지난 6월18일부터 20일까지 진행된 대한설비공학회 하계학술대회 '친환경 건물시스템' 세션에서는 에너지자립적 건물시스템에 대한 다양한 연구사례 발표가 진행됐다.

 

PVT 연계 바닥복사냉난방시스템 분석

 

방민규 서울대학교 회원은 PVT와 연계한 바닥복사난방시스템의 적용성을 분석했다.

 

현재 바닥복사난방시스템에서 적용가능한 신재생에너지는 태양열집열기와 PVT시스템 등이다. 연구진들은 PVT와 연계한 바닥복사난방시스템 적용성 검토를 진행해 연구를 수행했다.

 

PVT 종류는 액체식 무창형 모듈로 설정했다. PVT 연계 바닥시스템은 △히트펌프 △축열조 △PVT △바닥복사난방으로 구성된다.

 

국내 대부분의 공동주택 구조상 PVT 설치는 옥상에 한정돼 설치면적을 고려했으며 바닥복사가 어려운 히트펌프의 특성을 고려해 PVT 시스템이 저온수 바닥난방열원으로 직접 활용가능한지를 평가했다.

 

축열조 용량은 50L/㎡로 설정했으며 실내온도가 23℃ 이하일 때의 난방부하를 구한 뒤 피크부하 기준을 설정했다.

 

시뮬레이션은 저부하기간을 11월, 고부하기간을 1월로 설정했으며 공급수온도는 PVT 생산가능온도와 필요공급수온도를 고려해 각각 45℃와 60℃로 설정했다.

 

제어시스템은 순환펌프 제어와 축열조 제어로 진행했다. PVT 측 제어는 집열기 상부온도와 축열조 하부온도가 5℃이상 시 PVT 순환펌프가 작동되며 1℃ 이하가 되면 작동을 멈추도록 설정했다.

 

축열조는 PVT 단독난방가능성 평가를 위한 직접난방과 축열조와 환수온도를 비교해 필요 시 보조열원을 사용하는 간접난방으로 구성했다.

 

시뮬레이션 결과 저부하기간 공급수온도가 45℃와 60℃일 때 모두 설정 실내온도 범위에서 유지됨을 확인했다. 저부하기가간 제어방식에 따른 PVT시스템 난방직접활용가능성을 평가한 결과 저부하기간에는 두 제어방식 모두 공급수온도 45℃ 시 직접난방이 가능하지만 60℃일 때에는 직접난방이 어려울 것으로 나타났다. PVT만을 이용해 난방할 수 있는 기간은 저부하기간은 7일이었으며 고부하기간에는 3일로 나타났다.

 

방민규 서울대 회원은 “고부하기간에는 PVT 난방열원 직접활용이 어렵지만 에너지 감소에는 기여할 수 있다”라며 “면적에 따른 에너지분담률 차이는 크게 나타나지 않았다”고 말했다.

 

저부하기간에는 두 제어방식 모두 45℃의 경우 일정기간 PVT시스템을 통한 직접난방이 가능할 것으로 나타났지만 60℃에서는 직접난방이 어려웠으며 고부하기간에는 제어방식과 관계없이 PVT 통한 직접난방이 어려울 것으로 확인됐다.

 

저부하기간 간접난방제어방식은 PVT를 활용한 난방이 가능한 날이 직접난방보다 적었지만 난방에너지 중 PVT가 차지하는 분담률은 10% 높게 나타났다.

 

연평균 발전효율은 15.08%로 최대 16%까지 도달했다. 이는 실제 일사량의 변동과 시스템손실 등을 반영한 것으로 설비사양에 나타난 공정효율과의 차이가 확인됐다.

 

방민규 서울대 회원은 “히트펌프의 경우 연간 평균 COP 4.31, 최대 5.01을 나타냈으며 연간 평균 시스템 COP는 8.35, 최대 24.69로 나타났다”라며 “PVT 발전효율은 연간 평균 15.8%, 최대 16%로 확인됐다”고 말했다.

 

열원별 P2H 시스템 연구성과 발표

 

이동식 한밭대학교 회원은 출력제한 문제를 해결하기 위한 해결방안 중 부하이동과 계통유연성 확보를 위한 P2H(Powet To Heat)기술에 주목하며 PCM 혼합축열조를 적용한 P2H시스템에 관한 이론적연구를 진행했다.

 

연구진들은 상변화물질(PCM) 혼합축열조를 적용한 열원별 시스템을 구성해 열해석프로그램을 활용해 PCM이 혼합된 축열조 열응답특성 분석을 실시했다.

 

해석결과를 토대로 △축열 △축냉 △방열 △방냉 시 소요시간에 대한 회귀분석을 실시했으며 소요시간을 기반으로 히트펌프 제어시간을 결정했다.

 

히트펌프시스템은 △공기열 △수열 △지열원 등을 활용했으며 PCM 혼합축열조는 지름 1,150mm 높이 1,120mm인 실험용 축열조를 활용해 PCM의 △물성 △상변화온도 △잠열량 등을 반영했다.

 

축열은 초기 45℃인 축열조에 55℃ 물이 유입되는 것을 가정했으며 방열은 55℃인 축열조에 45℃의 물이 유입되는 것을 가정했다.

 

축냉은 12℃의 축열조에 3.5℃의 물이 유입되는 것을 가정했으며 방냉은 3.5℃인 축열조에 12℃의 물이 유입되는 것을 가정했다.

 

이동식 한밭대 회원은 “히트펌프시스템 운전은 냉난방 모두 진행했다”라며 “난방 시에는 수축열조의 열응답시험을 반영하기 위해 축열과 방열을 포함한 난방운전과 축냉과 방냉을 포함한 냉방운전을 실시했다”고 말했다.

 

실험결과 축열 시에는 45℃의 축열조가 히트펌프로 공급된 55℃의 물에 의해 점차 상승했으며 방열 시에는 축열조에 저장된 55℃의 열이 FCU 측으로 공급돼 45℃까지 하강하는 것을 확인했다.

 

난방운전 시 열원별 히트펌프시스템 성능비교결과 공기열원은 COP가 2.4로 가장 낮았으며 수열원은 2.99로 나타났다. 지열원은 가장 높은 3.11로 히트펌프 소비전력이 가장 낮았다. 이는 열원온도의 안정성이 히트펌프효율과 소비전력에 직접적인 영향을 미친 것으로 확인된다.

 

냉방운전 시에는 공기열원 히트펌프의 COP가 2.30으로 가장 낮았으며 단독 소비전력도 29kW로 가장높게 나타났다. 수열히트펌프의 COP는 4.81로 히트펌프와 전체시스템 소비전력이 가장 낮았다.

 

지열히트펌프 COP는 5.05로 가장 높은 COP를 나타냈으며 히트펌프 단독소비전력도 가장 낮은 수준이었지만 순환펌프 전력소비로 인해 시스테 전체소비전력이 다소 높이 나타났다.

 

PCM기반 축열조 열응답특성평가결과 축열에는 2만8,000초가 소요됐으며 방열에는 4만8,000초가 소요됐다. 축냉시간은 6만3,000초였으며 방냉시간은 2만2,000초로 나타났다.

 

이동식 회원은 “히트펌프 열원시스템 해석결과 지열히트펌프가 가장 높지만 시스템 전체소비전력이 높았다”라며 “수열의 경우 COP는 낮지만 전체 소비전력이 가장 낮아 에너지효율성이 가장 뛰어났으며 공기열히트펌프는 냉난방 모두 COP와 히트펌프시스템 소비전력에 있어 불리했다”라고 말했다.

 

열교환식 하이브리드 히트펌프시스템 연구결과 공유

 

홍수연 한양대학교 회원은 열교환식 하이브리드 히트펌프시스템의 성능평가를 실시햇했다.

 

시스템 운전모드는 냉매운전이 가능한 외기온도인 –2℃와 0℃를 기준으로 운전로직이 바뀌도록 설정했으며 하이브리드모드 운전 시 히트펌프 응축기 최대온도가 60℃로 고정되며 히트펌프가 순환수 토출온도를 만족시키지 못할 경우 보일러가 보조하도록 구성했다.

 

연구진들은 두 시스템 비교를 위해 대상건물을 선정해 난방과 급탕부하를 산출했다. 이후 에너지시뮬레이션을 통해 각 시스템별로 난방기간 운전 시 발생하는 1차에너지소비량을 산출해 비교를 실시했다. 난방부하는 프로그램 내부에서 △난방조건 △환기량 △내부발열 등의 가동조건을 설정해 ‘TRNSYS 18’을 통해 산출했다.

 

급탕부하는 위생가구수에 의한 급탕용량 산정을 통해 1일 급탕량을 산정했으며 주거건물 평균기산당 급탕사용량그래프에 맞게 재분포해 급탕부하를 산출했다.

 

연구진들은 에너지계산 프로그램을 활용해 시스템 시뮬레이션을 실행했다. 히트펌프에 사용된 냉매는 R134a 냉매였으며 소비전력은 압축기 전력소비량으로 에너지평형방식에 따른 계산을 실시했다. 보일러 용량은 히트펌프와 동일하게 설정했으며 저장탱크용량은 144L로 가정했으며 대향류 열교환기 모델로 가정했다.

 

실험결과 시스템 설계유량이 기존대비 64% 절감되는 것을 확인했따. 이는 시스템 구조변경으로 인해 탱크를 사용하지 않음에 따른 영향으로 분석된다.

 

또한 기존에는 시스템 순환수에 난방순환수가 포함됐지만 이번 시스템에서는 이를 열교환기로 처리해 유량을 저감했다. 1차에너지소비량 절감효과를 분석한 결과 저장탱크가 없어 열손실부하가 감소했으며 토출온도도 5℃ 감소했다.

 

이에 따라 외기온도에 따른 응축기온도가 기존에는 60.7~63℃였으나 하이브리드 운전 시 58.83~61.77℃로 나타났으며 1차에너지소비량은 24% 절감되는 것을 확인했다.

 

홍수연 한양대 회원은 “1차에너지소비량이 절감된 것은 △시스템구조 △시스템 토출온도 △응축기 온도범위 변화 등에 따른 결과다”라며 “열교환식 하이브리드시스템을 활용하면 급탕탱크가 없어도 급탕·난방이 가능하며 에너지소비측면에서도 불리하지 않을 것으로 판단된다”고 말했다.