Research Article

Journal of the Korean Solar Energy Society. 30 April 2024. 15-25
https://doi.org/10.7836/kses.2024.44.2.015

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 식품가공 공정 열부하 분석

  • 3. 해석 모델

  •   3.1 태양열 히트펌프 열공급시스템

  •   3.2 해석조건

  •   3.3 성능지표

  • 4. 해석결과

  • 5. 결 론

기호 및 약어 설명

f :태양에너지 기여율(solar fraction)

Qaux :보조열원 공급열량, kWh

Qheat :히트펌프 공급열량, kWh

Qhs :히트펌프 열원 공급열량, kWh

Qsol :태양에너지 집열량, kWh

Qload :공정의 열부하량, kWh

WHP :히트펌프 소비전력, kWh

Wpump :순환펌프 소비전력, kWh

Φ :공정의 열부하량 대비 태양열 히트펌프의 공급열량 비율

COP :히트펌프 성능계수(Coefficient of Performance)

HTES : 고온 열에너지 저장조(High-temperature Thermal Energy Storage)

STC : 태양열 집열기(Solar Thermal Collector)

STES : 태양열에너지 저장조(Solar Thermal Energy Storage)

SSHP : 태양열 히트펌프(Solar Thermal Source Heat Pump)

SPF :연간성능지수(Seasonal Performance Factor)

1. 서 론

미국의 에너지관리청(EIA)에 따르면 전 세계 총 에너지의 약 54%가 산업 분야에서 소비되는데1) 이 중 약 66.7%는 열에너지다. 산업 공정열은 제품을 생산하는데 필요한 모든 열에너지를 의미하며, 현재까지 가장 널리 사용되는 에너지원은 화석연료(석탄, 석유, 석유, 천연가스 등)이다. 산업공정의 열에너지는 주로 가열 및 냉각, 공간 난방, 증기 및 온수 발생, 제품 제조 등의 목적으로 사용된다. 그러나 기존 화석 연료 방식은 이산화탄소 배출로 인한 지구 온난화 문제를 야기하기 때문에 이를 해결하기 위해 선진국에서 개발도상국에 이르기까지 산업 공정 시스템에 재생에너지를 도입하려는 움직임이 커지고 있다. Solar Heat Worldwide의 보고서에 따르면 2020년 말까지 전 세계 ‘산업공정을 위한 태양열’ 프로젝트의 수는 891개이며 총 설치된 집열기 면적은 113만 m2이다2). 또한 국제재생에너지기구(IRENA)에 따르면 산업 목적에 필요한 열에너지 수요의 약 60%는 250℃ 미만이며 이는 태양열 에너지를 활용하여 얻을 수 있다고 하였다3).

태양열 에너지는 무한하며 집열기 종류에 따라 다양한 온도를 공급할 수 있지만 시간에 따른 변동성과 간헐성은 큰 단점으로 작용한다. 히트펌프는 전기에너지를 이용해 저온 열에너지를 고온 열에너지로 변환하는 기기로 안정적인 열을 공급할 수 있으며 에너지 변환 효율이 높다. 히트펌프의 COP는 입력 전기에너지 대비 몇 배의 열에너지를 얻는지를 나타내는 성능계수로 온수 및 난방 공급 시 통상 3.0 이상의 효율을 보인다. 하지만 이러한 히트펌프의 효율은 증발 열원을 대가없이 확보할 때 가능하다. 예를 들면 난방을 위한 공기열 및 지열 히트펌프의 경우 주로 대기 또는 지하의 열에너지를 증발열원으로 사용한다. 하지만 산업공정용 히트펌프의 경우 필요한 열원의 온도가 상대적으로 높기 때문에 대기나 지하의 열에너지를 이용할 수 없다. 히트펌프 열원을 확보할 수 있는 대안은 산업공정의 폐열을 회수하여 이용하는 것이다. 하지만 폐열은 다양한 산업공정에서 언제나 충분히 확보할 수 있는 에너지원이 아니므로 경제적이며 효율적으로 별도의 열원을 확보해야 한다. 태양열의 경우 집열기를 통해 다른 신재생에너지보다 고온의 열에너지를 획득할 수 있기 때문에 산업용 히트펌프의 열원으로 적합하다. 이와 같이 태양열 시스템과 히트펌프를 융합할 경우 두 기기의 장점을 활용할 수 있기 때문에 상승효과를 기대할 수 있다. 태양열 히트펌프(SSHP)는 산업공정에 주 공급원으로 사용할 수 있어 기존 화석연료 기반 열공급시스템을 대체하거나 신규 설치 공정에도 적용이 가능하다4).

태양에너지와 히트펌프를 융합하여 열에너지를 공급하는 SSHP 관련 연구는 꾸준히 진행되어 오고 있다. 국내에서는 주로 건물의 냉난방에너지를 공급하기 위한 연구를 수행 중에 있으며 히트펌프에 태양광열 시스템 또는 지열에너지를 결합한 시스템의 개발이 활발히 진행되었다. Joo et al.5)은 태양광열과 공기열 히트펌프를 결합한 건물 냉난방 및 급탕 공급시스템을 개발하여 실증실험을 수행하였으며 평균 COP 5.08을 얻었다. Bae et al.6)은 히트펌프의 열원으로 태양광열과 지열을 동시에 활용하는 시스템을 개발하여 기존 지열-히트펌프 시스템과 성능을 비교하였으며, 개발된 시스템의 COP가 난방기에 16%, 냉방기에 50% 더 높다는 것을 밝혔다. Jeong et al.7)은 태양광열−지열−히트펌프 융합시스템에 대해 사용 지역과 태양광열과 지열의 열원 공급 비율을 변수로 성능해석을 수행하였으며, 최대 연간성능지수(SPF) 3.82를 얻었다. 해외의 경우 Li et al.8)은 도시의 중앙도서관에 난방 열에너지를 공급하기 위해 기존 가스보일러를 대체하는 SSHP를 개발하였으며, 3개월의 실증운전을 통해 시스템의 운전 COP를 2.12 ~ 2.68만큼 얻었다. Yang et al.9)은 런던 기상 조건에서 난방을 위해 태양열시스템과 히트펌프의 결합 형태에 따른 에너지 및 경제적 성능을 비교하였다. 직렬연결형 시스템은 COP 5.5로 가장 높은 값을 달성할 수 있었으나, 투자회수 기간이 22.1년으로 가장 길었고, 병렬연결형 시스템은 COP 4.4로 더 낮았지만 투자회수 기간이 5.6년으로 가장 짧았다. Tzivanidis et al.10)은 난방용 SSHP의 성능을 이론적으로 조사한 결과 공기열원 히트펌프에 비해 47.5%의 비용 절감 효과가 있다고 밝혔다.

본 연구에서는 기존 식품가공 공정에서 사용 중인 0.5 ton/h 급 LPG 증기 보일러를 대체하기 위해 SSHP를 개발하고, TRNSYS를 이용하여 시스템의 성능 해석을 수행하였다. 해석을 통해 집열면적과 축열조 크기에 따른 SSHP 성능 인자의 변화를 분석 후 두 변수의 값을 선정 할 때 고려해야할 사항과 적정 값에 대해 제시하였다.

2. 식품가공 공정 열부하 분석

연구 대상 공정은 경기도 김포시에 위치한 식품 가공 공정으로 Fig. 1과 같이 0.5 ton/h 급 LPG 증기보일러를 사용하여 세척 및 가열을 위한 열에너지를 공급하고 있다. 보일러에서 발생한 증기를 열저장탱크의 물과 열교환하여 공정에 요구되는 온도조건을 유지하며, 열교환 후 발생된 응축수는 보일러의 급수로 회수된다. 이 식품 공정에서 사용되는 열부하는 일정부하와 변동부하로 구분된다. 일정부하는 식품의 품질 유지를 위해 근무 조건과 관계없이 항상 일정하게 공급되는 열부하이다. 반면 변동부하는 세척공정에 사용되며 퇴근 전 약 1시간 동안 집중되어 발생한다. Fig. 2에 본 공정에서 발생하는 열부하를 제시하였다.

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Fig. 1

Schematics of food processing process with a steam boiler

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Fig. 2

Thermal load pattern with time in subject industrial process

3. 해석 모델

3.1 태양열 히트펌프 열공급시스템

Fig. 1에서 보여준 공정에서 증기보일러를 대체하기 위한 SSHP의 개략도를 Fig. 3에 제시하였다. 식품공정에서 발생하는 열부하의 최댓값은 251.6 kW이므로 여유도를 고려하여 274 kW급 히트펌프를 적용하였으며, 해당 히트펌프의 사양을 Table 1에 정리하였다. 태양열 집열기로부터 얻은 열에너지를 축열조(STES)의 물에 저장하고, 이를 히트펌프의 열원으로 공급한다. 만일 태양열 에너지가 히트펌프에 필요한 열원보다 부족할 경우 보조열원을 이용해 STES로 열을 보충한다.

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Fig. 3

Schematics of modified food processing process with SSHP

Table 1

Specifications of Heat Pump

Items Values Remarks
Thermal power 274 kW Load inlet/outlet temperature : 75℃/80℃
Source inlet/outlet temperature : 35℃/30℃
COP 3.3 -
Refrigerants R-134a -
Compressor type Screw -

3.2 해석조건

해석을 위한 시뮬레이션 소프트웨어로 TRNSYS 18을 사용하였으며, 앞에 제시된 식품 공정용 SSHP의 해석 시뮬레이션 모델을 Fig. 4에 제시하였다. 시뮬레이션을 구성하는 주요 컴포넌트 중 집열기는 Type 73 (Flat-Plate Collector)를 사용하였으며, 공정에 적용되는 집열기의 성능계수를 반영하였다. 열저장조인 STES와 HTES는 모두 Type 158 (Constant Volume Liquid Storage)을 적용하였다. 기상자료는 한국패시브건축협회에서 제작한 경기도 김포시의 표준기상데이터를 적용하였다. Fig. 5에 대상 지역의 월평균 경사면 일일 일사량과 평균기온을 제시하였다. 월평균 경사면 일일 일사량은 3월에 5.58 kWh/m2day로 가장 높았으며, 11월에 3.76 kWh/m2day까지 감소하였다. 월 평균기온은 8월에 27.2℃로 최댓값을 나타내었다.

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Fig. 4

TRNSYS simulation model of SSHP heat supply system

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Fig. 5

Monthly insolation and average air temperature in Gimpo city

해석에 사용되는 SSHP의 주요 구성품의 사양을 Table 2에 제시하였다. 본 해석은 SSHP의 태양열 집열기 면적과 STES 부피에 따른 성능변화에 중점을 두었기 때문에 해석 변수로 설정하였다. 집열기는 평판형을 적용하였으며 정남향으로 35° 경사지게 설치되었다. 히트펌프의 최대 COP를 얻기 위한 열원 온도는 35℃이며 공급 시 제어를 통해 일정하게 유지하였기 때문에 히트펌프의 COP는 3.3으로 일정한 값을 사용하였다. SSHP의 온도제어를 위한 알고리즘을 Fig. 6에 제시하였다. 집열 에너지가 부족해서 STES 온도가 35℃ 이하로 내려갈 경우에도 히트펌프 열원의 최적 공급온도인 35℃를 만족시키기 위해 보조열원을 작동하여 STES로 열에너지를 공급하도록 하였다. 보조열원으로 전기히터, 가스보일러, 전극보일러, 저온 히트펌프 등 다양한 기기를 이용할 수 있다. 본 연구에서는 수요처 요구에 따라 기 설치된 LPG 보일러를 이용하였다. 한편 집열 에너지 과잉으로 STES 온도가 80℃ 이상일 때 집열 에너지는 부하측 열저장조(HTES)로 저장되도록 하였다. 히트펌프는 대상 산업 공정의 요구온도를 고려하여 HTES의 온도가 70 ~ 80℃가 유지되도록 운전/정지를 반복하였다.

Table 2

Specifications of SSHP components

Items Values Remarks
Heat pump 274 kW -
Solar collector
(Flat type)
5 ~ 370 m2 Maximum efficiency: 0.7409,
1th order loss coefficient: 0.0057 W/m2K,
2nd order loss coefficient: 4.1791 W/m2K2
STES 10 ~ 60 m3 Target temperature range: 35-80℃
HTES 10 m3 Target temperature range: 70-80℃

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Fig. 6

Flow diagram for temperature control

3.3 성능지표

SSHP의 해석을 위한 성능지표는 다음과 같다. SSHP 열공급비율(Φ)은 공정의 열수요 대비 SSHP의 열공급 비율을 의미하며, 이 때 히트펌프의 부족한 열원을 보충하기 위한 보조열원은 SSHP의 공급 열에너지에서 제외한다. 태양에너지 기여율(f)은 히트펌프의 열원으로 공급한 전체에너지 중 태양열 집열기로부터 얻은 에너지 비율, 그리고 연간성능지수(SPF)는 1년간 SSHP의 총 입력에너지 대비 열에너지 생산량을 의미한다. SSHP의 총 입력에너지는 펌프 및 히트펌프의 소비전력량, 보조열원 공급 열에너지를 의미한다.

(1)
Φ=Qheat-QauxQload
(2)
f=QsolQhs
(3)
SPF=QheatWHP+Wpump+Qaux

4. 해석결과

Fig. 7에 1년간 STES와 HTES의 온도변화를 제시하였다. STES 온도의 경우 겨울(12월 ~ 2월)을 제외하고 80℃까지 상승하였으며, 대체로 봄(3월 ~ 5월)부터 여름(6월 ~ 8월) 사이에 35℃ 이상을 유지하는 일수가 다른 계절에 비해 많았다. STES의 계절별 평균온도는 봄이 53.1℃로 가장 높았으며, 여름 50.0℃, 가을(9월 ~ 11월) 48.5℃, 겨울 44.3℃ 순으로 낮아졌다. HTES의 온도는 계절에 관계없이 70 ~ 80℃ 범위를 계속 유지하였으며, 이는 SSHP가 수요측 열부하에 대응하여 문제없이 열에너지를 공급했다는 것을 의미한다.

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Fig. 7

Seasonal temperature profiles of STES and HTES

Fig. 8에 STES 용량에 따른 SSHP 열공급비율 Φ의 변화를 나타내었는데 집열면적 100 m2를 기준으로 STES 용량에 따른 Φ의 경향이 달라졌다. 집열면적이 100 m2보다 클 때 STES의 용량이 증가할수록 Φ는 증가하였으나, 100 m2보다 작을 때는 감소하였는데, 50 m2에서 53.9%에서 48%로 5.9% 감소하였다. 집열면적이 100 m2일 때 Φ는 STES 용량에 관계없이 약 70%로 일정하였다. 또한 STES 용량이 증가할수록 Φ의 변화는 점점 감소하였다. STES 용량이 증가하더라도 집열면적이 50 m2일 경우 Φ는 약 47%, 150 m2일 경우 약 87%, 200 m2일 때 약 95%로 점차 수렴하였다. 본 결과로부터 Φ는 STES의 용량보다 집열면적에 더 많은 영향을 받는다는 것을 알 수 있다.

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Fig. 8

SSHP heat supply ratio with STES size

이러한 경향은 Fig. 9에 제시한 집열면적에 따른 Φ의 변화에 대한 그래프에 더 잘 나타난다. Fig. 9에서 보는바와 같이 집열면적에 따라 Φ는 약 30% 부터 최대 100% 까지 변하는데 STES의 용량은 집열면적에 비해 영향이 적었다. 집열면적이 0 m2일 경우는 히트펌프에 필요한 열원을 모두 보조열원을 통해 공급받는다는 것을 의미한다. 이러한 경우 히트펌프의 COP가 3.3이므로 SSHP의 Φ는 이론적 한계인 30.3%까지 감소하는 것을 알 수 있다. 한편, STES 용량에 따라 Φ의 변화가 적고, 도달할 수 있는 한계가 존재하기 때문에 원하는 Φ를 달성하기 위해서는 STES 용량보다 집열면적이 우선 고려되어야 한다. 다만 STES 최적 용량은 SSHP의 작동 안정성, 구축 비용 등의 관점을 고려하여 선정하는 것이 더 바람직하다.

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Fig. 9

SSHP heat supply ratio with STC area

Fig. 10에 STES 용량이 20 m3일 때 집열면적에 따른 SPF와 태양열 기여율 f의 변화를 제시하였다. 두 가지 성능지표가 모두 집열면적에 따라 증가하였다. 일반적으로 전기를 열로 변환하는 시스템의 경우 국내 발전효율을 고려했을 때 요구되는 최소 효율(또는 등가발전효율)은 SPF 2.52이다11). 이를 고려하면 본 SSHP의 최소 집열면적은 210 m2이다. SPF는 해석 범위에서 2.84까지 증가하였는데 이는 본 시스템의 히트펌프 COP의 81.8%에 해당한다. 나머지 비율인 18.2%는 SSHP 내 설치된 모든 펌프의 소비 전력량과 공급된 보존열원 에너지를 의미하며, 두 값이 적을수록 SPF는 증가한다. 펌프의 소비 전력량은 SSHP가 작동하는데 반드시 필요한 요소이므로 SPF를 높이기 위해서는 보조열원의 열에너지 공급량을 줄이는 것이 필요하다. f는 집열면적 100 m2까지 선형적으로 증가하다가 이후 2차 곡선 모양으로 기울기가 점차 감소하였다. 이 집열면적 값은 앞의 Fig. 8에서 언급한 STES 용량에 따른 Φ의 경향이 반전되는 집열면적과 일치한다. Fig. 8Fig. 10의 각 변수에 따른 경향을 종합해보면 집열면적에 따른 f가 선형관계일 때는 STES 용량 증가는 Φ에 부정적 영향을 주지만, 2차 곡선 모양으로 증가하면 STES 용량에 따라 Φ는 증가하였다. 일반적으로 열저장조의 용량이 증가하면 입력에너지에 따른 온도 변화 폭은 감소하지만 저장된 열매체의 평균 온도는 낮아진다. 앞의 SSHP의 제어에서 언급했듯이 STES의 평균온도가 보조열원 작동온도보다 낮으면 보조열원으로부터 열공급이 시작되므로 이를 피하기 위해서는 평균온도를 높여야 한다. 만일 집열기로부터 얻는 열에너지가 상대적으로 적어 STES의 평균온도가 보조열원의 작동온도 근처에 있을 때 STES 용량을 줄이면 평균 온도가 증가하므로 보조열원의 열에너지 공급량이 줄어드는 효과가 있어 Φ가 증가하게 된다. 하지만 이러한 경우 STES의 온도 변화폭이 증가하기 때문에 시스템 운전 안정성을 저해한다. 특히 집열면적 100 m2에서 SSHP의 Φ는 약 70%이므로 상대적으로 높은 Φ달성과 시스템의 안정적 운영을 모두 고려하면 집열면적을 100 m2 이상으로 결정하는 것이 좋다.

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Fig. 10

SSHP SPF and Solar fraction with STC area

5. 결 론

본 연구에서는 식품가공 공정에서 사용 중인 0.5 ton/h 급 증기 보일러를 대체하기 위해 태양열 히트펌프 (SSHP)을 개발하고, TRNSYS를 이용한 성능 해석을 수행하였다. 해석을 통해 집열면적와 축열조 크기에 따른 SSHP 성능 인자의 변화를 분석하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.

(1) 산업 공정에서 열에너지 공급을 위해 사용되는 기존 화석 연료 보일러는 SSHP로 완전한 대체가 가능하다. 특히 국내 발전효율을 고려했을 때 SSHP의 열에너지 생성 효율이 더 높았다. 해석 결과 SSHP는 계절에 관계없이 대상 식품가공 산업 공정에서 요구하는 공급 온도인 70 ~ 80℃를 만족하였다.

(2) SSHP의 열공급 비율은 축열조 크기 보다 집열면적에 더 큰 영향을 받는다. 특히 목표로 하는 열공급 비율을 달성하기 위해서는 집열면적을 주요 변수 선정해야 하며, 축열조 크기는 시스템 운영을 뒷받침하는 보조 변수로 고려하는 것이 좋다.

(3) 집열기 면적이 특정 값 이하일 경우 STES 용량을 증가시키면 SSHP 열공급비율이 오히려 감소하게 된다. 따라서 시스템의 안정적 운영 및 높은 성능지표 달성을 위해서는 이 면적보다 커야 한다. 본 논문의 대상 시스템에서 해당 집열면적은 100 m2이며, 등가발전효율을 고려하면 210 m2 이상의 집열면적이 필요하다.

산업공정에 태양열 히트펌프의 적용을 확대하기 위해서는 성능뿐만 아니라 경제성확보는 필수적이므로, 향후 성능분석 결과를 기반으로 경제성 평가를 위한 추가 연구가 필요하다.

Acknowledgements

본 연구는 2021년도와 2022년도 산업통상자원부 한국에너지기술평가원의 지원을 받아 수행한 연구 과제입니다(No. 20220810100020, 20213030160040).

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