3. 신재생 에너지 적용방안
3.3 지열 시스템
[그림 4-19] 전력 추종 시스템
한편 냉방 모드에서는 4방 벨브를 통하여 히트펌프 내 냉매의 흐름 방향이 역행 하게 되며 증발기(1-5)가 부하 측의 순환수에서 열을 흡수하게 된다. 아울러 냉매의 온도는 압축기(1-1)에 의해 증폭되며 응축기(1-3)를 통해 냉매가 저장 한 열은 열 원측으로 방열되는 과정을 가지게 된다.
[그림 4-20] 지열 시스템의 난방 모드
그림 4-21은 난방과 냉방을 위한 지열 히트펌프 시스템의 계통도를 나타내고 있다. 본 모델은 동절기에는 난방을, 하절기에는 냉방을 공급하기 때문에 난방 및 냉방 요구량 모두를 맞출 수 있도록 용량을 선정할 필요가 있으며 냉난방 동 시 가동은 불가능한 것으로 설정 하였다.
구체적으로 5개의 히트펌프는 개별적으로 source-side(열원측) 순환펌프 1개와 load-side(부하측) 순환펌프 1개가 연동되어 운영되는 것으로 설정하였다. 다만, 본 모델은 냉/난방 중 가장 높은 소요량인 난방을 충족하도록 시스템 용량이 설 계되기 때문에, 냉방 기간동안 부분부하 운전이 발생하는 단점이 있다. 한편 그림 4-22는 냉/난방을 공급하는 GSHP시스템을 TRNSYS를 통하여 완성한 모델을 나타내고 있다. 시뮬레이션을 위해서 1시간 단위의 부하 데이터를 timestep(6분)마다 보간하여 에너지 소요량 프로필을 이용하며 TRNSYS모델에 는 히트펌프, 보어홀, source-side 순환펌프, water tank, 그리고 load-side 순 환펌프 등의 컴포넌트들이 사용된다.
[그림 4-21] 냉난방 모드의 지열 시스템 구성도
[그림 4-22] 냉난방 모드의 지열 시스템 트랜시스 모델링 개념도
그림 4-23은 난방 및 급탕(DHW)에 대응한 지열 시스템의 구성도를 나타내고 있다. 구체적으로 난방과 급탕에 대응하는 시스템의 경우 급탕 공급수의 상세 설정이 필요하며, 본 연구에서는 급탕 공급온도를 50도로 설정하고 사용된 급탕 수는 재순환하지 않고 일괄 소비되는 형태로 설정하였다. 아울러 난방의 경우는 난방 공급온도를 35도로 설정하고 거주공간에 공급된 난방 수는 재순환과정을 통해서 승온하는 형태로 설정하였다. 이러한 차이로 인하여 일반적 지열 히트펌 프 시스템 설계 시 난방과 급탕(DHW)을 동시에 공급할 수 없으며, 각 공급별 로 개별 저장 탱크, 히트펌프 및 순환펌프를 보유하도록 설계할 필요가 있다. 아 울러 전술한 난방 및 냉방 모델과의 가장 큰 차이는 Seasonal scheduler를 통하 여 계절별로 난방이나 냉방 모드 하나를 선택하는 난방/냉방 경우와 달리 난방/
급탕 모델은 일 년 내내 난방과 급탕을 공급하는 형태로 설계되었다.
덧붙여 동일한 전체 시스템(저장탱크, 히트펌프, 순환펌프 등)이 계절별로 난방 혹은 급탕을 공급하는 경우와 달리 난방 및 급탕시스템은 온수의 설정온도와 재 순환의 유무가 다르기 때문에 개별적으로 시스템을 설계하는 부분이 가장 큰 차 이이다. 현재 TRNSYS 버전에서는 한 모델 내에서 히트펌프 컴포넌트에 연결할 수 있는 보어홀 컴포넌트는 하나만 가능하다. 따라서 그림 4-24와 같이 난방과 급탕의 모델은 별도로 설계하였으며 지열 시스템이 난방과 급탕 공급에 동시에 사용될 경우 시스템이 상호간의 간섭 없이 완전히 분리된 루프에서 작동되기 때 문에 개별적 모델을 통한 시뮬레이션 결과를 도출할 수 있다.
[그림 4-23] 난방 + 급탕용 지열 시스템 구성도
[그림 4-24] 난방 + 급탕용 지열 시스템 트랜시스 모델링 개념도
표 4-8는 지열시스템을 TRNSYS에서 모델링시 필요한 컴포넌트를 나타내고 있 으며 표 4-9은 주요 부품별 컴포넌트의 상세, 입력수준 및 제어방법을 나타내 고 있다. 대부분의 변수값은 논문, 저널, 온라인 웹 사이트와 같은 외부 출처(참 조 열 참고)에서 얻어진 값이지만, 일부입력값의 경우 기존 연구를 바탕으로한 함수식을 이용하였으며, 지열 시스템 구성 부품의 상세성능을 이용할 수 있는 경우에는 제조사의 카탈로그에서 제시하는 정보를 입력하도록 설정하였다.
TYPE (name in
model) 설명
9a
(*** Demand) 소요량 프로필 (난방, 급탕, 냉방)을 읽고 interpolate함 25b
(*** Printer)
특정 component의 출력을 인쇄하여 출력 파일(.out)을 제 공함
43a (Integrated ***)
출력을 인쇄하는데 사용되지만 timestep 주파수로 인쇄하는 대신 값을 시간당 값으로 통합함
15-3
(Weather Data) Energy+ 기상데이터 읽음 158
(Water Tank) 저장탱크 (볼륨, 온도층화, 주변 열손실 등) 927
(Water-Water Heat Pump)
W-W 히트 펌프
(정격 용량 및 정격 전력, 열 펌프 수, 성능 데이터 파일 등) 557a
(Vertical Borehole Heat Exchanger)
보어홀 (보어홀 및 토양 열 특성, 보관 크기, 보어홀 수 등)
110
(Variable Speed Pump) 순환 펌프의 유량이 다른 multi-stage control 모델 973
(Multi-HP Controller) 히트펌프 및 워터펌프 ON 개수를 제어하기 위해 사용 515
(Season Scheduler) 난방/난방 모드 결정
[표 4-8] 지열 시스템 모델링 컴포넌트 구성 및 관련 설명
(TYPE 557a) BOREHOLE HEAT EXCHANGER PARAMETERS Component
(number of parameters)
Main
Parameter Names Description Values Reference
Borehole Heat Exchanger
(42)
Storage Volume Calculated with the equation: 각 시나리오에 따른
변경 TRNSYS
Borehole Dept 보어홀 깊이는 100m부터 ~ 300m까지
가 보통임 200m 보어홀 사례
Chapter4
Number of Boreholes 보어홀 용량이 히트펌프 용량에 최대 한 근접해야 함
각 시나리오에 따른 변경
보어홀 사례 Chapter4 Initial Temperature of
Storage Volume
히트펌프가 설치된 저장 용량의 초기
표면 온도 16ᵒC [2],[3],[12]
Thermal Conductivity
of Soil 토양의 열전도율 3.5W/m.K [2],[4]
Heat Capacity of Soil 토양의 열용량 2520kJ/m^3/K [2]
[표 4-9] 지열 시스템 컴포넌트 파라미터 및 상세
(TYPE 927) HEAT PUMP PARAMETERS
Heat Pump (19)
Rated Cooling
Capacity 정격 상태에서 히트펌프의 냉각 용량 (모든 시나리오) 179kW
Manufacture r performance
data sheet Rated Cooling Power 정격 상태에서 냉각 모드의 히트펌프
의 소비전력 (모든 시나리오) 37kW
Rated Heating Capacity 정격상태에서 히트펌프의 난방 용량
난방 – 202kW 급탕 – 70kW
(화성태안 급탕) – 129kW
Rated Heating Power 정격상태에서 냉각 모드의 히트펌프 의 소비전력
난방 – 41kW 급탕 – 13.9kW
(화성태안급탕) – 25.8kW
Rated Source Flowrate
정격상태에서 히트펌프의 source-side 유량
냉/난방 – 9.5l/s 급탕 – 3.5l/s
(화성태안급탕) – 5.5l/s
Rated Load Flowrate 정격상태에서 히트펌프의 load-side 유 량
냉/난방 – 9.5l/s 급탕 – 3.5l/s
(화성태안급탕) – 5.5l/s Number of Identical
Heat Pumps
위의 시스템 특성을 가진 히트펌프의
개수 각 시나리오에 따른 변경
-(TYPE 158) STORAGE TANK PARAMETERS
Storage Tank (16)
Tank Volume 탱크의 내부 유체 부피
각 시나리오에 따른 변경
-Tank Height 탱크의 높이
-Number of Tank
Nodes 저장 탱크를 분할할 등온 탱크 노드 수 10
-Heat Loss
Coefficients
저장탱크의 상단, 하단 및 가장자리의
열손실 계수 3.325 kJ/hr.m^2.K TRNSYS (TYPE 110) WATER PUMP PARAMETERS
Water Pump (8)
Rated Flowrate 작동 시 펌프를 통과하는 유체의 최 대 유량
각 시나리오에 따른 변경
Manufacturer data Rated Power 작동 시 펌프의 최대 출력
Control Signal 순환펌프의 작동 용량 결정
(0부터 1까지의 값) TYPE 957
Multi-HP-Controll er
(6)
Number of Levels 설치된 히트펌프 개수
-On/Off-Time Delay 제어동작이 실행되는 데 걸리는 시간 12분 시뮬레이션 timestep
Controller Dead Band 컨트롤러의 deadband (on-off 범위)
deadband 설정점 중심으로 가정 2도
-(1) 소요량 프로필 기반 히트펌프 용량 산정
GSHP 설계 시 첫 번째 단계는 주거단지의 피크 소요량에 맞춰서 지열 히트펌 프의 용량을 선정하는 것이다. 지열 히트펌프가 난방, 냉방 및 급탕에 사용되는 경우에 따라 피크 부하가 발생하는 월의 시간당 소요량 프로필 데이터를 이용하 여 용량을 산정하게 된다. 일례로 그림 4-25는 난방 및 급탕 부하의 피크가 발 생하는 1월, 냉방 부하의 피크가 발생하는 8월의 시간대별 부하패턴의 변화를 보여준다. 기본적으로 히트펌프는 최대 부하상태로 운전할 때 가장 효율적이기 때문에, 피크 부하량에 맞춘 용량이 큰 히트펌트 하나를 설치하는 것보다 기저 부하(baseload)에 부합하도록 하나의 히트펌프 용량을 산정하고, 피크부하를 충 족할 수 있도록 히트펌프의 개수를 추가하는 댓수분활 형태가 바람직하다. 그 림 4-25의 a)를 보면, 난방의 기저부하가 약 150kW(1~6hr/12~17hr)인 반면, 피크부하(22hr)는 약 900kW임을 알 수 있다. 이 정보를 통해 적절한 히트펌프 의 용량과 개수를 지열 히트펌프의 목적에 맞춰서 적절한 히트펌프의 댓수를 결 정할 수 있다.
[그림 4-25] 난방, 냉방, 급탕 부하피크 발생월의 시간별 프로필
(2) 난방/냉방 모드 결정
지열 히트펌프 시스템이 난방/냉방 공급에 적용될 경우, 시스템은 시간별로 난방 과 냉방 중 하나만을 택일하여 공급할 수 있다. 그림 4-25와 같이 월 평균 난 방 소요량과 냉방 소요량을 비교한 결과, 난방 수요는 1~5월과 10~12월 동안 의 냉각 수요보다 상당히 높고, 냉방 수요는 7~8월 동안 눈에 띄게 높았다. 이 를 바탕으로, 지열 히트펌프 시스템이 7-8월에만 냉방을 제공하고, 그 외의 기 간에는 난방을 제공하도록 운전 스케줄을 설정하였다.
[그림 4-26] 월평균 소비량 (난방, 냉방)
(3) Source-side 순환펌프와 보어홀 용량
Source-side 순환펌프의 총 유량은 제조업체가 제공하는 히트펌프 성능 데이터 시트의 열원 측 순환수 정격 유량에 따라 결정된다. 열원 측 순환펌프 용량을 히트펌프에서 요구하는 열원 측 순환수 정격 유량에 일치시킴으로써, 히트펌프 의 정격 성능 및 효율성을 절감시키지 않을 수 있다. 또한, 부하 측에서 개별적 히트펌프와 순환펌프를 연계한 운전 방식을 그대로 적용하여, 열원측에서도 개 별적 히트펌프와 순환펌프를 연계하여, 운전 중인 히트펌프 개수에 따라 지정된 보어홀을 통과하는 유량을 정격 상태로 유지하도록 하였다. 보어홀 크기 산정 과정은 다양한 설계지침과 사례 연구를 바탕으로 도출하였다. 에너지관리공단 신재생 에너지센터에서 제안된 지침에 따르면, 일반적으로 보어홀은 50m의 깊 이마다 1RT 또는 3.5kW의 에너지를 공급하는 것으로 간주된다고 명시되어 있 다. 표 4-10은 다양한 사례 비교를 통하여 지열 히트펌프 용량 대비 설계된 지 열 천공(깊이 및 개수)를 정리한 결과 보어홀의 용량과 히트펌프의 용량이 동일 하게 설계되어야 함을 알 수 있었다. 이를 바탕으로, 본 과제에서는 복수의 200m 깊이의 여러 개의 보어홀을 이용하여 히트펌프의 용량에 일치하도록 보어 홀 용량을 결정했다.
현장명 지열천공 (깊이 * 개수) 지열히트펌프 용량 냉/난방 방식 송도
더프라우2:
코오롱 건설
300m * 80개 = 420RT 600RT (6*100RT)
FCU–냉방 바닥난방–난방 UNIST 150m * 36 개 = 108RT 100RT
-한국전력 본사 신사옥
200m * 290개 = 1160RT
1350RT (29 * 45RT +
5RT * 8)
AHU/FCU–냉방 + 난방
DHW 롯데월드타워 200m * 720개 =
2880RT
3000RT
(500RT * 6) -삼척그린파워
현장 사택신축공사
100m * 137개 = 274RT 290RT -[표 4-10] 보어홀과 지열히트펌프 용량 설계 사례