1. 서 론
2. 태양에너지를 적용한 동시냉난방 시스템
2.1 시스템 도출
2.2 제어 프로세스 수립
3. 시뮬레이션 비교연구
3.1 시뮬레이션 모델링
3.2 시뮬레이션 결과 및 분석
4. 결 론
기호 및 약어 설명
SHC : Simultaneous cooling and heating system
Sol.SHC : Solar energy applied SHC
CHWT : Chilled water tank
HWT : Hot water tank
Ab_chiller : Absorption chiller
Ab_Tank : Absorption chiller tank
1. 서 론
지속해서 증가하는 온실가스와 기후 변화에 대해 건물 운영 및 설비 시스템의 기능이 다양해짐에 따라 건물 내에서는 열이 필요한 기능(난방, 급탕, 제습 등)과 열을 배출하는 기능(냉방, 냉동 등)이 동시에 발생하는 경우가 증가하고 있다. 히트펌프와 온수 축열조 및 냉수 축열조로 구성되는 동시냉난방 시스템은 히트펌프를 통해 응축기 측 온수, 증발기 측 냉수가 동시에 만들어질 수 있고 이를 각 축열조에 저장하여 사용하면 건물의 동시냉난방 부하에 유연하게 대응할 수 있다. 국내에서도 내부에 냉난방이 동시에 발생하는 대규모 건물이나 외피에는 난방부하, 내부에는 냉방부하가 발생하는 겨울철에 유효하다1,2,3,4,5,6,7).
그러나 건물에서의 냉방부하와 난방부하가 항상 같지는 않으므로, 보조열원 또는 보조 냉난방기기를 사용하여 동시냉난방 시스템만으로 제거되지 못하는 부하를 제거해야 한다. 이러한 현상은 국내 여름철과 같은 기후에서 극단적으로 발생하는데, 난방부하가 거의 없는 반면 냉방부하는 아주 크게 나타나기 때문이다. 이 경우에 온수 축열조의 온수는 난방에 사용되지 못하고 적체되어 냉수가 냉방 후 축열조에 적체하는 열을 받을 수 없게 된다. 이때 히트펌프 가동이 멈추게 되면서 냉수 축열조에 냉수 온도가 냉방 가능 온도를 맞추지 못하여 보조기기가 냉방을 수행하게 되어 동시냉난방 시스템이 우세하게 적용되지 못한다.
본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하고자 태양에너지를 활용한 흡수식 냉동기8)를 활용하여 미사용되는 온수 축열조의 열을 사용하고자 한다. 일반적으로 흡수식 냉동기는 재생기의 열을 활용하여 냉수를 생성하는데, 동시냉난방 시스템에서 사용하지 않은 온수 축열조의 열을 태양열 집열기를 통과시켜 재생기에 활용할 수 있는 온도까지 가열시켜 재생에 공급하면 냉수를 생성할 수 있다. 이처럼 흡수식 냉동기로 생성된 냉수는 보조기기의 부담을 덜어낼 수 있을 것이다. 부가적으로 태양광 발전을 위한 패널을 설치한다면, 전체 시스템의 사용되는 전력을 일부 대체할 수 있을 것이다.
이에 본 연구에서는 태양에너지를 적용한 동시냉난방 시스템과 시스템 작동을 위한 제어 프로세스를 제안하였고, 시뮬레이션 모델을 도출하여 기존 동시냉난방 시스템의 여름철 사용의 한계점을 극복하기 위한 흡수식 냉동기를 적용하고, 태양에너지를 적용하는 차별성을 두었다. 또한 제안하는 시스템의 효용성을 판단하기 위해 상시 냉방부하가 발생하는 건물을 대상으로 기존 동시냉난방 시스템과 시뮬레이션을 통한 비교 연구를 수행하였다.
2. 태양에너지를 적용한 동시냉난방 시스템
2.1 시스템 도출
본 절에서는 기존의 동시냉난방 시스템의 구성을 분석하고, 태양에너지를 적용할 때 고려해야 할 점을 도출하였다. 이를 통해 태양에너지를 적용한 동시냉난방 시스템을 도출하였다.
(1) 기존 동시냉난방 시스템
동시냉난방 시스템에 기본적으로 적용되는 기기는 히트펌프와 축열조이다. 히트펌프의 응축기 측에는 온수 축열조(HWT), 증발기 측에는 냉수 축열조(CHWT)를 설치하여 동시에 온수와 냉수를 얻는 것이 기본적인 목적이다. 이렇게 얻은 냉ㆍ온수를 각각 냉방실과 난방실로 보내어 동시냉난방을 수행한다. 물을 저장하는 축열조가 있으므로, 히트펌프의 종류로는 수열원 히트펌프가 적용되었다. 축열조는 성층 축열조가 사용되었는데, 이는 성층 축열조 내부의 온도 노드를 통해 축열조 내부의 사용 가능한 온수 또는 냉수가 얼마나 있는지를 판단하기 위함이다.
이렇게 구성된 동시냉난방 시스템은 히트펌프에서 생성된 냉수와 온수를 각각의 성층 축열조에 저장하여 건물에서 발생하는 냉난방부하를 유연하면서도 동시에 제거할 수 있다. 이때, 히트펌프로 생성한 냉수나 온수로 제거하지 못한 부하는 보조기기로 제거할 수 있도록 보조 열원기기(Auxiliary chiller, Auxiliary heater)가 적용된다.
기존 동시냉난방 시스템을 TRNSYS9)로 모델링하면 Fig. 1과 같다. 본 모델링의 SHC control process는 온수 축열조 및 냉수 축열조의 노드 온도를 통해 히트펌프를 작동시키는 프로세스이며, 동시냉난방 시스템의 근간이 되는 프로세스이다.
(2) 태양에너지 및 흡수식 냉동기 적용 모델
기존 동시냉난방 시스템은 앞서 언급한 대로 국내 여름철과 같이 건물에서 냉방부하만을 요구하게 되는 경우 온수 축열조의 온수를 사용하지 못한다. 이에 본 연구 모델에서는 이 온수를 활용해 냉방을 위한 냉수를 만들기 위하여 흡수식 냉동기를 적용하였다. 다만 이 온수는 흡수식 냉동기의 재생기에 적용하기에는 온도가 낮으므로, 태양열 집열기를 적용하여 온수의 온도를 최대한 충족하도록 하였다. 기존에 설치된 온수 축열조는 히트펌프 및 실과 연결되어 있으므로, 흡수식 냉동기의 재생기에 사용되는 축열조(Ab_Tank)가 추가로 필요하다. 이 축열조에는 재생기 공급온도를 만족시키기 위한 전기 히터가 내부에 설치되어 있다.
시스템이 다소 복잡해지기는 하지만, 온수 축열조에 보조 히터 등 전기 에너지를 사용하여 물의 온도를 높이는 것보다 태양열에너지를 사용하는 것이 시스템 에너지 절감 측면에서 이점이 있을 것으로 판단된다. 또한 태양광 패널을 추가하여 시스템 전체의 전력 사용량을 일부 대체하고자 하였다.
제안된 태양에너지를 적용한 동시냉난방 시스템을 TRNSYS로 모델링하면 Fig. 2과 같다. 기존 시스템의 SHC control process 외에 Absorption Chiller control process는 온수 축열조, 냉수 축열조 및 흡수식 냉동기의 재생기에 사용되는 축열조의 노드 온도를 통해 흡수식 냉동기를 작동시키는 프로세스이며, 2.2절에서 다룬다.
2.2 제어 프로세스 수립
본 시스템에서 추가된 요소들을 제어하기 위해 동시냉난방 시스템의 히트펌프 작동 시작을 기준으로 두 개의 제어 프로세스가 동시에 진행된다. 먼저 시스템 제어 프로세스(System control process)는 태양열 집열기(Solar heat collector)를 제외하고 흡수식 냉동기(Ab_chiller), 축열조(CHWT, Ab_Tank, HWT), 보조 냉방기기(Auxiliary chiller)를 제어한다. 시스템 제어 프로세스에서는 먼저 CHWT의 가장 상위 노드 온도를 측정하여 그 온도가 냉방 공급 가능 온도인 15℃보다 이하일 경우 축열조 내부의 에너지가 가득 차 있다고 판단하여 흡수식 냉동기의 작동을 중지한다. 가장 상위 노드 온도가 15℃보다 높게 측정되면 두 번째 과정으로 넘어간다. 두 번째 과정에서는 흡수식 냉동기의 재생기에 사용되는 축열조(Ab_Tank)의 가장 하위 노드를 측정하여 축열조 내부에 사용 가능한 에너지가 조금이라도 있는지를 판단한다. 40℃ 이상으로 측정되면 흡수식 냉동기를 가동할 수 있다고 판단하여 흡수식 냉동기를 작동한다. 40℃보다 낮게 측정되면 세 번째 과정으로 넘어간다. 세 번째 과정에서는 HWT 의 가장 상위 노드의 온도를 측정하여 그 온도가 40℃ 이상일 경우 HWT 에 Ab_Tank를 채우기 위한 에너지가 있다고 판단하여 Ab_Tank를 채운다. 40℃보다 낮게 측정되면 Ab_Tank와 HWT 내부의 에너지가 없다고 판단되어 보조기기를 통한 냉방을 실시한다.
태양열 집열기 제어 프로세스(Solar heat collector control process)는 일사량을 기준으로 판단되며 표면 일사량(Surface radiation)이 지역 평균 일사량(Local average solar radiation)보다 높게 측정될 때 태양열 집열기를 작동하고, 지역 평균 일사량보다 낮게 측정될 때 태양열 집열기의 작동을 중지한다. 이때, 지역 평균 일사량은 TRNSYS 프로그램에 적용되는 날씨 데이터의 영향을 받는다. 위의 과정을 통해 태양에너지를 적용한 동시냉난방 시스템의 제어 프로세스를 Fig. 3과 같이 작성하였다.
3. 시뮬레이션 비교연구
3.1 시뮬레이션 모델링
본 연구의 대상 건물은 전라북도 군산시에 있으며, 서버실이 건물 내에 있는 2층 규모의 사무소 건물을 선정하였다. 대상 건물의 외형과 평면은 각각 Fig. 4 및 Fig. 5와 같다. 서버실은 사계절 동안 상시 냉방부하가 발생하며, 사무실의 경우 가을 및 겨울철에는 난방을 수행해 난방부하가 발생하게 되나, 여름철의 경우에는 난방부하가 발생하지 않게 되어 냉방만 수행된다. 시뮬레이션 수행을 위해 TRNSYS의 TRNBuild를 활용하여 건물을 모델링 하였으며, 외피 열관류, 창호 성능은 국토교통부의 건축물 에너지절약설계기준의 중부2지역을 참고하였다10). 건물 내부 발열은 데이터 센터의 발열 요소를 고려하여 3.3 kW의 열을 발생하는 서버 기기 3대, 사무실 1개 층에 10명씩 총 20명의 인원을 가정하였으며 그 외 발열 장비 등은 난방 보건에서의 안전 측에 속하므로 추가로 고려하지 않았다. 시뮬레이션을 위한 기후 데이터로는 군산시의 2004 ~ 2018년의 평균 데이터(Repository of free climate data 13, 2023)11)를 채택하였다.
기존 동시냉난방과 제안된 동시냉난방 시스템을 모델링하기 위해 이전 연구5,6,7)의 시스템 모델을 기준으로 모델링을 수행하였다. 기존 동시냉난방 모델은 앞서 언급된 Fig. 1과 같고, 태양에너지를 적용한 모델은 Fig. 2와 같다.
시뮬레이션은 국내 여름철 7월 1일부터 8월 1일까지 한 달을 대상으로 수행하였으며, Timestep은 5분으로 설정하여 결과를 기록하였다. 모든 기기의 용량은 최대 냉방부하를 기준으로 설정하여 건물에서 발생하는 부하를 모두 제거할 수 있도록 설정하였다. 서버실은 천장 패널을 통해 냉방되며, 설정온도는 26(±0.5)℃로 하여 서버실 냉방을 위해 유입되는 냉수를 제어하였다. 보조 냉방기기는 직팽식을 적용하였으며, 설정온도를 다소 높은 28(±0.5)℃로 설정하여 냉수가 부하를 모두 제거하지 못하여 냉방실의 온도가 상승하면 작동되도록 구성하였다. 태양광 패널은 250 W 용량으로 약 3시간 동안 발전을 가정하여 36개를 설치하였다.
시뮬레이션에 사용된 정보는 Tables 1, 2, 3, 4로 정리하여 나타냈다.
Table 1
Building information
| Location | Gunsan, Jeollabuk-do |
| Building floor | 2 F |
| Building floor area | 390 m2 |
| Cooling room floor area | 27.5 m2 |
| Building floor height | 3 m |
| Total building height | 6 m |
Table 2
Simulation information : Used TRNSYS Type & Input value
Table 3
Simulation information : Specs
| System equipment | Load | Capacity | |
| Building load | 20,610 | - | kJ/h |
| Heatpump | - | 24,732 | kJ/h |
| Absorption chiller | - | 24,732 | kJ/h |
Table 4
Simulation information : Weather data
| Highest | Lowest | Average | ||
| Temperature | 32.1 | 18.6 | 25.2 | ℃ |
| Surface radiation | 3,687.4 | 0.0 | 798.2 | kJ/m2h |
3.2 시뮬레이션 결과 및 분석
냉방실인 서버실의 평균 온도와 시스템 전체 전력 사용량을 기준으로 비교 분석하였으며, Fig. 6은 냉방실의 온도, Fig. 7은 전력 사용량을 나타낸다.
(1) Cooling room temperature
기존의 동시냉난방 시스템의 경우 초기에는 Fig. 6에서 확인할 수 있듯이 냉수로 냉난방하는 경우의 설정온도에서 유지되어 냉방을 수행하다 온도가 상승하는 모습을 나타낸다. 이후 냉수 냉방 설정온도가 아닌 보조 냉방기기 설정온도를 기준으로 온도가 유지된다. 이는 기존 동시냉난방 시스템의 온수 축열조 내부의 온수를 사용하지 못해 히트펌프가 작동되지 못하고 보조 냉방기기로만 냉방을 수행하는 것으로 판단된다.
반면 본 연구를 통해 구성한 모델의 경우 냉수로 냉방하는 경우의 설정온도를 기준으로 온도가 유지되는 형상이 나타난다. 또한 보조기기의 설정온도까지 온도가 상승하지 않는 모습을 보인다. 두 모델이 이러한 차이를 보이는 이유는 본 연구에서 구성한 모델의 경우 흡수식 냉동기가 적용되어 CHWT의 냉방이 가능한 온도의 냉수의 양이 꾸준히 유지되기 때문으로 판단된다.
결론적으로 냉방실의 온도는 기존 모델에서 평균 28.7℃, 본 연구의 모델에서 평균 26.9℃로 1.8℃의 차이를 보여준다. 평균온도가 높다면 냉방부하가 덜 걸렸다는 것인데, 그렇다면 에너지 측면에서 이점이 있어야 할 것이다. 하지만 시스템의 효율이 낮다면 오히려 에너지가 더 많이 사용될 수 있다. 이는 뒤의 (2)절에서 분석한다.
(2) System power
시뮬레이션 결과 그래프와 표를 살펴보았을 때, 기존 모델의 경우 보조기기의 전력소모량이 히트펌프와 비교하여 현저히 높은 것을 확인할 수 있다. Fig. 7의 그래프에서 7월 6일 12시 기준으로 기존모델의 경우 보조기기의 작동이 불안정한 모습을 확인할 수 있다. 앞서 Fig. 6의 결과와 비교해보면 히트펌프 작동으로 냉방실의 온도가 27℃까지 하강했다가 점차 상승하는 구간과 일치하는데, 축열조 내부에 냉방부하를 제거할 수 있는 에너지가 없어 보조 냉방기기가 작동되었으나 설정온도인 28℃보다 냉방실의 온도가 낮아 바로 작동을 중지한 것으로 판단된다. 이후, 보조기기 설정온도 범위에서 냉방실 온도가 유지되는 모습을 보아 앞서 언급한 내용과 같이 히트펌프가 작동되지 못하고 보조기기만으로 냉방실 온도를 유지하는 것이라 판단된다. 다만 보조기기의 순간 에너지 사용량이 본 연구 각 기기의 순간 에너지 사용량의 합보다 현저히 크게 나타나고, 안정기에서도 온도의 편차가 크게 나타나 용량이 과설계된 것으로 판단된다.
태양에너지를 적용한 동시냉난방 시스템의 경우 히트펌프와 흡수식 냉동기가 작동되고 보조기기는 작동되지 않았으며, 이 또한 Fig. 7의 그래프를 통해 확인할 수 있다. 온수 축열조 내부의 사용되지 못한 온수가 흡수식 냉동기 재생에 사용됨으로써 온수의 온도가 낮아져 히트펌프가 작동된 것으로 판단된다. 또한, 보조 냉방기기가 작동되지 않은 이유는 히트펌프와 흡수식 냉동기로 생성된 냉수만으로 건물에서 발생한 냉방부하를 모두 제거했기 때문이며, 이는 각 기기 요소의 설계용량이 적절하거나 혹은 다소 과설계되어 있을 수 있음을 나타낸다. 본 연구에서는 각 기기의 용량을 냉방 최대부하에 맞추어 다소 크게 설정하였으나, 실제로는 이보다 작은 용량으로도 충분히 효용성을 보일 수 있을 것으로 판단된다.
(3) Solar energy
Fig. 8은 흡수식 냉동기 재생기의 공급 온도를 충족하기 위한 히터의 작동 주기를 확인할 수 있는 그래프이다. 파란색 그래프 선은 태양열 집열기를 적용하지 않았을 때, 빨간색 그래프는 적용했을 때를 나타낸다. 태양열 집열기가 적용되지 않으면 흡수식 냉동기 작동을 위해 히터가 상시 가동되는 모습을 보이는데, 이는 히트펌프 작동으로 생성된 난방 에너지를 재생기에 보내는 과정에서 온도를 높여 사용해야 하는 이유로 판단된다. 반면 태양열 집열기가 적용되었을 때는 히터가 가동하지 않는 구간이 발생하며, 이 구간에서는 태양열 집열기로 재생기 공급 온도를 충분히 만족시켰다고 판단할 수 있다.
추가로, 태양광 패널은 Table 5과 같이 태양광 발전을 통해 시스템 전력의 일부를 대체할 수 있음을 확인하였다. 이는 1차 에너지 환산계수 상의 이득을 취할 수 있음은 물론, 고효율의 패널을 사용하거나 설치 면적을 넓히게 되면 보다 높은 효용성을 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
3장의 시뮬레이션 결과를 한 달간 적산하여 정리하면 Table 5와 같다.
4. 결 론
본 논문에서는 동시냉난방 시스템의 하계 활용 시 난방 축열조에 온수가 적체되어 히트펌프 가동이 중단되고 냉방이 중지되는 문제점을 해결하기 위하여, 태양열에너지를 활용하여 적체된 온수의 승온을 통한 흡수식 냉방이 가능한 시스템을 제안하였다. 또한 신재생에너지원으로 태양광을 활용하여 시스템의 기기를 작동시킴으로써, 1차 에너지 변환계수에서의 이득도 꾀하고자 하였다. 본 논문에서 내릴 수 있는 결론은 다음과 같다.
(1) 기존 동시냉난방 시스템에서 발생하는 온수를 승온하여 흡수식 냉동기의 재생기에 적합한 온도로 만들기 위해 태양열 집열기를 순환하는 축열조를 추가한 시스템을 도출하였다. 또한 흡수식 냉동기의 작동 여부 및 태양열 집열기로의 순환을 결정할 수 있는 제어 프로세스를 제안하였다.
(2) 도출된 시스템과 제어 프로세스를 활용하여 시뮬레이션을 한 결과, 온수 축열조 내부의 미사용되는 온수를 흡수식 냉동기의 재생에 효과적으로 사용할 수 있음을 확인하였다. 또한 기존 시스템은 온수 축열조 내부의 온수가 미사용됨을 확인함으로써 제안한 시스템의 효용성을 밝혔다.
(3) 전력 생산이 가능한 태양광 패널을 일부 적용하여 시스템 전체의 전력 사용량 일부를 대체할 수 있음을 확인하였다. 이는 고효율의 패널을 사용하거나 설치 면적을 넓히면 보다 높은 효용성을 보일 수 있을 것으로 기대되며, 이 경우 설치 대상 건물의 크기, 대지 면적 등이 고려되어야 한다.
상기 내용과 같이 본 연구에서는 태양열 및 태양광 에너지를 활용하여 기존 동시냉난방 시스템의 하계 사용의 한계점을 극복함은 물론, 전력의 소모 없이 승온과 에너지 생산을 수행할 수 있는 가능성을 제시하였다. 이를 통해 건물 내 에너지 균형을 맞추고 건물 외부로의 열 배출을 최소화함으로써 탄소저감에 기여할 수 있다고 판단된다.
본 연구는 제안한 시스템의 효용성을 판단하는 기초 연구 차원에서 진행되었으므로, 차후 연구를 통해 용량계산과 비교 연구 방법이 세밀하고 체계적으로 보완되어야 하며, 연구에서 제안한 제어 프로세스는 제안된 시스템에는 적합하지만 간략한 형태로 제안하였으므로, 앞으로 프로세스의 개선이 필요하다. 또한 시뮬레이션 대상 건물의 경우, 적용된 시스템의 효용성 분석만을 위해 모델링이 간편한 작은 규모의 건물로 선정하였으나, 시스템의 경제성과 운영적 측면의 타당성 분석을 위해서는 다양한 규모의 건물들을 대상으로 한 시뮬레이션 및 분석이 필요하다.
