TE 캡슐형 빙축열 시스템의 대기환경 특성에 관한 연구

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碩士學位論文

TE 캡슐형 빙축열 시스템의 대기환경 특성에 관한 연구

A study on environment characteristics of the TE capsule type thermal storage

國民大學校大學院

機械工學科

鄭裕澤

2001

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TE 캡슐형 빙축열 시스템의 대기환경 특성에 관한 연구

A study on environment characteristics of the TE capsule type thermal storage

指導敎授金錫賢

이 論文을 碩士學位請求論文으로 提出함 2001年 12 月日

國民大學校大學院

機械工學科

鄭裕澤

2001

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鄭裕澤 의

碩士學位請求論文을 認准함

2001年 12月 5日

審査委員長 정 태 용 印審査委員 김 석 현 印審査委員 강 병 하 印

國民大學校大學院

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List of Figures and Tables

Figures

Fig. 1 ^CO2 emission model (Electric powered

air conditioning system) ... 17 Fig. 2 ^CO2 emission model (No electric powered

air conditioning system) ... 18 Fig. 3 Flow chart of simulation ... 26 Fig. 4 Effect of COP variations of ice thermal storage systems

on CO₂ emissions ... 29 Fig. 5 Effect of difference between day and night power supply

efficiency on CO₂ emissions of cooling system ... 32 Fig. 6 Effect of difference between day and night power supply

efficiency on CO₂ emissions of heating system ... 32 Fig. 7 Effect of difference between day and night plant efficiency

on CO₂ emissions of cooling system ... 34 Fig. 8 Effect of difference between day and night plant efficiency

on CO₂ emissions of heating system ... 34 Fig. 9 Effect of cooling system on ^CO2 emissions ... 38 Fig. 10 Effect of heating system on ^CO2 emissions ... 38

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Fig. 11 Variation of ^CO2 emissions due to increasing performance with plant efficiency 1%, power supply efficiency 1%

and COP 0.1 ... 40 Fig. 12 The ^CO2 emissions with various supply efficiency of

cooling and heating system ... 42 Fig. 13 The ^CO2 emissions with various generating

efficiency of cooling and heating system ... 42 Fig. 14 The ^CO2 emissions with annual variation

of cooling and heating system ... 43

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Tables

Table 1 Carbon dioxide emission factors by fuel type and

combustion efficiency ... 11

Table 2 Boiler efficiency and output power ... 11

Table 3 Trend of thermal plant efficiency ... 12

Table 4 Distribution of day&night average power generation ... 19

Table 5 Trend of power generating ... 20

Table 6 Trend of power losses (substation losses included) ... 21

Table 7 The performance results of ITS-IC2 system ... 22

Table 8 Specification of air conditioning system ... 23

Table 9 Simulation conditions ... 27

Table 10 Identification of simulation ... 28

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Nomenclature

c : Carbon emission [ton-C]

C : Carbon dioxide emission [ton-C]

E : Energy consumption [TJ]

f : Carbon emission factor [kg C/GJ]

F : Carbon dioxide emission factor [kg C/GJ]

G : Fuel consumption [ton]

I : Energy intensity [TJ/kW]

Q : Production [kW]

W : Power generation [kW]

BE : Boiler efficiency [%]

CE : Combustion efficiency [%]

COP : Coefficient of performance

PPE : Power plant efficiency [%]

PPDR : Power source distribution rate [%]

SE : Supply efficiency [%]

Subscripts

g : Generation i : Each part CO² : Carbon dioxide con : Power consumption

ele : Power plant FC : Fuel consumption PP : Power source

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국 문 요 약

최근 급증하는 화석연료의 사용 증가로 인한 온실가스 배출량 증가를 야기하 며 원자력 발전은 안정성에 대한 국민적 불안감으로 인해 추가 건설에 어려움 을 겪는 현실이다. 이러한 측면을 고려할 때 국가 경제에 필수적인 전력 수급 을 균형적으로 가능하게 하면서 온실가스 배출을 최소화시킬 수 있는 대안으로 서 축열식 전력공조시스템의 가치가 부각된다고 하겠다. 따라서 본 논문에서는 동·하계에 사용되는 공조시스템이 대기환경에 가장 큰 영향을 미치는 이산화 탄소 배출량을 분석하기 위하여 시스템의 COP 변화, 발전효율 변화, 송배전효 율 변화 및 발전원별 변화에 대하여 시뮬레이션을 하였다. 전력공조시스템의 COP가 0.2정도만 향상되어도 캡슐형과 슬러리형은 이산화탄소 배출량이 일반 에어컨보다 낮게 배출된다. 송배전효율과 발전효율이 최대 4% 증가할 때 하계 축열식 전력공조시스템은 0.01 kg ∼ 0.03 kg정도 감소하고, 하계 비축열식 전 력공조시스템은 0.01 kg ∼ 0.04 kg정도 증가한다. 발전원별 구성비가 변화할 때 이산화탄소 배출량은 축열식 전력공조시스템인 관외착빙형이 비축열식 전력 공조시스템인 일반 에어컨보다 많고 다른 축열식 전력공조시스템인 캡슐형과 슬러리형은 이산화탄소 배출량이 적다. 이와 같은 전력공조시스템의 이산화탄 소 배출에 영향을 미치는 발전원별, 발전효율, 송배전효율 및 COP 변화중에 전 력공조시스템의 성능계수인 COP 변화가 이산화탄소 배출특성에 가장 큰 영향 을 미친다. 또한, 축열식 전력공조시스템인 캡슐형은 모든 경우에 대하여 비축 열식 전력공조시스템인 일반 에어컨보다 이산화탄소 배출량이 낮은 것을 볼 수 있다. 동·하계 공조시스템의 조합운전에 따른 분석은 송배전효율이 최대 4%

증가하면 이산화탄소 배출량은 2% 감소하고, 발전효율이 최대 4% 증가하면 이 산화탄소 배출량은 최대 3% 감소한다.

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Ⅰ. 서론

1.1 연구배경

최근 급증하는 화석 연료 사용 등에 의한 이산화탄소의 배출은 기후 변화를 초래하여 홍수, 가뭄, 폭설 등의 자연 재해의 차원을 넘어 생태계 파괴와 인류 의 생존을 위협하기에 이르렀다. 이러한 문제에 대응하기 위한 국제 연합의 기 후변화협약 등의 일련의 국제적 협상에서 우리나라는 1990년대 이산화탄소 배 출량 증가율 75%로 세계 1위, 배출량 12위에 이르고, 경제협력개발기구 가입국 이라는 국제 사회에서의 지위로 인해 이산화탄소의 배출 규제 압력을 거세게 받고 있다. 이산화탄소 배출 규제는 경제 전반에 엄청난 타격을 줄 것이 분명 하므로 국가적 차원의 대책 마련이 시급하다. 또한, 경제 성장에 따라 하절기 냉방 수요의 급격한 증가로 인한 첨두 부하의 문제는 국가 에너지 수급 불균형 현상을 심화시켜왔다. 발전소 건설에 필요한 막대한 건설비 외에 화력 발전 중 심의 전력 설비 확충은 화석연료의 사용 증가로 인한 온실가스 배출량 증가를 야기하며 원자력 발전은 안정성에 대한 국민적 불안감으로 인해 추가 건설에 어려움을 겪는 현실이다. 이러한 측면을 고려할 때 국가 경제에 필수적인 전력 수급을 균형적으로 가능하게 하면서 온실가스 배출을 최소화시킬 수 있는 대안 으로서 축열식 전력공조시스템의 가치가 부각된다고 하겠다.

축열식 전력공조시스템은 축열 방법에 따라 다양한 형태로 구분한다. 현재 주 로 사용하는 방식은 관외착빙형, 슬러리형 및 캡슐형 등으로 나눌 수 있다. 그 중 소비전력 20 kW 미만의 소형 빙축열 시스템에서 일반적으로 사용하고 있는 관외착빙형에 대한 연구는 최근에 Jones⁽¹⁾가 코일형 빙축열조 내부에 대한 모델 링에 관하여 연구하여 축열조 내부의 온도분포 및 온도변화에 대하여 시뮬레이

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션 하였다. 또한, Moncef Krarti⁽²⁾가 축냉과 방냉사이클에서 관외착빙형 축열조 의 내부융해에 대한 동적성능을 예측하기 위한 수치해석에 대하여 연구하여 축열조의 내부융해에 대한 열성능과 다양하고 효과적인 작동상태에 대하여 평 가하였다. 슬러리형에 대한 최근의 연구는 Kasza⁽³⁾가 슬러리형 축열조내의 얼 음알갱이들이 축열조에 미치는 영향에 관하여 연구하여 얼음과 물사이의 전기 저항에서의 새로운 기술에 대한 개발 및 테스트를 하였다. 또한, Hayashi⁽⁴⁾는 축열조 내의 얼음 슬러리의 양을 측정하는 방법에 대하여 연구하여 이에 대한 장치를 개발하였다. 캡슐형에 대한 최근의 연구는 Zhang⁽⁵⁾에 의하여 이루어 졌 는데 공조시스템 시뮬레이션을 위한 캡슐형 빙축열 시스템에 관한 동적 모델링 에 대하여 연구하여 캡슐형 공조시스템의 시뮬레이션에 사용되는 소프트웨어 모델에 대하여 설명하였다.

이렇듯 관외착빙형, 슬러리형, 캡슐형등에 대하여 시스템의 성능과 시스템의 개발 및 에너지 저장에 관련된 연구는 많은 결과를 가지고 있으며, 현재도 많 은 연구를 거듭하고 있다. 하지만 전력공조시스템 사용으로 인한 온실가스 배 출현황 등 지구 온난화에 미치는 환경영향평가에 대한 연구는 국내외적으로 아 직 초기단계이다. 현재 국내에서 연구되고 있는 내용으로는 전체적인 이산화탄 소 배출량에 관한 연구로 한화진 등은⁽⁶⁾ 지구온난화가스 저감대책을 통해 이산 화탄소 배출량이 향후 20년동안 3.4배로 증가할 것이라고 예측하였으며 특히 에너지 부문의 온실가스 중에서는 이산화탄소가 98∼99%의 배출비중을 차지한 다고 하였다. 온실가스 중에서 이산화탄소의 비중이 높아지면 지구온난화 현상 으로 인해 온도상승과 이상 기온현상 등의 원인이 되기도 한다. 그러하여 온실 가스를 줄이려는 노력이 진행되고 있으며, 온실가스 배출량을 줄이기 위한 노 력으로 축열식 전력공조시스템의 가치가 부각이 되고 있다. 그러나 단지 온실 가스를 줄이기 위해서 전력공조시스템을 사용하는 것이 아니라 전력공조시스템 이 온실가스를 저감할 수 있는지에 대한 정량적인 분석이 필요한 시점이다. 따

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라서 본 연구에서는 동·하계 공조시스템의 이산화탄소 배출량을 정량적으로 추계하기 위하여 하계 전력공조시스템의 에너지원인 발전설비의 발전원별, 발 전효율, 송배전효율 및 전력공조시스템의 성능계수 등을 변화시키면서 이산화 탄소 배출특성을 분석하였다. 이러한 이유에서 전력공조시스템이 배출하는 온 실가스 배출량을 구해야 한다.

1.2 연구목적

전 절에서 살펴본 바와 같이 동·하계 공조시스템 중 축열식 전력공조시스템 이 정성적으로만 환경 친화적인 공조시스템으로 인식되고 있을 뿐 정량적으로 온실가스 배출에 대한 평가는 이루어지지 않고 있다.

따라서 본 연구에서는 동·하계 공조시스템의 이산화탄소 배출량을 정량적으 로 추계하기 위하여 하계 전력공조시스템의 에너지원인 발전설비의 발전원별, 발전효율, 송배전효율 및 전력공조시스템의 성능계수 등을 변화시키면서 이산 화탄소 배출특성을 분석하였다. 그리고 동계 비전력공조시스템은 가스보일러와 기름보일러로 구성이 되어있는데 각각의 보일러에 사용된 연료는 고정시키고 연료외의 펌프 및 기타 소비전력에 대하여 발전원별, 발전효율, 송배전효율 등 을 변화시키면서 이산화탄소 배출특성을 분석하였다. 또한, 축열식 전력공조시 스템이 비축열식 전력공조시스템에 비하여 온실가스 배출 특성면에서 어느 정 도 유리한지 시뮬레이션을 통하여 분석하였다.

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Ⅱ. 관련이론

2.1 에너지원단위

에너지원단위⁽⁷⁾는 일반적으로 산업부문의 경우, 그 산업에서의 에너지 사용량 을 그 산업의 부가가치 또는 총생산액과 같은 생산활동의 화폐가치로 나눈 것 으로 설명할 수 있다. 다시 말해서 단위 생산을 위하여 투입된 에너지의 양을 나타내며 총체적인 개념으로 생산과정에서 에너지의 효율성을 나타내는 지표라 할 수 있다.

본 연구에서는 에너지원단위 개념을 단위 전력 생산에서의 이산화탄소 발생 량, 즉 전력생산의 이산화탄소원단위의 개념으로 사용한다. 각 원별 발전 과정 에서의 이산화탄소 배출량 추계에 발전 원별 연료 구성비와 각 연료별로 달라 지는 이산화탄소 배출 계수를 고려한 전력생산의 이산화탄소원단위 개념을 적 용할 수 있다.

특정 산업의 에너지 사용량 E 는 해당 산업 부문의 에너지원단위 I 와 생산 량 Q 의 곱으로 다음과 같이 간단히 나타낼 수 있다.

E = I·Q (2.1)

이를 에너지원단위에 대해 변형하고 전 에너지 사용량을 산업 부문의 세부 업종별 에너지 사용량(ΣE_i)으로 나타내면 다음과 같다.

I = E

Q = ΣE_i

Q (2.2)

이 에너지원단위를 축열식 공조시스템의 에너지원이 되는 전력 생산과정에

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적용해 보면, 발전부문 에너지원단위(I_g )는 발전부문 전체의 에너지 사용량 E 는 연료사용량(G )와 발전원별 연료사용량(G_i ), 발전량( )을 사용하여 다 음과 같이 표현할 수 있다.

I_g= G = ΣG_i

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2.2 IPCC 이산화탄소 배출분석 방법

산업부문의 이산화탄소 배출량 변화 요인에는 여러 가지가 있겠지만 크게

ⅰ업종의 에너지원단위가 상승하고 총생산량이 증가할수록 투입된 에너지의 양이 많아지므로 이산화탄소 배출량이 증가할 것이다. 따라서 각 산업 부문의 이산화탄소 배출량은 ｉ업종 에너지원단위 ( ^Eⁱ

V_i ) 및 총 생산량(V_i )에 비례 하므로 다음과 같은 비례식 및 항등식으로 나타낼수 있다.

c_i ∝ ( E_i

V_i )V_i (2.4)

c_i = f ( E_i

V_i )V_i (2.5)

여기서 f 는 비례계수(correlation factor)이다.

위 식에서 각 산업부문에 투입된 에너지원별로 비례계수 f 는 변한다.

IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)는 에너지원별 비례계수를

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탄소 배출계수 (Carbon Emission Factor, f_c)로 정의⁽⁸⁾ 하고 있다. 탄소 배출 계수는 투입된 단위 에너지 사용에 의한 탄소 발생량(c_i )으로 다음과 같이 나 타낼 수 있다.

c_i = f_c× E_i (2.6)

이산화탄소 배출 계수는 발생된 탄소가 산소와 결합하여 질량이 증가하므로 탄소 배출 계수에 이산화탄소와 탄소의 질량비를 곱하여 얻을 수 있다.

이산화탄소 배출 계수 (F_c)를 다음과 같이 나타낼 수 있다.

F_c = 44

12 × f_c (2.7)

식(2.4) ∼ 식(2.7)을 통해서 이산화탄소배출량(C_i )을 추계할 수 있다.

C_i = 44

12 × f_c × E_i = F_c× E_i (2.8)

다음은 IPCC 온실가스 추계 방법론⁽⁸⁾을 나타내었고, IPCC에서 제시한 방법을 이용하여 발전과정에서의 이산화탄소 배출분석에 적용하고 발전원별 이산화탄 소 배출량을 계산한다. 이와 같은 식(2.8)에 근거하여 IPCC에서는 온실가스 추 계 방법론을 다음과 같이 정의하고 있다.

가. 연료연소에 따른 CO² 추계

IPCC의 기준방법론의 1단계는 해당 국가의 연료 형태별 “명시적 소비”를 추 계하는 것이다. 2차 연료의 명시적 소비는 1차연료의 명시적 소비량 추정시

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이미 포함되어 계산된다. 다만, 국내생산으로부터 얻어진 2차 연료가 아닌경우 는 2차 연료의 명시적 소비량을 고려하여야 한다.

나. 공통단위로 변환

연료별 고유계량 단위를 분석의 편의를 위해 하나의 공통 단위로 통일시켰다.

IPCC는 열량단위 TJ를 기준으로 하고 있다.

다. 연료별 탄소 배출계수

공통단위로 변환한 뒤 탄소 배출 계수를 곱하면 연료 사용에 의해 발생된 탄 소량을 계산할 수 있다. IPCC가 제시한 연료별 탄소 배출 계수는 Table 1에 나타내었다.

라. 연소율

연료의 탄소 중 불완전 연소되는 부분은 이산화탄소로 전환되지 않는다. 일반 적으로 연료의 연소율은 연소종류별, 연소사용기기의 기술별에 따라 달라지며 국내 고유 연소율은 보고되지 않았기 때문에 Table 1에 IPCC가 제시한 연료별 평균 연소율을 나타내었다.

마. 이산화탄소배출량으로 변환

위에서 설명하고 있는 절차를 통해 얻게되는 배출량은 탄소량이므로 이산화 탄소 배출량을 구하기 위해서는 위의 탄소 배출량을 이산화탄소 배출량으로 전 화시켜주어야 한다. 연료 연소를 통해 탄소가 산화될 때 산소와 결합하여 질량 이 증가하므로, 탄소 배출량을 이산화탄소 배출량으로 전환할 때 이산화탄소와 탄소간의 질량비를 탄소량에 곱하여 이산화탄소 배출량을 구할 수 있다. 화학 적으로 이산화탄소와 탄소간의 질량비는 44/12이다.

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2.3 이산화탄소 배출량 분석식

이산화탄소 배출량을 분석하고 배출량을 산출하기 위하여 전절의 IPCC에서 제시한 방법을 기준으로 다음과 같은 분석식을 구하여 이산화탄소 배출량을 추 계하였다. 우선 동·하계 전력공조시스템과 동계 비전력공조시스템으로 나누고, 전력공조시스템의 경우에는 송배전효율, 발전효율, 발전원별구성비, 연소율 및 탄소배출계수 등을 이용하여 이산화탄소 배출량을 구하였다. 비전력공조시스템 은 가스보일러, 기름보일러로 구성이 되어있고, 각각의 보일러의 연료 소비량은 고정시키고 펌프 및 팬 등의 기타소비전력만을 이용하여 송배전효율, 발전효율, 발전원별구성비, 보일러효율, 연소율 및 탄소배출계수에 따라서 이산화탄소 배 출량을 구하였다. 여기에서 사용되는 송배전효율, 발전효율 및 발전원별구성비 는 2000년 한전자료⁽⁹⁾를 이용하고 연소율, 탄소배출계수 등은 IPCC자료⁽⁸⁾를 이 용하였다.

2.3.1 전력공조시스템

하계의 경우에는 단위 시간당 냉동톤(E_L)을 공조시스템의 COP로 나누면 공 조시스템의 에너지소비량(E_con)을 얻을 수 있다.

E_con = E_L

COP (2.9)

이 공조시스템의 에너지소비량을 송배전효율(SE)로 나누면 공조시스템에 공 급하기 위하여 발전설비에서 생산된 전기 에너지량(E_ele)을 구할 수 있다.

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E_ele= E_con

SE (2.10)

공조시스템에 공급하기 위하여 발전설비에서 생산된 전기에너지량을 구한 후 에는 발전원별 구성비에 따른 각각의 수력, 화력 및 원자력 발전에너지를 구할 수 있다. 이와 같은 발전에너지(E_pp)는 다음과 같이 구할 수 있다.

E_pp= E_ele× PPDR (2.11)

위의 식 (2.11)를 이용하여 수력, 화력 및 원자력발전에서 출력되는 에너지를 구할 수 있다. 각각의 에너지원에서 이산화탄소 배출과 직접적인 관련이 없는 수력 및 원자력발전 에너지를 제외한 화력발전 에너지를 가지고 다음 식과 같 이 이산화탄소 배출량을 계산할 수 있다.

GCO2=

∑ (

^PPE^E^spp ^{× F}^CO2^{× CE}

)

^(2.12)

식(2.12)는 발전원별 구성비에 따른 발전에너지에 IPCC 추계방법론⁽⁸⁾에서 제시 한 이산화탄소 배출계수를 구하는 방법과 연소효율을 이용하여 이산화탄소 배 출량을 추계한 것이다. 여기에서 사용된 이산화탄소 배출계수와 연소효율은 Table 1에 나타내었고, 발전효율은 Table 3에 나타내었다.

2.3.1 비전력공조시스템

비전력공조시스템의 경우에는 전력공조시스템과는 다르게 연료소비량을 이용

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한다. 동계 비전력공조시스템은 가스보일러와 기름보일러로 구성이 되어있는데 각각의 보일러에 사용된 연료는 고정시키고 연료외의 펌프 및 기타 소비전력에 대하여 발전원별, 발전효율, 송배전효율 등을 변화시키면서 이산화탄소 배출특 성을 분석하였다. 비전력공조시스템의 총 에너지를 구한후 연소효율과 이산화 탄소 배출계수 등을 곱하고 비전력공조시스템의 효율로 나누면 비전력공조시스 템의 이산화탄소 배출량을 계산할 수 있고, 식은 다음과 같다. 여기서 사용된 이산화탄소 배출계수와 연소효율은 Table 1에 나타내었고, 연료소비량과 비전 력공조시스템의 효율은 Table 2에 나타내었다.

G_CO2=

∑ (

^E^FC^{× CE × F}^BE ^CO2

)

^(2.13)

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Table 1 Carbon dioxide emission factors by fuel type and combustion efficiency

Carbon dioxide emission factor

(kg-CO2/GJ)

Combustion efficiency(%)

Liquid Fossil

Heavy Oil 77.36

0.99 Diesel Oil 74.06

Solid Fossil

Bituminous

Coal 94.6 Anthracite 0.98

Coal 98.26 Gaseous

Fossil LNG 56.10 0.995

Table 2 Boiler efficiency and output power Boiler efficiency Output power

Gas boiler(LPG) 85% 0.0865 GJ/kg

Oil boiler 86% 0.086 GJ/L

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Table 3 Trend of thermal plant efficiency(%) - KEPCO statics

Antracite Coal

Bituminous

Coal Heavy oil L N G Combined cycle

2000 34.48 39.25 37.45 35.68 43.67

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

34.49 34.11 34.33 33.55 34.49 34.58 34.67 34.61 35.41 34.72 34.38 34.45

39.16 39.18 39.16 39.19 39.25 39.22 39.27 39.30 39.30 39.39 39.38 39.25

37.48 37.47 37.57 37.49 37.40 37.63 37.35 37.01 36.94 37.57 37.61 37.64

37.31 37.05 37.06 35.98 33.21 31.99 35.16 34.00 32.86 35.83 35.91 36.51

42.69 42.83 43.18 43.79 43.82 44.53 44.11 44.21 43.94 44.32 43.61 43.47

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Ⅲ. 시뮬레이션

3.1 고찰 대상 시스템

축열식 공조시스템의 운전에 따른 이산화탄소 배출 특성을 살펴보기 위해 발 전 설비에서 송·배전 시스템을 거쳐 축열식 공조시스템에 이르는 과정을 Fig.

1과 Fig. 2에 나타내었다. Fig. 1의 전력공조시스템 가동을 위해 필요한 전력은 발전 설비에서 연료를투입하여 생산되고 송·배전 설비를 거쳐 공급받게 된다.

이 때 발전 설비의 운전의 결과 이산화탄소 등 온실가스가 발생하게 되며 송·

배전 과정에서의 손실과 각 공조시스템의 효율 등에 따라 동일한 냉난방 부하 에 대한 필요 전력량이 증감하므로 온실가스 배출량 또한 변화한다. Fig. 2의 비전력공조시스템은 가스보일러와 기름보일러로 구성이 되어있는데 각각의 보 일러에 사용된 연료는 고정시키고 연료외의 펌프 및 기타 소비전력에 대하여 발전원별, 발전효율, 송배전효율 등을 변화시키면서 이산화탄소 배출특성을 분 석하였다. 이러한 일련의 과정에 대한 시뮬레이션 조건들에 대하여 살펴보면 다음과 같다.

3.1.1 발전 설비

발전 설비에서 고려해야 할 변화 요인으로는 주·야간 원별 구성, 즉 사용 연 료의 변화에 따른 이산화탄소 배출 특성을 들 수 있다. 즉, 기저 부하용 발전원 외에 전력 사용량 증감에 따른 첨두 부하용 발전원의 운전 상태의 변화는 각 원별 사용 연료의 이산화탄소 배출계수가 다르므로 연료 사용에 따른 이산화탄 소 배출량 또한 차이가 있다. 기저 부하용 원자력 발전의 연료 사용에 의한 이

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산화탄소 배출은 없으며 석탄 화력 발전의 경우 크게 무연탄과 유연탄 화력 발 전소로 구분할 수 있다. 석유 화력 발전은 중유를 주 연료로 사용하고 LPG를 주 연료로 사용하는 가스 화력 발전은 기타 화석 연료에 비해 이산화탄소 배출 량은 상대적으로 적은 편이다. 석탄 화력발전은 주 연료인 무연탄이나 유연탄 외에 중유와 경유를 사용하고 있으며, 중유 화력발전과 가스 화력발전 또한 중 유와 경유를 보조 연료로 이용하고 있다. 각 원별 이산화탄소 배출 특성은 석 탄화력발전, 석유화력발전, 가스화력발전 등을 이산화탄소 배출에 주된 원인으 로 보고 연료 사용 구성을 고려하여야 한다. 하계 야간의 발전효율은 야간의 정격운전 및 외기 온도 저하 등으로 주간의 피크부하로 인한 과부하 운전시의 발전효율보다 상승할 것으로 추정하여 시뮬레이션 하였다. 전력공조시스템의 에너지원인 발전설비에 관련된 발전원별 구성비율은 2000년 한전자료⁽⁹⁾를 이용 하였다. 주·야간 발전원별 구성 및 발전원별 발전량 계획의 구성비율 조건은 Table 2와 Table 3에 나타내었고, 주·야간 발전원별 구성에서 2005년, 2010년 및 2015년의 주·야간 발전구성비는 1998년 발전량과 주·야간 발전구성비를 기준으로 2005년, 2010년 및 2015년의 발전량을 이용하여 재구성한 것이다.

2.4.2 송·배전 설비

전기를 생산하여 수용가에 유효 적절한 전력을 공급하는 설비를 총칭하여 전 력계통이라 한다. 전력계통 설비는 전력을 생산하는 발전설비, 발전소에서 생산 된 전력을 수용가에 보내기 위한 수송설비, 수송된 전력을 실제 사용하는 집단 이 전력 소비를 위해 보유하는 수용설비, 발전설비부터 수용설비까지 효율적 관리를 위해 설치한 부대설비인 운용설비로 구분할 수 있다. 이 전력계통에서 송·배전 계통은 수송설비 중 발전소에서 변전소까지 장거리를 초고압으로 보 내는 선로를 송전 선로, 변전소에서 수용가까지 근거리를 특고압이나 고압으로

(25)

보내는 선로를 배전 선로라 하며 송전과 배전 선로를 총칭하여 송·배전 선로 라 하고 변전소를 포함한 시스템을 송·배전 계통이라 한다.

발전 설비에서 생산된 전력이 각 수용가에 공급되는 송·배전 계통에서 송전 선의 승압이나 강압 등 전기 저항 등에 의한 저항 손실과 변압 과정에서의 변 압 손실로 인해 전력 손실이 발생하게 된다. 또한, 전선에 전류가 흐르게 되면 저항에 의한 발열 때문에 전선의 온도가 상승하게 된다. 어느 한도 이상으로 온도가 상승하면 전선의 기계적 강도 등 성능이 저하되므로 전류량을 조절하게 된다. 이러한 온도의 한도를 최고 허용 온도라 하며 이에 대응하는 전류를 전 선의 허용전류(안전전류)라 한다. 연중 최대 전력 수요가 발생하는 하절기 오후 2∼3시는 외기온도 또한 최고조에 도달하므로 허용 전류 용량이 감소하게 된 다. 배전 계통의 전력 손실은 전선, 케이블의 저항 손실 외에도 변압 계통의 변압 손실에 의해 발생한다. 변압기 손실은 첨두 부하 시 약 30% 가량 증가하 는 것으로 알려져 있다.

2000년의 경우를 살펴보면 송전단에서 수용가까지 공급되는 과정에서의 손실 률은 약 4.71%, 11.9백만 MWh에 이르며 특히 하절기인 7월에는 5.85%의 손실 률이 발생하여 전력 손실량이 1.3백만 MWh에 달했다.

따라서 송·배전 손실은 첨두 부하가 발생하고 외기온도가 상승하는 주간에 비해 야간에 감소할 것으로 예상되므로 심야전력을 사용할 경우 전력 손실을 최소화할 수 있을 것으로 기대된다. 2000년 월별 송·배전 과정에서의 손실률 변화⁽⁹⁾는 Table 5과 같다.

2.4.3 공조시스템

시뮬레이션에 이용되는 모델들은 축열식 빙축열시스템(관외착빙형, 캡슐형, 슬러리형), 축열식 보일러, 비축열식 일반에어컨, 비축열식 보일러등으로 나누어

(26)

진다. 공조시스템에 사용되는 제품들은 현재 개발이 되어 사용되고 있는 검증 된 제품들을 이용하였다. 축열식 빙축열시스템에서 사용된 관외착빙형 빙축열 시스템은 소비전력이 4.3 kW이고, COP가 2.65인 C사의 28평형 제품을 사용하 였고, 캡슐형 빙축열시스템은 소비전력이 5.82 kW이고, COP가 2.95인 E사의 30평형 제품을 사용하였고, 슬러리형 빙축열시스템은 소비전력이 3.89 kW이고, COP가 2.85인 D사의 28평형 제품을 사용하였다. 축열식 보일러에 사용된 제품 은 소비전력이 30 kW이고, 축열량이 125000 kcal인 A사의 33평형 제품을 사용 하였다. 비축열식 일반에어컨은 소비전력 3.49 kW이고, COP가 3.2인 L사의 30 평형 제품을 사용하였다. 비축열식 보일러에 사용된 기름보일러는 등유를 사용 하고 연료소비량이 2.1 L/h 이고 소비전력은 0.145 kW인 L사의 27평형 제품을 사용하였고, 가스보일러는 LPG를 사용하고 연료소비량이 1.71 kg/h이고, 소비 전력은 0.12 kW인 L사의 32평형 제품을 사용하였다. 또한, 현재 시제품이 나와 있는 것으로서 증발기가 축열조 내부에 내장되어 있기 때문에 증발기의 증발잠 열을 좀더 이용할 수 있는 증발기가 축열조에 내장된 캡슐형 빙축열시스템⁽¹¹⁾을 시뮬레이션 모델로 삼았다. 캡슐형 빙축열시스템의 실험장치는 축열조, 열원기 기 및 부하, 열교환기 및 순환펌프, 계측 시스템등으로 구성되어있고, 실험방법 은 소형 축냉설비에 대하여 한전에서 제시하고 있는 시험기준에 따라 축냉 10 시간, 방냉 6시간 운전을 하였다. 실험장치, 실험과정 및 실험결과에 대한 자세 한 내용은 기존에 발표한 자료⁽¹¹⁾를 이용하였고, 실험결과에 대하여 Table 6에 간단하게 나타내었다. 또한, 시뮬레이션에 사용될 전력공조시스템들의 자세한 사항에 대해서는 Table 7에 나타내었다.

(27)

Fig. 1 CO² emission model (Electric powered air conditioning system)

(28)

Fig. 2 CO² emission model (No electric powered air conditioning system)

(29)

Table 4 Distribution of day&night average power generation - KEPCO statics.

Daytime (8:00∼22:00)

Nighttime (22:00∼8:00)

MWh % MWh %

Hydro 921.7 3.5 379.8 1.7

Co-generation 396.8 1.5 373.4 1.7

Heavy Oil 1250.8 4.8 972.9 4.3

LNG 4091.6 15.7 1927.0 8.6

Anthracite Coal 753.0 2.9 729.5 3.2

Bituminous Coal 8334.6 32.1 7825.4 34.9

Nuclear 10238.1 39.4 10239.0 45.6

(30)

Table 5 Trend of power generating - KEPCO statics

1998 MW (%)

2000 MW (%)

2005 MW (%)

2010 MW (%)

2015 MW (%)

Hydro 6,095 (1.7)

5,610 (1.2)

4,724 (1.4)

4,566 (1.2)

4,712 (1.1)

Coal 77,661 (38.7)

99,427 (39.7)

124,443 (37.8)

144,099 (37.5)

149,022 (34.9)

Oil 9,942 (4.4)

18,888 (6.7)

28,286 (8.5)

31,718 (8.3)

30,683 (7.2)

LNG 27,941 (8.7)

28.495 (7.1)

44,326 (13.5)

43,328 (11.3)

46,267 (10.8)

Nuclear 89,688 (46.4)

108,963 (45.1)

126,364 (38.4)

153,156 (39.9)

190,125 (44.5)

Total 211,330 261,384 329,412 384,173 426,769

(31)

Table 6 Trend of power losses - KEPCO statics Transmission & Distribution losses

Losses (MWh) ( % )

2000 11,871,190 4.71

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

950,311 720,123 1,005,510 793,980 975,959 861,657 1,332,561 1,304,810 407,806 677,358 1,075,445 1,765,672

4.55 3.74 4.80 4.10 4.82 4.15 5.85 5.75 2.06 3.21 5.03 7.75

(32)

Table 7 The performance results of ITS-IC2 system ⁽¹¹⁾ Items Cycle 1-cycle 2-cycle 3-cycle

Operating time(Hr) 10:00 10:00 10:00 Ambient temperature(℃) 20.2 20.5 21.7 Condensing temperature(℃) 28.7 33.1 34.1 Condensing pressure(kgf/㎠) 11.3 11.3 11.6 Suction temperature(℃) -7.9 -4.3 -5.4 Suction pressure(kgf/㎠) 2.25 2.11 2.25 Power of consumption [kWh] 76.27 76.36 75.92 Total storage capacity [Rth] 37.95 38.65 37.57

COP 1.75 1.78 1.74

Thermal storage density [Rth/㎥] 14.73 15.05 14.71

(33)

Table 8 Specifications of air conditioning system Mark Designation Air condition and

heating ability

Power

consumption COP Pump, Fan,Etc ITS_IC1 Ice-capsule

type 9,600 kcal/h 4.16 kW 2.95 0.66 kW ITS_IOC Ice-on-coil

type 9,000 kcal/h 3.55 kW 2.65 0.75 kW ITS_IS Ice-slurry type 8,082 kcal/h 3.30 kW 2.85 0.59 kW

Aircon Air conditioner 9,400 kcal/h 3.44 kW 3.2 0.05 kW

TSB Thermal Storage Boiler

storage capacity

125000 kcal 30 kW - - P-

Boiler

Petroleum

Boiler 17500 kcal/h

0.144 kW 2.3 L/h (lamp oil)

- -

G- Boiler

Gas

Boiler 16000 kcal/h

0.14 kW 1.7 kg/h (LPG)

- -

(34)

3.2 시뮬레이션 방법

IPCC의 이산화탄소 배출 분석방법과 2.3절에서 구한 이산화탄소 배출량 관계 식(2.19)∼(2.12)을 이용하여 하여 발전원별 사용연료에 따른 발전효율, 송배전 효율, 공조시스템의 운전조건에 따른 이산화탄소 배출특성을 파악하기 위하여 Table 8과 같은 시뮬레이션 조건을 가지고 Fig. 3과 같은 포트란 프로그램을 구성하여 시뮬레이션 하였다. 하계와 동계의 공조시스템을 분리하여 각각 하계 는 1 Rth를 기준으로 하여 냉동기 COP의 변화에 따른 분석, 송배전효율 변화 에 따른 분석, 발전효율 변화에 따른 분석 및 발전원별 변화에 따른 분석 등의 조건에 따른 이산화탄소 배출특성을 구하였다. 하계 공조시스템의 이산화탄소 배출분석중 냉동기 COP의 변화에 따른 분석은 Table 7에서 제시한 기존에 상 용화된 공조시스템의 평균 COP를 기준으로 하여 -0.4∼0.4까지 변화시키면서 시뮬레이션을 하였다. 이때 축열식 공조시스템은 COP를 변화 시켰고, 비축열식 공조시스템인 Air-con은 COP를 고정하여 이산화탄소 배출량을 분석하였다. 송 배전효율 변화에 따른 분석과 발전효율 변화에 따른 분석은 Table 4와 Table 5의 발전효율과 송배전효율을 기준으로 하여 야간의 효율이 주간의 효율보다 0∼4% 높게 변화시키면서 시뮬레이션을 하였다. 또한, 발전원별 변화에 따른 분석은 Table 3에서 제시한 연료별 연간 구성비를 기준으로 하여 1998년을 기 준으로 2000년에서 2015년까지 4단계로 주야간 발전원별 구성비를 구분하였다.

동계는 하계에서 기준으로 사용한 1 Rth와 같은 0.0127 GJ을 기준으로 하여 하 계와 마찬가지로 송배전효율 변화에 따른 분석, 발전효율 변화에 따른 분석 및 발전원별 변화에 따른 분석 등의 조건에 따른 이산화탄소 배출특성을 구한다.

동계 비전력공조시스템은 가스보일러와 기름보일러로 구성이 되어있는데 각각 의 보일러에 사용된 연료는 고정시키고 연료외의 펌프 및 기타 소비전력에 대 하여 발전원별, 발전효율, 송배전효율 등을 변화시키면서 이산화탄소 배출특성

(35)

을 분석하였다. 하계와 만찬가지로 송배전효율 변화에 따른 분석과 발전효율 변화에 따른 분석은 Table 4와 Table 5의 발전효율과 송배전효율을 기준으로 하여 야간의 효율이 주간의 효율보다 0∼4%높게 변화시키면서 시뮬레이션을 하였다. 또한, 발전원별 변화에 따른 분석은 Table 3에서 제시한 연료별 연간 구성비를 기준으로 하여 1998년을 기준으로 2000년에서 2015년까지 4단계로 주 야간 발전원별 구성비를 구분하였다. 그러나 동계 공조시스템이 하계 공조시스 템과 다른 점은 하계의 경우에는 전체적으로 전력에 의존하는 형태인 반면 동 계 공조시스템의 경우에는 축열식의 경우만 전력에 의존하고 가스 및 기름보일 러의 경우에는 일반 연료를 기준으로 하였기 때문에 전력을 기준으로 이산화탄 소 배출량을 측정한 본 논문에서는 이산화탄소 배출량이 크게 변화하지 않았 다. 마지막으로 동·하계 공조시스템을 조합 운전한 경우데 대하여 이산화탄소 배출량을 시뮬레이션 하였다. 동계 및 하계 각각에 대한 이산화탄소 배출량분 석은 단위 시간동안 단위 냉난방 부하 출력에 대한 이산화탄소 배출량을 분석 한 반면 조합운전은 실제 사용되고 있는 제품에 대하여 하계에는 하루에 10시 간씩 3개월을 사용하였고, 동계에는 하루에 10시간씩 4개월을 사용한다는 가정 하였다. 조합 운전한 경우도 Table 3, Table 4, Table 5를 이용하여 발전효율변 화에 따른 분석, 송배전효율 변화에 따른 분석, 발전원별 변화에 따른 분석에 대하여 시뮬레이션을 실행하였다.

(36)

Fig. 3 Flow chart of simulation

(37)

Table 9 Simulation conditions.

Simulation condition Contents (Electric) Contents (No electric) Variation of power

source KEPCO statics KEPCO statics Variation of

plant efficiency

Difference of D&N 0∼4%

Variation of power supply efficiency

Difference of D&N 0∼4%

Variation of COP for refrigerator

Difference from standard COP

-0.4∼+0.4

-

(38)

Ⅳ. 결과 및 고찰

4.1 프로그램 검증

본 연구에서는 IPCC 온실가스 추계 방법론⁽¹⁰⁾을 바탕으로 현재 사용되고 있는 공조시스템들에 대한 이산화탄소 배출량을 분석하기 위하여 시뮬레이션을 수행 하였다. 이산화탄소 배출 시뮬레이션 과정을 진행하면서 사용된 식과 포트란 프로그램을 검증하기 위하여 에너지경제연구원에서 제시한 한전 전체소비전력 에⁽⁹⁾ 대한 이산화탄소배출량⁽¹²⁾과 비교하였다. 본 연구에서 구한 이산화탄소 배 출량이 에너지 경제연구원에서 제시한 배출량보다 1.1× 10⁹ kg정도 적게 나타 났고, 90%이상 정확도를 보였다. 결과는 Table 10과 같다.

Table 10 Identification of simulation

KEPCO statics Simulation

emission Accuracy

11.9 × 10⁹ ㎏ 10.8 × 10⁹ ㎏ 90.7%

(39)

4.2 냉동기 COP 변화에 따른 분석

Fig. 4는 Table 8에 나와있는 전력공조시스템의 COP를 바탕으로 축열식 공 조시스템의 COP를 -0.4에서 +0.4까지 변화시켰을 경우에 대하여 이산화탄소 배출량을 추계한 것이다. 이때 비축열식 공조시스템인 일반 에어컨은 COP를 변화한 것과 고정한 것을 이용하였다. 주·야간 발전원별 구성비는 Table 5에 서 2000년에 해당하는 자료를 기준으로 하였고, 발전효율은 Table 3의 원별발 전효율을 이용하였고, 송배전효율은 Table 6의 송배전효율을 이용하였다. COP 의 변화량에 대한 분석으로 COP값이 0.2씩 증가하면 이산화탄소 배출량이 0.04 kg/Rth씩 감소한다. 또한, COP의 변화량이 -0.4에서 +0.4까지 계속 증가할수록 이산화탄소 배출량의 차이가 계속 감소하고 전력공조시스템의 COP가 0.2정도 만 향상되어도 캡슐형과 슬러리형은 이산화탄소 배출량이 일반 에어컨보다 낮 게 배출된다.

Fig. 4 Effect of COP variation of ice thermal storage systems on CO² emissions

(40)

4.3 송배전효율 변화에 따른 분석

Fig. 5는 하계 공조시스템의 송배전효율 변화에 따른 이산화탄소 배출량을 추계한 것이다. Table 6에 나와 있는 송배전효율을 기준으로 야간의 송배전효 율이 주간보다 1∼5% 높은 것으로 가정하여 주야간의 송배전효율 차이가 1∼

5%인 경우에 대하여 이산화탄소 배출량을 추계 하였다. 이때 주야간 발전원별 구성비는 Table 5의 2000년 자료를 기준으로 하였고, 발전효율은 Table 3에 나 와 있는 값을 기준으로 야간이 주간보다 2% 높은 것으로 가정하였으며 시스템 의 COP는 Table 8의 기준값으로 고정하였다. 주야간의 송배전효율의 차이가 증가할수록 전체적인 이산화탄소 배출량이 축열식 전력공조시스템은 미소하게 감소하고, 비축열식은 약간 증가한다. 축열식 전력공조시스템인 관외착빙형, 캡 슐형, 슬러리형은 송배전효율이 4%증가할 때 0.01 kg정도 감소하지만 비축열식 전력공조시스템인 일반 에어컨은 송배전효율이 4%감소할 때 0.01 kg정도 증가 한다.

Fig. 6은 동계 공조시스템의 송배전효율 변화에 따른 이산화탄소 배출량을 추 계한 것이다. Table 6에 나와 있는 송배전효율을 기준으로 야간의 송배전효율 이 주간보다 1∼5% 높은 것으로 가정하여 주야간의 송배전효율 차이가 1∼5%

인 경우에 대하여 이산화탄소 배출량을 추계 하였다. 이때 주야간 발전원별 구 성비는 Table 5의 2000년 자료를 기준으로 하였고, 발전효율은 Table 3에 나와 있는 값을 기준으로 야간이 주간보다 2% 높은 것으로 가정하였다. 그러나 하 계 공조시스템과는 다르게 축열식 보일러의 경우에만 주야간의 송배전효율에 따라서 이산화탄소 배출량이 0.05 kg정도 차이가 나는 것으로 나타났고, 비축 열식 보일러의 경우에는 이산화탄소 배출량의 차이가 없다. 동계에 축열식 시 스템이 비축열식 시스템보다 이산화탄소 배출량이 많은 이유는 동계 축열식 시 스템인 축열식 보일러의 소비전력이 비축열식 시스템인 가스보일러나 기름보일

(41)

러의 연료소비량보다 크기 때문이고, 축열식 공조시스템인 축열식 보일러의 경 우 송배전효율이 4%정도 증가하면 이산화탄소 배출량은 3%정도 감소하고, 비 축열식 공조시스템인 가스보일러와 기름보일러는 변화가 없다.

하계 축열식 공조시스템인 관외착빙형은 하계 비축열식 공조시스템인 에어컨 보다 송배전효율의 변화가 없을때는 0.1 kg 가량 이산화탄소 배출량이 많이 배 출되지만 송배전효율이 4% 증가시에도 0.075 kg으로 이산화탄소 배출량 차이 가 감소하지만 전반적인 이산화탄소 배출량은 많다. 동계 축열식 공조시스템인 축열식 보일러는 동계 비축열식 공조시스템인 가스보일러나 기름보일러보다 송 배전효율의 변화가 없을때와 송배전효율이 4% 증가시 모두 이산화탄소 배출량 이 0.6 kg에서 0.88 kg 정도 많이 배출된다.

(42)

Fig. 5 Effect of difference between day and night power supply efficiency on CO2 emissions of cooling system

Fig. 6 Effect of difference between day and night power supply efficiency on CO² emissions of heating system

(43)

4.4 발전효율 변화에 따른 분석

Fig. 7은 하계 공조시스템의 발전효율 변화에 따른 이산화탄소 배출량을 추계 한 것이다. Table 3에 나와 있는 발전효율을 기준으로 야간의 발전효율이 주간 보다 1∼5% 높은 것으로 가정하여 주야간의 발전효율 차이가 1∼5%인 경우에 대하여 이산화탄소 배출량을 추계 하였다. 이때 주야간 발전원별 구성비는 Table 5의 2000년 자료를 기준으로 하였고, 송배전효율은 Table 6에 나와 있는 값을 기준으로 야간이 주간보다 2% 높은 것으로 가정하였으며 시스템의 COP 는 Table 8의 기준값으로 고정하였다. 주야간의 발전효율의 차이가 증가할수록 전체적인 이산화탄소 배출량이 축열식 전력공조시스템은 감소하고, 비축열식은 증가한다. 축열식 전력공조시스템인 관외착빙형, 캡슐형, 슬러리형은 발전효율 이 4%증가할 때 0.03 kg정도 감소하지만 비축열식 전력공조시스템인 일반 에 어컨은 송배전효율이 4%감소할 때 0.04 kg정도 증가한다.

Fig. 8은 동계 공조시스템의 발전효율 변화에 따른 이산화탄소 배출량을 추계 한 것이다. Table 3에 나와 있는 발전효율을 기준으로 야간의 발전효율이 주간 보다 1∼5% 높은 것으로 가정하여 주야간의 발전효율 차이가 1∼5%인 경우에 대하여 이산화탄소 배출량을 추계 하였다. 이때 주야간 발전원별 구성비는 Table 5의 2000년 자료를 기준으로 하였고, 송배전효율은 Table 6에 나와 있는 값을 기준으로 야간이 주간보다 2% 높은 것으로 가정하였다. 그러나 하계 공 조시스템과는 다르게 축열식 보일러의 경우에만 주야간의 발전효율에 따라서 이산화탄소 배출량이 0.1 kg정도 차이가 나는 것으로 나타났고, 비축열식 보일 러의 경우에는 이산화탄소배출량의 차이가 없다. 동계에 축열식 시스템이 비축 열식 시스템보다 이산화탄소 배출량이 많은 이유는 동계 축열식 시스템인 축열 식 보일러의 소비전력이 비축열식 시스템인 가스보일러나 기름보일러의 연료소 비량보다 크기 때문이고, 축열식 공조시스템인 축열식 보일러의 경우 발전효율

(44)

이 4%정도 증가하면 이산화탄소 배출량은 5%정도 감소하고, 비축열식 공조시 스템인 가스보일러와 기름보일러는 변화가 없다.

(45)

Fig. 7 Effect of difference between day and night plant efficiency on CO2 emissions of cooling system

Fig. 8 Effect of difference between day and night plant efficiency on CO2 emissions of heating system

(46)

4.5 발전원별 변화에 따른 분석

Fig. 9는 하계 공조시스템의 발전원별 변화에 따른 이산화탄소 배출량을 추계 한 것이다. Table 5에 나와 있는 한전에서 발표한 발전원별 현황 및 계획에 따 른 자료를 기준으로 하였다. Table 5에서 알 수 있듯이 향후 발전원별 발전량 계획이 석유화력 및 석탄화력 발전의 비중을 높이는 방향으로 계획되어 있다.

이와 같은 발전원별 변화를 Table 4에서 기준을 잡은 주야간 발전원별 구성비 로 구분하여 이산화탄소 배출량을 추계하였다. 이때 발전효율과 송배전효율은 Table 3, Table 6에 나와 있는 값을 기준으로 야간이 주간보다 2% 높은 것으 로 가정하였으며 시스템의 COP는 Table 8의 기준값으로 고정하였다. Fig. 9에 서 보면 알 수 있듯이 이산화탄소 배출량이 축열식 전력공조시스템인 관외착빙 형이 비축열식 전력공조시스템인 일반 에어컨보다 많고 다른 축열식 전력공조 시스템은 낮게 나타나고 있다. 이것은 축열식 전력공조시스템인 캡슐형과 슬러 리형은 일반에엌컨보다 COP가 낮지만 주야간 발전원별구성, 발전효율 및 송배 전효율의 차이로 이산화탄소 배출량을 줄일 수 있기 때문이다. 그러나 관외착 빙형은 시스템의 성능이 너무 낮기 때문에 야간운전에 따른 발전원별 구성, 발 전 및 송배전효율의 이득을 이용할 수 없다.

Fig. 10은 동계 공조시스템의 발전원별 변화에 따른 이산화탄소 배출량을 추 계한 것이다. Table 5에 나와 있는 한전에서 발표한 발전원별 현황 및 계획에 따른 자료를 기준으로 하였다. Table 5에서 알 수 있듯이 향후 발전원별 발전 량 계획이 석유화력 및 석탄화력 발전의 비중을 높이는 방향으로 계획되어 있 다. 이와 같은 발전원별 변화를 Table 4에서 기준을 잡은 주야간 발전원별 구 성비로 구분하여 이산화탄소 배출량을 추계하였다. 이때 발전효율과 송배전효 율은 Table 3, Table 6에 나와 있는 값을 기준으로 야간이 주간보다 2% 높은 것으로 가정하였다. Fig. 10에서 보면 알 수 있듯이 이산화탄소 배출량이 축열

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식 전력공조시스템인 축열식 보일러의 경우가 비전력공조시스템인 석유보일러 나 가스보일러보다 이산화탄소 배출량이 많은 것을 나타낸다. 이는 석유보일러 나 가스보일러에서 직접적으로 발생하는 이산화탄소 배출량보다는 전력공조시 스템인 축열식 보일러가 사용하는 소비전력이 많기 때문이다.

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Fig. 9 Effect of cooling system on CO2 emissions

Fig. 10 Effect of heating systems on CO2 emissions

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4.6 단위변화에 따른 분석

단위 변화에 따른 분석은 하계 공조시스템에 대하여 분석하였다. 동계 공조시스 템의 경우에는 전력공조시스템으로 사용되는 축열식 보일러의 소비전력이 비축열 식공조시스템에 사용되는 연료소비량에 비하여 이산화탄소 배출량이 월등하게 많 고 또한 정부차원의 축열식 보일러에 대한 보조금 마저 끊긴 상황에서 축열식 보 일러의 효용가치가 떨어지고 있음을 의미한다. 그렇기 때문에 단위변화에 따른 분석은 동계를 제외한 하계 공조시스템만을 분석하였다. 발전효율, 송배전효율 및 전력공조시스템의 COP가 각각 이산화탄소 배출에 미치는 영향이 얼마나 되는 지를 분석하기 위하여 발전효율 1%, 송배전효율 1% 및 전력공조시스템의 COP 0.1로 각각 변화시킨 경우에 대하여 각 전력공조시스템의 이산화탄소 배 출량을 분석하였다. 이때 발전원별 구성비는 Table 5의 2000년 자료를 기준으 로 하였다. Fig. 11에서 알 수 있듯이 전력공조시스템의 COP 변화가 이산화탄 소 배출특성에 가장 큰 영향을 미친다. 상대적으로 송배전효율에 따른 영향은 낮다. 또한, 축열식 전력공조시스템인 캡슐형은 모든 경우에 대하여 비축열식 전력공조시스템인 일반 에어컨보다 이산화탄소 배출량이 낮은 것을 볼 수 있 다. 따라서 전력공조시스템의 이산화탄소 배출 저감효과를 위해서는 축열식 전 력공조시스템의 보급을 촉진하고, 아울러 성능을 개선시켜 보다 많은 이산화탄 소 배출 저감효과를 얻을 수 있도록 해야한다.

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Fig. 11 Variation of CO2 emissions due to increasing performance with plant efficiency 1%, power supply efficiency 1% and COP 0.1.

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4.7 동·하계의 조합운전에 따른 분석

동·하계 공조시스템의 조합운전에 따른 분석은 동계 공조시스템의 경우 10 시간씩 4개월을 사용하는 것으로 가정하였고, 하계 공조시스템의 경우 10시간 씩 3개월을 사용하는 것으로 가정하여 서로를 조합한 후 각각의 이산화탄소 배 출량을 분석한 것이다. Fig. 12는 송배전효율을 변화하면서 조합한 경우로서 동 계에는 축열식 보일러를 사용하고, 하계에는 관외착빙형과 조합한 경우가 하계 에 일반 에어컨과 조합한 경우보다 송배전효율이 높아질수록 이산화탄소 배출 량이 감소하는데, 송배전효율이 최대 4% 증가하면 이산화탄소 배출량은 2% 감 소한다. Fig. 13은 발전효율을 변화하면서 조합한 경우인데 하계에 관외착빙형 을 조합한 경우가 일반에어컨과 조합한 경우보다 발전효율이 높을수록 이산화 탄소 배출량이 감소하는데, 발전효율이 최대 4% 증가하면 이산화탄소 배출량 은 최대 3% 감소한다. Fig. 14는 발전원별 변화에 따라 이산화탄소 배출량을 추계한 것으로 축열식 보일러를 사용할 때가 가스보일러를 사용하는 조합인 경 우보다는 이산화탄소 배출량이 많지만 석유보일러를 사용하는 조합인 경우와의 비교는 2005년 이후에 이산화탄소 배출량의 격차가 급격하게 줄어든다.

하계 공조시스템으로 관외착빙형을 사용하고 동계 공조시스템으로 축열식 보 일러를 사용한 경우에 하계는 동일하게 관외 착빙형을 사용하고 동계에 가스보 일러를 사용한 경우에 비하여 송배전효율 및 발전효율의 변화에 따른 분석은 이산화탄소 배출량이 연간 7 ton 정도 더 많이 배출된다. 또한, 발전원별 변화 에 따른 분석은 이산화탄소 배출량이 2005년에는 7.5 ton 더 많이 배출되다가 2015년에는 6.3 ton으로 감소된다.

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Fig. 12 The CO2 emissions with various supply efficiency of cooling and heating systems.

Fig. 13 The CO2 emissions with various generating efficiency of cooling and heating systems.

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Fig. 14 The CO2 emissions with annual variation of cooling and heating systems.

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Ⅴ. 결 론

본 논문에서는 동·하계에 사용되는 공조시스템들에 대한 이산화탄소 배출량 을 분석하기 위하여 시스템의 COP 변화, 발전효율 변화, 송배전효율 변화 및 발전원별 변화에 대한 시뮬레이션을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. 본 연구에서는 사용된 식과 포트란 프로그램을 검증하기 위하여 에너지경 제연구원에서 제시한 한전 전체소비전력에 대한 이산화탄소배출량과 비교하였 다. 시뮬레이션에서 얻은 이산화탄소 배출량이 에너지경제연구원에 제시한 배 출량보다 1.1× 10⁹ kg정도 적게 나타났고, 90%이상 정확도를 보였다.

2. COP의 변화량이 -0.4에서 +0.4까지 계속 증가할수록 이산화탄소 배출량의 차이가 감소하고 전력공조시스템의 COP가 0.2정도만 향상되어도 캡슐형과 슬 러리형은 이산화탄소 배출량이 일반 에어컨보다 낮게 배출된다.

3. 송배전효율과 발전효율이 최대 4%증가할 때 하계 축열식 전력공조시스템 은 0.01 kg ∼ 0.03 kg정도 감소하고, 하계 비축열식 전력공조시스템은 0.01 kg ∼ 0.04 kg정도 증가한다. 또한, 동계 축열식 공조시스템은 최대 4%정도 증 가하면 이산화탄소 배출량은 3 ∼ 4%정도 감소하고, 비축열식 공조시스템은 변화가 없다. 관외착빙형은 일반 에어컨보다 송배전효율이 4% 증가시에 이산 화탄소 배출량은 0.075 kg이고, 축열식 보일러는 송배전효율의 변화가 없을때 와 송배전효율이 4% 증가시 모두 이산화탄소 배출량이 0.6 kg에서 0.88 kg 정 도 많이 배출된다.

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4. 발전원별 구성비가 변할 때 이산화탄소 배출량은 축열식 전력공조시스템인 관외착빙형이 비축열식 전력공조시스템인 일반 에어컨보다 많고 다른 축열식 전력공조시스템인 캡슐형과 슬러리형은 이산화탄소 배출량이 적다

5. 단위 변화에 따른 분석에서 전력공조시스템의 COP 변화가 이산화탄소 배 출특성에 가장 큰 영향을 미치는 것을 알수 있었다. 상대적으로 송배전효율에 따른 영향은 낮다. 또한, 축열식 전력공조시스템인 캡슐형은 모든 경우에 대하 여 비축열식 전력공조시스템보다 이산화탄소 배출량이 낮다.

6. 동·하계 공조시스템의 조합운전에 따른 이산화탄소 배출량 분석은 송배전 효율이 최대 4% 증가하면 2% 감소하고, 발전효율이 최대 4% 증가하면 최대 3% 감소한다.

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Reference

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pp. 1198∼1202

12. 에너지경제연구원, 2000, “에너지경제연구원 2000년 통계자료”

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Abstract

A study on environment characteristics of the TE capsule type thermal storage

by Youtaek, Jung

Dept. of Mechanical Engineering Graduate School,

Kookmin University Seoul, Korea

(Advisor : Professor Sukhyun, Kim Ph.D)

Simulations were carried out to investigate the characteristics of carbon dioxide emissions for an electric powered air conditioning system.

In the study, carbon dioxide emissions were decreased 11∼13% by a system COP variation. Supply efficiency and power efficiency increased 4%, then air conditioning system decreased between 0.01 kg and 0.03 kg. In case of carbon dioxide emissions were increased 2∼6% and were decreased 2∼

5% nighttime by supply efficiency variation and power efficiency variation.

Carbon dioxide emissions with power efficiency variation was decreased of 5% compared with supply efficiency variation. In case of air conditioning system and heating system, supply efficiency and power efficiency increased 4%, then air conditioning system decreased between 2% and 3%

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감사의 글

28년을 살면서 대학원 2년은 짧지만은 않은 시간이었습니다. 대학원을 진학하 면서 꿈도 많고 하고 싶은 일도 많았지만 다하지 못했다는 생각을 먼저 하게 됩니다. 이제 학교라는 울타리를 벗어난다는 생각에 걱정이 앞서지만 세상이 날 기다리고 있으므로 당당하게 걸어 나가렵니다.

둘째 아들을 이렇게 잘 키워주시고 대학원까지 뒷바라지해주신 아버지, 어머니 와 올해 4월에 평생의 반려자로 나를 택하였고 2세를 잉태한 아내에게도 감사 를 드리고, 부족한 저에게 따님을 선뜻 주신 장인어른과 장모님께도 감사드립 니다. 또한, 우리집의 장남인 형과 형수님 및 조카 지혜와 태성이 에게도 감사 드립니다.

이 논문을 준비하면서 부족한 저에게 많은 지도를 아끼지 않으신 김석현 교수 님, 그리고 이 논문이 완성될 때까지 수정해 주신 장영근 박사님과 이 논문의 완성도를 높여주신 심사위원장 정태용 교수님과 심사위원 강병하 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다.

이제 실험실 사람들과 친구들이 남았군요!!

동기생이면서 늘 선배처럼 가르침을 준 혁재, 그리고 후배지만 어른스러운 도 규, 늦게 들어와서 고생이 많은 정훈, 그리고 실험실에서 술을 가장 많이 사준 영균이형, 못본지 오래된 재열이형, 310호의 영원한 룸메이트(?) 창영이형, 그리 고 키스트에서 고생만 하다가 졸업한 시선이형과 수광이형 등 많은 선배님들에 게 감사를 드립니다. 아참!! 후배들이 남았군요. 이제 새로 들어와서 실험실에 적응하기 시작한 이구와 희성이 재완이 준이 에게도 감사하다는 말을 전합니 다. 정말로 마지막이 될 것 같습니다. 같이 대학원에 진학해서 서로 의지하고 도움을 많이준 지혁이, 영택이, 태식이형에게도 고맙다는 말을 하고 싶습니다.

그 밖에 저를 아는 모든 사람들에게 감사하다는 말씀을 드립니다.

진정으로 정든 이곳을 떠난다는 생각을 하니 가슴이 쓰리고 아프지만 더 큰 세 상을 향하여 나아 가려합니다.

2001년 12월 마지막날에 공조냉동연구실을 뒤로하고...