[논문]ATES 열펌프 시스템 성능 및 경제성 분석에 관한 연구

오명석; 최종민

doi:10.6110/kjacr.2012.24.4.289

ATES 열펌프 시스템 성능 및 경제성 분석에 관한 연구
Study on the Performance of an ATES Geothermal Heat Pump System and Economic Analysis 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.24 no.4, 2012년, pp.289 - 296

오명석 (국립 한밭대학교 기계공학과) , 최종민 (국립 한밭대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The aim of this study is to investigate the performance of a heating and cooling system with aquifer thermal energy storage(ATES heat pump system) known as one of the underground thermal energy storage application systems. The ATES system was composed of heat pump unit and ATES, which was installed in a factory building located in Anseoung. The system represented very high heating and cooling performance, and showed nearly constant COP at each heating and cooling season due to the stability of EWT. The economic analysis about an ATES system and a conventional system was also executed. The conventional system adopted an air-conditioner in the summer season and a LNG boiler in the winter season. The payback period of the ATES system was estimated by 6.62 years.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이를 기반으로 ATES 시스템에 대한 경제성 분석을 수행하였으며, 기존에 널리 사용되고 있는 에어컨과 LNG 보일러 시스템과의 경제성을 비교 평가하였다. 본 연구를 통하여 ATES 시스템의 국내 적용을 위한 기초자료를 제공하고자 한다.
본 연구에서는 ATES 시스템을 설계 및 시공하여 하절기와 동절기의 실증 성능 분석을 수행하였다. 이를 기반으로 ATES 시스템에 대한 경제성 분석을 수행하였으며, 기존에 널리 사용되고 있는 에어컨과 LNG 보일러 시스템과의 경제성을 비교 평가하였다.
본 연구에서는 ATES 시스템의 경제성 분석을 위해 ATES 실증 시스템에 대한 데이터 취득 및 분석을 수행하였다. 따라서 경제성 분석 관련 DB로 활용될 수 있는 범위에 국한하여 ATES 시스템의 성능을 간략히 분석하였다.
그러나 전체 시스템의 초기 설치비가 기존 냉․난방 설비보다 다소 큰 것이 단점이 있다. 이에 본 연구에서는 국내에 처음 시공하여 얻은 ATES 시스템의 성능 자료와 시공비용 등을 활용하여 경제성 분석을 수행하였다.

가설 설정

본 연구에서는 경제성 평가를 위하여, ATES 시스템 실증 시스템 설치용량인 20 RT를 대상 건물로 가정하였고, 이에 대해 초기투자비를 선정하였다. 초기투자비는 크게 공사비와 냉난방 설비 구입비로 구성되어 있으며, 기존 시스템에 대해서는 (사)한국물가정보(KPI)의 고시 데이터를 사용하였다.
따라서, 본 연구에서는 20년을 생애주기로 선정하였으며, 초기투자비 산정시에는 에어컨과 보일러의 교체비용을 함께 고려한 것이다. 유지보수 비용은 초기투자비용의 2.5%로 가정하였다. 할인율은 은행 예금이자를 기준으로 5%로 설정하였다.

제안 방법

(13) 따라서 본 연구에서는 생애주기법을 통해 각 시스템의 설치 및 운전에 필요한 총 소요비용을 구하고, 이 결과를 바탕으로 투자회수 기간법을 통해 ATES 시스템의 투자회수 기간을 산정하였다.
ATES 시스템에 대한 경제성 평가 결과를 기존의 시스템과 비교 분석하기 위하여 난방은 LNG 보일러를 적용하고, 냉방은 공기열원 에어컨을 사용하는 시스템을 선정하였다.
초기투자비는 크게 공사비와 냉난방 설비 구입비로 구성되어 있으며, 기존 시스템에 대해서는 (사)한국물가정보(KPI)의 고시 데이터를 사용하였다. ATES 시스템은 국내 시공 사례가 전무하여 본 연구의 사이트 설치 및 구축에 투입된 비용으로 산정하였다. 이때, 연구용 데이터 취득 등을 위한 전력계 및 DAQ 시스템과 센서들의 비용은 제외하였다.
RTD 센서를 이용하여 지중순환수의 열펌프 유닛 실외열교환기 입․출구 온도를 측정하였으며, RTD의 정확도는 ±0.15o C이다.
7 ㎜)을 지층조건에 따라 설치하였다. 굴착지름과 우물자재 사이공간에 입경 2에서 8 ㎜의 자갈을 충진하였으며, 지하 수위 상부부터 지표하 1.5 m 구간은 그라우팅을 실시하였다.
실내 부하 공간에는 2개의 FCU가 설치되어 축열조로부터 계절에 따라 냉수 또는 온수가 공급되어 냉난방 기능을 수행한다. 대수층으로부터 열펌프로 지하수를 공급하기 위하여 2개의 주입정과 양수정을 설치하였다. 여름 냉방 운전 중에 한 개의 우물공으로부터 지하수가 열펌프 유닛의 실외열교환기로 유입된 후 타 우물공에 축열하고, 동절기에 여름에 축열된 우물공으로부터 지하수가 열펌프로 유입되어 타 우물공에 주입한다.
본 연구에서는 ATES 시스템의 경제성 분석을 위해 ATES 실증 시스템에 대한 데이터 취득 및 분석을 수행하였다. 따라서 경제성 분석 관련 DB로 활용될 수 있는 범위에 국한하여 ATES 시스템의 성능을 간략히 분석하였다.
본 연구에서는 국내 최초로 ATES 시스템에 대한 실증 시스템을 구축하여 하절기와 동절기의 단기 성능을 분석하고, 이를 기반으로 기존의 냉난방 시스템인 LNG 보일러와 에어컨과의 경제성을 비교 분석하여 다음의 결론을 얻었다.
본 연구에서는 열펌프의 실내열교환기를 순환하는 지하수의 입출구 온도와 유량으로 냉방 및 난방 용량을 산정하였으며(식(1)), 열펌프 유닛 COP와 시스템 COP는 각각 식(2)와 식(3)으로 계산하였다. 시스템 COP는 열펌프의 소비전력과 심정펌프의 소비 동력을 고려한 ATES 시스템 COP이다.
열펌프 유닛의 소비전력은 적산전력계(WT 230, Yokogawa Co., 정확도：±0.2%)로 측정하였으며, 순환수의 유량은 마그네틱 체적유량계(KTM-800, Korea flow meter Co., 정확도：±0.5%)를 설치하여 측정하였다.
이때, 냉난방 기간은 각각 3개월과 5개월로 선정하였으며 부하율 80%를 사용하였다. 운전비용은 물가상승율과 할인율 등을 감안하여 생애운전비용 산정 시에 계산하였다. LNG 가스의 연료비가 높기 때문에 난방의 경우에 ATES 시스템의 운전비용이 매우 크게 절감되었으며, 냉방의 경우에도 공기열원 에어컨보다 ATES 시스템의 열원측 온도 조건이 양호하여 운전비용이 절약되었다.
시스템의 상세 초기투자비는 Table 2에 나타내었으며, 각 시스템의 성능 데이터와 전기요금, LNG 가스요금을 바탕으로 일일 8시간 사용기준으로 계절별 전력요금을 고려하여 초기 연간 운전 비용을 Table 3과 같이 산정하였다. 이때, 냉난방 기간은 각각 3개월과 5개월로 선정하였으며 부하율 80%를 사용하였다. 운전비용은 물가상승율과 할인율 등을 감안하여 생애운전비용 산정 시에 계산하였다.
본 연구에서는 ATES 시스템을 설계 및 시공하여 하절기와 동절기의 실증 성능 분석을 수행하였다. 이를 기반으로 ATES 시스템에 대한 경제성 분석을 수행하였으며, 기존에 널리 사용되고 있는 에어컨과 LNG 보일러 시스템과의 경제성을 비교 평가하였다. 본 연구를 통하여 ATES 시스템의 국내 적용을 위한 기초자료를 제공하고자 한다.
생애주기법을 통하여 기존 시스템에 대한 ATES 시스템의 효용가치가 검증되었지만, 초기투자비를 회수하는 기간이 합리적이지 않다면 경제적인 이득이 없다. 이를 분석하기 위해 본 연구에서는 추가적으로 투자회수기간법을 이용한 경제성 평가를 통해 ATES 시스템을 설치하기 위해 투자된 금액을 회수할 수 있는 기간을 산정하였다. 일반적으로 사용 되는 기존의 장치를 대신하여 새로운 대안이 되는 장치를 설치하는 경우의 투자회수기간은 식(6)과 같이 계산하였다.

대상 데이터

Table 1은 경제성 평가에 사용되는 계절별 전기요금과 LNG 가스요금을 나타내며, 각각 (주)한국전력공사와 (주)한국가스공사의 2011년 고시요금을 참조하였다.
각 시스템에 대한 생애주기 비용을 환산하기 위하여 에어컨과 보일러의 가용연수는 각각 10년 과 7년으로 선정하였고, ATES 시스템의 가용연수를 20년으로 설정하였다. 따라서, 본 연구에서는 20년을 생애주기로 선정하였으며, 초기투자비 산정시에는 에어컨과 보일러의 교체비용을 함께 고려한 것이다.
각 시스템에 대한 생애주기 비용을 환산하기 위하여 에어컨과 보일러의 가용연수는 각각 10년 과 7년으로 선정하였고, ATES 시스템의 가용연수를 20년으로 설정하였다. 따라서, 본 연구에서는 20년을 생애주기로 선정하였으며, 초기투자비 산정시에는 에어컨과 보일러의 교체비용을 함께 고려한 것이다. 유지보수 비용은 초기투자비용의 2.
본 연구의 ATES 시스템 적용 대상 사이트는 안성에 소재한 J기업의 작업실이다. 지상 1층으로 구성되어있으며, 작업자들이 주간에 기업에서 생산되는 제품을 조립하는 작업공간이다.
지중 온도 변화 모니터링을 위하여 PW-1과 PW-2 사이에 5개의 관측공을 시공하였으며, 관측 공에는 T형 열전대(T-Type, Omega Co., 정확도：±0.15%)를 지중에 매설하였다.
본 연구에서는 경제성 평가를 위하여, ATES 시스템 실증 시스템 설치용량인 20 RT를 대상 건물로 가정하였고, 이에 대해 초기투자비를 선정하였다. 초기투자비는 크게 공사비와 냉난방 설비 구입비로 구성되어 있으며, 기존 시스템에 대해서는 (사)한국물가정보(KPI)의 고시 데이터를 사용하였다. ATES 시스템은 국내 시공 사례가 전무하여 본 연구의 사이트 설치 및 구축에 투입된 비용으로 산정하였다.

이론/모형

ATES 시스템 성능평가를 위하여 지경부 고시 제 2008-3호⁽¹¹⁾에 따라 ATES 시스템 성능 분석을 위한 각종 센서를 설치하였다. RTD 센서를 이용하여 지중순환수의 열펌프 유닛 실외열교환기 입․출구 온도를 측정하였으며, RTD의 정확도는 ±0.
시스템 COP는 열펌프의 소비전력과 심정펌프의 소비 동력을 고려한 ATES 시스템 COP이다. 본 시스템의 냉방 및 난방용량과 COP의 불확실성은 각각 3.1%와 3.3%였으며, ASHRAE⁽¹²⁾에 따라 평가하였다. 본 ATES 시스템 구조 등에 대한 보다 상세한 내용은 관련 참고문헌⁽¹⁰⁾를 참조하도록 한다.

성능/효과

신·재생에너지 사용 시스템 중에 지열원 열펌프 시스템은 현존하는 냉난방 방식 중에서 가장 효율이 높고 환경친화적인 시스템으로 그 사용 및 기술 개발이 증가 되고 있다.⁽¹⁾ 지열원 열펌프 시스템의 장점은 상용 공기 열원 열펌프 시스템보다 에너지 소비량이 적고, 대기 중에 노출되는 기기가 없으며, 사용되는 냉매의 양이 상대적으로 적다는 것이다. 또한 난방 및 냉방 사이클에서 지열은 공기보다 안정적이기 때문에 지열원 열펌프 유닛은 높은 효율과 우수한 성능을 갖는다.
LNG 가스의 연료비가 높기 때문에 난방의 경우에 ATES 시스템의 운전비용이 매우 크게 절감되었으며, 냉방의 경우에도 공기열원 에어컨보다 ATES 시스템의 열원측 온도 조건이 양호하여 운전비용이 절약되었다. ATES 시스템 적용 시 냉방비용과 난방비용은 각각 22,6%와 83.8% 절감되었다.
ATES 시스템은 냉방의 경우 공기열원 에어컨에 비하여 운전비가 22.6% 절감되었으며, LNG 보일러와 비교하여 난방 운전비는 83.8% 절감되었다.
ATES 시스템은 하절기와 동절기에 열원의 안정성으로 인하여 지속적인 사용에도 불구하고, 냉난방 용량 및 COP가 높게 나타났으며, 기간 사용에 따른 성능 변화가 거의 없었다.
이러한 조건에서 생애주기법을 이용한 경제성 평가 결과를 세부항목별로 Table 5에 나타내었다. ATES 시스템의 경우 생애운전비용이 초기투자비용보다 적게 나타났으며, LNG 보일러와 공기열원 에어컨 시스템은 생애운전비용이 초기투자비에 비하여 높게 나타났다. 기존 시스템의 경우는 ATES 시스템에 비하여 초기투자비용은 적지만, 전기 및 가스요금 등을 포함한 생애운전비용이 매우 큰 비중을 차지하고 있다.
Fig. 4와 Fig. 7에서 보여지듯이 냉방 및 난방 운전 시 ATES 시스템의 열원은 안정적이었으나, 축열 효과는 크게 나타나지 않았다. 본 ATES 시스템 설치 사이트의 지하수 유동 특성과 지질학적 변수 분석자료에 의한 모델링 결과 축열에 의하여 관측공 MW1에서의 온도 상승과 MW5에서의 온도 하강은 552일 이후 발생하기 때문이다.
운전비용은 물가상승율과 할인율 등을 감안하여 생애운전비용 산정 시에 계산하였다. LNG 가스의 연료비가 높기 때문에 난방의 경우에 ATES 시스템의 운전비용이 매우 크게 절감되었으며, 냉방의 경우에도 공기열원 에어컨보다 ATES 시스템의 열원측 온도 조건이 양호하여 운전비용이 절약되었다. ATES 시스템 적용 시 냉방비용과 난방비용은 각각 22,6%와 83.
본 연구의 ATES 시스템 실증 성능 결과와 생애 주기 비용을 적용한 결과 ATES 시스템에 대하여 공기열원 에어컨과 LNG 보일러 적용한 기존 시스템에 대한 투자회수 기간은 6.62년으로 나타났다.
62년으로 나타났다. 하지만, 본 연구의 ATES 시스템은 국내 최초로 연구목적으로 시공됨에 따라 고가의 스크린 등이 채용되었으며, 시스템의 대용량화에 따라 부속장비 등의 단가 절감과 시공비 저감이 가능할 것이므로 투자 회수기간은 더욱 감소가 가능할 것으로 예상된다.

후속연구

본 ATES 시스템은 최초 국내에 적용된 시스템으로 이에 대한 시공이 처음 이루어진 것이므로 향후에는 천공비와 스크린 설치 등의 고가의 비용이 소요된 부분에 대해서 비용 절감이 가능할 것으로 예상되며, 대용량화가 가능한 시스템으로 이 경우 부속 장비들의 설치비용 감소가 가능하다. 또한, 지속적인 운전에 따라 축열효과에 의하여 시스템의 효율이 향상될 것이므로 투자 회수 기간 등은 더욱 감소될 수 있을 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지열원 열펌프 시스템의 단점은?	또한 난방 및 냉방 사이클에서 지열은 공기보다 안정적이기 때문에 지열원 열펌프 유닛은 높은 효율과 우수한 성능을 갖는다. 그러나 지중열교환기의 매설을 포함한 전체 시스템의 초기 설치비가 기존 설비보다 크다는 단점이 있다.(2, 3) 이러한 점 때문에 지열원 열펌프 시스템의 초기 투자비를 줄이기 위하여 유럽, 중국 등에서는 건물기초를 활용한 에너지파일, 복수정 시스템 등의 다양한 형태의 지중열교환기를 활용한 지열원 열펌프 시스템 개발을 진행하고 있다.
	지열원 열펌프 시스템의 장점은?	신․재생에너지 사용 시스템 중에 지열원 열펌프 시스템은 현존하는 냉난방 방식 중에서 가장 효율이 높고 환경친화적인 시스템으로 그 사용 및 기술 개발이 증가 되고 있다.(1) 지열원 열펌프 시스템의 장점은 상용 공기 열원 열펌프 시스템보다 에너지 소비량이 적고, 대기 중에 노출되는 기기가 없으며, 사용되는 냉매의 양이 상대적으로 적다는 것이다. 또한 난방 및 냉방 사이클에서 지열은 공기보다 안정적이기 때문에 지열원 열펌프 유닛은 높은 효율과 우수한 성능을 갖는다. 그러나 지중열교환기의 매설을 포함한 전체 시스템의 초기 설치비가 기존 설비보다 크다는 단점이 있다.
	ATES 시스템이란 무엇인가?	터키에서는 대수층을 활용하여 시스템 유지보수 비용 절감에 관한 연구를 추진하였다.(9) 대수층축열(Aquifer thermal energy storage) 적용지열원 열펌프 시스템(이하 ATES 시스템)은 하절기에는 열펌프에서 생성된 온수를 대수층으로 주입시켜 지중축열체의 온도를 상승시키고, 동절기에는 열펌프에서 생성된 냉수를 대수층으로 주입시켜 축열체의 온도를 하강시켜 연간 지중 열원의 안정성과 효율 증대가 가능한 시스템으로 알려져 있다.(10) 하지만, 현재까지 국내에서 ATES 시스템에 대한 기초 성능 및 경제성에 관한 연구 성과는 전무하다.

참고문헌 (13)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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