[논문]국제 호환형 지열히트펌프 시스템 경제성 평가 연구

나선익; 강은철; 이의준

doi:10.17664/ksgee.2014.10.1.007

국제 호환형 지열히트펌프 시스템 경제성 평가 연구
International Harmonized Economic Assessment Study of a Ground Source Heat Pump System 원문보기

한국지열에너지학회논문집 = Transactions of the Korea Society of Geothermal Energy Engineers, v.10 no.1, 2014년, pp.7 - 13

나선익 (과학기술연합대학원대학교 재생에너지공학) , 강은철 (한국에너지기술연구원) , 이의준 (한국에너지기술연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

This study intends to analyse the economical aspect of a GSHP(Ground Source Heat Pump) system compared to the conventional system which is consisted with a boiler and a chiller. This study has simulated four systems in Incheon. It developed and analyzed for applications in a residential and an office building which was based on the hourly EPI(Energy Performance Index, $kWh/m^2yr$). Case 1 is utilizing a boiler and a chiller to meet heating and cooling demand of a house. Case 2 is utilizing the same conventional set up as Case 1 of a office. Case 3 is summation of Case 1(house) and 2(office) systems and loads. And Case 4 is utilizing a GSHP to meet the combined loads of the house and office. The method of the economic assessment has been based on IEA ECBCS Annex 54 Subtask-C SPB(Simple Payback) method. The SPB calculated the economic balanced year of the alternative system over the reference system. The SPB of the alternative systems (GSHP) with 10%, 30% and 50% initial incentive has been calculated as 9.38, 6.72 and 4.06 year respectively while the SPB without initial incentive of systems was 10.71 year.

주제어

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문제 정의

본 연구에서는 에너지 이용패턴이 다른 특정건물에 대하여 개별 냉난방설비를 갖췄을 때 대비부하를 공유함으로써 나타나는 에너지 절감효과를 신재생에너지 설비인 GSHP 시스템으로 적용 하였을 때와 비교하여 설치비 대비 에너지 생산량, 연간 유지관리 비용 등을 분석함으로써 두 설비에 대한 경제성 평가를 수행하고자 한다. 경제성 평가는 IEA(International Energy Agency) ECBCS(Energy Conservation in Building & Community System) Annex 54 Subtask C에서 제시한 경제 평가항목[1]들을 기반으로 하여 우리나라에서 실제로 판매되고 있는 보일러/에어컨 가격과 가스, 전기 에너지 판매 단가 등을 고려하여 평가한다.
본 연구에서는 에너지 이용패턴이 서로 다른 건물에 대해 개별 냉난방 설비 대비 GSHP 시스템 적용에 따른 에너지 절감효과를 비교 검토하였다. 또한 IEA ECBCS Annex 54 Subtask C에서 제시하는 경제성 평가 방법에 준하여 우리나라 실정에 맞는 냉난방설비 가격, 전기/가스 가격 정보 등을 기반으로 경제성 평가를 수행하였다.
본 연구에서는 한국에너지기술연구원과 캐나다 CanmnetENERGY가 공동 연구한 에너지 소비량 비교 결과를 기반으로 하였다[2]. 해당 연구에서는 Table 1과 같이 4가지의 Case로 구분하여 에너지 해석 프로그램인 TRNSYS-17을 활용한 Case별 에너지 시뮬레이션 모델을 평가하였다.
본 절에서는 앞에서 제시한 각 Case의 에너지 소비량을 기반으로 운전비용을 예측하고자 한다. Table 4에서 나타낸 것과 같이 각 Case별 시스템의 에너지 사용량을 전력과 가스비용을 각각 산출하였다.

가설 설정

해당 연구에서는 Table 1과 같이 4가지의 Case로 구분하여 에너지 해석 프로그램인 TRNSYS-17을 활용한 Case별 에너지 시뮬레이션 모델을 평가하였다. 건물은 인천 지역의 200m²의 주거용 건물과 200 m ²의 사무용 건물에 대하여 사각 형태에 하나의 존으로 가정하였다. 온수급탕 용량은 ASHRAE-124에 제시된 주거 및 소규모 사무실 건물 기준을 따랐다[3-4].
보일러는 제조사별로 규격화되어 생산되며, 보급형과 고급형으로 가격 차이가 나타났다. 따라서 평균적 성능을 나타내는 보일러를 선정한다는 가정으로 모든 보일러 가격정보를 기반으로 회귀식을 Fig. 2와 같이 구하였다. 에어컨의 경우 공기방식의 에어컨을 대상으로 하여 10 kW급 이상 급으로 한정하여 시장조사를 진행하여 Fig.

제안 방법

그리고 Case 3는 Case 1과 2의 산술적 합으로 주거용 건물과 비주거용 건물이 개별적으로 냉난방 설비를 갖추고 있음을 의미한다. Case 4는 Case 1과 Case 2의 부하를 공유하고 기존의 보일러/에어컨 설비 대신에 신재생에너지설비인 GSHP 시스템을 적용한 것을 모델링 하였다. GSHP는 물 대 물 방식의 히트펌프를 사용하였고, 용량은 각 건물의 부하공유를 통해 첨두부하가 줄어들게 되어 5 RT급으로 선정하였다.
각각의 냉난방시스템에 대하여 단위면적당 설비비용, 운영비용, 전력비용, 가스비용에 대한 연간유지 비용을 계산하여 경제성을 분석하였다. 전력의 경우, 시스템에서 소비되는 전력량의 비용과 시스템에서 생산되는 전력량의 발전 수익금을 구분하였으며 수익금은 음수로 표현하였다.
경제성 평가는 IEA(International Energy Agency) ECBCS(Energy Conservation in Building & Community System) Annex 54 Subtask C에서 제시한 경제 평가항목[1]들을 기반으로 하여 우리나라에서 실제로 판매되고 있는 보일러/에어컨 가격과 가스, 전기 에너지 판매 단가 등을 고려하여 평가한다.
본 연구에서는 에너지 이용패턴이 서로 다른 건물에 대해 개별 냉난방 설비 대비 GSHP 시스템 적용에 따른 에너지 절감효과를 비교 검토하였다. 또한 IEA ECBCS Annex 54 Subtask C에서 제시하는 경제성 평가 방법에 준하여 우리나라 실정에 맞는 냉난방설비 가격, 전기/가스 가격 정보 등을 기반으로 경제성 평가를 수행하였다. 본 연구 수행을 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.
88이다. 물을 열원으로 하는 GSHP는 공기를 열원으로 하는 에어컨의 COP의 비해 높은 성능 특성을 지닌 설비로 연간 시뮬레이션을 하였다.
신재생에너지 보급 활성화를 위한 방안으로 정책적으로 신재생에너지공급의무화제도(RPS)와 발전차액제도(FIT) 등의 지원제도가 있다. 본 연구에서는 초기 설비비용에 대하여 10%, 30%, 50%의 보조금 지원 시 보조금 혜택이 없는 경우와 비교하여 경제성 평가를 수행하였다.
GSHP는 물 대 물 방식의 히트펌프를 사용하였고, 용량은 각 건물의 부하공유를 통해 첨두부하가 줄어들게 되어 5 RT급으로 선정하였다. 온수급탕을 위한 보조열원으로 천연가스 버너를 적용하였다.
0%으로 동일하게 적용하였다. 유지관리비용은 시설과 설비용량별로 다를 수 있지만 본 논문에서는 보일러는 초기 투자비용의 20%, 에어컨은 5%, GSHP는 0.5%로 적용하였다.
각각의 냉난방시스템에 대하여 단위면적당 설비비용, 운영비용, 전력비용, 가스비용에 대한 연간유지 비용을 계산하여 경제성을 분석하였다. 전력의 경우, 시스템에서 소비되는 전력량의 비용과 시스템에서 생산되는 전력량의 발전 수익금을 구분하였으며 수익금은 음수로 표현하였다. O&M 비용은 운영비용, 가스비용, 전력비용의 합으로 표시하여 Table 7으로 나타내었다.
본 연구에서는 한국에너지기술연구원과 캐나다 CanmnetENERGY가 공동 연구한 에너지 소비량 비교 결과를 기반으로 하였다[2]. 해당 연구에서는 Table 1과 같이 4가지의 Case로 구분하여 에너지 해석 프로그램인 TRNSYS-17을 활용한 Case별 에너지 시뮬레이션 모델을 평가하였다. 건물은 인천 지역의 200m²의 주거용 건물과 200 m ²의 사무용 건물에 대하여 사각 형태에 하나의 존으로 가정하였다.

대상 데이터

Case 1은 200 m2의 주거용 건물에 대한 모델이며, 난방설비는 30 kWth 보일러로 냉방설비는 3 RT급 에어컨으로 선정하였다. Case 2는 200 m²의 사무용 건물을 모델링 하였으며 보일러는 30 kWth, 에어컨은 4 RT급으로 선정하였다.
Case 1은 200 m2의 주거용 건물에 대한 모델이며, 난방설비는 30 kWth 보일러로 냉방설비는 3 RT급 에어컨으로 선정하였다. Case 2는 200 m²의 사무용 건물을 모델링 하였으며 보일러는 30 kWth, 에어컨은 4 RT급으로 선정하였다. 그리고 Case 3는 Case 1과 2의 산술적 합으로 주거용 건물과 비주거용 건물이 개별적으로 냉난방 설비를 갖추고 있음을 의미한다.
10 kW급 이하의 에어컨들은 용량 크기보다는 디자인과 추가 성능에 따라 가격의존도가 높은 것으로 판단되어 조사범위에서 제외하였다. GSHP 시스템 설비비용은 지식경제부 고시 제 2011-3호(2011.1.12.)에서 제시한 설치단가를 기준으로 산정하여 단위 kW당 1,260,000원으로 책정하였다.[5]
Case 4는 Case 1과 Case 2의 부하를 공유하고 기존의 보일러/에어컨 설비 대신에 신재생에너지설비인 GSHP 시스템을 적용한 것을 모델링 하였다. GSHP는 물 대 물 방식의 히트펌프를 사용하였고, 용량은 각 건물의 부하공유를 통해 첨두부하가 줄어들게 되어 5 RT급으로 선정하였다. 온수급탕을 위한 보조열원으로 천연가스 버너를 적용하였다.
Table 3에 요약한 바와 같이 시뮬레이션을 위해서 효율이 85%인 60 kWth급 보일러와 표준 냉방 COP가 3인 에어컨을 선정하였다. 특히 GSHP는 KS B ISO 13256-2을 기준으로 부하측 입수온수 40℃, 열원측 입수온도 5℃일 때 난방성능계수 (COP_H)는 3.
비공조 전력 부하 값은 캐나다의 주거건물과 소규모 사무실 건물의 평균 소비량을 기반으로 건축물의 부하를 Table 2와 같이 산출하였다. 기후데이터는 EnergyPlus에서 제공하는 인천 기후데이터를 사용하였다.
한국에서 현재 상용화되어 판매되고 있는 보일러와 에어컨의 설비들을 대상으로 가격 시장조사를 하였다. 보일러는 제조사별로 규격화되어 생산되며, 보급형과 고급형으로 가격 차이가 나타났다.
1과 같이 진행하였다. 해당 평가항목들은 설비비용, 상환기간과 이자율, 유지보수비용, 전력 및 천연가스 비용, 설비 보조금, 발전보상금이다.

이론/모형

경제성 평가는 IEA ECBCS Annex 54 Subtask C에서 제시한 경제 평가항목[1]들을 근거로 하여 우리나라 실정에 맞춰 Fig. 1과 같이 진행하였다. 해당 평가항목들은 설비비용, 상환기간과 이자율, 유지보수비용, 전력 및 천연가스 비용, 설비 보조금, 발전보상금이다.
건물은 인천 지역의 200m²의 주거용 건물과 200 m ²의 사무용 건물에 대하여 사각 형태에 하나의 존으로 가정하였다. 온수급탕 용량은 ASHRAE-124에 제시된 주거 및 소규모 사무실 건물 기준을 따랐다[3-4]. 비공조 전력 부하 값은 캐나다의 주거건물과 소규모 사무실 건물의 평균 소비량을 기반으로 건축물의 부하를 Table 2와 같이 산출하였다.

성능/효과

(1) 연간 지출해야할 설비비용은 보일러/에어컨 시스템 (Case 3)는 263,323원이며, GSHP (Case 4)는 1,354,978원으로 평가되었다.
(2) 연간 지출해야할 에너지비용은 보일러/에어컨 시스템의 경우 4,624,478원인 반면 GSHP 시스템의 경우에는 2,888,143원으로 평가되었다.
(3) 초기비용, 유지보수비용, 에너지비용을 모두 합산한 GSHP 시스템의 연간 소비비용이 기존 보일러/에어컨 시스템보다 947,566원 낮게 산출되었다.
(4) 초기 설비비용 지원율 0%, 10, 30%, 50%에따라 SPB가 각각 10.71년, 9.38년, 6.72년, 4.06년으로 나타났다.
TRNSYS 시뮬레이션 분석에 의한 Case별 에너지 소비량 분석 결과는 Table 4와 같이 평가되 었다[2]. 기존 설비를 GSHP 시스템으로 대체한 Case 4에서의 에너지 절감효과는 Case 3와 비교하여 39.48%로 나타났다. 또한 Case 4에서의 연간 전력소비량은 Case 3에 비해 2,770 kWh/yr가 늘어났다.
Table 3에 요약한 바와 같이 시뮬레이션을 위해서 효율이 85%인 60 kWth급 보일러와 표준 냉방 COP가 3인 에어컨을 선정하였다. 특히 GSHP는 KS B ISO 13256-2을 기준으로 부하측 입수온수 40℃, 열원측 입수온도 5℃일 때 난방성능계수 (COP_H)는 3.25, 부하측 입수온수 12℃, 열원측 입수온도 25℃일 때 냉방성능계수(COP_C)는 6.88이다. 물을 열원으로 하는 GSHP는 공기를 열원으로 하는 에어컨의 COP의 비해 높은 성능 특성을 지닌 설비로 연간 시뮬레이션을 하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	정전이 사회와 경제에 미치는 영향을 경험할 수 있었던 사례는?	2011년 이웃나라 일본의 원전 사고로 인해 대규모 정전사고와 국내에서 발생한 9.15 비상 정전 사고(Station Blackout)의 경험을 통해 정전이 사회와 경제에 미치는 영향을 경험하였다. 그 이후에도 에너지 공급이 원활히 이뤄지고 있지 않아 2012년에는 예비전력량이 여름철뿐 아니라 겨울철까지도 부족하여 전력경보를 발령하였다.
	2013년 전력위기를 관리하기 위해 정한 기간은?	그 이후에도 에너지 공급이 원활히 이뤄지고 있지 않아 2012년에는 예비전력량이 여름철뿐 아니라 겨울철까지도 부족하여 전력경보를 발령하였다. 또한 2013년에는 국가적인 전력비상 수급기간을 정하여 전력위기를 관리하기도 하였다. 계속되는 에너지 위기를 극복하기 위한 노력으로 건축물에 사용되는 설비들의 에너지효율을 높이고 신재생에너지원을 활용하는 기기로 대체하는 방안들이 제시되고 있다.
	에너지 위기를 극복하기 위한 노력으로 제시된 건축물에 사용되는 설비들의 에너지효율을 높이고 신재생에너지원을 활용하는 기기로 대체하는 방안은?	계속되는 에너지 위기를 극복하기 위한 노력으로 건축물에 사용되는 설비들의 에너지효율을 높이고 신재생에너지원을 활용하는 기기로 대체하는 방안들이 제시되고 있다. 그런 측면에서 에너지 사용패턴이 다른 두 건물이 부하를 공유하여 설비의 에너지 효율을 높이는 부하공유 기술과 지중온도를 활용 하여 냉난방을 하는 지열히트펌프(GSHP, Ground source heat pump) 시스템 도입이 대안으로 제시 될 수 있다.

참고문헌 (12)

A. Rosato, S. Sibilio, G. Ciampi., 2013, Energy environmental and economic dynamic performance assessment of different micro-cogeneration systems in a residential application, Applied Thermal Engineering 59 , pp 599-617.

상세보기
E. Entchev, L. Yang, M. Ghorab, E.J. Lee, 2013, Fuel Cell -Ground Source Heat Pump Simulation Study, CanmetENERGY report, pp. 1-17.
ASHRAE, ANSI / ASHRAE 124 -2007 Methods of Testing for Rating Combination Space Heating and Water Heating Appliances, 2007.
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상세보기
Peter Tzscheutschler, 2013, Policy Instru- ments for Microgeneration and Related Energy Technologies in Germany, ECBCS IEA Annex 54 report.
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Korea Electric Power Corporation (KEPCO) Website, cyber.kepco.co.kr.
Korea Gas Corporation(KOGAS) Webstie, www.kogas.or.kr.
Good Boiler Website, www.1688-0479.com.
Danawa website, www.danawa.com

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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