2.1 신재생 융복합시스템 개요

Fig. 1은 부산광역시 기장군에 위치한 실증사이트의 융복합시스템 계통도를 나타낸다. 대상 건물은 연면적 120 ㎡, 높이 2.7 m, 공조공간은 324 m3의 소규모 업무시설로 융복합시스템의 상세한 내용은 Table 1과 같다. 본 시스템은 태양광원과 태양열원의 에너지를 동시에 이용할 수 있는 태양광열시스템(Photovoltaic-thermal system, PVT), 공기열원 히트펌프(Air source heat pump, ASHP), 급탕용 축열조(Storage tank1, ST1), 냉난방 축열조(Storage tank2, ST2), 팬코일 유닛(Fan coil unit, FCU)으로 구성되어 있다. 또한 각 센서에서 측정된 값들은 데이터베이스 관리 시스템(Database Management System, DBMS)을 통해 데이터베이스 모델링을 실시 하였으며 TCP/IP 통신을 이용하여 1분 간격으로 데이터를 수집하였다. 저장된 센서 값들을 사용하여 코드 또는 웹 모니터링 시스템에서 융복합시스템의 정밀제어를 수행할 수 있다.

Fig. 1 Schematic diagram of the integrated system.

2.2 시뮬레이션 개요

신재생 융복합시스템의 최적제어 학습데이터를 구축하기 위하여 실내외 열교환기의 유량별 냉난방 성능을 해석하였으며, Fig. 2는 실증사이트의 융복합시스템 기반 시뮬레이션 모델을 나타낸다.

해석모델은 실증사이트를 기준으로 TRNSYS 18을 통해 모델링을 하였으며 벽체와 창문의 물성치는 국토교통부고시 건축물의 에너지절약설계기준을 참고하였다. 기상데이터는 국내 도시별 기상데이터의 기준을 제시한 한국패시브건축협회의 표준기상데이터 자료⁽⁹⁾를 사용하고 상세 입력변수는 Table 2와 같이 설정하였다. 건물 입력변수 중 취득이 어려운 데이터는 ASHRAE standard를 참고하였다. 또한, 축열조 이용효율을 높이기 위하여 같은 시설물의 시스템 제원을 기반으로 운전수법에 관한 케이스스터디를 진행한 Chae et al.⁽¹⁰⁾의 기간별 운전수법 참고하였다. 기간별 운전수법은 축열조와 심야전력을 이용한 냉난방 운전, 히트펌프를 직접 이용한 냉난방 운전으로 구분된다. 시뮬레이션에서 사용한 히트펌프의 성능은 사용자가 정의한 성능 데이터를 기반으로, 히트펌프의 부하측 출수온도와 외기온도의 함수에 의해 결정된다.

Fig. 2 Simulation model of the integrated system.

3.1 축열조를 이용한 냉난방 운전

축열조를 이용한 냉난방 운전시 열교환기의 유체측 유량은 순환펌프의 정격유량으로 설정하였다. Fig. 3은 축열조를 이용한 냉방운전 시 히트펌프의 입출수 차온 및 전력량과 히트펌프 COP, 외기온도의 변화를 나타낸다. 히트펌프의 입출수 차온을 분석한 결과, 축열부하가 많이 발생하는 오전 9시에 차온 및 COP가 가장 높게 나타났다. 또한, 평균 외기온도가 가장 높은 시간의 COP는 3.01로 나타남을 확인했다. 반면 외기온도가 감소하는 오후에는 히트펌프 입출수 차온과 COP가 지속적으로 감소하는 경향을 보였는데, 이는 외부 공기로부터의 열교환 효율이 높아짐에도 불구하고 축열부하가 감소하여 히트펌프의 압축효율이 저하된 것으로 사료된다.

Fig. 4는 축열조를 이용한 난방운전의 해석 결과로서 히트펌프의 입출수 차온 및 전력량, 히트펌프 COP, 외기온도의 변화를 나타낸다. 히트펌프의 입출수 차온을 분석한 결과, 평균적으로 축열부하가 감소하는 낮 시간에는 COP가 감소하였으나 평균 외기온도가 영하 이하로 내려간 1월 16일의 경우 외기온도가 상승하는 오후 시간에도 축열부하가 높게 발생하여 COP가 증가함을 확인했다. 평균 외기온도가 가장 높은 시간의 COP는 2.14, 외기온도가 가장 낮은 시간의 COP는 2.16로 나타났다.

따라서 열교환에 불리한 외기 환경에서는 축열조의 이용률을 높이고 히트펌프 가동률을 낮추는 것이 히트펌프 성능을 높일 수 있음을 확인하였다.

Fig. 3 Cooling performance and COP in August.

Fig. 4 Heating performance and COP in January.

3.2 히트펌프를 직접 이용한 냉난방 운전

히트펌프를 직접 이용한 냉난방 운전시 열교환기의 유체측 유량은 순환펌프의 정격유량으로 설정하였다. Fig. 5는 히트펌프를 직접 이용한 냉방운전 시 히트펌프의 입출수 차온과 소비전력, 히트펌프 COP, 외기온도의 변화를 나타내며, 실내외 열교환기의 순환수 유량은 순환펌프의 정격유량으로 설정하였다. 히트펌프의 입출수 차온이 증가함에 따라 COP가 감소하였으며 최대부하가 발생한 시간의 COP는 5.43로 확인했다. 냉방부하가 낮거나 열교환에 유리한 환경에서 축열운전을 수행하는 축열조 이용 냉방운전과는 다르게, 히트펌프 직접 운전은 외기온도와 냉방부하가 낮을 때 히트펌프 이용률이 감소하여 히트펌프 소비동력이 증가하고 압축일 효율이 감소하여 오전 시간의 COP가 상대적으로 낮게 나타났다.

Fig. 6은 히트펌프를 직접 이용한 난방운전의 해석결과로서 히트펌프의 입출수 차온 및 소비전력, 히트펌프 COP와 외기온도의 변화를 나타낸다. 히트펌프의 입출수 차온이 감소함에 따라 COP가 감소하였으며 최대부하가 발생한 시간에서 히트펌프의 입출수 차온과 COP가 가장 크게 나타났다. 또한, 외기온도가 가장 높은 시간의 COP는 2.29, 외기온도가 가장 낮은 시간의 COP는 3.88로 나타났다.

히트펌프를 직접 이용한 냉난방 운전은 냉난방 부하가 작을 때 히트펌프 성능이 좋지 못함을 확인했다. 따라서 부하 감소로 인해 히트펌프 COP가 감소할 경우 열교환기측 순환수 유량을 감소시켜 히트펌프 입출수 차온을 증가시킨다면 히트펌프 성능을 개선할 수 있을 것으로 사료된다.

Fig. 5 Cooling performance and COP in October.

Fig. 6 Heating performance and COP in February.

3.3 융복합시스템의 연간 성능해석

Table 3은 융복합 시스템의 성능해석 결과로 운전수법에 따른 월평균 히트펌프 COP, 히트펌프와 PVT의 HER(Heat exchange rate), 태양광 발전의 산출결과를 각각 나타내며, 열교환기의 순환수 유량은 순환펌프의 정격유량으로 설정하였다. 식(1)은 히트펌프 COP로 히트펌프의 입출수 차온과 유량, 히트펌프 소비전력을 사용하여 계산하였고, 식(2)는 히트펌프와 PVT의 채열량으로 열교환기의 입출구 유체온도와 유량을 사용하였다.

4.1 축열조를 이용한 냉난방 운전의 유량별 성능해석

일반적으로 축열조를 이용한 히트펌프 유닛의 실내측과 실외측 열교환기의 순환수 유량은 비슷하거나 동일하다. 본 연구에서는 실내외 열교환기에서의 유체측 유량비율을 동일하게 설정하여 히트펌프 유닛의 순환수 유량 변화에 따른 부하별 성능을 확인하였다. 성능확인을 위해서 사용한 시뮬레이션은 동적 해석툴로 많이 이용되는 TRNSYS18을 사용하였다. 히트펌프 설계유량을 참고하여 순환수 유량의 비율(flow rate ratio, FRR = 순환수 유량 / 순환수 정격유량)의 한계값은 0.65로 설정하였다. 축열조의 설정온도와 히트펌프의 작동여부를 기준으로 축열조의 부하를 식(3)을 통해 계산하였고, 축열조의 부하율은 식(4)와 같다.

Fig. 7은 1월 동안 축열조 부하율에 따른 유량별 평균 HER과 히트펌프 COP를 나타낸다. 순환수 유량별 히트펌프의 성능해석을 위해 유량의 비율을 FRR 1.00과 FRR 0.65로 설정하고 부하율의 하한값은 0.5로 설정하였다. FRR 1.00의 히트펌프 HER은 470W, COP는 4.43, FRR 0.65의 HER은 473W, COP는 4.46로, 실외열교환기의 순환수 유량이 히트펌프 정격유량 이상으로 증가함에 따라 응축기와 증발기에서의 유체측 열전달계수가 감소하여 히트펌프 유닛의 HER과 COP가 약 0.6% 감소함을 확인했다.

Fig. 8은 8월 동안 축열조 부하율에 따른 유량별 히트펌프의 평균 채열량과 COP를 나타낸다. 유량별 히트펌프의 성능해석을 위해 유량의 비율을 FRR 1.00과 FRR 0.65로 설정하고 부하율의 하한값은 0.5로 설정하였다. FRR 0.65는 히트펌프의 정격유량을 나타낸다. FRR 1.00의 히트펌프 HER은 310W, COP는 4.25, FRR 0.65의 HER은 311W, COP는 4.27로, 실외열교환기의 순환수 유량이 히트펌프 정격유량 이상으로 증가함에 따라 COP가 0.5% 감소함을 확인했다.

축열조를 이용한 냉난방 운전 모두 순환수 유량이 히트펌프 정격유량에 가까워질수록 순환수 내부유동에서 발생하는 난류가 증가하여 히트펌프 채열량 및 COP가 미소하게 증가한 것으로 사료된다.

히트펌프 유닛의 채열량 대비 냉난방 시스템에서 소비한 전력량을 시스템 COP로 정의하였으며 시스템 COP는 식(5)와 같다.

Table 4는 대표월 기준 축열조를 이용한 냉난방 운전의 유량별 히트펌프 소비전력, 히트펌프 HER, 히트펌프 COP, 시스템 COP의 평균값을 나타낸다. 순환수 유량비와 부하율 한계는 FRR 0.5와 0.65로 설정하였다. 실내외 열교환기의 순환수 유량이 감소함에 따라 히트펌프 COP와 HER이 증가하였는데, 순환수 내부 유동에서 발생하는 난류 증가와 압축기의 입출구 압력이 감소한 것이 영향을 준 것으로 사료된다. 난방운전 시 FRR 1.00 대비 FRR 0.65의 히트펌프 COP는 0.02, 시스템 COP는 0.11 증가하였다. 냉방운전 시 FRR 1.00 대비 FRR 0.65의 히트펌프 COP는 0.02, 시스템 COP는 0.13 증가하였다.

일반적으로 히트펌프 유닛의 응축기와 증발기의 유체측 차온 증가는 압축기의 입출구 압력을 높여 유체측 열전달계수를 감소시킨다.⁽¹¹⁾ 본 시스템에서의 축열부하가 높은 상태에서 순환수 유량이 FRR 0.65일 경우, 압축기의 입출구 압력을 증가시켜 히트펌프 소비전력이 증가하였으며 히트펌프 COP가 일시적으로 감소하였다. 그러나 순환수 유량이 히트펌프 정격유량에 가까워질수록 운전 전반에 걸친 히트펌프의 COP와 채열량, 시스템 COP가 높아짐을 확인하였다.

Fig. 7 Comparison of heating performance and COP by load ratio in January.

Fig. 8 Comparison of cooling performance and COP by load ratio in August.

4.2 히트펌프를 직접 이용한 냉난방 운전의 유량별 성능해석

축열조를 이용하지 않은 히트펌프 직접운전의 유량별 성능 해석을 위해 실내 부하율 계산은 아래의 과정을 통해 이루어졌다. 히트펌프 설계유량을 참고하여 FRR의 한계값은 0.65로 설정하였다. 실내온도와 설정온도, 히트펌프의 작동여부를 기준으로 실내 냉난방 부하를 식(6)을 통해 계산하였고, 실내 부하율은 식(7)과 같다.

Fig. 9는 2월 동안 실내 부하율에 따른 유량별 히트펌프 COP와 채열량을 나타낸다. 순환수 유량별 히트펌프의 성능해석을 위해 유량의 비율을 FRR 1.00과 FRR 0.65로 설정하고 부하율의 하한값은 0.5로 설정하였다. FRR 1.00의 히트펌프 HER은 357W, COP는 3.13, FRR 0.65의 HER은 370W, COP는 3.25로, 순환수 유량이 히트펌프 정격유량 이상으로 증가함에 따라 응축기와 증발기에서의 유체측 열전달계수가 감소하여 히트펌프 유닛의 COP와 채열량은 약 4% 감소하였다. 특히 축열조를 이용한 난방운전과 비교하여 순환수 유량이 히트펌프 성능에 미치는 영향은 약 7배 정도 증가함을 확인했다.

Fig. 10은 10월 동안 실내 부하율에 따른 유량별 히트펌프 COP와 채열량을 나타낸다. 순환수 유량별 히트펌프의 성능해석을 위해 유량의 비율을 FRR 1.00과 FRR 0.65로 설정하고 부하율의 하한값은 0.5로 설정하였다. FRR 1.00의 히트펌프 HER은 400W, COP는 5.70, FRR 0.65의 HER은 418W, COP는 5.94로, 순환수 유량이 히트펌프 정격유량 이상으로 증가함에 따라 응축기와 증발기에서의 유체측 열전달계수가 감소하여 히트펌프 유닛의 COP와 채열량은 약 4% 감소하였다. 특히 축열조를 이용한 냉방운전과 비교하여 순환수 유량이 히트펌프 성능에 미치는 영향은 약 8배 정도 증가함을 확인했다.

Table 5는 대표월 기준 히트펌프를 직접 이용한 냉난방 운전의 순환수 유량별 히트펌프의 소비전력과 채열량, 히트펌프 COP, 시스템 COP의 평균값을 나타낸다. 순환수 유량비와 부하율 한계는 FRR 0.5와 0.65로 설정하였다. 난방운전 시 FRR 1.00 대비 FRR 0.65의 히트펌프 COP와 시스템 COP는 0.12 증가하였고, 난방운전 시 FRR 1.00 대비 FRR 0.65의 히트펌프 COP는 0.24, 시스템 COP는 0.29 증가하였다.

축열조를 이용한 냉난방 운전과 비교하여, 히트펌프 직접 냉난방 운전은 실외열교환기의 입구측 순환수가 축열조로부터 영향을 받지 않아, 순환수 유량이 히트펌프 정격유량에 가까워질수록 히트펌프의 입출수 차온 및 히트펌프 COP가 크게 증가함을 확인했다.

Fig. 9 Comparison of heating performance and COP by load ratio in February.

Fig. 10 Comparison of cooling performance and COP by load ratio in October.