수열 에너지 통합 설계 플랫폼 개발
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수열 에너지 통합 설계 플랫폼 개발
Development of an Integrated Design Platform for Hydrothermal Energy
◇연구배경
기후 변화 대응과 탄소 중립 목표 달성을 위해 신재생에너지 활용이 중요해지고 있으며, 특히 수열에너지는 비교적 연중 일정한 온도를 유지하는 특성으로 인해 차세대 친환경 에너지원으로 주목받고 있음. 국내에서 하천수, 댐 저장수, 원수 등 다양한 수열원이 존재하며, 이를 활용할 경우 약 100GW의 에너지를 생산할 수 있어 국가 전력 수요의 약 10%를 대체할 수 있는 잠재력을 가짐. 본 연구는 기존 화석연료 기반 냉난방 시스템을 수열원 히트펌프 시스템으로 대체함으로써, 1차 에너지 소비량 절감과 경제성 분석을 수행하고, 수열원 히트펌프 시스템의 설계 및 적용을 위한 통합 설계 프로그램을 개발하는 것을 목표로 함.
1. TRNSYS를 활용한 시스템 모델링
수열원 히트펌프 시스템과 기존 냉난방 시스템을 TRNSYS18 시뮬레이션 프로그램을 이용해 모델링
수열원의 온도 및 유량 데이터를 반영하고, 수열원 히트펌프, 축열조, 열교환기, 순환펌프 등의 요소를 포함한 모델 구축
동절기 동결 방지를 위한 보상운전 모듈 추가
주거용 건물, 오피스, 병원, 데이터센터, 백화점 등 다양한 건물 유형에 따른 냉난방 부하 입력 가능하도록 모델 설계
2. 기존 냉난방 시스템 모델링
가스 보일러, 공냉식 냉동기, 흡수식 냉동기 및 냉각탑을 포함한 기존 냉난방 시스템 모델 구축
한국 수자원공사 한강유역본부 사옥의 냉난방 시스템을 참고하여 실측 데이터 기반으로 모델링 수행
3. 데이터베이스 구축 및 분석
한강, 금강 등 하천수, 소양강댐 및 대청댐의 댐 저장수, 정수장의 원수를 활용한 실증 수온 데이터 구축
500RT급 냉난방 능력을 가지는 수열원 히트펌프 시스템을 기준으로 하절기 및 동절기 성능 평가 진행
4. 성능 및 경제성 분석
수열원 히트펌프 시스템과 기존 냉난방 시스템을 적용한 표준 모델을 구축하여COP, 1차에너지 소비량(LCC) Life Cycle Cost, LCCP(Life Cycle Climate Performance)등의 성능지표 비교
Python 기반 Web GUI를 활용하여 시스템 성능 분석 및 시각화
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◇연구결과
- 성능 분석 결과
수열원 히트펌프 시스템을 적용한 경우 월 평균 냉난방 COP는 3.55, 기존 냉난방 시스템 대비 약 49.29% 향상됨.
기존 냉난방 시스템과 동일한 냉난방 부하조건(냉방: 12.10W/m²,난방: 17.21W/m²)에서 운영되었음.
연간 1차 에너지 소비량은 기존 냉난방시스템(23,094,235,157kJ)대비 수열원 히트펌프 시스템(20,136,451,697kJ)에서 약 12.8% 감소함.
- 보상운전 영향
열원측 배관 온도가 2℃미만으로 떨어질 경우 보상운전이 필요하며, 보상운전 일수 증가에 따라 소비동력량이 증가함.
한강 유역 원수를 사용하는 오피스 건물 기준, 보상운전 10일 발생 시 소비동력량이 약 2 % 증가하는 경향 확인.
- 경제성 분석
기존 냉난방 시스템 대비 연간 1차 에너지 소비량이 절감됨에 따라 운영비용 절감 효과 기대됨.
한국에너지공단 연구 결과와 비교했을 때, 연구에서 도출된 수열원 히트펌프 시스템의 COP는 오차율 5% 이내로 매우 양호한 결과를 보임.