1. 서 론
최근 제로에너지 건축물 의무화 확대 및 신재생 에너지 공급의무비율 상향함에 따라 신재생에너지 보급기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 또한, 공공건물 제로에너지건축물 의무화가 시행되고 2025년까지 30세대 이상의 공동주택을 대상으로 범위가 확대될 예정이다1). 하지만 신재생에너지로 사용되는 지열과 태양광, 태양열은 대부분 단일시스템으로 적용되는 경우가 많으며 개별 시스템의 피크부하 대응의 단점을 극복하거나 장점을 극대화 시키는 사례들은 드물다. 최근 기존 단일시스템의 한계를 극복하기 위한 방법으로, 두 개의 열원으로부터 건물 냉난방 부하에 대응하는 복합열원 시스템의 개발 및 상용화 연구가 가속화되고 있다. Nam2)은 태양열 및 지열을 이용한 복합열원 시스템의 최적설계를 위해 동적 에너지 시뮬레이션을 사용하여 시스템 성능해석을 진행하였고, 태양열 집열판 및 지중열교환기의 설치용량을 변경하여 케이스 스터디를 실시하였다. 하지만, 다양한 조건의 해석에도 불구하고 태양열 집열면적은 전체 시스템 성능에 큰 영향을 미치지 못함을 확인하였다. 한편 Mark et al.3)은 태양열 사용 효율을 개선하기 위하여 태양광과 태양열을 융합한 태양광열 모듈을 이용하여 복합열원 실증실험을 진행하였다. 복합열원 시스템은 하나의 태양광열 모듈과 히트펌프, 고온 및 저온 축열조로 구성되며, 태양광열 모듈의 관내 유체 온도가 고온축열조 온도보다 높아질 경우 고온축열조로 열을 공급하게 된다. 하지만, 겨울철 지나친 축냉과 부족한 축열은 난방 및 급탕사용에 있어 불안정한 에너지 공급을 야기하였다. 따라서 태양열을 보다 효율적으로 이용하고 난방 및 급탕 부하에 대응이 가능한 설계수법이 필요한 실정이다. 본 연구에서는 태양광열 시스템과 공기열원 히트펌프 시스템의 융복합 가능성을 분석하기 위해 건물 부하모델을 포함한 전체 시스템 모델을 구축하고 연간 시뮬레이션을 통해 본 시스템의 실현가능성을 분석하였다. 본 논문에서는 운전방법에 따른 해석모델을 구축하고 케이스 스터디에 관한 복합열원 시스템 성능해석 결과를 서술한다.
2. 연구방법
2.1 해석모델 개요
본 연구에서는 융복합 모델을 제안하기 위해 TRNSYS18 소프트웨어를 사용하여 시스템 성능을 동적으로 해석하였다. Fig. 1은 복합열원 시스템의 개념도를 나타내며, 실증사이트에 구축된 복합열원 시스템에 기반한다. 태양광열 모듈(Photovoltaic-thermal module, PVT module)은 급탕 축열조(Storage tank1, ST1)와 냉난방 축열조(Storage tank2, ST2)의 온도에 의해 열 공급이 제어되고, 공기열원 히트펌프(Air source heat pump, ASHP)는 ST2 온도에 의해 열 공급이 제어된다. 또한, 보일러는 PVT 모듈 온도와 ST1 온도에 의해 열 공급이 제어되며, 팬 코일 유닛(Fan coil unit, FCU)과 삼방밸브인 FD (Flow diverter)와 FM (Flow mixer)은 운전 기간과 재실자 유무 그리고 실내온도에 의하여 운전이 제어된다. Fig. 2는 기간별 냉난방 및 급탕 운전방법에 대한 개요도이며, 안정적인 냉난방 및 급탕 부하 대응을 위하여 운전은 4주기로 구분하였다. 실내 냉난방 부하가 낮은 간절기에는 ST2를 이용하지 않고 히트펌프 직접운전을 통하여 냉난방운전을 하도록 설정하였다. ST2 축열운전은 PVT의 온도가 ST2의 온도보다 높을 경우 PVT의 집열량이 축열되며, 이외에는 히트펌프에서 생산된 열이 축열된다. 또한, PVT 모듈의 온도가 ST1 설정온도 이하일 경우, 보일러를 이용하여 축열운전을 수행하게 된다.
2.2 건물 부하모델
시뮬레이션 모델은 부산광역시 기장군에 위치한 실증사이트를 기반으로 설계하였으며, Fig. 3은 실증사이트 실내 및 구축된 시스템을 나타낸다. 부하모델의 바닥면적은 120 m2, 공조공간은 324 m2, 창면적은 남향 22.8 m2, 북향 3.24 m2이며, 건물 재료 물성은 국토교통부고시 건축물의 에너지절약설계기준4)을 기준을 참고하였다. 또한, 실내부하(인체부하, 조명부하, 기기부하)는 ASHRAE standard를 참고하여 Table 1과 같이 산정하였다5). 한편, 기상데이터는 국내 도시별 기상데이터를 제시하고 있는 한국패시브건축협회의 표준기상데이터 자료6)를 사용하였다.
Table 1
Condition of load model
| Parameter | Input Value | Reference | |
| Infiltration flow | 0.730 kg/h | ASHRAE standard 62.1-20197) | |
| Ventilation flow | 3.65 kg/h | ||
| Floor area per person | 0.050 person/m2 | ||
| Internal heat gain | People | 122 W/person | ASHRAE standard 55-20208) |
| Light | 6.89 W/m2 | ASHRAE standard 90.1-20199) | |
| Equipment | 10.8 W/m2 | ASHRAE handbook hvac application-201510) | |
2.3 기기 모델
실증사이트 건물은 공기열원 히트펌프, 태양광열 모듈, 순환펌프, 팬 코일 유닛, 냉난방 축열조, 급탕 축열조, 보일러, PLC 제어기판, 컨트롤러, 인버터로 구성된 복합열원 시스템을 갖추었다. 해석모델의 시스템 용량은 실증사이트를 기반으로 Table 2와 같이 구성하였다. 해석모델은 태양광열 시스템(Type 560), 공기열원 히트펌프(Type 941), 3대의 Fan Coil Unit (Type 987)를 두 개의 축열조와 결합한 것으로 시스템을 구성으로 하였으며, 각각의 모델은 미분방정식에 모듈화되어 있다.
Table 2
Performance of integrated system
3. 시스템 성능해석
3.1 융복합 시스템 해석
(1) 난방 대표일 성능해석
Fig. 4는 난방 대표일 기준 복합열원 시스템 성능해석을 나타내며, 난방부하가 가장 높은 날을 난방 대표일로 선정하였다. 해석모델은 ST2의 온도가 45℃ 이하일 경우, ST2 온도가 47℃에 도달할 때까지 PVT와 히트펌프를 이용한 축열운전을 실시하고, ST2의 온도가 43℃ 이상이며 실내온도가 21℃ 이하일 경우, ST2 열원을 이용하여 실내온도가 23℃에 도달할 때까지 난방운전을 실시한다. 이때, 난방 대표일 기준 히트펌프 소비전력은 10.2 kWh, 히트펌프 생산 열량은 22.5 kWh이며, 히트펌프 COP (Coefficient of performance)는 2.22이다. COP는 외기온이 높아짐에 따라 증가하는 것을 확인하였다.
(2) 냉방 대표일 성능해석
Fig. 5는 복합열원 시스템의 냉방 대표일 성능해석을 나타내며, 냉방부하가 가장 높은 날을 냉방 대표일로 선정하였다. 냉방 운전은 ST2의 온도가 10℃ 이상일 경우, 히트펌프를 이용하여 ST2의 온도가 8℃에 도달할 때까지 축냉운전을 실시하고, ST2의 온도가 10℃ 이하이며 실내온도가 24℃ 이상일 경우, ST2 열원을 이용하여 실내온도가 22℃에 도달할 때까지 냉방운전을 실시한다. 이때, 냉방 대표일 기준 히트펌프 소비전력은 12.2 kWh, 히트펌프 생산 열량은 47.3 kWh, 히트펌프 COP는 3.88으로 확인하였다.
(3) 연간 시스템 성능해석
Fig. 6은 연간 시스템 성능해석을 나타낸다. 난방기간 Period A와 Period C의 히트펌프 월평균 COP는 2.38, 2.76, HER (Heat exchange rate)11)은 310 kWh, 98.3 kWh로 나타났다. 또한 실내 난방부하가 발생하지 않은 11월에는 히트펌프가 동작하지 않은 것을 확인하였다. 냉방기간인 Period B와 Period D의 COP는 3.88, 4.32, HER은 982 kWh, 574 kWh로 나타났다. 한편, 전력 생산효율을 확인하기 위하여 건축물 에너지효율등급 인증 및 제로에너지건축물 인증 기준12)에서 제시한 에너지자립률(Energy self sufficiency rate, ESSR)을 활용하였으며, 식(1)로 산출하였다. ESSR은 2월에 가장 높게 나타났으며, 난방기간이 냉방기간에 비해 약 2배 더 높은 수치를 보였다.
3.2 운전방법에 따른 전기료 분석
(1) 운전방법 결정
복합열원 시스템의 전기료 절감 및 COP를 높이기 위하여, 심야전력 및 ST2 이용에 관한 케이스 스터디를 실시하였다. 운전방법은 ST2를 이용하지 않은 히트펌프 단독운전, ST2를 이용한 냉난방운전, 심야전력 사용 여부로 구분한다. Table 3은 운전방법에 따른 Case를 나타낸다.
Table 3
Classification of operation methods
| Case A | Case B | Case C | Case D | Case E | |
| Independent operation of HP | ○ | × | ○ | ○ | × |
| Using ST2 | ○ | ○ | × | ○ | ○ |
| Using late night power | × | × | × | ○ | ○ |
(2) 케이스별 전기료 분석
Table 4는 운전방법에 따른 시스템 전기료와 히트펌프 COP를 나타낸다. 심야전력을 이용한 Case D와 Case E는 Case A와 Case B에 비교하여 연간 약 2.5% 전기료 절감 효과를 보였다. 하지만 히트펌프 단독운전을 실시하지 않은 Case E의 경우 난방운전 전기료가 약 3% 증가한 것을 확인하였다. 이는 새벽 시간 낮은 외기온을 사용하여 ST2 축열운전을 실시하였기 때문으로 판단된다.
Table 4
Case study on operation performance and electricity cost
4. 결 론
본 연구에서는 태양광열 모듈과 공기열원 히트펌프를 융합한 성능해석 모델을 구축하고 시스템 성능 향상 및 전기료 절감을 위하여 시뮬레이션 모델에 관한 성능해석을 실시하였다. 공기열원 히트펌프는 설치 및 유지보수비용이 저렴하여 다양한 기후조건 및 지형에서의 이용을 용이하게 한다. 하지만, 혹한기와 혹서기에 발생하는 피크부하에 대응하기 어려운 점이 있다. 본 논문에서 제안한 복합열원 시스템은 기간별로 운전방법을 다르게 하여 건물 냉난방 부하에 안정적으로 대응할 수 있게 해석모델을 구축하였으며, 동적 에너지 시뮬레이션을 이용하여 복합열원 시스템에 관한 해석을 실시하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
(1) 복합열원 시스템의 연 평균 히트펌프 COP는 3.59, HER은 706 kWh이며, 태양광을 이용하여 생산한 전력량은 연간 총 2,968 kWh, 복합열원 시스템에서 소비한 전력량은 연간 총 2,543 kWh이다. 전력생산량에 따른 에너지자립률은 116%로, 개별 시스템보다 피크부하에 안정적인 대응이 가능할 것으로 기대된다.
(2) 주간에 발생하는 피크부하의 안정적인 대응을 위하여, 운전방법에 따른 케이스 스터디를 수행하여 심야전력 사용률을 검토하였다. 기간에 따라 간헐적인 ST2 축열운전을 실시한 Case D의 경우, 월 평균 전기요금은 25,800원으로 운전방법 중 가장 저렴한 결과를 나타냈다. Case D가 다른 운전방법에 비해 전기료가 저렴한 이유는 냉방운전 중 심야시간대의 낮은 외기온을 열원으로 이용하여 ST2 축냉운전을 실시하여 심야전력 사용량을 높이고, 간절기 ST2의 축열부하가 발생하지 않았기 때문으로 판단된다. 특히 심야전력을 사용하지 않은 운전방법에 비하여 연간 약 2% 이상의 전력 사용량 절감 효과를 보였다.
(3) 케이스 스터디를 기간별로 해석한 결과, 1월과 12월은 히트펌프 단독 난방운전, 2월과 11월은 축열조 및 심야전력을 이용한 난방운전, 3월과 10월은 히트펌프를 이용한 단독 냉방운전, 4월~9월은 축열조 및 심야전력을 이용한 냉방운전을 실시하는 것이 융복합 시스템의 전력사용량을 획기적으로 낮출 수 있을 것으로 사료된다.
해석 연구의 경우, 해석 조건의 정확성이나 기상데이터의 신뢰성에 따라 성능 예측 결과에 오차가 발생할 수 있다. 따라서, 향후, 실증사이트에서 측정된 실측 결과와의 비교 분석을 실시하여 해석 모델의 타당성을 검증할 계획이다.
