배상무
(Sangmu Bae)
1
남유진
(Yujin Nam)
2†
-
부산대학교 생산기술연구소 박사후연구원
(Postdoctoral Researcher, Research Institute of Industrial Technology, Pusan National
University, Busan, 4624, South Korea)
-
부산대학교 건축공학과 교수
(Professor, Department of Architectural Engineering, Pusan National University, Busan,
4641, South Korea)
Copyright © The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection
키워드
지열 히트펌프, 태양광열, 삼중발전 시스템, 제로에너지빌딩
Key words
Ground source heat pump, Photovoltaic-thermal, Tri-generation system, Zero energy building
기호설명
$T_{indoor}$：
실내온도 [℃]
$T_{HST}$：
부하측 축열조의 내부온도 [℃]
$T_{SST}$：
열원측 축열조의 내부온도 [℃]
$T_{SST, Outlet}$：
열원측 축열조의 출수온도 [℃]
$T_{PVT, Outlet}$：
태양광열 모듈의 출수온도 [℃]
$T_{GHX, Outlet}$：
지중열교환기의 출수온도 [℃]
$Q_{PVT}$：
태양광열 모듈의 생산열량 [W]
$Q_{HP}$：
히트펌프의 생산열량 [W]
$P_{HP}$：
히트펌프의 소비전력 [W]
$P_{P}$：
순환펌프의 소비전력 [W]
$P_{FCU}$：
팬코일유닛의 소비전력 [W]
$P_{PVT}$：
태양광열 모듈의 전력생산량 [W]
1. 서 론
전 세계적으로 에너지 소비량의 증가에 따라 온실가스 감축을 위한 국가적인 정책과 연구들이 지속적으로 수행되고 있다. 특히, 건물부문의 에너지소비량은
전체 산업의 40%에 해당하여 에너지 절감이 절실한 실정이다. 이에 따라 정부는 온실가스 감축, 탄소중립을 위해 그린뉴딜 정책을 시행 중이며 건물부문에서는
신재생에너지 시스템을 활용한 제로에너지빌딩의 도입을 적극적으로 추진 중이다. 한편, 국내에서는 태양광, 태양열, 지열 히트펌프와 같은 개별단위 신재생에너지
시스템이 건축물에 적용되고 있으나, 2종 이상의 융복합 시스템의 적용 및 보급은 드물다. 태양광 패널의 표면온도 상승으로 인한 발전효율의 저하, 태양열
집열기의 기상조건에 의존적인 간헐적 에너지 생산, 지열 히트펌프 시스템의 장기운전에 따른 지중온도 저하 등 개별 시스템의 성능은 구조적인 한계점이
있다.(1-2)
반면, 태양광열-지열 이용 Tri-generation 시스템의 경우 태양열원을 활용한 지중 축열을 통해 지열 히트펌프 시스템의 장기 운전으로 인한
지중온도 저하를 해결할 수 있으며, 건물의 피크부하를 지열 히트펌프와 태양광열 모듈에 분배하기 때문에 초기투자비용이 높은 지열 히트펌프 시스템의 설계용량을
감소할 수 있다. 따라서, 제로에너지빌딩의 실현을 위해서는 두 가지 이상의 에너지원을 융합하여 안정적으로 건물부하에 대응이 가능한 융복합 신재생에너지
기술 개발이 필수적이다. 이에 따라 태양광열 모듈과 지열 히트펌프(Ground source heat pump, GSHP)를 결합한 Tri-generation
시스템의 연구가 활발히 진행되고 있다.
Lee et al.(3)은 다중부하조건(Multiple load)에서 태양광열 모듈과 지열 히트펌프를 결합한 Tri-generation 시스템의 에너지 소비량과 생산량을
분석하고 태양광열 모듈과 지열 히트펌프 시스템의 설치용량의 변화에 따른 Tri-generation 시스템의 에너지 절감률을 분석하였다. Bae et
al.(4)은 소규모 단독주택의 태양광열 모듈과 지열 히트펌프를 이용한 하이브리드 시스템 적정 용량 산정을 목적으로 히트펌프의 용량, 지중열교환기 길이, 태양광열
모듈 및 축열조의 용량에 대한 Case study를 통해 시스템 성능과 경제성을 고려한 민감도 분석을 수행하였다. Park et al.(5)은 동일한 부하를 가진 건물을 대상으로 기존 보일러 및 칠러 시스템과 태양광열과 지열 히트펌프를 결합한 Tri-generation 시스템에 대해 에너지
절감효과와 인센티브제도(IEA ECBCS Annex 54)에 따른 경제성을 비교 분석하였다. Baek et al.(6)은 신재생에너지 시스템을 적용한 주택의 에너지 자립을 위해 태양열과 지열 시스템을 결합한 하이브리드 시스템을 개발하였으며 실증실험 및 시뮬레이션 분석을
통해 개발시스템 하나만으로 대상건물의 난방 및 급탕부하를 충족할 수 있음을 확인하였다. Jeong et al.(7)은 태양광열-지열 히트펌프 하이브리드 시스템의 도입 타당성 분석을 목적으로 다양한 건물 군을 대상으로 냉난방 운전조건, 2가지 지역조건에 따른 시스템
성능분석을 실시하였다. Bae et al.(8)은 태양광열과 지열 히트펌프를 결합한 하이브리드 시스템의 냉난방 장기실험을 수행하고 4가지 시나리오에 근거한 도입 타당성 평가를 수행하였다. 도입
타당성 분석결과, 기존 냉난방 시스템 대비 하이브리드 시스템의 초기투자비용 회수기간은 19년이지만 전기요금이 인상될 경우 15년으로 단축될 수 있었다.
또한, 정부의 신재생에너지 보조금을 고려하면 경제성을 확보할 수 있는 것으로 확인되었다. Ruoping et al.(9)은 중국 북부에 위치한 단독주택의 에너지 자립을 위한 태양광열-지열 히트펌프 하이브리드 시스템의 적용 가능성을 검토하였다. 하이브리드 시스템의 장기성능
분석결과, 히트펌프의 난방 및 냉방 성능계수는 각각 3.53, 2.81로 계산되었다. 또한, 태양광열 모듈에 의한 생산전력이 히트펌프의 소비전력보다
높기 때문에 고효율 시스템 및 에너지 자립을 구현할 수 있음을 확인하였다. Abu-Rumman et al.(10)은 요르단에 위치한 건물의 전력 부족 문제를 해결하기 위한 방안으로 태양광열과 지열 히트펌프를 결합한 하이브리드 시스템을 제안하였다. 시뮬레이션 결과,
하이브리드 시스템은 태양광 패널의 온도를 감소시켜 전력 생산량을 약 10% 향상시킬 수 있었다. 또한, 하이브리드 시스템이 기존 지열 히트펌프 시스템보다
효율적인 것을 확인하였다.
기존의 선행연구에서는 주거용 건물에 Tri-generation 시스템의 도입을 위한 연구가 대부분 수행되었으며 상업용 건축물을 대상으로 성능분석을
수행한 연구는 거의 없다. 또한, 건물부하와 연계하여 Tri-generation 시스템의 생산열량 및 소비전력을 분석한 연구는 미흡하였다. 실제 건물에
Tri-generation 시스템의 도입을 위해서는 건물부하에 안정적으로 대응할 수 있는지에 대한 검토가 중요하다. 특히, Tri-generation
시스템은 생산열량 대비 낮은 소비전력을 이용하는 태양광열 시스템을 이용하기 때문에 시스템의 제어방법과 건물 부하조건에 따라 시스템의 성능이 크게 좌우
될 수 있다. 상업용 건축물의 경우 주간에 부하가 발생하는 건물의 특성상 주거용 건축물에 비해 태양 에너지를 효율적으로 이용할 수 있어 융합 시스템의
도입 시 높은 에너지 성능을 기대할 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 상업용 건축물에 Tri-generation 시스템을 적용하여 건물의 냉난방부하를
고려한 시스템의 연간 열 및 전기적 성능을 정량적으로 분석하고 기존 GSHP 시스템과의 비교를 통해 개발 시스템의 적용 가능성을 파악하고자 한다.
2. 시뮬레이션 개요 및 조건
2.1 Tri-generation 시스템 및 GSHP 시스템
본 연구에서는 건물부하와 연계한 Tri-generation 시스템의 성능분석을 위해 동적 에너지해석 툴인 TRNSYS 18을 이용하여 Tri-generation
시스템과 GSHP 시스템의 성능 예측모델을 구축하고 연간 시스템의 열 및 전기적 성능을 분석하였다. Fig. 1(a)와 Fig. 1(b)는 성능분석에 이용된 Tri-generation 시스템과 GSHP 시스템의 개요도를 나타낸다. Tri-generation 시스템은 태양광열 모듈,
물-물 히트펌프, 수직밀폐형 지중열교환기, 축열조 2개, 팬코일유닛 등으로 구성되며 건물 부하에 따라 냉난방 운전을 수행한다. Tri-generation
시스템의 축열조는 태양광열 모듈로부터 생산된 열을 히트펌프의 열원으로 활용하기 위한 열원측 축열조(Solar-thermal storage tank,
SST)와 팬코일 유닛과 연계하여 건물의 난방부하에 직접 대응하기 위한 부하측 축열조(Heat storage tank, HST) 2가지로 구성하였다.
반면, 비교를 위한 GSHP 시스템은 물-물 히트펌프, 수직밀폐형 지중열교환기, 부하측 축열조 1개, 팬코일 유닛으로 구성된다.
Fig. 1 Schematic diagram of simulation model.
Fig. 2(a)와 Fig. 2(b)는 Tri-generation 시스템과 GSHP 시스템의 운전방법을 나타낸다. Tri-generation 시스템의 운전방법은 선행연구(8)에서 개발한 시스템의 운전방법 참고하였으며, 부하측 축열조를 이용한 1가지 난방운전과 지열 히트펌프를 이용한 1가지 냉방운전, 태양광열 시스템과 지열
히트펌프를 이용한 2가지의 축열운전모드로 구성된다. 난방운전은 실내온도가 21℃ 이하일 때 실시되며, 부하측 축열조의 내부온도가 45℃ 이상일 경우
실시된다. 축열운전은 태양광열 모듈에 의한 축열운전을 우선적으로 수행하며, 태양광열 모듈을 이용한 축열운전을 실시하지 못할 경우, 지열 히트펌프 시스템을
이용한 축열운전을 실시한다. 태양광열 시스템을 이용한 축열운전은 태양광열 모듈의 출수온도가 15℃ 이상이며 열원측 축열조의 내부온도가 설정온도(15℃)
이하가 되면 실시된다. 또한, 태양광열 모듈의 출수온도가 45℃ 이상 부하측 축열조의 내부온도가 설정온도(45℃) 이하가 되면 부하측 축열운전을 실시한다.
지열 히트펌프를 이용한 축열운전은 부하측 축열조의 내부온도가 설정온도(45℃) 이하가 되면 실시된다. 이 때, 히트펌프는 열원측 축열조와 지중열교환기의
출수온도 중, 높은 온도를 히트펌프의 열원으로 이용한다. 한편, 냉방운전은 실내온도가 24℃ 이상이 되면 지열 히트펌프만을 이용하여 냉방운전을 실시한다.
GSHP 시스템의 운전방법은 Tri-generation 시스템과의 비교를 위해 동일한 냉난방 운전방법을 적용하였다. 단, 축열운전은 축열조의 설정온도(45℃)
이하가 되면 실시되며, 지열 히트펌프시스템만을 이용하여 축열운전을 수행한다.
Fig. 2 Block diagram of system operation method.
2.2 건물부하해석
Fig. 3(a), Fig. 3(b) 및 Table 1은 건물부하 해석조건을 나타낸다. 건물의 냉난방 부하해석은 Newyork 지역의 표준 중규모 오피스 건축물(11)을 대상으로 실시하였다. 건물 부위별 단열조건은 ASHRAE 90.1-2004에서 제시한 지역별 최소 열 관류율에 근거하였다. 또한, 냉난방 실내
설정온도, 재실인원, 단위면적당 내부발열량 및 스케쥴, 침기 및 환기횟수는 ASHRAE 90.1-2004에 근거하여 입력하였다. Fig. 4는 건물부하해석
결과를 나타낸다. 건물의 피크부하는 월별 평균 외기온이 가장 낮은 1월에 발생하는 것으로 나타났으며, 96 kW로 확인되었다.
Fig. 3 Building load model.
Fig. 4 Result of monthly building load analysis.
Table 1 Building load analysis conditions
|
Location
|
Set temp (℃)
|
Thermal transmittance (W/㎡·K)
|
Operation time
(hour)
|
Internal heat gains
|
Infiltration
(1/h)
|
Ventilation
(1/h)
|
|
Newyork
|
heat
|
cool
|
roof
|
floor
|
wall
|
window
|
week
|
sat
|
sun
|
people
(person)
|
LPD
(W/㎡)
|
EPD
(W/㎡)
|
0.67
|
0.67
|
|
21
|
24
|
0.35
|
1.827
|
0.704
|
3.02
|
16
|
12
|
-
|
267
|
10.76
|
8.07
|
2.3 Tri-generation 시스템 및 GSHP 시스템 성능예측모델
Tri-generation 시스템 및 GSHP 시스템 성능예측모델의 열 및 전기적 성능을 분석하기 위해 시스템의 생산열량, 소비전력 및 전력생산량,
시스템 성능을 산출하였다. 시스템 성능은 건물의 냉난방에 대응하기 위한 열원기기의 생산열량과 시스템 운전을 위해 작동된 각 유닛의 소비전력을 통해
산출하였다. 시스템 성능의 산출과정은 아래의 식(1)과 식(2)에 나타냈다. 성능분석을 위한 냉난방 운전기간은 건물부하해석 결과를 바탕으로 난방기(11~3월), 냉방기(5~9월)로 설정하였다.
Table 2는 성능예측모델의 내부 컴포넌트 입력조건을 나타낸다. 태양광열 모듈의 설치면적은 태양광열 모듈의 발전량이 히트펌프의 소비전력에 대응할 수 있도록 산정하였다.
태양열 집열기는 태양광열 모듈 1장당 21개를 설치되어 있으며, 태양광 패널의 전력효율은 16.1%로 입력하였다. 시뮬레이션에 이용된 태양광열 모듈의
성능은 실증실험연구 결과를 통해 검증되었다.(10-11) 지중열교환기는 GSHP 시스템에서 일반적으로 이용되는 수직밀폐형 지중열교환기를 이용하였으며, 보어홀 1공당 150 m 지중열교환기를 이용하는 것으로
가정하였다. 축열조의 설계용량은 15 ㎥이고, 설정온도는 15℃로 지중온도와 비슷한 수준으로 입력하였다. 히트펌프 용량은 건물의 피크부하에 대응할
수 있도록 설계하였다. 또한, 팬코일유닛의 용량은 히트펌프의 설계용량에 근거하였다.
Table 2 Component conditions in TRNSYS18
|
Component
|
Parameter
|
Tri-generation system
|
GSHP system
|
|
PVT collector (Type 560)
|
Area (㎡)
|
137.2
|
-
|
|
Number of tubes
|
1470
|
|
PV efficiency (%)
|
16.1
|
|
GHEX (Type 557a)
|
Type
|
Closed type single U-tube (15A)
|
|
Number of boreholes
|
10
|
|
Borehole depth (m)
|
150
|
|
SST (Type 4c)
|
Volume (㎥)
|
15
|
-
|
|
Set temperature (℃)
|
15
|
|
HST (Type 4c)
|
Volume (㎥)
|
15
|
|
Set temperature (℃)
|
45
|
|
Heat pump (Type 927)
|
Type
|
water-to-water
|
|
Capacity (kW)
|
96
|
|
FCU (Type 987)
|
Capacity (kW)
|
96
|
3. 시스템 성능 분석결과
3.1 난방 대표일의 열 및 전기적 성능 비교분석결과
Fig. 5(a)와 Fig. 5(b)는 난방대표일(1/18)의 Tri-generation 시스템과 GSHP 시스템의 시간대 별 생산열량 및 난방부하를 나타낸다. GSHP 시스템과 Tri-generation
시스템 모두 부하에 따른 열을 생산하였으며, 실내설정 온도를 충족하였다. GSHP 시스템은 히트펌프의 운전을 통해 951 kWh의 열을 생산하였으며,
Tri-generation 시스템은 히트펌프의 운전을 통해 931 kWh, 태양광열 모듈의 축열운전을 통해 13 kWh의 열을 생산하였다. 또한,
히트펌프의 열원측 축열량은 341 kWh임을 확인하였다.
Fig. 6(a)와 Fig. 6(b)는 난방대표일(1/18)의 GSHP 시스템과 Tri-generation 시스템의 시간대 별 히트펌프의 소비전력, 태양광열 모듈의 생산전력, 시스템
COP를 나타낸다. GSHP 시스템의 소비전력은 220 kWh로 나타났으며 Tri-generation 시스템의 소비전력은 213 kWh로 확인되었다.
또한, Tri-generation 시스템의 생산전력은 139 kWh로 나타났다. 시스템 성능을 분석한 결과, GSHP 시스템은 3.72, Tri-generation
시스템은 5.21로 확인되었다. 이는, 히트펌프가 지중열원보다 높은 온도의 태양열원을 공급받아 성능이 향상된 것으로 사료된다.
Fig. 5 Heat exchange rate of GSHP system and Tri-generation system (heating representative day).
Fig. 6 Electric consumption & production of GSHP system and Tri-generation system (heating representative day).
3.2 냉방 대표일의 열 및 전기적 성능 비교분석결과
Fig. 7(a)와 Fig. 7(b)는 냉방대표일(7/18)의 Tri-generation 시스템과 GSHP 시스템의 시간대 별 생산열량을 나타낸다. GSHP 시스템과 Tri-generation
시스템 모두 냉방부하에 대응하기 위해 1002 kWh의 냉열을 생산하였으며, 실내 설정온도를 충족하였다.
Fig. 8(a)와 Fig. 8(b)는 냉방대표일(7/18)의 Tri-generation 시스템과 GSHP 시스템의 시간대 별 히트펌프의 소비전력 및 태양광열 모듈의 생산전력을 나타낸다.
냉방 대표일의 태양광열 모듈의 전력생산량은 57 kWh로 분석되었다. 태양광열 모듈의 생산전력을 시스템 운전에 이용할 경우, 시스템 COP는 6.98로
시스템 성능이 44.5% 향상됨을 확인하였다.
Fig. 7 Heat exchange rate of GSHP system and Tri-generation system (cooling representative day).
Fig. 8 Electric consumption & production of GSHP system and Tri-generation system (cooling representative day).
3.3 연간 열 및 전기적 성능 분석결과
Fig. 9(a)와 Fig. 9(b)는 GSHP 시스템과 Tri-generation 시스템의 연간 생산열량 및 냉난방부하를 나타낸다. 난방기간(12~3월)동안 GSH P시스템은 히트펌프
운전을 통해 88,586 kWh의 열을 생산하였으며, Tri-generation 시스템에서는 86,293 kWh의 생산열량 중 1,635 kWh의
열량을 태양열원을 이용하여 공급한 것을 확인할 수 있었다. 냉방기간(5~9월)동안 GSHP 시스템과 Tri-generation 시스템의 생산열량은
두 시스템 모두 94,469 kWh로 동일한 것을 확인하였다.
Fig. 10(a)와 Fig. 10(b)는 GSHP 시스템과 Tri-generation 시스템의 소비전력 및 생산전력, 시스템 성능을 나타낸다. 난방기간의 두 시스템 소비전력은 GSHP
시스템에서 17,368 kWh로 나타났으며, Tri-generation 시스템은 16,430 kWh의 전력을 사용한 것으로 나타났다. 또한, Tri-generation
시스템의 태양광열 모듈의 생산전력은 7,394 kWh로 나타났다. 태양광열 모듈이 생산한 전력에 의해 Tri-generation 시스템은 GSHP
시스템보다 약 52%(8,332 kWh) 소비전력을 절감시킬 수 있었다. 또한, 태양광열 모듈이 추가적으로 생산한 열량으로 인해 Tri-generation
시스템의 COP는 GSHP 시스템보다 향상될 수 있었다.
냉방기간의 시스템 소비전력을 분석한 결과, 두 시스템 모두 14,437 kWh로 동일한 전력을 사용하였으며, 태양광열 모듈에서 9,285 kWh의
전력을 생산하였다. 태양광열 모듈의 생산전력을 시스템 자체적으로 이용할 시, 5월은 생산전력이 소비전력을 초과하여 시스템 성능계수가 음수로 산출되었으며,
냉방기간의 평균 시스템 성능은 5.52에서 8.28로 약 50% 향상됨을 확인하였다.
Fig. 9 Annual heat exchange rate of GSHP system and Tri-generation system.
Fig. 10 Annual electric consumption & production of GSHP system and Tri-generation system.
4. 결 론
본 연구에서는 오피스 건물에 Tri-generation 시스템을 적용하여 건물부하와 연계한 시스템의 연간 열 및 전기적 성능을 정량적으로 분석하고
기존의 GSHP 시스템과 비교를 통해 Tri-generation 시스템의 적용가능성을 평가하였다. 결과는 다음과 같다.
(1) 난방기(12~3월)의 Tri-generation 시스템과 GSHP 시스템의 시스템 성능을 비교한 결과, 태양광열 모듈을 이용한 Tri-generation
시스템이 GSHP 시스템보다 시스템 평균 COP가 16% 높은 것으로 확인되었다. 이는, 히트펌프가 지중열원보다 높은 온도의 태양열원을 공급받아 성능이
향상된 것으로 사료된다.
(2) 냉방기(5~9월)의 Tri-generation 시스템과 GSHP 시스템의 시스템 성능을 비교한 결과, 두 시스템의 시스템 COP의 차이는 거의
없는 것으로 확인되었다. 그러나, 태양광열 모듈에 의해 생산된 전력을 시스템 운전에 자체적으로 이용할 경우 Tri-generation 시스템이 GSHP
시스템보다 시스템 평균 COP가 50% 향상되었다.
(3) 향후, 건물이나 지역에 따라 달라지는 부하패턴을 고려하여 Tri-generation 시스템 각 유닛의 적정용량 산정하기 위한 최적화 기반 시뮬레이션을
실시할 예정이다.
후 기
이 논문은 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No. 2021R1A2C2014259). 또한, 산업통상자원부(MOTIE)와
한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구 과제입니다.(No. 20188550000430)
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