정부는 2030년까지 국가 온실가스 배출 전망치 37% 감축목표를 설정했다. 이를 달성하기 위해 다양한 에너지정책을 발표하고 있으며 이에 따라 신재생에너지 계통안정성을 제고할 수 있는 방안에 대해 주목하고 있다. 

지난 6월22일부터 25일까지 개최된 대한설비공학회 2021년 하계학술대회에서는 ‘스마트 Tri-generation 연구동향’ 세션을 통해 한국에너지기술연구원이 캐나다 국립에너지기술연구원(CanmetENERGY), 부산대 산학협력단, 브이피케이 등과 함께 진행 중인 태양광열 모듈, 지열, 히트펌프를 융합하는 Tri-generation 연구 현황을 소개했다. 

세션은 △스마트 태양-지열 융합 Tri-generation 연구동향(이의준 한국에너지기술연구원 책임연구원) △스마트 Tri-gen용 PVT 국내 R&D 현황 및 보급에 관한 연구(조성구 이맥스시스템 부사장) △스마트 Tri-generraion WWHP 성능확인 연구(김유진 과학기술연합대 학생) △CFD simulation in thermal energy perfomrances in a water-based serpentine photovoltaic-thermal collector and a ground water heat exchanger(박상신 한국에너지기술연구원 선임연구원) △스마트 Tri-gen시스템의 성능예측 및 비교분석(배상무 부산대 연구원) 등의 발표로 진행됐다. 

이의준 에너지연 책임연구원은 ‘스마트 태양-지열 융합 Tri-generation 연구동향’ 발표를 통해 Tri-generation 실증현황을 소개했다. 

이의준 책임연구원은 “국내 신재생에너지 공급은 전력위주로 치중돼있는 문제점을 가지고 있다”라며 “히트펌프를 적절하게 사용해 화석연료를 줄일 수 있는 방안을 마련하는 것이 국제 트렌드”라고 밝혔다. 

에너지연은 5RT급 WWHP(Water to Water Heat Pump) SET(Separate Effect Test) 기반 초기 커미셔닝을 수행했다. 또한 TRNSYS Tri-generation 시뮬레이션 결과와 외기온도변화에 따른 시스템 에너지소비를 비교해 지속 커미셔닝을 진행했다. 

스마트 Tri-generation 실증시스템은 가로 20m, 세로 8.8m, 높이 6m 크기 공장건물에 설치됐으며 △300We급 PVT 10장 △150m 수직형 지중열교환기 2공△열원 및 부하 순환펌프 △축열조 △5RT급 WWHP 등으로 구성됐다. 

이의준 책임연구원은 “실증시스템 초기 및 지속커미셔닝은 지난 3월부터 4월 춘계 지중열원 난방실험을 통해 수행했다”라며 “건물의 냉방부하는 10.6kW, 난방부하는 13.8kW로 실증시스템의 냉난방용량은 각각 18.29kW, 17.93kW로 Lab SET 데이터기반 초기커미셔닝 결과 난방 COP 3.71, IET(Integral Effect Test) 실증결과 난방 COP 3.74로 나타났다”고 밝혔다. 

IET 실증결과는 시뮬레이션 결과에 비해 난방부하 및 에너지소비가 다소 낮게 나타났는데 이는 실증이 진행된 3월과 4월의 외기온도가 주간 20˚C가 넘었으며 야간에는 10˚C 미만으로 떨어지는 등 온도에 큰 변화가 나타났고 이로 인해 난방이 필요한 야간에 시뮬레이션 모델보다 WWHP의 운용이 적게 됐기 때문이다. 

이의준 책임연구원은 “이번 실증은 지중열원에 대한 난방실험으로 추후 태양광열 모듈을 연계해 태양-지열 복합열원 겨울철 난방실험과 여름철 냉방실험을 진행할 계획”이라고 밝혔다. 

조성구 이맥스시스템 부사장은 ‘스마트 Tri-gen용 국내 R&D현황 및 보급에 관한 연구’ 발표를 통해 국내 PVT관련 R&D현황과 관련기업들의 사업화 계획을 소개하고 향후 대처방안에 대해 논의했다. 

신재생에너지화는 탄소중립의 주요요소로 PVT는 건물부문과 산업부문에 적용될 수 있는 중요한 에너지원으로 향후 보급계획에 많은 비중을 차지할 전망이다. 

2018년 이후 유럽을 중심으로 태양광열 복합모듈을 이용한 시스템이 건물용으로 급격히 보급되고 있으며 2019년 말 기준 PVT시스템 보급은 608MWth, 208MWel로 추산된다. 이를 집열면적으로 환산하면 약 100만m²을 상회한다. 

조성구 부사장은 “PVT는 최근 제로에너지건물 보급에 발맞춰 소규모 주거용 건물부터 대형건물 및 고온 산업용으로까지 용도가 확대되고 있다”라며 “국내의 경우 정부의 연구과제를 통해 PVT관련 프로젝트 7개가 완료 또는 진행 중이며 실증용 시스템 운전은 이뤄지고 있으나 본격적인 상업용 보급은 이뤄지지 않고 있다”고 밝혔다. 

이어 “7개 프로젝트 중 2개는 공기식이고 나머지는 액체식 모듈타입으로 자연순환형 PVT온수기와 PVT방음벽시스템 외 나머지는 공기열 또는 지열히트펌프와 연계하는 시스템”이라며 “2022년 말 완료 목표로 에너지공단에서 KS인증기준 마련을 위한 기준안 제정작업이 추진되고 있다”고 덧붙였다. 

조성구 부사장은 또한 “PVT가 상용화되면 주택이나 연중 온수사용량이 많은 상업건물에 수요가 집중될 전망으로 향후 농업용이나 저온 산업공정용수 공급에 필요한 120˚C 이하 PVT시스템 개발이 요구되는 상황”이라고 말했다. 

김유진 과학기술연합대 학생은 ‘스마트 Tri-generation WWHP 성능확인 연구’ 발표를 통해 건물 냉난방 히트펌프에 활용 가능한 5RT급 WWHP의 KS B 8292 근거 성능평가 수행결과를 설명했다. 

이번 연구는 WWHP의 열원과 부하측에 각각 히트펌프를 설치해 WWHP의 열원과 부하측 열교환기의 순환수 온도를 성능평가 조건에 맞춰 성능평가를 진행했다. 

김유진 학생은 “5RT급 WWHP 정격 냉난방 성능평가 수행결과 냉방용량은 18.3kW로 나타났으며 소비동력은 2.9kW로 COP 6.3임을 확인했다”라며 “난방용량은 17.9kW로 나타났고 소비동력은 4.4kW로 COP 4를 확인했다”고 밝혔다. 

이어 “재생에너지 열원 히트펌프 냉난방시스템 설계 시 중요요소는 열원온도로 냉방열원이 15˚C에서 45˚C도로 상승할 때 WWHP 부하 EWT 10˚C기준 COP는 2.9에서 5.8로 감소했다”라며 “난방열원이 5˚C에서 25˚C로 상승할 경우 EWT 49˚C 기준 COP는 2.9에서 4.6으로 증가했다”고 덧붙였다. 

박상신 에너지연 선임연구원은 ‘CFD simulation in thermal energy perfomrances in a water-based serpentine photovoltaic-thermal (PVT) collector and a ground water heat exchanger’ 발표를 통해 태양-지열 Tri-generation기술의 필요성 및 형상, 구조 등에 따른 PVT 성능변화 실험결과를 설명했다. 

박상신 선임연구원은 “온실가스에 의한 지구온도 상승에 대응하기 위해 정부는 온실가스 37% 저감목표를 제시하고 있으며 이를 달성하기 위해서는 화석연료 사용을 줄이고 신재생에너지 비중을 2030년까지 20% 수준으로 확대해야 한다”라며 “이에 따라 태양-지열을 활용한 융복합 신기술에 대한 연구개발이 진행되고 있다”고 밝혔다. 

이어 “PVT는 튜브 패턴, Pitch 사이즈, Inlet 위치 등에 따라 열성능이 변한다”라며 “이번 연구는 CFD 해석을 통해 최적 성능을 구현하는 것이 목표”라고 밝혔다. 

이번 연구는 실험데이터와 CFD해석결과를 비교하기 위해 기존 에너지연에서 연구되고 있는 PVT를 활용했다. 실험은 대상 모델 및 형상, 격자를 생성하고 해석을 수행했으며 실험데이터와 비교를 진행했다. 또한 Inlet 및 Pitch에 따른 성능변화를 확인했다. 

박상신 선임연구원은 “40mm, 60mm, 80mm, 100mm, 120mm 등 다양한 Pitch 조건에 따라 열성능 변화를 확인했으며 압력대비 열성능이 우수한 조건은 80mm로 확인했다”라며 “수평형 구조에서 입수구 위치에 따라 열성능이 변하며 입수된 물이 출수되는 물의 영향을 받을 수 있는 위치가 성능이 우수하다”고 밝혔다. 

이번 연구는 JCR 열역학분야 상위 10% 저널 ‘HEAT and MASS TRANFER’에서 검토되고 있다. 또한 에너지연은 수직, 수평형 등에 따른 지중열교환기의 성능비교를 진행할 계획이다. 

배상무 부산대 연구원은 ‘스마트 Tri-gen시스템의 성능예측 및 비교분석’ 발표를 진행했다. 

태양광열시스템과 지열히트펌프시스템이 결합된 Tri-generation시스템은 개별열원시스템의 단점을 극복하고 하나의 시스템으로 건축물의 냉열 및 온열, 전력부하에 대응할 수 있어 차세대 신재생에너지 융복합시스템으로 각광받고 있다. 

이번 연구는 Tri-generation시스템의 전체 공사비용의 50% 이상을 차지하는 지열 공사비용을 획기적으로 저감시키기 위한 방안으로 제시되고 있는 모듈러형 지중열교환기의 성능예측모델 구축 및 기존 수직밀폐형 지중열교환기대비 모듈러형 지중열교환기 적용에 따른 성능변화를 확인하기 위해 추진됐다. 

배상무 연구원은 “모듈러형 지중열교환기를 적용한 시스템의 동절기 히트펌프 및 시스템 COP는 각각 3.39, 3.24로 나타났으며 이는 동절기 태양광열 모듈의 생산열량과 생산전력 보다 시스템에서 소비되는 전력이 더 크기 때문에 시스템 COP가 히트펌프 COP보다 낮게 나타났다”라며 “또한 수직밀폐형 지중열교환기대비 히트펌프 및 시스템 COP가 최대 11.8%, 9.6% 낮게 나타났는데 이는 지표면으로부터 4m 지점에 설치되는 모듈러형 지중열교환기가 외기에 영향을 받았기 때문”이라고 밝혔다. 

이어 “그러나 간절기에는 모듈러형 지중열교환기와 수직밀폐형 지중열교환기 시스템의 히트펌프 COP는 유사했으며 시스템 COP는 오히려 모듈러형 지중열교환기가 수직밀폐형 지중열교환기대비 3.4% 높은 것을 확인했다”라며 “연구 결과를 바탕으로 모둘러형 지중열교환기는 수직밀폐형 지중열교환기대비 약 80%의 방열성능을 확보할 수 있음을 확인했다”고 덧붙였다.