복합부하가 발생하는 건물을 위한 축열식 히트펌프 시스템 구성 및 제어 방안

Abstract

건물이 고층화 되고 시공기술이 고도화 될수록 외피가 기밀해지고 열적 구획이 명확해지는 공간이 늘어나고 있다. 이러한 공간은 내부발열로 인한 열획득 때문에 공간의 냉방부하를 지속적으로 발생시키는 원인이 된다. 이와 같이 사계절 내내 냉방이 필요한 상황에 놓인 공간이 증가하고 있으며, 이러한 건물은 일 년 내내 냉각탑의 운전을 요구함으로써 외기만으로도 냉방이 충분히 가능한 시기나 특히 겨울철에 불필요한 에너지를 낭비하는 문제를 안고 있다. 이에 본 연구에서는, 복합부하가 발생하는 건물을 위한 축열식 히트펌프 시스템의 구성과 제어 전략을 도출하여, 제시한 Energy Balancing System 개념을 구현하고 실제 대상 공간에 적용하는 것을 목표로 하였다. 본 연구 결과에서 제시된 시스템 설계 및 구성 과정, 제어 전략은 Energy Balancing System을 구성하는 시스템을 설계하고 적용하는데 기초 자료가 될 것으로 기대된다.

본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.

(1) 히트펌프 시스템과 축열 시스템은 냉열과 온열을 동시에 생산하는 히트펌프와 열을 저장하는 축열조의 결합을 통해서 그 효과가 증대된다. 또한 건물의 주거형태, 사용시간, 용도 등에 의하여 에너지 절감 효과가 상이하므로 시스템을 적용할 대상의 선정이 중요하다. 따라서 건물의 다양한 용도나 공간의 부하를 결정하는 동시사용율에 따른 부하패턴을 파악하여 복합부하의 profile이 시스템의 구성에 활용되어야 한다.

(2) 복합부하에 따른 히트펌프와 축열조의 용량을 산정하는 방법을 제시하였다. 열원 시스템 용량설계를 수행할 때에는 복합부하의 profile 단위 기간을 정하여 각 부하에 해당하는 축열조 용량과 히트펌프 용량을 계산하고 이를 최종적으로 제시된 설계 방법을 거쳐 용량설계를 진행해야 한다. 그것은 냉방 또는 난방을 위해 계산된 각 열원의 용량이 가지고 있는 대응 능력과 그 반대부하의 열원 능력을 비교하는 과정과 냉방부하를 제거하기 위하여 설정된 열원 용량이 만드는 온열능력이 급탕부하와 같은 추가적인 온열부하에 사용되는 지를 판단하는 과정으로 이루어져 있다.

(3) 시스템 운전은 제어 전략의 제어 경향을 통하여 시스템의 효과를 입증하기 위한 목적으로 실시하였다. 따라서 시스템 주요지점의 취득열량과 방출열량을 계산하여 이를 비교하였다. 그 중 Storage System에서는 열의 생산량 및 취득량을 비교하여 히트펌프가 생산하는 냉열과 온열의 열량 손실의 차이와 축열조의 취득열량과 방출열량의 차이를 실제 운전을 통해 확인하였다.