축열식 동시냉난방 시스템의 부하제거에 대한 규칙

Abstract

축열식 동시냉난방 시스템은 최대부하가 발생하는 시기에 부하를 저감하기 위하여 비교적 저렴한 심야전력을 이용하여 냉난방에너지를 미리 생산하고 저장하는 용도로 적용되어왔다. 하지만 심야 기간 중에 상당한 양의 에너지를 생산하고 저장해야 하므로, 히트펌프와 축열조의 용량이 비교적 크게 요구되어 초기투자비가 높은 한계가 있었다. 만약 주간에 냉난방부하가 동시에 발생하는 건물의 경우에는 주/야간 관계없이 히트펌프를 작동하는 것이 심야전력만을 이용하는 것 보다 유리할 수 있다. 하지만 심야에만 축열하는 운영에 비해 축열식 동시냉난방 시스템으로 제거할 수 있는 부하가 복잡하게 나타나므로, 해당 시스템으로 얼마만큼의 부하를 제거할 수 있을지 판단하기가 어렵다. 이에 본 연구에서는 주/야간 관계없이 축열식 동시냉난방 시스템을 운영하는 경우에 부하의 발생양상 및 시스템 규모에 따라 제거되는 부하에 대한 규칙을 분석하고, 이를 활용하여 부하제거량을 간략하게 도출하는 방안을 제안하였다. 본 연구의 목적을 달성하기 위하여 먼저 1) 연구의 대상이 되는 축열식 동시냉난방 시스템의 세부 구성요소를 도출하고, 2) 시스템의 실제 부하제거 양상을 파악하기 위한 부하제거 메커니즘을 제안하였다. 다음으로 3) 제안된 메커니즘으로 부하가 발생하는 양상에 따라 시스템이 제거할 수 있는 부하의 양상을 분석하여 이를 규칙화하였다. 마지막으로 4) 도출된 정성적인 부하제거 규칙을 적용하여 제거할 수 있는 부하의 개략값을 도출하는 방안을 제안하고, 제안한 방안을 실제 부하제거 메커니즘과 비교하여 검증하고 시스템 계획단계에서 활용하는 예시를 드는 과정으로 연구를 진행하였다. 본 논문의 결과를 요약하면 다음과 같다.

1) 축열식 동시냉난방 시스템은 기본적으로 히트펌프와 축열조로 구성된다. 여기에 복사냉난방을 적용하면 대류냉난방에 비해 저온의 난방수와 고온의 냉방수로도 냉난방이 가능하므로 열량 손실, 히트펌프 효율에서의 이점 및 설치된 히트펌프 만으로 지열과 폐수열을 열원으로 활용할 수 있다.

2) 부하제거 메커니즘은 축열식 동시냉난방 시스템의 모델에 의한 상세 시뮬레이션과 에너지의 이동만을 고려한 개략적 메커니즘으로도 구현할 수 있다. 제안된 개략적 메커니즘은 상세 시뮬레이션에 비해 정확도는 다소 떨어지나 부하를 제거하는 양상은 같으며 더 간략하고 직관적이다.

3) 축열식 동시냉난방 시스템의 부하제거 양상의 유형은 동시부하가 발생할 때의 실시간 밸런싱과 비동시부하 간 밸런싱으로 구분할 수 있다. 부하제거 규칙으로는 첫 번째로 동시부하가 발생할 때 히트펌프를 작동할 수 있다면 히트펌프 용량 이하의 동시부하 만큼은 제거 가능하다는 것과 두 번째로 해당 작동기간 내, 해당/이전 작동기간 사이 및 해당/다음 작동기간의 비동시부하간 밸런싱으로 동시부하보다 더 많은 부하를 제거할 수 있다는 것이 있다.

4) 부하제거 규칙에 따르면 기본적으로 동시부하가 일어날 때 히트펌프 용량 이하의 부하량 만큼을 시스템으로 제거 가능하다. 추가적으로는 먼저 발생하는 비동시부하 중에서 히트펌프 용량 이하 량과 반대편 부하의 축열조 용량 중에서 작은 값만큼 제거 가능하다. 이를 활용하여 도출한 부하제거량의 개략값은 부하발생 양상이 다양할수록 오차가 적다. 단, 특정 부하발생 양상이 반복되는 경우에는 상당한 오차가 발생할 수 있으므로, 시뮬레이션에 의한 분석이 추가로 필요하다.