Research Article

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. 30 December 2023. 434-445
https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20230037

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 분석개요

  •   5세대 지역냉난방 시스템

  •   동시냉난방 시스템

  •   5세대 지역냉난방 및 동시냉난방 시스템 제어 방안

  •   분석 방법

  • 사례 분석

  •   대상 건물 분석

  •   기후 데이터 분석

  • 결 과

  •   월별 건물 부하

  •   제어모드별 히트펌프 전력소비량 비교

  • 결 론

서 론

2015년 파리 협정에 따라 모든 국가는 2050년까지 탄소 중립을 달성하여 지구 평균 기온을 1.5°C 미만으로 억제하기 위해 노력하기로 합의했다(Chen, 2021). 그럼에도 불구하고, 2020년에는 지구 평균 기온이 산업화 이전의 기온보다 1.2°C 더 높았으며, 온난화의 영향은 전 세계적으로 심해지고 있다(WMA, 2022). 전 세계적으로 도시화가 가속화됨에따라 도시 뿐만아니라 건물에서의 에너지 소비량이 증대되고 온실가스 배출량 또한 증대되고 있다(Wang et al., 2021). 따라서 탄소 배출량을 줄일 수 있도록 화석연료에서 지속 가능하고 재생 가능한 에너지 기술로의 전환이 필요하다.

기존 발전소의 폐열 등을 활용하여 지역에 난방 및 급탕을 공급하는 3세대 지역난방에서 신재생에너지 및 미활용 열원을 활용하기 위한 4세대 지역난방에 대한 연구가 활발하게 진행되어왔다. 최근에는 4세대 지역난방을 넘어 5세대 지역냉난방에 대한 연구가 국제적으로 활발하게 이루어지고 있다.

선행연구 Gjoka et al. (2023)에서 5세대 지역냉난방 시스템(5th generation district heating and cooling, 5GDHC)은 냉방과 난방을 동시에 제공하고, 상온에 가까운 저온수로 운영할 수 있어 폐열 및 저온 재생에너지원을 통합해 기존 4세대 지역난방 시스템(4th generation district heating, 4GDH)의 단점을 보완할 수 있는 것으로 분석하였다. Wirtz et al. (2022)는 냉방과 난방을 동시에 제공할 수 있는 5GDHC는 주거용 및 상업용 건물의 냉방 수요가 증가하는 상황에서 기존 지역난방 시스템보다 에너지 절감효과가 뛰어난 것으로 분석하였다. 하지만, 우리나라는 유럽에 비해 비교적 신재생에너지 비율이 낮으며, 도시단위 에너지전환을 위한 지역냉난방 시스템에 대한 적용과 연구가 부족한 실정이다.

본 연구에서는 5GDHC와 동시냉난방 히트펌프 시스템(Simultaneous Heating and Cooling Heat Pump, SHCHP)을 적용하여 에너지 소비량과 생산량을 정량적으로 분석하고 기존 냉난방 공급시스템 대비 에너지 절감효과를 분석하였다. 본 연구를 위한 사례 분석으로 경기도 G대학의 4개 건물을 대상으로 시뮬레이션을 진행하였다.

분석개요

5세대 지역냉난방 시스템

Figure 1은 5GDHC의 시스템 개요이다. 5GDHC는 기존의 열에너지 네트워크 중앙 집중식 에너지생산 뿐만 아니라 로 불리며, 주변분산 열원을 통합할 수 있다는 중요한 장점이 있다(Revesz et al., 2020). 4GDH는 30~70°C의 중저온수를 열원으로 사용하고 열네트워크 배관에서의 열손실이 발생하는 것과 달리 5GDHC는 약 5~35°C인 저온수를 활용하여 열네트워크 내 온도는 10°C에서 25°C를 유지하는 것이 목표다(Lund et al., 2021).

이러한 낮은 열네트워크 내 순환수 온도로 인해 열네트워크 배관에서의 열손실이 매우 적은 장점이 있다. 기존 지역 난방 네트워크에서 활용되지 못한 저온 및 주변 열원을 효과적으로 활용할 수 있다. 실내 습도 조절이 개별로 가능한 일부 건물의 경우 열네트워크 내 순환수를 직접 냉방에 활용할 수 있다(Bilardo et al., 2021). 5GDHC 네트워크의 각 건물은 개별 히트펌프로 냉방, 난방 및 급탕에 필요한 열을 상황에 맞게 생산하고 공급한다. 또한, 5GDHC과 4GDH의 주요 차이점 중 하나는 열네트워크 내 2개의 파이프로 각 건물간 분산형 및 양방향 열공급 및 거래가 가능하며, 건물에 필요한 난방과 냉방에 대한 히트펌프의 열원으로 공급될 수 있다(Wirtz et al., 2022).

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Figure 1.

5th generation district heating and cooling system overview

동시냉난방 시스템

Figure 2는 SHCHP 시스템 개요를 나타내었다. SHCHP는 여름의 냉방기간에 히트펌프의 증발부에서 생산된 냉수를 실내의 냉방에 활용하고, 동일 히트펌프의 응축부에서 생산된 온열을 급탕 혹은 난방이 필요한 공간에 공급하는 시스템이다(Shin, 2021). 겨울 난방기간에는 기존의 히트펌프 시스템과 동일하게 공기 혹은 지열원을 활용하여 난방 및 급탕 열공급에 활용된다. SHCHP 시스템의 적용을 통해 열네트워크의 배관 온도를 유지하기 위한 온수 및 냉수 축열조를 최소화할 수 있다(Kim et al., 2023a). SHCHP의 효율이 가장 높은 경우는 연중 냉난방 부하가 동시에 발생하는 곳이며, 냉방 및 급탕수요가 동시에 발생하는 여름철 주거용 건물에서 효율이 가장 좋다. 또한 SHCHP는 5GDHC의 열네트워크 내 상시 혹은 연중 에너지 밸런스를 유지하는데 보다 안정적으로 활용될 수 있다.

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Figure 2.

Overview of a simultaneous heating and cooling heat pump system

5세대 지역냉난방 및 동시냉난방 시스템 제어 방안

Figure 3(a)-(c)는 5GDHC 및 SHCHP적용된 시스템의 제어 방안을 나타내었다. Figure 3(a)는 SHCHP가 냉방, 난방 및 급탕을 모두 공급하는 경우, Figure 3(b)는 5GDHC의 지열원 히트펌프(Ground source heat pump, GSHP) 모드에서 냉방만 공급하는 경우, 그리고 Figure 3(c)는 5GDHC의 GSHP모드에서 난방 및 급탕을 공급하는 경우를 다이어그램으로 나타내었다.

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Figure 3.

Detailed operation modes of 5GDHC

분석 방법

Figure 4는 전체적인 분석 개요를 나타낸다. 먼저, 대상 건물을 선정하고 건물 부하량은 DesignBuilder (DesignBuilder Software Ltd., 2020) 프로그램으로 건물을 모델링하였다. 히트펌프의 성능을 예측하기 위하여 COP를 구한 후 히트펌프의 전력소비량을 분석하였다. Table 1과 같이, 기존 히트펌프인 공기식 히트펌프(Air source heat pump, ASHP)와 GSHP는 선행연구에서 냉방 및 난방공급 시 실증 운전된 히트펌프의 성능을 기반으로 연간 냉방 및 난방 공급에 따른 COP 값을 적용하였다(Kim et al., 2023b). SHCHP의 COP는 히트 펌프 제조사인 D사에서 제공한 제품에 대한 데이터를 기반으로 히트펌프의 COP (Coefficient of Performance)의 모델을 산정하였다. 히트펌프의 COP 도출 모델은 Design-Expert (Design-Expert Software, 2023) 프로그램을 활용하였다. Design-Expert 프로그램을 활용하여 모델링은 반응 표면법(Response surface method) 방식을 활용하였고, 히트펌프의 증발부(TEavp)와 응축부 입구온도(TCond)에 따른 COP의 변화를 121개의 데이터를 기반으로 모델을 도출하였다. 산정된 모델은 식 (1)과 같으며, 모델의 R2값은 99.99%로 도출되었다.

본 연구에서는 기존 및 제안된 히트펌프의 시뮬레이션 분석을 위해 건물의 냉방을 위한 냉수 생산온도는 7°C, 난방 및 급탕 생산온도는 55°C로 설정하였으며, 지열원 히트펌프 및 5GDHC의 열 네트워크 온도는 연중 15°C로 유지되는 것으로 설정하였다. 도출된 식 (1) 이용해 Table 1은 각 히트펌프의 COP 값을 나타내었다. 도출된 COP를 활용하여 ASHP와 GSHP의 전력소비량은 식 (2), (3), (4), (5)와 같이 건물의 열부하 종류에 따른 히트펌프 COP 변화를 반영하여 분석하였다. SHCHP는 기존 GSHP와 동일한 모드로 운영되는 경우는 기존 식을 활용하고, SHCHP 시스템의 냉방과 난방 및 급탕이 동시에 공급되는 모드로 운영되는 경우의 전력소비량은 식 (6)-(7)과 같이 전력소비량이 산정된다.

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Figure 4.

Analytics overview

Table 1.

COP of heat pumps for simulation cases

ASHP
Heating
ASHP
DHW
ASHP
Cooling
GSHP
Heating
GSHP
DHW
GSHP
Cooling
SHCHP
Heating
SHCHP
DHW
SHCHP
Cooling
COP 2.0 2.0 3.4 2.4 2.4 3.9 2.4 2.4 2.82
(1)
COP=+10.61907-0.25795*TCOND+0.161516*TEVAP-0.001749*TCOND*TEVAP+0.001967*TCOND2-0.00048*TEVAP2
(2)
PASHP,GSHP=PASHP,GSHP(Heating)+PASHP,GSHP(Cooling)+PASHP,GSHP(DHW)
(3)
PASHP,GSHP(Heating)=QASHP,GSHP(Heating)COPASHP,GSHP(Heating)
(4)
PASHP,GSHP(Cooling)=QASHP,GSHP(Cooling)COPASHP,GSHP(Cooling)
(5)
PASHP,GSHP(DHW)=QASHP,GSHP(DHW)COPASHP,GSHP(DHW)
(6)
PSHCHP=PGSHP(Heating)+PGSHP(Cooling)+PGSHP(DHW)+PSHCHP(Heating+Cooling+DHW)
(7)
PSHCHP(Heating+Cooling+DHW)=QSHCHP(Cooling)COPSHCHP

사례 분석

대상 건물 분석

사례 분석으로 경기도 성남시에 위치한 G대학의 4개 건물을 대상으로 시뮬레이션을 진행하였다. Figure 5(a)은 G대학의 시뮬레이션 대상 건물 및 사이트 개요이다. Figure 5(b)는 DesignBuilder 시뮬레이션으로 4개 건물을 모델링한 그림을 나타내었다. Table 2은 대상 건물의 정보를 나타내었다. 시뮬레이션을 위해서 수용인원의 30%를 재실하는 것으로 가정하여 분석을 진행하였다.

Table 2.

Target building information

Floor area (m2) Total (m2) Capacity (people) U-Value (W/m2-K)
Dormitory 1 1,814.4 9,072.0 636 0.35
Dormitory 2 3,246.2 16,231.0 996 0.35
Dormitory 3 3,198.6 15,993.0 704 0.35
AI Engineering
Building
3,730.5 18,652.5 500 0.35

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Figure 5.

Site overview and modeled buildings

기후 데이터 분석

기후 데이터는 대상 건물이 위치한 경기도 성남시에 대한 TMY2 (Typical Meteorological Year 2) 기상 데이터를 사용했다. TMY2는 해당 지역의 1961-1990년 기후를 기반으로 분석된 데이터로, 건물 설계 및 모델링에 활용된다. Figure 6을 통해 월평균 최저 기온이 –2°C이고 최고기온이 25°C임을 확인할 수 있으며, 연평균기온은 12.7°C이다. 월평균 일사량은 5월에 195 W/m2로 가장 높으며, 12월에는 71 W/m2로 가장 낮은 일사량을 나타내었다.

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Figure 6.

Monthly average outdoor air temperature and solar irradiance

결 과

월별 건물 부하

월별 건물 부하는 DesignBuilder로 분석해서 나온 값들을 이용하였다. 1기숙사, 2기숙사 3기숙사는 주거 시설이므로 24시간 냉방, 난방이 운영된다는 가정을 하였고, AI공학관은 사무 시설로 설정해서 오전 09:00 ~ 오후 18:00에 냉방, 난방이 운영된다는 가정으로 계산하였다. Table 3은 건물별 연중 가장 높은 냉방, 난방, 그리고 급탕 부하량을 나타내었다. 바닥 면적이 비교적 작은 1 기숙사는 바닥 면적이 비교적 작은 편이며 3 기숙사와 수용인원은 비슷하지만 다른 건물에 비해 상대적으로 작은 바닥 면적으로 냉방, 난방, 급탕 부하가 적게 발생한 것으로 확인되었다. 또한, 바닥 면적이 비슷한 2 기숙사와 3 기숙사도 수용인원 차이로 인해 각각 다른 부하를 가진 것이 확인되었다.

Figure 7(a)-(c)는 월간 건물의 냉방, 난방 및 급탕 부하 총합을 나타내었다. Figure 7(a)는 세 기숙사 건물의 월간 각 열부하의 총합을 나타내었으며, Figure 7(b)는 AI공학관 건물의 월간 각 열부하의 총합을 나타내었다. 그 결과 모든 건물에서 난방부하에 비해 냉방부하가 상대적으로 큰 것을 확인할 수 있었다. 특히 기숙사는 연간 난방부하에 비해 냉방부하 비율이 AI 공학관에 비해 높은 것으로 나타났다. 기숙사의 경우 재실자가 24시간 재실하는 것으로 가정한 것에 반해, AI공학관은 9시부터 18시까지 재실하는 것으로 분석되어 기숙사의 실내 발열부하가 AI 공학관에 비해 많기 때문에 냉방부하 비율이 난방부하보다 더 높은 것으로 분석되었다.

Table 3.

Peak thermal loads of buildings

Cooling load Heating Load DHW load
kW kW/m2 kW kW/m2 kW kW/m2
Dormitory 1 394.4 4.4 106.0 1.1 97.2 1.1
Dormitory 2 516.1 3.2 175.7 1.1 101.4 0.6
Dormitory 3 660.8 4.1 130.3 0.8 82.5 0.8
AI Engineering Building 867.8 4.7 384.1 2.1 97.9 0.5

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Figure 7.

Heating, DHW, and cooling loads of simulation buildings

제어모드별 히트펌프 전력소비량 비교

Figure 8은 전체 캠퍼스 건물의 냉방, 난방 및 급탕부하를 공급하기 위한 히트펌프 운영에 따른 전력 소비량을 시스템별로 비교 분석한 그래프이다. Figure 8(a)는 건물의 연간 냉방공급을 위한 각 시스템별 전력 소비량을 분석한 그래프이다. 그 결과, 제안된 시스템의 전력 소비량이 기존 ASHP 대비 20.57% 증가하고, 기존 GSHP 대비 38.10% 증가하는 결과를 확인할 수 있다. 이는 ASHP와 GSHP 대비 제안된 시스템의 COP가 낮기 때문임을 확인할 수 있었다. 제안된 SHCHP 시스템의 COP는 증발부로부터의 냉수와 응축부로부터의 온수 생산을 위해 증발부와 응축부의 온도차이가 크기 때문에, 다른 기존 ASHP와 GSHP 대비 COP가 낮은 것으로 분석된다.

반면, Figure 8(b)는 난방과 급탕공급을 위한 히트펌프의 전력 소비량을 분석한 결과이다. 제안된 시스템인 5GDHC기반 SHCHP 시스템을 적용한 결과, 기존 ASHP 대비 61.48%의 전력소비량이 감소되었으며, 기존 GSHP 대비 53.76%의 전력 소비량을 감소할 수 있는 것으로 나타났다. 이는 여름철 기존 SHCHP 시스템에서 생산된 응축부의 열이 건물의 난방 및 급탕에 활용되기 때문에, 이에 따른 별도의 전력소비량이 발생하지 않았던 부분이 가장 큰 에너지 절감 요인으로 판단된다. 또한, 겨울철 SHCHP는 기존 GSHP와 동일한 조건에서 운영되므로, 기존 GSHP 대비 COP가 낮아지는 효과가 없는 것으로 분석되었다. 그럼에도 불구하고, 여름철 및 중간기의 응축부 열원 활용을 통한 난방 및 급탕 부하 저감효과로 인해 난방 및 급탕 공급을 위한 히트펌프 운영 에너지 절감효과가 큰 것으로 분석되었다.

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Figure 8.

Electricity consumption of heat pumps

Figure 8(c)는 각 시스템 별 연간 전력 소비량을 분석한 그래프이다. 그 결과, 제안된 시스템이 기존 ASHP 대비 23.0%의 전력 소비량을 감소할 수 있는 것으로 나타났다. 제안된 시스템이 ASHP보다 전력 소비량을 절감할 수 있던 이유는 기존 ASHP의 열원은 공기로 사용하기에 여름에 높은 외기온도와 겨울철 낮은 외기온도로 인해 COP가 다른 시스템에 비해 낮았기 때문으로 판단된다. 또한 제안된 시스템이 기존 GSHP보다 9.5%의 에너지 절감 효과를 얻을 수 있었는데, 이는 여름철 SHCHP의 응축부 열을 급탕 및 난방으로 활용할 수 있었던 것이 가장 큰 에너지 절감 효과를 얻은 요인으로 판단된다.

결 론

본 연구는 2050년 건물분야 탄소중립 목표를 달성하기 위한 기술중 하나로 동시냉난방 히트펌프 시스템을 기반으로한 5GDHC의 에너지 절감효과를 분석하였다. 이를 위해 경기도 G대학 캠퍼스 내 4개 건물을 대상으로 시뮬레이션 분석을 진행하였다. 분석 대상인 기숙사 건물에서는 급탕과 냉방 부하량이 많았으며, AI공학관 건물에서는 난방 부하량이 많았다. 대상 건물의 냉방, 난방 및 급탕 공급에 필요한 전력소비량 절감을 위해 5GDHC 시스템과 SHCHP 시스템을 적용한 경우에 대해서 기존 시스템인 ASHP와 GSHP을 대상으로 에너지소비량을 비교 분석하였다. 그 결과, 연간 전력 소비량에서 SHCHP 적용시 ASHP 대비 23.0%, GSHP 대비 9.5% 에너지 절감 효과를 얻을 수 있는 것으로 분석되었다. 따라서 본 연구에서 얻은 결과는 차세대 지역냉난방 시스템의 적용 가능성에 도움이 될 것으로 판단된다.

본 연구는 제안된 5GDHC 및 SHCHP 시스템의 연계에 따른 에너지 절감효과에 대한 사전 시뮬레이션 분석 연구로 진행되었다. 추후 연구에서는 연간 지중열교환기의 온도 변화를 반영하기 위한 TRNSYS등을 활용한 상세 시뮬레이션 연구와 실증데이터를 기반으로 한 제안된 시스템의 검증이 진행될 예정이다.

Acknowledgements

본 연구는 2023년도 산업통산자원부의 재원으로 한국에너지기술평가원(과제번호: RS- 2023-00236325)의 지원을 받아 수행되었음.

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