소규모 열네트워크기반 분산형 열 프로슈머 구현을 위한 직팽식 태양열 히트펌프 적용 가능성 분석 (Application of Direct-Expansion Solar Heat Pump for Decentralized Heat Prosumer based on Small-Scale Thermal Network : A Feasibility Study)

서지정보

· 발행기관 : 대한설비공학회
· 수록지 정보 : 설비공학 논문집 / 32권 / 12호 / 576 ~ 584페이지
· 저자명 : 김민휘, 김득원, 이동원, 허재혁

초록

본 연구에서는 단일 건물에서의 신재생 열에너지 생산시스템의 적용 한계를 극복하기 위해, 소규모 중앙집중식 열 네트워크에서 직팽식 태양열 히트펌프기반 분산형 열 프로슈머 구현 방안을 모색하였다. 본 연구를 위해 소규모 4세대 소규모 열네트워크가 구성되어 있는 진천 친환경에너지타운을 실증장소로 선정하였으며, 열 프로슈머 건물로 어린이집을 선정하였다. 시뮬레이션을 위해 1년간의 진천 친환경에너지타운의 외기온도, 경사면 일사량, 타운 내 급탕부하, 급탕 공급 열네트워크 온도등 운영실험 결과를 기반으로 열 프로슈머로의 역할과 에너지절감 가능성을 분석하였다. 이후 직팽식 태양열 히트펌프에 대한 운영 모사를 위해 기존 실험논문의 결과를 바탕으로 ANOVA 분석을 통해 직팽식 태양열 히트펌프의 COP를 예측할 수 있는 모델을 도출하였다. 본 모델의 R2값은 91.1%로 적정한 운영 예측이 가능할 것으로 판단되었다. 본 모델을 활용하여, 기존 진천 친환경에너지타운의 전력소비량 측정데이터와 직팽식 태양열 히트펌프의 적용 시 전력소비량 및 각 건물의 급탕 전기히터의 전력소비량을 산정하여 비교분석하였다. 그 결과, 직팽식 태양열 히트펌프가 열 프로슈머로 운영될 경우, 전체 타운 급탕에너지의 51.6%를 담당할 수 있는 것으로 나타났으며, 건물별 급탕에너지 소비량의 37.7%를 절감할 수 있을 것으로 예측되었다.
본 연구는 선행연구를 통해 도출된 실험결과를 바탕으로 직팽식 태양열 히트펌프를 모사할 수 있는 모델을 도출하였으나, 기후대의 차이 등으로 국내에서의 운영에 따른 COP는 다소 차이가 있을 수 있다. 특히, 도출된 모델의 시스템 용량과 시뮬레이션 대상 시스템의 용량 차이로 인한 COP는 차이가 발생할 수 있다. 이에, 추후연구에서는 직팽식 태양열 히트펌프를 실제 설치하여 운영결과에 대한 검증을 진행할 예정이다. 또한, 본 연구의 실증단지인 진천 친환경에너지타운은 저온 열네트워크로 구성되어 있으며, 열공급 대상건물이 일반 지역난방과 많은 차이가 있으므로, 본 연구를 기존 고온 지역난방에 적용은 다소 무리가 있을 것으로 판단된다. 이에, 향후 연구에서는 제안된 구성방식에 대한 경제성 분석이 고려되어야 하며, 고온 지역난방대비 4세대 저온 지역난방이 가지는 배관증 증대와 같은 문제들도 고려되어야 할 것이다.

영어초록

In this study, the feasibility of a direct-expansion solar heat pump for a distributed thermal prosumer in a small-scale thermal network was investigated. In this analysis, a small-scale thermal network for cooling, heating, and hot water established in Jincheon eco-friendly energy town was selected as the test site, and a daycare center in town was also selected as a target building for heat prosumer. The direct-expansion solar heat pump was selected to serve and generate excess heat, and control logic was developed to facilitate the production and delivery of excess heat. In order to simulate the operation of the direct-expansion solar heat pump, an operation model was developed via ANOVA based on the operation data derived from the literature. Simulations were based on the derived model and the operation parameters of the Jincheon eco-friendly energy town. As a result, the direct-expansion solar heat pump showed a COP of 3.5 annually. The amount of heat supplied for domestic hot water from the central management center in the town was 105 MWh/y, and the amount of electric energy consumed by the electric heater located in each building for domestic hot water supply was 37.4 MWh/y. It was predicted that 51.6% of the electric energy consumption for serving domestic hot water could be reduced using the direct-expansion solar heat pump in the daycare center as the thermal prosumer.

참고자료

· 없음