2.1 기준 건물 모델링 및 제원

기준 건물은 경희대학교 공학관 6층에 위치한 태양열 실험실을 대상으로 모델링을 수행하였다. 대상 공간은 바닥면적 47.2 m², 층고 3.25 m, 총 부피 153.4 m³이며, 남측 벽에는 면적 4.81 m²의 창문 1개가 설치되어 있다. 기준 건물의 형상은 Fig. 1에, 주요 입력 조건은 Table 1에 제시하였다.

기상 조건은 경기도 수원 지역의 TMY2 기상 자료를 적용하였으며, 벽체와 창호의 열관류율은 실제 건물과 동일하게 모델링하였다. 난방 부하는 외피 특성과 입력 조건을 반영하여 동적 시뮬레이션 프로그램인 TRNSYS 18을 활용해 시간 단위로 산정하였다. 분석 결과, 대상 건물은 단열 성능이 낮아 겨울철 난방 에너지 요구가 크게 나타났다. 이에 따라 난방 기간은 산정된 난방 부하를 기준으로 10월부터 4월까지로 설정하였으며, 운전 조건은 야간 근무 상황을 고려하여 오전 9시부터 오후 10시까지로 확장하였다. 또한 겨울철 실내 온도는 20℃를 유지하도록 설정하였다.

Fig. 1 Office space modeling.

2.2 Case 별 시스템 설명

본 연구에서는 축열조 온도가 5℃ 미만으로 저하되는 저온 축열 조건을 대상으로 두 가지 히트펌프 운전 방식을 비교하였다. Fig. 2는 Case 1과 Case 2의 개략도를 나타내며, Fig. 2(a)는 보일러와 물-물 히트펌프가 연계된 Case 1의 구성을 보여준다. Case 1은 난방 기간 동안 오전 9시부터 오후 10시까지를 난방 시간으로 정의하고, 이 기간에 실내 온도가 20℃ 이하로 떨어질 경우 난방을 개시하도록 설정하였다.

축열조 온도가 5℃ 이상일 때는 PVT 시스템에서 공급된 열을 열원으로 사용하여 물-물 히트펌프가 가동되며, 축열조 온도가 5℃ 미만일 때는 보일러가 작동하여 축열조 온도를 10℃까지 상승시킨다. 또한 PVT 시스템은 출구 온도가 축열조 하부 온도보다 7℃ 이상 높을 경우에만 펌프를 가동하고, 온도 차가 1℃ 미만으로 줄어들면 집열을 중단하도록 히스테리시스 제어를 적용하였다.

Fig. 2(b)는 듀얼소스 히트펌프 방식인 Case 2의 개략도를 나타낸다. Case 2 역시 실내 온도가 20℃ 이하이고 난방 시간에 해당할 경우 난방이 시작된다. 이때 축열조 온도가 5℃ 이상이면 Case 1과 동일하게 축열조의 열을 열원으로 하여 듀얼소스 히트펌프가 수냉식(수열원)으로 운전된다. 반면, 축열조 온도가 5℃ 미만으로 떨어지면 듀얼소스 히트펌프는 공랭식(공기열원)으로 자동 전환되어 난방을 수행한다.

Fig. 2 Schematic diagrams of Case 1 and Case 2 systems.

2.3 Case 별 시스템 제원

Case 1, 2의 시스템은 동적 시뮬레이션 프로그램인 TRNSYS 18⁽¹⁰⁾을 사용하여 모델링 및 시뮬레이션되었다. 본 연구의 모든 Case는 제어 방법을 제외한 모든 조건 및 시스템의 제원을 동일하게 진행하였다. Table 2는 시스템에 사용된 TRNSYS의 구성 요소 및 제원을 나타낸다. PVT 모듈은 Type 50d 모델을 적용하였으며, 본 연구에서 사용된 PVT의 특성은 현재 경희대학교 열환경제어 연구실 공학동에 설치되어 있는 국내 제조사에서 제작한 액체식 유창형 모델의 사양⁽¹¹⁾을 사용하였다. 모듈의 전면적은 상용 제품의 일반적인 크기인 2.09 m²로 총 24장을 설치하였다. PVT 설치 면적은 단열 성능이 낮은 대상 건물의 높은 난방 부하를 고려하여 설정하였다. 또한 난방이 안정적으로 유지되도록 충분한 태양열 집열이 가능하도록 면적을 확보하였으며, 이를 통해 저온 축열 조건이 빈번하게 발생하지 않도록 하였다. 축열조 용량은 대한설비공학회 설비공학 편람⁽¹²⁾을 참고하여 집열 면적당 50 L/m²를 기준으로 산정한 결과 2,508 L가 도출되었으나, PVT는 일반 태양열 집열기에 비해 집열 효율이 낮다는 점을 고려하여 2,300 L로 적용하였다. 수열원 히트펌프(Water Source Heat Pump, WSHP)와 ASHP의 정격 난방 용량은 실험실의 최대 난방 부하인 19.15 kW에 10%의 여유율을 반영하여 21 kW로 설정하였다. 소비전력은 정격 난방 용량과 국내 제조사에서 제시한 성능 데이터⁽¹³⁾에 따른 COP 값을 기반으로 산정하여 시뮬레이션에 적용하였다.

2.4 PVT 및 히트펌프 성능 분석

PVT 시스템의 성능 분석은 집열량, 집열효율 및 발전량으로 평가할 수 있으며, 집열량($Q_u$)과 집열효율($\eta_{th}$)은 아래의 식(1)과 식(2)에 나타내었다.^{(14, 15)} 여기서 $A_{PVT}$는 PVT 모듈의 면적($m^2$), $F_R$은 집열효율 수정계수, $I_T$는 집열면 일사량($W/m^2$), $U_{PVT}$는 집열기에서 주위로 발생하는 열전달의 총괄 열전달 계수($W/m^2\cdot K$), $T_{PVT,in}$는 PVT의 입구 온도(K), $T_{amb}$는 외기 온도(K)를 의미한다.

PVT 시스템의 발전량($E_{PV}$)은 식(3)과 식(4)에 나타내었다.^{(16, 17)} 여기서 $\tau$는 투과율, $\alpha$는 흡수율, $IAM$는 입사각 수정 계수, $\eta_{PV}$는 식(4)에서 정의된 PV 셀의 효율을 의미한다. 이때 $\eta_{ref}$는 기준효율(%)로, 국내 제조사의 사양을 바탕으로 15.9%로 설정하였다. $\beta_r$은 온도 계수, $T_c$는 PV 셀의 온도(℃), $T_r$은 기준온도로 25℃로 가정하였다.

히트펌프의 성능은 COP로 나타낼 수 있으며, $COP_h$는 식(5)과 같다. 여기서 $Q_{heating}$은 난방 공급 열량(kW), $P_{HP}$는 히트펌프의 난방 소비전력(kW)을 의미한다.

3.1 Case 1, 2의 난방 성능 비교

Fig. 3(a)과 Fig. 3(b)은 1월 중 가장 추운 날인 1월 23일의 Case 1과 Case 2의 일간 데이터를 나타낸다. 이날의 평균 외기 온도는 -10.8℃로 매우 낮았으나, Case 1과 Case 2의 일일 집열량은 각각 249.2 MJ, 248.5 MJ으로 나타났다. 이는 5℃라는 저온 축열 조건으로 인해 PVT 입구 온도가 낮게 유지되면서 집열 효율이 향상된 결과로, 혹한기에도 두 시스템 모두 충분한 집열량을 확보할 수 있음을 보여준다. 실제로 축열조 온도가 5℃ 이하로 떨어진 구간은 일사량이 없는 야간에 한정되었다.

Case 1의 경우, Fig. 3(a)에 나타난 바와 같이 야간에 가스보일러가 단시간 가동되어 총 17.3 MJ의 열을 축열조에 공급하였다. 이후 축열조 온도가 10℃까지 상승한 뒤에는 보일러가 추가로 작동하지 않았으며, 안정적인 열원 온도를 유지한 상태에서 물-물 히트펌프가 연속적으로 운전되었다. 반면, Fig. 3(b)의 Case 2에서는 야간에 축열조 온도가 5℃ 이하로 떨어지면서 듀얼소스 히트펌프가 수냉식 모드에서 공랭식 모드로 전환되었다. 이 과정에서 외기 온도에 직접 영향을 받는 공랭식 운전이 이루어져 히트펌프의 효율이 저하되었다.

가장 추운 날의 운전 결과를 비교한 결과, Case 1의 평균 COP는 2.98로 나타났으며, Case 2는 2.86으로 다소 낮았다. 이러한 차이는 열원 제어 전략의 차이에서 기인한다. Case 1은 보일러를 통해 축열조 온도를 약 9.95℃로 유지하여 증발기 입구 온도의 급격한 저하를 방지한 반면, Case 2는 외기 조건에 직접 노출되면서 압축기 부하 증가와 제상 손실이 발생하였다. 따라서 저온 축열 조건에서는 보일러 개입을 통한 열원 안정화가 히트펌프의 성능 저하를 억제하는 데 효과적이며, Case 1이 Case 2보다 안정적이고 효율적인 운전 전략임을 확인할 수 있었다.

Fig. 3(c)은 난방 시즌(10월~4월) 동안 Case 1과 Case 2의 히트펌프 COP를 나타낸다. 3월과 4월, 10월에는 집열량이 충분하여 축열조 온도가 5℃ 미만으로 저하되는 저온 축열 조건이 발생하지 않았다. 그러나 1월, 2월, 11월, 12월에는 외기 온도가 낮아 축열조가 5℃ 이하로 떨어지면서 저온 축열 조건이 나타났다. 이 기간 동안 Case 1은 보일러 가열을 통해 축열조 온도를 안정적으로 유지하였으며, 난방 시즌 평균 COP는 3.86으로 나타났다. 반면, Case 2는 축열조가 저온에 도달할 경우 공랭식 모드로 전환되면서 난방 시즌 평균 COP가 3.65로 낮아졌다. 이러한 결과는 일일 데이터와 난방 시즌 전체 분석을 통해 확인된 바와 같이, 저온 축열 조건에서 보일러 가열로 축열조 온도를 안정적으로 유지하는 Case 1의 물-물 히트펌프가 외기를 직접 열원으로 사용하는 Case 2의 듀얼소스 히트펌프보다 난방 성능이 안정적임을 시사한다.

Fig. 3 Heating performance comparison of Case 1 and Case 2.

3.2 에너지 소비 및 탄소배출량 비교

Fig. 4는 난방 시즌 동안 Case 1과 Case 2의 에너지 소비량을 나타낸다. Fig. 4의 Case 1에서는 저온 축열이 발생한 1월, 2월, 11월, 12월에 가스보일러가 가동되었으며, 이 기간 동안 물-물 히트펌프의 소비전력은 2,316.1 kWh, 가스보일러의 투입 열량은 1.79 GJ로 산정되었다. 반면 Case 2에서는 동일 기간 동안 듀얼소스 히트펌프의 소비전력이 2,599.6 kWh로 나타나, Case 1보다 약 10.8% 높은 값을 보였다.

Fig. 4 Heating energy consumption of Case 1 and Case 2.

이러한 결과는 단순 에너지 소비 측면에서 보면 Case 1이 효율적인 것으로 해석될 수 있으나, 화석연료인 가스를 1.79 GJ 사용하였기 때문에 CO₂ 배출량 관점에서는 불리할 가능성이 존재한다. 이를 검증하기 위해 난방 시즌 동안 각 에너지원의 탄소 배출 계수를 적용하여 CO₂ 배출량을 산정하였으며⁽¹⁸⁾, 그 결과는 Table 3에 제시하였다. 분석 결과, Case 1의 물-물 히트펌프에서 발생한 탄소 배출량은 1,473 $kgCO_2$, Case 2의 듀얼소스 히트펌프는 1,607 $kgCO_2$로 나타났다. 반면, Case 1의 가스보일러에서 발생한 탄소 배출량은 99.43 $kgCO_2$로 상대적으로 적었으며, 이에 따라 Case 1의 난방 시즌 총 탄소 배출량은 1,572 $kgCO_2$로 산정되어 Case 2보다 낮게 나타났다.

일반적으로 가스보일러는 전기를 사용하는 히트펌프보다 더 많은 CO₂를 배출하는 것이 일반적이지만, 본 연구의 Case 1에서는 PVT 시스템을 충분히 결합함으로써 저온 축열 조건의 발생이 줄어들고, 보일러 사용량이 크게 감소하였다. 그 결과, Case 1은 에너지 소비와 탄소 배출 측면 모두에서 Case 2보다 유리한 것으로 확인되었다. 따라서 난방 성능, 에너지 소비, 탄소 배출 측면에서 보일러와 PVT가 결합된 Case 1이 더 우수한 운전 방식임을 알 수 있다.

3.3 Case 1의 난방 시즌 PVT의 성능과 CO₂ 저감량

Case 1과 Case 2의 전체 비교를 통해, 저온 축열 조건에서 최적의 제어 방식은 Case 1 임을 확인하였다. Fig. 5는 난방 시즌 동안 Case 1의 PVT 집열량, 발전량 및 집열 효율을 나타낸다. 1월, 2월, 12월에는 실내 난방 부하가 커서 저온 축열 조건이 형성되었으며, 이로 인해 집열량과 집열 효율이 증가하여 12월에는 최대 집열 효율 27.3%를 기록하였다. 반면, 3월, 4월, 10월, 11월에는 난방 부하가 적어 사용 부하가 줄었고, 그 결과 축열조 온도가 높게 유지되면서 PVT 입구 온도가 상승하여 집열량과 효율이 감소하였다. 특히 10월에는 최저 집열 효율이 7.8%로 나타났다. 이는 저부하 시기의 집열 효율을 개선하기 위해 온수 부하 등 추가적인 활용 방안이 필요함을 시사한다. 또한 난방 시즌 동안 Case 1의 PVT 발전량은 19.7 GJ(5,488.9 kWh)로, 물-물 히트펌프의 총소비전력 3,102.8 kWh를 상쇄하고도 잉여 전력이 발생하여 에너지 자립률이 100%를 초과하였다.

Fig. 5 Monthly PVT thermal collection, power generation, and collection efficiency of Case 1 during the heating season.

Case 1의 PVT 시스템에서 생산된 열에너지와 전기에너지의 CO₂ 저감 효과를 평가하기 위해 CO₂ 저감량을 계산하였다. 이를 위해 열에너지는 국내 가정 부문 열에너지의 71%를 차지하는 도시가스를, 전기에너지는 일반 전력망을 기준 에너지원으로 설정하였으며, 계산식은 Park et al.⁽¹⁹⁾의 방법론을 적용하였다. Table 4는 난방 시즌 동안 태양열(Solar Thermal, ST)과 태양광(Photovoltaic, PV)에서 각각 생산된 열에너지와 전기에너지로 인한 월별 및 총 CO₂ 저감량을 제시한다. 분석 결과, ST의 총 CO₂ 저감량은 1,593 $kgCO_2$, PV의 총 CO₂ 저감량은 2,654 $kgCO_2$로 나타났다. 이를 합산한 PVT의 총 CO₂ 저감량은 4,247 $kgCO_2$로, 이는 Case 1의 총 탄소 배출량 1,572 $kgCO_2$를 상쇄하고도 남는 수준이다. 따라서 PVT 시스템은 에너지 자립 달성이 가능하며, 이는 중부지방에서 25년생 소나무 433그루가 1년 동안 흡수하는 CO₂ 양에 해당한다.

또한 본 연구의 대상 건물(바닥면적 47.2 m²)과 설치된 PVT 시스템(총면적 50.16 m²)을 기준으로 분석한 결과, 단위 설치면적당 CO₂저감 효과는 약 85 $kgCO_2/m^2$ 수준으로 산정되었다. 난방 시즌 동안 PVT 발전량(5,488.9 kWh)은 히트펌프 소비전력(3,102.8 kWh)을 상회하여 약 1.77배의 에너지 자립률을 보였으며, 이는 PVT 시스템이 동일 면적 규모의 건물에서도 높은 에너지 절감 및 탄소 저감 효과를 발휘함을 의미한다. 따라서 PVT 시스템은 열·전기 복합 에너지원으로서 건물 단위의 자립형 난방 운전이 가능함을 확인하였다.