2.1 프로슈머를 위한 복합에너지시스템

본 제안된 시스템은 Fig. 1과 같이, 기존의 중앙냉방 및 난방 열네트워크를 기반으로 냉열과 온열을 동시에 생산하는 SHCHP, 생산된 냉열과 온열을 열네트워크에 공급하기 위한 배관, 밸브 및 펌프, 그리고 열네트워크 내에 열프로슈머 구현을 위한 열을 별도로 관리하기 위한 분산형 열네트워크로 구성되어 있다. SHCHP는 기계실에 위치할 수도 있으나, 본 연구에서는 분산형 SHCHP를 구성하였다.

분산형 SHCHP의 운영은 다음과 같다. 건물의 냉방, 난방 및 급탕열은 기본적으로 중앙의 열공급 시스템을 통해서 공급받게 된다. 봄, 여름 및 가을 기간 중 냉방수요와 난방 및 급탕수요가 동시에 발생하는 기간에 SHCHP가 운전되면서 냉열과 온열을 동시에 생산하게 된다. SHCHP에서 생산된 열은 주택의 부하에 우선 공급되고, 남는 잉여열은 열네트워크에 공급하게 된다. 열네트워크에 공급된 열량은 열량계로 계측하여 열네트워크에 열을 판매하게 된다. 낮 시간에는 주택에서 남는 잉여전력을 P2H형태로 SHCHP의 운영을 통해 열로 변환하여 판매할 수 있다.

Fig. 1 Overview of distributed simultaneous heating and cooling system.

2.2 실증 사이트

본 제안된 시스템의 파일럿 설비가 설치된 곳은 스마트빌리지 내 데모주택으로 부산에코델타스마트시티(EDC)에 위치하고 있다(Fig. 2).⁽¹²⁾ 스마트빌리지는 56세대의 단독주택과 2개의 커뮤니티시설로 이루어져 있으며, 단독주택은 중앙 열네트워크를 통해 냉열 및 온열을 공급받는다. 스마트빌리지의 전체 대지면적은 7,202 ㎡이며, 건축면적은 2,200 ㎡, 연면적은 3,620 ㎡이다. 단독주택은 37세대인 1단지와 19세대인 2단지로 구분된다. 1단지는 3층 규모의 단독주택으로 구성되어 있으며, 2단지는 2층 규모로 구성되어 있다. 데모주택이 있는 2단지의 단독주택은 벽면, 지붕, 바닥, 창문의 열관류율은 각각 0.27, 0.103, 0.175, 0.963 W/(㎡·K)이다. 커뮤니티센터의 벽면, 지붕, 바닥, 창문 열관류율은 0.147, 0.107, 0.212, 0.997 W/(㎡·K)로 구성되어 있다. 19세대 2단지에는 단독주택 지붕에 88 kWp의 BIPV가 설치되어 있으며, 주차장과 회랑에 각각 10.8 kWp, 34.9 kWp의 PV가 설치되어 있다.

본 연구에서는 Fig. 2와 같이, 분산형 열네트워크에 포함된 6개의 주택 중 SHCHP가 설치된 1개의 주택에서의 실험결과를 기반으로 분석을 진행하였다. 6개의 주택에는 각각 3.42 kWp의 BIPV 용량이 설치되어있다.

Fig. 2 Overview of Smart village and system overview.

2.3 파일럿 시스템 개요

본 연구를 위해 분산형 열네트워크에 포함된 6개 주택 중 1개 주택 기계실 내부에 Fig. 3과 같이 파일럿 시스템을 구성하였다. 기존 중앙 열네트워크에서 열원을 공급받아 SHCHP를 통해 응축부와 증발부에서 생산된 열을 공유할 수 있도록 배관을 구성했으며, 4개의 2-way 밸브와 2개의 순환펌프가 필요하다. 선행연구⁽⁷⁾에서는 주택에서 열배관과 네트워크의 배관을 구분하기 위한 열교환기가 설치되어 있었으나, 열교환기로 인한 열손실 및 추가적인 펌프 소비동력이 발생하여, 열교환기는 생략하였다.

본 연구에 사용된 히트펌프의 공인 성능은 다음과 같다. 난방능력은 온수입구온도 40℃, 열원입구온도 5℃ 기준 19.66 kW, 냉방능력은 냉수입구온도 12℃, 열원입구온도 25℃ 기준 21.16 kW이다. 냉매는 R-410A이고 압축기는 스크롤에 직압방식을 사용한다.

주택 지붕에 설치된 BIPV 패널은 1,994 × 1,000 ㎟의 사이즈를 가지고 있으며, 용량은 380 W이고, 19.1%의 기준효율을 나타낸다. TM2 데이터 기준으로 연간 1,281.6 kWh/kWp의 발전량을 보일 것으로 분석되었다.

Fig. 3 Installation of pilot system.

3.1 동시냉난방 열공급 시스템 실험 결과

Fig. 4에는 8월 여름철 냉열 및 온열네트워크의 공급 및 환수온도를 나타내었다. 8월의 냉열 공급 및 환수온도는 각각 8.8℃와 10.2℃였으며, 부하가 발생할 경우 온도차이가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 급탕공급을 위한 온열네트워크의 공급 및 환수온도는 각각 51.5℃와 48.5℃였으며, 역시 부하가 발생할 경우, 온도차이가 더 나타났다.

이러한 열네트워크를 기반으로 데모주택의 기계실에서 진행된 실측 결과는 다음과 같다. 측정은 1시간 동안 진행되었으며, 1분 간격으로 데이터 측정이 진행되었다. SHCHP에는 냉열네트워크의 환수온도가 SHCHP의 증발기측 입구로 유입되었으며, 이때 SHCHP의 증발기측 입출구 온도는 각각 10.1℃, 7.0℃, 유량은 41.0 LPM 이였다. 온열네트워크의 환수배관에서 SHCHP의 응축기측으로 온수가 공급되었으며, SHCHP를 통과하여 온도가 높아진 열을 다시 온열네트워크로 공급하였다. 이때, SHCHP의 응축기측 입출구 온도는 각각 49.4℃, 57.3℃, 유량은 30.0 LPM 이였다. 본 실험동안 SHCHP의 증발기측 및 응축기측에서 동시에 생산된 열량은 각각 8.9 kW, 16.3 kW였다. 히트펌프의 전력소비량은 4.6 kW였으며, 이를 기반으로 식(1)을 통해 계산된 SHCHP의 COP는 5.5로 나타났다.

앞서 언급한 것처럼 중앙 열네트워크로부터 공급되는 열원을 SHCHP로 공급할 경우 기존 대비 온수는 5.8℃ 상승, 냉수는 1.8℃ 감소하여 1차적으로 분산형 열네트워크 6세대에 공급되는 온열, 냉열 품질을 상승시키며 남는 열은 중앙 열네트워크로 환수 및 저장되고 필요시 다른 세대와 공유될 수 있다.

Fig. 4 Cooling and heating network temperature profile.

3.2 동시냉난방 열공급 시스템 시뮬레이션 평가

Fig. 4와 같이, 냉방기간 동안 열네트워크의 온수 공급온도 및 유량과 냉수 공급온도 및 유량이 항상 균일하므로, 본 연구에서 SHCHP가 운전될 경우에는 정격운전상태로 항상 운전되는 것으로 분석을 진행하였다. Fig. 5에서는 8월 여름철 19세대 냉열 및 온열 부하를 나타내었다. 그 결과, 8월 한여름에는 냉열부하가 일평균 491.9 kWh, 온열부하가 117.4 kWh인 것으로 나타났다. 이는 냉열부하가 온열부하에 비해 4.2배 더 많은 것으로 나타났다. 본 데이터를 기반으로 실험용으로 설치된 SHCHP는 하루 평균 7.2시간을 운영할 경우, 19세대 온열부하의 100%를 담당할 수 있는 것으로 나타났다. 또한, 이때 생산된 냉열은 분산형 열네트워크 내 6세대의 냉열부하의 44.1%를 담당할 수 있는 것으로 나타났으며, 19세대의 냉열부하의 13.9%를 담당할 수 있을 것으로 예상된다. 이를 기반으로, 중앙공급식 지열원 히트펌프(ground source heat pump, GSHP)의 냉열 및 온열 생산량을 SHCHP가 13.9% 담당 시 8월 전력부하를 분석해 보면, Fig. 6과 같이 상대적으로 COP가 5.5로 높은 SHCHP로 인해 지열원 히트펌프 100% 가동시 4,264.6 kWh 대비 3,690.0 kWh로 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 히트펌프 운영 전력에너지는 13.5% 절감할 수 있을 것으로 분석되었다.

또한, 19세대의 발전량을 기반으로 분석한 결과, 8월 한 달간 발전량이 5,391.4 kWh일 때 지열원 히트펌프로 100% 냉열 및 온열부하를 담당하는 경우 19세대 플러그 부하를 포함한 전력부하는 6,257.2 kWh로 86.2%의 자립율을 보일 수 있는 것으로 나타났다. SHCHP를 활용할 경우, 19세대 플러그 부하를 포함한 전력부하는 5,682.6 kWh로 94.9%의 에너지자립율을 보여 지열원 히트펌프 100% 담당 시 대비 8.7% 높은 에너지 자립율을 보일 것으로 분석되었다.

Fig. 5 Daily operating profiles of thermal energy system.

Fig. 6 Daily heat pump power load of heat pumps.