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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 발행연도
- 2019
- 저작권
- 한밭대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수18
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무책임한 화석연료의 사용으로 인해 오늘날 전세계는 심각한 환경문제 및 에너지 고갈 문제를 겪고 있으나 에너지 수요는 2040년까지 현재 사용량 대비 약 30% 가량 증가할 것으로 예측되고 있다. 이로 인한 환경문제와 에너지 고갈 또한 심화될 것으로 예측되는 가운데 오늘날의 각 국가들은 화석연료 의존률 감소 및 신재생 에너지 개발을 통해 전술한 문제들을 해결하고자 한다. 그 중, 한국의 경우 사용되는 총 에너지의 약 95.8%를 해외 수입에 의존하고 있는 실정이며 국내 에너지 소비량의 약 35%가 건물의 냉, 난방을 위해 소비되고 있다. 이에 따라 냉, 난방 및 온수 생산을 위해 소비되는 화석연료를 절감하기 위한 방안으로 신재생에너지를 도입하고자 많은 연구들이 진행되었다. 그 중, 지열 히트펌프의 경우 설치 용량 대비 열 공급량이 높은 장점을 가지며 지중 및 지하수를 열원매체로 사용하여 연중 일정한 온도의 지열을 이용한 친환경적인 시스템이다. 지열 히트펌프는 개방형 시스템과 밀페형 시스템으로 분류가 가능하며 특히 개방형 시스템 중 SCW 지열 히트펌프의 경우 지하수 및 지표수 등을 직접 이용하여 효율이 높고 여타의 지중열 교환기에 비해 설치 면적이 적다. SCW 지열 히트펌프의 경우 다른 지열 히트펌프 시스템에 비해 투자비용이 약간 높지만 상대적으로 고장 발생이 적고 효율이 높은 장점을 가진다. 다수의 연구들은 SCW 지열 히트펌프 시스템에 대한 연구를 진행해 왔으나 축열조 유무에 따른 SCW 지열 히트펌프 시스템의 성능 향상을 위한 연구 및 실제 건물에 SCW 지열 히트펌프 시스템을 적용하여 소비되는 냉, 난방 에너지를 예측하는 연구는 부족한 것으로 나타났다. 이는 SCW 시스템을 시뮬레이션에 적용하기 위해 다양한 변수들을 고려해야 하지만 이를 구현하는데에는 어려움이 따르기 때문이다. 따라서, 본 연구에서는 축열조 유무에 따른 SCW 지열 히트펌프를 대상으로 정량적인 냉, 난방 에너지 소비량을 예측하고 이에 대한 신뢰성을 확보하기 위해 지열 히트펌프 시스템의 영향을 주는 다양한 입력변수를 고려한 D사의 냉, 난방 성능 카탈로그 데이터인 Technical Data Book(이하 TDB)의 데이터를 제공받아 정형화된 성능곡선을 산출하여 이를 적용하였다. 이와 더불어 성능곡선을 검증하는 작업을 통해 본 연구의 신뢰성을 확보하였으며 검증된 변수들을 토대로 냉, 난방 시 주거용 건물에서 가장 보편적으로 사용되는 일반 공조 시스템을 Case1, 축열조가 없는 SCW 히트펌프 시스템을 Case2, 그리고 축열조와 연동되서 작동하는 SCW 히트펌프 시스템을 Case3로 선정하여 각 Case간의 연간 냉, 난방 운전성능을 비교 분석 하였다. 이를 통해 실증 대상 건물인 대규모 주거용 건물에 SCW 히트펌프 설치 시 에너지 소비 효율을 극대화 할 수 있는 방안을 제시하고자 한다.
본 논문의 주요 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
(1) 본 연구에서 도출한 SCW 지열 히트펌프 시스템의 작동 온도에 따른 냉, 난방능력 성능곡선 계수 값의 Cv(RMSE)는 냉방 시 약 5.4%, 난방 시 약 10.1%를 나타냈으며, 작동 온도에 따른 냉, 난방 소비전력 성능곡선의 Cv(RMSE)는 냉방 시 약 8.2%, 난방 시 약 8.5%로 나타났다. 또한 각 성능곡선을 적용한 시뮬레이션 결과 데이터와 실측 데이터 상의 에너지 소비량의 Cv(RMSE)는 냉방 시 약 8.1%, 난방 시 약 8.3%로 합리적인 오차 허용범위 안에 드는 것으로 나타났다. 이를 통해 성능곡선을 이용해 SCW 지열 히트펌프 시스템의 정량적인 에너지를 정확히 예측할 수 있는 것으로 확인되었다.
(2) 하절기, 동절기 대표일의 에너지 소비량을 분석한 결과 Window air conditioner와 보일러 기반의 일반 공조시스템은 냉방 시 약 1,667.8kWh, 난방 시 약 5,861.6kWh의 에너지를 소비하였으며, 축열조가 설치되지 않은 SCW 지열 히트펌프 시스템은 냉방 시 약 1,288.9kWh, 난방 시 약 1,561.0kWh를 소비하였으며, 축열조와 연동된 SCW 지열 히트펌프 시스템은 냉방 시 약 1,047.6kWh, 난방 시 약 1,842.0kWh의 에너지를 소비하는 것으로 나타났다.
(3) Window air conditioner와 보일러 기반의 일반 공조시스템(Case_1)과 축열조가 설치되지 않은 SCW 지열 히트펌프 시스템(Case_2), 축열조와 연동된SCW지열 히트펌프 시스템(Case_3)의 냉, 난방 에너지 성능평가를 진행하기 위해 PLR 구간별 연간 누적 가동시간과 에너지 소비량을 분석한 결과, Case_1의 경우 0.0%이상 40.0%미만의 PLR 구간에서 냉방 시 약 72.0%, 난방 시 약 53.4%의 가동시간 비율을 보였으며 동일한 구간에서 전체 에너지 소비량 대비 냉방 시 약 39.0%, 난방 시 약 20.4%의 에너지 소비량 비율을 보였다. 축열조가 설치되지 않은 SCW 지열 히트펌프 시스템(Case_2)의 경우 0.0%이상 40.0%미만의 PLR 구간에서 냉방 시 약 48.5%, 난방 시 약 53.4%의 가동시간 비율을 보였으며 동일한 구간에서 전체 에너지 소비량 대비 냉방 시 약 23.3%, 난방 시 약 26.9%의 에너지 소비량 비율을 보였다.
(4) 반면, 축열조와 연동된 SCW 지열 히트펌프 시스템(Case_3)의 PLR 구간별 연간 누적 가동시간 및 에너지 소비량을 분석한 결과, 히트펌프 가동시간대에 전 부하 가동으로 인해 전체 에너지 소비량 대비 높은 PLR 구간인 90.0%이상 100.0%미만에서 냉방 시 약 96.4%, 난방 시 약 96.3%의 에너지를 소비하는 것으로 나타났다.
(5) 연간 냉, 난방 에너지 소비량을 비교한 결과 축열조와 연동된 SCW지열 히트펌프 시스템이 일반 공조시스템에 비해 냉방 시 약 17.4%, 난방 시 약 83.0%의 에너지 절감효과를 보였으며, 축열조가 없는 SCW지열 히트펌프 시스템에 비해 냉방 시 약 10.1%, 난방 시 약 20.8%의 에너지 절감효과를 보였다.
(6) 축열조 용량에 따른 SCW 지열 히트펌프의 연간 난방 에너지 소비량을 비교한 결과, 축열조 용량이 10m3일 때 80.2MWh로 가장 높게 나타났으며 800m3일 때 72.3MWh로 가장 적게 나타나 축열조 용량이 증가할수록 에너지 소비량이 감소하는 경향을 보였으나 일정 용량 이상으로 축열조 용량이 과대산정된 경우에는 에너지 소비량이 증가하였다.
본 논문의 주요 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
(1) 본 연구에서 도출한 SCW 지열 히트펌프 시스템의 작동 온도에 따른 냉, 난방능력 성능곡선 계수 값의 Cv(RMSE)는 냉방 시 약 5.4%, 난방 시 약 10.1%를 나타냈으며, 작동 온도에 따른 냉, 난방 소비전력 성능곡선의 Cv(RMSE)는 냉방 시 약 8.2%, 난방 시 약 8.5%로 나타났다. 또한 각 성능곡선을 적용한 시뮬레이션 결과 데이터와 실측 데이터 상의 에너지 소비량의 Cv(RMSE)는 냉방 시 약 8.1%, 난방 시 약 8.3%로 합리적인 오차 허용범위 안에 드는 것으로 나타났다. 이를 통해 성능곡선을 이용해 SCW 지열 히트펌프 시스템의 정량적인 에너지를 정확히 예측할 수 있는 것으로 확인되었다.
(2) 하절기, 동절기 대표일의 에너지 소비량을 분석한 결과 Window air conditioner와 보일러 기반의 일반 공조시스템은 냉방 시 약 1,667.8kWh, 난방 시 약 5,861.6kWh의 에너지를 소비하였으며, 축열조가 설치되지 않은 SCW 지열 히트펌프 시스템은 냉방 시 약 1,288.9kWh, 난방 시 약 1,561.0kWh를 소비하였으며, 축열조와 연동된 SCW 지열 히트펌프 시스템은 냉방 시 약 1,047.6kWh, 난방 시 약 1,842.0kWh의 에너지를 소비하는 것으로 나타났다.
(3) Window air conditioner와 보일러 기반의 일반 공조시스템(Case_1)과 축열조가 설치되지 않은 SCW 지열 히트펌프 시스템(Case_2), 축열조와 연동된SCW지열 히트펌프 시스템(Case_3)의 냉, 난방 에너지 성능평가를 진행하기 위해 PLR 구간별 연간 누적 가동시간과 에너지 소비량을 분석한 결과, Case_1의 경우 0.0%이상 40.0%미만의 PLR 구간에서 냉방 시 약 72.0%, 난방 시 약 53.4%의 가동시간 비율을 보였으며 동일한 구간에서 전체 에너지 소비량 대비 냉방 시 약 39.0%, 난방 시 약 20.4%의 에너지 소비량 비율을 보였다. 축열조가 설치되지 않은 SCW 지열 히트펌프 시스템(Case_2)의 경우 0.0%이상 40.0%미만의 PLR 구간에서 냉방 시 약 48.5%, 난방 시 약 53.4%의 가동시간 비율을 보였으며 동일한 구간에서 전체 에너지 소비량 대비 냉방 시 약 23.3%, 난방 시 약 26.9%의 에너지 소비량 비율을 보였다.
(4) 반면, 축열조와 연동된 SCW 지열 히트펌프 시스템(Case_3)의 PLR 구간별 연간 누적 가동시간 및 에너지 소비량을 분석한 결과, 히트펌프 가동시간대에 전 부하 가동으로 인해 전체 에너지 소비량 대비 높은 PLR 구간인 90.0%이상 100.0%미만에서 냉방 시 약 96.4%, 난방 시 약 96.3%의 에너지를 소비하는 것으로 나타났다.
(5) 연간 냉, 난방 에너지 소비량을 비교한 결과 축열조와 연동된 SCW지열 히트펌프 시스템이 일반 공조시스템에 비해 냉방 시 약 17.4%, 난방 시 약 83.0%의 에너지 절감효과를 보였으며, 축열조가 없는 SCW지열 히트펌프 시스템에 비해 냉방 시 약 10.1%, 난방 시 약 20.8%의 에너지 절감효과를 보였다.
(6) 축열조 용량에 따른 SCW 지열 히트펌프의 연간 난방 에너지 소비량을 비교한 결과, 축열조 용량이 10m3일 때 80.2MWh로 가장 높게 나타났으며 800m3일 때 72.3MWh로 가장 적게 나타나 축열조 용량이 증가할수록 에너지 소비량이 감소하는 경향을 보였으나 일정 용량 이상으로 축열조 용량이 과대산정된 경우에는 에너지 소비량이 증가하였다.
목차
목 차표 목 차 ⅲ그 림 목 차 ⅳ국 문 요 약 ⅶ1. 서 론 11.1 연구의 배경 및 목적 11.2 연구 방법 및 범위 72. 이론적 배경 92.1 SCW 지열 히트펌프 시스템 개요 92.2 축열조 시스템 개요 103. 시뮬레이션 개요 123.1 시뮬레이션 프로그램 (EnergyPlus) 123.2 시뮬레이션 조건 133.2.1 분석 대상 건물 133.2.2 시스템 작동 및 내부발열 스케줄 153.2.3 바닥난방 시스템 (Radiant floor heating system) 173.3 HVAC System 조건 183.3.1 일반 공조 시스템 (Case_1) 203.3.2 SCW 지열 히트펌프 (Case_2) 213.3.3 축열조 연동 SCW 지열 히트펌프 (Case_3) 223.4 Simulation Case 244. 열원장치 성능곡선 산출 및 정확도 검증 254.1 열원장치 성능곡선 254.1.1 일반 공조 시스템 성능곡선 (Case_1) 324.1.2 SCW 지열 히트펌프 시스템 성능곡선 (Case_2, 3) 344.2 성능곡선 정확도 검증 및 Calibration 365. 냉난방 대표일 에너지 성능 분석 415.1 대표일 선정 및 부하 패턴 분석 415.2 축열조 유무에 따른 SCW 지열 히트펌프 가동 패턴 분석 445.3 대표일 PLR 분석 475.3.1 냉방 대표일 PLR 분석 475.3.2 난방 대표일 PLR 분석 505.4 대표일 COP 분석 535.4.1 냉방 대표일 COP 분석 535.4.2 난방 대표일 COP 분석 565.5 대표일 에너지 소비량 분석 595.5.1 냉방 대표일 에너지 소비량 분석 595.5.2 난방 대표일 에너지 소비량 분석 625.6 연간 에너지 소비 패턴 분석 645.6.1 PLR 구간별 누적 가동시간 및 에너지 소비량 분석 (Cooling) 645.6.2 PLR 구간별 누적 가동시간 및 에너지 소비량 분석 (Heating) 675.7 연간 월별 에너지 소비량 비교 705.8 축열조 용량별 에너지 소비량 비교 736. 결 론 76참고문헌 80ABSTRACT 85표 목 차[표 3-1] Simulation conditions 16[표 3-2] 시스템 가동 조건 및 세부 용량 19[표 3-3] Simulation case 24[표 4-1] Window air conditioner performance curve coefficients 33[표 4-2] Boiler performance curve coefficients 33[표 4-3] Heat pump performance curve coefficients 35[표 4-4] Acceptable calibration tolerances 38[표 4-5] Validation and calibration for cooling mode 38[표 4-6] Validation and calibration for heating mode 39[표 4-7] Validation and calibration for cooling and heating mode 40[표 5-1] 실내 공기 온도 (Cooling, July 11th) 61[표 5-2] Annual PLR data (Cooling) 66[표 5-3] Annual PLR data (Heating) 69[표 5-4] Annual cooling energy consumption [MWh] 71[표 5-5] Annual heating energy consumption [MWh] 73[표 5-6] 축열조 용량별 SCW 지열 히트펌프 난방 에너지 소비전력 75그 림 목 차[그림 1-1] Study flow chart 8[그림 2-1] 축열조가 설치된 지열 히트펌프 시스템 계통도 10[그림 3-1] 통합화된 EnergyPlus 시뮬레이션의 유기적 관계 13[그림 3-2] 해석대상 건물 외관 14[그림 3-3] 해석대상 건물 단면도 14[그림 3-4] 내부 발열 스케줄 16[그림 3-5] Variable flow low temperature radiant 시스템 제어 18[그림 3-6] Radiant 시스템 세부 사항 19[그림 3-7] Window air conditioner, Boiler 기반 일반 공조시스템 (Case_1) 20[그림 3-8] SCW 지열 히트펌프 (Case_2) 22[그림 3-9] 축열조 연동 SCW 지열 히트펌프 (Case_3) 23[그림 4-1] SCW 부하측 및 열원측 입수온도변화에 따른 냉방능력비 30[그림 4-2] SCW 부하측 및 열원측 입수온도변화에 따른 난방능력비 31[그림 4-3] SCW 부하측 및 열원측 입수온도변화에 따른 냉방전기소비량비 31[그림 4-4] SCW 부하측 및 열원측 입수온도변화에 따른 난방전기소비량비 32[그림 4-5] Boiler 성능 곡선 34[그림 4-6] SCW 지열 히트펌프 냉방 COP 곡선 35[그림 4-7] SCW 지열 히트펌프 난방 COP 곡선 36[그림 5-1] 대표일 부하 패턴 및 외기온 분석 43[그림 5-2] Radiant 시스템 internal 온도 43[그림 5-3] 축열조가 설치되지 않은 SCW 가동 패턴 (Case_2) 46[그림 5-4] 축열조 연동의 SCW 지열히트펌프 가동패턴 (Case_3) 46[그림 5-5] Part load ratio on cooling representative day (Case_1) 49[그림 5-6] Part load ratio on cooling representative day (Case_2) 49[그림 5-7] Part load ratio on cooling representative day (Case_3) 50[그림 5-8] Part load ratio on heating representative day (Case_1, 2) 52[그림 5-9] Part load ratio on heating representative day (Case_3) 52[그림 5-10] COP on cooling representative day (Case_1) 54[그림 5-11] COP on cooling representative day (Case_2) 55[그림 5-12] COP on cooling representative day (Case_3) 55[그림 5-13] Boiler efficiency on heating representative day (Case_1) 58[그림 5-14] COP on heating representative day (Case_3) 58[그림 5-15] Energy consumption on July 11th 61[그림 5-16] Energy consumption on January 24th 63[그림 5-17] Cooling electricity consumption in each PLR 66[그림 5-18] Heating energy consumption in each PLR 69[그림 5-19] Monthly cooling energy consumption 71[그림 5-20] Monthly heating energy consumption 72[그림 5-21] 축열조 용량별 SCW 지열 히트펌프 난방 에너지 소비 전력 75
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