된 냉열량을 전부 포함한
값이다. 또 하나의 프로슈머로 운영된 학교에서는 흡수식 히트펌프에서 총 1,943.8 kWh의 냉열을 생산하여 공급하였으며, 이 중 학교에서 소비된
냉열은 81.0%인 1,575.0 kWh였고, 공공건물로 공급된 냉열은 19.0%인 368.8 kWh로 나타났다. 따라서 흡수식 히트펌프를 통해 공급된
냉열량은 전체 냉방부하 대비 65.9%이었음을 확인하였다.
Fig. 7 Operating temperature profile of cooling mode.
Fig. 8 Hourly operation results of cooling mode.
5. 결 론
본 연구에서는 기 구축된 진천 친환경에너지타운의 소규모 냉방 및 난방 열 네트워크를 기반으로, 양방향 열공급이 가능한 수정 열네트워크를 제안하고 실증운전을
수행하였다. 기존 소규모 중앙공급방식 열 네트워크의 배관 및 밸브를 수정 보완하여 양방향 열공급이 가능하도록 구성하였으며, 이로써 기존 열에너지 프로슈머
외에 별도의 열원설비가 설치된 건물이 또 하나의 프로슈머로 구현되었다.
양방향 열 네트워크 설비의 제어 방안을 도출하고, 이를 바탕으로 실증운전을 통해 각각의 프로슈머가 냉난방 공급을 원활하게 진행할 수 있는지를 검증하였다.
양방향 열공급에 대한 실증운전은 여름철 및 겨울철 각각 2주~3주간 진행되었는데, 이 중 대표 일에 대한 난방 및 냉방 운용결과로 적용 가능성을 검증하였다.
그 결과, 기존 통합제어실이 태양열과 지열원 및 하수처리수열원 히트펌프를 이용하여 다른 건물에 온열 및 냉열을 공급하다가, 일부 시간동안 또 하나의
프로슈머인 학교 측 흡수식 히트펌프의 운전을 통해 열에너지를 공급하는 것이 가능함을 검증하였다.
난방운전 실험기간 동안, 총 공공건물의 난방부하 중 기존 중앙공급방식으로 31.7%의 난방을 담당하고, 학교의 흡수식 히트펌프를 통해 68.3%를
담당한 것으로 나타났다. 이 중, 학교의 흡수식 히트펌프의 생산량 중 55.8%는 학교에서 자체 소비하였으며, 나머지 44.2%의 열이 공공건물로
공급될 수 있음을 확인하였다.
냉방운전의 경우, 총 공공건물의 냉방부하 중 기존 중앙공급방식으로 34.1%의 냉방을 담당하고, 학교의 흡수식 히트펌프를 통해 65.9%를 담당한
것으로 나타났다. 학교의 흡수식 히트펌프의 생산량 중 81.0%는 학교에서 자체 소비하였으며, 나머지 19.0%의 열이 공공건물로 공급되었음을 확인하였다.
이러한 양방향 열공급 실증운전 결과는 열거래로 쉽게 전환될 수 있으며, 경제성이나 친환경성 등 제반 요소를 감안하여 각 열에너지 프로슈머가 공조용
열에너지 공급을 적절히 분담하도록 하는데 필요한 기술적 자료로 활용될 수 있다. 추후 양방향 열공급 또는 열거래와 관련된 실증연구를 좀 더 수행하고
분석하면 양방향 열거래의 경제성과 친환경성 등을 평가할 수 있는 기술적 자료를 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
후 기
본 연구는 한국에너지기술평가원의 에너지기술개발사업(과제번호 : 2018201060010A)의 연구지원을 받아 수행
되었음.
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