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문제 정의
- 따라서 본 논문에서 정의한 소규모 분산에너지 시스템은 DER 범주에 포함되며 에너지를 단위로 구성되는 DER은 특히 열병합(CHP : Cooling, Heating and Power)시스템이 에너지이용률향상과 에너지자원 유효이용 및 환경부하 감축과 열오염방지를 위하여 선택이 불가피하며 이러한 관점에서 빌딩의 CHP를 BCHP시스템으로 정의하였으며 신재생에너지 직접으로 건물에 도입되고 있는 태양광, 태양열, 지열 및 풍력발전시스템을 포함한 마이크로소오스의 새로운 에너지시스템을 빌딩용 마이크로그리드로 정의할 수 있다[5-6]. 따라서 본 연구는 빌딩마이크로그리드 구축모델을 제시하기 위한 사례 연구로 대형병원의 에너지 소비패턴을 분석한 후 에너지 사용에 대한 문제점 및 개선안을 도출하고 신재생에너지 및 마이크로가스터빈을 적용할 경우 기존 시스템 대비 냉난방에너지 절감량 및 전기에너지 절감량을 분석함으로서 대형병원의 에너지 소비량을 절감하기 위하여 효과적인 시스템의 선정을 위한 기초 자료를 제시하고 특히 지열과 마이크로터빈시스템의 하이브리드에너지시스템의 에너지 성능 분석과 경제성평가 결과를 제시함으로서 빌딩의 마이크로그리드 시스템 구축에 정량적 해석방법 및 구체적인 설계자료를 도출하였다.
- 본 연구에서는 대학병원의 에너지 사용량을 예측하기 위해서 2007년도의 에너지 사용량을 시뮬레이션으로 재현하기 위해 2007년도 대전기상데이터를 시뮬레이션을 위한 포맷(TMY)로 제작하였다. 대전지역 기상자료의 주요 제원은 습구온도, 건구온도, 대기압, 운량, 풍향, 상대습도, 확산일사량, 직달일사량, 풍속 등 9개 항목이며 시간별 표준 기상자료를 근거로 월별 통계 처리한 결과는 참고문헌 [2]를 참고하였다.
제안 방법
- EED에서의 지중열교환기 길이를 계산하기 위해 시추할 지중의 물성치, 시추공과 열교환기의 종류 및 물성치, 열매체의 물성치의 입력 변수를 입력하였다. 성능평가를 수행한 결과 얻어진 월별 기본 부하 및 피크 부하를 입력 방식에 맞도록 입력하였으며 입력한 데이터는 표 7에 나타내었다.
- K 병원에서 발생하는 냉난방 부하를 지열 히트펌프로 해소하기 위해 시추공의 깊이 및 이격거리를 최적화 시뮬레이션을 수행하였다. 표 8과 같이 5가지의 구성을 추출하였으며 그 중 시추공의 개수 및 차지하는 면적이 가장 합리적이라고 사료되는 Config.
- K대학교 병원에서 소비되는 에너지를 1차적으로 마이크로 가스터빈을 이용하여 발전된 전기를 이용하고 발전과정에서 발생하는 고온의 배열을 이용하여 난방 및 냉방에너지원으로 활용하였다. 그러나 마이크로가스터빈의 배열이 K대학교 병원에서 사용되는 냉난방 에너지의 70[%]정도를 공급할 수 있기 때문에 전체 냉난방에너지의 30[%]는 부족하게 된다.
- K대학교병원에서 연간 소비되는 에너지 중 난방에너지 132[MWh](5.0[kWh/㎡])와 냉방에너지지 2,111[MWh](80.1[kWh/㎡])를 절약할 수 있도록 지중열교환기(geothermal heat exchanger)를 설치 유효공간, 지질의 타입 등의 지리적 요건과 굴착비용 등의 경제성을 고려하여 폐쇄형(Closrd Lope) 지중열교환기 중 Double-U 타입의 수직형 열교환기를 선정하였으며 지열 히트펌프 시스템을 적용하여 분석하였다.
- 위생 기구수는 도면을 이용하여 산출하였으며 위생 기구당 필요 급탕량은 설비 설계집을 참고하고 동시사용률 25[%]를 적용하여 시간당 예상급탕량([ℓ/h])을 산출하였다. 급탕축열조의 용량은 시간당예상급탕량을 4시간 지속시킬 수 있도록 하였으며 그 결과 50,000리터로 하였다. 자세한 급탕량 산정결과를 아래의 표 3에 나타내었다.
- 본 연구에서는 대학병원의 에너지 사용량을 예측하기 위해서 2007년도의 에너지 사용량을 시뮬레이션으로 재현하기 위해 2007년도 대전기상데이터를 시뮬레이션을 위한 포맷(TMY)로 제작하였다. 대전지역 기상자료의 주요 제원은 습구온도, 건구온도, 대기압, 운량, 풍향, 상대습도, 확산일사량, 직달일사량, 풍속 등 9개 항목이며 시간별 표준 기상자료를 근거로 월별 통계 처리한 결과는 참고문헌 [2]를 참고하였다.
- 대형병원 신재생에너지 적용성 검토를 위해 본 연구에서는 2007년도 에너지 사용량을 조사하였다. 에너지 사용량은 크게 냉난방에너지, 조명에너지, 기기에너지로 크게 구분하여 조사하였으며, 그 결과는 참고 문헌 [3]의 결과를 활용하였다.
- 대형병원의 경우 일반 사무소 건물과 달리 불특정다수인이 출입하는 비율이 높을 뿐만 아니라 재실시간이 비교적 짧은 특징이 있는 건물이기 때문에 재실자의 수를 이용한 급탕량 산정보다는 위생기구수와 동시사용률을 적용하여 급탕량을 계산하였다. 위생 기구수는 도면을 이용하여 산출하였으며 위생 기구당 필요 급탕량은 설비 설계집을 참고하고 동시사용률 25[%]를 적용하여 시간당 예상급탕량([ℓ/h])을 산출하였다.
- 그러나 마이크로가스터빈의 배열이 K대학교 병원에서 사용되는 냉난방 에너지의 70[%]정도를 공급할 수 있기 때문에 전체 냉난방에너지의 30[%]는 부족하게 된다. 따라서 부족한 전체냉난방에너지의 30[%]를 지열원 히트펌프로 대치하고 마이크로 가스터빈 연합운전을 할 경우 에너지 성능 분석을 실시하였다.
- 673에 대하여 분석하였다. 본 연구에서는 그림 10과 같이 폐쇄형 지중열교환기를 Double-U 타입의 수직형 열교환기를 선정하였으며 지열 히트 펌프 시스템을 적용하여 분석하였다.
- 산출된 년 간 에너지 소비량을 신재생에너지 및 마이크로 가스터빈에 의해 절감되는 전기 및 가스량을 현재가로 환산하여 년간 에너지 절감비용을 산출하였다. 표 9는 대형병원에 적용되는 시스템의 용량 및 설치대형병원에 적용 가능한 신재생에너지 및 마이크로 가스터빈에 대한 경제성 분석을 위해 현재 냉난방시스템에서 소비되는 연간 전기 및 가스에너지 소비비용을 나타내고 있다.
- 대형병원 신재생에너지 적용성 검토를 위해 본 연구에서는 2007년도 에너지 사용량을 조사하였다. 에너지 사용량은 크게 냉난방에너지, 조명에너지, 기기에너지로 크게 구분하여 조사하였으며, 그 결과는 참고 문헌 [3]의 결과를 활용하였다.
- 대형병원의 경우 일반 사무소 건물과 달리 불특정다수인이 출입하는 비율이 높을 뿐만 아니라 재실시간이 비교적 짧은 특징이 있는 건물이기 때문에 재실자의 수를 이용한 급탕량 산정보다는 위생기구수와 동시사용률을 적용하여 급탕량을 계산하였다. 위생 기구수는 도면을 이용하여 산출하였으며 위생 기구당 필요 급탕량은 설비 설계집을 참고하고 동시사용률 25[%]를 적용하여 시간당 예상급탕량([ℓ/h])을 산출하였다. 급탕축열조의 용량은 시간당예상급탕량을 4시간 지속시킬 수 있도록 하였으며 그 결과 50,000리터로 하였다.
대상 데이터
- 태양광발전 모듈은 크게 결정체와 비결정체로 구분할 수 있으며 결정체가 비결정체보다 발전효율이 20[%]이상 높지만 비결정체는 창호나 필름의 형태로 건축물에 다양하게 적용할 수 있는 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 창호를 제외한 남측면 외벽에 태양광발전모듈을 적용하였으며 분석결과는 다음과 같다. 그러나 음영에 의한 발전효율이 민감하게 변하는 단점을 가지고 있기 때문에 인접건물이나 수목 그리고 자체 돌출부에 의해 형성된 음영에 의해 발전량이 크게 변하는 단점을 가지고 있다.
데이터처리
- K 병원에서 발생하는 냉난방 부하를 지열 히트펌프로 해소하기 위해 시추공의 깊이 및 이격거리를 최적화 시뮬레이션을 수행하였다. 표 8과 같이 5가지의 구성을 추출하였으며 그 중 시추공의 개수 및 차지하는 면적이 가장 합리적이라고 사료되는 Config.673에 대하여 분석하였다. 본 연구에서는 그림 10과 같이 폐쇄형 지중열교환기를 Double-U 타입의 수직형 열교환기를 선정하였으며 지열 히트 펌프 시스템을 적용하여 분석하였다.
이론/모형
- 태양열 급탕 시스템의 에너지 성능분석을 위해 TRNSYS를 사용하였다. TRNSYS에 모델링된 구성도는 그림 5와 같다.
성능/효과
- (1) K대학교 병원 진료부의 에너지 소비량은 2,243[MWh](85.1[kWh/㎡])이며 지열히트펌프 시스템을 적용하였을 경우 절감할 수 에너지는 2,199[MWh](83.5[kWh/㎡])로 98[%]를 절감할수 있는 것으로 나타났다.
- (2) 마이크로터빈에 의하여 발전된 전기량은 연간 4,368[MWh]로 전체전기에너지사용량의 43[%]를 점유하며 또한 터빈에서 발생되는 배열을 냉난방에너지로 사용하는 경우 난방 및 냉방의 에너지 절감량은 각각 93[%], 84[%]로 나타났으며 열병합 발전시스템 효율은 79[%]로 상승되었다.
- (3) 연합운전의 에너지성능평가 결과 병원진료부 전체 냉난방에너지를 공급가능한 것으로 나타났다.
- (4) 각 마이크로소오스를 대형 병원에 적용하여 운전하는 경우 지열 및 MTG시스템의 복합하이브리드 에너지시스템이 연감 절감액이 2.44억원으로 에너지 절감효과가 가장 좋았다.
- 그림 6에서 제시한 태양의존률을 이용하여 전체 급 탕부하중 태양열 시스템에 의해 공급할 수 있는 열량을 산출할 수 있다. 그 결과 그림 7과 같이 전체 급탕에너지 사용량 중 평균 66.7[%]를 태양열 시스템으로 공급할 수 있으며 이것을 연료비로 환산할 경우 150만원/월에서 300만원/월까지 절감 가능한 것으로 분석되었으며 년간 2,800만원 정도이다. 년간 CO2 절감량은 86.
- 그 결과 시추공 69개를 뚫었을 때 시추공의 깊이는 152.67[m], 총 시추공의 길이는 10,557[m]로 나타났으며 냉방 피크 부하에서 유체의 온도는 8월에 61.21[℃]이며, 난방 피크 부하에서 유체의 온도는 1월에 8.78[℃]로 나타났다. 그 결과는 그림 12에 표시하였다.
- 이는마이크로터빈으로 K병원의 병원동에 냉난방에너지를 70[%] 공급이 가능하기 때문에 30[%]을 지열원 히트펌프로 담당하는 연합운전에너지 성능 분석한 것이다. 마이크로터어빈의 연간발전효율은 31.6[%]이며 전체전기에너지 사용량의 43[%]를 생산하며 연합운전시 병원진료부 냉난방에너지는 충분히 공급하고 있음을 확인하였다.
- Earth Energy Design(EED)은 시추공 열교환 설계를 위한 컴퓨터 프로그램이다. 사용상의 편의성, 학습용이 및 빠른 계산 시간과 고유의 데이터베이스를 가진 EED는 지열 히트펌프 시스템(GSHP)과 지열의 설계를 위한 엔지니어링 작업의 유용한 도구로 개발되었다.
- 시뮬레이션 결과 963[㎡]의 태양광 모듈을 설치시 생산되는 에너지는 연간 150,479[kWh]이며 K대학병원의 총 조명부하의 6[%]에 해당된다.
- 현재 대형병원에서 소비되는 년간 가스요금은 약 2억 7천 4백만원이며, 전기에너지는 9억 4천 6백만원으로 총 12억 2천여만원을 에너지비용으로 소비하고 있는 것으로 분석되었다. 여기에 마이크로 가스터빈을 적용할 경우 터빈에 사용되는 가스사용량의 증가에 의해 가스요금은 5억 6백만원으로 증가하였지만 전기요금은 5억 3천 9백만원으로 감소 하여 년간 1억 7천 5백만원의 에너지비용이 감소하는 것으로 나타났다. 그림 16의 각 시스템별 절감액은 표 9에 나타냈으며 열병합 및 지열시스템 연합운전에서 연간 절감 비용은 2.
- 7[kWh/㎡])를 얻을 수 있다. 즉, 연간 총 냉난방에너지 2,24[MWh](85.1[kWh/㎡])의 117[%]인 2,621[MWh](99.5[kWh/㎡])를 지중에서 열교환기를 통해 에너지를 획득하여 사용할 수 있으며 22[%]인 466[MWh](17.7[kWh/㎡])가 히트펌프에 전기에너지가공급되는 것으로 나타났다.
후속연구
- 본 연구에서는 마이크로 가스터빈을 일정한 속도로 일정한 전기가 발전되도록 입력한 후 계산된 결과이며, 추후 연구에서는 건물의 전기 및 열에너지 소비량의 변동에 따른 변속운전을 할 경우 에너지 절감율을 분석하고, 분석된 시스템의 설치단가와 에너지 절감율을 고려한 경제성 분석을 실시할 예정이다.
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