2.1 기존 열 네트워크 및 양방향 열공급

기존 열 네트워크는 진천 친환경에너지타운으로 불리는 충북 혁신도시 내 공공건물 단지에 구축되어 있으며, 이 단지에는 충북교육청의 S고등학교와 5동의 진천군 공공건물 등 총 6동의 건물이 있었다. 이들 건물의 주 열원설비는 1,600 ㎡의 태양열 집열기와 4,000 ㎥의 계간축열조 등으로 구성된 태양열 시스템이며, 보조열원설비로써 지열원 및 하수열원 히트펌프, 그리고 계간축열조 내 저온의 잉여열을 증발열원으로 활용하는 히트펌프 등 175 kW급 히트펌프 3대가 통합제어실에 설치되었다. 이 중 총 350 kW급의 지열원 및 하수열원 히트펌프는 여름철 냉수 생산도 가능하므로, 공조부하가 큰 고등학교를 제외한 공공건물에는 여름철 냉방용 냉수도 공급하고 있다. 통합제어실에서 생산된 냉온열 에너지는 자체 소비하면서 배관망을 통해 나머지 5동(또는 고등학교를 제외한 4동)의 건물로 열에너지를 공급할 수 있도록 되어 있으며, 고등학교는 냉방설비로써 별도의 약 1,000 kW급 흡수식 히트펌프를 설치하여 사용하고 있다. 이에 따라 고등학교 측 기계실은 통합제어실에서 공급되는 온열을 받을 수 있는 열교환기와 자체 흡수식 히트펌프를 운전하여 생산된 냉열을 각각 실내 측에 공급할 수 있도록 배관이 구성되어 있다.

이전의 연구⁽⁸⁾에서는 열원설비가 설치된 통합제어실과 고등학교를 열에너지 프로슈머로 선정하고, 각 프로슈머가 또 다른 프로슈머 및 열원설비가 없는 다른 4동의 건물에 열에너지를 공급하는 양방향 열공급 실험을 수행하였다. 즉, 임의로 계획된 열공급 스케쥴에 따라 일정 시간동안에는 통합제어실에서 생산된 열에너지를 자체 소비하면서 5동의 공공건물에 공급하다가, 그 후에는 고등학교에서 생산된 열에너지를 통합제어실을 거쳐 다른 공공건물들로 공급하는 양방향 열공급 실험을 수행한 것이다. 열원설비 및 밸브의 제어를 통해 이러한 양방향 열공급이 원활하게 이루어지는 것을 확인한 바 있다.

2.2 보완된 열 네트워크

2020년 초 실증단지 내 준공된 육아종합지원센터(이하 육아센터)를 기존 열 네트워크에 편입시키고, 또 한 곳의 열에너지 프로슈머로 전환시키기 위한 공사를 진행하였다. Fig. 1과 같이 공공건물 중 상대적으로 부하가 적은 보건소와 어린이집으로 연결된 배관에서 분기하여 육아센터까지 확장하였으며(검은색 점선), 연결 배관 사이에 Fig. 2(a)에 나타낸 바와 같이 밸브와 펌프를 설치하여 양방향 열공급이 가능하도록 하였다. VH1 및 VH2 밸브와 연결배관은 고등학교를 프로슈머로 전환시키기 위해 이미 설치했던 설비이며, 육아센터를 프로슈머로 전환시키기 위해서 통합제어실 내에 VC1 및 VC2를, 그리고 육아센터 내에 VC3 및 VC4 등의 밸브와 연결된 배관(붉은색), 그리고 펌프 등을 추가로 설치하였다.

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

Fig. 2 Detailed bi-directional thermal network and additional pipeline in babycare center.

Fig. 3 Photos of bi-directional network construction and pipeline of babycare center.

육아센터는 자체 30 RT급 지열원 히트펌프가 설치되어 있으므로 독립적인 냉난방이 가능한데, 통합제어실이나 고등학교로부터 열에너지를 공급받기 위해서 또는 다른 건물로 열에너지를 공급하기 위해서 열교환기를 추가 설치하였다. 이를 위해 육아센터에는 기존 배관 외에 별도의 배관 및 밸브 등을 Fig. 2(b)의 붉은색 가는 선과 같이 추가하였다. 육아센터의 열원설비는 용량이 작기 때문에 네트워크 내 모든 건물에 열에너지를 공급하는 것은 무리였으며, 따라서 냉난방 부하가 상대적으로 작은 인근 어린이집과 보건소로만 열공급이 가능하도록 하였다. Fig. 3은 보완된 네트워크 공사 및 육아센터 내 추가된 기계실 배관 등의 사진을 보여주는데, 네트워크 보완 시에는 급탕용 온수배관도 함께 설치하였다.

2.3 양방향 열 네트워크 운용

Table 1에서는 양방향 열공급 운전방식에 대해 10가지의 운영모드로 구분하고, 이에 대한 실증을 진행하였다. 통합제어실에서는 태양열 시스템과 다양한 열원을 활용하는 히트펌프에서 생산된 열에너지를, 그리고 고등학교에서는 흡수식 히트펌프를 통해 생산된 열에너지를 자체 소비하면서 모든 건물에 공급할 수 있다. 반면 육아센터는 지열원 히트펌프에서 생산된 열에너지를 자체 소비하거나 두 동의 건물에만 공급할 수 있도록 하였다. 이러한 운영 네트워크 구성을 통해 열네트워크에 포함된 7개의 건물은 3개의 건물에서 생산된 잉여열을 다양한 방안으로 선택적으로 받을 수 있다. 예를 들어 1번 운전방식은 열원설비를 갖추고 있는 고등학교와 육아센터는 자체 열원설비를 이용하여 냉난방을 수행하고, 다른 건물들은 통합제어실에서 공급하는 열에너지를 이용하는 방식이다. 이와는 달리 9번 운전방식은 통합제어실은 자체 냉난방을 하고, 고등학교를 포함한 3개 건물은 고등학교의 열원설비인 흡수식 히트펌프에서 생산된 냉온열을 공급받아서, 그리고 육아센터를 포함한 3개 건물은 육아센터의 지열원 히트펌프에서 생산된 냉온열을 공급받아서 냉난방을 수행하는 운전방식이다. 이러한 운영모드를 통해, 향후 열에너지 거래가 이루어지게 된다면, 네트워크에 포함된 건물들은 열 프로슈머가 생산하는 열에 대한 가격 등 정보를 전달받아 선택적으로 열 공급을 받을 수 있게 되어 다양한 양방향 열거래가 운용될 수 있다.

본 실증운전에서는, 열거래에 대한 정보를 제외하고, 임의의 스케쥴에 따라 각각의 운전방식으로 제어하면서 의도한 열공급이 적절하게 이루어지는지 확인하였다. 각 운전방식에 따른 밸브 및 펌프의 제어방법 중 Fig. 4의 대표적인 사례를 보면, Fig. 4(a)는 육아센터도 통합제어실이나 고등학교에서 생산된 열에너지를 공급받는 경우이며, Fig. 4(b)는 육아센터에서 생산된 열에너지를 다른 두 건물과 함께 공유하는 경우의 제어방법이다.

Fig. 4 Schematic of bi-directional thermal network.

3.1 냉방기간 양방향 열공급 실증운전 결과

Fig. 5는 냉방기간 중 대표일(2020년 8월 25일)의 양방향 열 네트워크 운용 중 실시간 열공급량을 나타낸 그래프로써, 열공급 주체를 구분하여 나타내었고 공급된 냉열을 음수로 표현한 것이다. 이 날의 열공급 운전 스케쥴은 Table 2와 같으며, 흡수식 히트펌프에서 생산된 냉열은 고등학교와 기타 공공건물로 공급된 양을 구분하였다. 그래프에서 간헐적으로 계간축열조 방열량이 양수로 나타난 것은 태양열 시스템을 통해 생산되어 계간축열조에 저장된 온열이 냉방기간에도 급탕용으로서 각 건물에 공급된 것을 의미한다. 운전방식 변환 시 배관 내 온도가 역전되면서 수 분간의 짧은 시간동안 온열공급처럼 계산된 부분은 무시하였다.

오전에는 통합제어실의 심야축열조에 저장되었던 냉열을 우선적으로 공급하는데 치중하였고, 오후 전력 피크시간대인 12시부터 15시까지는 전력요금이 상승하므로 상대적으로 운전비용이 낮은 고등학교의 흡수식 히트펌프에 의한 열공급을 주로 하였다. 한편, 경부하시간대 통합제어실의 히트펌프를 이용해 생산되어 심야축열조에 저장된 냉열은 오전에 전부 소진되었기 때문에, 오후에 공급된 심야축열조 방열량은 해당 시간에 히트펌프가 운전하여 공급한 양이다. 이 날 하루 열에너지 공급량을 산정하면, 통합제어실의 태양열 계간축열조를 통한 온수급탕 공급량은 170.8 kWh, 통합제어실 히트펌프 연계 심야축열조 공급 냉열량은 1,647.1 kWh, 육아센터 지열원 히트펌프 생산 냉열공급량은 370.5 kWh, 고등학교 흡수식 히트펌프 생산 공공건물 및 학교 냉열공급량은 각각 378.1 kWh와 1,162.6 kWh 등이다.

Fig. 5 Operation profile of cooling mode in typical day(’20. 08. 25).

Fig. 6 Daily operation results of cooling mode.

Fig. 6은 냉방기간 중 실증운전을 수행한 4주 동안 다양한 운전방식 스케줄에 따라 일별 공급된 냉열량을 열공급 주체를 구분하여 막대그래프로 나타낸 것이다. 실증운전 초기이기 때문에 에너지절약 효과 등을 고려하기 보다는 다양한 운전방식의 전환이 가능한지에 초점을 맞추어 운전된 결과이다. 휴일에는 열공급 전환을 하지 않았으며 건물들의 특성상 냉방부하도 없거나 극히 적었으므로 나타내지 않았다. 계간축열조에서 급탕용으로 모든 건물에 공급된 온열량도 나타내지 않았다.

3.2 난방기간 양방향 열공급 실증운전 결과

Fig. 7은 난방기간 중 대표일(2021년 2월 16일)의 실시간 열공급량을 공급 주체를 구분하여 나타낸 그래프로써, 역시 고등학교의 흡수식 히트펌프에서 생산된 온열은 고등학교 자체 난방과 기타 공공건물의 난방을 위해 공급된 양을 구분하였다. 한편, 이 날의 열공급 운전 스케줄은 Table 3과 같은데, 밤 11시부터 다음 날 아침까지 주기적으로 짧은 시간동안 계간축열조에서 공급되는 온열은 열 네트워크의 동파방지를 위한 것이다.

난방공급이 시작되면 계간축열조에 난방을 위해 공급 가능한 온도(본 실증운전에서는 48℃) 이상의 온열이 있는 경우 계간축열조에서, 그렇지 않은 경우 심야축열조에 저장되었던 온열을 우선적으로 사용하였다. 오전 9시부터 오후 1시까지는 고등학교의 흡수식 히트펌프에 의한 난방공급이 이루어졌으며, 이후 오후 5시까지는 통합제어실과 육아센터의 히트펌프에서 생산된 온열이 각각 고등학교 등 4동의 건물과 3동의 건물에 온열을 공급하였다. 이 시간 중 통합제어실 계간축열조로부터의 난방공급이 이루어진 것은, 오전부터 태양열 시스템에서 생산된 열이 계간축열조에 축적되어 난방 공급이 가능한 온도 이상의 온열이 저장되었기 때문이다. 계간축열조에 축적된 온열이 모두 소진되면, 다시 통합제어실의 히트펌프에서 생산되어 심야축열조에 저장된 온열이 공급되는 것을 볼 수 있다. 난방부하가 급격히 줄어든 오후 5시 이후에는 통합제어실이 고등학교와 육아센터를 제외한 건물들에 난방공급을, 그리고 프로슈머인 두 건물은 자체 난방을 수행하였는데, 육아센터의 경우 업무가 일찍 종료되어 난방부하가 없었기 때문에 열원설비의 운용이 나타나지 않는 상태이다. 이러한 운전방식은 오후 9시 난방 종료시간까지 진행되었다.

이 날 하루 난방을 위해 공급된 온열량을 산정하면, 통합제어실의 태양열 계간축열조 온열공급량(온수급탕+난방)은 798.7 kWh, 통합제어실 히트펌프 연계 심야축열조 공급 온열량은 2,270.5 kWh, 고등학교 흡수식 히트펌프 생산 공공건물 및 학교 온열공급량은 각각 1,063.2 kWh와 473.5 kWh, 육아센터 지열원 히트펌프 생산 온열공급량은 295.2 kWh 등이다.

Fig. 8은 난방기간 중 실증운전을 수행한 4주 동안 다양한 운전방식 스케줄에 따라 일별 공급된 온열량을 열공급 주체를 구분하여 막대그래프로 나타낸 것이다. 냉방기간과 마찬가지로 휴일에는 양방향 열공급을 하지 않았으며 건물들의 특성상 난방부하가 없거나 극히 적었으므로 나타내지 않았다.

Fig. 7 Energy supply profile of heating mode in typical day(’21. 02. 16).

Fig. 8 Daily operation results of heating mode.