지난 6월18일부터 20일까지 평창 알펜시아리조트에서 개최된 대한설비공학회 하계학술대회에서는 공기열원과 복합열원 히트펌프 등을 활용한 태양광·열복합패널(PVT) 기술개발 사례가 공유됐다.

 

HP 성능저하 문제 개선 위한 PVT 활용방안 연구 수행

이유진 경희대학교 기계공학과 연구원은 저온축열조건에서 복합열원 히트펌프 운전방식에 따른 난방성능 분석을 진행했다.

 

히트펌프는 동절기 외기온도 저하 시 성능저하의 문제가 발생해 문제해결방안으로 PVT시스템을 활용하는 연구가 활발히 진행 중이다.

 

PVT는 단독사용 시에는 혹한기 축열조 온도유지가 어려운 한계가 있어 저온축열조건을 형성했으며 히트펌프 성능저하 방지를 위해 보일러 등 보조열원을 개입했다.

 

연구진들은 총 2가지 케이스로 히트펌프 운전방식 성능을 비교했다. 먼저 저온축열조건에서 보일러로 축열조를 가열한 뒤 물 대 물히트펌프를 운전하는 방식(Case 1)과 저온축열조건에서 공랭식으로 자동전환되는 듀얼소스 히트펌프 방식(Case 2) 등이다.

 

연구진들은 ’TRNSYS 18‘ 프로그램을 통해 동적에너지 시뮬레이션을 실시했다. 사무실을 대상으로 오전 9시부터 밤 10시까지 연구를 진행했으며 실증지에 2.9㎡ 유창형 PVT를 24장 설치했다. 최종 용량은 21kW로 구성됐다.

 

물 대 물 히트펌프를 사용할 경우 오전 9시에서 10시 사이에 온도가 20℃ 이하가 되면 난방운전을 시작했다.

 

이후 축열조가 5℃ 이상이 되면 히트펌프를 가동했으며 5℃ 미만 시 가스보일러를 가동해 축열조를 10℃까지 상승시키도록 시뮬레이션을 구성했다.

 

듀얼소스 히트펌프 활용 시에도 20℃ 이하가 되면 난방을 실시했으며 축열조 온도가 5℃ 이상이면 PVT 열을 활용해 수랭식 히트펌프를 가동했다.

 

이 때 축열조가 5℃ 미만이 되면 시스템이 자동적으로 공기열원을 사용하도록 했으며 공랭식 시스템으로 난방을 지속적으로 활용했다. 이 때 보일러의 개입 없이 히트펌프만으로 열 전환을 진행했다.

 

실험결과 온도가 영하 10.8℃인 극한조건 시 Case 1 PVT는 249.2MJ로 높은 일일집열량을 보여 집열량은 충분했으나 야간시간에는 축열조 온도가 5℃미만으로 하락해 가스보일러의 13.9MJ 가량의 열량이 보조열원으로 제공됐다.

 

또한 히트펌프 일일발전량은 125.9MJ로 히트펌프 소비전력인 120.5MJ을 전히 상쇄하고도 남아 높은 에너지효율을 보였다. Case 2의 경우 248.5MJ의 높은 일일집열량을 보였으며 Case 1과 유사한 집열성능을 나타났다. 이 때 집열량은 충분했으나 야간에는 공랭식 히트펌프가 30MJ의 열을 실내에 공급해 난방을 지속하게 됐다.

 

온도가 가장 낮은 시기 Case 1은 평균외기 영하 10.8℃에서 5℃ 미만 구간 시 보일러 가열온도가 평균 9.95℃를 유지했으며 COP 2.98을 달성했다. Case 2에서는 COP가 2.86으로 나타났다.

 

히트펌프 소비전력은 Case 2가 130.1MJ로 1보다 높지만 화석연료를 사용한 1이 1차에너지나 탄소배출량 관점에서 더 불리할 수 있을 것으로 보인다.

 

일사량이 적은 날에는 Case 1과 Case 2 모두 PVT 집열이 이뤄지지 않아 4℃ 미만 구간이 길어지며 보일러와 공랭식가동시간이 길어졌다.

 

또한 Case 1은 평균외기 –0.5℃에서 축열조 5도 미만 시 보일러 가동으로 평균온도 10.1℃를 유지해 COP 3.09를 달성한 반면 Case 2는 같은 조건에서 공랭전환시간 증가로 COP 가 2.75로 낮아 성능차이 뚜렷하게 나타났다.

 

이 때 히트펌프 소비전력은 Case 2가 Case 1보다 24.8% 높았지만 일사부족으로 인해 1은 가스보일러 사용이 증가해 에너지측면에서 불리할 수 있을 것으로 보인다.

 

난방부하가 많았던 △1 △2 △12월에는 저온축열조건이 형성돼 모든 케이스에서 집열량과 집열효율이 높게 나타났으며 난방부하가 적었던 △3 △4 △10 △11월에는 축열조온도를 높게 유지했으며 PVT 입구온도 상승해 집열량 및 집열효율이 감소했다.

 

난방시기 COP와 에너지소비 비교결과 축열조가 5℃ 미만인 구간이 발생하는 난방시즌의 평균 COP는 Case 1이 3.86 Case 2가 3.6으로 나타났다.

 

같은 기간동안 히트펌프 소비전력은 Case 1이 Case 2에 비해 10.8% 낮아 효율적으로 보이지만 화석연료인 가스를 1.79GJ를 추가로 사용해 탄소배출량관점에서 불리할 수 있을 것으로 예상된다.

 

이유진 연구원은 “히트펌프 운전효율측면에서 보일러와 연계한 Case 1은 저온의 축열조를 가열해 히트펌프에 안정적인 열원을 제공해 혹한ㅇ기와 일사부족조건에서도 더 높은 운전난방COP를 기록했다”라며 “시스템 종합에너지효율은 난방시즌의 전체소비전력이 Case 1이 Case 2보다 10.8% 더 낮지만 Case 1은 화석연료인 가스를 추가사용하기 때문에 1차에너지소비나 탄소배출량 관점에서는 불리할 수 있을 것”이라고 말했다.

 

PVT와 공기열HP 활용 급탕시스템 실증시험결과 공유

문찬혁 경희대 연구원은 공기열원 히트펌프를 이용한 급탕시스템 실증시험을 진행했다.

 

PVT는 동일면적에서 태양광모듈(PV)EO비 많은 에너지를 생산하며 공기열원 히트펌프는 기존건축물에 높은 적용성을 보여 사용되는 에너지 줄일 수 있다는 장점이 있다.

 

이에 따라 연구진들은 PVT 생산전기를 전력계통을 통해 판매하며 생산된 열 사용되거나 히트펌프나 보일러 통해 승온뒤 급탕으로 활용했다.

 

실증지에는 △히트펌프 △PVT패널 △PVT 제어시스템 등이 설치됐다. 이 때 PLC-DBUS TTCP/IP를 통한 제어·수집을 통해 실시간 COP 등을 확인했다.

 

히트펌프시스템에는 △집열기 △예비축열조 △메인축열조 △히트펌프 △보일러 등으로 구성됐으며 각 지점에 △온도계 △유량계 △일사량기 등이 설치됐다. 또한 히트펌프에 소모전력량을 알 수 있도록 측정을 진행했다.

 

운전모드는 총 세 가지로 △메인축열조 우선축열 △예비축열조 전환축열 △메인축열조 추가축열 등이다.

 

메인축열조 우선축열 시에는 메인축열조 상부온도가 45℃ 미만일 때 동작하며 3℃ 이하가 됐을 때 집열이 정지된다.

 

메인 축열조 상부 온도가 45℃ 이상일 경우 3방향 밸브를 통해 예비 축열조로 축열방향이 전환되며 예비 축열조와 메인 축열조 모두 45℃이상일 경우 다시 메인 축열조로 전환된다. 히트펌프는 입구 수온이 45℃미만일 때 동작하며, 목표 온도인 45℃까지 작동된다.

 

보일러는 메인축열조 상부 45℃ 미만 시와 히트펌프 가열조건에서 정상동작이 이뤄지지 않을 경우 가동된다.

 

실험결과 맑은 날 일사조건에서 PVT중심 열생산과 축열이 이뤄지는 것을 확인했으며 일사량이 부족할 때 히트펌프가 동작하는 것을 확인했다.

 

또한 야간 메인 축열조 온도하강 시에는 히트펌프가 동작했으며 일사량 부족조건에서 히트펌프의 보조를 통한 시스템안정성이 유지됐다.

 

월별 시스템 성능분석결과 일사량과 에너지생산량이 PVT와 밀접한 상관관계를 보이는 것으로 나타났다.

 

급탕부하자립률은 86.6%였으며 집열효율 41.2%, 발전효율은 15.2%로 종합효율 56.4%의 우수한 에너지성능을 나타났다.

 

총 집열량과 발전량은 각각 6.66GJ와 2,046GJ였으며 시스템COP는 4.89로 시스템의 안정적인 급탕공급을 확인했다.

 

전체기간동안 일평균 집열효율은 25.9%였으며 발전효율은 16.56%로 나타났다. 일사량이 가장 높은 날에는 집열량이 352.8MJ로 가장 높았으며 기상조건이 악화됐을 때에는 발전량이 크게 저하됐다.

 

또한 히트펌프는 하루만 운전돼 4.48의 COP를 나타내 PVT와 연계운전이 고효율 운전조건에서도 에너지최적화에 실질적으로 기여하는 것으로 분석된다.

 

문찬혁 경희대학교 회원은 “PVT 단독운전으로 부족할 수 있는 부하에 대한 보조열원으로 공기열히트펌프가 효과적 개입함을 확인했다”라며 “PVT와 공기열원히트펌프 통합시스템은 충분한 일사조건에서 높은 에너지자립률과 운전효율을 확보할 수 있을 것”이라고 말했다.