1. 연구배경 및 목적

지구환경의 급격한 변화를 막기 위해 전 세계적인 탄소중립 노력이 이루어지고 있으며, 우리나라도 2050년 탄소중립을 위해 전력 부문과 열 부문에서 에너지 소비를 줄이기 위한 기술개발에 매진하고 있다. 안정적인 도심형 신재생에너지 열공급의 확대 보급을 위해 신재생 복합열원을 이용한 최적 열공급 설계기술 개발이 필요하며, 지금도 다양한 방식의 복합열원 열공급 시스템이 연구되고 있다.

지역난방을 위한 열공급에 있어 60℃ 이하의 열원을 활용하는 4세대 지역난방 시스템과 연계하여 태양열 집열기, 연료전지, HP(Heat Pump; 히트펌프), GSHP(Geothermal Source Heat Pump; 지열원 히트펌프)와 같은 개별 열원의 생산열이 적극 활용될 수 있다. 또한, 개별 열원으로부터 생산된 열에너지는 수요가 높은 수요처부터 우선적으로 공급되고, 잉여의 열은 TES(Thermal Energy Storage Tank; 수축열조, 열저장조)나 BTES(Borehole Thermal Energy Storage Tank; 지중계간축열조)와 같은 축열장치에 저장, 또는 부하(Load)가 필요한 건물에 직접 열을 보내는 등 다양한 열관리 시나리오를 생각해볼 수 있다. 따라서, 다양한 열관리 시나리오 중 에너지를 가장 효과적으로 사용할 수 있는 방안에 관한 연구가 반드시 필요하다.

Kim et al.^(1,2)은 TRNSYS를 활용해 태양열 및 BTES 건물 냉난방 시스템을 모델링하였다. 지중축열 운전 시, BTES의 온도변화와 BTES로 전달되는 열에너지를 해석하였고, HP의 용량변화가 BTES의 온도에 미치는 영향을 고찰하였다. Kim et al.⁽³⁾은 진천 친환경에너지자원의 소규모 냉난방 열 네트워크를 기반으로 “세 곳의 열에너지 프로슈머가 존재하는 네트워크의 수정 방안을 제안하고”, 양방향 열공급 실증운전을 수행하여 총 10가지의 운영모드로 건물에 열에너지 공급이 가능함을 보였다. Lorenzen et al.⁽⁵⁾은 함브르크의 Wilhelmsburg의 지역 스마트열그리드의 설계조건을 제시하였다. 스마트열그리드 실현을 위한 가장 큰 기술적 어려움은 표준화를 통한 다양한 운용 시나리오를 실제 적용하는 것이고, 정책적으로는 경제성이 크지 않다고 제시하고 있다. Pipicilello et al.⁽⁴⁾은 개별 열생산 스테이션과 지역난방과 연계하여 양방향 열네트워크 실현을 위한 파일럿 설비를 구축하였고, 다양한 제어 시나리오에 따른 양방향 열 네트워크에 대한 구현 가능성을 검증하였다. Chen et al.⁽⁶⁾은 신재생에너지를 통한 전력생산과 열병합 발전을 통한 열 네트워크가 통합된 지역에 대해서 통합 시스템의 운전방식에 대한 최적화를 수행하였다. 이를 통해 사용자의 만족도를 높이면서 운전비용을 낮추는 방법을 제시하였다. Gillich et al.⁽⁷⁾은 영국에서 기존 보일러를 히트펌프로 대체한 5세대 열 네트워크를 두 개의 건물에 적용하여 운전하였다. 기존 시스템 대비 이산화탄소 배출량은 13% 감소하였고, 가스의 소비는 40% 절감하였다. Park et al.⁽⁸⁾은 중앙의 축열조를 중심으로 열 생산자와 열 소비자로 구성된 마이크로 열 네트워크에서 효과적인 양방향 열거래 기법을 제안하였다. 열 소비자의 부하 프로파일에 따른 최적의 비용을 기준으로 열거래 모델을 도출하였고, 양방향 열거래의 최적화 성능을 확인하였다.

기존 연구를 살펴볼 때 현재까지 지역난방계통 및 계간축열과 연계된 건물 별 열거래에 대한 제어효과 분석에 대한 연구는 찾아보기 어렵다. 본 연구에서는 TRNSYS를 이용하여 상기한 개별 열원과 축열장치, 건물부하, 그리고 지역난방을 연계시킨 시스템을 구축하였고, 건물부하를 보다 효율적으로 감당할 수 있는 운용방법에 대해 연구하였다. 이에 대해 첫 번째로는 BTES의 유무에 따른 효율성과 BTES의 용량 변화에 따른 설비의 성능과 에너지 소비량의 변화를 관찰하였다. 두 번째로는 어느 한 쪽의 에너지 수요가 급격히 증가할 경우 축열조 간 열거래 제어를 통해 부족한 에너지를 얼마나 충당할 수 있는지와 제어를 하면 얼마나 에너지를 절약할 수 있는지에 대해 고찰하였다.

2. 연구방법

전체 해석 대상과 설비규격은 각각 Fig. 1과 Table 1과 같고, 시뮬레이션은 TRNSYS 프로그램을 사용하였다. 시스템의 주요 구성 설비로는 태양열 집열기 2대, TES 2대, BTES 1대, HP 1대, GSHP 1대, 연료전지 1대가 있고, 주요 구성 요소로는 기상정보, 지역난방, 그리고 3개의 부하로 구성하였다. 사용한 부하들은 실증연구가 진행되고 있는 한국건설기술연구원 내 수자원환경연구동(Water Resources Environment Research Building; W.R.E.R Building), 지반공학실험동(Geo-Engineering Test Building; G.E.T. Building), 환경공생빌딩(Eco Symbiosis Building; E.S. Building)에서 실제로 발생하는 부하를 참조하였다. 난방부하의 패턴은 Fig. 2에 나타난 것과 같이 10월 중순부터 부하가 발생하기 시작하고 다음 해 4월 중순까지 지속적으로 부하가 발생한다. 그리고 4월 중순부터 9월 중순까지는 하루 중 특정 시간을 제외하고는 난방부하가 거의 나타나지 않았다.

시스템은 크게 Part A와 Part B로 나뉘며, Part A의 부하는 수자원환경연구동과 지반공학실험동, Part B의 부하는 환경공생빌딩에 해당한다. Part A에서는 태양열 집열기를 통해 열에너지를 생성한다. 이 에너지는 TES1에 공급․축적되며 TES1의 평균 온도는 60℃를 유지하도록 제어된다. BTES는 여름철에 TES1으로부터 열교환을 통해 에너지를 저장하고, 겨울철에는 BTES에 저장해둔 에너지를 우선적으로 사용하게 설정하였다. HP는 여름철에도 에너지를 충당하지 못했을 때, 또는 겨울철 지속된 방열로 인해 온도를 추가로 상승시킬 필요가 있을 경우를 대비하여 설치하였다. 또한, HP를 가동해도 Part A의 두 빌딩의 부하를 감당하지 못할 경우 지역난방으로부터 에너지를 추가 공급받도록 구성되어 있다.

Part B에서는 GSHP와 연료전지를 통해 열에너지를 생성한다. 이 에너지는 TES2에 공급․축적되며, TES2의 평균 온도는 60℃ 이상이 되도록 제어된다. Part A와 같이 기본적으로 TES2에 저장된 에너지로 부하를 감당하며, TES2만으로 부하를 감당하지 못할 경우 지역난방으로부터 에너지를 추가 공급받도록 구성되어 있다.

Fig. 1 TRNSYS modeling for energy network system.

Fig. 2 Heating load patterns (a) W.R.E.R. and E.S. (b) G.E.T. and E.S.

BTES의 효용성을 결정하는 데 있어 주요 구성 요소로는 BTES의 용량, 보어홀 깊이, 헤더 깊이, 보어홀 개수, 보어홀 반경이 있다. BTES의 용량 변화에 따른 효용성 분석을 위해 Table 2와 같은 설비 조건을 구성하여 해석을 진행하였다. 이때, 다른 설비들의 사양은 Table 1에 기재한 것과 동일하다.

열거래 부분은 크게 TES1과 TES2, 펌프 4개, 열교환기, 그리고 제어기로 구성되어 있다. 시뮬레이션은 TES1의 유체가 펌프1을 통해 열교환기를 지나가고, 열교환한 유체는 다시 TES1로 들어간다. TES2 역시 TES1과 같은 방식으로 작동된다. 이때, 각 펌프의 최대 유량은 10,000 kg/hr, 유체는 물(비열 4.19 kcal/kg․℃), 열교환기 효율은 0.65로 설정하였다. 본 연구에서는 해석의 편의상 Fig. 2와 같이 펌프 2개의 모델링을 통하여 시뮬레이션을 진행하였으며 기본적으로 TES2의 온도가 TES1보다 높도록 설정되어 있다. 여기서 열거래 측 제어는 총 다섯 가지 방식으로 Table 3에 나타냈다.

제어 0은 상시로 열교환을 실행하는 제어로, 상술한 BTES의 용량 변화에 따른 변화를 보기 위한 제어이다.

제어 1은 Part A와 Part B 사이에 열교환이 없는 제어로, 열거래를 실행했을 때와 그렇지 않았을 때 에너지 소비량의 차이를 관찰하기 위해 설정하였다.

제어 2~4는 기본 제어조건과 추가 제어조건이 존재하며, 이 제어들은 기본 제어조건과 추가 제어조건 두 가지를 모두 만족하는 경우에만 열거래가 실행된다. 기본 제어조건에는 아래와 같이 두 가지 세부 제어조건을 두었다. 세부 제어조건①에서는 BTES 충전기간 2184시간(약 3개월) 이전까지는 Part A와 Part B가 상시로 열거래를 실행하도록 하였고, 세부 제어조건②에서는 BTES 충전기간 2184시간 이후부터는 TES1의 온도가 TES2의 온도보다 낮을 때에만 열거래를 실행하도록 설정하였다.

제어 2는 추가조건이 존재하지 않아 기본 제어조건만 만족하면 열교환을 하도록 하였고, 제어 3은 TES1의 온도가 60℃ 이하일 때, 제어 4는 TES1의 온도가 60℃보다 클 때만 열교환을 하도록 설정하였다.

Fig. 3 Heat network system (a) Schematic diagram (b) Modeling on TRNSYS.

지역난방과 연계된 시스템에서 더 효율적인 에너지 소비조건을 찾기 위해 부하 측 시스템도 제어할 수 있도록 설계하였다. 부하 측 시스템은 TES1, 흐름 분할기, 열교환기, 히터, 부하 건물, 그리고 제어기로 구성되어 있다. 여기서 히터는 지역난방으로부터 받은 에너지로 가열하는 장치이다. 제어기는 히터와 흐름 분할기를 제어한다.

첫 번째로, 부하 측 시스템은 일정한 온도를 유지하게 되어 있다. 만약 열교환기의 출구온도가 설정온도보다 낮으면 제어기는 지역난방열을 모사한 히터를 가동해 유체온도를 높인다. 이때, 가열하는 데 소비된 지역난방 에너지량도 계산한다.

두 번째로, 건물입구로 들어가는 유체가 부하를 충당하기 위해 에너지를 소모하여 온도가 낮아지는데, 이때의 유체온도(부하 건물 측 출구 온도)가 TES1 측 출구온도보다 일정 온도 이하가 되면 흐름 분할기의 경로가 바뀌면서 TES1 측 유체가 열교환기를 통과하게 된다. 반대로 위의 온도 조건을 만족하지 않으면 다시 흐름 분할기의 경로가 바뀌면서 TES 측 유체는 부하측과 열교환없이 다시 TES1으로 되돌아가도록 설정 하였다.

그리고 설정온도가 변하면 열거래 효율이나 에너지 소비량에 어떤 영향이 있는지 보기 위해 부하 측 제어 1과 2를 설정하였다. 부하 측 제어 1은 부하 측 유체의 온도가 60℃로 유지되고 TES1 측 유체온도 대비 10℃ 이하일 때에만 TES1과 열교환이 실행되도록 설정되었고, 부하 측 제어 2는 유체온도 55℃ 유지에 온도차는 5℃로 설정하였다. 두 제어 모두 부하 측 유체온도가 50℃보다 낮아지면 TES1과 열교환이 실행된다. 위의 두 제어조건을 정리하면 Table 4와 같다.

Fig. 4 Modeling of load controlling system on TRNSYS.

3. 연구결과

3.1 BTES의 용량 변화에 따른 효과성 분석

3.1.1 BTES 용량에 따른 각 축열조의 평균 온도 변화

Fig. 5와 같이 BTES의 용량을 500 ㎥부터 20,000 ㎥까지 변화시킨 결과, TES1의 2년간 평균 온도는 500 ㎥에서 1,000 ㎥까지는 작은 범위에서 약간 감소하였고, 5,000 ㎥부터는 일정한 온도를 유지하는 결과를 얻었다. TES2의 2년간 평균 온도는 규격이 늘어남에 따라 서서히 감소하다가 5,000 ㎥부터는 수렴하는 경향을 보였다. 단, TES1과 2의 온도 변화는 급격한 수준은 아니었다. BTES의 2년간 평균온도는 용량이 증가함에 따라 급격하게 낮아지는 것을 볼 수 있었다. BTES 용량 500 ㎥를 기준으로 2500 ㎥까지 평균온도는 2% 정도 낮아졌으나, 10,000 ㎥, 20,000 ㎥로 증가하면서 각각 15%, 30%의 온도 감소세를 보였다. 온도변화는 BTES의 용량이 증가함에 따라 보어홀의 개수, 간격, 깊이 등 다양한 규격도 대폭 커졌기 때문에 감소폭 역시 큰 것으로 판단된다.

Fig. 5 Temperature change by BTES Volume (a) TES average temperature (b) BTES average temperature.

3.1.2 BTES 용량에 따른 히트펌프의 소비 동력과 부하 측 지역난방 에너지 소비량 변화

Fig. 6과 같이 BTES의 용량변화에 따라 2년간 총 HP 소비동력은 2,500 ㎥까지 줄어들다가 5,000 ㎥부터는 다시 증가하여 이후 일정한 수치를 유지했다. 반대로 2년간 총 지역난방 소비 에너지는 2,500 ㎥까지는 증가하였다가 이후 5,000 ㎥부터는 감소하여 일정한 수치를 유지했다. 이 HP 소비 동력과 지역난방 소비 에너지를 모두 합한 결과, 2,500 ㎥에서 총 에너지 소비량이 1,105,051 MJ로 가장 적은 것을 알 수 있다. 총 에너지 소비량이 1,140,971 MJ로 가장 많았던 500 ㎥와 비교했을 때 약 3.15% 적은 값이다. BTES의 용량이 5,000 ㎥ 이상인 경우에는 총 에너지 소비량에 큰 변화가 보이지 않았다. 또한, 대체로 BTES 용량이 작은 것보다는 큰 경우가 에너지 활용면에서 더욱 유리한 것으로 나타났으나 특정 규격을 넘어서면 그 이후로는 큰 변화가 일어나지 않음을 알 수 있었다.

Fig. 6 Energy consumptions by BTES volume.

3.2 열 네트워크

3.2.1 열 네트워크 사용 시 변화

Fig. 7은 TRNSYS로 구축한 시스템을 2년간 시뮬레이션했을 때의 온도 그래프이다. 외기온도, 집열기 2대의 온도, TES 2대의 온도, BTES의 온도를 나타낸다. 연구방법에서 서술한 바와 같이 제어 조건을 변경해도 온도 그래프의 경향은 동일하게 나타났다. BTES의 온도는 지속적인 사용과 충전을 반복하며 시간에 따라 변동하였고 전체적으로는 온도가 증가하는 경향을 나타낸다. 집열기의 크기와 설비의 용량 등 현재 시스템의 구성에서 TES1의 온도는 60℃ 부근에서 유지됨을 볼 수 있다. 만약 부하조건과 설비용량에 따라 온도조건은 크게 달라질 것으로 판단된다.

Table 5는 TRNSYS 모델에 설치된 히트펌프를 가동하는데 사용된 동력과 부하에서 소비한 지역난방 에너지, 그리고 시스템에서 총 소비된 에너지를 나타내고, Table 6은 열교환 실행조건을 만족하는 구간 개수와 에너지 소비간의 상관관계를 나타낸다. ‘Control Conditions(제어조건)’의 (a)는 상술한 Table 3의 펌프의 기본 제어조건을 만족하는 구간 개수, (b)는 각 부가 제어조건을 만족하는 구간 개수, (c)는 (a)과 (b)를 동시에 만족하는 구간 개수를 의미한다.

Fig. 7 System temperatures (a) Control 2 (b) Control 4.

Table 5 Energy consumption for 2 years according to the system

No	Type	Heat Pump (MJ)	Total District Heating (MJ)	Total Energy Consumption (MJ)	Total Load (MJ)	Saving & Pct (MJ)
1	Heat Trans. Control 1 with Load Control 1	422,935	W.R.E.R. : 616,675 G.E.T. : 117,653	1,157,287	2,408,398 (W.R.E.R. 1,273,790 G.E.T. 1,134,608)	1,251,111 (-51.95%)
2	Heat Trans. Control 2 with Load Control 1	392,539	W.R.E.R. : 622,974 G.E.T. : 117,878	1,133,414		1,274,984 (-52.94%)
3	Heat Trans. Control 3 with Load Control 1	410,842	W.R.E.R. : 601,479 G.E.T. : 120,689	1,133,034		1,275,364 (-52.95%)
4	Heat Trans. Control 4 with Load Control 1	393,192	W.R.E.R. : 608,990 G.E.T. : 119,239	1,121,446		1,286,952 (-53.44%)
5	Heat Trans. Control 2 with Load Control 2	783,770	W.R.E.R. : 51,435 G.E.T. : 104,807	940,035		1,468,362 (-60.97%)
6	Heat Trans. Control 3 with Load Control 2	799,785	W.R.E.R. : 46,962 G.E.T. : 105,181	951,952		1,456,446 (-60.47%)
7	Heat Trans. Control 4 with Load Control 2	768,081	W.R.E.R. : 53,444 G.E.T. : 106,217	927,766		1,480,632 (-61.48%)

Table 6 Correlation between energy consumption and absolute number of heatable conditions

Type	Numbers of Satisfying Control Conditions					Total Energy Consumption (MJ)
	(a) Basic Control (TES1≤TES2)	(b) Additional Controls			(c) Satisfying Both (a)&(b)
		(none)	TES1≤60	TES1>60
2	17,572	17,572			17,572	1,133,414
3	17,595		1,258		1,258	1,133,034
4	17,586			16,397	16,382	1,121,446
5	17,546	17,546			17,546	940,035
6	15,967		1,823		1,823	951,952
7	17,590			15,967	15,956	927,766

시뮬레이션 결과, 열거래를 실행하지 않은 1번 타입과 열거래를 실행한 2~4번 타입을 비교했을 때, 에너지 소비가 최대 3.1%까지 감소한다는 결과를 얻었다. 부하 측 시스템의 제어조건을 제어 1(타입 2~4에 해당)에서 제어 2(타입 5~7에 해당)로 변경한 결과, HP의 동력 소모량은 2배 가량 증가하지만 지역난방 에너지 소비량은 4.5배 가량 감소하는 것을 볼 수 있었다. 부하 측 제어 1에서는 부하 측 온도가 50℃보다 낮아지는 경우가 적었기 때문에 TES1 측과 부하 측간의 열교환이 적고, 그만큼 지역난방 에너지 사용량이 증가했다. 반면 부하 측 제어 2에서는 부하 측 온도가 55℃보다 낮아지는 경우가 많았기 때문에 TES1 측과 부하 측간의 열교환이 많고, 그만큼 HP 사용량은 증가하지만 지역난방 에너지 사용량은 줄일 수 있었다. 또한, 각각 효율이 가장 높았던 4번과 7번을 비교했을 때에도 7번이 4번 제어보다 약 17.27%의 에너지를 절약할 수 있다는 결과를 얻었다. Fig. 8을 통해 계절 별 열거래가 없을 경우의 지역난방으로부터 열공급과 열거래를 수행한 경우의 열공급의 차이를 확연하게 확인 할 수 있다. 건물부하와 비교해보면 최대 1,480,632 MJ만큼 에너지를 절약할 수 있었는데, 이는 건물부하인 2,408,398 MJ의 약 61.48%에 해당하는 수치이다. 이 수치를 도시가스로 환산하면, 약 27톤의 도시가스가 낼 수 있는 에너지양에 해당하며 22년 9월 한국도시가스협회가 책정한 도시가스 단가 기준으로는 약 4340만원에 달하는 양이다. 이를 통해 에너지를 받는 측의 온도는 주는 측의 온도보다 가능한 한 낮도록 유지하고, 온도설정 작동구간(dead band)도 작게 설정하는 경우가 유리하다고 판단된다.

Fig. 8 Energy consumption rely on control Types (a) heat trans. control 1 with load control 1 (b) heat trans. control 4 with load control 2.

Table 6에서 열거래 제어 3을 사용한 3번과 6번 타입의 (c)의 구간 개수가 매우 적음에도 총 에너지 소비량에서 큰 차이가 나지 않다는 점이다. 이는 지속적으로 에너지를 주어 설정온도를 항상 유지하는 식의 열거래보다는 설정온도보다 낮아졌을 때 에너지를 주는 식의 열거래가 보다 효율적인 방법일 것으로 판단할 수 있다. 그러나 에너지 총 소비량을 보면 2~4번 타입과 5~7번 타입 모두 설정온도 보다 높도록 설정된 열거래 제어 4를 사용한 4번과 7번이 가장 효율적이었고, 열거래 제어 3을 사용한 3번과 6번은 각각 2~4번 중에선 두 번째로, 5~7번 중에선 효율이 가장 낮다. 이때, 6번과 가장 효율이 좋은 7번 사이에는 약 2.54% 정도 차이가 있었다. 또한, (c)의 구간 개수가 가장 많은 2번과 5번 타입의 효율이 가장 떨어졌다. 비록 단일 효율로 보면 특정 제어가 다른 제어보다 훨씬 효율적일 수 있어도 전체적으로 보면 그 방식이 가장 우수한 결과를 내는 것은 아닐 수 있기 때문에 일정 기준을 두고 적절한 제어를 하는 것이 더 유리할 수 있다고 판단된다. 이 부분에 대해서는 열거래에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 보인다.

4. 결 론

TRNSYS를 이용하여 신재생에너지 복합열원과 계간축열(BTES)시스템, 열저장축열조(TES)를 통한 열거래와 지역난방열원을 동시에 고려하는 시스템의 동적해석을 수행하였다. 현재 구축한 시뮬레이션 모델에서는 가능한 한 시스템 내에서 에너지를 충당하고, 그럼에도 부족한 경우에는 외부로부터 에너지를 공급받는 시스템을 구축하였다. 해당 시스템의 주요 구성 요소인 TES와 BTES의 용량에 따른 변화를 관찰하고, 열거래의 실행여부와 제어조건에 따른 에너지 소비 효율에 대해 분석하였다.

BTES의 최적 용량은 2,500 ㎥이었으며, 500 ㎥의 규격보다 에너지 소비 측면에서 약 3.15% 정도 유리하다는 결론이 도출되었다. 또한, BTES의 효율은 BTES를 구성하는 여러 요소들에 따라 민감하게 작용하였으며, 일반적으로 BTES 용량을 크게 하는 것이 비교적 유리한 것으로 나타났다.

열거래 실행여부를 제외한 모든 조건이 같은 상황에서는 열거래를 실행하지 않으면 1,157,287 MJ만큼의 에너지를 소비하였으나, 열거래를 실행했을 경우 1,121,446 MJ로 최대 3.1%만큼 절약되는 것을 확인하였다. 이를 통해 열 네트워크를 통한 열거래가 이루어질 경우 에너지 절약 측면에서 효용성이 있음을 확인 할 수 있다. 그러나 열거래의 양과 시스템효율은 반드시 비례하는 것은 아니며, 제어 방식에 따라서 에너지 소비량이 2.54% 차이가 나는 것을 볼 수 있었다. 한편, 신재생에너지 설비가 없는 건물부하와 비교해보면 최대 1,480,632 MJ만큼의 에너지를 절약할 수 있었다.