[논문]미국 신재생 에너지 적용 사례소개

박창용

문제 정의

따라서, 본 원고에서는 신재생 에너지를 다양하게 활용하는 관점에서 미국의 적용사례와 시사점을 소개하고자 한다. 여기에서는 태양열을 활용하는 주거용 난방 시스템과 지열 열펌프를 활용한 건물의 에너지 효율 향상에 대해 서술하였다.
따라서, 본 원고에서는 신재생 에너지를 다양하게 활용하는 관점에서 미국의 적용사례와 시사점을 소개하고자 한다. 여기에서는 태양열을 활용하는 주거용 난방 시스템과 지열 열펌프를 활용한 건물의 에너지 효율 향상에 대해 서술하였다. 언급된 대양열과 지열관련 연구사례는 각각 ASHRAE Journal 2012년 2월호와 2012년 9월호에 게재된 내용을 번역 요약한 것이다.
지금까지 미국의 태양열과 지열을 이용한 공조시스템의 적용사례에 대해 소개하였다. 미국의 경우 남서부에서 주간에는 태양열이 풍부하고 야간에는 사막기후와 유사하여 기온이 급감하기 때문에, 주간의 남는 열을 야간의 난방에 활용하는 기술 개발이 이루어졌다.
첫 번째 연구 사례는 태양열을 활용한 순환수식 주거용 난방시스템이다. 태양열 난방 전문가가 태양열 온수기에 능숙하게 된 이후, 그 다음 논리적 단계는 태양열 콤비시스템을 깊게 연구하는 것이다. 이러한 시스템에서는 집열기 배열이 좀 더 커지고, 열은 하나의 탱크가 아닌 다수의 사용자에게 분배된다.

가설 설정

5℃) 정도이며 가정용 온수는 연료의 사용 없이 계속 사용이 가능하다. 시스템은 또한 밤시간 동안 많은 가정용 온수의 사용에 대비하여 열저장 탱크의 열을 가정용 온수 저장탱크로 이동이 가능하도록 구성되었다.

제안 방법

250개 이상의 데이터를 매 5분마다 저장한 방대한 자료가 있었기 때문에 일반적 작동조건에서 성능분석이 가능하였다. 그림 5는 이러한 분석 결과를 알리는 것이 사용자의 결정에 어떠한 영향을 주며 Santa Fe 인근의 시스템에서 얼마나 많은 돈이 절약되는지 보여준다.
시 측의 수직 굴착에 관한 경험을 근거로 하여 수직형 지중 열교환기는 더 이상 활용하기 어렵게 되었다. 다행스럽게도 주변에 정리되지 않는 주차장 시설을 개량하는 사업과 시기가 일치하게 되어 주차장 부지를 활용하는 수평형 지중 열교환기의 사용이 가능하게 되었고, 대학 측과의 협의를 통해 수평형 지중 열교환기를 활용한 열펌프 시스템을 설치하기로 결정하였다.
새로운 지중 열교환기 부지에 739 kW의 냉방 용량을 제공하는 총 270개의 slinky coil이 9,066 m²의 면적에 2 m 깊이로 설치되어 겨울철 동파를 방지하도록 하였다(그림 7).
설계초안에서 지중 열교환기는 차지하는 면적을 줄이기 위해 수직형으로 계획되었다. 하지만 Port Huron 시에서는 다량의 메탄가스가 존재하는 호수바닥의 위에 존재하는 건물위치의 특성을 이유로 수직의 깊은 굴착을 허가하지 않았다.
대학 측은 구식창문 개량이나 외벽의 추가적인 단열에 필요한 자금이 없었기 때문에 현재의 건물 외부구조는 그대로 유지될 수 밖에 없었으며 이러한 상황이 새로운 HVAC 시스템의 설계에 고려되어야만 하였다. 수 주에 걸친 분석과 소요자금의 계산 그리고 건물주와의 협의를 통해, 설계팀은 고 에너지 효율뿐 아니라 에너지 절약의 본보기가 될만한 건물을 대학 내에 만들고자 North Building에 중앙식 물 대 물 지열 열펌프 시스템을 설치하기로 결정하였다.
이 시점에서 열저장 탱크의 온도는 145℉ [63℃]이며 가정용 온수탱크의 온도는 140℉ [60℃]이다. 시스템이 설치된 가구의 가정용 온수탱크의 크기가 작기 때문에 태양열을 가정용 온수탱크에 공급하는 것을 최우선으로 고려하는 시스템 변수로 설정하였다. 가정용 온수탱크의 목표온도는 160℉ [71℃]이다.
또한 컴퓨터는 매 5분마다 연속적으로 250개 이상의 데이터를 모아 영구적으로 저장한다. 실험공간을 세우고 기술된 시스템을 설치하여 프로그래밍을 완료한 이후, 우리는 4개의 추가적인 시스템을 만들어 실제 가정에 설치하였다. 실제 시스템 중 3개는 뉴맥시코 주에 나머지 하나는 버지니아 주에 설치되었다.
예를 들어 오직 6대의 열펌프로 60대의 분리된 물 대 공기 열펌프를 대체할 수 있었다. 이러한 설계는 또한 각 공조 공간에 설치되어야 하는 열펌프의 공간을 절약하도록 하였다.
도심지역 한 가운데 위치한 North Building의 위치는 지중 열교환기 시스템을 설치하기 위한 혁신적인 기술을 요구하였다. 지중 열교환기 시스템을 주차장 지하 2 m 땅속에 매설하여 주차 기능과 지열원의 기능을 동시에 수행하도록 하였다. 추가적으로 주차장의 아스팔트 포장은 경사지게 시공되어 주차장의 빗물이 주차장 주변에 위치한 녹지구역으로 흐르도록 하였다.

대상 데이터

오래된 건물들 중 하나는 이전에 Old Main Building으로 알려진 North Building이며(그림 6), 오늘날 이 건물은 전면적 5,470 m², 실면적 4,884 m²를 가진 2층 건물로 내부에는 사무실, 강의실, 실험실, 체육관 그리고 체력 단련실 등이 있다. 92년 동안 다용도 건물로 사용되었으며 HVAC 시스템의 교체를 필요로 하였다. 설치되어 있었던 유닛형 냉난방 시스템은 성능저하가 이미 시작되어 각 거주공간에 적절치 못한 공조성능과 소음을 발생시켰다.
뉴멕시코 산타페에 위치한 필자의 태양열 연구소에서, 완전한 태양열 콤비시스템을 구축하였고 필자들의 제어개념을 실현하기 위해 중앙 컴퓨터와 측정 및 제어를 위한 I/O 및 릴레이 모듈을 시스템에 설치하였다. 컴퓨터와 릴레이, signal conditioning, 측정과 다중화 스위치를 포함하는 인터페이스를 위해, 우리는 플러그 인 컴퓨터와 multiplex, 릴레이와 DMM (디지털 멀티미터)모듈로 구성된 National Instrument사의 PXI 시스템을 사용했다.
실험공간을 세우고 기술된 시스템을 설치하여 프로그래밍을 완료한 이후, 우리는 4개의 추가적인 시스템을 만들어 실제 가정에 설치하였다. 실제 시스템 중 3개는 뉴맥시코 주에 나머지 하나는 버지니아 주에 설치되었다. 모든 시스템은 전 테스트 기간 동안 거의 매일 원격 모니터 되었고, 관련 데이터 파일이 수집되었다.
첫 번째 연구 사례는 태양열을 활용한 순환수식 주거용 난방시스템이다. 태양열 난방 전문가가 태양열 온수기에 능숙하게 된 이후, 그 다음 논리적 단계는 태양열 콤비시스템을 깊게 연구하는 것이다.

이론/모형

뉴멕시코 산타페에 위치한 필자의 태양열 연구소에서, 완전한 태양열 콤비시스템을 구축하였고 필자들의 제어개념을 실현하기 위해 중앙 컴퓨터와 측정 및 제어를 위한 I/O 및 릴레이 모듈을 시스템에 설치하였다. 컴퓨터와 릴레이, signal conditioning, 측정과 다중화 스위치를 포함하는 인터페이스를 위해, 우리는 플러그 인 컴퓨터와 multiplex, 릴레이와 DMM (디지털 멀티미터)모듈로 구성된 National Instrument사의 PXI 시스템을 사용했다. 시스템은 National Instrument사의 프로그래밍 언어 Labview로 프로그램 되었다.

성능/효과

1920년대 고 건물에 최신형의 고효율 물 대 물 열펌프 시스템을 성공적으로 설치하기 위하여 설계팀은 가능한 모든 선택사항을 고려하였다. 설계팀이 지중 열교환기를 활용한 물 대 물 열펌프 시스템을 선택함으로써 기존의 유닛 형 열펌프가 가지고 있던 잠재적 문제점을 해결할 수 있었다. 예를 들어 오직 6대의 열펌프로 60대의 분리된 물 대 공기 열펌프를 대체할 수 있었다.
자정 시간까지 소량의 가정용 온수의 사용이 존재하며, 가정용 온수탱크에는 최소온도가 설정되어 있어 자정 이후와 이른 아침시간 동안 이 최소 설정온도를 유지하기 위해 보일러는 주기적으로 작동과 정지를 반복하게 된다. 설치된 가정용 온수탱크의 크기는 꽤 컸으며 거주자가 요구하는 그 순간 온수사용이라는 편의를 위해 $700의 연료비와 펌프를 작동시키기 위한 추가적인 전기료를 지불해야 한다는 분석결과를 얻었다. 분석결과를 받아본 시스템 소유자가 재순환장치의 작동 방식을 바꾸기로 결정하는 것은 당연하다.
그 이유는 이러한 시스템이 다양한 건물의 형태나 방향에 거의 제한받지 않고 적용될 수 있기 때문이다. 우리가 얻은 결과와 관찰은 여기에서 권고할 수 있는 최고의 실행방법을 공식화하도록 하였고, 이러한 권장사항은 가정용 혹은 작은 상업용 빌딩의 태양열시스템을 설치하는데 즉시 적용이 가능하였다. (그림 1a와 1b의 예를 보라) 여기서 주로 서술되는 순환수식 태양열 시스템은 소형 빌딩(10,000 ft² 미만)을 대상으로 한 신규설치나 기존 시스템의 교체에 관련된 것이다.
(그림 1a와 1b의 예를 보라) 여기서 주로 서술되는 순환수식 태양열 시스템은 소형 빌딩(10,000 ft² 미만)을 대상으로 한 신규설치나 기존 시스템의 교체에 관련된 것이다. 우리는 태양열 콤비시스템의 설계, 설치 및 제어에 대해 규격화되고 모듈화된 접근방식이 시스템의 반응성과 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있었음을 알 수 있었다.
이 가정에 설치된 시스템에서 가정용 온수 재순환장치는 계속 가동되기 때문에 거주자는 온수가 필요한 시간에 즉시 사용이 가능하다. 하지만 성능 분석을 통해 가정용 온수 재순환 루프의 몇몇 부분이 단열되지 않아, 루프에 온수를 재순환시키는 동안 바닥, 벽, 지하 등으로 상당히 많은 열이 손실되고 있음을 발견하였다.

후속연구

중서부의 경우 다습한 여름과 비교적 긴 겨울을 갖고 있어 지속적인 냉방과 난방의 수요가 발생하며, 이를 위해 지열 시스템의 적용이 늘어나는 지역이다. 지역별 특성에 따라 다양한 신재생에너지의 검토와 활용이 이루어지는 것을 알 수 있으며, 우리나라에서도 그 지역의 특생에 맞는 신재생에너지 기술이 개발된다면 그 보급이 더욱 확대될 수 있을 것이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양열 콤비시스템이 일반적으로 대규모 집열기를 사용하는 이유는?	이러한 시스템에서는 집열기 배열이 좀 더 커지고, 열은 하나의 탱크가 아닌 다수의 사용자에게 분배된다. 태양열 콤비시스템은 주거공간의 난방, 온수생산 및 보일러의 예열, 수영장, 스파, 얼음의 융해, 열저장 장치 등에 필요한 열을 공급하기 위해 대규모 집열기를 사용하는 것이 일반적이다. 이러한 시스템에 적용되는 배관 시스템은 복잡하고 제어가 만만치 않게 보이게 된다.
	대부분의 태양열 순환수식 콤비시스템은 어떤 구성을 포함하는가?	o 다수의 태양열 집열기 배치; o 천연가스나 프로판 가스를 사용하는 순환수식 보일러; o 탱크 내부에 열교환기가 장착된 가정용 온수기; o 몇 개의 난방지역으로 나뉘는 바닥복사난방.
	태양열을 활용한 순환수식 주거용 난방시스템의 특징은?	태양열 난방 전문가가 태양열 온수기에 능숙하게 된 이후, 그 다음 논리적 단계는 태양열 콤비시스템을 깊게 연구하는 것이다. 이러한 시스템에서는 집열기 배열이 좀 더 커지고, 열은 하나의 탱크가 아닌 다수의 사용자에게 분배된다. 태양열 콤비시스템은 주거공간의 난방, 온수생산 및 보일러의 예열, 수영장, 스파, 얼음의 융해, 열저장 장치 등에 필요한 열을 공급하기 위해 대규모 집열기를 사용하는 것이 일반적이다.

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